luận văn thạc sĩ mô hình hóa mô phỏng trạm SVC thái nguyên và đề xuất giải pháp mới

Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùytheo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậccao gọi tắt là sóng hài gây

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của đất nước Điện năng cung cấp cho phụ tảikhông chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải đượcđảm bảo Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùytheo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậccao (gọi tắt là sóng hài) gây ô nhiễm lưới Các sóng hài gây ra nhiều tác hại nghiêmtrọng như làm tăng tổn hao phụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổithọ các thiết bị điện, làm giảm chất lượng điện năng Do đó các sóng hài trên lướiphải 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 IEC1000-3-4 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 nămhọc tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS Ngô Đức Minhtôi 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 khắcphục”

Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng củasóng hài khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Từ đó, áp dụngcho 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 tảiđiện

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 phápmới

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 nhiênbản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của cácthầy cô giáo và người đọc

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ Trạm bù SVC TháiNguyên 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, truyềndẫn, phân phối đến tiêu thụ điện năng được kết nối theo một nguyên lý chung vềcân bằng năng lượng Mỗi hệ thống điện quốc gia có thể được mô tả như sơ đồtrên 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 tríkhác nhau trong HTĐ

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

Phụ tải HA LPP

LTT

- Lưới phân phối (LPP): Là hệ thống các trạm biến áp và mạng điện từcấp điện áp 35 kV trở xuống nhằm phân phối công suất cho các phụ tải tiêu thụđiện 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 trungtrong 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 caoáp

 Hệ thống điện địa phương hay hệ thống điện cô lập: Là một hệ thốngđiện 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 chocác 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 mộtđiểm nào đó của lưới điện tại điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụtải

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 điềukiện 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 cótiêu 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 nhưngluôn 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 ápCSPK để từ hóa mạch từ, trên đường dây CSPK hình thành do điện kháng đườngdây … Trong một chu kỳ tần số lưới, CSPK trao đổi qua lại giữa tải và máy pháthai 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 thiênngẫu 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 lướiđiện

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

Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế vàvận hành hệ thống điện Xác định chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệthống điện tối ưu về kinh tế và kỹ thuật Trong tính toán phụ tải có quy luật hoạtđộng 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 lượngđiện 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:

f  



+ Độ dao động tần số: Đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trịnhỏ 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  



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

+ 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 thànhphần sóng hài bậc cao Uj, Ij Sóng hài bậc cao này gây ra giảm điện áp trên đènđiện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điệnmôi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễucác thiết bị bảo vệ, điều khiển, điện tử,…

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

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải vềchất 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 nhưphương 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 năngngày càng tăng cao của người tiêu thụ; đảm bảo chất lượng phục vụ cao, an toànvới 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 phảnkháng của nguồn điện luôn phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tảitrong mọi thời điểm vận hành Có thể nói: Tần số chính là thước đo của côngsuất tác dụng, khi công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thìtần số sẽ giảm và ngược lại Do đó khi quan sát thấy nếu tần số cao hơn bìnhthường thì công suất nguồn thừa so với yêu cầu và ngược lại nếu tần số thấp hơnthì công suất phát ra đang thiếu so với yêu cầu Cân bằng công suất tác dụng cótính 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 suấtphản kháng nguồn nhỏ hơn yêu cầu của tải thì điện áp sẽ giảm đi và ngược lạikhi công suất phản kháng nguồn lớn hơn công suất phản kháng yêu cầu của tảithì điện áp sẽ tăng Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống lạivừa có tính chất địa phương, tức chỗ này của hệ thống điện có thể đủ công suấtphản kháng trong khi chỗ khác lại có thể thiếu

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

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 Qtại một điểm nút nào đó trên lưới cũng chính là điều chỉnh điện áp cho tại nútđóng đồng thời có cải thiện điện áp cho các nút lân cận

