CAPITOLUL 4

5. COMPENSAREA SERIE CU CONDENSATOARE

5.1. Generaliti

Metoda compensrii capacitive serie este cunoscut i utilizat de mult vreme; principiul pe care se bazeaz const n compensarea capacitiv a unei pri a reactanei inductive a liniei electrice i n consecin creterea puterii transmisibile pe linie. Compensarea serie este foarte utilizat datorit eficacitii sale; domeniile principale sunt controlul tranzitului de putere activ pe o linie de transport, prevenirea circulaiilor parazite pe ci paralele i n bucl, reducerea efectelor perturbaiilor n sistemul electroenergetic prin mbuntirea stabilitii tranzitorii

5.2. Dispozitive de compensare serie cu comutaie mecanic

La originea ideii de sistem flexibil au stat metodele clasice, ca de exemplu, introducerea unui condensator n serie cu linia electric (fig. 5.1), n scopul mbuntirii stabilitii statice (prin mrirea cuplului de sincronizare Pe) i/sau reducerii supratensiunilor. n acest sens se menioneaz c prima linie de transport cu condensatoare nseriate a fost pus n serviciu n Suedia nc din anul 1952.

n cazul introducerii unui condensator C n serie cu linia electric, rezult o modificare a reactanei echivalente (fig. 5.1,c) respectiv creterea puterii tranzitate:

(5.1)

Fig. 5.1. Modificarea reactanei liniei prin nserierea unui condensator:

a. schema echivalent; b. diagrama fazorial; c. schema cu condensator nseriat.

O prezentare mai detaliat a unui sistem de compensare serie este dat n figura 5.2.

Fig. 5.2. Schema instalaiei de compensare serie.

Bateriile cu condensatoare serie sunt compuse din una sau mai multe trepte pe fiecare faz. Condensatoarele sunt conectate n grupuri paralele. n serie cu fiecare grup este montat cte un transformator de curent ce acioneaz ca o protecie diferenial (pentru detectarea defectelor n condensatoare). Acestea mpreun cu alte componente anexe sunt situate pe o platform izolat fa de pmnt. n paralel cu condensatorul serie se dispun echipamente de protecie (eclatore i varistoare cu oxid de zinc). Inductivitatea L montat n circuitul de ocolire are rolul de a limita amplitudinea curentului prin condensator la strpungerea eclatorului. n condiii normale de funcionare, curentul trece prin condensatorul serie, prin varistoare trecnd un curent foarte mic. ntreruptorul de ocolire este deschis, iar eclatorul nu este amorsat. n cazul apariiei unui defect este comandat ntreruptorul de ocolire.

Eclatorul principal este reglat s acioneze la un nivel prestabilit al tensiunii pentru a proteja condensatoarele pe durata unui defect pe linia electric. Valorile nivelului de amorsare sunt de circa 2,5...4 ori tensiunea de lucru. O secven tipic de comand const n urmtoarele faze: transformatorul de curent din circuitul eclatorului detecteaz curentul prin ramur, trimind un semnal pentru nchiderea ntreruptorului de ocolire. La nchiderea ntreruptorului curentul este redirijat de pe eclator. n momentul cnd curentul prin linie, msurat de transformatorul de curent din circuitul ntreruptorului, revine la valori normale este dat un semnal pentru deschiderea automat a ntreruptorului de ocolire, ceea ce duce la introducerea condensatorului serie n circuit.

Protecia la supratensiuni este destinat protejrii condensatoarelor n cazul unei suprasarcini de durat, dar sub nivelul de funcionare al eclatorului. Prin funcionarea sa, aceasta comand conduce la nchiderea ntreruptorului de ocolire, protejnd astfel condensatoarele serie. ntreruptorul se va deschide automat pentru renserarea condensatorului serie, odat ce curentul a revenit la nivelul normal.

Varistoarele cu oxid de zinc sunt utilizate pentru limitarea supratensiunilor pe condensatoarele serie.

