Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 KV, phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc phục

Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy theo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc cao gọi tắt là sóng hài g

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của đất nước Điện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy theo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc cao (gọi tắt là sóng hài) gây ô nhiễm lưới Các sóng hài gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao phụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ các thiết bị điện, làm giảm chất lượng điện năng Do đó các sóng hài trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn theo quy định (tiêu chuẩn) Hiện nay, ở nước

ta cũng như trên thế giới chủ yếu căn cứ theo tiêu chuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 Để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc mà điển hình là bộ lọc tích cực Vì vậy, sau hai năm học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài là “Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 kV, phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc

phục”

Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của sóng hài khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Từ đó, áp dụng cho nghiên cứu thực nghiệm tại trạm bù công suất phản kháng SVC Thái Nguyên và

đề xuất giải pháp khắc phục Nội dung luận văn được bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải điện

Chương 2 Nghiên cứu thực nghiệm trạm bù SVC tại Thái Nguyên

Chương 3 Mô hình hóa mô phỏng trạm SVC Thái Nguyên và đề xuất giải pháp mới

Kết luận

Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo

TS Ngô Đức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành Tuy nhiên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và người đọc

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ Trạm bù SVC Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm tại Trạm

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS Ngô Đức

Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này

Chương I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Hệ thống điện và lưới điện

Hệ thống điện (HTĐ) là một tổ hợp bao gồm các khâu từ sản xuất, truyền dẫn, phân phối đến tiêu thụ điện năng được kết nối theo một nguyên lý chung về cân bằng năng lượng Mỗi hệ thống điện quốc gia có thể được mô tả như sơ đồ trên hình 1.1 Trong đó:

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện và lưới điện

- Khâu sản xuất điện năng: Đó là các nhà máy điện, phân bố tại các vị trí khác nhau trong HTĐ

- Lưới truyền tải (LTT): Là các hệ thống các trạm biến áp, trạm phân phối và đường dây cao áp, siêu cao áp từ 110 kV đến 500 kV nhằm thực hiện truyền tải công suất giữa các khu vực Trong lưới truyền tải không có phụ tải sản xuất

LTT

- Lưới phân phối (LPP): Là hệ thống các trạm biến áp và mạng điện từ cấp điện áp 35 kV trở xuống nhằm phân phối công suất cho các phụ tải tiêu thụ điện phục vụ cho các hoạt động của đời sống con người

Trên thực tế có rất nhiều cách phân loại hệ thống điện:

Hệ thống điện tập trung: Các nguồn điện và nút phụ tải lớn tập trung trong một phạm vi không lớn chỉ cần các đường dây ngắn để tạo thành hệ thống

Hệ thống điện hợp nhất: Trong đó các hệ thống điện độc lập ở cách rất

xa nhau được nối liền thành một hệ thống bằng các đường dây tải điện siêu cao

áp

Hệ thống điện địa phương hay hệ thống điện cô lập: Là một hệ thống điện riêng, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các

hệ thống điện ở các vùng xa không thể nối vào hệ thống điện quốc gia

Trong lưới phân phối lại chia ra:

- Lưới phân phối trung áp: có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho các trạm phân phối trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp

- Lưới phân phối hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V

1.2 Phụ tải điện

1.2.1 Phụ tải điện và đặc điểm của phụ tải điện

Phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một điểm nào đó của lưới điện tại điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụ tải

Trong hoạt động của một lưới, công suất do nhà máy điện (máy phát) phát

ra dưới dạng 3 pha xoay chiều tần số tiêu chuẩn 50Hz (60Hz) luôn thỏa mãn điều kiện cân bằng với công suất tiêu thụ của phụ tải kể cả các tổn thất truyền dẫn

Công suất toàn phần gồm hai thành phần cơ bản là công suất tác dụng (CSTD)

và công suất phản kháng (CSPK) liên hệ với nhau qua các biểu thức (1.1)

- Công suất tác dụng P là thành phần công suất để sinh công, chuyển thành

cơ năng hay nhiệt năng, quang năng… tùy theo mỗi loại phụ tải cụ thể Phải có tiêu hao công sơ cấp các máy phát điện mới tạo ra được công suất tác dụng