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 nănglượng không thể thiếu, nhất là trong các ngành công nghiệp và các đòi hỏi vềchất lượng điện năng cũng ngày một cao Cũng bởi lý do đó nhiều công trìnhnghiên 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 mộtkhái 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 trênnền tảng các phần tử điện tử công suất lớn Các thiết bị này có thể chia ra thànhcác nhóm theo cách đấu: Đấu nối tiếp, đấu song song, đấu hỗn hợp Đặc tínhhoạt động của chúng được suy ra từ hai kiểu bù nối tiếp lý tưởng và bù songsong lý tưởng

+ Bù song song lý tưởng: là điều khiển dòng công suất phản kháng trênlưới 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 đổibiên độ, góc pha điện áp nguồn

Công nghệ FACTS là dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage SourceInverter), VSC (Voltage Source Converter) công suất lớn Do sự phát triển củacông 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 việctruyền 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 phảnkháng;

- 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 đãmang 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 (nhưquá áp, mất đối xứng, ) tăng tính ổn định của hệ, tránh sự đóng cắt điện khôngcần thiết của các thiết bị bảo vệ Khi các lỗi này xảy ra với mức độ nằm trongmột 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 ảnhhưởng rất lớn đến chất lượng đáp ứng của hệ thống Trong khi đó, việc xây dựngmột 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 màkhông cần xây dựng mới mà vẫn đảm bảo tăng khả năng truyền tải CSTD, nângcao 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 SeriesController)

- Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: ThyristorControlled 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 SynchronousCompensator)

- 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 dựatrên 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 cáchthì điện áp Vs và Vr sẽ lệch nhau một góc 

Hình 1.3 Nguyên lý truyền tải điện năng

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, góclệch  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 côngsuất qua lại theo hướng mong muốn Các đại lượng Pr, Qr trao đổi giữa hai nguồnxác định theo công thức (1.2), (1.3)

P r = . sin 

L

X

Vr Vs

(1.2)

Q r = . (cos )

Vs

Vr X

Vr Vs

2- Các thiết bị bù song song

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

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

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

- Tăng khả năng ổn định tĩnh và ổn định động

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 hấpthụ 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 độtngột

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

Statcom là thiết bị bù song song dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộnghịch lưu nguồn áp VSI Cấu trúc của mạch lực Statcom bao gồm máy biến ápkết 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 sửdụng 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 giữaStatcom 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 lênlưới Trường hợp ngược lại thì ta có chế độ cảm kháng

Khác với SVC dựa trên điều khiển trở kháng, Statcom dựa trên việc điềukhiển nguồn điện áp Bởi vậy về kích thước Statcom nhỏ hơn so với SVC dokhông 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 sụtgiảm theo điện áp Do đó, trong những trường hợp điện áp bị sụt giảm thìStatcom có khả năng vận hành tốt hơn

Với sự phát triển của các lý thuyết và công nghệ ngày nay đã có nhiềuthiết bị điều khiển truyền tải điện năng mới với nhiều khả năng khác nhaunhưng 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 tạotín hiệu đặt cho VSI.

Nói chung Statcom được thiết kế cho cho việc bù công suất phản kháng vàkhông cần đến thành phần lưu trữ năng lượng Tuy nhiên, trong một số ứng dụngStatcom còn có thêm thành phần lưu trữ năng lượng như ắc quy thì nó có thêmkhả 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:

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), bộlọc 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 điệnkháng 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 dungcủa 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 phảnkháng;

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

- Giảm góc làm việc 

Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSI, tụ điện một chiều, máy biến áp kếtnối 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 TrongSSSC có mạch bảo vệ cho các thyristor, SSSC điều khiển điện kháng X của

đường dây thông qua Vq Nhờ cách đấu nối tiếp nên cho phép tạo ra tổng trởcách ly với các sóng hài giữa nguồn và tải theo ý muốn Sơ đồ cấu trúc của SSSCchỉ 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) giốngnhư TCSC.

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

4- Các thiết bị bù hỗn hợp.

