Wat zijn de classificaties en types van FACTS-regelaars en -apparatuur?
Volgens het type verbinding van de FACTS-controller met het elektriciteitsnetwerk, wordt deze ingedeeld als:
Reeksverbonden controller
Parallelverbonden controller
Gecombineerde reeks-reekscontroller
Gecombineerde parallel-reekscontroller
Reeksverbonden controllers
Reekscontrollers voeren een spanning in serie met de lijnspanning in, meestal met behulp van capacieve of inductieve impedantie-apparaten. Hun primaire functie is om variabele blinde stroom te leveren of op te nemen, indien nodig.
Wanneer een overlijn zwaar belast is, wordt de toegenomen vraag naar blinde stroom voldaan door capacitive elementen in de reekscontroller te activeren. Omgekeerd, bij lichte belasting - waarbij verminderde vraag naar blinde stroom de spanning aan de ontvangende kant boven de spanning aan de zendkant doet stijgen - worden inductieve elementen gebruikt om overtollige blinde stroom op te nemen, waardoor het systeem gestabiliseerd wordt.
In de meeste toepassingen worden condensatoren in de buurt van de lijneinden geïnstalleerd om de vraag naar blinde stroom te compenseren. Algemene apparaten hiervoor zijn Thyristor Gereguleerde Reekscapacitoren (TCSC) en Statische Synchrone Reekskompensatoren (SSSC). De basisconfiguratie van een reeksverbonden controller wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Parallelverbonden controllers
Parallelverbonden controllers injecteren stroom in het elektriciteitsnetwerk op hun aansluitpunt, gebruikmakend van variabele impedanties zoals condensatoren en inductoren - vergelijkbaar in principe met reekscontrollers, maar verschillend in aansluitmethode.
Parallelcapacitieve compensatie
Wanneer een condensator parallel aan het elektriciteitsnetwerk is aangesloten, wordt deze benadering parallelcapacitieve compensatie genoemd. Overlijnen met hoog inductieve belasting werken meestal met een vertraagde vermogensfactor. Parallelcondensatoren lossen dit op door stroom op te nemen die voorloopt op de bronspanning, waardoor de vertraagde belasting gecompenseerd en de algemene vermogensfactor verbeterd wordt.
Parallelinductieve compensatie
Wanneer een inductor parallel is aangesloten, wordt deze methode parallelinductieve compensatie genoemd. Dit wordt minder vaak gebruikt in overlijnnetwerken, maar wordt cruciaal voor zeer lange lijnen: bij geenlast, lichtbelasting of losse belasting veroorzaken de Ferranti-effect dat de spanning aan de ontvangende kant de spanning aan de zendkant overstijgt. Parallelinductieve compensatoren (bijvoorbeeld reactors) absorberen overtollige blinde stroom om deze spanningsstijging te verlichten.
Voorbeelden van parallelverbonden controller-systemen zijn Statische VAR Compensators (SVC) en Statische Synchrone Compensators (STATCOM).
Gecombineerde reeks-reekscontrollers
In multi-overlijnsystemen maken gecombineerde reeks-reekscontrollers gebruik van een set onafhankelijke reekscontrollers die samenwerken. Deze configuratie stelt individuele reeksreactieve compensatie voor elke lijn in staat, waardoor gepersonaliseerde ondersteuning voor elk circuit wordt gewaarborgd.
Bovendien kunnen deze systemen echte vermogensoverdracht tussen lijnen faciliteren via een speciale vermogenverbinding. Alternatief kunnen ze een unificerend ontwerp van de controller hanteren waarbij de DC-terminals van de converters met elkaar zijn verbonden - deze opstelling stelt direct echte vermogensoverdracht naar de overlijnen in. Een representatief voorbeeld van zo'n systeem is de Interline Power Flow Controller (IPFC).
Gecombineerde parallel-reekscontrollers
Dit type controller integreert twee functionele componenten: een parallelcontroller die spanning parallel aan het systeem injecteert, en een reekscontroller die stroom in serie met de lijn injecteert. Belangrijk is dat deze twee componenten op coördinerende wijze opereren om de algehele prestaties te optimaliseren. Een prominent voorbeeld van zo'n systeem is de Unified Power Flow Controller (UPFC).