Dezavantajul major al acestei scheme este lipsa ei de elasticitate, bateria cu condensatoare fiind, n general, fix i fr posibiliti de reglare. n plus, avnd n vedere gradul de compensare, frecvena de rezonan fserie a circuitului serie linie electric i condensator (serie) - este mai mic dect frecvena f din sistemul electroenergetic:

n consecin, n sistem apare o rezonan subsincron, care n anumite condiii poate avea o influen destabilizatoare.

O schem cu posibiliti de reglare dup necesiti este cea prezentat n figura 5.3, n care bateriile cu condensatoare sunt realizate modular; reglarea capacitilor nseriate se realizeaz prin untarea cu ajutorul ntreruptoarelor mecanice. Reglajul se face ns ncet, fiind manual, iar prin nchiderea ntreruptoarelor apare un regim tranzitoriu nsoit de supratensiuni pe linia electric.

Fig. 5.3. Reglarea n trepte cu baterii de condensatoare controlate prin ntreruptoare mecanice

5.3. Dispozitive de compensare serie cu comutaie static

5.3.1. Condensator serie controlat cu tiristoare GTO (GCSC)

Dispozitivul GCSC (GTO Thyristor Controlled Series Capacitor), propus de o echip condus de George Karady n anul 1992, este alctuit dintr-un condensator fix n paralel cu un comutator static cu tiristoare GTO, care are capacitatea de a nchide sau deschide circuitul dup cum este comandat (fig. 5.4) [Hi 00, Ka 92].

a.b.

Fig. 5.4. Condensator serie controlat cu tiristoare GTO:

a. schema simplificat; b. principiul acionrii comutatorului cu tiristoare GTO cu un unghi de ntrziere ntr-o semiperioad pozitiv.

Obiectivul dispozitivului GCSC este de a controla tensiunea alternativ uc care este aplicat condensatorului, la un anumit curent i. Cnd comutatorul cu tiristoare GTO este nchis, tensiunea la bornele condensatorului este zero, iar cnd este deschis tensiunea este maxim.

Pentru a controla tensiunea uc, nchiderea i deschiderea comutatorului static se produce, n fiecare semiperioad, n sincronism cu frecvena sistemului electroenergetic n care este instalat dispozitivul. Momentul de nchidere a comutatorului static este controlat astfel nct s se produc cu un unghi de ntrziere () fa de momentul cnd curentul i atinge valoarea maxim (fig. 5.4,b).

n cazul n care comutatorul cu tiristoare GTO se nchide cu un unghi de ntrziere fa de punctul de maxim al curentului prin linie , tensiunea prin condensatorul C poate fi exprimat prin relaia [HI00]:

(5.2)

Dac valva se deschide la unghiul i se nchide la prima trecere prin zero a tensiunii, atunci ecuaia (5.2) este adevrat pentru intervalul . Pentru toate semialternanele pozitive expresia rmne valabil, ns, pentru semialternanele negative, se schimb semnul termenilor n ecuaia (5.2).

Ecuaia (5.2) dedus pentru curent este formal identic cu (4.10) dedus pentru curentul prin bobin:

(4.10)

Amplitudinea a componentei fundamentale a tensiunii la bornele condensatorlui poate fi exprimat ca o funcie de unghiul :

(5.3)

unde

I este amplitudinea curentului prin linia electric;

C - capacitatea condensatorului controlat cu GTO;

- pulsaia sistemului de tensiune alternativ.

Variaia amplitudinii , exprimat n u.r. (avnd tensiunea de baz ) este reprezentat n figura 5.5 n funcie de unghiul .

Conform figurii 5.5. dispozitivul GCSC care modific componenta fundamental a tensiunii la un curent constant prin linie, poate fi considerat ca o reactan capacitiv variabil. Se poate astfel defini a reactan capacitiv ca o funcie de :

(5.4)

Reactana variaz cu unghiul ntr-o manier similar ca i componenta fundamental a tensiunii .

