Mikä ovat FACTS-ohjainten ja -laitteiden luokittelut ja tyypit?

FACTS-ohjaimen yhteyden tyyppi sähköverkkoon mukaan se luokitellaan seuraavasti:

• Sarjaan kytketty ohjain

• Rinnakkaiskytketty ohjain

• Yhdistetty sarja-sarja-ohjain

• Yhdistetty rinnakkaissarja-ohjain

Sarjaan kytketyt ohjaimet

Sarjaohjaimet tuottavat jännitteen sarjassa linjan jännitteen kanssa, tyypillisesti käyttäen kapasitiivisia tai induktiivisia impedanssilaitteita. Niiden pääräisfunktio on tarjota tai absorboida muuttuvaa reaktiivista tehoa tarvittaessa.

Kun siirtolinja on raskas kuormittamisen alla, lisätty reaktiivinen tehovaatimus täytetään aktivoimalla sarjaohjaimen kapasitiiviset elementit. Vastavasti kevyellä kuormituksella, jossa vähenevä reaktiivinen tehovaatimus aiheuttaa vastaanottajan päässä olevan jännitteen nousun lähetyspään jännitettä suuremmaksi, induktiiviset elementit käytetään liikaa olevan reaktiivisen tehon absorboimiseen, mikä vakauttaa järjestelmää.

Useimmissa sovelluksissa kondensaattorit asennetaan lähelle linjan päätteitä reaktiivisen tehovaatimuksen kompensointiin. Yleisiä laitteita tähän tarkoitukseen ovat thyristorilla ohjattu sarjakapasitori (TCSC) ja staattinen synkroninen sarjakompensaattori (SSSC). Sarjaan kytketyn ohjaimen peruskonfiguraatio näkyy alla olevassa kuviossa.

Rinnakkaiskytketyt ohjaimet

Rinnakkaiskytketyt ohjaimet syöttävät virtaa sähköverkkoon kytköspisteessään, käyttäen muuttuvia impedansseja, kuten kondensaattoreita ja induktoreita - periaatteessa samankaltaisesti kuin sarjaohjaimet, mutta eri kytkentämenetelmällä.

Rinnakkaissynteeinen kompensointi

Kun kondensaattori yhdistetään rinnakkaan sähköverkon kanssa, menetelmää kutsutaan rinnakkaissynteeiseksi kompensoinniksi. Siirtolinjoilla, joilla on suuri induktiivinen kuorma, operoidaan yleensä viivästyneellä tehokertoimella. Rinnakkaiskapasitot korjaavat tämän vetämällä virtaa, joka johtaa lähdemääräyksen edellä, kompensoiden viivästyneen kuorman ja parantamalla kokonaistehokertymää.

Rinnakkaissynteeinen kompensointi

Kun induktorit yhdistetään rinnakkaan, menetelmää kutsutaan rinnakkaissynteeiseksi kompensoinniksi. Tätä käytetään vähemmän yleisesti siirtoverkoissa, mutta se tulee kriittiseksi hyvin pitkille linjoille: kun linja on tyhjä, kevyesti kuormitettu tai irrotettu, Ferranti-efekti aiheuttaa vastaanottajan päässä olevan jännitteen nousevan lähetyspään jännitettä suuremmaksi. Rinnakkaisinduktiveet kompensaattorit (esimerkiksi reaktorit) absorboivat liikaa olevaa reaktiivista tehoa vähentääkseen tätä jännitekohoontumista.

Rinnakkaiskytkettyjen ohjainjärjestelmien esimerkkejä ovat Staattinen VAR-kompensaattori (SVC) ja Staattinen synkroninen kompensaattori (STATCOM).

Yhdistetty sarja-sarja-ohjaimet

Monilinjajärjestelmissä yhdistettyjä sarja-sarja-ohjaimia käytetään riippumattomien sarjaohjainten yhteistyössä. Tämä konfiguraatio mahdollistaa yksilöllisen sarjareaktiivisen kompensoinnin jokaiselle linjalle, varmistamalla mukautettua tukea jokaiselle piirille.