Soorten FACTS-apparaten
Er is een verscheidenheid aan FACTS-apparaten ontwikkeld om aan diverse toepassingsbehoeften te voldoen. Hieronder volgt een overzicht van de meest gebruikte FACTS-controllers, ingedeeld naar hun functionele type:
Reekskompensatoren:
Parallelkompensatoren:
Reeks-reekskompensatoren:
Reeks-paralelkompensatoren:
Laten we elke compensator kort bekijken:
Thyristor Gereguleerde Reekscapacitor (TCSC)
TCSC introduceert capacitatieve reactantie in serie met het elektriciteitsnetwerk. Zijn kernstructuur bestaat uit een condensatorbank (samengesteld uit meerdere condensatoren in serie-parallel-configuratie) die parallel is aangesloten met een thyristor-gereguleerde reactor. Dit ontwerp maakt gladde, variabele reekscapacitance-aanpassing mogelijk.
Thyristors regelen de impedantie van het systeem door de vuurhoek te controleren, wat op zijn beurt de totale schakelingimpedantie aanpast. Een vereenvoudigd blokschema van de TCSC wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Thyristor Gereguleerde Reeksreactor (TCSR)
TCSR is een reekskompensator die gladjes instelbare inductieve reactantie biedt. Zijn ontwerp is analoog aan de TCSC, met als belangrijkste verschil dat de condensator wordt vervangen door een reactor.
De reactor stopt met geleiden wanneer de thyristorvuurhoek 180° bereikt, en begint met geleiden wanneer de vuurhoek minder dan 180° is. Een basisschema van de Thyristor Gereguleerde Reeksreactor (TCSR) wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Thyristor Geswitchte Reekscapacitor (TSSC)
TSSC is een reekscompensatietechniek die in principe vergelijkbaar is met TCSR, maar met een belangrijk operationeel verschil: terwijl TCSR vermogensregeling bereikt door de thyristorvuurhoeken aan te passen (wat stapsgewijze regeling mogelijk maakt), werken TSSC-thyristors in een eenvoudige "aan/uit"-modus zonder vuurhoekaanpassing. Dit betekent dat de condensator volledig met de lijn is verbonden of volledig van de lijn is afgesloten.
Deze vereenvoudigde werking vermindert de complexiteit en de kosten van zowel de thyristors als de gehele controller. Het basisschema van TSSC is identiek aan dat van TCSC.
Statische Synchrone Reekskompensator (SSSC)
SSSC is een reekscompensatieapparaat dat in overlijnsystemen wordt gebruikt om de stroomverdeling te reguleren door de equivalente impedantie van de lijn te controleren. De uitgangsspanning ervan is volledig regelbaar en onafhankelijk van de lijnstroom - door deze uitgangsspanning aan te passen, kan de effectieve impedantie van de lijn precies worden gemoduleerd.
Functioneel gezien gedraagt SSSC zich als een statische synchrone generator die in serie met de overlijn is aangesloten. Zijn kernfunctie is om de spanningval over de lijn aan te passen, waardoor de stroomverdeling wordt gereguleerd. SSSC injecteert een spanning die 90° faseverschuiving heeft ten opzichte van de lijnstroom: als de ingevoerde spanning de stroom voorloopt, levert hij capacitaire compensatie; als hij de stroom achterloopt, levert hij inductieve compensatie. Een basisschema van de Statische Synchrone Reekskompensator wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Statische VAR Compensator (SVC)
Een Statische VAR Compensator (SVC) bestaat uit een vaste condensatorbank die parallel is aangesloten met een thyristor-gereguleerde inductor. De vuurhoek van de thyristor reguleert de werking van de reactor, waarmee de spanning over de inductor - en dus de hoeveelheid vermogen die deze opneemt - rechtstreeks wordt geregeld.
Deze configuratie stelt SVC in staat om de uitvoer van blinde stroom dynamisch aan te passen, waardoor de spanning in het overlijnsysteem gestabiliseerd en de vermogensfactor verbeterd wordt. Een basisschema van de Statische VAR Compensator wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Toepassingen van Statische VAR Compensator (SVC)
SVC's zijn veelzijdige apparaten die worden gebruikt om de prestaties van het elektriciteitsnetwerk te verbeteren, met belangrijke functies waaronder:
Ze worden ook breed toegepast in industriële omgevingen voor het beheer van blinde stroom en de verbetering van de kwaliteit van de stroom. Hieronder volgt een overzicht van de meest voorkomende SVC-configuraties:
Thyristor Gereguleerde Reactor (TCR)
Een TCR bestaat uit een reactor die in serie is aangesloten met een thyristorventiel - specifieker, twee thyristors die antiparallel zijn verbonden. Deze thyristors geleiden om beurten tijdens elke halve cyclus van de AC-stroom, met een bedieningscircuit dat vuurpulsen elke halve cyclus aan de thyristors levert.
