Prijenos i Distribucija FACTS Sustavi

8/10/2019 Prijenos i Distribucija FACTS Sustavi

http://slidepdf.com/reader/full/prijenos-i-distribucija-facts-sustavi 1/30

1

PRIJENOS I DISTRIBUCIJA

ELEKTRIČNE ENERGIJE

FACTS (Flexible AC Transmission System)

SUSTAVI

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Elektrotehnički fakultet

Prof.dr.sc. Srete Nikolovski



2

• FACTS (Flexible AC Transmission System), je prilagodljivi izmjenični prijenosnisustav s uključenim komponentama zasnovanim na energetskoj elektronici te

ostalim statičkim komponentama, koje služe za poboljšanje upravljivostiprijenosna snage i povećanje prijenosne moći u prijenosnom sustavu.

• FACTS ureĎaji uključuju pretvorbu korištenjem energetske elektronike čija sesnaga kreće u rasponu od nekoliko desetaka MW do nekoliko stotina MW.

• FACTS služi za upravljanje tokovima djelatnih i jalovih snaga u EES-u te zapovećanje prijenosne moći.

• Upravljanjem tokovima jalovih snaga se izravno djeluje na iznose napona u

čvorištima sustava, ovisno o zahtjevima koji se postavljaju na samelektroenergetski sustav.

• U većini se izvedbi primjenjuju klasični tiristori ili upravljačkom elektrodomisklopivi tiristori GTO-tiristori

1. FACTS sustavi




3

1 2sin

V V P MW

X

θ

FACTS je relativno nova pojava u EES-u.

FACTS može utjecati na sljedeće parametara u jednadžbi:

gdje je:P = trofazna aktivna snaga [MW]

V 1 = napon na početku voda [kV]

V 2 = napon na kraju voda [kV]

X = ukupna reaktancija izmeĎu dva čvorišta [

= kut izmeĎu napona U1 i U2 [°]

]




4

Prednosti FACTS tehnologije:

• Upravljanje tokovima snage

• Povećanje opteretivosti voda do termičkih i dielektričnih ograničenja

• Povećanje sigurnosti sustava kroz podizanje granice prijelazne stabilnosti,• Ograničavanje struja kratkog spoja i preopterećenja

• Nadogradnja mreže

• Pojačavanje postojećih vodova

• Smanjenje tokova jalove snage čime se omogućava prijenos većeg iznosa snage

Prema načinu priključivanja FACTS ureĎaji se mogu podijeliti na:

- serijske komponente,

- paralelne komponente,

- kombinirane serijsko-serijske komponente i

- kombinirane serijsko-paralelne komponente




5

1 SERIJSKE KOMPONENTE

Serijske komponente izvode se u obliku promjenjive impedancije (kondenzator ili

prigušnica) ili promjenjivog izvora napona zasnovanog na energetskoj elektronici.

U tom slučaju mogu se regulirati iznos i kut napona (frekvencija je jednaka mrežnojfrekvenciji).

U osnovi sve serijske komponente injektiraju napon u seriji s vodom (slika 1). Održavajućinapon fazno okomitim s obzirom na struju koja teče vodom, serijska komponenta proizvodiili troši jalovu snagu promjenjivog iznosa.

Slika 1. Serijska komponenta

Serijska kompenzacija pruža slijedeće mogućnosti:

• Smanjuje linijski pad napona

• Utjecaj tokova snaga u paralelnim dalekovodima

• Povećava mogućnost prijenosa

• Smanjuje prijenosni kut

• Povećava stabilnost sustava




6

Zadaća serijske kompenzacije je smanjenje induktiviteta dalekovoda. To znači da je duljinadalekovoda „približno“ smanjena. Posljedica je toga je smanjenje prijenosnog kuta, a time ipovećanje prijenosa snage bez smanjenja stabilnosti sustava. Primjenom serijskih FACTS komponenta uvodi se promjenjiva serijska kompenzaciju učinkovitimupravljanjem toka snage. Upravljiva serijska kompenzacija predstavlja osnovu razvoja FACTS

tehnologije.