Fig. 5.5. Componenta fundamental a tensiunii la bornele condensatorului n funcie de unghiul de ntrziere

n aplicaiile practice GCSC are dou moduri de funcionare:

(i) Modul de control al tensiunii . n acest caz GCSC trebuie s menin tensiunea de compensare la o valoare constant n condiiile n care curentul pe linie variaz n intervalul . Pentru acest mod de funcionare caracteristica tensiune de compensare curent este ilustrat n figura 5.6,a. Reactana capacitiv este aleas astfel nct s produc tensiunea de compensare nominal cu , adic, . Cum curentul crete ctre , unghiul de ntrziere a ntrrii n conducie este crescut pentru a reduce durata de injecie a condensatorului i prin aceasta menine tensiunea de compensare la creterea curentului n linie;

(ii) n modul de control a reactanei de compensare, GCSC trebuie s menin reactana de compensare la un astfel de nivel nct s realizeze o compensare serie maxim pentru orice valoare a curentului electric pe linie n intervalul (). Caracteristica tensiune de compensare curent pentru acest mod de funcionare este prezentat n figura 5.6,b.

n acest mod de compensare reactana capacitiv este aleas astfel nct s produc o compensare serie maxim la curentul nominal, , astfel ca GCSC poate varia, n plaja , prin controlul tensiunii efective de pe condensator, adic .

EMBED CorelDRAW.Graphic.12 a.

b.

Fig. 5.6. Caracteristica tensiune de compensare curent pentru dispozitivul GCSC, n cele dou moduri de funcionare: a. control al tensiunii de compensare; b. control al reactanei de compensare;

Controlul unghiului de ntrziere la ntrerupere al GCSC, ca i n cazul controlului bobinei, genereaz armonice. Pentru semiperioade pozitive i negative identice se genereaz numai armonice impare. Amplitudinile acestora sunt o funcie de unghiul i pot fi exprimate sub forma [Hi 00]:

(5.5)

unde ,

Variaia amplitudinii armonicelor, exprimat n procente din tensiunea maxim a componentei fundamentale pe condensator, este trasat n funcie de unghiul n figura 5.7.

Fig. 5.7. Amplitudinile tensiunilor armonice, exprimate n % din tensiunea maxim a componentei fundamentale pe condensator, n funcie de unghiul de ntrerupere [HI00].

5.3.2. Condensator serie comutat cu tiristoare TSSC

Schema simplificat a dispozitivului TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor) cuprinde un numr de condensatoare montate n serie pe linia electric, fiecare dintre condensatoare fiind controlat printr-un comutator static montat n paralel.

Comutatoarele sunt compuse din cte dou tiristoare montate n antiparalel (fig. 5.8)

Fig. 5.8. Schema simplificat a TSSC.

Principiul de funcionare este urmtorul: gradul compensrii n serie este controlat n trepte prin creterea sau descreterea numrului de condensatoare nseriate pe o linie. Prin intrarea n conducie a tiristoarelor, condensatorul este scurtcircuitat, iar prin blocarea tiristoarelor condensatorul este nseriat n linie.

Realizarea mai multor trepte de reactane capacitive este posibil prin utilizarea de condensatoare cu reactane diferite. O asemenea schem poate avea n-1 condensatoare, fiecare avnd o reactan de i un condensator cu reactana de . Printr-o comutaie corespunztoare se pot obine urmtoarele combinaii de reactane efective:

,

O valv cu tiristoare comut natural, adic ntrerupe n momentul cnd curentul trece prin zero. Deci, un condensator poate fi nseriat cu linia electric cu ajutorul unei valve cu tiristoare numai la trecerea prin zero a curentului din linie. ntruct nserierea are loc la un curent nul prin linie, o semiperioad din ciclul curentului prin linie va ncrca condensatorul de la zero la maximum i n mod succesiv, semiperioada de polaritate opus a curentului prin linie l va descrca de la acest maxim la zero (fig. 5.9).

