Virtapiirin säännöstely voimajärjestelmissä ja virhepiirijarrujen (FCL) soveltaminen

0 Johdanto​
Sähköverkkojen kehityksen ja lisääntyvien kuormitusvaatimusten myötä suurkapasiteettisten tuotantoyksiköiden ja alijärjestysten integrointi – erityisesti suurten voimaloiden synty kuormituskeskuksiin ja suurten sähköverkkojen yhdistäminen – on johtanut lyhytkypäistrommien tasojen jatkuvan nousun. Ilman tehokkaita rajoituskeinoja tämä suuntaus ei ainoastaan merkittävästi lisäisi uusien alijärjestysten laitteistoinvestointeja, vaan haittaisi myös huomattavasti olemassa olevien alijärjestysten viestintälinjoja ja putkistoja, mikä saattaisi vaatia huomattavia määriä päivittämiseen ja päivitykseen.

Järjestelmän kehityksen varhaisessa vaiheessa, kun järjestelmän kapasiteetti on pieni ja lyhytkypäistrommit ovat alhaiset, lyhytkypäistrommien kasvua voidaan yleensä käsitellä vaihtokappaleiden korvaamisen avulla – muut alijärjestyslaitteet usein tarjoavat riittävän marginaalin tällä vaiheella. Kuitenkin, kun sähköjärjestelmän kapasiteetti on suuri, lyhytkypäistrommit korkeat ja lyhytkypäistrommit jatkuvasti nousevat järjestelmän yhdistämisen tai lisäkapasiteetin vuoksi, vain katkojen vaihtokappaleiden vaihto ei ole enää riittävää. Olemassa olevissa alijärjestyksissä voi olla tarpeen paitsi vaihtokappaleiden korvaaminen, myös päämuuntajien, erottelukappaleiden, mittamuuntajien, busbarien, isoitinten, rakenteiden, perustusten ja maanjätekappaleiden vahvistaminen tai korvaaminen. Lisäksi viestintälinjat saattavat tarvita suojauksia tai jopa siirtymistä maanalaiseen viestintäkaapeliin.

Eri tekijöiden vuoksi uudet suurkapasiteettiset tuotantoyksiköt ja voimalat jatkavat 220 kV verkon integrointia, mikä johtaa liian nopeaan lyhytkypäistrommien tason kasvuun. Monien 220 kV katkojen keskeyttämisvoima ja dynaaminen vakausominaisuus eivät enää vastaa nousevia lyhytkypäistrommeja, mikä luo vakavia teknisiä ja taloudellisia haasteita. Lyhytkypäistrommien rajoittamista koskeva tutkimus on siksi kiireellisesti tarpeen.

​1 Perinteiset sähkövirran rajoituskeinot ja niiden rajat​
Lyhytkypäistrommien rajoittamista voidaan käsitellä järjestelmän rakenteen, toiminnan ja laitteiston näkökulmista. Perinteiset keinot sisältävät seuraavat luokat, mutta kukin niistä on merkittäviä rajoituksia:

• ​a. Verkon rakennemuutos​
  Kattaa korkeampien jännitteiden verkon kehittämisen, matalajännitteisten verkkojen/busbarien pilkkominen ja verkon erotus.
• Korkeampien jännitteiden verkon kehittäminen: vaatii suuria investointeja ja aiheuttaa ympäristöongelmia.
• Matalajännitteisten verkkojen pilkkominen/erotus: yksinkertaista toteuttaa, merkittävät sähkövirran rajoitusvaikutukset, mutta heikentää järjestelmän turvamarginaalia ja rajoittaa toimintajoustavuutta, joten se on sovellettavissa vain tarpeellisissa tilanteissa.
• ​b. Suoran virtayhteyden teknologia​
  Suora virtayhteys voi merkittävästi vähentää lyhytkypäistrommeja, mutta molempiin päihin sijoitettavien muunnosasemien investointi on erittäin suuri. Lysille yhteyksille, joissa tehotaso on alhainen, tämä ratkaisu ei ole taloudellisesti kannattava.
• ​c. Korkeaimpedanssin muuntajat​
  Korkeaimpedanssin muuntajien käyttö matalajännitteisen puolen lyhytkypäistrommien rajoittamiseen on yleisesti hyväksytty toimenpide. Kuitenkin nämä muuntajat näyttävät suurempia tappioita vakiovirrassa, mikä vaikuttaa järjestelmän talouteen.
• ​d. Sarjareaktori​
  Sarjareaktori, jonka valmistusteknologia on kypsää ja sähkövirran rajoitusvaikutukset selvät, on jo käytössä voimaloiden apujärjestelmissä ja 10–35 kV alijärjestyksissä. Kuitenkin sen soveltaminen ultra-korkeajännitteisiin järjestelmiin lisää verkoston tappioita ja heikentää järjestelmän vakautta, mikä rajoittaa sen soveltuvuutta.
• ​e. Laitteiston kapasiteettien laajentaminen ja uudelleenvarustaminen​
  Katkojen vaihtokappaleiden korvaaminen ja olemassa olevien alijärjestysten uudelleenvarustaminen korkeampien lyhytkypäistrommien käsittelyyn käsittelevät ongelmaa suoraan, mutta ne edellyttävät suuria investointeja ja monimutkaista rakentamista, mikä johtaa huonoon taloudelliseen tehokkuuteen ja ajalliseen soveltuvuuteen.

