Table of Contents
Il ruolo dei dispositivi di alimentazione moderna
I moderni sistemi di alimentazione devono affrontare la pressione di montaggio per fornire energia elettrica affidabile, mentre accomunare un influsso senza precedenti di fonti di energia rinnovabili, generazione distribuita e carichi digitali sempre più sensibili. L'approccio tradizionale di costruzione di nuove linee di trasmissione per rafforzare la capacità e la stabilità è spesso proibitivamente costoso e richiede tempo.
Le nuove tecnologie di commutazione dei semiconduttori, che si trovano dietro le prime installazioni SVC negli anni '70, sono state notevolmente migliorate, e i primi dispositivi basati su tiristor hanno dato il via a dei tiristori di ritroso (GTO), i transistor a porte isolate (IGBT) e i tiri intermedi integrati (IGCT), ogni volta che offrono un controllo più rapido, perdite a banda inferiore
Comprensione dei dispositivi FACTS
I controller FACTS sono sistemi elettronici a potenza a stato solido che regolano i parametri di trasmissione chiave, l'ampiezza della tensione, l'impedenza della serie e l'angolo di fase, con tempi di risposta misurati in millisecondi piuttosto che cicli.
I dispositivi FACTS sono classificati principalmente per la loro topologia di connessione, per la serie o per la combinazione di serie, ciascuno ottimizzato per obiettivi di controllo specifici. All'interno di ogni topologia, la distinzione tra controllori basati sull'impedenza (utilizzando componenti passivi interruttori o controllati) e convertitori di tensione (VSC)-based controller (synthesizing an AC tensione da un collegamento DC) è fondamentale per comprendere le loro prestazioni-off.
Controllori concatenati
I dispositivi Shunt si collegano in parallelo con la linea di trasmissione in un punto di comune accoppiamento e controllano principalmente la magnitudine di tensione iniettando o assorbendo la potenza reattiva. Il Compositore VAR quadratico (TCR), il dispositivo di maggior diffusione FACTS, combina i reattori controllati da tiristor (TCR) con i condensatori di tensione a cavalletto a ciclo (TSC)
I Compensiamo a risolvere i problemi di sicurezza, di sicurezza e di sicurezza, di sicurezza e di sicurezza, di sicurezza, di sicurezza e di sicurezza, di sicurezza, di sicurezza, di sicurezza e di sicurezza.
Controller concatenati in serie
I regolatori di serie mettono in atto una tensione o un'impedenza controllabile in serie con la linea di trasmissione, influenzando direttamente la reattività della linea e quindi il flusso di potenza attivo. Il Thyristor-Controlled Series Capacitor (TCSC)[] modula l'apparente reattività capacitiva tramite il commutatore a fase controllata attraverso una banca di condensatore fisso.
Il Compensiero della serie sincrono (SSSC)] sostituisce il condensatore passivo con un VSC che inietta una tensione controllabile in quadratura con la corrente della linea. A differenza di TCSC, l'SSSC può operare con una compensazione di capacità produttiva o induttiva senza richiedere banche esterne, e intrinsecamente evita le stesse resistenze sub-sincrono della serie di risonanza (SSSCR
Controller combinati Serie-Scontro
Il comando di corrente (UPFC) è il dispositivo FACTS più versatile, combinando un VSC connesso a shunt e un VSC connesso a serie, condividendo un collegamento DC comune. Il convertitore di shunt assorbe o fornisce una reale potenza per mantenere la tensione di collegamento DC, fornendo supporto reattivo indipendente al bus.
Il sistema di espansione multi-direttore di flusso di potenza (IPFC) estende il concetto di UPFC a più linee di trasmissione, comprendendo diversi convertitori di serie interconnessi attraverso un comune bus DC. Questa disposizione consente lo scambio di potenza tra diversi corridoi di trasmissione, consentendo all'operatore di gestire flussi di potenza attraverso percorsi paralleli e ottimizzare l'utilizzo della rete.
Migliorare la stabilità del sistema di potenza
La stabilità del sistema di potenza comprende stabilità del rotore-angolo (trasmissione e segnale piccolo), stabilità della frequenza e stabilità della tensione. I dispositivi FACTS affrontano principalmente la stabilità del rotore-angolo e della tensione attraverso una modulazione di potenza reattiva veloce, ma il loro ruolo si espande come griglie con una ridotta domanda di inerzia risposte più rapide e coordinate. L'integrazione dei controller FACTS con sistemi di monitoraggio ad ampia area (WAMS) utilizzando le unità di misura del phasor (PMUs).
Stabilità della tensione
Il collasso di tensione avviene quando la domanda di energia reattiva supera l'offerta, tipicamente a nodi fortemente caricati o in reti radiali con riserve reattive limitate. I controllori di FACTS di Shunt contrastano questo iniettando energia reattiva direttamente a bus vulnerabili, fornendo supporto di tensione locale che non può essere raggiunto da generazione remota.
