Nghiên cứu, thiết kế hệ statcom để nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ lai diesel gió, ứng dụng cho các hệ thông điện độc lập có nguồn năng lượng tái tạo

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 1 HTð Hệ thống ñiện 2 SVC Static Var Compensator Bộ bù công suất phản kháng 3 STATCOM Static Synchronous Compensator Bộ bù ñồng bộ tĩnh 4 TCSC Thyristor Control

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO

TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

*****************

ðÀO THỊ THUỶ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ STATCOM

ðỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ ỔN ðỊNH CHO HỆ LAI DIESEL – GIÓ, ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

*****************

ðÀO THỊ THUỶ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ STATCOM

ðỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT VÀ ỔN ðỊNH CHO HỆ LAI DIESEL – GIÓ, ỨNG DỤNG CHO CÁC HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện

Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi ðăng Thảnh

LỜI CAM đOAN

Tôi xin cam ựoan luận văn: : ỘNghiên cứu, thiết kế hệ STATCOM ựể

nâng cao hiệu suất và ổn ựịnh cho hệ lai Diesel Ờ Gió, ứng dụng cho các hệ

hướng dẫn của TS Bùi đăng Thảnh Các số liệu sử dụng trong thuyết minh,

kết quả phân tắch và tắnh toán ựược tìm hiểu qua các tài liệu Kết quả công bố trong luận văn là trung thực, có nguồn trắch dẫn và chưa ựược công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Ngày 07 tháng 9 năm 2013

Người thực hiện luận văn

đào Thị Thủy

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn với ựề tài : ỘNghiên cứu, thiết kế hệ

STATCOM ựể nâng cao hiệu suất và ổn ựịnh cho hệ lai Diesel Ờ Gió, ứng

luận văn của tôi ựã hoàn thành với sự cố gắng tìm tòi, nghiên cứu của bản thân

và sự giúp ựỡ của các thầy, cô giáo cùng các bạn học viên Trường đH Bách khoa Hà Nội và Trường đH Nông nghiệp Hà Nội

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Bùi đăng Thảnh - Trường

đH Bách khoa Hà Nội, cùng toàn thể các thầy, cô giáo trong bộ môn Trường

đH Nông nghiệp Hà Nội ựã nhiệt tình chỉ bảo ựể luận văn của em có ựược kết quả ựáp ứng ựược yêu cầu ựề ra

Xin chân thành cảm ơn nhóm các bạn : Trần Vũ Trung, Nguyễn đức Huy lớp KSTN đKTđ và đỗ Thế Bảo, đặng Trung đức - Trường đH Bách khoa Hà Nội ựã tham gia giúp ựỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn!

Ngày 07 tháng 9 năm 2013

Người thực hiện luận văn

đào Thị Thủy

MỤC LỤC

LỜI CAM ðOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ vii

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI iix

CHƯƠNG 1: 1

TỔNG QUAN CHUNG HỆ LAI DIESEL – GIÓ Ở LƯỚI ðIỆN ðỘC LẬP1 1.1.Hệ năng lượng ñiện Gió 1

1.1.1.Sự hình thành năng lượng gió 1

1.1.2.Công suất của một tua bin gió 2

1.1.3.Lợi ích của năng lượng gió 5

1.1.4.Hạn chế của năng lượng gió 6

1.2.Hệ năng lượng ñiện Diesel 6

1.2.1.Nhiên liệu Diesel 6

1.2.2.Máy phát ñiện Diesel 7

1.2.2.1 Máy phát ñiện xoay chiều 7

1.2.2.2 ðộng cơ Diesel 9

1.2.3.Mô hình hóa ñộng cơ Diesel - Ứng dụng Matlab mô phỏng ñộng cơ Diesel 10

1.2.4 Lợi ích của phát ñiện Diesel làm nguồn dự phòng trong hệ thống ñiện gió ở lưới ñiện ñộc lập 14

1.3.Phối hợp giữa hệ lai Diesel – Gió 15

1.4.Kết luận 17

CHƯƠNG II: 18

KHÁI QUÁT VỀ HỆ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT 18

2.1.Khái quát về hệ STATCOM 18

2.2.Thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 20

2.2.1.Bù dọc và bù ngang trong hệ thống ñiện 20

2.2.1.1 Bù dọc .20

2.2.1.2 Bù ngang 22

2.2.2.Một số thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 24

2.2.2.1.Thiết bị bù tĩnh ñiều khiển bằng Thuyristor (SVC – Static Var Compensator)24 2.2.2.2 Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATCOM – Sitatic Synchronuos Compensator) .24

2.3.Kết luận 27

CHƯƠNG 3: 28

ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL – GIÓ ðỂ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ NÂNG CAO ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP 28

3.1.Khái quát chung 28

3.2.Bộ ñiều khiển ñiện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn 28

3.2.1.Cấu trúc cơ bản của STATCOM 28

3.2.2.Bộ chuyển ñổi nguồn áp (VSC) 29

3.2.3.ðiều khiển ñiều chế ñộ rộng xung (PWM) 30

3.2.4.Nguyên tắc hoạt ñộng của VSC 35

3.3.Hệ thống ñiều khiển của STATCOM 37

3.4.Mô hình hóa STATCOM 38

3.4.1.Mô hình mạch 38

3.4.2.Mô hình toán STATCOM 39

CHƯƠNG 4: 44

SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK ðỂ MÔ PHỎNG ðÁP ỨNG ðỘNG CỦA STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL – GIÓ 44

4.1.Mô hình STATCOM 44

4.1.1.Mô hình hóa lý thuyết 44

4.1.1.2 Xây dựng mô hình ñộng học của STATCOM 46

4.1.1.3 Thiết kế hệ thống ñiều khiển D-STATCOM 49

4.1.1.4 Lựa chọn bộ ñiều khiển 51

4.1.1.5 Xử lý, tính toán các tín hiệu ño theo ñơn vị tương ñối 54

4.2.Mô phỏng vai trò của D-STATCOM với hệ lai Diesel – Gió 58

4.2.1.Mô hình ghép nối hệ Diesel – Gió 58

4.2.2.Hệ lai Diesel – Gió khi gặp sự cố không có STATCOM 60

4.2.3.Hệ Diesel – Gió khi gặp sự cố có sử dụng D-STATCOM 62

4.3 Ảnh hưởng của các thông số KP, KI của các bộ ñiều khiển ñối với chất lượng ñộng học của hệ Diesel – Gió sử dụng D-STATCOM 68

