Vad är FACTS och varför behövs de i elkraftsystem?

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) hänvisar till ett system baserat på krafteläktronik som använder statiska enheter för att öka överföringsförmågan och styrbarheten i växelströmsnät.

Dessa krafteläktroniska enheter integreras i traditionella växelströmsnät för att förbättra viktiga prestandamål, inklusive:

• Överföringskapaciteten för överföringslinjer

• Spänningsstabilitet och transitorisk stabilitet

• Precision i spänningsreglering

• Systemets tillförlitlighet

• Termiska gränser för överföringsinfrastrukturen

Innan krafteläktroniska strömbrytare utvecklades hanterades problem som reaktiv effektobalans och stability genom mekaniska strömbrytare som anslöt kondensatorer, reaktorer eller synkrona generatorer. Mekaniska strömbrytare hade dock kritiska nackdelar: långsamma svarstider, mekanisk slitage och dålig tillförlitlighet – vilket begränsade deras effektivitet i att optimera kontrollbarheten och stabiliteten i överföringslinjer.

Utvecklingen av högspänningskrafteläktroniska strömbrytare (t.ex. thyristorer) möjliggjorde skapandet av FACTS-styrenheter, vilket revolutionerade hanteringen av växelströmsnät.

Varför behövs FACTS-enheter i elkraftsystem?

Ett stabilt elkraftsystem kräver precist samordning mellan produktion och efterfrågan. När elförbrukningen ökar blir det viktigt att maximera effektiviteten hos alla nätverkskomponenter – och FACTS-enheter spelar en viktig roll i denna optimering.

Elektrisk kraft indelas i tre typer: aktiv effekt (användbar/riktig effekt för slutanvändning), reaktiv effekt (orsakad av energilagringskomponenter i belastningar) och synlig effekt (vektorsumma av aktiv och reaktiv effekt). Reactiva effekten, som kan vara induktiv eller kapacitiv, måste balanseras för att förhindra att den flödar genom överföringslinjer – okontrollerad reaktiv effekt minskar nätverkets kapacitet att överföra aktiv effekt.

Kompensationstekniker (för att balansera induktiv och kapacitiv reaktiv effekt genom att leverera eller absorbera den) är därför kritiska. Dessa tekniker förbättrar kvaliteten på elen och ökar överföringseffektiviteten.

Typer av kompensationstekniker

Kompensationstekniker klassificeras beroende på hur enheter ansluts till elkraftsystemet:

1. Seriekompensation

Vid seriekompensation ansluts FACTS-enheter i serie med överföringsnätet. Dessa enheter fungerar vanligtvis som variabla impedanser (t.ex. kondensatorer eller induktorer), där seriekondensatorer är de mest vanliga.

Denna metod används ofta i EHV (Extra High Voltage) och UHV (Ultra High Voltage) överföringslinjer för att betydande förbättra deras överföringskapacitet.

Överföringskapaciteten för en överföringslinje utan kompensationsenhet;

Där,

• V₁ = Spänning vid avsändarpunkt

• V₂ = Spänning vid mottagarpunkt

• X_L = Induktiv reaktans för överföringslinjen

• δ = Fasvinkel mellan V₁ och V₂

• P = Överförd effekt per fas

Nu ansluter vi en kondensator i serie med överföringslinjen. Den kapacitiva reaktansen för denna kondensator är X_C. Så, den totala reaktansen är X_L-X_C. Så, med en kompensationsenhet, är överföringskapaciteten given av;

Faktorn k kallas kompensationsfaktor eller kompensationsgrad. Generellt ligger värdet av k mellan 0,4 och 0,7. Låt oss anta att värdet av k är 0,5.

Det är alltså uppenbart att användandet av seriekompensationsenheter kan öka överföringskapaciteten med ungefär 50%. När seriekondensatorer används, är fasvinkeln (δ) mellan spänning och ström mindre jämfört med en okompenserad linje. En mindre δ-värde förbättrar systemets stabilitet – det innebär att, för samma överföringsvolym och identiska avsändar- och mottagarparametrar, erbjuder en kompenserad linje betydligt bättre stabilitet än en okompenserad.

Sidankopplad kompensation

I en högspänningsöverföringslinje beror storleken på mottagarvärdet på belastningsförhållandena. Kapacitansen spelar en viktig roll i högspänningsöverföringslinjer.

När en överföringslinje är belastad, kräver belastningen reaktiv effekt, vilken initialt levereras av linjens inbyggda kapacitans. När belastningen överstiger SIL (Surge Impedance Loading), leder den höjda reaktiva effektbehovet till en betydande spänningsnedgång vid mottagaränden.

För att hantera detta ansluts kondensatorbanker parallellt med överföringslinjen vid mottagaränden. Dessa banker levererar den ytterligare reaktiva effekt som behövs, vilket effektivt minskar spänningsnedgången vid mottagaränden.

En ökning av linjekapacitans leder till en ökning av mottagarvärdet.

När en överföringslinje är lättbelastad (dvs. belastningen är under SIL), är reaktiv effektbehovet lägre än den reaktiva effekt som genereras av linjens kapacitans. I detta scenario blir mottagarvärdet högre än avsändarvärdet – ett fenomen som kallas Ferranti-effekt.

För att förhindra detta ansluts sidankopplade reaktorer parallellt med överföringslinjen vid mottagaränden. Dessa reaktorer absorberar den överflödiga reaktiva effekten från linjen, vilket säkerställer att mottagarvärdet hålls vid dess nominella värde.