CAPITOLUL 3

Dispozitive FACTS: Structur, principii de funcionare i

domenii de utilizare

3.1. Ideea i superioritatea dispozitivelor FACTS

n cutarea unor rspunsuri la problemele legate de dirijarea fluxurilor de putere pe anumite axe de transport, evitnd construirea unor noi linii electrice, EPRI (Electric Power Research Institute) realizeaz ncepnd cu anul 1986 studii ample cu privire la:

cauzele limitrilor ce survin n transportul energiei electrice; soluii tehnice pentru eliminarea acestor limitri;

nlturarea problemelor de stabilitate care apar datorit interconexiunilor complexe;

posibiliti de nlocuire a echipamentelor clasice (acionate mecanic) cu echipament modern (cu comutaie static).

n contextul acestor preocupri a luat natere conceptul de Flexible Alternative Current Transmission System (sistem flexibil de transport n curent alternativ), care cuprinde o gam larg de dispozitive de control, majoritatea ncorpornd electronic de putere, dispozitive care au rolul de a crete flexibilitatea sistemelor electroenergetice, de a le face mai eficiente i mai uor de controlat [Ere00].

Conform definiiei Grupului de lucru IEEE, acronimul FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System) desemneaz sisteme de transport la tensiune alternativ care ncorporeaz sisteme de control bazate pe electronica de putere sau alte tipuri de control static, cu scopul de a mbunti flexibilitatea sistemului i de a crete capacitatea de transfer a acestuia.

Cteva dintre dispozitive erau deja bine cunoscute i se aflau n funciune, unele s-au nscut pe parcurs pentru a rspunde noilor cerine, iar altele sunt abia n stadiul de cercetare de laborator sau de testare.

Conceptul de sistem flexibil a cptat destul de rapid o mare rspndire, din mai multe motive; unul dintre acestea, deloc neglijabil, este progresul nencetat n domeniul tehnologiilor bazate pe electronica de putere, n paralel cu scderea preurilor acestor tehnologii. Un alt motiv, de natur tehnic, l reprezint o caracteristic esenial a dispozitivelor FACTS, i anume timpul foarte scurt de rspuns.

La originea ideii de sistem flexibil au stat metode clasice i principii binecunoscute, care au cptat ns noi dimensiuni o dat cu introducerea FACTS.

Sistemele flexibile au cunoscut, pn n prezent, dou generaii. Dispozitivele FACTS clasice utilizeaz tiristoare obinuite, care se substituie ntreruptoarelor mecanice. Numrul de manevre autorizat pentru comutatoarele cu tiristoare este practic nelimitat, ceea ce reprezint un ctig important pentru exploatare. Din punct de vedere tehnic aceste comutatoare statice sunt capabile a efectua cicluri anclanare-declanare-reanclanare foarte rapide, indispensabile cnd compensarea trebuie s urmreasc regimul tranzitoriu.

A doua generaie de sisteme flexibile, aa-numitele FACTS avansate presupune o utilizare mai complet a funcionalitii electronicii de putere. La tiristoarele obinuite ntreruperea curentului era provocat de o aciune exterioar semiconductoarelor, i anume

trecerea curentului prin zero. Dispozitivele flexibile avansate folosesc tiristoare blocabile de tip GTO sau tranzistoare de tip MOS i GBT, care au capacitatea de a ntrerupe curentul oriunde pe durata unui ciclu. Dispozitivele FACTS i-au dovedit utilitatea n [Ere97]:

- Compensarea puterii reactive. Transportul energiei electrice este nsoit de un consum important de putere reactiv. Numit colesterolul sistemelor electroenergetice, circulaia de putere reactiv ncarc liniile electrice i determin pierderi de putere;

- mbuntirea stabilitii statice i tranzitorii. Fenomenele de instabilitate sau de rezonane subsincrone n funcionarea sistemelor electroenergetice pot fi atenuate prin folosirea unor tehnologii de tip FACTS, dac acestea prezint timpi de rspuns foarte mici;

- Corectarea circulaiei naturale (libere) a puterii, prin reducerea circulaiilor parazite de putere n reelele electrice nvecinate, care cauzeaz pierderi suplimentare de putere i energie electric.