Gli studi di pianificazione dimostrano un aumento costante della caricabilità del sistema con l'implementazione di FACTS. Un tipico corridoio di trasmissione da 230 kV con due STATCOM da 100 Mvar situati a metà punto e a fine ricevente può aumentare il massimo trasferimento di potenza del 18-25% mantenendo la tensione entro il ±3% del nominale.
Stabilità transitoria
Seguendo un grande disturbo come un guasto trifase o un viaggio di generatore, gli angoli del rotore accelerano, e la capacità del sistema di assorbire l'energia cinetica dipende dalla forza del percorso di trasmissione post-fault.
Con l'aumento della tensione della serie durante il tempo di compensazione critico, può aumentare la coppia di sincronizzazione e ridurre il primo swing di deviazione angolo del rotore. Gli studi sui sistemi di benchmark mostrano che i UPFC strategicamente posizionati possono migliorare il tempo di compensazione critico del 40-60% rispetto ai sistemi non compensati, consentendo ai sistemi di protezione più tempo di isolare i guasti senza perdita di sincronizzazione.
Damping di oscillazione
Le oscillazioni elettromeccaniche a bassa frequenza nella gamma di 0,1-2 Hz si verificano tra gruppi di generatori interconnessi e possono limitare il trasferimento di potenza su corridoi chiave. Gli stabilizzatori del sistema di potenza (PSS) sui generatori forniscono un'umidità primaria, ma la loro efficacia è limitata dalla capacità reattiva del generatore e dalla necessità di evitare interazioni negative con altri dispositivi PSS.
Il controllo della velocità della rete interarea dominante consente di regolare la sua reattività della serie in fase di elaborazione, contemporaneamente con il controllo della velocità della modalità interarea dominante, con l'iniezione di un smorzamento positivo.
Migliorare la qualità del potere
La qualità della potenza riguarda le caratteristiche della forma d'onda di tensione che influiscono sulle apparecchiature di uso finale, la grandezza, la frequenza, il contenuto armonico e la continuità. I processi industriali moderni, i data center e le apparecchiature digitali richiedono una potenza pulita e ininterrotta; anche un sag di tensione di 100 ms del 20% può innescare un arresto della linea di fabbricazione semiconduttore che costa 500.000 o più dispositivi.
Tensione Sag e Mitigazione
I sag di tensione, definiti come riduzioni della tensione RMS del 10-90% per le durate di 0,5 cicli a 1 minuto, sono il disturbo di qualità di potenza più comune.
I forni elettrici ad arco nei mulini di acciaio producono problemi di qualità particolarmente gravi, tra cui flicker-rapid fluttuazioni di tensione che causano flicker luce percettibile nelle lampade a incandescenza.
Filtro armonico
I carichi non lineari, le unità di frequenza variabili, i rettificatori, i forni ad arco e sempre più i caricatori di veicoli elettrici, iniettano correnti armoniche che distorcono la forma d'onda di tensione. La conseguente distorsione armonica provoca il surriscaldamento di trasformatori e motori, il fastidio tripping di dispositivi protettivi, l'interferenza con i sistemi di comunicazione e l'accelerazione dell'impging delle banche di condensatore.
La tecnologia FACTS consente di filtrare attivamente sfruttando il rapido passaggio dei controller basati su VSC.
Compensazione e Bilanciamento di carico
I sistemi di controllo Shunt possono fornire una compensazione dinamica del processo di tre fasi per correggere gli squilibri di fase e mantenere il fattore di potenza vicino all'unità. Per i carichi di trazione ferroviari monofase, un trackside STATCOM disegna le correnti di reattività necessarie e negative per rendere la rete bilanciata, migliorando la qualità di carica.
Integrazione con le Renewable Energy e le Griglia Moderne
La rapida crescita della generazione rinnovabile basata su inverter, fotovoltaica solare (PV), turbine a vento tipo 3 e Type 4, altera il comportamento dinamico della rete in modi fondamentali. Queste risorse forniscono poca inerzia intrinseca, hanno un'uscita che fluttua con le condizioni atmosferiche e offrono vantaggi ridotti durante i disturbi della rete.
Ride-Through e Griglia di Codice di conformità
I codici di rete in tutto il mondo richiedono che gli allevamenti eolici e solari rimangano connessi e sostengano la tensione durante i difetti transitori, una capacità nota come la velocità di trasmissione a bassa tensione (LVRT), mentre gli inverter moderni possono fornire corrente reattiva durante i difetti, la loro capacità è limitata al rating di inverter, che è generalmente 1,0-1 per unità.
Analogamente, le centrali fotovoltaiche solari nelle reti solari ma deboli dispiegano i FACTs per mantenere la tensione costante ed evitare il ridimensionamento a causa dell'aumento della tensione. Le fluttuazioni rapide di tensione dei transienti cloud, che possono causare un'azienda solare da 200 MW a scendere dal 100% al 20% in meno di 30 secondi, sono efficacemente levigate dai tempi di risposta STATCOM misurati in millisecondi.
Controllo di velocità di smoothing e Ramp
I transienti e le raffiche causano fluttuazioni di potenza rapide che regolano la frequenza di stress e possono violare i limiti della velocità di rampa del codice della griglia. Mentre i sistemi di storage energetico della batteria (BESS) sono comunemente utilizzati per l'allentamento, una STATCOM combinata con un piccolo BESS o un supercapacitor sul collegamento DC fornisce un'estensione di potenza variabile attiva e reattiva.