4.3.1.Thay ñổi các thông số bộ ñiều khiển ñiện áp lưới 69

4.3.2.Tham số tối ưu cho bộ ñiều khiển ñiện áp DC 73

4.4.Kết luận 74

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 79

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 HTð Hệ thống ñiện

2 SVC Static Var Compensator (Bộ bù công suất phản kháng

3 STATCOM Static Synchronous Compensator (Bộ bù ñồng bộ tĩnh)

4 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

5 UPFC Unified Power Flow Controller (Bộ ñiều khiển dòng chảy công suất phản kháng)

6 FACTS

Flexible Alternating Current Transmission Systems (Hệ thống truyền tải ñiện xoay chiều)

7 PLL Phase Locked Loop (Vòng khóa pha)

8 VSC Voltage Source Converter (Bộ chuyển ñổi nguồn áp

9 GTO Gate Turnoff Thyristor

11 AC Alternating Current (ðiện xoay chiều)

12 DC Direct Current (ðiện một chiều)

13 HVDC High Voltage Direct Current (ðiện một chiều ñiện áp cao)

14 PWM Pulse Width Modulation (ðiều chế ñộ rộng xung

15 MBA Máy biến áp

16 TCR Thyristor – Controlled Reactor

17 TSC Thyristor Switched Capacitor

18 CSPK Công suất phản kháng

19 CSTD Công suất tác dụng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số ñiều khiển ñộng cơ Diesel 12

Bảng 1.2 Thông số mô hình ñộng cơ Diesel phù hợp nhất 14

Bảng 4.1 Các tham số của hệ ñiều khiển D-STATCOM 62

Bảng 4.2 Bảng tổng kết các chỉ tiêu chất lượng với các bộ số ñiều khiển Vac khác nhau : 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ðỒ THỊ Hình 1.1 Sơ ñồ một tua bin gió sử dụng nam châm vĩnh cửu 2

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa 3

Hình 1.3 Mối quan hệ giữa vận tốc gió và công suất của tua bin 4

Hình 1.4 Mô hình máy phát ñiện Diesel [9] 7

Hình 1.5 Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện [2] 8

a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ 8

Hình 1.6 Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha 8

Hình 1.7 Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel 10

Hình 1.8 Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18] 10

Hình 1.9 Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K = 20 12

Hình 1.10 Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K =40 13

Hình 1.11 Lược ñồ minh họa hệ lai Diesel – gió ñộc lập 15

Hình 1.12 Sơ ñồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió (A: SVC; B: STACOM) 16

Hình 2.1 Mạch ñiện tương ñương của STATCOM 19

Hình 2.2 Hệ thống truyền tải có bù dọc: 21

Hình 2.3 Hệ thống truyền tải có bù ngang: 23

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC 24

Hình 2.5 Sơ ñồ mạch STATCOM cơ bản [10] 25

Hình 2.6 ðặc tính V-I của STATCOM 26

Hình 3.1 Cấu trúc của STATCOM 29

Hình 3.2 Sơ ñồ cấu trúc liên kết của VSC ba pha hai cấp sử dụng IGBT 29

Hình 3.3 Dạng ñồ thị của PWM 31

Hình 3.4 Sơ ñồ chuyển ñổi nguồn ñiện áp VSC ‘’một chân’’ 32

Hình 3.5 Sơ ñồ mạch lực nghịch lưu PWM 33

Hình 3.6 Sơ ñồ thay thế một pha nghịc lưu PWM 34

Hình 3.7 Giản ñồ vecto nghịc lưu PWM 34

Hình 3.8 Giản ñồ vecto nghịch lưu PWM: 35

Hình 3.9 Sơ ñồ kết nối giữa VSC với HTð 35

Hình 3.10 Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển của STATCOM 37

Hình 3.11 Sơ ñồ mô hình mạch của STATCOM 38

Hình 4.1 Sơ ñồ mạch ñộng lực STATCOM 48 xung 44

Hình 4.2 Sơ ñồ mạch ñộng lực của D-STATCOM 45

Hình 4.3 STATCOM ñược kết nối tải và lưới phân phối [13] 46

Hình 4.4 Cấu trúc 2 vòng ñiều khiển của D-STATCOM 49

Hình 4.5 Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển của D-STATCOM 50

Hình 4.6 Sơ ñồ mô phỏng hệ ghép nối Diesel - Gió 58

Hình 4.7 Dạng ñiện áp lưới ổn ñịnh 59

Hình 4.8 Sơ ñồ minh họa khi hệ gặp sự cố 60

Hình 4.9 Biên ñộ ñiện áp pha A khi gặp sự cố 60

Hình 4.10 Biên ñộ ñiện áp pha A khi kéo dài thời gian xử lý sự cố 61

Hình 4.11 Tốc ñộ quay của máy không ñồng bộ 61

Hình 4.12 Sơ ñồ mô phỏng hệ ghép nối có sử dụng D-STATCOM 62

Hình 4.13 Biên ñộ ñiện áp pha Va và dòng phản kháng Ia 63

Hình 4.14 ðiện áp DC trên tụ 63

Hình 4.15 Dòng thành phần Iq và lượng ñặt dòng Iqref 64

Hình 4.16 Thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng 64

Hình 4.17 Chỉ số ñiều chế PWM 65

Hình 4.18 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có STATCOM 66

Hình 4.19 Biên ñộ ñiện áp pha Va và dòng phản kháng Ia 66

Hình 4.20 Tốc ñộ quay máy không ñồng bộ 67

Hình 4.21 So sánh chất lượng ñiện áp lưới khi có STATCOM và không có STATCOM 68

Hình 4.22 Biên ñộ ñiện áp pha Va 69

Hình 4.23 Biên ñộ ñiện áp pha V a 70

Hình 4.24 Biên ñộ ñiện áp pha V a 70

Hình 4.25 Biên ñộ ñiện áp pha V a 71

Hình 4.26 Biên ñộ ñiện áp pha V a 71

Hình 4.27 Biên ñộ ñiện áp pha V a 72

Hình 4.28 ðồ thị ñiện áp DC với các bộ tham số khác nhau 74

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ðỀ TÀI

Hiện nay năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên có trữ lượng rất lớn nước ta Việc khai thác năng lượng này trong thời gian tới chắc chắn sẽ ñược ñẩy mạnh nhờ vào các ưu thế vượt trội của nguồn năng lượng tái tạo-sạch này Ở những vùng có lưới ñiện quốc gia, ñiện gió sẽ ñược hoà vào lưới ñiện quốc gia Việc ổn ñịnh lưới trong trường hợp này do các nhà máy ñiện truyền thống ñảm nhiệm Tuy nhiên ở những vùng hải ñảo hay miền núi xa xôi, nơi chưa có lưới ñiện quốc gia thì ñiện gió sẽ ñược sử dụng hỗn hợp với các máy phát diesel và

ổn ñịnh lưới sẽ ñược thực hiện cục bộ tại lưới ñộc lập này.Việc duy trì ổn ñịnh ñối với các hệ thống ñiện quy mô nhỏ có sử dụng các tuabin gió là một thách thức về mặt kỹ thuật, do ñặc ñiểm bất ñịnh của nguồn phát, và do quán tính nhỏ của các máy phát ñiện trong các hệ thống ñiện nhỏ

Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh của hệ thống ñộc lập có sự tham gia của ñiện gió, việc sử dụng bộ bù tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng giải pháp có tính hiệu quả cao Nhờ vào khả năng ñáp ứng nhanh của STATCOM, chúng cho phép bù ñắp nhanh chóng những thiếu hụt tạm thời về công suất phản kháng ñồng thời nâng cao hiệu suất và ñộ ổn ñịnh của nhà máy ñiện gió khi có các sự cố

Việc nghiên cứu thành công hệ bù công suất phản kháng cho hệ thống lai giữa Diesel và gió sẽ mang lại lợi ích lớn về kinh tế nhằm sử dụng triệt ñể nguồn năng lượng tái tạo này, cũng như có hiệu quả về mặt kỹ thuật trong việc nâng cao ñộ tin cậy cung cấp ñiện cho các lưới ñiện vùng sâu, vùng hải ñảo… nơi không có kết nối với lưới ñiện quốc gia

Từ những phân tích trên, tôi tiến hành nghiên cứu ñề tài: “Nghiên cứu,

thiết kế hệ STATCOM ñể nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel – Gió, ứng dụng cho các hệ thống ñiện ñộc lập có nguồn năng lượng tái tạo’’

1 Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở lý luận, thực tiễn và khảo sát thực tế Việc nâng cao hiệu quả cung cấp ñiện cho các lưới ñiện ñộc lập là ñiều cần thiết Do ñó ñề tài nghiên cứu, thiết kế hệ STATCOM nhằm nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho hệ lai Diesel-gió (Hybrid Diesel-Wind) ứng dụng cho lưới ñiện ñộc lập ðây là hướng nghiên cứu ñang rất ñược quan tâm trên thế giới ñặc biệt thích hợp với các quốc gia có nhiều các nguồn năng lượng tái tạo- năng lượng gió như Việt Nam

2 Khách thể và ñối tượng nghiên cứu

a Khách thể nghiên cứu

Thiết kế hệ bù tĩnh STATCOM nhằm nâng cao hiệu suất và ổn ñịnh cho

hệ lai Diesel – Gió trước yêu cầu ñặt ra hiện nay

b ðối tượng nghiên cứu

- Hệ lai giữa Diesel – Gió trong lưới ñiện ñộc lập

- Hệ STATCOM và các thuật giải nhằm ổn ñịnh lưới ñiện

3 Giả thuyết khoa học

Các sự cố bất thường xảy ra ñối với nguồn năng lượng gió có thể ñược bù ñắp nhanh chóng nhờ hệ thống này, kết quả là lưới ñộc lập ñược ổn ñịnh Các ứng dụng này có ý nghĩa to lớn trong các khu vực hải ñảo hay miền núi xa xôi, nơi không có lưới ñiện quốc gia

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu phát ñiện gió, ñiện Diesel

- Nghiên cứu hệ lai Gió – Diesel, xây dựng mô hình toán học của hệ này

- Nghiên cứu xây dựng hệ STATCOM, xây dựng các thuật toán bù

- Mô phỏng hệ thống dựa trên phần mềm Matlab

- Thiết kế, tích hợp toàn hệ thống

5 Phạm vi nghiên cứu

Trong ñề tài này tập trung nghiên cứu hệ thống bù tĩnh STATCOM cho hệ lai gió – Diesel nói trên Ứng dụng cho lưới ñiện ñộc lập những nơi không có lưới ñiện quốc gia, sử dụng trong các lưới ñiện ñộc lập

6 Phương pháp nghiên cứu

- Nhóm các phương pháp nghiên cứu lý luận

- Nhóm các phương pháp phân tích và tổng hợp

- Nhóm các phương pháp nghiên cứu thực tiễn

7 Bố cục của luận văn

Bên cạnh phần mở ñầu và kết luận thì luận văn ñược chia làm 4 chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan chung về hệ lai Diesel – Gió ở lưới ñiện ñộc lập

- Chương 2: Khái quát về hệ STATCOM và bù công suất

- Chương 3: Ứng dụng STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel – Gió ñể bù công suất phản kháng và nâng cao ổn ñịnh ñiện áp

- Chương 4: Sử dụng Matlab/Simulink ñể mô phỏng ñáp ứng ñộng của STATCOM vào hệ thống ñiện ñộc lập Diesel - Gió

8 Những ñóng góp mới của luận văn

- Thiết kế hệ STATCOM cho lưới ñiện ñộc lập phù hợp với các ñiều kiện của Việt Nam hiện nay

- Xây dựng các giải thuật bù cho hệ thống

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CHUNG HỆ LAI DIESEL – GIÓ Ở LƯỚI ðIỆN

ðỘC LẬP

1.1 Hệ năng lượng ñiện Gió

1.1.1 Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái ñất không ñồng ñều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không ñều nhau Một nửa bề mặt của Trái ðất, mặt ban ñêm, bị che khuất không nhận ñược bức xạ của Mặt Trời, thêm vào

ñó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích ñạo nhiều hơn là ở các cực, do ñó có

sự khác nhau về nhiệt ñộ, dẫn ñến khác nhau về áp suất, làm cho không khí giữa xích ñạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban ñêm của Trái ðất di ñộng tạo thành gió Trái ðất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái ðất nghiêng ñi (so với mặt phẳng do quỹ ñạo Trái ðất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng coriolis ñược tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái ðất, nên không khí ñi từ vùng áp cao ñến vùng áp thấp, không chuyển ñộng thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau, giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim ñồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim ñồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên, gió cũng bị ảnh hưởng bởi ñịa hình tại từng ñịa phương Do nước và ñất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày ñất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào ñất liền Vào ban ñêm ñất liền nguội ñi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

1.1.2 Công suất của một tua bin gió

Mô hình của tua bin gió:

Hình 1.1 Sơ ñồ một tua bin gió sử dụng nam châm vĩnh cửu

PMSG: (permanent magnet synchronous generator) máy phát ñiện ñồng

bộ sử dụng nam châm vĩnh cửu

VSC: (voltage static converter) bộ biến ñổi ñiện áp tĩnh

Công suất của một tuốc bin gió tạo ra có thể xác ñịnh theo các tính toán dựa trên mô hình (Hình 1.1) sau:

Giả sử không khí chuyển ñộng với vận tốc v, thời gian t ñể ñi ñược quãng ñường D, diện tích bề mặt A (tương ứng với diện tích do cánh quạt quét trong không gian), tỉ trọng không khí ρ, khối không khí chuyển ñộng m sẽ ñược tính như sau:

t v A D

Công suất của tuabin ñược tính theo công thức:

