Какие существуют классификации и типы контроллеров и устройств FACTS?
В зависимости от типа подключения контроллера FACTS к энергосистеме он классифицируется как:
Серийно подключенный контроллер
Параллельно подключенный контроллер
Комбинированный серийно-серийный контроллер
Комбинированный параллельно-серийный контроллер
Серийно подключенные контроллеры
Серийные контроллеры вводят напряжение последовательно с линейным напряжением, обычно используя емкостные или индуктивные импедансные устройства. Их основная функция - поставка или поглощение переменной реактивной мощности по мере необходимости.
Когда линия передачи сильно загружена, увеличенный спрос на реактивную мощность удовлетворяется активацией емкостных элементов в серийном контроллере. Наоборот, при небольшой нагрузке, когда снижение спроса на реактивную мощность приводит к повышению напряжения на приемной стороне выше, чем на отправляющей, используются индуктивные элементы для поглощения избыточной реактивной мощности, стабилизируя систему.
В большинстве случаев конденсаторы устанавливаются близко к концам линии для компенсации спроса на реактивную мощность. Общие устройства для этой цели включают управляемые тиристорами серийные конденсаторы (TCSC) и статические синхронные серийные компенсаторы (SSSC). Основная конфигурация серийно подключенного контроллера показана на рисунке ниже.
Параллельно подключенные контроллеры
Параллельно подключенные контроллеры вводят ток в энергосистему в точке их подключения, используя переменные импедансы, такие как конденсаторы и индукторы - по принципу аналогичному серийным контроллерам, но отличающемуся методом подключения.
Параллельная емкостная компенсация
Когда конденсатор подключен параллельно энергосистеме, этот подход называется параллельной емкостной компенсацией. Линии передачи с высокоиндуктивными нагрузками обычно работают с запаздывающим коэффициентом мощности. Параллельные конденсаторы решают эту проблему, пропуская ток, который опережает напряжение источника, компенсируя запаздывающую нагрузку и улучшая общий коэффициент мощности.
Параллельная индуктивная компенсация
Когда индуктор подключен параллельно, этот метод называется параллельной индуктивной компенсацией. Этот метод менее распространен в сетях передачи, но становится критически важным для очень длинных линий: при отсутствии нагрузки, легкой нагрузке или отсоединенном потребителе эффект Ферранти приводит к тому, что напряжение на приемной стороне превышает напряжение на отправляющей. Параллельные индуктивные компенсаторы (например, реакторы) поглощают избыточную реактивную мощность, чтобы снизить это повышение напряжения.
Примеры систем параллельно подключенных контроллеров включают статические компенсаторы реактивной мощности (SVC) и статические синхронные компенсаторы (STATCOM).
Комбинированные серийно-серийные контроллеры
В многолинейных системах передачи комбинированные серийно-серийные контроллеры используют набор независимых серийных контроллеров, работающих в координации. Эта конфигурация позволяет обеспечивать индивидуальную серийную реактивную компенсацию для каждой линии, обеспечивая целенаправленную поддержку каждого контура.
Более того, эти системы могут способствовать передаче активной мощности между линиями через специализированное соединение. В качестве альтернативы они могут использовать унифицированный дизайн контроллера, где постоянные терминалы преобразователей соединены - эта конфигурация напрямую позволяет передачу активной мощности на линии передачи. Представительным примером такой системы является Interlink Power Flow Controller (IPFC).
Комбинированные параллельно-серийные контроллеры
Этот тип контроллера объединяет два функциональных компонента: параллельный контроллер, который вводит напряжение параллельно системе, и серийный контроллер, который вводит ток последовательно с линией. Эти два компонента работают в координированном режиме для оптимизации общего производительности. Примером такой системы является Unified Power Flow Controller (UPFC).
