Jump to content

Гибкая система передачи переменного тока

Гибкая система передачи переменного тока ( FACTS ) — это семейство устройств на базе силовой электроники, предназначенных для использования в переменного тока (AC) системе передачи для улучшения и контроля потока мощности и поддержки напряжения. Устройства FACTs являются альтернативой традиционным решениям и усовершенствованиям электросетей , где строительство дополнительных линий электропередачи или подстанции не является экономически или логистически целесообразным.

В общем, устройства FACTs улучшают мощность и напряжение тремя различными способами: шунтовая компенсация напряжения (замена функции конденсаторов или катушек индуктивности ), последовательная компенсация импеданса (замена последовательных конденсаторов ) или компенсация фазового угла (замена функции регулирования падения напряжения или управления фазой генератора). -Переключающиеся трансформаторы ). В то время как другое традиционное оборудование может выполнить все эти задачи, устройства FACTs используют силовую электронику, которая достаточно быстра, чтобы переключать подциклы вместо секунд или минут. Большинство устройств FACT также являются динамическими и могут поддерживать напряжение во всем диапазоне, а не только во включенном и выключенном состоянии, и являются многоквадрантными, то есть они могут как подавать, так и потреблять реактивную мощность , а иногда даже реальную мощность . Все это придает им «гибкий» характер и делает их хорошо подходящими для приложений с неизвестными или меняющимися требованиями.

Семейство FACT изначально возникло в результате разработки технологии преобразования и передачи высокого напряжения постоянного тока (HVDC) , в которой использовалась силовая электроника для преобразования переменного тока в постоянный, чтобы обеспечить большую контролируемую передачу энергии. [1] В то время как HVDC фокусировался на преобразовании в постоянный ток, устройства FACTs использовали разработанную технологию для управления мощностью и напряжением в системе переменного тока. Наиболее распространенным типом устройства FACTs является статический компенсатор реактивной мощности (SVC) , в котором используются тиристоры для переключения и управления шунтирующими конденсаторами и реакторами соответственно.

Когда в конце 19 века переменный ток выиграл войну токов , а электрические сети начали расширяться и соединять города и штаты, необходимость реактивной компенсации стала очевидной. [2] В то время как переменный ток дает преимущества благодаря преобразованию и уменьшению тока, переменный характер напряжения и тока приводит к дополнительным проблемам с естественной емкостью и индуктивностью линий передачи . Сильно нагруженные линии потребляли реактивную мощность из-за индуктивности линии, и по мере того, как напряжение передачи увеличивалось на протяжении 20-го века, более высокое напряжение обеспечивало емкостную реактивную мощность. Поскольку эксплуатация линии электропередачи только при нагрузке с импульсным сопротивлением (SIL) была невозможна, [2] Требовались другие средства управления реактивной мощностью.

Ртутно-дуговой клапан, используемый в силовой высоковольтной электронике.

В то время синхронные машины обычно использовались для генераторов и могли обеспечить некоторую поддержку реактивной мощности, однако были ограничены из-за увеличения потерь, которые они вызывали. Они также стали менее эффективными, поскольку линии электропередачи более высокого напряжения перемещали нагрузки дальше от источников. Стационарные шунтирующие конденсаторы и батареи реакторов удовлетворяли эту потребность, будучи развернуты там, где это необходимо. В частности, шунтирующие конденсаторы, переключаемые автоматическими выключателями, обеспечивают эффективное средство управления изменяющимися требованиями к реактивной мощности из-за изменения нагрузки. [3] Однако это не обошлось без ограничений.

Шунтирующие конденсаторы и реакторы представляют собой стационарные устройства, которые можно только включать и выключать. Это требовало либо тщательного изучения точного необходимого размера, [4] или принятие неидеального воздействия на напряжение линии электропередачи. Потребность в более динамичном и гибком решении была осознана с появлением ртутно-дугового клапана в начале 20 века. Подобно вакуумной лампе , ртутно-дуговой клапан представлял собой мощный выпрямитель , способный преобразовывать высокое переменное напряжение в постоянное. По мере совершенствования технологии стало возможным инвертирование , и ртутные клапаны нашли применение в энергосистемах и линиях высокого напряжения постоянного тока . При подключении к реактору можно использовать другую схему переключения для изменения подключенной эффективной индуктивности. [5] обеспечить более динамичное управление. Дуговые клапаны продолжали доминировать в силовой электронике до появления твердотельных полупроводников в середине 20 века. [6]

Поскольку полупроводники заменили электронные лампы, тиристоры стали первыми современными устройствами FACT в виде статического компенсатора реактивной мощности (SVC). [7] Эффективно работая как автоматический выключатель, который мог включиться за миллисекунды, он позволял быстро переключать батареи конденсаторов. Подключение к реактору и переключение подцикла позволяли изменять эффективную индуктивность. Тиристор также значительно улучшил систему управления, позволяя SVC обнаруживать неисправности и реагировать на них, чтобы лучше поддерживать систему. [8] Тиристоры доминировали в мире FACTs и HVDC до конца 20-го века, когда IGBT начал соответствовать его номинальным мощностям. [9]