Osnovna ideja serijske kapacitivne kompenzacije jest smanjit ukupnu serijsku reaktanciju izmeĎudvije točke prijenosnog sustava.U jednostavnom dvostrojnom sustavu (slika 2.a), pomoću serijskog kondenzatora kompenzira seinduktivna reaktancija voda prema standardnom vektorskom dijagramu (slika 2.b).

Djelatna snaga prijenosa izrazito se povećava s povećanjem stupnja serijske kompenzacije k (slika2.c).

Slika 2: Kompenzacija pomoću serijske komponente; (a) dvostrojni sustav, (b) vektorski sustav, (c) ovisnost

djelatne i jalove snage o kutu i stupnju kompenzacije




7

Teorijski, povećanje granice stabilnosti može biti neograničeno ako se serijska induktivnareaktancija voda u potpunosti kompenzira.

U praktičnim slučajevima, stupanj kompenzacije ne prelazi 75% od serijske induktivne reaktancijevoda zbog mogućih poteškoća u upravljanju tokovima snage te visokih struja kratkog spoja.

Često se stupanj kompenzacije ograničava na iznose manje od 30% zbog opasnosti odsubsinkrone rezonancije

Slika 3: Kriterij jednakih površina u primjeni serijske kompenzacije; (a) bez primjene i (b) s primjenom

serijske kompenzacije




Princip rada paralelnih komponenti - statičkih sinkronih kompenzatora (STATCOM) i (SVC)statičkih var kompenzatora .

Statički sinkroni kompenzator (eng. STATCOM, Static Synchronous Compensator) je statičkisinkroni generator u pogonu kao poprečno priključeni statički var kompenzator, čija kapacitivna ili

induktivna izlazna struja može biti upravljiva neovisno o naponu izmjeničnog sustava.

STATCOM je jedna od ključnih FACTS naprava. Može se zasnivati na pretvaračima naponskog ilistrujnog izvora. S općeg stajališta troškova, preferiraju se pretvarači s naponskim izvorom (slika4.). Kod njih se s izlaznim izmjeničnim naponom upravlja na način da se automatskim reguliranjemnapona istosmjernog kondenzatora, koji služi kao naponski izvor pretvarača, utječe na zahtijevanurazinu injektirane jalove struje u čvorište izmjeničnog sustava. STATCOM može biti projektiran i dadjeluje kao aktivni filtar u svrhu smanjenja viših harmonika.

Slika 4. Statički sinkroni kompenzator, STATCOM Prof.dr.sc. Srete Nikolovski



2. PARALELNE KOMPONENTE

Druga vrsta spajanja FACTS komponenta je paralelni spoj, prema čemu se takvekomponente zovu paralelne ili poprečne.

One mogu biti promjenjive impedancije ili elektronički izvori napona kao i njihovekombinacije.

Paralelne komponente injektiraju struju u čvorište povezivano sa sustavom, kako jeprikazano slikom 4.

Struju mogu injektirati i promjenjiva paralelna impedancija kao posljedicu

promjenjivog toka struje kroz vod. Ta struja uzrokuje da paralelna komponenta trošiili proizvodi promjenjivu jalovu snagu, ovisno o faznom pomaku struje i napona

čvorišta priključka.

Taj se efekt koristi za poboljšanje naponskih prilika pa se u slučaju malihopterećenja koriste prigušnice u paralelnim granama kako bi se snizio napon,

U slučaju visokih opterećenja u paralelnoj grani koriste se kondenzatori koji podižunapon.

Paralelnom kompenzacijom postiže se povećanje prijenosne moći i za poboljšanjenaponskih prilika u EES u stacionarnim i prijelaznim stanjima.




Princip rada STATCOM-a

Neka imamo zadan prijenosni sustav prikazan na slici 5.

Pri prijenosu snage iz sustava s naponom U1 u sustav s naponom U2 vrijede sljedeće relacije:

Slika 5. Prijenos energije u sustavu

sin21

X

U U P

X

U U U Q 212

cos

Promjenom serijske impedancije, razina napona U1 i/ili U2, odnosno kuta izmeĎu vektora

napona može se utjecati na tok električne energije u sustavu.

