Nghiên cứu ứng dụng tụ bùn dọc có điều khiển để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện

DANH mục các kí hiệu, chữ viết tắt SVC Static Var Compensator: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh UPFC Unified Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất GTO Gate turn off

BӜ GIÁO DӨC VÀ ĈÀO TҤO TRѬӠNG ĈҤI HӐC BÁCH KHOA HÀ NӜI

NguyӉn Ĉӭc Thuұn

-NGHIÊN CӬU ӬNG DӨNG TӨ BÙ DӐC CÓ ĈIӄU KHIӆN Ĉӆ NÂNG

CAO KHҦ NĂNG ӘN ĈӎNH CӪA Hӊ THӔNG ĈIӊN

Môc lôc

Trang

2.2 Lîi Ých khi sö dông thiÕt bÞ FACTS, ph©n lo¹i thiÕt bÞ FACTS 31

2.3.1 Tô bï däc ®iÒu khiÓn b»ng thyristor (TCSC) 34 2.3.2 Tô bï tÜnh ®iÒu khiÓn b»ng thyristor (SVC) 35 2.3.3 Tô bï ngang ®iÒu khiÓn thyristor (STATCOM) 36 2.3.4 ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn gãc pha b»ng Thyristor (TCPAR) 38 2.3.5 ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn dßng c«ng suÊt hîp nhÊt (UPFC) 39 2.4 Kh¶ n¨ng ¸p dông thiÕt bÞ FACTS t¹i ViÖt Nam 41

3.1.3 Tín hiệu điều khiển TCSC 51

3.2.2 Điều khiển TCSC theo tác động tối ưu 54 3.2.3 Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là công suất truyền tải 58

3.2.4 Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là dòng điện trên đường dây 59

3.2.5 Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là góc lệch δ 60

Chương 4 - nghiên cứu hiệu quả của TCSC với lưới điện 7

4.1 Hiệu quả nâng cao ổn định của TCSC với lưới 7 nút điển hình 62

4.1.1 Mô phỏng mạng lưới điện 7 nút điển hình 62

4.1.3 ứng dụng chương trình PSS/E với lưới 7 nút điển hình 69

4.2 ứng dụng TCSC cho lưới điện Việt Nam (sơ đồ năm 2010) 78

4.2.1 Đặt bài toán nghiên cứu cho lưới điện Việt Nam 78

4.2.2 Kết quả tính toán ổn định khi chưa có TCSC 80

4.2.3 Kết quả tính toán ổn định khi có TCSC và tín hiệu điều khiển là dòng

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan c«ng tr×nh nghiªn trªn lµ cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ tÝnh to¸n lµ chÝnh x¸c vµ trung thùc C«ng tr×nh nµy ch−a ®−îc c«ng bè trªn c¸c t¹p trÝ khoa häc nµo

Lời cảm ơn

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô tại Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô Khoa Điện đã truyền đạt cho em nhứng kiến thức quý báu để em có thể hoàn thành luận văn này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy Lã Minh Khánh đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn những thầy cô trong Trường Đại Học Điện Lực đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Nguyễn Đức Thuận

DANH mục các kí hiệu, chữ viết tắt

SVC Static Var Compensator: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh

UPFC Unified Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất GTO Gate turn off: Các cửa đóng mở

STACOM Static Compensator: Bộ bù tĩnh

SVG Static Var Generator: máy phát công suất phản kháng tĩnh

TCR Thyristor Controlled Reactor: Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor TSR Thyristor Switched Reactor: Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor

TSC Thyristor Controlled Capacitor: Tụ điện điều khiển bằng thyristor

SSSC Static Synchoronous Series Compensator: Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh

IPFC Interline Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất các đường dây

TCPAR ứng dụng Thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của

đường dây

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor: Tụ dọc điều khiển bằng thyristor VSC Voltage Source Converter: Bộ chuyển đổi nguồn điện áp

SVS Synchoronous Voltage Source: Nguồn điện áp đồng bộ

PSS/E Power System Simulator for Engineering: Chương trình phân tích, tính toán hệ thống điện

Danh môc c¸c b¶ng

B¶ng 4.1 Th«ng sè m¸y ph¸t ®iÖn 63

B¶ng 4.2 Th«ng sè c¸c ®iÖn kh¸ng cña m¸y ph¸t……….63

B¶ng 4.3 Th«ng sè c¸c m¸y biÕn ¸p……… 63

B¶ng 4.4 Ph©n bè c«ng suÊt phô t¶i cÊp ®iÖn ¸p m¸y ph¸t trong ngµy……… 64

B¶ng 4.5 Ph©n bè c«ng suÊt phô t¶i trung ¸p trong ngµy……… 64

B¶ng 4.6 C¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n C§XL trong PSS/E……….68