I recenti progetti nel Regno Unito e in Irlanda dimostrano l'efficacia di questo approccio: una rete STATCOM da 50 Mvar con una batteria da 20 MWh a un sito di 200 MW di parchi eolici ha migliorato l'output con un tasso di rampa pari a 0,5% al minuto, soddisfando i requisiti dell'operatore del sistema di trasmissione.
Sinergia con HVDC e Griglia multi-Terminal
I sistemi di conversione HVDC (LCC) consumano una notevole potenza reattiva, rispettivamente il 50-60% della potenza trasmessa, e si basano sulla forza di sistema AC per una commutazione stabile. I sistemi AC alla fine di ricezione dei collegamenti LCC HVDC sono suscettibili di ridurre il fallimento della commutazione, che possono causare interruzioni di corrente e instabilità della tensione.
Il concetto di un'interfaccia integrata FACTS-HVDC sta acquisendo una trazione, in particolare per i collegamenti eolici offshore. Un singolo STATCOM basato su MMC al punto di interconnessione onshore gestisce la potenza reattiva, il filtraggio armonico e il controllo della tensione simultaneamente, mentre il collegamento HVDC gestisce il trasferimento di potenza di massa.
Avanzamenti e direzioni future
L'evoluzione della tecnologia dei semiconduttori e della teoria del controllo continua a spingere le capacità di FACTS a nuovi livelli. I convertitori modulari a più livelli (MMC) consentono tensioni di blocco superiori, fino a 500 kV e oltre, con perdite di commutazione inferiori e una ridotta potenza armonica rispetto ai convertitori a due livelli o a tre livelli. La struttura modulare di MMC consente un'espansione incrementale della capacità: l'aggiunta di submoduli aumenta la tensione, mentre le bracci di parallele aumenta la scalabilità.
I processori di segnale digitali (DSP) e i sistemi di gate programmabili (FPGA) ora consentono di passare i tempi di 1-2 microsecondi e di controllare l'esecuzione del loop a 10–100 kHz, permettendo di commutare il sottociclo e sofisticati algoritmi di stima per l'estrazione armonica, la decomposizione dei componenti di sequenza e la sincronizzazione della griglia.
Gli impianti di produzione più recenti dimostrano la crescente scala e l'ambizione dei progetti FACTS. Il più grande UPFC del mondo, commissionato a Jiangsu, in Cina nel 2019, presenta tre trasformatori di serie e un unico trasformatore di controllo del flusso di potenza attraverso tre corridoi paralleli da 500 kV per alleviare la congestione e aumentare la capacità di trasferimento.
L'emergere di gemelli digitali[] per installazioni FACTS – modelli basati sul tempo reale, sulla fisica che rispecchiano il comportamento del dispositivo fisico – consente di mantenere la manutenzione predittiva e di ottimizzare le prestazioni rispetto al comportamento previsto del gemello digitale, gli operatori rilevano il degrado prima che provoca guasto, la manutenzione del programma basata su condizioni piuttosto che intervalli di tempo, e ottimizzano i parametri di controllo per gli anni.
La convergenza dei dati di phasor da PMUs, un controller di smorzamento centrale coordina più installazioni TCSC, STATCOM e SVC attraverso un interconnessione, sopprimendo le oscillazioni interarea di crittografia che nessun singolo dispositivo potrebbe gestire da solo.
In vista di questo, il paradigma flessibile si estenderà ai sistemi di distribuzione sotto il moniker di "Flexible AC Distribution Systems" (FACDS), dove i più piccoli controller basati su VSC gestiscono le tensioni tra i alimentatori a bassa tensione con elevata penetrazione dei caricatori di veicoli elettrici, il solare di copertura e la memorizzazione delle batterie.
Garantire un potere affidabile e di alta qualità in un mondo dell'energia in evoluzione
La rete elettrica sta passando da una generazione centralizzata e prevedibile a un modello disperso, variabile e inverter, che richiede nuovi strumenti per mantenere la stabilità e la qualità di potenza, strumenti che possono reagire in millisecondi, fornire un continuo adeguamento su un ampio range di funzionamento e integrarsi senza soluzione di continuità con i sistemi di comunicazione e controllo.
Ogni megawatt di capacità di trasmissione sbloccato da FACTS sposta la necessità di una nuova costruzione di trasmissione, che costa $1-3 milioni per miglio negli Stati Uniti e volti che permettono di raggiungere tempi di 5-10 anni.
La penetrazione rinnovabile si approfondisce e i consumatori richiedono una qualità di potenza sempre più elevata, la distribuzione strategica di FACTS diventa un punto di riferimento della modernizzazione della rete. La loro capacità di reagire entro millisecondi, unitamente ai costi in calo dell'elettronica di potenza, assicura che questi sistemi saranno parte integrante della transizione energetica, aiutando gli operatori a fornire energia resiliente, efficiente e pulita a tutti gli utenti.