Fig. 5.9 Exemplificarea tensiunii off-set a condensatorului rezultat din restricia nserierii numai la curent nul prin linie.

Dispozitivul TSSC are, analog cu GCSC, dou moduri de funcionare:

(i) Modul de control al tensiunii de compensare. n acest caz reactana total a celor n baterii cu condensatoare (n este numrul total al modulelor condensator comutator cu tiristoare) este aleas astfel nct s produc o tensiune de compensare maxim atunci cnd curentul prin linia electric variaz ntre Imin i Imax. Caracteristica tensiune de compensare curent pentru acest mod de funcionare, n cazul particular cu n= 4, este ilustrat n figura 5.10,a.

EMBED CorelDRAW.Graphic.12 a.

b.

Fig. 5.10. Caracteristica tensiunii de compensare-curent pentru un TSSC cu patru module, funcionnd n modul: a. control al tensiunii de compensare; b. control al reactanei de compensare.

(ii) Modul de control al reactanei de compensare. Reactana capacitiv total este aleas astfel nct s se obin o tensiune de compensare optim maxim atunci cnd curentul I variaz ntre 0 i Imax. Caracteristica tensiune de compensare - curent pentru acest mod de funcionare i pentru acelai caz particular n = 4, este prezentat n figura 5.10,b.

Utilizarea TSSC ofer urmtoarele avantaje n comparaie cu varianta clasic cu condensatoare fixe echipate cu comutatoare mecanice:

Comutaia pe baz de tiristoare permite un numr nelimitat de operaii fr a prezenta urme de uzur. Aceast proprietate permite utilizarea ori de cte ori este necesar pentru creterea gradului de compensare a liniilor i pentru a avea un mai mare control mai eficient asupra regimului permanent de funcionare;

Utilizarea tiristoarelor permite alegerea cu precizie a momentului de comutaie (punctul de pe curba undei de tensiune), ceea ce duce la minimizarea regimului tranzitoriu spre deosebire de comutaia pe baz de ntreruptoare mecanice care este nesincronizat;

Un rspuns foarte rapid, n care intervalul dintre impulsul de comand i nserierea unui condensator sau ocolire este mai mic de o jumtate de perioad (10 ms pentru 50 Hz). Astfel, n cazul pierderii unei linii importante, capacitatea de transfer a acesteia poate s fie preluat de o alt linie a crei capacitate de tranzit s fie crescut rapid prin utilizarea TSSC;

Nu genereaz armonici;

Minimizarea pierderilor de putere n perioada de conducie din valvele cu tiristoare ntr-un TSSC este posibil prin utilizarea unui contactor cu vitez foarte mare.

Schema TSSC este satisfctoare doar atunci cnd modul de control n trepte al reactanei liniei de transport este adecvat. n cazul c se dorete un control continuu sunt utilizate alte variante, ca de exemplu TCSC.

5.3.3 Condensator serie controlat cu tiristoare TCSC

Un TCSC (Thyristor-controlled series capacitor) este un dispozitiv bazat pe electronica de putere care const dintr-un circuit paralel format dintr-o reactan capacitiv serie i o bobin controlat cu tiristoare, care realizeaz un control continuu al circulaiei de puteri pe liniile electrice de tensiune alternativ, reglajul fiind realizat pentru o plaj larg de valori.

5.3.3.1 Structura unui TCSC

Schema de baz a unui dispozitiv TCSC a fost propus, n anul 1986, de ctre o echip de cercettori condus de Vithayathil, ca o metod rapid de corectare a reactanei reelei electrice. n mod obinuit un modul TCSC este alctuit dintr-un condensator serie C n paralel cu o bobin L controlat cu tiristoare (fig. 5.11,a).

