อะไรคือ FACTS และทำไมต้องใช้ในระบบไฟฟ้า

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) หมายถึงระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้อุปกรณ์คงที่เพื่อเพิ่มความสามารถในการส่งกำลังและความสามารถในการควบคุมของเครือข่ายส่งกำลังไฟฟ้าสลับ

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเหล่านี้ถูกผนวกเข้ากับระบบส่งกำลังไฟฟ้าสลับแบบดั้งเดิมเพื่อเพิ่มตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก ได้แก่:

• ความจุในการส่งกำลังของสายส่ง

• เสถียรภาพแรงดันและความเสถียรชั่วขณะ

• ความแม่นยำในการควบคุมแรงดัน

• ความเชื่อถือได้ของระบบ

• ขีดจำกัดความร้อนของโครงสร้างส่งกำลัง

ก่อนการมีสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ปัญหาอย่างการไม่สมดุลของกำลัง реакทีฟและเสถียรภาพได้รับการแก้ไขโดยใช้สวิตช์กลไกเพื่อเชื่อมต่อคอนเดนเซอร์ รีแอคเตอร์ หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัส แต่สวิตช์กลไกมีข้อเสียสำคัญ เช่น เวลาตอบสนองช้า การสึกหรอทางกล และความเชื่อถือได้น้อย ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพในการควบคุมและการปรับเสถียรภาพของสายส่ง

การพัฒนาสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์กำลังแรงสูง (เช่น ไทริสเตอร์) ทำให้สามารถสร้างตัวควบคุม FACTS ได้ ซึ่งปฏิวัติการจัดการเครือข่ายไฟฟ้าสลับ

ทำไมต้องใช้อุปกรณ์ FACTS ในระบบไฟฟ้า?

ระบบไฟฟ้าที่มั่นคงต้องการการประสานงานที่แม่นยำระหว่างการผลิตและการใช้พลังงาน เมื่อความต้องการใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น การเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนประกอบทั้งหมดในเครือข่ายกลายเป็นสิ่งจำเป็น และอุปกรณ์ FACTS มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงนี้

กำลังไฟฟ้าแบ่งออกเป็นสามประเภท: กำลังใช้งาน (กำลังที่มีประโยชน์/กำลังจริงสำหรับการใช้งานปลายทาง) กำลัง реакทีฟ (เกิดจากองค์ประกอบที่เก็บพลังงานในโหลด) และกำลังปรากฏ (ผลรวมเวกเตอร์ของกำลังใช้งานและกำลัง реакทีฟ) กำลัง реакทีฟ ซึ่งอาจเป็นแบบอินดักทีฟหรือแคปาซิทีฟ ต้องได้รับการสมดุลเพื่อป้องกันไม่ให้มันไหลผ่านสายส่ง กำลัง реакทีฟที่ไม่ได้ควบคุมจะลดความสามารถในการส่งกำลังใช้งานของเครือข่าย

เทคนิคการชดเชย (เพื่อสมดุลกำลัง реакทีฟอินดักทีฟและแคปาซิทีฟโดยการจ่ายหรือดูดซับ) จึงมีความสำคัญ เทคนิคเหล่านี้ช่วยปรับปรุงคุณภาพไฟฟ้าและเพิ่มประสิทธิภาพการส่งกำลัง

ประเภทของเทคนิคการชดเชย

เทคนิคการชดเชยถูกแบ่งตามวิธีการเชื่อมต่ออุปกรณ์กับระบบไฟฟ้า:

1. การชดเชยแบบอนุกรม

ในการชดเชยแบบอนุกรม อุปกรณ์ FACTS จะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับเครือข่ายส่งกำลัง อุปกรณ์เหล่านี้มักทำงานเป็นความต้านทานแปรผัน (เช่น คอนเดนเซอร์หรืออินดักทอร์) โดยคอนเดนเซอร์อนุกรมเป็นที่นิยมมากที่สุด