Типы устройств FACTS
Разработано множество устройств FACTS для удовлетворения различных потребностей. Ниже приведен обзор наиболее часто используемых контроллеров FACTS, классифицированных по их функциональному типу:
Серийные компенсаторы:
Параллельные компенсаторы:
Серийно-серийные компенсаторы:
Серийно-параллельные компенсаторы:
Давайте рассмотрим каждый компенсатор кратко:
Управляемый тиристорами серийный конденсатор (TCSC)
TCSC вводит емкостную реактивность последовательно с энергосистемой. Его основная структура включает банк конденсаторов (состоящий из нескольких конденсаторов, соединенных последовательно-параллельно), подключенный параллельно с управляемым тиристорами реактором. Это конструкция позволяет гладко регулировать серийную емкость.
Тиристоры регулируют импеданс системы, контролируя угол зажигания, что, в свою очередь, регулирует общую импеданс цепи. Упрощенная блок-схема TCSC показана на рисунке ниже.
Управляемый тиристорами серийный реактор (TCSR)
TCSR - это серийный компенсатор, который обеспечивает плавно регулируемую индуктивную реактивность. Его конструкция аналогична TCSC, с ключевым отличием в том, что конденсатор заменен реактором.
Реактор прекращает проводить, когда угол зажигания тиристора достигает 180°, и начинает проводить, когда угол зажигания меньше 180°. Базовая схема управляемого тиристорами серийного реактора (TCSR) показана на рисунке ниже.
Переключаемый тиристорами серийный конденсатор (TSSC)
TSSC - это метод серийной компенсации, аналогичный TCSR, но с ключевым операционным различием: в то время как TCSR обеспечивает контроль мощности путем регулирования углов зажигания тиристоров (позволяя ступенчатое регулирование), тиристоры TSSC работают в простом "вкл/выкл" режиме без регулирования угла зажигания. Это означает, что конденсатор либо полностью подключен к линии, либо полностью отключен.
Эта упрощенная работа уменьшает сложность и стоимость как тиристоров, так и всего контроллера. Базовая схема TSSC идентична схеме TCSC.
Статический синхронный серийный компенсатор (SSSC)
SSSC - это устройство серийной компенсации, используемое в системах передачи для регулирования потока мощности путем управления эквивалентным импедансом линии. Его выходное напряжение полностью контролируемо и независимо от тока линии - путем регулирования этого выходного напряжения можно точно модулировать эффективный импеданс линии.
Функционально SSSC действует как статический синхронный генератор, подключенный последовательно с линией передачи. Его основная цель - регулировать падение напряжения на линии, тем самым контролируя поток мощности. SSSC вводит напряжение, которое находится в квадратуре (с фазовым сдвигом 90°) с током линии: если введенное напряжение опережает ток, оно обеспечивает емкостную компенсацию; если оно отстает, оно обеспечивает индуктивную компенсацию. Базовая схема статического синхронного серийного компенсатора показана на рисунке ниже.
Статический компенсатор реактивной мощности (SVC)
Статический компенсатор реактивной мощности (SVC) состоит из фиксированного банка конденсаторов, подключенного параллельно с управляемым тиристорами реактором. Угол зажигания тиристора регулирует работу реактора, прямо контролируя напряжение на реакторе - и, следовательно, количество мощности, которую он потребляет.
Эта конфигурация позволяет SVC динамически регулировать выход реактивной мощности, стабилизируя напряжение и улучшая коэффициент мощности в системе передачи. Базовая схема статического компенсатора реактивной мощности показана на рисунке ниже.
Применение статического компенсатора реактивной мощности (SVC)
SVC - это универсальные устройства, используемые для улучшения производительности энергосистем, с ключевыми функциями, включая:
Они также широко применяются в промышленных условиях для управления реактивной мощностью и улучшения качества электроэнергии. Ниже приведен обзор наиболее распространенных конфигураций SVC:
Управляемый тиристорами реактор (TCR)
TCR состоит из реактора, подключенного последовательно с тиристорным клапаном - конкретно, двух тиристоров, подключенных антипараллельно. Эти тиристоры проводят поочередно во время каждого полупериода переменного тока, с контролирующей цепью, посылающей импульсы зажигания тиристорам каждые полупериод.