Khi kết nối giữa Statcom và SSSC, hoặc kết hợp 2 bộ Statcom với nhau tatạo ra những khả năng mới trong việc điều khiển luồng công suất tác dụng, côngsuất 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 quakhâu một chiều trung gian Bởi vậy UPFC kết hợp được tính năng của cảStatcom và SSSC vừa có thể điều khiển góc lệch , vừa có thể điều khiển điệnkháng X của đường dây, điện áp UT Bên cạnh đó, việc điều khiển công suấtphản 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

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 tảtrên hình 1.13 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.14 Khi điều khiển Vl1, Vl2 sẽ dẫnđến điều khiển hai dòng điện Il1, Il2 ở trên đường dây 1 và 2 Từ đó thực hiệnđược phân luồng công suất trên mỗi đường dây truyền tải có giá trị công suấttheo yêu cầu của kịch bản điều độ Hoạt động này có ý nghĩa đặc biệt quan trọngkhi vận hành hệ thống điện trong chế độ không bình thường, nhằm ngăn chặnsớm 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 đổinối tương ứng Khi đó một số bộ biến đổi có thể phát hoặc thu công suất tácdụng trong khi các bộ biến đổi khác làm nhiệm vụ điều khiển điện áp một chiềutrung gian

nhiên, mỗi thiết bị ra đời trong một điều kiện hoàn cảnh khác nhau cả về thờigian 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 vềkhoa học kỹ thuật, công nghệ của cả bên hệ thống điện cũng như lĩnh vực chếtạo 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 Đềtài định hướng nghiên cứu vào một thiết bị cụ thể là trạm bù công suất phảnkháng kiểu SVC, trên cơ sở phân tích hoạt động của trạm đánh giá các ưu điểmđạt 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

2.1.1 Cấu trúc trạm SVC

Về cơ bản SVC gồm các phần tử chính là: Tụ điện có điện dung cố định(FC), tụ điện đóng mở bằng Thyristor (TSC), kháng điện đóng mở bằngThyristor (TSR) và kháng điện điều khiển bằng Thyristor (TCR) Tùy theo cách

tổ hợp có được những trạm khác nhau được giới thiệu trên hình 2.1a,b

- Hình 2.1 a) SVC là sự kết hợp của TCR và các bộ lọc thụ động FC(Fixed Capacitor)

- Hình 2.1 b) SVC là sự kết hợp của TCR (Thyristor Controlled Reactor)

và TSC (Thyristor Switched Capacitor)

a) Cấu hình TCR/FC b) Cấu hình TCR/TSC Hình 2.1 Sơ đồ mô tả các phần tử chính của trạm bù 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).

Kháng điện điều chỉnh bằng Thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trênnguyên lý điều khiển cặp Thyristor mắc song song ngược Nhờ khả năng có thểthay đổi được trị số trung bình của dòng điện đi qua thyristor liên tục thông quaviệc thay đổi góc mở α Theo nguyên tắc này, TCR có khả năng điều chỉnh giátrị công suất phản kháng rất nhanh

Khi góc mở α thay đổi trong khoảng từ 900 – 1800 thì TCR sẽ thay đổi giátrị điện kháng L làm thay đổi giá trị dòng điện trung bình qua TCR giảm dần từIdd về 0 Trong TCR gồm 2 phần tử chính, sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việcnhư trên hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR

Trong đó:

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

- Bộ van điều khiển loại Thyristor: Gồm 2 thyristor đấu song song ngược

có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua điện kháng L

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:

- Điều chỉnh liên tục được dòng điện I qua cuộn cảm L Do đó, giá trịđiện kháng XL hay chính là trị số công suất phản kháng tiêu thụ củaTCR được điều chỉnh liên tục

- Có khả năng điều chỉnh làm cân bằng lại phụ tải vì TCR có thể điềukhiển độc lập trên từng pha

- Khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh, không có giaiđoạn quá độ nhờ khả năng đáp ứng nhanh của van thyristor

Hình 2.3 Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR.

