Quali sono le classificazioni e i tipi di controllori e dispositivi FACTS?
In base al tipo di connessione del controllore FACTS con il sistema elettrico, viene classificato come:
Controllore in Serie
Controllore in Shunt
Controllore Combinato Serie-Serie
Controllore Combinato Shunt-Serie
Controllore in Serie
I controllori in serie introducono una tensione in serie con la tensione della linea, tipicamente utilizzando dispositivi di impedenza capacitiva o induttiva. La loro funzione principale è fornire o assorbire potenza reattiva variabile secondo necessità.
Quando una linea di trasmissione è fortemente carica, l'aumento della richiesta di potenza reattiva viene soddisfatto attivando elementi capacitivi nel controllore in serie. Al contrario, con carichi leggeri, dove la ridotta richiesta di potenza reattiva causa un aumento della tensione all'estremità ricevente rispetto a quella all'estremità inviante, vengono utilizzati elementi induttivi per assorbire l'eccesso di potenza reattiva, stabilizzando il sistema.
Nelle applicazioni più comuni, i condensatori vengono installati vicino alle estremità della linea per compensare la richiesta di potenza reattiva. Dispositivi comuni per questo scopo includono i Condensatori Serie Controllati da Tiristori (TCSC) e i Compensatori Sincroni Serie Statici (SSSC). La configurazione di base di un controllore in serie è mostrata nella figura sottostante.
Controllore in Shunt
I controllori in shunt iniettano corrente nel sistema elettrico al punto di connessione, utilizzando impedenze variabili come condensatori e induttori, simili in principio ai controllori in serie ma diversi nel metodo di connessione.
Compensazione Capacitiva in Shunt
Quando un condensatore è connesso in parallelo con il sistema elettrico, l'approccio è chiamato compensazione capacitiva in shunt. Le linee di trasmissione con carichi altamente induttivi operano solitamente con un fattore di potenza sfasato. I condensatori in shunt affrontano questo problema attraendo corrente che precede la tensione di alimentazione, compensando il carico sfasato e migliorando il fattore di potenza complessivo.
Compensazione Induttiva in Shunt
Quando un induttore è connesso in parallelo, il metodo è noto come compensazione induttiva in shunt. Questo è meno comunemente utilizzato nelle reti di trasmissione, ma diventa critico per linee molto lunghe: in condizioni di carico nullo, carico leggero o carico disconnesso, l'effetto Ferranti causa un aumento della tensione all'estremità ricevente rispetto a quella all'estremità inviante. I compensatori induttivi in shunt (ad esempio, reattori) assorbono l'eccesso di potenza reattiva per mitigare questo aumento di tensione.
Esempi di sistemi di controllori in shunt includono i Compensatori VAR Statici (SVC) e i Compensatori Sincroni Statici (STATCOM).
Controllore Combinato Serie-Serie
Nei sistemi di trasmissione multi-linea, i controllori combinati serie-serie utilizzano un insieme di controllori in serie indipendenti che lavorano in coordinazione. Questa configurazione consente una compensazione reattiva individuale per ogni linea, garantendo supporto personalizzato per ogni circuito.
Inoltre, questi sistemi possono facilitare il trasferimento di potenza reale tra le linee attraverso un collegamento di potenza dedicato. Oppure, possono adottare una configurazione di controllore unificato in cui i terminali DC dei convertitori sono interconnessi, consentendo direttamente il trasferimento di potenza reale alle linee di trasmissione. Un esempio rappresentativo di tale sistema è il Controllore di Flusso di Potenza Interlinea (IPFC).
Controllore Combinato Shunt-Serie
Questo tipo di controllore integra due componenti funzionali: un controllore in shunt che inietta tensione in parallelo con il sistema, e un controllore in serie che inietta corrente in serie con la linea. Fondamentalmente, questi due componenti operano in modo coordinato per ottimizzare le prestazioni complessive. Un esempio prominente di tale sistema è il Controllore di Flusso di Potenza Unificato (UPFC).
Tipi di Dispositivi FACTS
Una varietà di dispositivi FACTS è stata sviluppata per soddisfare le diverse esigenze applicative. Di seguito è riassunto un panorama dei controllori FACTS più comunemente utilizzati, categorizzati in base al loro tipo funzionale:
Compensatori in Serie:
Compensatori in Shunt:
Compensatori Serie-Serie:
Compensatori Serie-Shunt:
Esaminiamo brevemente ciascun compensatore:
Condensatore Serie Controllato da Tiristore (TCSC)
Il TCSC introduce reattività capacitiva in serie con il sistema elettrico. La sua struttura centrale include una banca di condensatori (composta da più condensatori in configurazione serie-parallela) connessa in parallelo con un reattore controllato da tiristore. Questa configurazione permette un'aggiustabilità liscia e variabile della capacitance in serie.
