Welche Klassifikationen und Arten von FACTS-Reglern und -Geräten gibt es
Gemäß der Art der Verbindung des FACTS-Controllers mit dem Stromnetz wird er klassifiziert als:
Serienverbundener Controller
Parallelschaltungs-Controller
Kombinierter Serien-Serien-Controller
Kombinierter Parallelschaltung-Serien-Controller
Serienverbundene Controller
Seriencontroller führen eine Spannung in Serie zur Leitungsspannung ein, meistens unter Verwendung von kapazitiven oder induktiven Impedanzgeräten. Ihre Hauptfunktion besteht darin, variablen Blindleistung nach Bedarf zu liefern oder aufzunehmen.
Wenn eine Übertragungsleitung stark belastet ist, wird die erhöhte Nachfrage nach Blindleistung durch die Aktivierung kapazitiver Elemente im Seriencontroller gedeckt. Im Gegensatz dazu, bei geringer Belastung, wo die reduzierte Nachfrage nach Blindleistung die Spannung am Empfangsende über die Spannung am Sendeeingang ansteigen lässt, werden induktive Elemente verwendet, um überschüssige Blindleistung aufzunehmen und das System zu stabilisieren.
In den meisten Anwendungen werden Kondensatoren in der Nähe der Leitungsenden installiert, um die Nachfrage nach Blindleistung auszugleichen. Gängige Geräte für diesen Zweck sind Thyristor-gesteuerte Serienkondensatoren (TCSC) und statische synchrone Serienkompensatoren (SSSC). Die grundlegende Konfiguration eines serienverbundenen Controllers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Parallelschaltungs-Controller
Parallelschaltungs-Controller leiten Strom in das Stromsystem an ihrem Anschlusspunkt ein, indem sie variable Impedanzen wie Kondensatoren und Spulen verwenden – im Prinzip ähnlich wie Seriencontroller, aber mit unterschiedlicher Verbindungsart.
Parallele Kapazitätskompensation
Wenn ein Kondensator parallel zum Stromsystem angeschlossen wird, nennt man dies parallele Kapazitätskompensation. Übertragungsleitungen mit stark induktiven Lasten arbeiten in der Regel mit einem nachlaufenden Leistungsfaktor. Parallele Kondensatoren beheben dies, indem sie einen vorlaufenden Strom ziehen, der die nachlaufende Last kompensiert und den Gesamtleistungsfaktor verbessert.
Parallele Induktionskompensation
Wenn eine Spule parallel angeschlossen wird, nennt man diese Methode parallele Induktionskompensation. Dies wird in Übertragungsnetzen weniger häufig verwendet, wird jedoch für sehr lange Leitungen kritisch: unter Leerlast, leichter Belastung oder getrennter Last verursacht der Ferranti-Effekt, dass die Spannung am Empfangsende die Spannung am Sendeeingang übersteigt. Parallele induktive Kompensatoren (z.B. Drosseln) absorbieren überschüssige Blindleistung, um dieses Spannungsanstiegs zu mildern.
Beispiele für parallelschaltungs-Controller-Systeme sind statische Var-Kompensatoren (SVC) und statische synchrone Kompensatoren (STATCOM).
Kombinierte Serien-Serien-Controller
In Mehrleitungsübertragungssystemen setzen kombinierte Serien-Serien-Controller eine Reihe unabhängiger Seriencontroller ein, die koordiniert arbeiten. Diese Konfiguration ermöglicht individuelle serienreihenweise Blindleistungskompensation für jede Leitung und stellt so maßgeschneiderte Unterstützung für jede Schaltung sicher.
Darüber hinaus können diese Systeme durch einen dedizierten Leistungszugriff die Realleistung zwischen den Leitungen übertragen. Alternativ können sie ein einheitliches Controllerdesign annehmen, bei dem die Gleichstromanschlüsse der Umrichter miteinander verbunden sind – diese Einrichtung ermöglicht direkt die Realleistungsovertragung zu den Übertragungsleitungen. Ein repräsentatives Beispiel für ein solches System ist der Interline Power Flow Controller (IPFC).
Kombinierte Parallelschaltung-Serien-Controller
Dieser Typ von Controller integriert zwei funktionale Komponenten: einen Parallelschaltungs-Controller, der Spannung parallel zum System einleitet, und einen Seriencontroller, der Strom in Serie mit der Leitung einleitet. Entscheidend ist, dass diese beiden Komponenten in koordinierter Weise arbeiten, um die Gesamtperformance zu optimieren. Ein prominentes Beispiel für ein solches System ist der Unified Power Flow Controller (UPFC).