- Pm là công suất ñầu ra của tua bin (W)

- Cp là hệ số biến ñổi năng lượng (hàm của tốc ñộ ñầu cánh λ và góc cánh β)

- A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt (m2)

Hình 1.2 Mối quan hệ giữa

Nhìn vào Hình 1.2 ta có thể nhận thấy khi , thì ñạt giá trị max Giá trị max của càng cao khi càng bé Theo ñịnh luật Betz về ñộng lực học khí quyển thì nguồn năng lượng gió này không thể chuyển tất cả sang

59.259% Hay nói cách khác 0.59259 (trong thực tế chỉ ñạt mã khoảng 80% giá trị trên – Hình1.2) Mặt khác thì máy phát và hộp số trong tua bin có

tồn tại hệ số < 1

Tỷ số tốc ñộ ñầu cánh tuabine gió và tốc ñộ gió là:

R v

p m

2

p m m

Nhìn vào Hình 1.3 ta có thể thấy tua bin hoạt ñộng tốt với vận tốc gió trong khoảng từ 6 tới 14,4 m/s và ñạt giá trị lý tưởng tại 12m/s

1.1.3 Lợi ích của năng lượng gió

Một cách khách quan và tổng thể ñối với Việt Nam thì năng lượng năng lượng gió chính là những nguồn năng lượng dồi dào và có thể nói là vô tận ñối với Việt Nam

Trong thực tế với ưu ñiểm là:

- Nguồn năng lượng tái tạo lại thân thiện với môi trường

- Tận dụng ñược các ñồi trọc ñể xây các tuốc bin gió

- Ảnh hưởng ñến ñất canh tác không ñáng kể

- Ảnh hưởng của thiên nhiên nơi ñặt các tuốc bin gió không ñáng kể nếu

so sánh với nhà máy thủy ñiện, nhiệt ñiện, ñiện hạt nhân,…

- Là nguồn năng lượng sạch và vô tận ñối với thiên nhiên ðiều ñó là ñiều tiên quyết ñem lại lợi thế của năng lượng gió so với các nguồn năng lượng hóa thạch vốn có hạn và ảnh hưởng nghiêm trọng ñến môi trường

Hiện nay nhiều người vẫn cho rằng giá thành lắp ñặt và vận hành ñiện gió

là quá cao so với các nguồn năng lượng khác, tuy nhiên thực tế lại không phải vậy Chúng ta có thể lấy một ví dụ: Nhà máy ñiện gió Tuy Phong I (Bình Thuận)

ñã ñược khánh thành và hòa vào lưới ñiện quốc gia tháng 4/2012 với tổng vốn ñầu tư 820 tỷ ñồng với 20 tuabin công suất ñạt khoảng 30MW Trong khi ñó với một nhà máy nhiệt ñiện Nhi Sơn 2 công suất 1200MW tổng vốn ñầu tư khoảng 48.000 tỷ ñồng; nhà máy thủy ñiện Sơn La công suất 2400MW với tổng vốn ñầu

tư 60.195,928 tỷ ñồng Như vậy ñể lắp ñặt một nhà máy với công suất 2400 MW thì thủy ñiện sẽ phải bỏ ra 60.195,928 tỷ ñồng; nhiệt ñiện là 96.000 tỷ ñồng; gió 65.600 tỷ ñồng Trong khi ñó theo nghị quyết số 41/2009/QH12 của Quốc hội quyết ñịnh lựa chọn “thế hệ lò hiện ñại nhất” ñể xây hai nhà máy ñiện hạt nhân

với tổng mức ựầu tư cho hai nhà máy khoảng 200.000 tỷ ựồng Với các con số

trên có thể dễ dàng nhận thấy số tiền ựầu tư cho thủy ựiện và nhiệt ựiện là rẻ nhất Tuy nhiên với nguồn tài nguyên thủy ựiện, và gió chưa ựược khai thác hiện nay thì hướng ựầu tư cho gió vẫn là có tắnh khả thi hơn cả [7]

1.1.4 Hạn chế của năng lượng gió

- Phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên

- Có thể làm thay ựổi dòng không khắ

- Thay ựổi hoặc làm phá vỡ cảnh quan của vùng lắp ựặt ựiện gió

- Tiếng ồn có thể ảnh hưởng ựến các loài ựộng vật hoặc con người sống gần nơi ựặt các trạm năng lượng gió

- Có thể ảnh hưởng ựến các trạm thu phát sóng ựiện thoại, truyền hình,Ầ

đó là một số mặt hạn chế của năng lượng gió, nhưng cơ bản thì các hạn chế này rất nhỏ so với các hạn chế của các nguồn năng lượng hóa thạch

1.2 Hệ năng lượng ựiện Diesel

1.2.1 Nhiên liệu Diesel

Nhiên liệu Diesel (DO Ờ Diesel Oil) là một loại nhiên liệu lỏng, nặng hơn dầu lửa và xăng, sử dụng chủ yếu cho ựộng cơ Diesel (ựường bộ, ựường sắt, ựường thủy) và một phần ựược sử dụng cho các tuốc bin khắ (trong công nghiệp phát ựiện, xây dựngẦ)

Nhiên liệu Diesel ựược sản xuất chủ yếu từ phân ựoạn gazoil và là sản phẩm của quá trình chưng cất trực tiếp dầu mỏ, có ựầy ựủ những tắnh chất lý hóa phù hợp cho ựộng cơ Diesel mà không cần phải áp dụng những quá trình biến ựổi hóa học phức tạp

Ngoài việc sử dụng nhiên liệu diesel nhiều trong các ngành công nghiệp, máy phát ựiện Diesel ựược thiết kế ựể ựáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp vừa và nhỏ, làm nguồn dự phòng cho các hệ lưới ựiện ựộc lập, giảm chi phắ nguồn ựiện dự phòng và làm cho máy phát ựiện dễ dàng cài ựặt ựang trở thành tiêu chắ hiện nay

1.2.2 Máy phát ñiện Diesel

Một máy phát ñiện (MFð) Diesel là sự phối hợp của một ñộng cơ Diesel với một máy phát ñiện (thường là MFð xoay chiều) ñể tạo ra năng lượng ñiện

Hình 1.4 Mô hình máy phát ñiện Diesel [9]

Trong ñó:

(1) ðộng cơ (2) Máy phát ñiện xoay chiều (3) Hệ thống nhiên liệu (4) Ổn áp

(5) Hệ thống làm mát và hệ thống xả (6) (7) Bộ nạp ắc-quy

(8) Control Panel hay thiết bị ñiều khiển (9) Kết cấu khung chính

1.2.2.1 Máy phát ñiện xoay chiều

Máy phát ñiện xoay chiều (2) là thiết bị biến ñổi cơ năng thành ñiện năng

ở dạng dòng xoay chiều, nguồn cơ năng sơ cấp có thể là các ñộng cơ tuabin hơi, tuabin nước, ñộng cơ ñốt trong, tuabin gió hoặc các nguồn cơ năng khác