I tiristori regolano l'impedenza del sistema controllando l'angolo di accensione, che a sua volta regola l'impedenza totale del circuito. Un diagramma a blocchi semplificato del TCSC è mostrato nella figura sottostante.
Reattore Serie Controllato da Tiristore (TCSR)
Il TCSR è un compensatore in serie che fornisce una reattività induttiva regolabile in modo liscio. La sua progettazione è analoga al TCSC, con la differenza chiave che il condensatore è sostituito da un reattore.
Il reattore interrompe la conduzione quando l'angolo di accensione del tiristore raggiunge 180°, e inizia a condurre quando l'angolo di accensione è inferiore a 180°. Un diagramma di base del Reattore Serie Controllato da Tiristore (TCSR) è mostrato nella figura sottostante.
Condensatore Serie Commutato da Tiristore (TSSC)
Il TSSC è una tecnica di compensazione in serie simile in principio al TCSR, ma con una differenza operativa chiave: mentre il TCSR raggiunge il controllo del potere regolando gli angoli di accensione dei tiristori (permettendo una regolazione a gradini), i tiristori del TSSC operano in modalità "on/off" semplice senza regolazione dell'angolo di accensione. Ciò significa che il condensatore è o completamente connesso o completamente disconnesso dalla linea.
Questa operazione semplificata riduce la complessità e il costo sia dei tiristori che del controllore complessivo. Il diagramma di base del TSSC è identico a quello del TCSC.
Compensatore Sincrono Serie Statico (SSSC)
Il SSSC è un dispositivo di compensazione in serie utilizzato nei sistemi di trasmissione per regolare il flusso di potenza controllando l'impedenza equivalente della linea. La sua tensione di uscita è completamente controllabile e indipendente dalla corrente della linea - regolando questa tensione di uscita, l'impedenza effettiva della linea può essere modulata con precisione.
Funzionalmente, il SSSC agisce come un generatore sincrono statico connesso in serie con la linea di trasmissione. Il suo scopo principale è regolare il calo di tensione lungo la linea, controllando così il flusso di potenza. Il SSSC inietta una tensione in quadratura (sfasamento di 90°) rispetto alla corrente della linea: se la tensione iniettata precede la corrente, fornisce compensazione capacitiva; se la tensione iniettata segue la corrente, fornisce compensazione induttiva. Un diagramma di base del Compensatore Sincrono Serie Statico è mostrato nella figura sottostante.
Compensatore VAR Statico (SVC)
Un Compensatore VAR Statico (SVC) consiste in una banca di condensatori fissa connessa in parallelo con un reattore controllato da tiristore. L'angolo di accensione del tiristore regola l'operazione del reattore, controllando direttamente la tensione sul reattore - e quindi la quantità di potenza che esso assorbe.
Questa configurazione permette al SVC di regolare dinamicamente l'uscita di potenza reattiva, stabilizzando la tensione e migliorando il fattore di potenza nel sistema di trasmissione. Un diagramma di base del Compensatore VAR Statico è mostrato nella figura sottostante.
Applicazioni del Compensatore VAR Statico (SVC)
Gli SVC sono dispositivi versatili utilizzati per migliorare le prestazioni del sistema elettrico, con funzioni chiave che includono:
Vengono inoltre ampiamente adottati in ambienti industriali per la gestione della potenza reattiva e il miglioramento della qualità dell'energia. Di seguito è riassunto un panorama delle configurazioni SVC più comuni:
Reattore Controllato da Tiristore (TCR)
Un TCR consiste in un reattore connesso in serie con una valvola di tiristore - specificamente, due tiristore connessi in anti-parallelo. Questi tiristore conducono alternativamente durante ogni mezza onda della corrente AC, con un circuito di controllo che fornisce impulsi di accensione ai tiristore ogni mezza onda.
L'angolo di accensione del tiristore determina la quantità di potenza reattiva sfasata fornita al sistema. I TCR sono comunemente impiegati in linee di trasmissione ad alta tensione (EHV), dove forniscono compensazione reattiva durante condizioni di carico leggero o nullo. Un diagramma di base del Reattore Controllato da Tiristore è mostrato nella figura sottostante.