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản……… 15

Hình 1.2 Đặc tính công suất của hệ thống đơn giản khi cắt đột ngột 1 mạch đường dây……… 15

Hình 1.3 Hình vẽ minh họa phương pháp hình thang………23

Hình 1.4 Đặc tính công suất trên đường dây……… 23

Hình 2.1 Sơ đồ khối của các loại thiết bị FACTS……… 33

Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC……… …… 34

Hình 2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC……… 35

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM……… 37

Hình 2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCPAR……….38

Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo của UPFC………39

Hình 3.1 Cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor ………44

Hình 3.2 Biến thiên dòng điện trong TCR………44

Hình 3.3 Đặc tính điều chỉnh của TCR (a) và biên độ các sóng hài bậc cao (b)…… 45

Hình 3.4 Cấu tạo cơ bản của TCSC……… 46

Hình 3.5 Đặc tính thay đổi dung kháng của TCSC……… 49

Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển TCSC……… 50

Hình 3.7 Mô hình kênh điều chỉnh ổn định của TCSC……… 50

Hình 3.8 Mô hình điều khiển TCSC trong PSS/E……… 50

Hình 3.9 Sơ đồ HTĐ đơn giản……… 53

Hỡnh 3.10 Hiệu quả tỏc động đúng cắt tụ bự……….53

Hình 3.11 Lựa chọn thời điểm tác động tối ưu 57

Hình 3.12 Hiệu quả tác động TCSC theo tín hiệu công suất……….59

Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện 7 nút 62

Hình 4.2 Không gian trạng thái……….71 Hình 4.3 Các bước cơ bản tính toán mô phỏng động………72 Hình 4.4 Đặc tính góc lệch δ của các máy phát và hệ thống khi chưa có TCSC…… 73 Hình 4.5 Sơ đồ lưới đang xét khi có TCSC………73 Hình 4.6 Đặc tính góc lệch δ của các máy phát và hệ thống khi có TCSC (tín hiệu điều khiển là công suất)……….74 Hình 4.7 Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là công suất… 75 Hình 4.8 Dao động góc lệch roto khi chưa đặt và khi có đặt TCSC điều chỉnh bằng tín hiệu công suất (1-Chưa đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC)……… 75 Hình 4.9 Đặc tính góc lệch δ của các máy phát và hệ thống khi có TCSC (tín hiệu điều khiển là dòng điện)……….76 Hình 4.10 Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là dòng điện…77 Hình 4.11 Dao động góc lệch roto khi chưa đặt và khi có đặt TCSC điều chỉnh bằng tín hiệu dòng điện (1-Chưa đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC)………77 Hình 4.12 Sơ đồ lưới 500 kV khi lắp đặt thêm TCSC………79 Hình 4.13 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (Khi chưa lắp đặt TCSC)……… 80 Hình 4.14 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi đã lắp đặt TCSC – tín hiệu DDK là công suất)……….81 Hình 4.15 Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là công suất 81 Hình 4.16 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi đã lắp đặt TCSC – tín hiệu DDK là dòng điện)………82 Hình 4.17 Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là dòng điện…83

mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

Cùng với quá trình đổi mới và phát triển kinh tế của đất nước, hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam đang có những bước phát triển nhảy vọt, cả về quy mô, công suất lẫn phạm vi lưới cung cấp điện

Từ năm 1994 đường dây siêu cao áp 500 kV đầu tiên của Việt Nam, Với tổng chiều dài gần 1500 km đã được xây dựng xong và đưa vào vận hành, nối liền HTĐ 3 khu vực (Bắc, Trung, Nam) thành một HTĐ hợp nhất

Việc hình thành HTĐ hợp nhất Bắc – Trung – Nam đã nâng cao hiệu quả kinh

tế, độ tin cậy vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nhanh chóng các nguồn điện đa dạng, công suất lớn, mở rộng phạm vi lưới điện trên khắp các miền của đất nước Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng sơ đồ HTĐ Việt Nam với cấu trúc ngày càng phức tạp, cũng xuất hiện kèm theo nhiều vấn đề kỹ thuật cần quan tâm giải quyết, trong đó có vấn đề đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy cho HTĐ hợp nhất

Theo dự báo và quy hoạch phát triển sơ đồ HTĐ Việt Nam đến năm 2020 thì mỗi năm về nhu cầu điện năng vẫn liên tục tăng trưởng với tốc độ (10 - 15)% mỗi năm Nhiều nguồn điện mới cần được đưa vào với quy mô công suất ngày càng lớn Lưới

điện 500 kV sẽ phát triển hầu như khắp các miền của đất nước: từ nhà máy thuỷ điện Sơn La đến Mũi Cà Mau Vấn đề điều chỉnh công suất (tác dụng và phản kháng) để