Nguyên lý làm việc:

MFð xoay chiều tạo ra ñiện theo nguyên lý tương tự như MFð một chiều,

cụ thể là, khi từ trường xung quanh một dây dẫn thay ñổi, một dòng ñiện cảm ứng ñược tạo ra trong dây dẫn Thông thường thì phần nam châm quay gọi là rotor còn phần cuộn dây ñặt cố ñịnh trong lõi sắt gọi là stator Từ trường của rotor sẽ quét qua các thanh dẫn của stator và cảm ứng ra một suất ñiện ñộng xoay chiều, nó như một ñầu vào cơ học làm cho rotor quay

Hình 1.5 Sơ ñồ nguyên lý phát ñiện [2]

a- Sơ ñồ nguyên lý; b- Dòng ñiện xoay chiều 1 pha trong một chu kỳ Mối liên hệ giữa cảm ứng ñược tạo ra trong dây dẫn và vị trí của nam châm ñược chỉ ra trong Hình1.5 Dòng ñiện lớn nhất ñược sinh ra khi cực N và cực S của nam châm gần với cuộn dây nhất Tuy nhiên, chiều dòng ñiện ở mỗi nửa vòng quay của nam châm lại ngược nhau

Dựa theo nguyên lý trên, ñể sinh ra dòng ñiện một cách hiệu quả hơn, máy phát ñiện 3 pha dùng 3 cuộn dây bố trí lệch nhau một góc 1200 trên stator

Hình 1.6 Sơ ñồ nguyên lý dòng ñiện xoay chiều 3 pha

Mỗi cuộn A, B, C ñược ñặt chênh nhau 120 ñộ Khi nam châm quay giữa chúng dòng ñiện xoay chiều ñược sinh ra trong mỗi cuộn dây Dòng ñiện bao gồm 3 dòng xoay chiều ñược gọi là “dòng xoay chiều 3 pha”

1.2.2.2 ðộng cơ Diesel

ðộng cơ Diesel (1) là một loại ñộng cơ ñốt trong, khác với ñộng cơ xăng (hay ñộng cơ Otto) Sự cháy của nhiên liệu, tức dầu diesel, xảy ra trong buồng ñốt khi piston ñi tới gần ñiểm chết trên trong kỳ nén, là sự tự cháy dưới tác ñộng của nhiệt ñộ và áp suất cao của không khí nén ðộng cơ Diesel do một kỹ sư người ðức, ông Rudolf Diesel, phát minh ra vào năm 1892 Chu trình làm việc của ñộng cơ cũng ñược gọi là chu trình Diesel Do những ưu việt của nó so với ñộng cơ xăng, như hiệu suất ñộng cơ cao hơn hay nhiên liệu diesel rẻ tiền hơn xăng, nên ñộng cơ Diesel ñược sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, ñặc biệt trong ngành giao thông vận tải thủy và vận tải bộ

ðộng cơ diesel có thể có dạng hai chu kỳ hoạt ñộng hoặc bốn chu kỳ

và ñược lựa chọn tùy thuộc vào phương thức hoạt ñộng ðộng cơ diesel, có hai cách làm mát, bằng không khí hoặc bằng chất lỏng làm mát, cả hai ñều

là các dạng thích hợp có thể ñược lựa chọn Sử dụng làm mát bằng chất lỏng với máy phát ñiện diesel là tốt nhất, vì nó yên tĩnh khi hoạt ñộng và kiểm soát nhiệt ñộ ñồng ñều

Nguyên lý hoạt ñộng: ñể tạo ra năng lượng chạy máy phát ñộng cơ 4 kỳ sẽ lặp lại tuần hoàn, nhiên liệu ñược nén với áp suất cao khi tiếp xúc với không khí

ở nhiệt ñộ và áp suất cao sẽ tạo ra sự cháy [3]

Một ứng dụng phổ biến của ñộng cơ Diesel là ñể chạy các máy phát ñiện

dự phòng, ñáp ứng nhu cầu sử dụng ñiện liên tục của các bệnh viên, trung tâm

dữ liệu, kết nối truyền thông,… hoặc những quá trình sản xuất quan trọng, những nơi mà việc gián ñoạn sử dụng ñiện có thể gây nguy hiểm ñến sức khỏe con người hoặc gây thiệt hại lớn về kinh tế MFð ñộng cơ diesel có yêu cầu bảo dưỡng ít hơn, tuổi thọ dài hơn và hiệu quả kinh tế cao hơn so với ñộng cơ khí có

Trong ngành công nghiệp năng lượng, MFð Diesel thường ñược sử dụng kết hợp với các nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời ñể cấp ñiện cho những nơi không kết nối ñược với nguồn lưới ñiện quốc gia như các khu vực biên giới, hải ñảo

Ngoài các thành phần chính của máy phát ñiện Diesel ở trên còn có các thành phần khác như Hình 1.4

1.2.3 Mô hình hóa ñộng cơ Diesel - Ứng dụng Matlab mô phỏng ñộng cơ Diesel

ðộng cơ Diesel ñược mô phỏng theo sơ ñồ Matlab như Hình 1.7 dưới ñây:

Hình 1.7 Sơ ñồ mô phỏng ñộng cơ Diesel

Mô hình mô phỏng ñộng cơ Diesel bao gồm phần ñộng cơ không ñồng

bộ, môt bộ ñiều tốc và một tải ðộng cơ sẽ chạy ở một tốc ñộ mà có thể ñiều chỉnh qua tín hiệu của bướm ga (throttle) Các tín hiệu của bướm ga trực tiếp ñiều khiển mô-men xoắn ñầu ra do ñộng cơ tạo ra và gián tiếp kiểm soát tốc ñộ

mà tại ñó ñộng cơ chạy Nếu tốc ñộ ñộng cơ vượt quá tốc ñộ tối ña ñược chỉ ñịnh, ñộng cơ tạo ra không có mô-men xoắn

Hình 1.8 Hệ thống ñộng cơ Diesel và hàm truyền [18]

= , 2'

2

d

T T K

= , 3'

3

d

T T K

=

Ta ñược hàm truyền ñiều khiển:

3 2

(1 ) ( )

a

T s H

T s

T s

+ + và

Tiến hành mô phỏng hệ Diesel với Matlab Khi thay ñổi các thông số thời gian T ta thường nhận ñược hệ không ổn ñịnh ðể cải thiện ñặc tính ñộng học

của hệ kín, ta tăng hệ số khuếch ñại K, tuy nhiên việc tăng K quá lớn khiến hệ

nhạy cảm với sai lệch mô hình, với nhiễu ño và có thể làm cho hệ kín mất ổn ñịnh [1]-tr396 Vì vậy, ta chỉ ñiều chỉnh K trong một dải giá trị cho phép