Princip rada STATCOM-a se može najjednostavnije objasniti na sljedeći način: na slici 2.kao izvor s U2 se spoji naponski invertor tako da imamo električnu shemu kao na slici 6.




Slika 6. Električna shema STATCOM-a

Na osnovu navedenih jednadžbi (1) i (2), ako se kut izmeĎu napona U1 i U2 održava na nuli (δ=0),

tada vrijedi

0 P x

U U U Q 212

Ako se regulira U2 tako da je U2 < U1, tada je Q > 0 i STATCOM ima induktivni karakter tereta,

a u slučaju da je U2 > U1, tada je Q < 0 i STATCOM ima kapacitivni karakter tereta.

Obično kut izmeĎu napona U1 i U2 nije nula, nego se regulira na nekoj vrijednosti tako da sepokriju gubici u pretvaraču.

Kao izvor istosmjernog napona se može koristiti kondenzatorska baterija (u sustavu je samoreaktivna energija), a naponski invertor može biti izveden sa širinsko-pulsnom modulacijom

ili višerazinski




Na slikama 7. i 8. su dani rezultati simulacije STATCOM-a u programskom paketu MATLAB-SIMULINK.

U ovom slučaju je modeliran invertor s višerezinskim invertorom.Pri tome STATCOM radi samo kao generator reaktivne snage.

Na slici 7 i b su prikazani dijagrami napona mreže U1, napona invertora Uinv i struje STATCOM-a

Slika 7. Dijagrami struja i napona STATCOM-a

kao kapacitivnog tereta

Slika 8. Dijagrami struja i napona STATCOM-a

kao induktivnog tereta




Primjer praktične izvedbe STATCOM-a (ABB)




Statički sinkroni generator (SSG)

Statički sinkroni generator (engl. Stat ic Synch ronou s Generator ) je statički samokomutiranienergetski pretvarač napajan iz odgovarajućeg skladišta energije i pogonjen u svrhu proizvodnjepromjenjivog višefaznog izlaznog napona.

Priključen je na izmjenični sustav kako bi s njim ostvario razmjenu djelatne i jalove snage koje sumeĎusobno neovisno upravljive.

SSG (slika 10.) je zapravo kombinacija STATCOM-a i skladišta energije.Naziv, SSG, u sebi uključuje općenito priključenje bilo kojeg skladišta energije (baterija, zamašnamasa, supervodljivi magnet, veliki istosmjerni kondenzator, drugi ispravljači…).Uobičajena je primjena elektroničkog sučelja ("čoper -a") izmeĎu skladišta energije i pretvarača.

Slika 10. Statički sinkroni generator, SSG

Baterijski sistem skladištenja energije (BESS) Baterijski sistem skladištenja energije (engl. Batery Energy StorageSystem ) je sustav uskladištenja energije na kemijskoj osnovi koji sesastoji od poprečno priključenih pretvarača s naponskim izvorom.veličina BESS skladišne jedinice uglavnom je mala (nekoliko desetakaMWh).

Sistem skladištenja energije pomoću suprevodljivog magneta (SMES)

SMES (engl. Superconducting Magnetic Energy Storage) jesupravodljivi elektromagnetski sustav uskladištenja energije koji sadržielektroničke pretvarače. U mogućnosti je brzo injektirati ili apsorbiratidjelatnu i/ili jalovu snagu, odnosno dinamički upravljati tokom snage uizmjeničnom sustavu. Budući da se istosmjerna struja magneta nemijenja brzo, izlazna snaga magneta se mijenja upravljanjem naponom

magneta uz odgovarajuće elektroničko sučelje prema STATCOM-u.




STATIČKI VAR KOMPENZATOR (SVC)

SVC (engl. Static Var Compensator ) u sebi objedinjuje niz različitih ureĎaja, uglavnom

tiristorski upravljivih, od kojih su najznačajniji:

Tiristorski upravljive prigušnice (TCR),

Tiristorski uklopive prigušnice (TSR)

Tiristorski uklopivi kondenzatori (TSC).