đảm bảo ổn định và chất lượng điện năng trở thành vấn đề phải quan tâm đặc biệt

Cùng với sự phát triển nhanh chóng về quy mô ở hầu hết các nước trên thế giới, nhiều thiết bị và phương tiện điều khiển mới đã ra đời nhằm đáp ứng nâng cao độ tin cậy và ổn định trong vận hành của các HTĐ phức tạp, đặc biệt trong hệ thống truyền tải

điện áp cao và siêu cao áp Đặc biệt là các thiết bị điều khiển nhanh, mềm dẻo áp dụng cho lưới truyền tải điện xoay chiều (FACTS) Các thiết bị này bước đầu được nghiên

cứu áp dụng cho HTĐ Việt Nam

Đề tài đã chọn nhằm nghiên cứu một phần của vấn đề trên: “nghiên cứu ứng dụng của thiết bị bù dọc có điều khiển để nâng cao khả năng ổn định cho HTĐ”

- Nghiên cứu áp dụng các phương tiện điều chỉnh điều khiển để nâng cao tính ổn

định và làm việc tin cậy của Hệ thống điện [8]

- Nghiên cứu các thuật toán điều khiển hiệu quả QTQĐ để nâng cao ổn định

3 Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu:

Từ hiện trạng và nhiều vấn đề của hệ thống điện Việt Nam cần được quan tâm,

có thể thấy vấn đề nghiên cứu ổn định động và điều khiển ổn định là nội dung có ý nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống điện hiện đại

Mục đích chính của đề tài là:

- Dựa trên lý thuyết hiện đại về tính toán phân tích ổn định của HTĐ phức tạp, nghiên cứu mô hình tính toán phân tích ổn định động của HTĐ

- Nghiên cứu mô hình động của TCSC trong tính toán phân tích QTQĐ Đánh giá so sánh hiệu quả của thuật toán cũng như tín hiệu điều chỉnh TCSC ứng với các trường hợp sự cố

- Nghiên cứu hiệu quả áp dụng TCSC trong việc nâng cao ổn định động sơ đồ HTĐ Việt Nam tương ứng với sơ đồ đến năm 2010

Đối tượng nghiên cứu:

Tính toán phân tích hiệu quả nâng cao ổn định động của thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC) cho lưới điện 7 nút, đánh giá hiệu quả nâng cao ổn định động khi lắp đặt TCSC vào hệ thống điện Việt Nam sơ đồ năm 2010

Phạm vi nghiên cứu:

Luận văn so sánh đánh giá các thuật toán điều khiển TCSC và đánh giá hiệu quả của TCSC khi điều chỉnh theo một số các tín hiệu khác nhau (công suất, dòng điện) nhằm mục đích giảm dao động công suất khi có sự cố

Luận văn cũng đánh giá hiệu quả ứng dụng TCSC trong việc nâng cao khả năng

ổn định động cho một lưới điện điển hình gồm 7 nút và mở rộng tính toán phân tích cho

hệ thống điện 500kV Việt Nam (sơ đồ năm 2010)

Luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu như sau:

- Tổng quan về phương pháp tính toán phân tích ổn định động HTĐ

- Giới thiệu về Các thiết bị FACTS và ứng dụng trong HTĐ

- Hiệu quả của TCSC trong việc nâng cao ổn định động cho hệ thống điện

- Nghiên cứu hiệu quả của TCSC với lưới điện 7 nút và ứng dụng tcsc cho lưới

điện Việt Nam

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Hiệu quả ứng dụng thiết bị FACTS nói chung, và TCSC nói riêng phụ thuộc rất nhiều vào tín hiệu và thuật toán điều khiển Luận văn dựa trên cơ sở nghiên cứu tổng

quan về phương pháp phân tích ổn định động cho HTĐ, cũng như các nghiên cứu về mô hình điều khiển thiết bị FACTS, đã so sánh và đánh giá hiệu quả của tín hiệu điều chỉnh TCSC nhằm mục đích nâng cao ổn định động cho hệ thống điện

Trong luận văn tác giả đi phân tích hiệu quả của thuật toán điều khiển TCSC theo tác động đóng cắt và tác động tối ưu Phân tích hiệu quả và lựa chọn hai loại tín hiệu

điều khiển liên tục (công suất và dòng điện) Sử dụng chương trình PSS/E để mô phỏng

và đánh giá kết quả phân tích ổn định động qua đồ thị góc lệch của roto máy phát Các kết quả tính toán mô phỏng trên sơ đồ điển hình 7 nút và sơ đồ hệ thống 500kV Việt Nam cho thấy hiệu quả ứng dụng cao của TCSC nhằm giảm dao động công suất Tuy nhiên việc lựa chọn tín hiệu điều chỉnh đúng trong mỗi trường hợp sự cố sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị

5 Phương pháp nghiên cứu

Các nội dung nghiên cứu trong luận văn sử dụng các đánh giá phân tích lý thuyết điều khiển cũng như kết quả tính toán ứng dụng mô hình thiết bị FACTS trong sơ đồ hệ thống điện Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng bao gồm:

- Mô phỏng tác dụng điều khiển của TCSC trong hệ phương trình QTQĐ nhằm thể hiện hiệu quả của các thiết bị này trong nâng cao ổn định động trong hệ thống điện liên kết Trên cơ sở phân tích mô hình điều khiển của thiết bị, đánh giá và so sánh hiệu quả điều chỉnh trong từng trường hợp cụ thể

- ứng dụng chương trình máy tính để tính toán phân tích quá trình quá độ Sử dụng các số liệu cụ thể về các đặc trưng động của các phần tử trong hệ thống điện, mô phỏng các phần tử HTĐ với các thông số này trong chương trình PSS/E Các đánh giá chế độ được thực hiện trên cơ sở phân tích kết quả tính toán đặc tính công suất, góc lệch roto máy phát của chương trình Nghiên cứu thực hiện đầy đủ trên sơ đồ hệ thống

điện điển hình 7 nút nhằm mục đích minh họa và kiểm tra, cũng như phát triển mô hình phù hợp nghiên cứu cho HTĐ 500kV thực tế của Việt Nam

Chương I Tổng quan về phương pháp tính toán phân tích

ổn định động trong htđ

1.1 Khái niệm về ổn định động trong hệ thống điện

ổn định động được hiểu là khả năng hệ thống điện giữ được trạng thái làm việc cân bằng sau những kích động lớn Các kích động này có thể là sự thay đổi đột ngột về cấu trúc của mạng lưới điện hoặc các sự cố ngẫu nhiên xảy ra trong hệ thống như các sự

cố ngắn mạch, khi đóng cắt các đường dây liên kết, đóng cắt các nguồn điện có công suất lớn và các tác động do thao tác vận hành làm mất cân bằng công suất trong hệ thống Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá vỡ, xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto của máy phát Quá trình quá độ của hệ thống có thể ổn định hoặc không ổn định tuỳ thuộc mức độ của các kích động: thời gian tồn tại

sự cố và các tác động giải trừ sự cố

Điều kiện để một hệ thống có ổn định động là:

- Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố

- Thông số biến thiên hữu hạn trong QTQĐ và dao động tắt dần về thông số xác lập mới

Khác với ổn định tĩnh là khả năng duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống dưới tác động của các kích động nhỏ, nghiên cứu ổn định động xem xét các chế độ sự cố Trong các chế độ này các dao động công suất phát sinh có liên quan đến dao động góc lệch roto của các máy phát điện đồng bộ trong hệ thống Dao động góc lệch roto phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi cân bằng giữa mômen điện từ và mômen cơ của mỗi máy phát đồng bộ Đối với hệ thống nhiều máy phát, nếu góc lệch giữa các máy phát trong hệ thống vẫn còn trong miền giới hạn, hệ thống duy trì đồng bộ Thường thì sau khi góc lệch tương đối giữa hai máy phát nào đó vượt quá 180o thì quá trình sau đó các góc lệch sẽ tăng nhanh.Trạng thái không đồng bộ xảy ra khi dao động góc lệch của

một hoặc vài máy phát lệch xa với các máy phát còn lại trong hệ thống, hay điện áp hệ thống bị sụp đổ Sự mất đồng bộ trong hệ thống điện sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng

là làm hệ thống điện tan rã

Quá trình chuyển động có đồng bộ hay không đồng bộ được thể hiện rõ thường trong vòng 2 - 3 s, có khi chỉ trong vài chu kỳ đầu sau sự cố Nếu các máy phát mất

đồng bộ từ chu kỳ đầu tiên của QTQĐ, thì xem như hệ thống đã mất ổn định

Xét hệ thống điện đơn giản như hình vẽ sau:

A ht

A gt

Hình 1.2 Đặc tính công suất của hệ thống đơn giản

khi cắt đột ngột 1 mạch đường dây Các đặc trưng của quá trình quá độ được xem xét khi có kích động lớn: cắt đột ngột 1 đường dây Công suất Tua bin PT được coi như là giữ không đổi, công suất điện

từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp δ:

P(δ)= . sinδ

H

X

U E

đã được giải phóng hết, do PT < P(δ ) nên điểm làm việc chuyển từ d về c Góc rôto giảm dần đến thời điểm δ =δ 2, do quán tính lại tiếp tục giảm dần về giá trị δ 0 Cứ như vậy ta được quá trình dao động góc δ Nếu không có yếu tố cản tác động, góc máy phát sẽ dao động mãi như trên Nhưng do có mômen cản của ma sát nên quá trình dao

động sẽ tắt dần về điểm cân bằng c, ứng với chế độ xác lập mới Trường hợp này chế độ quá độ diễn ra bình thường và hệ thống điện ổn định