Arten von FACTS-Geräten
Eine Vielzahl von FACTS-Geräten wurde entwickelt, um den vielfältigen Anforderungen gerecht zu werden. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die am häufigsten verwendeten FACTS-Controller, die nach ihrer Funktionalität kategorisiert sind:
Serienkompensatoren:
Parallelschaltungs-Kompensatoren:
Serien-Serien-Kompensatoren:
Serien-Parallelschaltungs-Kompensatoren:
Lassen Sie uns jeden Kompensator kurz betrachten:
Thyristor-gesteuerter Serienkondensator (TCSC)
TCSC führt kapazitive Blindreaktion in Serie mit dem Stromsystem ein. Seine Kernstruktur besteht aus einer Kondensatorenbank (bestehend aus mehreren Serien-Parallel-Kondensatoren), die parallel zu einem thyristor-gesteuerten Reaktor angeschlossen ist. Dieses Design ermöglicht eine reibungslose, variable Serienkapazitätsanpassung.
Thyristoren regeln die Impedanz des Systems, indem sie den Feuerwinkel steuern, was wiederum die gesamte Schaltkreisimpedanz anpasst. Ein vereinfachtes Blockdiagramm des TCSC ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Thyristor-gesteuerter Serienspulenreaktor (TCSR)
TCSR ist ein Serienkompensator, der glatt einstellbare induktive Blindreaktion bereitstellt. Seine Konstruktion ist analog zum TCSC, mit dem Hauptunterschied, dass der Kondensator durch einen Reaktor ersetzt wird.
Der Reaktor setzt die Leitung, wenn der Thyristorfeuerwinkel 180° erreicht, und beginnt, wenn der Feuerwinkel kleiner als 180° ist. Ein grundlegendes Diagramm des Thyristor-gesteuerten Serienspulenreaktors (TCSR) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Thyristor-gesteuerter Serienkondensator (TSSC)
TSSC ist eine Serienkompensationstechnik, die im Prinzip dem TCSR ähnelt, aber mit einem wesentlichen betrieblichen Unterschied: Während TCSR die Leistung durch die Anpassung der Thyristorfeuerwinkel steuert (was eine stufenweise Regulierung ermöglicht), arbeiten TSSC-Thyristoren in einem einfachen "Ein/Aus"-Modus ohne Feuerwinkelregulierung. Das bedeutet, der Kondensator ist entweder vollständig mit der Leitung verbunden oder komplett getrennt.
Diese vereinfachte Operation reduziert die Komplexität und Kosten sowohl der Thyristoren als auch des gesamten Controllers. Das grundlegende Diagramm des TSSC ist identisch mit dem des TCSC.
Statischer synchrone Serienkompensator (SSSC)
SSSC ist ein Serienkompensationselement, das in Übertragungssystemen eingesetzt wird, um die Leistung durch die Steuerung der äquivalenten Impedanz der Leitung zu regulieren. Seine Ausgangsspannung ist vollständig steuerbar und unabhängig vom Leitungstrom – durch die Anpassung dieser Ausgangsspannung kann die effektive Impedanz der Leitung präzise moduliert werden.
Funktional wirkt sich SSSC wie ein statischer synchroner Generator aus, der in Serie mit der Übertragungsleitung angeschlossen ist. Sein Hauptzweck besteht darin, den Spannungsabfall entlang der Leitung zu justieren, um die Leistung zu kontrollieren. SSSC fügt eine Spannung hinzu, die quadratisch (90° Phasenverschiebung) zum Leitungstrom steht: Wenn die eingeführte Spannung dem Strom vorausgeht, bietet es kapazitive Kompensation; wenn sie dem Strom hinterhergeht, bietet es induktive Kompensation. Ein grundlegendes Diagramm des statischen synchrone Serienkompensators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Statischer Var-Kompensator (SVC)
Ein statischer Var-Kompensator (SVC) besteht aus einer festen Kondensatorenbank, die parallel zu einem thyristor-gesteuerten Reaktor angeschlossen ist. Der Thyristorfeuerwinkel regelt den Betrieb des Reaktors und steuert direkt die Spannung über den Reaktor – und damit die Menge der von ihm gezogenen Leistung.
Diese Konfiguration ermöglicht es dem SVC, die Blindleistung dynamisch anzupassen, um die Spannung zu stabilisieren und den Leistungsfaktor im Übertragungssystem zu verbessern. Ein grundlegendes Diagramm des statischen Var-Kompensators ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Anwendungen des statischen Var-Kompensators (SVC)
SVCs sind vielseitige Geräte, die zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Stromsystemen eingesetzt werden, mit wesentlichen Funktionen, darunter:
Sie werden auch weit verbreitet in industriellen Anwendungen für die Verwaltung von Blindleistung und die Verbesserung der Stromqualität eingesetzt. Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die gängigsten SVC-Konfigurationen:
Thyristor-gesteuerter Reaktor (TCR)
Ein TCR besteht aus einem Reaktor, der in Serie mit einem Thyristorventil angeschlossen ist – speziell, zwei Thyristoren, die antiparallel verbunden sind. Diese Thyristoren leiten abwechselnd während jeder Halbwelle der Wechselstromversorgung, wobei eine Steuerschaltung alle Halbwelle Feuerimpulse an die Thyristoren liefert.