Lisäksi nämä järjestelmät voivat helpottaa todellisen tehonsiirtoa linjojen välillä erityisellä tehosyötteellä. Vaihtoehtoisesti ne voivat käyttää yhdenmukaista ohjainsuunnittelua, jossa muuntimien DC-terminaalit on yhdistetty – tämä asetus mahdollistaa suoraan todellisen tehonsiirron siirtolinjoille. Edustava esimerkki tällaisesta järjestelmästä on Interline Power Flow Controller (IPFC).

Yhdistetty rinnakkaissarja-ohjaimet

Tämä tyyppi ohjain integroi kaksi toimintoa: rinnakkaisohjain, joka syöttää jännitteen rinnakkaan järjestelmään, ja sarjaohjain, joka syöttää virtaa sarjassa linjan kanssa. Näiden kahden komponentin toiminta on koordinoitu optimoimaan yleistä suorituskykyä. Merkittävä esimerkki tällaisesta järjestelmästä on Unified Power Flow Controller (UPFC).

FACTS-laitteiden tyypit

Vaihteleviin sovellusvaatimuksiin on kehitetty useita FACTS-laitteita. Alla on yleiskatsaus yleisimpiin FACTS-ohjaimiin, luokiteltuna niiden toiminnallisen tyypin mukaan:

Sarjakompensaattorit:

• Thyristorilla ohjattu sarjakapasitori (TCSC)

• Thyristorilla ohjattu sarjareaktori (TCSR)

• Thyristorilla kytketty sarjakapasitori (TSSC)

• Staattinen synkroninen sarjakompensaattori (SSSC)

Rinnakkaiskompensaattorit:

• Staattinen VAR-kompensaattori (SVC)

• Thyristorilla ohjattu reaktori (TCR)

• Thyristorilla kytketty kondensaattori (TSC)

• Thyristorilla kytketty reaktori (TSR)

• Staattinen synkroninen kompensaattori (STATCOM)

Sarja-sarjakompensaattorit:

• Linjavälillinen tehonsiirtuohjain (IPFC)

Sarja-rinnakkaiskompensaattorit:

• Yhdistetty tehonsiirtuohjain (UPFC)

Tutkitaan jokaisen kompensaattorin lyhyesti:

Thyristorilla ohjattu sarjakapasitori (TCSC)

TCSC tuo kapasitiivisen impedanssin sarjassa sähköjärjestelmän kanssa. Sen ydinrakenne sisältää kondensaattoripankin (monia kondensaattoreita sarjaparallelissa) kytkettyinä paralleeliin thyristorilla ohjatuun reaktoriin. Tämä suunnitelma mahdollistaa sileän, muuttuvan sarjakapasitanssin säätelyn.

Thyristorit säätävät järjestelmän impedanssia ohjaamalla syöttökulmaa, mikä puolestaan säätää koko piirin impedanssin. TCSC:n yksinkertaistettu lohkojärjestely näkyy alla olevassa kuviossa.

Thyristorilla ohjattu sarjareaktori (TCSR)

TCSR on sarjakompensaattori, joka tarjoaa sileästi säädettävän induktiivisen impedanssin. Suunnittelussa on analogia TCSC:n kanssa, avainero on, että kondensaattori on korvattu reaktorilla.

Reaktori lopettaa johtamisen, kun thyristorin syöttökulma saavuttaa 180°, ja alkaa johtama, kun syöttökulma on alle 180°. Thyristorilla ohjetun sarjareaktorin (TCSR) perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Thyristorilla kytketty sarjakapasitori (TSSC)

TSSC on sarjakompensaatiomenetelmä, joka on periaatteessa samankaltainen kuin TCSR, mutta toiminnallisesti erilainen: kun TCSR saavuttaa tehovalvonnan säätämällä thyristorin syöttökulmia (mahdollista askelittain säätää), TSSC:n thyristorit toimivat yksinkertaisessa "päällä/pois" -tilassa ilman syöttökulman säätöä. Tämä tarkoittaa, että kondensaattori on joko täysin yhdistetty tai täysin irrotettu linjasta.