Khi ta ñể hệ số khuếch ñại K = 20 và các thông số khác như hình sau:

Bảng 1.1 Các thông số ñiều khiển ñộng cơ Diesel

Ta sẽ nhận ñược dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ diesel như sau:

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0.5

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1

Theo [1] ta nhận ñược các giá trị cho bộ Diesel khi K = 20 như sau:

>> ðộ quá ñiều chỉnh ∆hmax = 2%

>> Thời gian ñáp ứng Tr = 0.1s

>> Thời gian quá ñộ T2% = 0.7 s

Khi ta thay K = 40 ta ñược giá trị của bộ Diesel như sau:

Hình 1.10 Dạng ñồ thị tốc ñộ của bộ Diesel khi K =40

Theo [1] ta nhận ñược các giá trị cho bộ Diesel khi K = 40 như sau:

>> ðộ quá ñiều chỉnh ∆hmax = 1%

>> Thời gian ñáp ứng Tr = 0.1s

>> Thời gian quá ñộ T2% = 0.5 s

Ta nhận thấy thời gian quá ñộ của bộ Diesel khi K = 40 (t = 0.5s) là nhanh hơn so với K = 20 (t = 0.7s) Cùng với ñó ñộ quá ñiều chỉnh khi K = 40 (1%) nhỏ hơn so với khi K = 20 (2%) Qua ñó ta thấy K = 40 cho chất lượng tốt hơn khi K = 20 Làm tiếp nhận thấy K nằm trong khoảng (15; 75) thì chất lượng

tốt hơn cả

Không có bộ phận phát ra tia lửa mà nhiên liệu tự ñộng ñốt cháy Không

có bugi hoặc dây ñánh lửa làm giảm chi phí bảo trì

Chi phí nhiên liệu cho mỗi kilowatt ñiện ñược sản xuất chiếm 30% – 50% thấp hơn so với ñộng cơ khí ñốt

Máy phát ñiện ñộng cơ diesel quay khoảng 1800 vòng/phút với nước làm mát ñộng cơ ñầy ñủ, có thể hoạt ñộng từ 12.000 ñến 30.000 giờ trước khi cần phải bảo trì hoàn toàn Với 1800 vòng/phút, khí làm mát bằng nước thường hoạt ñộng 6000-10.000 giờ trước khi nó cần dịch vụ sửa chữa bảo trì lớn

Nhiệt ñộ của máy phát ñiện ñộng cơ khí ñốt nóng hơn so với ñộng cơ diesel và do ñó nó có tuổi thọ ngắn hơn ñáng kể so với các máy phát ñiện ñộng cơ diesel

1.3 Phối hợp giữa hệ lai Diesel – Gió

Hệ lai Diesel – gió (wind-diesel hybrid system) là hệ thống phối hợp các

tuabin gió và các máy phát ñiện Diesel, thường kèm các thiết bị dự trữ năng lượng, biến ñổi công suất, các hệ thống ñiều khiển, ñể phát ñiện năng Hệ lai Diesel – gió có thể là một hệ thống ñiện Diesel – gió mới hoặc có thể là các tuabin gió ñược tích hợp với một hệ thống ñiện Diesel có sẵn với nhiều máy phát lập thành một lưới phân phối Mục ñích của việc sử dụng các tuabin gió là giảm sự tiêu thụ nhiên Diesel, nhờ vậy nâng cao hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường

Trong quá trình vận hành, tuabin gió sẽ phải chịu những tác ñộng của môi trường như nhiệt ñộ, ñộ ẩm, nồng ñộ không khí, vận tốc gió thay ñổi, không có gió dẫn tới công suất phát ra sẽ không ñược ổn ñịnh Nếu tải tiêu thụ của lưới

là các máy ñiện không ñồng bộ, khi nguồn gió gặp sự cố, các máy này ñòi hỏi tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng từ lưới (do dòng không tải trong máy không ñồng bộ lớn) Sự thiếu hụt công suất phản kháng là nguyên nhân gây

ra dao ñộng ñiện áp lưới, làm giảm hệ số công suất của lưới, ảnh hưởng lớn ñến tính ổn ñịnh và chất lượng của hệ thống Các thiết bị sử dụng công nghệ FACTS

là một giải pháp hữu hiệu cho vấn ñề này

Công suất phản cần thiết cho hoạt ñộng của máy phát không ñồng bộ và tải ñược cung cấp bởi máy phát ñồng bộ và STATCOM trình bày ở Hình 1.11 ñược cho bởi công thức:

QSG + QCOM = QL + QIG (1-15)

Từ các phương trình trên ta có sơ ñồ khối hàm truyền ñạt cho hệ:

Hình 1.12 Sơ ñồ hàm truyền hệ thống năng lượng Diesel – Gió (A: SVC; B: STACOM)

Do có nhiễu trong công suất phản kháng tải ∆QL, ñiện áp của hệ thống có thể thay ñổi dẫn ñến việc gia tăng sự thay ñổi công suất phản kháng của các thành phần khác Lượng công suất phản kháng dư thừa là: ∆QSG + ∆QCOM - ∆QL

- ∆QIG và nó sẽ làm thay ñổi ñiện áp hệ thống bởi phương trình sau:

[ ( ) ( ) ( ) ( )]1

)

sT

K s

Sự thay ñổi gia tăng công suất phản kháng của máy phát ñồng bộ ∆QSG

trong phương trình (3) phụ thuộc vào ∆Eq’ và ∆V Phương trình tương ứng ñược ñưa ra bởi:

∆QSG(s) = K1∆Eq’(s) + K2∆V (1-17)

Các máy phát ñiện cảm ứng yêu cầu công suất phản kháng theo ñiều kiện liên tục và thay ñổi sự gia tăng công suất phản kháng của máy phát, ∆QIG phụ thuộc vào ∆V Ta có phương trình tương ứng là:

ðối với SVC, sự thay ñổi gia tăng công suất phản kháng phụ thuộc vào

∆V, ∆BSVC thì STATCOM sự thay ñổi gia tăng công suất phản kháng phụ thuộc vào ∆V và ∆α Ta có phương trình chuyển giao tương ứng SVC và STATCOM ñược cho bởi:

CHƯƠNG 2:

KHÁI QUÁT VỀ HỆ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG

2.1 Khái quát về hệ STATCOM

STATCOM là thiết bị chuyển ñổi của họ FACTS, ñược ñịnh nghĩa bởi IEEE như là một bộ tự biến ñổi công suất cung cấp từ một nguồn ñiện thích hợp

và hoạt ñộng tạo ra một bộ ñiều chỉnh ñiện áp nhiều pha, có thể ñược kết hợp với

hệ thống ñiện xoay chiều (AC) cho mục ñích trao ñổi ñiều khiển ñộc lập công suất tác dụng và phản kháng STATCOM ñã ñược ñịnh nghĩa với ba thành phần cấu trúc hoạt ñộng Thành phần ban ñầu là tĩnh: dựa trên các thiết bị chuyển ñổi trạng thái rắn và không có thành phần quay; thành phần thứ hai là ñồng bộ: tương

tự như một máy ñồng bộ lý tưởng với ñiện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản; thành phần thứ ba là bù: cung cấp công suất phản kháng [22] và [24]

Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các công tắc ñiện tử ở dạng một bộ biến ñổi ñiện tạo nguồn ñiện áp ñể tổng hợp ñiện áp ñầu ra VC từ nguồn ñiện áp một chiều (DC) Trên hình 2.1 thể hiện mạch ñiện tương ñương một pha của STATCOM Bằng cách khống chế ñiện cáp VC của STATCOM, cùng pha với ñiện áp hệ thống VS, nhưng có biên ñộ lớn hơn, dòng ñiện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, ñể nâng ñiện áp lên Ngược lại, nếu ñiều khiển ñiện áp VC thấp hơn ñiện áp hệ thống VS, thì dòng ñiện và công suất chạy

từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế ñược quá ñiện áp trên lưới ñiện

ðiện áp xoay chiều ñược tạo ra từ nguồn ñiện áp một chiều nhờ các tiếp ñiểm ñiện tử tác ñộng nhanh Từ nhiều năm nay, Thyristor trong SVC (thiết bị

bù tĩnh công suất phản kháng) có thể ñược sử dụng ñể ñóng mạch nhưng không thể cắt mạch dòng ñiện ðặc ñiểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế ñộ Ví như các thyristor cắt (GTO) hoặc transistor lưỡng cực cửa cách ñiện (IGBT) có khả năng ñóng cũng như cắt mạch

Một hệ thống STATCOM hoàn thiện cơ bản bao gồm một nguồn ñiện áp

DC, bộ biến ñổi nguồn ñiện áp VSC và một máy biến áp ghép

a)

Hình 2.1 Mạch ñiện tương ñương của STATCOM a) Mạch tương ñương một pha; b) Mạch tương ñương ba pha Chức năng ứng dụng của STATCOM là:

- Tăng khả năng truyền tải công suất

- Giảm thiểu tổn thất ñường dây

- Bù công suất phản kháng

- Ngăn chặn chập chờn

- ðiều chỉnh ñiện áp

- Cân bằng ñiện áp ba pha

- Nâng cao ổn ñịnh quá ñộ

- Nâng cao sự ổn ñịnh trạng thái ổn ñịnh

- Giảm dao ñộng công suất

2.2 Thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện

FACTS ñược ñịnh nghĩa theo [8] là “hệ thống sử dụng các thiết bị ñiện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác ñể ñiều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống ñường dây tải ñiện xoay chiều, qua ñó, nâng cao khả năng ñiều khiển và khả năng truyền tải công suất”

FACTS có thể ñược kết nối với hệ thống ñiện theo kiểu nối tiếp (bù dọc) hoặc bù song song (bù ngang) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên

2.2.1 Bù dọc và bù ngang trong hệ thống ñiện

Mục ñích chủ yếu của việc ñặt các thiết bị bù là bù ñắp nhanh chóng lượng thiếu hụt công suất phản kháng nâng cao chất lượng ñiện năng Hơn nữa,

bù thông số còn nâng cao tính ổn ñịnh tĩnh, ổn ñịnh ñộng, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống ñiện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn ðây là biện pháp rất cần thiết và không thể thiếu ñược trong HTð ñộc lập nơi không có ñiện lưới quốc gia

2.2.1.1 Bù dọc

Trong bù dọc (nối tiếp), các FACTS ñược mắc nối tiếp với hệ thống ñiện

Nó hoạt ñộng như một nguồn ñiều khiển ñiện áp Dòng ñiện cảm tồn tại trong tất cả các ñường dây tải ñiện AC Trên ñường dài, khi có một dòng ñiện cảm ñủ lớn nó sẽ gây ra một sự sụt áp cho ñường dây ðể bù, hàng loạt tụ ñược mắc trên ñường dây nhằm giảm ảnh hưởng của ñiện cảm

Bù dọc là giải pháp làm tăng ñiện dẫn liên kết (giảm ñiện cảm kháng X của ñường dây) bằng dung kháng XC của tụ ñiện Mô hình ñơn giản của ñường dây truyền tải có bù dọc ñược trình bày như Hình 2.2 Qua ñó, ta thấy ñược hiệu quả của bù dọc:

− Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

− ðiểm sụp ñổ ñiện áp ñược dịch chuyển xa hơn

− Ổn ñịnh về góc lệch δ:

+ Làm giảm góc lệch δ trong chế ñộ vận hành bình thường, qua ñó nâng cao

ñộ ổn ñịnh tĩnh của hệ thống ñiện

+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của ñường dây:

Giả ñịnh rằng: Biên ñộ ñiện áp của thanh cái ñược giả ñịnh như nhau là bằng V Góc lệch pha giữa chúng là δ Bỏ qua tổn thất về trở kháng XL Tụ bù

có ñiều khiển ñược nối tiếp vào ñường dây truyền tải với ñiện áp bơm vào Vin

Giản ñồ pha ñược trình bày trong Hình 2.2b

ðiện dung tụ ñiện C khi nối vào ñiện kháng ñường dây:

ðiện kháng toàn bộ của ñường dây truyền tải là:

X = XL – XC = (1- k)XL (2-2) Công suất tác dụng ñược truyền tải là:

δ

sin)

1(

2

L X k

V P

Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ ñiện ñược tính như sau:

) cos 1 ( ) 1 (

V Q

• Bù ñiện dung:

Phương pháp này dùng ñể nâng cao hệ số công suất Khi một tải có tính cảm ñược nối với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng ñiện ðể bù cảm kháng này, người ta lắp một tụ ñiện nối song song với tải, việc này sẽ kéo dòng ñiện lên sớm pha hơn so với ñiện áp Và kết quả là hệ số công suất ñược nâng cao

• Bù ñiện cảm:

Phương pháp này dùng ñể bù trong trường hợp ñóng ñiện ñường dây không tải hoặc khi non tải cuối ñường dây Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên ñường dây Trong khi ñó, ñiện dung ký sinh trên ñường dây, ñặc biệt với các ñường dây dài lại có giá trị khá lớn Việc này sẽ sinh ra quá áp trên ñường dây (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti) ðiện áp cuối ñường dây có thể tăng gấp ñôi ñiện áp nguồn tới (trong trường hợp ñường dây rất dài) ðể bù, cảm ứng shunt ñược kết nối qua ñường dây truyền tải

