מהן הסיווגים והסוגים של מרכזיות ומכשירי FACTS
לפי סוג החיבור של מפצל FACTS עם מערכת החשמל, הוא מוגדר כ:
מפעיל מחובר בטור
מפעיל מחובר במקביל
מפעיל משולב טור-טור
מפעיל משולב מקביל-טור
מפעילים מחוברים בטור
מפעילי טור מציגים מתח בטור עם המתח של הקו, בדרך כלל באמצעות מכשירי חסם קיבולי או אינדוקטיבי. תפקידם העיקרי הוא לספק או לספוג אנרגיה ריאקטיבית משתנה לפי הצורך.
כאשר קו תמסורת מטעון בכבדות, הדרישה הגוברת לאנרגיה ריאקטיבית מתממשת על ידי התחלת פעילות של אלמנטים קיבוליים במפעיל הטור. לעומת זאת, תחת טעינה קלה - כאשר דרישה נמוכה יותר לאנרגיה ריאקטיבית גורמת למתח בקצה הקולט לעלות מעל למתח בקצה השולח - משתמשים באלמנטים אינדוקטיביים כדי לספוג עודף אנרגיה ריאקטיבית, ומכסים את המערכת.
במרבית היישומים, מותקנים קבלים ליד קצות הקו כדי להכין את הדרישה לאנרגיה ריאקטיבית. מכשירים נפוצים למטרה זו כוללים Thyristor Controlled Series Capacitors (TCSC) ו-Static Synchronous Series Compensators (SSSC). המבנה הבסיסי של מפעיל מחובר בטור מוצג בתמונה שלהלן.
מפעילים מחוברים במקביל
מפעילים מחוברים במקביל מזריקים זרם למערכת החשמל בנקודת החיבור שלהם, תוך שימוש בחסמים משתנים כגון קבלים ואינדוקטורים - באופן עקרוני דומה למפעילי טור אך שונים בשיטת החיבור.
פיצוי קיבולי מקביל
כאשר קבל מחובר במקביל למערכת החשמל, שיטה זו נקראת פיצוי קיבולי מקביל. קווי תמסורת עם עומסים אינדוקטיביים גבוהים בדרך כלל פועלים בערך כוח נמוך. קבלים מקבילים מתייחסים לכך על ידי סיפוק זרם המוביל את מתח המקור, המשלים לעומס המאוחר ומגביר את ערך הכוח הכולל.
פיצוי אינדוקטיבי מקביל
כאשר אינדקטור מחובר במקביל, השיטה נקראת פיצוי אינדוקטיבי מקביל. זו פחות נפוצה ברשתות תמסורת אך נעשית קריטית לקווים ארוכים מאוד: תחת מצב ללא טעינה, טעינה קלה או טעינה מנותקת, האפקט של Ferranti גורם למתח בקצה הקולט לעלות מעל למתח בקצה השולח. מתקני פיצוי אינדוקטיביים מקבילים (למשל, ריאקטורים) סופגים עודף אנרגיה ריאקטיבית כדי להפחית את עליית המתח הזו.
דוגמאות למערכות מפעילים מקבילים כוללות Static VAR Compensators (SVC) ו-Static Synchronous Compensators (STATCOM).
מפעילים משולבים טור-טור
בקווי תמסורת מרובים, מפעילים משולבים טור-טור משתמשים בקבוצת מפעילי טור עצמאיים הפועלים בהסכמה. קונפיגורציה זו מאפשרת פיצוי ריאקטיבי בטור לכל קו בנפרד, ומבטיחה תמיכה מותאמת לכל מעגל.
בנוסף, מערכות אלו יכולות לתמוך בהעברת כוח אמיתי בין קווים באמצעות קשר כוח מוקדש. לחלופין, הן יכולות לאמץ עיצוב של מפעיל מאוחד שבו המונחים של הממירים מחוברים זה לזה - קונפיגורציה זו מאפשרת ישירות העברת כוח אמיתי לקווי תמסורת. דוגמה מייצגת למערכת כזו היא Interlink Power Flow Controller (IPFC).
מפעילים משולבים מקביל-טור
סוג זה של מפעיל משלב שני מרכיבים פונקציונליים: מפעיל מקביל שמזרק מתח במקביל למערכת, ומפעיל טור שמזרק זרם בטור עם הקו. חשוב, שני המרכיבים הללו פועלים בהסכמה כדי לשפר את הביצועים הכלליים. דוגמה בולטת למערכת כזו היא Unified Power Flow Controller (UPFC).
etypes of FACTS Devices
A range of FACTS devices has been developed to meet diverse application needs. Below is an overview of the most commonly used FACTS controllers, categorized by their functional type:
Series Compensators:
Shunt Compensators:
Series-Series Compensators:
Series-Shunt Compensators:
Let’s examine each compensator in brief:
Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC)
TCSC introduces capacitive reactance in series with the power system. Its core structure includes a capacitor bank (composed of multiple capacitors in series-parallel configuration) connected in parallel with a thyristor-controlled reactor. This design enables smooth, variable series capacitance adjustment.
Thyristors regulate the system’s impedance by controlling the firing angle, which in turn adjusts the total circuit impedance. A simplified block diagram of the TCSC is shown in the figure below.
Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR)
TCSR is a series compensator that provides smoothly adjustable inductive reactance. Its design is analogous to the TCSC, with the key difference being that the capacitor is replaced by a reactor.