Основная теория того, как устройства FACTs влияют на систему переменного тока, основана на анализе того, как мощность передается между двумя точками в системе переменного тока. Это особенно актуально для функционирования электрической сети переменного тока, поскольку в сети имеется множество узлов (подстанций), в которых отсутствуют источники ( генераторы ) или нагрузки . Поток мощности должен рассчитываться и контролироваться на каждом узле (шине подстанции), чтобы гарантировать, что конструкция и топология сети не препятствуют вырабатываемой электроэнергии в нагрузку. попаданию [10] например, когда линии электропередачи достигают длины от десятков до сотен миль, они добавляют в систему значительное сопротивление и падение напряжения.

Учитывая две шины, каждая со своей величиной напряжения и фазовым углом , и соединенные линией передачи с импедансом, ток, текущий между ними, определяется выражением [11]

Простая принципиальная схема, показывающая две шины, соединенные через полное сопротивление, с векторной диаграммой, представляющей фазовый угол между ними.

Поток полной мощности и, следовательно, реальная и реактивная мощность определяются выражением

Объединение этих двух уравнений дает поток активной и реактивной мощности как функцию напряжения и импеданса. Это можно сделать относительно легко и делается в программах анализа потоков нагрузки и мощности , но в результате получаются уравнения, которые не интуитивно понятны. Чтобы упростить ситуацию, можно сделать два приближения: предположим, что линия передачи не имеет потерь (достойное предположение, поскольку обычно используется проводник с очень низким сопротивлением ) и пренебрегаем любой емкостью в линии (справедливое предположение для линий 200 кВ и ниже). Это уменьшает полное сопротивление линии до реактивного сопротивления, в результате чего активная и реактивная мощность становятся равными.

где

— это величина напряжения на стороне отправки на первой шине.

- величина напряжения на приемной стороне на второй шине

- реактивное сопротивление линии передачи между шинами

- это разность фаз между напряжениями на передающей и принимающей сторонах.

Из приведенных выше уравнений видно, что есть три переменные, которые влияют на поток активной и реактивной мощности в линии электропередачи: [12] величины напряжения на каждой шине, реактивное сопротивление линии между шинами и разность фаз напряжения между шинами. Все устройства FACTs работают по фундаментальному принципу: изменение одной или нескольких из этих переменных приведет к изменению потока активной и реактивной мощности в линии передачи. Некоторые устройства FACTs изменяют только одну переменную, тогда как другие контролируют все три.

Следует отметить, и это будет более подробно описано ниже, что устройства FACT не создают и не добавляют реальную мощность в систему, они просто влияют на параметры цепи между двумя точками, чтобы влиять на то, как и когда передается мощность.

Типы устройств FACTs

[ редактировать ]

Учитывая, что устройство FACTs может изменять до трех параметров, чтобы влиять на поток мощности (напряжение, полное сопротивление и/или фазовый угол), их часто классифицируют по тому, какой параметр они контролируют. Поскольку традиционные устройства для контроля напряжения (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие катушки индуктивности) и импеданса (последовательные конденсаторы и нагрузочные дроссели) настолько распространены, устройства FACTs, предназначенные для измерения параметров напряжения и импеданса, классифицируются как шунтирующие и последовательные устройства соответственно.

Шунтовые компенсационные устройства

[ редактировать ]

Целью параллельной компенсации является подключение устройства параллельно с системой, которое улучшит напряжение и обеспечит больший поток мощности. Традиционно это делается с помощью шунтирующих конденсаторов и индукторов (реакторов), [13] очень похоже на коррекцию коэффициента мощности .

Наиболее распространенным устройством параллельной компенсации является статический компенсатор реактивной мощности (SVC) . [14] В SVC используется силовая электроника, обычно тиристоры , для переключения постоянных конденсаторов и реакторов. Они называются тиристорно-переключаемым конденсатором (TSC) и тиристорно-переключаемым реактором (TSR) соответственно. Тиристоры достаточно быстрые, чтобы их можно было переключать в подциклах, и они могут переключать реактор в разных точках каждого цикла, чтобы контролировать переменную мощность , создаваемую реактором. В таком случае TSR называется реактором с тиристорным управлением (TCR) . TCR производят большое количество гармоник и требуют наличия наборов фильтров для предотвращения неблагоприятных воздействий на систему.