Der Thyristorfeuerwinkel bestimmt die Menge der nachlaufenden Blindleistung, die dem System zugeführt wird. TCRs werden häufig in EHV-Übertragungsleitungen (Extra High Voltage) eingesetzt, wo sie Blindleistungskompensation bei geringer oder keiner Belastung bieten. Ein grundlegendes Diagramm eines thyristor-gesteuerten Reaktors ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Thyristor-gesteuerter Kondensator (TSC)
Unter schwerer Belastung steigt die Nachfrage nach Blindleistung – und Thyristor-gesteuerte Kondensatoren (TSCs) sind darauf ausgelegt, diese erhöhte Nachfrage zu decken. Sie werden häufig in EHV-Übertragungsleitungen während Zeiten hoher Belastung eingesetzt.
TSC teilt das gleiche strukturelle Prinzip mit TCR, aber mit einem wichtigen Komponentenaustausch: Der Reaktor im TCR wird durch einen Kondensator ersetzt. Wie beim TCR regelt TSC die Menge der Blindleistung, die an die Übertragungsleitung zugeführt wird, indem der Thyristorfeuerwinkel angepasst wird. Ein grundlegendes Diagramm des Thyristor-gesteuerten Kondensators (TSC) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Thyristor-gesteuerter Reaktor (TSR)
TSR ist strukturell ähnlich wie der Thyristor-gesteuerte Reaktor (TCR), unterscheidet sich jedoch in der Funktion: Während TCR den Strom durch die Steuerung des Thyristorfeuerwinkels (Phasensteuerung) anpasst, arbeiten TSR-Thyristoren im binären Modus "Ein/Aus" ohne Phasensteuerung. Das bedeutet, der Reaktor ist entweder vollständig an den Schaltkreis angeschlossen oder komplett getrennt.Die Abwesenheit der Feuerwinkelsteuerung vereinfacht das Design, reduziert die Thyristorkosten und minimiert die Schaltverluste. Das grundlegende Diagramm eines TSR ist identisch mit dem eines TCR.
Statischer synchrone Kompensator (STATCOM)
STATCOM ist ein leistungselektronisches Spannungsquelle-Umrichter (VSC), der die Leistungsfähigkeit des Übertragungssystems durch die Bereitstellung oder Aufnahme von Blindleistung regelt – und kann auch aktive Leistung unterstützen, wenn erforderlich. Er ist besonders effektiv in Übertragungsleitungen mit schlechtem Leistungsfaktor und Spannungsregelung, was ihn zu einem weit verbreiteten Gerät für die Verbesserung der Spannungsstabilität in Stromsystemen macht.
STATCOM arbeitet mit einem geladenen Kondensator als DC-Eingangsquelle, der in eine dreiphasige Wechselspannung über einen spannungsgeführten Inverter konvertiert wird. Der Inverterausgang wird mit dem Wechselstromsystem synchronisiert, und das Gerät wird über einen Kopplungstransformator in Parallel mit der Übertragungsleitung angeschlossen. Durch die Anpassung des Inverterausgangs kann die Blind- (und aktive) Leistung, die STATCOM bereitstellt, präzise gesteuert werden. Ein grundlegendes Diagramm von STATCOM ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Interline Power Flow Controller (IPFC)
IPFC ist eine Kompensationstechnik, die für Mehrleitungsübertragungssysteme entwickelt wurde, mit mehreren Umrichtern, die über einen gemeinsamen Gleichstrombus verbunden sind – jeder Umrichter verbindet sich mit einer separaten Übertragungsleitung.
Eine wesentliche Fähigkeit dieser Umrichter ist die Übertragung von Realleistung, die es ermöglicht, sowohl Real- als auch Blindleistung über verbundene Leitungen auszugleichen. Diese koordinierte Steuerung verbessert die Gesamteffizienz und Stabilität in Mehrleitungsnetzen. Ein grundlegendes Diagramm des IPFC ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Unified Power Flow Controller (UPFC)
UPFC integriert einen STATCOM (Statischer synchrone Kompensator) und einen SSSC (Statischer synchrone Serienkompensator) über einen gemeinsamen Gleichspannungslink, kombiniert ihre Funktionalitäten in ein einziges System. Es nutzt ein Paar dreiphasige steuerbare Brücken, um Strom zu erzeugen, der über einen Kopplungstransformator in die Übertragungsleitung eingespeist wird.
UPFC zeichnet sich durch die Verbesserung verschiedener Aspekte der Leistungsfähigkeit von Stromsystemen aus, einschließlich Spannungsstabilität, Leistungswinkelsstabilität und Systemdämpfung. Es kann sowohl aktive (reale) als auch Blindleistung in Übertragungsleitungen präzise steuern. Allerdings funktioniert es optimal nur unter balancierten Sinuswellenbedingungen und kann möglicherweise nicht effektiv bei abnormalen Systemzuständen arbeiten. Darüber hinaus hilft UPFC, Schwingungen im Stromsystem zu unterdrücken und die Transientstabilität zu verbessern. Ein grundlegendes Diagramm des Unified Power Flow Controller (UPFC) ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