Aceste efecte asupra sistemului electroenergetic se datoreaz aciunii FACTS asupra unuia sau mai multora dintre parametrii care influeneaz circulaia de putere activ pe o linie de transport. Astfel, reprezentnd schematic dou sisteme electroenergetice S1 i S2 (fig.3.1), n ipoteza neglijrii ro, go, conform 2.3.1, se poate exprima puterea activ transferat ntre acestea ca fiind:

1 21 2sin( )

U UPX

(3.1)

Fig. 3.1. Schema simplificat a dou sistemele electroenergetice interconectate.

Conform relaiei (3.1), pentru a modifica puterea activ transferat ntre cele dou sisteme, se poate aciona asupra a trei parametri: impedana liniei de transport, modulul tensiunii sau diferena ntre argumentele tensiunilor de la cele dou capete ale liniei (fig. 3.2).

Fig. 3.2. Aciunea principalelor clase de dispozitive FACTS.

Exist dou abordri tehnice distincte cu privire la realizarea dispozitivelor care pot controla unul dintre cei trei parametri (tensiune, unghi de faz, impedan) care influeneaz puterea activ transmis pe o linie electric de transport. Aceste abordri au ca rezultat, fiecare n parte, cte un grup de dispozitive de control care rezolv probleme de compensare i de control ntr-un sistem electroenergetic. Primul grup cuprinde impedane reactive i transformatoare cu ploturi nglobnd tiristoare convenionale ca elemente controlabile. Din acest grup fac parte dispozitivele: SVC, TCSC, TCVR i TCPAR (fig. 3.3); acestea sunt echivalente, din punct de vedere al configuraiei circuitului, cu baterii de condensatoare, bobine i transformatoare cu ploturi comutate mecanic [Hin99].

Fig. 3.3. Dispozitive FACTS controlate cu tiristoare convenionale (Adaptare dup [Hin99]).

Cel de-al doilea grup cuprinde surse de tensiune sincron controlabile i comutabile static, care au ca elemente de baz convertoarele surs de tensiune. Grupul este prezentat n figura 3.4 i cuprinde dispozitive precum STATCOM, SSSC, regulatoare de unghi sau de tensiune; acestea sunt analoge unor maini sincrone ideale, furniznd un rspuns aproape instantaneu i au caracteristicile de control independente de tensiunea sistemului (la funcionarea derivaie) sau de curentul sistemului (la funcionarea serie) [Hin99].

Diferena semnificativ dintre cele dou abordri se refer la capacitatea de a genera putere reactiv i de a schimba putere activ cu sistemul. n primul grup aceste caliti mpart dispozitivele n dou categorii:

compensatoare de putere reactiv (de ex. SVC i TCSC) incapabile (dac se ignor pierderile) s schimbe putere activ cu sistemul n care funcioneaz;

regulatoare (TCVR, TCPAR), care pot schimba att putere activ ct i reactiv cu sistemul electroenergetic, dar care sunt incapabile s genereze putere reactiv, din acest motiv fiind neadecvate necesitii de compensare.

Dispozitivele din cel de-al doilea grup au capacitatea de a schimba att putere activ ct i reactiv cu sistemul electroenergetic. Mai mult, ele sunt capabile s genereze sau s absoarb n mod automat puterea reactiv schimbat, i ca urmare pot ndeplini funcia de

compensare. n ceea ce privete puterea activ schimbat, aceasta trebuie s le fie furnizat sau absorbit de ctre sistemul la tensiune alternativ sau de ctre o surs independent de nmagazinare de energie electric. Ca exemplu sunt prezentate n figura 3.4 dispozitivele STATCOM, SSSC, precum i regulatoare de tensiune sau de unghi bazate pe sursa sincron de tensiune (Synchronous Voltage Source - SVS).

Fig. 3.4. Dispozitive FACTS bazate pe convertoare surs de tensiune (Adaptare dup [Hin99]).