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

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ I giảm dần cho đến 0 khigóc mở α thay đổi từ 90 0 – 1800

Giả thiết điện áp đặt lên TCR có dạng hình sin Ta có biểu thức sau:

v = Vm.sin(ωt) = 2.V.sin(ωt) (2.1)Xét các khoảng góc mở α khác nhau:

- Trong khoảng ωt = (00, α): điện áp v > 0, điện áp đặt vào thyristor T2(VT2) là điện áp dương nhưng T2 chưa mở do chưa có xung mở vào cực

G của T2 Do đó không có dòng qua T1 nên dòng điện qua cuộn kháng

IL = 0

- Trong khoảng ωt = (α, 1800): Điện áp v > 0, điện áp VT2 dương và T2được mở tại thời điểm ωt = α Tại thời điểm ωt = 1800, dòng điện IL đạtgiá trị cực đại.

- Trong khoảng ωt = (1800, 3600 - α): Điện áp v < 0 nhưng nhờ sự tíchlũy điện trường trong cuộn cảm nên nó tạo ra một sức điện động eL.Sức điện động này lớn hơn và ngược hướng v Do đó, VT2 vẫn dương

và T2 tiếp tục dẫn

- Trong khoảng ωt = (3600 – α, 3600): Đó là thời điểm khi bề mặt A1 =A2 hay eL = v Điện áp VT2 qua điểm không, T2 khóa và dòng IL = 0.Qua phân tích cho thấy khi góc điều khiển α ≥ 900 thì dòng qua TCRkhông có dạng sin toàn phần và cho đến α = 1800 thì dòng bằng không, dòng quaTCR được xem như một sóng điều hòa gồm một phổ các sóng hài không cốđịnh Theo phân thích fuorier thành phần một thành phần có tần số cơ bản và cácsóng hài bậc cao Trong đó chỉ có thành phần dòng tần số cơ bản có tác dụng choviệc bù công suất phản kháng của SVC, còn lại các sóng hài chỉ làm gây ra cáctổn hao phụ trên thiết bị của trạm đồng thời gây ô nhiễm lưới

2.1.2.2 Các bộ tụ cố định FC (Fixed Capacitors)

Trong SVC, các bộ tụ cố định FC có chức năng phát một lượng công suấtphản kháng cố định lên lưới, trong khi đó TCR lại có thể điều chỉnh công suấtphản kháng hấp thụ từ lưới Nhằm tạo ra cho SVC, vừa có khả năng phát côngsuất phản kháng lên lưới khi điều chỉnh QL nhỏ hơn QC, vừa có khả năng hấp thụcông suất phản kháng từ lưới khi điều chỉnh QL lớn hơn QC

Tận dụng tụ điện tĩnh của nhánh FC (Fixed Capacitors) nếu bổ sung thêmmột điện cảm được tính toán phù hợp sẽ có thêm được chức năng của một bộ lọcthụ động LC lọc các thành phần sóng hài dòng điện sinh ra do sự hoạt động của

TCR và sóng hài sẵn có ở trên lưới, hình 2.5 Trong một SVC có thể thiết lậpnhiều nhánh FC có lọc tùy theo yêu cầu các sóng hài cần lọc, thông thường là 03nhánh tương ứng lọc cho các sóng hài lẻ bậc 3, 5,7

Hình 2.5 Nhánh FC của hệ thống SVC

2.1.2.3 Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switch

Capacitor)

Hình 2.6 Sơ đồ cấu tạo của TSC

Đối với trạm SVC sử dụng phần tử TSC như trên hình 2.1b Trong đó, tụđiện tĩnh C được đóng hoặc cắt bằng bộ đóng cắt không tiếp điểm sử dụng vanThyristor thực hiện chức năng phát công suất phản kháng lên lưới khi các vanđóng, hình 2.6 Trong đó:

L

- Tụ điện tĩnh C có dung lượng tính toán theo yêu cầu của từng SVC cụthể;

- 2 Thyristor đấu song song ngược, thực hiện chức năng như một máy cắt

- Cuộn kháng hãm L H có chức năng giới hạn sự tăng dòng điện qua TCR

và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện

Nhánh TSC biểu thị cho 1 điện dung hai trạng thái, hoặc là nối hoặc làngắt ra khỏi hệ thống Một trạm SVC thường được thiết kế có nhiều nhánh (phâncấp) TSC để có thể điều chỉnh CSPK phát lên lưới bằng cách thay đổi số lượngphân cấp TSC, khi cần phát tối đa CSPK thì toàn bộ các phân cấp TSC đượcđóng 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 năngtruyền 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

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

trên đường dây được tính là: 2 .