Condensatore Commutato da Tiristore (TSC)
In condizioni di carico pesante, la richiesta di potenza reattiva aumenta - e i Condensatori Commutati da Tiristore (TSC) sono progettati per soddisfare questa richiesta aumentata. Sono comunemente impiegati in linee di trasmissione ad alta tensione (EHV) durante periodi di alto carico.
Il TSC condivide un principio strutturale simile al TCR, ma con uno scambio di componente chiave: il reattore nel TCR è sostituito da un condensatore. Come il TCR, il TSC regola la quantità di potenza reattiva fornita alla linea di trasmissione regolando l'angolo di accensione del tiristore. Un diagramma di base del Condensatore Commutato da Tiristore (TSC) è mostrato nella figura sottostante.
Reattore Commutato da Tiristore (TSR)
Il TSR è strutturalmente simile al Reattore Controllato da Tiristore (TCR) ma differisce nell'operazione: mentre il TCR regola la corrente controllando gli angoli di accensione dei tiristore (consentendo il controllo di fase), i tiristore del TSR operano in modalità binaria "on/off" senza controllo di fase. Ciò significa che il reattore è o completamente connesso al circuito o completamente disconnesso.L'assenza di regolazione dell'angolo di accensione semplifica la progettazione, riducendo i costi dei tiristore e minimizzando le perdite di commutazione. Il diagramma di base del TSR è identico a quello del TCR.
Compensatore Sincrono Statico (STATCOM)
Il STATCOM è un convertitore di tensione a sorgente basato su elettronica di potenza (VSC) che regola le prestazioni del sistema di trasmissione fornendo o assorbendo potenza reattiva - e può anche fornire supporto di potenza attiva quando necessario. È particolarmente efficace in linee di trasmissione con fattore di potenza e regolazione di tensione poveri, rendendolo un dispositivo ampiamente utilizzato per migliorare la stabilità della tensione nei sistemi elettrici.
Il STATCOM opera utilizzando un condensatore caricato come sorgente DC di ingresso, che viene convertito in tensione AC trifase tramite un inverter controllato. L'uscita dell'inverter è sincronizzata con il sistema elettrico AC, e il dispositivo è connesso in shunt con la linea di trasmissione attraverso un trasformatore di accoppiamento. Regolando l'uscita dell'inverter, la potenza reattiva (e attiva) fornita dal STATCOM può essere controllata con precisione. Un diagramma di base del STATCOM è mostrato nella figura sottostante.
Controllore di Flusso di Potenza Interlinea (IPFC)
L'IPFC è una tecnica di compensazione progettata per sistemi di trasmissione multi-linea, caratterizzata da più convertitori collegati tramite un bus DC comune - ciascun convertitore si connette a una linea di trasmissione separata.
Una capacità chiave di questi convertitori è il trasferimento di potenza reale, consentendo il bilanciamento di potenza reale e reattiva tra linee interconnesse. Questo controllo coordinato migliora l'efficienza e la stabilità complessiva del sistema in reti multi-linea.Un diagramma di base dell'IPFC è mostrato nella figura sottostante.
Controllore di Flusso di Potenza Unificato (UPFC)
Il UPFC integra un STATCOM (Compensatore Sincrono Statico) e un SSSC (Compensatore Sincrono Serie Statico) tramite un collegamento di tensione DC condiviso, combinando le loro funzionalità in un singolo sistema. Utilizza un paio di ponti controllabili trifase per generare corrente, che viene iniettata nella linea di trasmissione attraverso un trasformatore di accoppiamento.
Il UPFC eccelle nel migliorare vari aspetti delle prestazioni del sistema elettrico, inclusa la stabilità della tensione, la stabilità dell'angolo di potenza e l'ammortizzazione del sistema. Può controllare con precisione sia il flusso di potenza attiva (reale) che reattiva nelle linee di trasmissione. Tuttavia, funziona ottimalmente solo in condizioni di onde sinusoidali bilanciate e potrebbe non funzionare efficacemente in stati anomali del sistema. Inoltre, il UPFC aiuta a sopprimere le oscillazioni del sistema elettrico e migliora la stabilità transitoria. Un diagramma di base del Controllore di Flusso di Potenza Unificato (UPFC) è mostrato nella figura sottostante.