Phần diện tích giới hạn giữa đặc tính PT và P(δ ) sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo trên hình vẽ) tỉ lệ với năng lượng tích luỹ trong rôto và năng lượng hãm Trong khoảng ứng với δ và 1 δ là năng lượng ứng với quá trình tích luỹ động năng 2trong rôto; giữa δ và 2 δ là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng năng 3lượng đã tích luỹ Nếu trong trường hợp điện kháng đường dây chiếm tỉ trọng lớn trong

điện kháng đẳng trị của hệ thống, đặc tính công suất điện từ sau khi cắt 1 đường dây hạ xuống rất thấp Khi đó quá trình hãm tốc của rôto có thể kéo dài đến δ , thời điểm mà 4công suất điện bắt đầu nhỏ hơn công suất cơ, rôto lại tiếp tục được tăng tốc dù động năng tích luỹ chưa được giải phóng hết Từ đó tiếp tục qúa trình tích luỹ động năng lên

trị số rất lớn, góc lệch δ sẽ vượt quá 2π và tăng vô hạn Trong trường hợp này hệ thống mất ổn định động

Phân tích trên cho thấy ổn định động của hệ thống điện gắn liền với khả năng giữ trạng thái làm việc đồng bộ của các máy phát Tuy nhiên quá trình quá độ khi sự cố của

hệ thống điện lớn có nhiều máy phát đòi hỏi sự đánh giá phân tích phức tạp hơn

1.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định cho hệ thống điện phức tạp

Trên thực tế, có rất nhiều phương pháp tính ổn định động của hệ thống điện Tuỳ theo mức độ chính xác yêu cầu và độ phức tạp của các hệ thống khác nhau mà có phương pháp tương ứng Để tính toán ổn định động cần phải dựa vào hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ của các máy phát trong hệ thống Các thông số của phươnng trình vi phân thay đổi mạnh khi có các kích động lớn xảy ra nên không thể dùng phương pháp tuyến tính hóa như nghiên cứu ổn định tĩnh Trong quá trình nghiên cứu ổn định động, hệ thống được mô hình hoá dưới các dạng khác nhau tuỳ theo phương pháp nghiên cứu Một trong các phương pháp được sử dụng để nghiên cứu ổn

định thông dụng nhất là phương pháp tích phân số

Ưu điểm của phương pháp tích phân số là có thể áp dụng cho mọi mô hình và cấu trúc khác nhau của hệ thống điện Phương pháp này thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ, tìm ra dao động góc lệch rôto theo thời gian, và

đưa ra kết luận về tính ổn định động của hệ thống Nhược điểm của phương pháp tích phân số là: khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, không thuận tiện khi đánh giá nhanh mức độ ổn định tĩnh của hệ thống điện

Một phương pháp đơn giản khác là phương pháp trực tiếp của Lyapunov Phương pháp này đánh giá tính ổn định của hệ thống bằng cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov từ miền kích động ban đầu Cũng có thể sử dụng phương pháp diện tích để tiến hành đẳng trị hoá hệ thống về mô hình đơn giản hoá trong 1 vài trường hợp cụ thể

1.2.1 Phương pháp tích phân số

Phương pháp này thực hiện quá trình tích phân số giải hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ để đưa ra sự biến thiên của các thông số hệ thống theo thời gian t để

đánh giá tính ổn định động của hệ thống Quá trình giải hệ phương trình phi tuyến có dạng tổng quát sau, gặp rất nhiều khó khăn:

dx f x t( , )

dt =Trong đó:

x : véc tơ trạng thái

f(x,t): hàm của biến trạng thái x và thời gian t

Nhiệm vụ của phương pháp này là tìm ra biến thiên của x(t) với sơ kiện bài toán tại thời điểm ban đầu x0 và t0 Để phân tích ổn định động của hệ thống điện sử dụng mô hình quá trình quá độ với độ chính xác cấp 3, bỏ qua ảnh hưởng của các thành phần dao

động tắt dần, ảnh hưởng của biến thiên tần số đến mô hình lưới Các hệ phương trình mô tả quá trình quá độ của hệ thống bao gồm: phương trình quá độ điện cơ của máy phát, phương trình quá độ điện từ trong cuộn dây rôto, phương trình qúa độ của bộ điều chỉnh tốc độ và bộ kích từ

- Phương trình quá độ điện cơ của các máy máy phát trong hệ thống:

2 2 0

thiên tần số đến mô hình lưới Thay thế các phụ tải dưới dạng tổng trở hằng số không

đổi, tiến hành đẳng trị hoá đưa hệ thống về sơ đồ đơn giản chỉ bao gồm các nút nguồn Khi đó, biểu thức công suất tác dụng và thành phần dòng điện dọc trục theo sức điện