Tämä yksinkertaistettu toiminta vähentää thyristoreiden ja kokonaisohjaimen monimutkaisuutta ja kustannuksia. TSSC:n perusdiagrammi on identtinen TCSC:n kanssa.

Staattinen synkroninen sarjakompensaattori (SSSC)

SSSC on sarjakompensaattori, jota käytetään siirtolaitteissa tehon kulun sääntelyyn kontrolloimalla linjan vastineen impedanssia. Sen ulostulojännite on täysin hallittavissa ja riippumaton linjan virran arvosta - tämän ulostulojännitteen säätämällä linjan tehokas impedanssi voidaan tarkasti säätää.

Toiminnallisesti SSSC toimii kuin staattinen synkroninen generaattori, joka on kytketty sarjassa siirtolinjan kanssa. Sen pääräisfunktio on säätää jännitteen pudotusta linjalla, mikä säätelee tehon kulua. SSSC syöttää jännitteen, joka on 90° vaihekuvaus linjan virran kanssa: jos syötetty jännite johtaa virran edellä, se tarjoaa kapasitiivisen kompensoinnin; jos se viivästyy virran takana, se tarjoaa induktiivisen kompensoinnin. Staattisen synkronisen sarjakompensaattorin perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Staattinen VAR-kompensaattori (SVC)

Staattinen VAR-kompensaattori (SVC) koostuu kiinteästä kondensaattoripankista, joka on kytketty rinnakkaan thyristorilla ohjetun reaktorin kanssa. Thyristorin syöttökulma ohjaa reaktorin toimintaa, suoraan säätelemällä jännitettä reaktorin yli - ja siten sen kuluttaman tehon määrää.

Tämä konfiguraatio mahdollistaa SVC:n dynaamisen reaktiivisen tehonsäätön, mikä vakauttaa jännitettä ja parantaa tehokertymää siirtolaitteissa. Staattisen VAR-kompensaattorin perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Staattinen VAR-kompensaattori (SVC) sovelluksissa

SVC:t ovat monipuolisia laitteita, joita käytetään sähköjärjestelmän suorituskyvyn parantamiseen, keskeisillä toiminnoilla, kuten:

• Parantaa tehokertymää

• Säätää jännitetasoja

• Vähentää harmonisten vääristymien vaikutusta

• Vakauttaa siirtolaitteita

Ne ovat myös laajasti käytettyjä teollisuudessa reaktiivisen tehon hallinnassa ja sähkölaadun parantamiseksi. Alla on yleiskatsaus yleisimpiin SVC-konfiguraatioihin:

Thyristorilla ohjattu reaktori (TCR)

TCR koostuu reaktorista, joka on kytketty sarjassa thyristorivalveen kanssa - erityisesti kaksi thyristoria, jotka on kytketty vastakkaiseen suuntaan. Nämä thyristorit johtavat vuorotellen joka puolikausi AC-voiman toimituksen aikana, ohjauspiiri antaa syöttökulmakimpaleet thyristoreille joka puolikausi.

Thyristorin syöttökulma määrää, paljonko viivästyneenä olevaa reaktiivista tehoa annetaan järjestelmälle. TCR:tä käytetään yleisesti EHV (erittäin korkean jännitteen) siirtolinjoissa, joissa ne tarjoavat reaktiivisen tehokompensaation kevyellä tai tyhjällä kuormituksella. Thyristorilla ohjetun reaktorin perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Thyristorilla kytketty kondensaattori (TSC)

Raskaalla kuormituksella reaktiivinen tehovaatimus kasvaa - ja Thyristorilla kytketyt kondensaattorit (TSC) on suunniteltu täyttämään tämä lisääntyvä vaatimus. Niitä käytetään yleisesti EHV-siirtolinjoissa suuren kuormituksen aikana.