Budući da je osnova ovakvih ureĎaja energetska elektronika (MOSFET i IGBT tranzistori, SCT,

GTO I MCT), riječ je o relativno osjetljivim poluvodičkim prekidačima, te se zbog naponskih

ograničenja njihov priključak na sustav realizira preko odgovarajućih transformatora.

SVC ureĎaji su posljednjih godina potisnuli sinkrone kompenzatore iz upotrebe, jer imaju

slične tehničke karakteristike, ali su mnogo pouzdaniji u pogonu.

Struktura SVC-a je prikazana na slici 11., a ostvarena je kombinacijom TCR-a i TSC-a.

Priključak SVC ureĎaja ostvaren je putem zasebnog transformatora, a dodatni filtri omogućujuinjektiranje jalove struje (snage) osnovne ili viših frekvencija.

Kombinacijom TCR-a i TSC-a (SCV TSC – TCR), ostvaruje se veća fleksibilnost u kontroli rada,smanjenje injektiranja struja viših harmonika i bolje karakteristike samog ureĎaja u uvjetimakvara




Slika 11. Struktura SVC uređaja




Tiristorski upravljiva prigušnica (TCR)

TCR (engl. Thyristor Contro l led Reactor ) je podvrsta SVC-a kod koje se s vremenom voĎenja tesa strujom prigušnice upravlja korištenjem tiristorskog sklopa.

Tiristorima se upravlja putem kuta paljenja. Način regulacije TCR-a ovisi o zahtjevima koji sepostavljaju na sam SVC.

Efektivna reaktancija TCR-a je kontinuirano promjenjiva putem djelomičnog voĎenja tiristorskogventila. Struja TCR-a (slika 12.) se može kontinuirano mijenjati od 0° do maksimalne vrijednosti

180°. Kut paljenja označava se s α, a kut voĎenja s σ. Kut α se može mijenjati od 180° do 90°.

Slika 12. Tiristorski upravljiva prigušnica




Tiristorski uklopiva prigušnica (TSR)

TSR (engl. Thyristor Switched Reactor ) je naprava načinjena od nekoliko poprečnih prigušnica koje

se uključuju i isključuju tiristorskim prekidačima bez upravljanja kutem paljenja.

Tako se postižu zahtijevane skokovite promjene jalove snage koja se troši iz sustava. Korištenjem

tiristorskih prekidača bez upravljanja kutem paljenja postižu se niži troškovi i gubici, ali zato nema

kontinuirane promjene. Efektivna reaktancija TSR-a je skokovita promjenjiva putem pune/nulte

vodljivosti tiristorskog ventila.

Tiristorski uklopivi kondenzator (TSC)

TSC (engl. Thyristor Switched Capacitor ) također predstavlja osnovnu komponentu SVC

uređaja. Tiristorski prekidači (slika 13.) koriste se za uključivanje i isključivanje poprečnog

kondenzatora, čime se omogućuje skokovita promjena jalove snage koja se unosi uizmjenični sustav.

Slika 13. Tiristorski uklopivi kondenzator

Kada se priključi kapacitet na izmjenični sinusni napon,

protekne velika kapacitivan struja kroz kondenzator ako je

početni napon na kondenzatoru različit od napona

napajanja u samom trenutku uklapanja tiristora.

Struja kroz kondenzator bit će konačna ( u stacionarnomstanje) ako je inicijalni napon na kondenzatoru jednak

naponu napajanja u trenutku uklapanja tiristora.

Promjene struje je vrlo visoka u odnosu na jakost struje

koju mogu podnijeti sami tiristori. Kako bi se ograničila ta

promjena struje, nužno je postaviti dodatnu prigušnicu u

seriji s kondenzatorom i tiristorima




Primjer praktične izvedbe SVC-a (ABB)




USPOREDBA STATCOM-a I SVC-a

Ovi ureĎaji imaju istu funkciju, ali im je osnovni princip rada različit. STATCOM radi kao paralelnospojeni sinkroni izvor napona, dok SVC djeluje kao reaktivna admitancija.

Zbog te razlike STATCOM ima bolju funkcionalnu karakteristiku, bolju izvedbu i fleksibilnost

primjene u usporedbi sa SVC-om.