Các bước tính quá trình quá độ theo phương pháp tích phân số:

+ Từ điều kiện đầu của bài toán tương ứng với các thông số chế độ xác lập trước

sự cố xác định các giá trị E qi' ,δi cho chế độ sự cố

+ Giải hệ phương trình đại số tuyến tính xác định EQi, trong đó các hệ số của phương trình đã có sự thay đổi

+ Giải hệ phương trình vi phân xác định các giá trị tiếp theo của E qi' ,δi Khi xét

đến ảnh hưởng của các bộ điều chỉnh cần phải bổ xung các phương trình của bộ điều tốc và bộ kích từ (sự biến thiên PTi, Eqi)

Kết quả cuối cùng ta thu được sự biến thiên của các thông số hệ thống theo thời gian Dựa vào dao động các góc lệch rôto theo thời gian để phân tích tính ổn định của

hệ thống Hệ thống được coi là ổn định nếu dao động góc không vượt qua ±3600 Trường hợp ngược lại là hệ thống mất ổn định động

Trên thực tế, có rất nhiều phương pháp tích phân số được sử dụng, có thể chia thành 2 nhóm chính: Phương pháp 1 bước (Euler, Euler- Cosi, Runge -Kutta,…) và phương pháp nhiều bước (Milne, Heminge,…) Trong đó được sử dụng phổ biến nhất là

2 phương pháp Euler và Runge – Kutta

dx x x x

=+

=

∆+

0 0

!2)

* 3 0

* 2 0

* 0

dx x

=+

1 1

Vì phương pháp giải x ở đạo hàm cấp 1 nên ta gọi phương pháp bậc 1 Để tăng

độ chính xác, ∆t phải đủ nhỏ áp dụng phương pháp này phải chú ý đến việc nâng cấp của sai số vì một sai số nhỏ bước trước có thể cho sai số lớn ở bước tiếp theo

2 Phương pháp Euler cải biên

Phương pháp Euler trên thường không chính xác do dùng đạo hàm từ thời điểm

đầu của khoảng chia thời gian Phương pháp Euler cải biên khắc phục nhược điểm trên

bằng đạo hàm điểm trung bình khoảng chia:

- Bước dự báo : Dùng phép đạo hàm ở thời điểm đầu của khoảng chia đầu tiên, để dự báo bước tiếp theo

t x x dt

dx x

=+

0 0

- Bước hiệu chỉnh: Dùng giá trị dự báo xp

1, lấy trung bình của đạo hàm điểm đầu và

điểm dự báo

t x x dt

dx x x dt

dx x

2

1

1 0

0

Để chính xác hơn, ta có thể thực hiện trung bình đạo hàm tại x = x0 và x = xc

1 lần nữa, sẽ cho ta thêm một bước hiệu chỉnh, và có thể tiếp tục lặp lại để được kết quả mong muốn

3 Phương pháp Runge-Kutta

Phương pháp này cũng dựa trên khai triển chuỗi Taylor, tuy nhiên không cần xét

đến thành phần đạo hàm bậc cao mà ảnh hưởng của nó vẫn được tính đến qua một số

ước lượng của đạo hàm bậc 1 Tuỳ theo độ chính xác tính toán đến các đạo hàm bậc cao

mà chia phương pháp thành nhiều cấp:

Phương pháp Runge- Kutta cấp 2:

2 3

0

( , )

t t

1 ) 1

t x f t x f

t x

Qu¸ tr×nh lÆp dõng l¹i khi x(m)i+ 1 −x(m−1)i+ 1 ≤ε víi ε lµ gi¸ trÞ cho tr−íc

Hình 1.3 Hình vẽ minh họa phương pháp hình thang

5 Nhận xét về phương pháp

Phương pháp tích phân số có thể sử dụng cho mọi mô hình hệ thống điện Nhưng trên thực tế áp dụng lại gặp nhiều khó khăn và hạn chế, phải sử dụng nhiều giả thiết đơn giản hóa

Phương pháp tích phân số có nhược điểm chính là chỉ cho phép nhận được lời giải ứng với một điều kiện đầu cụ thể Quá trình giải hệ phương trình vi phân quá độ rất phức tạp, thiếu chính xác và thời gian tính toán lâu Không thích hợp cho việc đánh giá nhanh tính ổn định tĩnh của hệ thống điện Hạn chế ứng dụng trong tính toán và điều khiển trực tuyến hệ thống

Quá trình tính toán ổn định động của hệ thống dựa trên tiêu chuẩn diện tích với các giả thiết đơn giản hoá sau:

- Công suất cơ không đổi

- Không xét các yếu tố làm giảm dao động như mô men cản ma sát, ảnh hưởng của bộ kích từ