- Công suất phản kháng Q là thành phần công suất không sinh công nhưng luôn tồn tại trong hoạt động của mạch điện xoay chiều Đối với các phụ tải động

cơ, CSPK cần thiết để tạo từ trường quay và tổn thất từ tản, đối với máy biến áp CSPK để từ hóa mạch từ, trên đường dây CSPK hình thành do điện kháng đường dây … Trong một chu kỳ tần số lưới, CSPK trao đổi qua lại giữa tải và máy phát hai lần (Q đổi dấu 4 lần) Việc tạo ra CSPK không đòi hỏi tiêu tốn công sơ cấp, tuy nhiên trong quá trình truyền tải CSPK có bị tiêu hao do tổn thất

Phụ tải điện có những đặc điểm sau:

- Biến thiên theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt và sản xuất

- Tại một thời điểm, phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình theo phân phối chuẩn

- Phụ tải điện có tính chất theo mùa

- Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, như nhiệt độ môi trường, mưa hoặc khô

- Phụ tải điện biến thiên theo tần số và điện áp tại điểm nối vào lưới điện

- Phụ tải điện luôn phát triển không ngừng trong thời gian và không gian

Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện Xác định chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ thống điện tối ưu về kinh tế và kỹ thuật Trong tính toán phụ tải có quy luật hoạt động giống nhau được xếp vào cùng một loại để có phương pháp tính riêng Trong thực tế có một số loại phụ tải điển hình như sau: sinh hoạt, thương mại, dịch vụ, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông

1.2.2 Yêu cầu của phụ tải điện

Phụ tải điện luôn có yêu cầu với hệ thống điện về hai yếu tố là : chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp Chất lượng tần số được đánh giá bằng:

+ Độ dao động tần số: Đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc độ lớn hơn 1%/s

Chất lượng điện áp lại đánh giá bằng 4 chỉ tiêu là:

+ Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức của lưới điện:

% 100

đm

đm

U

U U

U phải thỏa mãn điều kiện: U- U U+

Với U- và U+ là giới hạn trên dưới của độ lệch điện áp

Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các thiết

bị điện, làm giảm tuổi thọ, làm giảm năng suất gây hỏng thiết bị,… Ngoài ra, nếu điện áp thấp quá nhiều thiết bị còn không hoạt động được

+ Độ dao động điện áp:

Sự biến thiên nhanh của điện áp được cho bởi công thức:

% 100

min max

đm

U

U U V

Tốc độ biến thiên từ Umax đến Umin không nhỏ hơn 1%/s Dao động điện áp gây dao động ánh sáng hại mắt người lao động, gây nhiễu các thiết bị điện tử,…

+ Độ không đối xứng :

Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn điện áp các pha không đối xứng Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng

+ Độ không Sin:

Các phụ tải phi tuyến như máy biến áp không tải, bộ chỉnh lưu, thyristor,… làm biến dạng đường đồ thị điện áp không còn dạng Sin, xuất hiện các thành phần sóng hài bậc cao Uj, Ij Sóng hài bậc cao này gây ra giảm điện áp trên đèn điện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu các thiết bị bảo vệ, điều khiển, điện tử,…

Độ tin cậy cung cấp điện được tính bằng thời gian mất điện trung bình năm cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được cho cả hai phía người dùng điện và hệ thống điện Độ tin cậy cung cấp điện được đảm bảo nhờ kết cấu của hệ thống điện và lưới điện được lựa chọn trong quy hoạch, thiết kế

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cũng đòi hỏi ngày càng cao Bởi vậy, hệ thống điện cũng phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc cũng như phương pháp vận hành để thích nghi, và đáp ứng những yêu cầu đó

1.2.3 Hoạt động của hệ thống điện và cân bằng công suất

Mục đích hoạt động của hệ thống điện là thỏa mãn nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao của người tiêu thụ; đảm bảo chất lượng phục vụ cao, an toàn với khách hàng và đồng thời đạt hiệu quả kinh tế cao cho bản thân hệ thống điện

Theo nguyên lý cân bằng công suất, công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn điện luôn phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải trong mọi thời điểm vận hành Có thể nói: Tần số chính là thước đo của công suất tác dụng, khi công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ giảm và ngược lại Do đó khi quan sát thấy nếu tần số cao hơn bình thường thì công suất nguồn thừa so với yêu cầu và ngược lại nếu tần số thấp hơn thì công suất phát ra đang thiếu so với yêu cầu Cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, tần số ở mọi điểm trên toàn hệ thống phải như nhau