TSC jakaa samankaltaisen rakenteellisen periaatteen TCR:n kanssa, mutta avainkomponenttina on, että TCR:n reaktori on korvattu kondensaattorilla. Kuten TCR:ssä, TSC säätää reaktiivisen tehon määrää siirtolinjalle syöttämällä thyristorin syöttökulmaa. Thyristorilla kytketyn kondensaattorin (TSC) perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Thyristorilla kytketty reaktori (TSR)

TSR on rakenteellisesti samankaltainen kuin Thyristorilla ohjattu reaktori (TCR), mutta eroaa toiminnassa: kun TCR säätää virtaa ohjaamalla thyristorin syöttökulmia (mahdollista vaihehallinta), TSR:n thyristorit toimivat binäärisessä "päällä/pois" -tilassa ilman vaihehallintaa. Tämä tarkoittaa, että reaktori on joko täysin yhdistetty piiriin tai täysin irrotettu.Syöttökulman säätöpuuttuminen yksinkertaistaa suunnittelua, vähentää thyristoreiden kustannuksia ja minimoi kytkemisen tappiot. TSR:n perusdiagrammi on identtinen TCR:n kanssa.

Staattinen synkroninen kompensaattori (STATCOM)

STATCOM on sähkökoneellinen jännitesyöttömuuntaja (VSC), joka säätelee siirtolaitteiden suorituskykyä tarjoamalla tai absorboimalla reaktiivista tehoa - ja voi myös tarjota aktiivista tehonsäätöä tarvittaessa. Se on erityisen tehokas siirtolinjoissa, joissa on huono tehokertymä ja jännitevakauden hallinta, mikä tekee siitä laajasti käytetyn laitteen sähköjärjestelmän jännitevakauden parantamiseksi.

STATCOM toimii käyttäen ladattua kondensaattoria DC-syötteeksi, joka muunnetaan kolmijännitteiseksi AC-jännitteeksi jänniteohjatulla inversiorolla. Inversiorin ulostulo synkronoidaan AC-voiman järjestelmään, ja laite on kytketty rinnakkaan siirtolinjan kanssa koppeloivaan muuntajaan. STATCOM:n reaktiivisen (ja aktiivisen) tehonsäätö voidaan tarkasti hallita inversiorin ulostulon säätämällä. STATCOM:n perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Linjavälillinen tehonsiirtuohjain (IPFC)

IPFC on kompensaatiomenetelmä, joka on suunniteltu monilinjalaitteisiin, joissa on useita muuntimia, jotka on yhdistetty yhteisellä DC-bussilla - jokainen muuntin on yhdistetty eri siirtolinjaan.

Näiden muuntimien keskeinen kyky on todellisen tehonsiirto, mikä mahdollistaa sekä todellisen että reaktiivisen tehon tasapainottamisen yhdistettyihin linjoihin. Tämä koordinoidtu hallinta parantaa yleistä järjestelmän tehokkuutta ja vakautta monilinjalaitteissa.IPFC:n perusdiagrammi näkyy alla olevassa kuviossa.

Yhdistetty tehonsiirtuohjain (UPFC)

UPFC yhdistää STAATCOMin (Staattisen synkronisen kompensaattorin) ja SSSC:n (Staattisen synkronisen sarjakompensaattorin) yhteisellä DC-jännitebussilla, yhdistäen niiden toiminnallisuudet yhdeksi järjestelmäksi. Se käyttää kaksipuolista kolmijännitteistä ohjattua siltaa virtan tuottamiseen, joka syötetään siirtolinjaan koppeloivaa muuntimen kautta.