Printre primele mijloace disponibile de control a circulaiei de puteri de-a lungul timpului s-au folosit dispecerizarea i controlul grupurilor generatoare, reglajul transformatoarelor prin intermediul ploturilor, condensatoarele i bobinele comandate prin ntreruptoare mecanic. Totui, n prezent anumite aplicaii necesit o utilizare frecvent a elementelor de control ceea ce face necesar utilizarea unor echipamente cu comutaie rapid. Alte aplicaii necesit un control fin i n timp real a puterii reactive, lucru imposibil de efectuat utiliznd echipamente convenionale cu reglaj n trepte. n continuare se face o comparaie ntre dispozitivele FACTS i tehnologia actual de control a puterii reactive pentru a sublinia superioritatea tehnic a dispozitivelor FACTS.

(i) Superioritatea dispozitivelor FACTS vs. redispecerizare Posibilitatea redispecerizrii ca activitate a TSOs reprezint o sarcin complex ntr-

un mediu bazat pe pia, din moment ce toate centralele electrice ar putea avea propriile contracte i planificri.

Teoretic, o limitare a capacitii de transport de putere n reelele electrice poate fi eliminat prin introducerea unei noi capaciti de producie n apropierea zonelor de consum, dar n prezent TSOs este mai puin implicat n planificarea consumului i amplasarea centralelor electrice.

Totui, controlul circulaiei de puteri prin dispozitive FACTS n reelele de transport a devenit una dintre cele mai preferate metode de a menine securitatea sistemelor electroenergetice.

(ii) Superioritatea dispozitivelor FACTS vs. comutatoarele mecanice n prezent o parte din echipamentele din sistemele electroenergetice sunt controlate

mecanic. Comutatoarele mecanice ca i ntreruptoarele i transformatoarele cu reglaj sub sarcin a ploturilor au fost proiectate s fie utilizate numai de un numr limitat de ori pe zi, datorit uzurii contactelor. Totui, condensatoarele i bobinele utilizate n sistemele electroenergetice moderne vor trebui comutate mai des, din cauza variaiile frecvente i uneori imprevizibile ale ncrcrii sistemului, programarea generatoarelor, si topologia reelei electrice. Acest lucru duce la creterea costurilor i a complexitii instalaiilor controlate mecanic, i necesit de asemenea, introducerea unor cerine de mentenan pentru a asigura funcionarea continu i corespunztoare a sistemului.

Din fericire, mrimile de ieire ale dispozitivelor FACTS pot fi reglate cu ajutorul comutatoarelor statice , care nu au nici-o limit privind numrul de operaii(i n plus pot aciona de dou ori n intervalul unei perioade). Costurile de mentenan n cazul dispozitivelor FACTS sunt foarte reduse.

n plus, dispozitivele FACTS ofer un reglaj fin al parametrilor n comparaie cu reglajul n trepte realizat de comutatoarele mecanice.

Condensator comutat mecanic

Gradul de compensare k (%) 0.7k - 0.9k 0.3k - 0.1k

Condensator comutat mecanic

TCSC

Fig. 3.5. Compensarea serie a liniilor electrice.

Este de asemenea posibil modernizarea compensatoarelor serie sau derivaie controlate mecanic, ca i a transformatoarelor defazoare prin nlocuirea ploturilor mecanice cu dispozitive comandate cu tiristoare, extinznd astfel utilizarea lor .

(iii) Superioritatea dispozitivelor FACTS vs. noi linii de transport

Limitarea capacitii de transport de putere poate fi eliminat i prin construcia unor

noi linii de transport. Totui, n mediul bazat pe deregularizare, planificarea pe termen scurt i amortizarea rapid a investiiilor vor face ca dispozitivele FACTS s fie preferate construciei de noi linii. Este evident c dispozitivele FACTS nu pot rezolva problema unei capaciti insuficiente de transport dar pot limita utilizarea reelei de transport pe o perioad de timp necesar pentru ntrirea reelei. Spre exemplu, ntr-o reea de transport buclat, dou linii dotate cu dispozitive FACTS au o capacitate echivalent cu cea a trei linii convenionale.