- STATCOM (Static Synchronous Compensator): bộ bù ñồng bộ kiểu tĩnh

- SVC (Static Var Compensator): thiết bị bù công suất phản kháng kiểu

tĩnh, việc thay ñổi công suất phản kháng ñược thực hiện bằng việc chuyển mạch các tụ và cuộn kháng ở phía thứ cấp của máy biến áp Một số SVC thường dùng

là TCR, TSR, TSC, MSC

Mô hình ñơn giản của hệ thống truyền tải có bù ngang ñược trình bày trong Hình 2.3a Giả ñịnh tổn thất trên ñường dây truyền tải ñược thể hiện bằng kháng trở XL Biên ñộ ñiện áp tại ñiểm kết nối là duy trì bằng V

Công suất tác dụng tại thanh cái 1 và 2 là bằng nhau:

P1 = P2 =

2sin2

) 2 cos 1 ( 4

−

=

L C

Hình 2.3 Hệ thống truyền tải có bù ngang:

a) Mô hình ñơn giản; b) Giản ñồ pha c) ðường cong công suất - góc

2.2.2 Một số thiết bị ñiều khiển công suất phản kháng trong hệ thống ñiện 2.2.2.1 Thiết bị bù tĩnh ñiều khiển bằng Thuyristor (SVC – Static Var Compensator)

SVC là thiết bị bù ngang dùng ñể tiêu thụ công suất phản kháng có thể ñiều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, ñược tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

− Thành phần cảm kháng ñể tác ñộng về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế ñộ vận hành)

− Thành phần ñiều khiển bao gồm các thiết bị ñiện tử như thyristor hoặc triắc có cực ñiều khiển, hệ thống ñiều khiển góc mở dùng các bộ vi ñiều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR

Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của SVC như trên hình 2.4

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC

2.2.2.2 Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATCOM – Sitatic Synchronuos Compensator)

STATCOM (STATic COMpensator, thiết bị bù tĩnh) làm việc dựa trên

một thiết bị chuyển ñổi nguồn áp (VSC – Voltage Source Converter) nối với phía thứ cấp của một máy biến áp ghép, nó chuyển ñổi nguồn ñiện áp một chiều thành ñiện áp xoay chiều ñể bù (nguồn phát hoặc nguồn thu) công suất phản kháng cho lưới ñiện [9]

Bộ VSC sử dụng các thiết bị ñóng cắt ñiện tử công suất (GTOs, IGBTs hoặc IGCTs) ñể tổng hợp ñiện áp xoay chiều V2 từ ñiện áp nguồn một chiều Vdc Bằng cách thay ñổi góc mở của các Thyristor trong bộ VSC, thiết bị ñiều chỉnh dòng qua STATCOM chậm pha hoặc nhanh pha hơn ñiện áp lưới, qua ñó bù ñược công suất phản kháng cho lưới

Một mạch STATCOM cơ bản ñược minh họa trên Hình 2.5, công suất phản kháng và công suất tác dụng ñược truyền giữa nguồn V1 và nguồn V2; nguồn V1 ñặc trưng cho ñiện áp hệ thống cần ñiều khiển và V2 là ñiện áp ñược tạo ra bởi VSC

Hình 2.5 Sơ ñồ mạch STATCOM cơ bản [10]

1 2 sin

V V P

V1 - ñiện áp lưới cần ñiều ñiều khiển;

V2 - ñiện áp tạo ra bởi VSC;

X - ñiện kháng tương ñương của MBA và các bộ lọc;

Trong trạng thái ổn ñịnh, ñiện áp V2 ñược tạo ra bởi VSC bằng với ñiện áp lưới cần ñiều khiển V1 (δ=0), do ñó chỉ tồn tại công suất phản kháng

nhận công suất phản kháng) Ngược lại, nếu V2 là cao hơn so với V1 , Q có chiều từ V2 ñể V1 (STATCOM phát công suất phản kháng) Giá trị công suất phản kháng ñược cho bởi:

Một tụ ñiện nối với phía DC của VSC hoạt ñộng như một nguồn ñiện áp

DC Ở trạng thái xác lập ñiện áp, V2 phải ñảo pha trể hơn V1 ñể bù cho máy biến áp và tổn thất trên VSC và giữ cho tụ ñược nạp Hai công nghệ biến ñổi ñiện áp ñược sử dụng cho bộ VSC:

Các STATCOM có thể hoạt ñộng ở hai chế ñộ khác nhau :

+ Chế ñộ ñiều chỉnh ñiện áp (ñiện áp ñược ñiều chỉnh trong giới hạn như giải thích dưới ñây)

+ Chế ñộ ñiều khiển var (công suất phản kháng ñầu ra STATCOM ñược giữ không ñổi)

Khi STATCOM làm việc ở chế ñộ ñiều chỉnh ñiện áp, nó cho ñặc tính V-I như

Hình 2.6 ðặc tính V-I của STATCOM Miễn là công suất phản kháng nằm trong dải giá trị dòng (-Imax, Imax) ñược

áp ñặt bởi hiệu suất chuyển ñổi, ñiện áp sẽ ñược ñiều chỉnh tại giá trị tham chiếu Vref Tuy nhiên, một sự hụt ñiện áp thường ñược dùng (1% - 4% ñiện áp lúc công suất phản kháng ñầu ra cực ñại), và ñặc tính V-I có ñộ dốc như Hình 2.6 Trong chế ñộ ñiều chỉnh ñiện áp, ñặc tính V-I ñược mô tả bởi phương trình:

X- ñộ dốc ñiện kháng (pu/Pnom);

Pnom- công suất ñịnh mức 3 pha của bộ chuyển ñổi

2.3 Kết luận

STATCOM thưc hiện chức năng giống như SVC Tuy nhiên tại các ñiện

áp thấp hơn phạm vi ñiều chỉnh ñiện áp bình thường, STATCOM có thể tạo ra nhiều công suất phản kháng hơn SVC ðiều này là do thực tế, công suất phản kháng lớn nhất ñược sinh ra bởi SVC thì tỉ lệ với bình phương ñiện áp hệ thống Trong khi ñó, công suất phản kháng lớn nhất ñược tạo ra bởi STATCOM tăng tuyến tính với ñiện áp (dòng không ñổi) Khả năng cung cấp nhiều công suất phản kháng hơn khi có sự cố là một ưu ñiểm quan trọng của STATCOM so với SVC Hơn nữa, STATCOM sẽ ñược kích mở nhanh hơn SVC, vì so với VSC, STATCOM không có liên kết trễ với sự kích khởi của thyristor (thời gian trễ này với một SVC là 4ms) [10]