Annettu perinteisten toimenpiteiden merkittävät rajoitukset, uusien sähkövirran rajoituslaitteiden kehittäminen, jotka sopivat moderniin sähköjärjestelmään, on tullut pakolliseksi. Sähkövirran rajoituslaitteen (FCL) kehittäminen on noussut ratkaisuksi ja on myös tärkeä osa joustavan vaihtovirtalähetyksen (FACTS) järjestelmiä.

​2 Sähkövirran rajoituslaitteiden (FCL) soveltaminen sähköjärjestelmissä​

​2.1 FCL:n malli ja periaatteet​
FCL:n perusperiaate perustuu sarjareaktorin sähkövirran rajoitusmenetelmään, jota on paranneltu voimakonepiirien avulla ylitse tulemaan perinteisten sarjareaktoreiden puutteet (esim. korkeat vakiovirtatasot ja vaikutukset järjestelmän vakautta). Sen ydinmalli voidaan abstrahoitua: "Ei impedanssia normaalitoiminnossa; nopea impedanssin lisäys virhetilanteissa sähkövirran rajoittamiseksi."

• Normaalitoiminta: Vaihtokappale suljettu, FCL:n ekvivalenttinen impedanssi lähes nolla, ei vaikutusta järjestelmään.
• Virhetila: Vaihtokappale avautuu nopeasti, lisää sähkövirran rajoitusreaktorin lyhytkypäistrommien hillitsemiseksi.

FCL:n ytimessä olevat komponentit sisältävät neljä keskeistä elementtiä:

1. Nopea sähkövirran havaintoelementti: Seuraa järjestelmän sähkövirtaa reaaliaikaisesti ja tunnistaa nopeasti lyhytkypäistrommeja.
2. Nopea vaihtokappale: Toimii nopeasti virhetilanteissa vaihtamaan "ei impedanssia" ja "impedanssi" -tiloissa.
3. Sähkövirran rajoitusreaktori: Ydin sähkövirran rajoituskomponentti, joka hillitsee lyhytkypäistrommia impedanssin avulla.
4. Ylivoltisuussuojaelementti: Estää ylivoltisuuden virhetilanteessa, suojelee järjestelmän laitteita.

​2.2 FCL:n toiminnallisuudet ja suunnitteluvaatimukset​

​2.2.1 FCL:n ydinominaisuudet​
FCL tarjoaa uuden lähestymistavan sähköjärjestelmien sähkövirran rajoittamiseen ja on nykyaikaisen sähköjärjestelmän kriittinen komponentti. Sen etuja ovat:

• Vähentää katkokappaleiden taakkaa: Korkeammilla jännitteillä vastaavat suuremmat, vaikeammin keskeytettävät virhetrommit. FCL vähentää katkokappaleiden keskeyttämistrommeja, jolloin laitteiston elinkaari pidentyy.
• Parantaa järjestelmän vakautta: Nopea lyhytkypäistrommien rajoittaminen vähentää linjan jännitesen ja generaattorin asynkronisuuden todennäköisyyttä, parantaa jännite-, kulma- ja taajuusvakautta.
• Lisää laitteiston ja linjan käyttöastetta: Jos FCL toimii ennen lyhytkypäistrommien huippua, se vähentää lämpö- ja dynaamisen vakauden rajoitusten vaatimuksia, mikä lisää linjan todellista siirtokapasiteettia.
• Optimoi jännitelaitoksen laatua: Nopea sähkövirran rajoittaminen ennen virheen poistamista lyhentää epävirhelinjojen jännitedropin keston, jolloin verkkojännite pysyy vakaina.
• Vähentää ympäröivien laitteiden häiriöitä: Lyhytkypäistrommien rajoittaminen korkeajännitteisissä verkoissa vähentää lähellä olevien viestintälinjojen ja rautatieohjausjärjestelmien sähkömagneettista häiriötä.