Cũng tương tự, Công suất phản kháng là thước đo điện áp, khi công suất phản kháng nguồn nhỏ hơn yêu cầu của tải thì điện áp sẽ giảm đi và ngược lại khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn công suất phản kháng yêu cầu của tải thì điện áp sẽ tăng Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống lại vừa có tính chất địa phương, tức chỗ này của hệ thống điện có thể đủ công suất phản kháng trong khi chỗ khác lại có thể thiếu

Công suất phản kháng được đáp ứng bởi các nhà máy điện, đây là phần quan trọng có khả năng biến đổi nhanh đáp ứng được sự biến đổi của yêu cầu và phần còn lại là nhờ các tụ bù, kháng điện, đặt tại các vị trí khác nhau trong hệ thống

Như vậy, trong điều khiển hệ thống điện, điều chỉnh công suất tác dụng P

là điều chỉnh tần số cho toàn hệ thống; còn điều chỉnh công suất phản kháng Q tại một điểm nút nào đó trên lưới cũng chính là điều chỉnh điện áp cho tại nút

1.3 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)

1.3.1 Giới thiệu chung

Trong xã hội hiện đại, điện năng ngày càng trở thành một nguồn năng lượng không thể thiếu, nhất là trong các ngành công nghiệp và các đòi hỏi về chất lượng điện năng cũng ngày một cao Cũng bởi lý do đó nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra các phương pháp giải quyết vấn đề đó

Trong đó có thể kể đến hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible AC

Transmission Systems)

Về sự ra đời của FACTS có rất nhiều ý kiến được nêu ra, FACTS là một khái niệm được đưa ra từ những năm 80 của thế kỷ trước ở viện EPRI (Electric

Power Research Institute) của Mỹ Đây là khái niệm về một hệ thống truyền tải

điện linh hoạt, có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển đáp ứng

nhanh chóng theo đầu vào cũng như khi thay đổi điểm làm việc

FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn Các thiết bị này có thể chia ra thành các nhóm theo cách đấu: Đấu nối tiếp, đấu song song, đấu hỗn hợp Đặc tính hoạt động của chúng được suy ra từ hai kiểu bù nối tiếp lý tưởng và bù song song lý tưởng

+ Bù song song lý tưởng: là điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù tại điểm kết nối (nút) Nhằm cải thiện sự ổn định cho hệ thống

+ Bù nối tiếp lý tưởng: là điều khiển công suất phản kháng chảy qua một

bộ phận của thiết bị bù tại điểm kết nối thông qua việc điều khiển làm thay đổi biên độ, góc pha điện áp nguồn

Công nghệ FACTS là dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage Source Inverter), VSC (Voltage Source Converter) công suất lớn Do sự phát triển của

công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT,

đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng điều khiển việc truyền tải điện năng cũng như chất lượng điện năng

1.3.2 Những lợi ích của việc ứng dụng hệ thống FACTS

Những khả năng của FACTS trong việc ứng dụng thực tế:

- Điều khiển các đường truyền công suất;

- Tăng dung lượng truyền tải điện năng bằng cách bù công suất phản kháng;

- Tăng an toàn truyền dẫn;

- Gia tăng chất lượng điện năng;

- Huy động nhanh các thành phần công suất;

- Bù công suất phản kháng tại các điểm nút;

- Điều chỉnh, giữ vững điện áp tại bus truyền tải;

- Điều khiển sự đồng bộ giữa các điểm kết nối các hệ thống điện;

- Sự linh hoạt cao

Nhờ những khả năng này khi sử dụng FACTS trong hệ thống điện đã mang lại nhiều lợi ích:

- Tăng độ tin cậy và khả năng sử dụng của hệ thống:

FACTS làm giảm các tác động khi xảy ra lỗi, sự cố trong hệ thống (như quá áp, mất đối xứng, ) tăng tính ổn định của hệ, tránh sự đóng cắt điện không cần thiết của các thiết bị bảo vệ Khi các lỗi này xảy ra với mức độ nằm trong một giới hạn nào đó, các thiết bị của FACTS có thể giảm thiểu các lỗi này mặc

dù nguyên nhân gây các lỗi này vẫn tồn tại

- Tận dụng tốt hơn các mạng truyền tải hiện có:

Hiện nay nhu cầu sử dụng điện năng luôn tăng lên không ngừng khiến ảnh

một hệ thống mới là rất tốn kém và mất nhiều công sức, thời gian Nhưng nhờ có

hệ thống FACTS đã giúp cho khả năng tận dụng chính hệ thống hiện tại mà không cần xây dựng mới mà vẫn đảm bảo tăng khả năng truyền tải CSTD, nâng cao được chất lượng nguồn điện lưới

- Tăng khả năng hoạt động, khả năng ổn định nhánh của hệ thống điện

- Tăng chất lượng nguồn cho các ngành công nghiệp vi điện tử

1.3.3 Giới thiệu về các thiết bị trong FACTS

Trong FACTS có rất nhiều thiết bị, phân biệt rõ nhất là theo cách đấu nối: nhóm mắc nối tiếp, nhóm mắc song song, nhóm mắc hỗn hợp

Nhóm mắc nối tiếp:

- Bộ lọc tích cực nối tiếp (SAPF: Series Active Power Filter)

- Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp (SSSC: Static Synchronous Series Controller)

- Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation)

- Nhóm mắc song song :

- Bộ lọc tích cực mắc song song (PAPF: Parallel Active Power Filter)

- Bộ bù tĩnh (SVC: Static Var Compensators)

- Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc song song (STATCOM: Static Synchronous Compensator)

- Battery Energy Storage System (BESS)

- Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

- Nhóm mắc hỗn hợp:

- Unified Power Flow Controller (UPFC)

- Unified Power Quality Conditioner (UPQC)

- Universal Power Line Conditioner (UPLC)

- Interline Power Flow Conditioner (IPFC)

1.3.4 Nguyên lý hoạt động của các thiết bị trong FACTS

1- Thiết bị bù nối tiếp

Nguyên lý truyền tải điện năng trên đường dây có thể được trình bày dựa trên trên sơ đồ hình 1.2 và hình 1.3

Hình 1.2 Quá trình truyền tải điện năng trên đường dây

Trong đó:

- VS và S là điện áp và góc pha của nguồn,

- Vr và r là điện áp và góc pha của hộ tiêu thụ,

Do đường dây có điện kháng XL nên sau khi truyền tải một khoảng cách thì điện áp Vs và Vr sẽ lệch nhau một góc

Việc điều khiển dòng công suất phản kháng Qr và dòng công suất tác dụng

Pr được các thiết bị FACTS thực hiện bằng cách thay đổi các thông số XL, V, góc lệch Hay nói một cách khác, Một thiết bị bù nối tiếp đóng vai trò điện khác

XL có thể điều khiển được sẽ cho phép điều khiển độ lớn hay hướng dòng công suất qua lại theo hướng mong muốn Các đại lượng Pr, Qr trao đổi giữa hai nguồn xác định theo công thức (1.2), (1.3)

Pr = . sin

L

X

Vr Vs

(1.2)

Qr = . (cos )

Vs

Vr X

Vr Vs

L

(1.3)Khi = s – r > 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ nguồn Vs sang tải Vr và ngược lại; khi = s – r < 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ tải

2- Các thiết bị bù song song

Những ứng dụng của các thiết bị này trong truyền tải, phân phối và mạng công nghiệp:

- Giảm nhỏ dòng công suất phản kháng không mong muốn và do đó giảm thiểu được tổn thất trong mạng

- Bù cho tải tiêu thụ và nâng cao chất lượng điện năng đặc biệt là với những phụ tải có yêu cầu cao về độ dao động như máy công nghiệp, nhà máy nung thép, hay hệ thống xe điện ngầm,

- Tăng khả năng ổn định tĩnh và ổn định động

 Bộ bù tĩnh SVC (Static Var Compensators )

SVC là thiết bị bù song song, sử dụng thyristor để đóng cắt tụ điện tĩnh, cảm kháng kết nối với đường dây như trên hình 1.4

Hình 1.4 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của SVC

SVC gồm hai thành phần chính:

+ Thành phần phát hay hấp thu công suất phản kháng (tụ, cuộn cảm)

+ Khóa đóng cắt không tiếp điểm (GTO, thyristor, )