Hình 2.8 So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi

có bù và không có bù

Tuy nhiên, cách tính trên không hoàn toàn xác thực cho trạng thái vậnhành lâu dài vì việc tăng dòng trên đường dây còn phụ thuộc vào tiết diện thực tếcủa 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 làmtăng 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 côngsuất phát và công suất thu Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủđạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản50Hz (trong trường hợp này, hệ thống điện Việt Nam và Trung Quốc đều lựachọn tần số cơ bản là 50 Hz) Ngược lại, thu công suất thuộc về phía hộ tiêu thụhay còn gọi là tải với nhiều loại hình khác nhau là nguyên nhân dẫn đến sự xuấthiện các thành phần không sin trong hệ thống điện Nói một cách khác là cácsóng 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 bịméo 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 phụthuộc vào độ méo dạng so với ban đầu Hiện nay, tên gọi sóng hài là cách nóingắn 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=2πff (rad/s)

có thể phân tích chuỗi Furier được như sau:

Từ đó có thể viết được như sau:

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 méodạng và các sóng hài bậc lẻ có thể phân biệt thành các thành thành phần thứ tựthuận, nghịch, không hay gọi tắt là h1, h2, h3 như biểu diễn trên hình 2.11

Điện áp tại điểm nối

chung (Point Common

Couping PCC)

Nhiễu điện áptừng loại sóngđiều hòa (%)

Nhiễu điện áp tổng cộngcác loại sóng điều hòa

THD (%)

Trên 69 kV tới 161 kV 1,5 2,5

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

dòng đầu vào mỗi pha.

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

* h: bậc của sóng điều hòa

Bậc sóng điều

hòa (n)

Dòng điều hòa có thể chấp nhận được

(%)

Bậc sóng điềuhòa (n)

Dòng điều hòa có thể chấp nhận được

Với THD là hệ số méo dạng do IEEE đề xuất:

2 n n=2 1

X THD=

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=

U THD=

U





Trong 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 sửdụng điện cũng như thiết bị truyền tải điện Chúng gây ra quá áp, méo điện áplưới 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 tuổithọ 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 nhưgiá 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 hoặcgây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí trong máy điệnquay;

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

+ Các rơle bảo vệ: Sóng hài làm méo dạng điện áp, dòng điện, dẫn điếnthời 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 môilàm giảm dung lượng của tụ Sóng hài có thể ra hiện tượng cộng hưởng khôngxác định trước;

+ Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số các thiết bị đo, đặc biệt vớinhững 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 xácđịnh sai điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất làm hoạtđộng của mạch điều khiển bị sai lệch;

+ Đối với các thiết bị viễn thông: các sóng điều hòa bậc cao có thể gâysóng điện từ lan truyền trong không gian làm ảnh hưởng đến thiết bị thu phátsóng;

+ Đối với các thiết bị điện gia dụng làm việc không ổn định, đèn chiếusáng bị chập chờn;

+ Ngoài ra các sóng điều hòa bậc cao còn làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn

về sinh môi trường, tác động có hại các hệ động vật, thực vật xung quanh

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Trạm bù SVC thực tế tại Thái Nguyên

2.2.1 Giới thiệu chung

Trạm biến áp 220 kV Thái Nguyên trực thuộc truyền tải điện Thái Nguyên– Công ty truyền tải điện I, đóng trên địa bàn phường Quan Triều – TP.TháiNguyên – Tỉnh Thái Nguyên Trạm đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phânphối điện miền Bắc Trạm có tổng công suất 626 MVA trong đó có: 2 MBA 250MVA – 220/110/22 kV; 2 MBA 63 MVA – 110/35/22 kV; 07 ngăn lộ 220 kV;