​2.2.2 FCL:n suunnitteluvaatimukset​
Jotta FCL soveltuu sähköjärjestelmän toimintamalleihin, sen on täytettävä seuraavat suunnitteluperiaatteet:

• Ei vaikutusta järjestelmään normaalitoiminnassa (jännitedrop lähes nolla).
• Nopea reaktio virhetilanteissa (1–2 ms), rajoittaa sekä huippu- että vakiovirta-lyhytkypäistrommeja ilman sivuvaikutuksia, kuten ylivoltisuutta.
• Automatisoitunut palautuminen virheen jälkeen ilman manuaalista puuttumista.
• Ei häiritse suojarelayjen normaalia toimintalogiikkaa.
• Järkevä hinta ja korkea hinta-arvoluku, joka vastaa sähköalan insinööriongelmiin.

​2.3 Eri FCL:n toteutusmallejen vertailu​

​2.3.1 Mallejen vertailu​

• ​Johtopäätös: Uuden materiaalin (erityisesti superjohtavat) ja voimakonepiirien perusteella FCL:t ovat parhaillaan optimaalisia ratkaisuja. Jälkimmäinen on yksinkertainen ja luotettava, mutta rajoitettu materiaalitekniikan takia; ensimmäinen tarjoaa vahvan ohjauskyvyn, ja voimakonepiirien kustannusten laskun myötä se on tullut teknisesti mahdolliseksi, mikä tekee siitä lupaavin tutkimus- ja kehityssuunnan.

​2.5 FCL:n tulevat tutkimussuunnat​
Tulevaisuudessa FCL:n tutkimus pitäisi keskittyä "suorituskyvyn optimointiin, toimintojen yhdentämiseen ja tekniseen sopeuttamiseen." Tärkeät suunnat ovat:

1. Jatkuvasti säädettävät impedanssimuunnokset: Siirtyminen nykyisestä "kahdesta impedanssitilasta (nolla tai ääretön)" kohti responsiivisia, jatkuvasti säädettäviä impedanssimuunnoksia, jotka dynaamisesti vastaavat suurempaa impedanssia suurempiin virhetrommeihin. Nämä tulisi yhdistää voimakkuuskerroincompensaatioon ja ylivoltisuuden absorbointiin, yhdistettynä ohjausteoriaan (esim. negatiivinen palautus, PID-ohjaus) järjestelmän automaation parantamiseksi.
2. Yhdentäminen FACTS-ohjauslaitteiden kanssa: Kehittää yhtenäisiä ohjauslaitteita, jotka yhdistävät FCL:n muihin FACTS-komponentteihin (esim. SVG, SVC) parantaakseen kokonaishinta-arvolukua ja edistääkseen ohjausten avulla AC-siirto- ja jakeluverkkoja.
3. Tärkeät teknologiset läpimurrot:
• FCL:n vaikutusmekanismit sähköjärjestelmän vakautukseen.
• FCL:n ja suojarelayjen välisen yhteistyölogiikan optimointi.
• Ultra-nopeiden virhetietojen havaintojärjestelmien ja ohjauslaitteiden optimointi.
• FCL:n vaikutukset sähkölaatuun (esim. harmoniset, jännitefluktuoinnit) ja lievitystoimet.

​3 Johtopäätökset​

• a. Sähköjärjestelmien sähkövirran rajoittaminen on tullut kriittiseksi ongelmaksi, joka vaatii kiireellistä ratkaisua. Uutena suojalaitteena sähkövirran rajoituslaitteella (FCL) on tehokas ratkaisu, ja FCL:n kehittäminen, joka soveltuu moderniin verkkoon, on merkittävää teoreettisesti ja teknisesti.
• b. Voimakonepiirien perusteella FCL:lla on jo teoreettinen perusta ja tekninen käytännöllisyys. Sen erinomainen ohjauskyky ja voimakonepiirien kustannusten lasku osoittavat laajan kehityskelpoisuuden.
• c. FACTS/CusPow-teknologian kehittymisen myötä FCL:n, joka on FACTS-perheen tärkeä jäsen, pitäisi ei ainoastaan itsenäisesti käsitellä sähkövirran rajoitusongelmia siirto- ja jakeluverkoissa, vaan myös yhteistyössä muiden FACTS-ohjauslaitteiden kanssa edistää ohjausten avulla AC-siirto- ja jakeluverkkojen kehittämistä.