Modulul cuprinde i echipamente de protecie pentru condensatorul serie (fig. 5.11,b). Astfel, un varistor cu oxid de metal (MOV), care este un rezistor nelinear, este conectat n paralel cu condensatorul serie pentru a preveni apariia supratensiunilor la bornele acestuia. Varistorul MOV nu limiteaz doar tensiunea la bornele condensatorului, ci permite n acelai timp meninerea condensatorului n circuit n cazul apariiei unor defecte, mbuntind astfel stabilitatea tranzitorie a sistemului.

n paralel cu condensatorul este instalat i un ntreruptor de ocolire (IO) care are rolul de a controla nserierea condensatorului pe linie. n acelai timp IO are rol de ocolire a condensatorului n condiiile n care n circuit se produc defecte severe. O bobin limitatoare de curent L este montat n circuit pentru a limita att amplitudinea ct i frecvena curentului care strbate condensatorul pe durata funcionrii n regim de ocolire prin tiristor

a.b.

Fig. 5.11. Un modul TCSC: a. structura de baz; b. schema real.

Dac este necesar ca TCSC s opereze n modul conducie total pentru perioade mai mari de timp, pierderile de putere n perioada de conducie sunt minimizate prin instalarea unui contactor ultrarapid CUR n paralel cu valvele. Acest contactor metalic are pierderi mici n mod similar cu cele ale unui ntreruptor i este capabil de a realiza operaii de comutaie. Contactorul este nchis la scurt timp dup ce valva tiristorului intr n conducie i este deschis atunci cnd se trece valva n regim de blocare. n cazul suprancrcrii valvei sau n situaia apariiei unor defecte n reea, contactorul este nchis pentru a reduce stresul la care este supus valva.

Un dispozitiv tipic de compensare (TCSC), utilizat n mod uzual n sistemele electrice este alctuit din mai multe module TCSC mpreun cu un condensator serie fix CF (fig. 5.12). Acest condensator serie fix este utilizat n principal pentru reducerea costurilor dispozitivului.

Fig. 5.12. Schema unui dispozitiv de compensare TCSC.

Condensatoarele C1, C2, Cn folosite n realizarea diferitelor module TCSC au capaciti diferite, oferind astfel posibilitatea controlului valorii reactanei capacitive pentru un domeniu mai larg de valori. Bobina n serie cu valva cu tiristoare este mprit n dou pri pentru a proteja valvele cu tiristoare n cazul apariiei unor scurtcircuite chiar la nivelul bobinei.

5.3.3.2 Principii de funcionare a TCSC *)

Comportamentul TCSC este similar cu cel al unui circuit LC paralel (fig. 5.13). Diferena const n faptul c n analiza funcionrii LC se consider c tensiunea i curentul din circuit sunt pur sinusoidale, n timp ce n circuitul cu TCSC tensiunea i curentul prin condensatorul fix respectiv prin bobina controlat cu tiristoare nu sunt sinusoidale datorit proceselor de comutaie ale tiristoarelor.

Ideea schemei de baz a TCSC este de a realiza o capacitate variabil, printr-o compensare parial a reactanei capacitive a condensatorului prin controlul cu ajutorul tiristoarelor a reactanei inductive a bobinei. Este cunoscut faptul c un LCT poate avea pe frecvena fundamental a reelei electrice o reactan inductiv variabil n mod continuu, controlabil prin modificarea unghiului , de ntrziere la intrarea n conducie a tiristoarelor.

Fig. 5.13. Circuit paralel LC

Pentru explicarea funcionrii unui TCSC se consider circuitul paralel format dintr-o bobin reglabil (XL()) i un condensator fix avnd reactana capacitiv (XC) (fig. 5.13). Reactana echivalent a circuitului este:

(5.6)

sau

(5.6)