Угол зажигания тиристора определяет количество запаздывающей реактивной мощности, поставляемой в систему. TCR широко используется в линиях передачи сверхвысокого напряжения (EHV), где они обеспечивают компенсацию реактивной мощности при легкой или нулевой нагрузке. Базовая схема управляемого тиристорами реактора показана на рисунке ниже.
Переключаемый тиристорами конденсатор (TSC)
При высоких нагрузках спрос на реактивную мощность возрастает - и переключаемые тиристорами конденсаторы (TSC) предназначены для удовлетворения этого повышенного спроса. Они широко используются в линиях передачи сверхвысокого напряжения (EHV) во время периодов высокой нагрузки.
TSC имеет схожую структурную принцип с TCR, но с ключевым изменением: реактор в TCR заменен конденсатором. Как и TCR, TSC регулирует количество реактивной мощности, поставляемой на линию передачи, регулируя угол зажигания тиристора. Базовая схема переключаемого тиристорами конденсатора (TSC) показана на рисунке ниже.
Переключаемый тиристорами реактор (TSR)
TSR структурно схож с управляемым тиристорами реактором (TCR), но отличается по работе: в то время как TCR регулирует ток, контролируя углы зажигания тиристоров (обеспечивая фазовое управление), тиристоры TSR работают в бинарном режиме "вкл/выкл" без фазового управления. Это означает, что реактор либо полностью подключен к цепи, либо полностью отключен.Отсутствие регулирования угла зажигания упрощает конструкцию, снижает стоимость тиристоров и минимизирует потери при переключении. Базовая схема TSR идентична схеме TCR.
Статический синхронный компенсатор (STATCOM)
STATCOM - это преобразователь напряжения на основе силовой электроники, который регулирует производительность системы передачи, поставляя или поглощая реактивную мощность - и может также предоставлять поддержку активной мощности по мере необходимости. Он особенно эффективен в линиях передачи с низким коэффициентом мощности и регулированием напряжения, делая его широко используемым устройством для улучшения стабильности напряжения в энергосистемах.
STATCOM работает, используя заряженный конденсатор в качестве источника постоянного тока, который преобразуется в трехфазное переменное напряжение через управляемый по напряжению инвертор. Выход инвертора синхронизируется с переменной системой питания, и устройство подключено параллельно к линии передачи через связующий трансформатор. Регулируя выход инвертора, можно точно контролировать реактивную (и активную) мощность, поставляемую STATCOM. Базовая схема STATCOM показана на рисунке ниже.
Межлинейный регулятор потока мощности (IPFC)
IPFC - это метод компенсации, разработанный для многолинейных систем передачи, включающий несколько преобразователей, связанных через общую шину постоянного тока - каждый преобразователь подключается к отдельной линии передачи.
Ключевая способность этих преобразователей - передача активной мощности, позволяющая сбалансировать как активную, так и реактивную мощность между взаимосвязанными линиями. Эта координированная работа улучшает общую эффективность и стабильность системы в многолинейных сетях. Базовая схема IPFC показана на рисунке ниже.Базовая схема IPFC показана на рисунке ниже.
Унифицированный регулятор потока мощности (UPFC)
UPFC интегрирует статический синхронный компенсатор (STATCOM) и статический синхронный серийный компенсатор (SSSC) через общую шину постоянного напряжения, объединяя их функции в одну систему. Он использует пару трехфазных управляемых мостов для генерации тока, который вводится в линию передачи через связующий трансформатор.
UPFC отлично справляется с улучшением множества аспектов производительности энергосистем, включая стабильность напряжения, стабильность угла мощности и демпфирование системы. Он может точно контролировать как активную (реальную), так и реактивную мощность в линиях передачи. Однако он работает оптимально только при сбалансированных синусоидальных условиях и может не функционировать эффективно при аномальных состояниях системы. Кроме того, UPFC помогает подавлять колебания энергосистемы и улучшает переходную стабильность. Базовая схема унифицированного регулятора потока мощности (UPFC) показана на рисунке ниже.
