Що таке FACTS і чому вони потрібні в електроенергетичних системах

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) — це система на базі електроніки високого напруги, яка використовує статичні пристрої для підвищення можливості передачі електроенергії та керованості мережами передачі чергового струму.

Ці пристрої електроніки високого напруги інтегруються до традиційних мереж чергового струму, щоб підвищити ключові показники продуктивності, включаючи:

• Можливість передачі електроенергії по лініях передачі

• Стабільність напруги та переходна стабільність

• Точність регулювання напруги

• Надійність системи

• Теплові обмеження інфраструктури передачі

Перед появию електронних ключів високої напруги, проблеми, такі як дисбаланс реактивної потужності та стабільність, вирішувалися за допомогою механічних перемикачів для з'єднання конденсаторів, реакторів або синхронних генераторів. Однак, механічні перемикачі мали важливі недоліки: повільний час відгуку, механічний витривалість та низьку надійність, що обмежувало їхню ефективність у оптимізації керованості та стабільності ліній передачі.

Розвиток електронних ключів високої напруги (наприклад, тиристорів) сприяв створенню контролерів FACTS, що революційно змінило управління мережами чергового струму.

Чому потрібні пристрої FACTS в енергетичних системах?

Стабільна енергетична система потребує точного координації між генерацією та споживанням. Зі зростанням попиту на електроенергію, максимальної ефективності всіх компонентів мережі стає необхідним, а пристрої FACTS відіграють ключову роль у цій оптимізації.

Електрична потужність поділяється на три типи: активна потужність (корисна/справжня потужність для кінцевого використання), реактивна потужність (причинена елементами зберігання енергії в навантаженні) та видима потужність (векторна сума активної та реактивної потужностей). Реактивну потужність, яка може бути індуктивною або ємнісною, треба збалансувати, щоб запобігти її незконтрольованому протіканню через лінії передачі — незконтрольована реактивна потужність зменшує можливість мережі передавати активну потужність.

Техніки компенсації (для балансування індуктивної та ємнісної реактивної потужності шляхом її надання або поглинання) є критичними. Ці техніки покращують якість енергії та підвищують ефективність передачі.

Типи технік компенсації

Техніки компенсації класифікуються залежно від способу підключення пристроїв до енергетичної системи:

1. Серійна компенсація

При серійній компенсації, пристрої FACTS підключаються в ряд з мережею передачі. Ці пристрої зазвичай діють як змінні імпеданси (наприклад, конденсатори або індуктори), з серійними конденсаторами, як найпоширеніші.

Цей метод широко використовується в EHV (Extra High Voltage) та UHV (Ultra High Voltage) лініях передачі для значного підвищення їхньої можливості передачі потужності.

Можливість передачі потужності лінії передачі без використання компенсаційного пристрою;

Де,

• V₁ = напруга на відправному кінці

• V₂ = напруга на приймальному кінці

• X_L = індуктивний реактивний опір лінії передачі

• δ = фазовий кут між V₁ та V₂

• P = потужність, передана на фазу

Тепер, ми підключаємо конденсатор в ряд з лінією передачі. Ємнісний реактивний опір цього конденсатора дорівнює XC. Отже, загальний реактивний опір становить XL-XC. Таким чином, з компенсаційним пристроєм, можливість передачі потужності визначається формулою;

Фактор k відомий як фактор компенсації або ступінь компенсації. Загалом, значення k лежить між 0.4 та 0.7. Припустимо, що значення k становить 0.5.

Таким чином, очевидно, що використання серійних компенсаційних пристроїв може збільшити можливість передачі потужності приблизно на 50%. Коли використовуються серійні конденсатори, фазовий кут (δ) між напругою та струмом менший порівняно з некомпенсованим лінією. Менше значення δ підвищує стабільність системи — це означає, що при однаковому обсягу передачі потужності та однакових параметрах на відправному та приймальному кінцях, компенсована лінія забезпечує значно кращу стабільність, ніж некомпенсована.

Шунтова компенсація

В високонапіжній лінії передачі, величина напруги на приймальному кінці залежить від умов завантаження. Капацитивність відіграє важливу роль у високонапіжних лініях передачі.

Коли лінія передачі завантажена, навантаження потребує реактивної потужності, яка спочатку надається капацитивністю лінії. Однак, коли навантаження перевищує SIL (Surge Impedance Loading), збільшений попит на реактивну потужність призводить до значного падіння напруги на приймальному кінці.

Для вирішення цього, банки конденсаторів підключаються паралельно до лінії передачі на приймальному кінці. Ці банки надають додаткову реактивну потужність, що ефективно зменшує падіння напруги на приймальному кінці.

Збільшення капацитивності лінії призводить до збільшення напруги на приймальному кінці.

Коли лінія передачі слабко завантажена (тобто, навантаження нижче SIL), попит на реактивну потужність нижчий, ніж реактивна потужність, що генерується капацитивністю лінії. У цьому випадку, напруга на приймальному кінці стає вище, ніж напруга на відправному кінці — цей явище відоме як ефект Ферранті.

Для запобігання цьому, шунтові реактори підключаються паралельно до лінії передачі на приймальному кінці. Ці реактори поглинають зайву реактивну потужність з лінії, забезпечуючи, що напруга на приймальному кінці залишається на своєму номінальному рівні.