n prezent, construcia unor noi linii de transport la nalt tensiune a devenit un proces administrativ foarte complicat. Chiar dac autorizaia de construcie este obinut, planificarea i construcia vor necesita un timp ndelungat, de obicei construcia durnd 10-12 ani, n timp ce durata medie de instalare a unui dispozitiv FACTS, incluznd i planificarea, este de numai doi ani. n comparaie cu amplasarea permanent a liniilor de transport de nalt tensiune, un dispozitiv FACTS modular poate fi reamplasat mai trziu prin intermediul unor vehicule standard ntr-un nou loc unde este necesar controlul circulaiei de puteri i de tensiune. Ultimul dar nu i cel mai puin important aspect este cel al costului de construcie. Comparnd diferite studii economice s-a descoperit c preul mediu al unui dispozitiv FACTS este de 4,8-6 M pentru 100 MVA, care n mod sigur vor scdea odat cu creterea puterii. n comparaie, preul de construcie a unei noi linii de transport la nalt tensiune n condiii minime poate

varia de la 0,48 M/km pentru o linie de 220 kV pn la 0,78 M/km n cazul unei linii de 380 kV. Deci, se poate stabili urmtoarea aproximaie: preul a 300 MVA cu dispozitive FACTS este aproximativ egal cu construcia a numai 30 de km de linie de transport la 380 kV.

(iv) Superioritatea dispozitivelor FACTS vs. HVDC

Este important de tiut c, n general, HVDC i FACTS sunt dou tehnologii

complementare. Utilizarea HVDC pentru transportul puterii a nceput la mijlocul anilor 1950 i n prezent este utilizat n ntreaga lume. Deoarece circulaia de puteri este controlat folosind dispozitive bazate pe electronica de putere, o linie de transport la tensiune continu poate fi utilizat pn la capacitatea termic maxim cu condiia ca convertoarele s fie proiectate astfel nct s fac fa cerinelor.

Totui, staiile terminale ale HVDC sunt scumpe pentru uz-general. n consecin, aplicaiile HVDC sunt dedicate, n general, transportului la distane lungi, cabluri submarine sau subterane lungi i interconectarea unor sisteme electroenergetice funcionnd la frecvene diferite.

n figura 3.6 este prezentat o comparaie economic ntre linii de transport funcionnd la tensiune alternativ, tensiune alternativ+FACTS i tensiune continu, n raport cu distana de transport. Distana critic de obicei variaz ntre 500 i 1000 km n funcie de specificul proiectului. Este important de tiut c, dei dispozitivele FACTS pot juca un rol important n transportul la tensiune alternativ, ele nu influeneaz prea mult distana critic. n tabelul 3.1 se prezint o comparaie ntre HVDC i FACTS din punct de vedere economic.

CA

CA+FACTS

0 200 400 600 800 1000

CC

Distana de transport, km

Distana critic

Costul investiiei

Fig. 3.6. Comparaie ntre costul legturii de CA, legturii CA cu FACTS i legturii CC pentru diverse distane.

Tabel 3.1: Costurile de instalare ale dispozitivelor HVDC i FACTS (milioane de $)

Capacitatea de

transport [MW] Dou terminale HVDC

[M$] FACTS

[M$] 200 40-50 5-10 500 75-100 10-20 1000 120-170 10-30 2000 200-300 30-50

Avnd n vedere natura echipamentelor bazate pe electronic de putere, dispozitivele FACTS vor fi eficiente economic n raport cu instalarea de noi generatoare i linii de transport la tensiune alternativ sau continu, i tehnic fa de comutatoarele mecanice ori de cte ori aplicaia va necesita o variaie fin i frecvent a mrimilor de ieire, un rspuns rapid, dimensiuni reduse, o utilizare pe termen scurt i posibilitatea de schimbare rapid a locaiei acestora.