The reactor ceases conduction when the thyristor firing angle reaches 180°, and begins conducting when the firing angle is less than 180°. A basic diagram of the Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR) is shown in the figure below.
Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC)
TSSC is a series compensation technique similar in principle to TCSR but with a key operational difference: while TCSR achieves power control by adjusting thyristor firing angles (enabling stepwise regulation), TSSC thyristors operate in a simple "on/off" mode with no firing angle adjustment. This means the capacitor is either fully connected to or completely disconnected from the line.
This simplified operation reduces the complexity and cost of both the thyristors and the overall controller. The basic diagram of TSSC is identical to that of TCSC.
Static Synchronous Series Compensator (SSSC)
SSSC is a series compensation device used in transmission systems to regulate power flow by controlling the equivalent impedance of the line. Its output voltage is fully controllable and independent of the line current—by adjusting this output voltage, the line’s effective impedance can be precisely modulated.
Functionally, SSSC acts like a static synchronous generator connected in series with the transmission line. Its core purpose is to adjust the voltage drop across the line, thereby controlling power flow. SSSC injects a voltage that is in quadrature (90° phase shift) with the line current: if the injected voltage leads the current, it provides capacitive compensation; if it lags the current, it provides inductive compensation.A basic diagram of the Static Synchronous Series Compensator is shown in the figure below.
Static VAR Compensator (SVC)
A Static VAR Compensator (SVC) consists of a fixed capacitor bank connected in parallel with a thyristor-controlled inductor. The thyristor’s firing angle regulates the reactor’s operation, directly controlling the voltage across the inductor—and thus the amount of power it draws.
This configuration allows SVC to dynamically adjust reactive power output, stabilizing voltage and improving power factor in the transmission system. A basic diagram of the Static VAR Compensator is shown in the figure below.
Static VAR Compensator (SVC) Applications
SVCs are versatile devices used to enhance power system performance, with key functions including:
They are also widely adopted in industrial settings for reactive power management and power quality improvement. Below is an overview of the most common SVC configurations:
Thyristor Controlled Reactor (TCR)
A TCR consists of a reactor connected in series with a thyristor valve—specifically, two thyristors connected in anti-parallel. These thyristors conduct alternately during each half-cycle of the AC power supply, with a control circuit delivering firing pulses to the thyristors every half-cycle.
The thyristor firing angle determines the amount of lagging reactive power supplied to the system. TCRs are commonly deployed in EHV (Extra High Voltage) transmission lines, where they provide reactive power compensation during light-load or no-load conditions. A basic diagram of a Thyristor Controlled Reactor is shown in the figure below.
Thyristor Switched Capacitor (TSC)
Under heavy load conditions, reactive power demand surges—and Thyristor Switched Capacitors (TSCs) are designed to meet this increased demand. They are commonly deployed in EHV transmission lines during periods of high load.
TSC shares a similar structural principle with TCR, but with a key component swap: the reactor in TCR is replaced by a capacitor. Like TCR, TSC regulates the amount of reactive power supplied to the transmission line by adjusting the thyristor firing angle.A basic diagram of the Thyristor Switched Capacitor (TSC) is shown in the figure below.
Thyristor Switched Reactor (TSR)
TSR is structurally similar to the Thyristor Controlled Reactor (TCR) but differs in operation: while TCR adjusts current by controlling thyristor firing angles (enabling phase control), TSR thyristors operate in a binary "on/off" mode with no phase control. This means the reactor is either fully connected to the circuit or completely disconnected.The absence of firing angle regulation simplifies the design, reducing thyristor costs and minimizing switching losses. The basic diagram of a TSR is identical to that of a TCR.
Static Synchronous Compensator (STATCOM)
STATCOM is a power electronics-based voltage source converter (VSC) that regulates transmission system performance by supplying or absorbing reactive power—and can also provide active power support when needed. It is particularly effective in transmission lines with poor power factor and voltage regulation, making it a widely used device for enhancing voltage stability in power systems.
STATCOM operates using a charged capacitor as its DC input source, which is converted into three-phase AC voltage via a voltage-controlled inverter. The inverter output is synchronized with the AC power system, and the device is connected in shunt with the transmission line through a coupling transformer. By adjusting the inverter’s output, the reactive (and active) power supplied by STATCOM can be precisely controlled. A basic diagram of STATCOM is shown in the figure below.
Interline Power Flow Controller (IPFC)
IPFC is a compensation technique designed for multi-line transmission systems, featuring multiple converters linked via a common DC bus—each converter connects to a separate transmission line.
A key capability of these converters is real power transfer, enabling both real and reactive power to be balanced across interconnected lines. This coordinated control enhances overall system efficiency and stability in multi-line networks.A basic diagram of the IPFC is shown in the figure below.
Unified Power Flow Controller (UPFC)
UPFC integrates a STATCOM (Static Synchronous Compensator) and an SSSC (Static Synchronous Series Compensator) via a shared DC voltage link, combining their functionalities into a single system. It utilizes a pair of three-phase controllable bridges to generate current, which is injected into the transmission line through a coupling transformer.
UPFC excels in enhancing multiple aspects of power system performance, including voltage stability, power angle stability, and system damping. It can precisely control both active (real) and reactive power flow in transmission lines. However, it operates optimally only under balanced sine wave conditions and may not function effectively during abnormal system states. Additionally, UPFC helps suppress power system oscillations and improves transient stability.A basic diagram of the Unified Power Flow Controller (UPFC) is shown in the figure below.