Se pot distinge trei situaii:

a. dac sau , atunci reactana condensatorului fix este mai mic dect cea a bobinei variabile montat n paralel i din aceast combinaie rezult posibilitatea de variaie a reactanei capacitive. Mai mult bobina conduce la creterea reactanei capacitive echivalente a circuitului LC peste valoarea reactanei capacitive a condensatorului fix;

b. dac se produce fenomenul de rezonan care conduce la apariia unei reactane capacitive de valoare infinit, care constituie un fenomen inacceptabil;

c. dac atunci circuitul LC conduce la obinerea unei inductiviti cu o valoare mai mare dect a bobinei fixe. Aceasta situaie corespunde modului de funcionare vernier inductiv a TCSC.

n schemele reale, din relaia (5.6) este reactana inductiv a LCT i se determin n funcie de unghiul cu expresia [HI00]:

,

(5.7)

unde , iar unghiul este msurat de la valoarea de creast a curbei de tensiune la bornele condensatorului (sau echivalent, la trecerea prin zero a curentului de linie).

Deci, dispozitivul TCSC se prezint ca un circuit paralel LC acordat:

dac reactana a bobinei controlate variaz de la valoarea sa maxim (infinit) spre cea minim (), atunci TCSC i crete reactana sa de la valoarea capacitiv minim pn cnd se stabilete rezonana paralel, adic pentru

i n consecin devine teoretic egal cu infinit;

dac ncepe s descresc atunci reactana devine inductiv, atingnd valoarea sa minim pentru , cnd de fapt condensatorul fix este ocolit, curentul circulnd numai prin ramura LCT.

Astfel, pentru o schem n care reactana XL a LCT este mai mic dect reactana XC a condensatorului, TCST are dou domenii de funcionare, de o parte i de alta a valorii unghiului , pentru care se obine rezonana circuitelor sale interne: un domeniu n care XTCSC() este capacitiv, pentru i un domeniu n care XTCSC() este inductiv pentru (fig. 5.14).

Fig. 5.14. Caracteristica reactanei TCSC n funcie de unghiul de ntrziere .

Modelul TCSC de funcionare n regim permanent descris mai sus are la baz caracteristicile elementului LCT, prezentate n cadrul dispozitivului SVC, unde LCT era alimentat de la o surs de tensiune constant. Acest model poate fi folosit pentru a nelege comportarea funcionrii TCSC. Spre deosebire de SVC, n schema TCSC elementul LCT este conectat n derivaie cu un condensator, n locul unei surse de tensiune fix. Interaciunea dinamic ntre condensator i bobin modific forma curbei de tensiune de funcionare de la cea a undei sinusoidale de baz stabilit de ctre curentul constant prin linie.

Pentru a nelege din punct de vedere fizic funcionarea i comportarea dinamic a TCSC, se impune o analiz profund a acestei interaciuni n special cu privire la caracteristicile reactanei sale la frecvene subsincrone. n acest sens se revine la circuitul de baz al TCSC i se consider c valva cu tiristoare sw este iniial ntrerupt i curentul i din linie produce o tensiune uco la bornele condensatorului fix C (fig. 5.15,b).

Presupunnd c LCT intr n conducie la unghiul , msurat de la momentul crestei negative a tensiunii pe condensator. La acest moment de turn-on, tensiunea pe condensator este negativ, curentul prin linie este pozitiv i deci condensatorul se ncarc n polaritate pozitiv. Pe durata acestei prime jumti de ciclu(i toate secvenele de jumti de ciclu similare) n funcionarea LCT, valva tiristor poate fi vzut ca un ntreruptor ideal, nchiznd la , n serie cu o diod de polaritate corespunztoare pentru a stopa conducia la trecerea prin zero a curentului (fig. 5.15,c).

La momentul nchiderii ntreruptorului sw, vor avea loc dou evenimente independente substaniale: primul const n faptul c curentul prin linie, fiind o surs de curent constant, continu ncrcarea condensatorul iar cel de al doilea se refer la faptul c ncrcarea condensatorului va fi inversat pe durata semiperioadei de rezonan a circuitului LC format prin nchiderea ntreruptorului. Acest al doilea eveniment presupune, cum s-a precizat, c XL