Thông qua việc điều khiển đóng cắt các tụ điện và cuộn cảm, SVC sẽ hấp thụ hoặc phát công suất phản kháng tại điểm kết nối lưới

Các phần tử chính của SVC:

- Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controller Reactor)

- Kháng đóng, cắt bằng thyristor TSR (Thyristor Switch Reator)

- Bộ tụ đóng, cắt bằng thyristor (Thyristor Switch Capacitor)

Những ưu điểm của SVC:

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

- Điều khiển được điện áp tại điểm kết nối SVC

- Điều khiển được dòng công suất phản kháng tại điểm kết nối SVC

- Giảm dao động công suất tác dụng khi có sự cố ngắn mạch, mất tải đột ngột

Tuy nhiên, SVC còn một số hạn chế là cồng kềnh, dải điều chỉnh còn hạn chế do sử dụng dãy tụ điện, cuộn cảm, phát sinh nhiều sóng hài gây ô nhiễm lưới

 Bộ bù đồng bộ tĩnh Statcom

Statcom là thiết bị bù song song dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu nguồn áp VSI Cấu trúc của mạch lực Statcom bao gồm máy biến áp kết nối, bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, tụ điện một chiều

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của Statcom

Trên thực tế có hai loại Statcom được phân loại theo công nghệ VSI sử dụng trong Statcom Đó là Statcom thông thường và PWM Statcom

Nguyên lý hoạt động của Statcom như sau:

Statcom hoạt động ở hai chế độ được thể hiện ở sơ đồ trên hình 1.6

(b)

(c) STATCOM

V-E

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của Statcom

Trong đó:

- Vs, Xs là điện áp và điện kháng tương đương của nguồn,

- Vr , Xr là điện áp và điện kháng tương đương của tải,

- XnE là điện kháng kết nối tương đương giữa Statcom và lưới

Khi điện áp phát ra từ Statcom là E nhỏ hơn điện áp lưới V thì giữa Statcom và lưới tồn tại dòng điện Iq sớm pha hơn so với hiệu (E-V) một góc 900tương ứng ta có chế độ dung kháng hay Statcom phát công suất phản kháng lên lưới Trường hợp ngược lại thì ta có chế độ cảm kháng

Khác với SVC dựa trên điều khiển trở kháng, Statcom dựa trên việc điều khiển nguồn điện áp Bởi vậy về kích thước Statcom nhỏ hơn so với SVC do không cần đến những tụ điện và điện cảm lớn Bên cạnh đó do dòng của Statcom

có thể giữ không đổi ngay cả khi điện áp thấp, còn dòng của SVC có thể bị sụt giảm theo điện áp Do đó, trong những trường hợp điện áp bị sụt giảm thì Statcom có khả năng vận hành tốt hơn

Với sự phát triển của các lý thuyết và công nghệ ngày nay đã có nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng mới với nhiều khả năng khác nhau nhưng đều dựa trên công nghệ Statcom Về cơ bản, cấu trúc mạch lực của các

thiết bị này là tương tự như Statcom chỉ khác là ở phần điều khiển của chúng tạo tín hiệu đặt cho VSI

Nói chung Statcom được thiết kế cho cho việc bù công suất phản kháng và không cần đến thành phần lưu trữ năng lượng Tuy nhiên, trong một số ứng dụng Statcom còn có thêm thành phần lưu trữ năng lượng như ắc quy thì nó có thêm khả năng bù được cả công suất tác dụng trong một thời gian nhất định

3- Các thiết bị bù nối tiếp

Tác dụng của các thiết bị bù nối tiếp:

- Ngăn chặn dòng chảy quẩn và điều chỉnh dòng công suất

Một số thiết bị bù nối tiếp điển hình:

 Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC)

Sơ đồ cấu trúc của một TCSC được mô tả như trên hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc của TCSC

TCSC gồm các thành phần cơ bản như sau: SVC (Static Var Control), bộ lọc sóng hài bậc cao Về cấu trúc TCSC giống với SVC đều dựa trên các TCR, tuy nhiên TCSC lại được kết nối nối tiếp vào đường dây TCSC điều khiển điện kháng X của đường dây thông qua việc sử dụng các thyristor để đóng cắt nối tắt

tụ điện của TCSC theo quy luật của điều khiển, nhờ đó làm thay đổi điện dung của tụ điện

Chức năng chính của TCSC:

- Giảm sự dao động điện áp;

- Tăng ổn định cho hệ thống điện;

- Tăng khả năng truyền tải cho đường dây qua việc bù công suất phản kháng;

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện;

- Giảm góc làm việc

 Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc nối tiếp ( SSSC)

Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSI, tụ điện một chiều, máy biến áp kết nối SSSC kết nối nối tiếp vào hệ thống điện như trên hình 1.8

Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của SSSC

Về cấu hình, SSSC khá giống với Statcom nhưng nó phức tạp hơn Trong

đường dây thông qua Vq Nhờ cách đấu nối tiếp nên cho phép tạo ra tổng trở cách ly với các sóng hài giữa nguồn và tải theo ý muốn Sơ đồ cấu trúc của SSSC chỉ ra trên hình 1.9 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.10

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý SSSC

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của SSSC

Nguyên lý điều khiển của SSSC dựa trên biểu thức (1.2) và (1.3) giống như TCSC

Khi thay đổi góc làm việc , thì các giá trị Pr, Qr xác định theo công thức được điều khiển, từ đó thay đổi được điện áp Vq Tùy theo giá trị của mà Vq có giá trị âm hay dương hay bằng không - tương ứng với ba chế độ làm việc của SSSC

4- Các thiết bị bù hỗn hợp

 Thiết bị hợp nhất các luồng công suất UPFC

Khi kết nối giữa Statcom và SSSC, hoặc kết hợp 2 bộ Statcom với nhau ta tạo ra những khả năng mới trong việc điều khiển luồng công suất tác dụng, công suất phản kháng Một trong những thiết bị tạo ra đó là UPFC, cấu trúc của một

bộ UPFC được mô tả như trên hình 1.11:

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc của UPFC

Từ hình 1.11 thấy rõ, UPFC là sự kết hợp của SSSC và Statcom thông qua khâu một chiều trung gian Bởi vậy UPFC kết hợp được tính năng của cả Statcom và SSSC vừa có thể điều khiển góc lệch , vừa có thể điều khiển điện kháng X của đường dây, điện áp UT Bên cạnh đó, việc điều khiển công suất phản kháng từ bộ biến đổi nối tiếp hay song song là hoàn toàn có thể độc lập, điều này tạo nên sự linh hoạt trong việc điều khiển dòng công suất

Nguyên lý hoạt động của UPFC được phân tích dựa trên sơ đồ hình 1.12:

Hình 1.12 Sơ đồ kết nối UPFC

Như vậy, UPFC có được ưu điểm và chức năng của cả TCSC và SSSC

 Thiết bị phân luồng công suất IPFC

IPFC được dùng để phân luồng công suất truyền tải từ một hệ thống ra hai

hệ thống con IPFC là sự kết hợp của hai bộ SSSC, sơ đồ cấu trúc được mô tả trên hình 1.13 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.14 Khi điều khiển Vl1, Vl2 sẽ dẫn đến điều khiển hai dòng điện Il1, Il2 ở trên đường dây 1 và 2 Từ đó thực hiện được phân luồng công suất trên mỗi đường dây truyền tải có giá trị công suất theo yêu cầu của kịch bản điều độ Hoạt động này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi vận hành hệ thống điện trong chế độ không bình thường, nhằm ngăn chặn sớm các trào lưu công xuất ngoài ý muốn

Hình 1.13 Sơ đồ cấu trúc của IPFC

Hình 1.14 Sơ đồ kết nối IPFC

Mở rộng hơn, IPFC có thể ứng dụng cho tới n đường dây với n bộ biến đổi nối tương ứng Khi đó một số bộ biến đổi có thể phát hoặc thu công suất tác dụng trong khi các bộ biến đổi khác làm nhiệm vụ điều khiển điện áp một chiều trung gian

nhiên, mỗi thiết bị ra đời trong một điều kiện hoàn cảnh khác nhau cả về thời gian và nhu cầu của hệ thống điện, chức năng của thiết bị nên chưa thể có được

sự hoàn hảo cho bất cứ một thiết bị nào Theo dòng thời gian, các tiến bộ về khoa học kỹ thuật, công nghệ của cả bên hệ thống điện cũng như lĩnh vực chế tạo thiết bị, các thiết bị ra đời sớm bộc lộ những nhược điểm là lẽ đương nhiên và vấn đề khắc phục các nhược điểm đó là bài toán đặt ra cho thế hệ nối tiếp Đề tài định hướng nghiên cứu vào một thiết bị cụ thể là trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC, trên cơ sở phân tích hoạt động của trạm đánh giá các ưu điểm đạt được đồng thời chỉ ra nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp

Nhiệm vụ chương hai, sẽ phân tích hoạt động của một trạm SVC

Chương II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRẠM BÙ SCV TẠI THÁI NGUYÊN

2.1 Nghiên cứu mô hình lý thuyết trạm SVC

Mỗi phần tử có một chức năng riêng

2.1.2 Các thiết bị chính và nguyên lý hoạt động

2.1.2.1 Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR (Thyristor controlled Reactor)

- Điện kháng L: Có chức năng hấp thụ công suất phản kháng

- Bộ van điều khiển loại Thyristor: G

Cho đến nay, các thiếtbị bù dọc (nối tiếp) cũng như bù ngang (song song) vẫn sử dụng TCR là chủ yếu nhờ một số ưu điểm:

Hình 2.3 Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR

Tuy nhiên, dòng qua TCR có dang gián đoạn thùy thuộc vào góc điều khiển α, đó là nhược điểm căn bản của TCR Điều này có thể quan sát rõ trên hình 2.4

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR một pha với các góc mở (a) α = 90 0 ; (b) α = 116 0 ; (c) α = 142 0

thì dòng bằng không, dòng qua TCR được xem như một sóng điều hòa gồm một phổ các sóng hài không cố định Theo phân thích fuorier thành phần một thành phần có tần số cơ bản và các sóng hài bậc cao Trong đó chỉ có thành phần dòng tần số cơ bản có tác dụng cho việc bù công suất phản kháng của SVC, còn lại các sóng hài chỉ làm gây ra các tổn hao phụ trên thiết bị của trạm đồng thời gây ô nhiễm lưới

L nhỏ hơn QC

L lớn hơn QC Tận dụng tụ điện tĩnh của nhánh FC (Fixed Capacitors) nếu bổ sung thêm một điện cảm được tính toán phù hợp sẽ có thêm được chức năng của một bộ lọc thụ động LC lọc các thành phần sóng h

, hình 2.5 Trong một SVC có thể thiết lập nhiều nhánh FC có lọc tùy theo yêu cầu các sóng hài cần lọc, thông thường là 03 nhánh tương ứng lọc cho các sóng hài lẻ bậc 3, 5,7

(Thyristor Switch Capacitor)

- ợng tính toán theo yêu cầu của từng SVC cụ thể;

(phân cấp) TSC để có thể điều chỉnh CSPK phát lên lưới bằng cách thay đổi số lượng phân cấp TSC, khi cần phát tối đa CSPK thì toàn bộ các phân cấp TSC được đóng mạch với lưới

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Trên trong hình 2.7, mô tả hiệu quả bù CSPK của SVC với khả năng truyền tải của hệ thống

Hình 2.7.Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có hoặc không có SVC

Ở chế độ bình thường, khi SVC chưa bù CSPK, công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được tính theo (1.1) là: s. r

L

E E

X

Khi SVC phát CSPK bù ở giữa đường dây, công suất tác dụng truyền tải

trên đường dây được tính là: 2 .

Tuy nhiên, cách tính trên không hoàn toàn xác thực cho trạng thái vận hành lâu dài vì việc tăng dòng trên đường dây còn phụ thuộc vào tiết diện thực tế của đường dây và giới hạn dòng điện cho phép đã tính chọn khi thiết kế Nhưng

sự đóng góp của SVC trong trường hợp này lại có ý nghĩa rất quan trọng làm tăng độ dự trữ ổn định động lên gấp đôi khi SVC huy động kịp thời trước những

sự cố nặng, hình 2.8

2.1.4 Vấn đề sóng hài trong hoạt động của trạm SVC

Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất thu Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (trong trường hợp này, hệ thống điện Việt Nam và Trung Quốc đều lựa chọn tần số cơ bản là 50 Hz) Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụ hay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện các thành phần không sin trong hệ thống điện Nói một cách khác là các sóng hài bậc cao (bội số của tần số cơ bản) được sinh ra ngoài mong muốn