3.2. Compensatorul VAr static - SVC

Conform definiiei comune, IEEE CIGRE, compensatoarele VAr statice sunt generatoare VAr statice a cror mrimi de ieire pot fi modificate, prin schimbarea curentului inductiv sau capacitiv, astfel nct s menin sau s controleze anumii parametri specifici ai sistemului electroenergetic, n mod tipic tensiunea ntr-un nod [HI00]. Cu alte cuvinte, un generator VAr static devine un compensator VAr static atunci cnd este prevzut cu un control extern care determin, pe baza cerinelor de funcionare i a variabilelor sistemului, valoarea mrimii de referin necesar realizrii compensrii dorite a liniei de transport. Obiectivul principal al utilizrii compensatorului VAr static (SVC) este creterea tranzitului de putere activ pe o linie electric. n scopul meninerii unui tranzit de putere activ pe linia de transport, n cazul unor perturbaii sau contingene ce apar n sistem, puterea reactiv de ieire (capacitiv sau inductiv) a compensatorului se modific astfel nct s controleze tensiunea la un anumit nod al sistemului electric. Comparativ cu bateriile cu condensatoare comandate mecanic aceste dispozitive au o reacie foarte rapid i o mare fiabilitate. Utiliznd tiristoare de putere, compensatoarele statice sunt deosebit de avantajoase din diverse puncte de vedere, dintre care se menioneaz: vitez de rspuns foarte mare; contribuie nesemnificativ la puterea de scurtcircuit; ntreinere uoar. Compensatorul static a nlturat problemele legate de comutaia mecanic (variaii brute de tensiune, fenomene tranzitorii) i s-a impus treptat, fiind n acest moment cel mai rspndit dispozitiv FACTS. Un SVC poate mbunti performanele sistemelor electroenergetice n care sunt instalate:

Aplicaii n cadrul sistemului de transport: stabilizeaz tensiunea n sistemele electroenergetice slabe"; reduce pierderile de putere pe liniile de transport; crete capacitatea de transport a liniilor electrice; contribuie la amortizarea oscilaiilor de putere i tensiune; un control mai bun al tensiunii i al stabilitii.

Aplicaii n cadrul sistemului de distribuie a energiei electrice: stabilizeaz tensiunea la captul unor linii de distribuie lungi; echilibrarea unei sarcini care prezint nesimetrii ntre faze; stabilizarea rapid a tensiunii la bornele unei sarcini ce prezint fluctuaii de putere.

SVC este utilizat de peste 3 decenii, existnd ca aplicaie practic cu mult nainte de apariia conceptului de sistem flexibil, fiind ncadrat n marea familie a dispozitivelor FACTS. Primele compensatoare statice s-au folosit n 1972 n cadrul unui sistem de distribuie industrial din Suedia, respectiv n 1979 n sistemele de transport din Africa de Sud, Canada i SUA. n ultimele decenii numrul aplicaiilor ce utilizeaz SVC a crescut foarte mult, ele devenind prezene obinuite n sistemele electroenergetice. Compensatoarele VAr statice sunt echipamente conectate n derivaie, care cuprind condensatoare i/sau bobine comandate static cu ajutorul tiristoarelor.

3.2.1. Structur i principii de funcionare

n figura 3.7. este prezentat schema simplificat a unui compensator static de putere reactiv. Se disting urmtoarele elemente componente:

Bobin comandat prin tiristoare (TCR sau LCT), care constituie o inductivitate variabil continuu ntre L=0 (tiristoarele nu conduc) i valoarea maxim L=max (tiristoarele sunt n conducie total);

Condensatoare comutate prin tiristoare (TSC sau CCT), care pot introduce sau nu compensarea capacitiv n funcie de necesiti. CCT se utilizeaz n combinaie cu LCT pentru a dispune de un control continuu n banda de reglare ntre maxim capacitiv i maxim inductiv;

Filtre fixe - n special pentru filtrarea emisiilor armonice de ordin sczut produse de funcionarea LCT-ului. Condensatoarele din componena acestora contribuie suplimentar la frecvena fundamental, i la producerea de putere reactiv.

Mrimimsuratedin SEE

Nod IT al SEE

U

RAT Uref

CCT

Filtre electrice

LCT

Fig. 3.7. Compensator static de putere reactiv. n cadrul schemelor de compensare, modulele cu tiristoare sunt conectate cte dou n antiparalel, asigurnd prin aceasta conducia pe ambele alternane ale tensiunii. Pentru a avea un curent constant prin condensatorul i/sau bobina schemei de compensare, trebuie ca ambele tiristoare s fie meninute n stare de conducie, sau s se asigure la nceputul fiecrei semiperioade un impuls de comand tiristorului care conduce alternana respectiv. Dac se ntrerupe impulsul de comand, atunci curentul electric prin tiristor nu se va ntrerupe imediat, tiristorul se va bloca doar la trecerea natural a curentului prin zero. n acest moment este posibil de a comanda cellalt tiristor din componena valvei.