Другим типом параллельной компенсации является статический синхронный компенсатор или СТАТКОМ . Силовая электроника последовательно соединена с реактором, образуя преобразователь напряжения (VSC), который при подключении к системе переменного тока образует STATCOM. [15] VSC использует тот же принцип передачи мощности в линии передачи; измерение напряжения системы, к которой оно подключено, и изменение напряжения силовой электроники, чтобы вызвать поток реактивной мощности в VSC или из него. Ранние СТАТКОМы использовали тиристоры в качестве силовой электроники и широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для управления реактивной мощностью, но с развитием полупроводниковых технологий биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) их заменили .

Серийные компенсационные устройства

[ редактировать ]

Устройства последовательной компенсации изменяют сопротивление линии передачи, увеличивая или уменьшая поток мощности. Поток мощности увеличивается за счет добавления последовательного конденсатора для компенсации индуктивности линии или уменьшается за счет добавления последовательного дросселя нагрузки для увеличения индуктивности линии.

Одним из типов последовательной компенсации является последовательный конденсатор с тиристорным управлением (TCSC) , который сочетает в себе TCR от SVC параллельно с традиционным конденсатором фиксированной серии. Поскольку использование силовой электроники для переключения субцикла конденсаторов невозможно из-за проблем с накопленным зарядом, TCR используется для создания переменной индуктивности для компенсации конденсатора. TCSC можно использовать для динамического изменения потока мощности в линии передачи. [16]

VSC также можно использовать в качестве устройства последовательной компенсации, если он подключен ко вторичной обмотке последовательно включенного трансформатора. Это устройство называется статическим синхронным последовательным компенсатором (SSSC) . [12] и предлагает преимущества меньшего реактора, чем в TCSC, и более низкое производство гармоник VSC (или инвертора источника напряжения - VSI при использовании в SSSC) по сравнению с TCR.

Компенсация фазового угла

[ редактировать ]

Электроэнергия будет течь между двумя точками системы переменного тока только в том случае, если между шинами существует разность фаз. Традиционно этим управляют генераторы, однако в крупных сетях это становится неэффективным для управления потоком мощности между удаленными шинами. Фазосдвигающие трансформаторы (PST) обычно используются для этих приложений и могут быть просто регулятором фазового угла (PAR) или управлять как фазовым углом, так и напряжением .

Самым простым устройством компенсации фазового угла было бы заменить переключатель ответвлений на PAR тиристорами для включения и выключения частей обмотки, образуя фазосдвигающий трансформатор с тиристорным управлением (TCPST). [17] Однако обычно этого не делают, поскольку TCPST будет значительно дороже, чем PAR. Вместо этого эта идея расширяется за счет замены квадратурного усилителя устройством, называемым регулятором фазового угла с тиристорным управлением (TCPAR), также известным как статический фазовращатель (SPS). [18] Из схемы видно, что TCPAR представляет собой просто квадратурный усилитель, в котором механические части возбудителя и вспомогательных трансформаторов заменены силовой электроникой, обычно тиристорами.