De vuurhoek van de thyristor bepaalt de hoeveelheid vertraagde blinde stroom die aan het systeem wordt aangeboden. TCR's worden vaak ingezet in EHV (Extra High Voltage) overlijnen, waar ze blinde stroomcompensatie bieden tijdens lichte of geen belasting. Een basisschema van een Thyristor Gereguleerde Reactor wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Thyristor Geswitchte Capacitor (TSC)
Onder zware belasting neemt de vraag naar blinde stroom toe - en Thyristor Geswitchte Condensatoren (TSC's) zijn ontworpen om aan deze toegenomen vraag te voldoen. Ze worden vaak ingezet in EHV-overlijnen tijdens periodes van hoge belasting.
TSC deelt een vergelijkbaar structuurprincipe met TCR, maar met een belangrijk componentswap: de reactor in TCR wordt vervangen door een condensator. Net als TCR reguleert TSC de hoeveelheid blinde stroom die aan de overlijn wordt aangeboden door de vuurhoek van de thyristor aan te passen. Een basisschema van de Thyristor Geswitchte Capacitor (TSC) wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Thyristor Geswitchte Reactor (TSR)
TSR is structureel vergelijkbaar met de Thyristor Gereguleerde Reactor (TCR), maar verschilt in werking: terwijl TCR de stroom regelt door de vuurhoeken van de thyristors te controleren (waardoor fasecontrole mogelijk is), werken TSR-thyristors in een binaire "aan/uit"-modus zonder fasecontrole. Dit betekent dat de reactor volledig met het circuit is verbonden of volledig van het circuit is afgesloten.Het ontbreken van vuurhoekregeling vereenvoudigt het ontwerp, waardoor de kosten van de thyristors worden verlaagd en de schakelverliezen worden geminimaliseerd. Het basisschema van een TSR is identiek aan dat van een TCR.
Statische Synchrone Compensator (STATCOM)
STATCOM is een op kracht elektronica gebaseerde spanningbronconverter (VSC) die de prestaties van het overlijnsysteem reguleert door blinde stroom te leveren of op te nemen - en kan ook actieve stroomondersteuning bieden indien nodig. Het is bijzonder effectief in overlijnen met slechte vermogensfactor en spanningregeling, waardoor het een breed gebruikte apparatuur is voor de verbetering van de spanningstabiliteit in elektriciteitsnetwerken.
STATCOM werkt met een opgeladen condensator als DC-ingangsbron, die wordt omgezet in driefase AC-spanning via een spanninggecontroleerde inverter. De inverteruitgang is gesynchroniseerd met het AC-elektriciteitsnetwerk, en het apparaat is parallel met de overlijn verbonden via een koppelingstransformator. Door de uitgang van de inverter aan te passen, kan de blinde (en actieve) stroom die door STATCOM wordt aangeboden, nauwkeurig worden geregeld. Een basisschema van STATCOM wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Interline Power Flow Controller (IPFC)
IPFC is een compensatietechniek ontworpen voor multi-overlijnsystemen, met meerdere converters die via een gemeenschappelijke DC-bus zijn verbonden - elke converter is verbonden met een aparte overlijn.
Een belangrijke mogelijkheid van deze converters is de overdracht van echte stroom, waardoor zowel echte als blinde stroom over verbonden lijnen kunnen worden gebalanceerd. Deze gecoördineerde controle verhoogt de algehele efficiëntie en stabiliteit in multi-overlijnnetten. Een basisschema van de IPFC wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Unified Power Flow Controller (UPFC)
UPFC integreert een STATCOM (Statische Synchrone Compensator) en een SSSC (Statische Synchrone Reekskompensator) via een gedeelde DC-spanningskoppeling, waardoor hun functionaliteiten in één systeem worden gecombineerd. Het maakt gebruik van een paar driefase regelbare bruggen om stroom te genereren, die via een koppelingstransformator in de overlijn wordt ingespoten.
UPFC excelleert in het verbeteren van meerdere aspecten van de prestaties van het elektriciteitsnetwerk, waaronder spanningstabiliteit, vermogenshoekstabiliteit en systeemdemping. Het kan zowel actieve (echte) als blinde stroom in overlijnen nauwkeurig regelen. Het werkt echter alleen optimaal onder evenwichtige sinusgolfomstandigheden en kan niet effectief functioneren tijdens abnormale systeemtoestanden. Bovendien helpt UPFC bij het onderdrukken van oscillaties in het elektriciteitsnetwerk en verbetert de tijdelijke stabiliteit. Een basisschema van de Unified Power Flow Controller (UPFC) wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding.