วิธีนี้ถูกใช้กันอย่างกว้างขวางในสายส่งกำลัง EHV (Extra High Voltage) และ UHV (Ultra High Voltage) เพื่อปรับปรุงความสามารถในการส่งกำลังอย่างมาก

ความจุในการส่งกำลังของสายส่งโดยไม่ใช้อุปกรณ์ชดเชย;

โดยที่,

• V₁ = แรงดันที่ส่ง

• V₂ = แรงดันที่รับ

• X_L = ความต้านทานอินดักทีฟของสายส่ง

• δ = มุมเฟสระหว่าง V₁ และ V₂

• P = กำลังที่ส่งต่อเฟส

เมื่อเราเชื่อมต่อคอนเดนเซอร์แบบอนุกรมกับสายส่ง ความต้านทานแคปาซิทีฟของคอนเดนเซอร์นี้คือ XC ดังนั้น ความต้านทานรวมคือ XL-XC ดังนั้น ด้วยอุปกรณ์ชดเชย ความจุในการส่งกำลังจะกำหนดโดย;

ค่า k ถูกเรียกว่าตัวเลขชดเชยหรือระดับการชดเชย โดยทั่วไปค่า k อยู่ระหว่าง 0.4 ถึง 0.7 สมมติว่าค่า k คือ 0.5

ดังนั้น ชัดเจนว่าการใช้อุปกรณ์ชดเชยแบบอนุกรมสามารถเพิ่มความจุในการส่งกำลังได้ประมาณ 50% เมื่อใช้คอนเดนเซอร์อนุกรม มุมเฟส (δ) ระหว่างแรงดันและกระแสจะน้อยกว่าสายส่งที่ไม่มีการชดเชย มุม δ ที่น้อยลงช่วยเพิ่มเสถียรภาพของระบบ หมายความว่า สำหรับปริมาณการส่งกำลังเท่ากันและพารามิเตอร์ที่ส่งและรับเหมือนกัน สายส่งที่มีการชดเชยจะมีเสถียรภาพดีกว่าสายส่งที่ไม่มีการชดเชยอย่างมาก

การชดเชยแบบขนาน

ในสายส่งกำลังแรงสูง ขนาดของแรงดันที่รับขึ้นอยู่กับสภาพการโหลด ความจุมีบทบาทสำคัญในสายส่งกำลังแรงสูง

เมื่อสายส่งกำลังถูกโหลด โหลดต้องการกำลัง реакทีฟ ซึ่งจะถูกจ่ายโดยความจุที่มีอยู่ในสายส่ง แต่เมื่อโหลดเกิน SIL (Surge Impedance Loading) ความต้องการกำลัง реакทีฟที่สูงขึ้นจะทำให้แรงดันที่รับลดลงอย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ธนาคารคอนเดนเซอร์จะถูกเชื่อมต่อแบบขนานกับสายส่งที่ส่วนรับ ธนาคารคอนเดนเซอร์เหล่านี้จะจ่ายกำลัง реакทีฟเพิ่มเติมที่จำเป็น ทำให้ลดแรงดันที่รับลงได้

การเพิ่มความจุของสายส่งจะทำให้แรงดันที่รับเพิ่มขึ้น

เมื่อสายส่งกำลังถูกโหลดเบา (คือ โหลดต่ำกว่า SIL) ความต้องการกำลัง реакทีฟจะต่ำกว่ากำลังที่สร้างโดยความจุของสายส่ง ในสถานการณ์นี้ แรงดันที่รับจะสูงกว่าแรงดันที่ส่ง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า Ferranti effect

เพื่อป้องกันเหตุการณ์นี้ รีแอคเตอร์ขนานจะถูกเชื่อมต่อแบบขนานกับสายส่งที่ส่วนรับ รีแอคเตอร์เหล่านี้จะดูดซับกำลัง реакทีฟที่เกินจากสายส่ง ทำให้แรงดันที่รับคงที่อยู่ที่ค่าที่กำหนด