Theo phân tích Fourier, một sóng dòng điện hay điện áp hình sin khi bị méo dạng tương đương với một phổ sóng hài gồm một sóng tần số cơ bản, còn lại là các thành phần sóng hài bậc cao Tỷ lệ các thành phần sóng hài này phụ thuộc vào độ méo dạng so với ban đầu Hiện nay, tên gọi sóng hài là cách nói ngắn gọn cho các sóng điều hòa sin bậc cao

Một sóng hài với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) hay ω=2πf (rad/s)

có thể phân tích chuỗi Furier được như sau:

Ví dụ: Dòng điện sau không sin có thể được phân tích thành phổ các thành phần sóng hài bằng FFT trong Matlab như hình 2.10

-50 0 50 FFT window: 5 of 40 cycles of selected signal

Time (s)

0 2 4 6 8 10 12 14

Hình 2.10 Phân tích phổ của dòng điện không sin

Trong hệ thống ba pha đối xứng, dòng điện hay điện áp các pha bị méo dạng và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tự

thuận, nghịch, không hay gọi tắt là h1, h2, h3 như biểu diễn trên hình 2.11

Các hài bậc cao có thể được phân loại thành các nhóm hài thứ tự thuận, nghịch và không Ví dụ:

Thành phần thứ tự thuận gồm: Các sóng hài bậc h1, h4, h7, h10… có thể được mô phỏng như trên hình 2.12

Điện áp tại điểm nối

chung (Point Common

Couping PCC)

Nhiễu điện áp từng loại sóng điều hòa (%)

Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng điều hòa

THD (%)

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng

đầu vào mỗi pha

100 tới 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0

* Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở trên

* h: bậc của sóng điều hòa

Bảng 2.3 IEC 1000-3-4

Bậc sóng điều

hòa (n)

Dòng điều hòa có thể chấp nhận được

(%)

Bậc sóng điều hòa (n)

Dòng điều hòa có thể chấp nhận được

1

X THD=

X Trong đó:

X1 là biên độ thành phần cơ bản

Xn là biên độ thành phần điều hòa bậc n

Từ đó được triển khai áp dụng để đánh giá độ méo dòng điện và điện áp:

Hệ số méo dạng dòng điện:

2 n n=2 2 1

I THD=

ITrong đó :

I1 là biên độ thành phần dòng cơ bản

In là biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n

Hệ số méo dạng điện áp:

2 n n=2 2 1

U THD=

UTrong đó :

U1 là biên độ thành phần điện áp cơ bản

Un là biên độ thành phần áp điều hòa bậc n

2.1.5 Tác hại của sóng hài

Sự tồn tại sóng điều hòa bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị sử dụng điện cũng như thiết bị truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng, tăng tổn hao điện năng, làm tăng nhiệt độ

và ảnh hưởng chế độ làm việc của thiết bị, giảm hệ số mang tải làm, giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị

Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp Có thể thấy rõ qua công thức sau:

+ Các máy điện quay: Làm tăng tổn hao đồng, sắt, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn Các sóng hài có thể sinh ra mômen phụ gây xoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong máy điện quay;

+ Các thiết bị đóng cắt: Sóng hài có thể làm gia tăng nhiệt độ và các tổn thất trong các thiết bị đóng ngắt Ngoài ra, chúng còn ảnh hưởng đến khả năng vận hành của thiết bị Sóng hài cao làm giá trị đạo hàm dòng điện tại thời điểm không rất lớn làm cho việc đóng cắt khó thực hiện hơn, gây kéo dài hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị giảm xuống;

+ Các rơle bảo vệ: Sóng hài làm méo dạng điện áp, dòng điện, dẫn điến thời điểm tác động của rơle bị sai lệch, làm mômen tác động của rơle biến dạng, gây ra hiện tượng nháy, tác động ngược…;

+ Các tụ điện: Sóng hài làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi làm giảm dung lượng của tụ Sóng hài có thể ra hiện tượng cộng hưởng không xác định trước;

+ Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số các thiết bị đo, đặc biệt với những thiết bị đo sử dụng đĩa cảm ứng như các điện kế, rơle quá dòng;

+ Thiết bị điện tử công suất: Các sóng hài làm méo điện áp gây ra việc xác định sai điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất làm hoạt động của mạch điều khiển bị sai lệch;