- Máy phát có mô hình đơn giản hay cổ điển

Phương pháp diện tích đánh giá sự ổn định của hệ thống thông qua sự biến thiên của góc lệch rôto: Nếu sau kích động góc lệch δ đạt giá trị cực đại rồi dao động tắt dần quanh điểm cân bằng sau sự cố (công suất cơ PT bằng công suất điện Pe) với góc lệch δlớn hơn thì hệ thống là ổn định Bản chất của phương pháp là không cần giải hệ phương trình vi phân quá độ mà căn cứ diện tích tăng tốc và diện tích hãm tốc tương ứng với quá trình tích luỹ và giải phóng năng lượng của rôto bị gia tốc khi có kích động xảy ra

Hệ thống được xem xét ổn định động khi xảy ra ngắn mạch trên một trong hai

đường dây kép và sau sự cố đường dây bị sự cố được cắt ra Khi cấu trúc lưới thay đổi, trên hình 1.4 thấy đường đặc tính công suất thay đổi từ đường 1 (đặc tính trước sự cố) xuống đường 3 (chế độ sự cố) và đường 2 (chế độ sau sự cố) Giả sử công suất cơ không thay đổi PT trong suốt quá trình tính toán Năng lượng của rôto trong quá trình tăng tốc

tỉ lệ với diện tích giới hạn bởi đường đặc tính cơ và đặc tính điện trong quá trình sự cố

2( )

P δ (phần gạch dọc A1) Năng lượng hãm tốc tỉ lệ với diện tích giới hạn A2 bởi đường

đặc tính công suất sau sự cố P3( )δ và công suất cơ PT ổn định hệ thống điện được đánh giá thông qua hệ số dự trữ ổn định:

η =A2ưA1 hoặc 2 1

1

A A A

Tiêu chuẩn diện tích có thể tìm ra góc cắt giới hạn δ , từ đó tìm ra thời gian cắt ghgiới hạn tcgh từ đường cong biến thiên δ( )t phục vụ cho việc chỉnh định thiết bị bảo vệ rơle Phương pháp diện tích có ưu điểm là đơn giản, dễ dàng thực hiện, thời gian tính toán nhanh, cho phép nghiên cứu tìm ra miền ổn định, tìm ra góc cắt giới hạn, tính độ

dự trữ ổn định

Hạn chế của phương pháp là không thể sử dụng với sơ đồ hệ thống điện phức tạp, nhưng vẫn có thể vận dụng thuận tiện sau khi đã tiến hành biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ hệ thống về dạng đơn giản với độ chính xác có thể chấp nhận được

1.2.3 Phương pháp trực tiếp (phương pháp thứ hai của Lyapunov)

Phương pháp trực tiếp nghiên cứu ổn định nói chung của hệ thống thông qua việc thiết lập một hàm -V mới dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi phân quá trình qua

độ (kích động là độ lệch ban đầu so với điểm cân bằng) Hàm –V cần đảm bảo có những tính chất nhất định, từ đó có thể phán đoán tính ổn định của hệ thống Các tính chất đó là:

Hệ thống có ổn định nếu tồn tại hàm –V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian là một hàm không đổi dấu, ngược dấu với hàm –V hoặc là một hàm đồng nhất bằng 0 trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống

Hệ thống có ổn định tiệm cận nếu tồn tại hàm –V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần cũng có dấu xác định nhưng ngược dấu với hàm –V trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống

Về nguyên tắc, phương pháp trực tiếp của Lyapunov rất hiệu quả, khẳng định

được chắc chắn sự ổn định của hệ thống nếu tìm được hàm -V với các tính chất cần thiết như trên, có thể nghiên cứu được ổn định của hệ thống với kích động bất kì Tuy nhiên, việc áp dụng gặp nhiều khó khăn và hạn chế, nhất là đối với hệ thống điện vì việc thiết lập hàm không theo qui tắc chặt chẽ Với hàng loạt hệ thống có cấu trúc riêng người ta đưa ra qui tắc thiết lập hàm và hàm –V bao giờ cũng thiết lập được nhưng các tính chất đảm bảo cho hệ thống ổn định có thể có hoặc không tuỳ thuộc vào độ lệch ban

đầu Ví dụ điển hình là dùng hàm hàm năng lượng toàn phần làm hàm –V, khi đó dấu của hàm luôn xác định dương nhưng dấu của đạo hàm toàn phần theo thời gian phụ thuộc vào độ lệch trạng thái so với điểm cân bằng Để đánh giá ổn định, năng lượng tích luỹ trong quá trình quá độ sẽ được so sánh với năng lượng cực đại mà hệ thống có thể hấp thụ Trong quá trình qúa độ, có sự tích luỹ và chuyển đổi liên tục giữa động năng và thế năng Nếu kích động lớn, giá trị động năng tích luỹ vượt quá giới hạn ổn