U linearnom području djelovanja V-I karakteristike (slika 14.) STATCOM-a i SVC-a su veoma slične.MeĎutim, u nelinearnom području rada, STATCOM može kontrolirati izlaznu vrijednost strujepovećanjem opsega kapaciteta i induktiviteta, neovisno o izmjeničnom naponu sustava, dok sekod SVC-a maksimalno ostvariva kompenzacijska struja linearno povećava s izmjeničnimnaponom.

Iz toga slijedi da je STATCOM efikasniji od SVC-a u pružanju naponske podrške prilikom velikihporemećaja sustava, gdje se krivulja napona nalazi van linearnog područja rada kompenzacije

Slika 14. Usporedba V-I karakteristika STATCOM-a i SVC-a


KOMBINIRANI SPOJ



KOMBINIRANI SPOJ

1.Serijsko – serijske komponente

Ova kombinacija ima dva moguća oblika, što je prikazano slikom 15. U prvom obliku se s odvojenim serijskim komponentama koordinirano upravlja u sustavu s viševodova

(slika 15.a).

U drugom se obliku radi o objedinjenoj komponenti kod koje serijske grane omogućavaju neovisnuserijsku kompenzaciju jalove snage za svaki vod, ali i transfer djelatne snage izmeĎu vodova putem

postojeće veze (slika 15.b).Mogućnost prijenosa djelatne snage u serijsko-serijskoj komponenti poput regulatora toka snage

meĎu vodovima (eng.Interline Power Flow Controller ), omogućava ravnotežu izmeĎu toka djelatne

i jalove snage u vodovima te time iskoristivost prijenosnog sustava dovodi do maksimuma.

Termin"objedinjeni" u ovom slučaju označava stanje u kojem su svi DC terminali spojeni zajedno u

svrhu prijenosa djelatne snage.

Slika 15. Kombinirane serijsko-serijske komponente; (a) odvojene i

koordinirano upravljane i (b) objedinjene i povezane s dc vezom




2. Serijsko – paralelne komponente

Ova kombinacija ima oblik razdvojenih paralelnih i serijskih komponente s kojima se

koordinirano upravlja ili oblik objedinjenog regulatora tokova snaga (eng. UPFC - Unified Power

Flow Controller) s objedinjenim paralelnim i serijskim

komponentama.

U osnovi, kombinirane paralelne i serijske komponente injektiraju struju u sustav pomoću paralelne komponente te napon u seriji s vodom pomoću serijske komponente (slika

16.a).

Kada se paralelne i serijska komponenta objedine javlja se razmjena djelatne snage

izmeĎu serijske i paralelne komponente putem istosmjerne veze. Moguća je i izvedba

kod koje svaki vod zahtijeva posebnu serijsku komponentu (slika 16..b), posebno ako se

primjenom želi izbjeći problem ispada voda.

Slika 16. Kombinirane serijsko-paralelne komponente; primjena serijske grane samo na jednom vodu (a) i na više vodova (b)




GLAVNE KOMPONENTE FACTS-a

Spojni transformator

Jedina razlika izmeĎu spojnog transformatora koji se koristi u FACTS sustavima i standardnog

energetskog transformatora je u karakteristici zasićenja.




Prigušnica

Standardno se ugraĎuje prigušnica bez željezne jezgre.




Kondenzator




27

Tirirstorski ventili za SVC

Jednofazni tiristori.




28

IGBT za STATCOM

Spoj naponskog pretvarača sa IGBT-om:




29

Sustav hlaĎenja ventila

Zbog velikih gubitaka, ventile je potrebno hladiti – tekućina i pumpe

Pored ˝prljanja˝ električne mreže harmonicima, dodatni gubitci su jedan od nedostatakaFACTS tehnologije




Dodatne komponente – istovjetne onima u standardnim postrojenjima

- Strujni transformatori

- Naponski transformatori

- Odvodnici prenapona

- Prekidači - Rastavljači


Prijenos i Distribucija FACTS Sustavi

Documents

Transcript of Prijenos i Distribucija FACTS Sustavi