Другой способ сформировать TCPAR — разделить возбудитель и повышающий трансформатор и управлять их вторичными обмотками с помощью отдельных наборов силовой электроники. Соединив два набора силовой электроники через шину постоянного тока, обычно с помощью тиристоров GTO или IGBT, можно сформировать TCPAR. Хотя поначалу это может показаться ненужным, если рассматривать шунтирующий и последовательный трансформаторы и их электронику по отдельности, становится очевидным, что шунтирующая часть представляет собой STATCOM, а последовательная часть — SSSC. Поскольку шина постоянного тока обеспечивает питание от параллельной части к последовательной части, устройство действует как регулятор фазового угла, однако, когда шина постоянного тока изолирует две стороны, STATCOM может управлять шунтирующим напряжением, а SSSC может контролировать сопротивление линии. Это дает устройству название — Unified Power Flow Controller (UPFC) . [19] поскольку он может контролировать все три параметра, влияющие на управление мощностью.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Справочник EPRI по передаче высокого напряжения постоянного тока (HVDC) EPRI, Пало-Альто, Калифорния: 2017. 1020401.
  2. ^ Перейти обратно: а б Руководство EPRI по увеличению потоков мощности — 2017: Увеличение потоков мощности в линиях, кабелях и подстанциях. EPRI, Пало-Альто,КА: 2017. 3002010150.
  3. ^ Гуджар, Абхилаш (06 ноября 2020 г.). «Компенсация реактивной мощности с использованием шунтирующих конденсаторов для линий электропередачи, нагрузка которых превышает импульсное сопротивление» . Международная конференция IEEE по инновациям в технологиях (INOCON) 2020 года . IEEE. стр. 1–4. дои : 10.1109/INOCON50539.2020.9298284 . ISBN  978-1-7281-9744-9 . S2CID   230512769 .
  4. ^ Камель, Салах; Мохамед, Марва; Селим, Али; Насрат, Лоаи С.; Хурадо, Франциско (март 2019 г.). «Стабильность напряжения энергосистемы на основе оптимального размера и расположения шунтирующего конденсатора с использованием аналитического метода». 2019 10-й Международный конгресс по возобновляемым источникам энергии (IREC) . IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/IREC.2019.8754516 . ISBN  978-1-7281-0140-8 . S2CID   195831344 .
  5. ^ Рисик, Х., Преобразователи тока ртутной дуги, Питман. 1941 год.
  6. ^ «1954: Моррис Таненбаум изготавливает первый кремниевый транзистор в Bell Labs» . Кремниевый двигатель . Музей истории компьютеров . Проверено 23 августа 2019 г.
  7. ^ Оуэн, Эдвард Л. (август 2007 г.). «Пятидесятилетие современной силовой электроники: кремниевый управляемый выпрямитель» . Конференция IEEE 2007 г. по истории электроэнергетики . стр. 201–211. дои : 10.1109/HEP.2007.4510267 . ISBN  978-1-4244-1343-0 . S2CID   12720980 .
  8. ^ Чоудхари, Сунита; Махела, Ом Пракаш; Ола, Шиш Рам (ноябрь 2016 г.). «Обнаружение повреждений линии электропередачи при наличии тиристорного управляемого реактора с использованием дискретного вейвлет-преобразования». 2016 7-я Международная конференция Power India (PIICON) IEEE . IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/POWERI.2016.8077268 . ISBN  978-1-4673-8962-4 . S2CID   23488189 .
  9. ^ Ивамуро, Нориюки; Ласка, Томас (март 2017 г.). «История IGBT, современное состояние и перспективы на будущее» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (3): 741–752. Бибкод : 2017ITED...64..741I . дои : 10.1109/TED.2017.2654599 . ISSN   0018-9383 . S2CID   36435533 .
  10. ^ Кумар, Йогеш; Девабхактуни, Виджай К.; Вемуру, Шриниваса (май 2015 г.). «Сравнение инструментов моделирования энергосистемы с примерами исследования потоков нагрузки» . Международная конференция IEEE по электро/информационным технологиям (EIT) , 2015 г. IEEE. стр. 290–294. дои : 10.1109/EIT.2015.7293355 . ISBN  978-1-4799-8802-0 .
  11. ^ Мохан, Нед (2007). Первый курс по энергосистемам (издание 2006 г.; исправлено в июле 2007 г.). Миннеаполис: MNPERE. ISBN  978-0-9715292-7-4 .
  12. ^ Перейти обратно: а б Хингорани, Нараин Г.; Гюдьи, Ласло (2000). Понимание ФАКТОВ: концепции и технологии гибких систем передачи переменного тока . Нью-Йорк: IEEE Press. ISBN  978-0-7803-3455-7 .
  13. ^ Руководство EPRI по увеличению потока мощности — 2017: Увеличение потока мощности в линиях, кабелях и подстанциях. EPRI, Пало-Альто, Калифорния: 2017. 3002010150.
  14. ^ Справочник EPRI по контроллерам трансмиссии на базе силовой электроники («Золотая книга») EPRI, Пало-Альто, Калифорния: 2017. 1020401.
  15. ^ Суд, Виджай К. (2004). Контроллеры HVDC и FACTS: применение статических преобразователей в энергосистемах . Силовая электроника и силовые системы. Бостон: Академическое издательство Kluwer. ISBN  978-1-4020-7890-3 .
  16. ^ Цао, Фоцин; Ху, Лей; Чжан, Цзинтао; Альменвир, Рим А.; Альнасир, Джамаль; Альмагхут, Фади (15 декабря 2023 г.). «Исследование улучшения потока мощности с использованием статических компенсаторов и последовательного конденсатора с тиристорным управлением в сети передачи» . ИИЭР: 354–359. дои : 10.1109/CEECT59667.2023.10420634 . ISBN  979-8-3503-4225-3 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  17. ^ Резванфар Р.; Мосаебян, Мэн; Монсеф, Х.; Гасеми, Х. (май 2011 г.). «Влияние оптимально расположенного тиристорного регулятора фазового угла на безопасность и надежность системы» . 2011 10-я Международная конференция по окружающей среде и электротехнике . IEEE. дои : 10.1109/eeeic.2011.5874829 .
  18. ^ Сун, Юн-хуа; Джонс, Аллан Т., ред. (1999). Гибкие системы передачи переменного тока (ФАКТЫ) . Серия IEE Power and Energy. Лондон: Институт инженеров-электриков. ISBN  978-0-85296-771-3 .
  19. ^ 2745.1-2019 - Руководство IEEE по технологии единого контроллера потока мощности с использованием модульного многоуровневого преобразователя - Часть 1: Функции, стандарт IEEE
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 13254b4232e70e5cec004ae3fe220881__1716189000
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/13/81/13254b4232e70e5cec004ae3fe220881.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Flexible AC transmission system - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)