định thì hệ thống mất ổn định Ngược lại, khi kích động nhỏ, động năng tích luỹ sẽ chuyển hết thành thế năng trước khi đạt tới giới hạn, quá trình quá độ dao động tắt dần

và trở về điểm cân bằng bền

Nhận thấy rằng không phải lúc nào hàm –V cũng tìm thấy được nên việc áp dụng phương pháp trực tiếp của Lyapunov cho đến nay vẫn rất hạn chế Do ưu điểm của phương pháp có thể xác định được miền giới hạn ổn định nên nhiều công trình nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo hướng mở rộng đang được triển khai

1.2.4 Phương pháp diện tích mở rộng (EEAC)

Phương pháp này có thể tận dụng những ưu điểm của phương pháp tích phân số

và phương pháp diện tích để tính toán ổn định hệ thống điện Bằng cách cho thử thời gian cắt sự cố rồi sử dụng phương pháp tích phân số sẽ xác định được sự biến thiên của các thông số trong quá trình quá độ như dao động công suât cơ, góc lệch rôto … theo thời gian Khi ấy dựa vào sự biến thiên của góc lệch rôto chia máy phát thành 2 nhóm chính: Nhóm nghiêm trọng (candicate critical machines) và nhóm ít nghiêm trọng (Candicate non-critical machines) Tiến hành quá trình đẳng trị hoá hệ thống điện phức tạp thành mô hình đơn giản 1 máy phát nối với 1 nút hệ thống có công suât vô cùng lớn (OMIB One-machine-infinite-bus) Các thông số đặc trưng của hệ thống OMIB sẽ được tính toán từ các thông số của hệ thống điện như là đặc tính cơ và đặc tính điện biến thiên theo góc lệch rôto δ Sau khi tiến hành đẳng trị hoá hệ thống, áp dụng phương pháp diện tích để tính toán và phân tích ổn định động của mô hình OMIB Một trong các thông số cần xem xét là độ dự trữ ổn định (Stability Margin η ) Như vậy ứng với

mỗi thời gian cắt sự cố cho trước sẽ xác định được độ dự trữ ổn định của hệ thống Bằng một vài phép lặp ta có thể tính được thời gian cắt giới hạn của hệ thống

Phương pháp này có thể áp dụng cho hệ thống điện phức tạp, tìm được thời gian cắt giới hạn khá chính xác Một ưu điểm khác là thời gian và khối lượng tính toán ít Phương pháp này được gọi là phương pháp diện tích mở rộng (EEAC Extend Equal-Area Criterion)

Thuật toán này bao gồm các bước sau:

Việc tính toán hệ số dự trữ ổn định trong trường hợp mất ổn định và ở giới hạn

ổn định sử dụng biểu thức sau:

nâng cao ổn định động HTĐ, hay là bài toán điều khiển nâng cao QTQĐ của HTĐ, cần

được thực hiện nhằm đảm bảo hệ thống đạt các mục tiêu sau:

- Giữ được hệ thống điện ổn định trong các tình huống sự cố nặng nề, hay là hệ thống không bị mất ổn định động trong trường hợp cụ thể

- Dao động trong QTQĐ giảm đến chế độ xác lập vối tốc độ giảm càng nhanh càng tốt

- Phạm vi dao động các thông số chế độ của hệ thống (bao gồm các thông số góc lệch, điện áp, tần số, công suất ) nằm trong giới hạn cho phép

Xét ở phương diện của bài toán điều khiển lý tưởng, điều khiển hệ thống nâng cao ổn định động là bài toán điều khiển tối ưu Tuy nhiên QTQĐ của hệ thống điện có nhiều lý do làm hạn chế đến chất lượng của bài toán điều khiển tối ưu như : QTQĐ diễn

ra nhanh so với khả năng thực hiện tác động của thiết bị trên HTĐ Sự tác động chậm ( sau khoảng 0.1s) sẽ không còn hiệu quả vì HTĐ mất ổn định diễn ra từ chu kỳ đầu Ngoài ra với tính chất đa dạng của những kích động lớn, xác định lời giải của các hệ phương trình phi tuyến cấp cao và nhiều tình huống ngẫu nhiên là hết sức phức tạp

Dựa trên nguyên lý điều khiển tối ưu và áp dụng trên mô hình đơn giản, các phương pháp điều khiển hệ thống đã ứng dụng nhiều trong các hệ thống điện như :

- Điều khiển kích từ máy phát

- Điều khiển truyền động tuabin

- Cắt máy phát điện

- Cắt nhanh thiết bị để loại trừ sự cố

- Tự động đóng lại nhanh một pha

- Sa thải phụ tải hợp lý

- Bù công suất phản kháng

- Sử dụng các thiết bị điện tử linh hoạt FACTS

- Điều khiển thích hợp góc lệch điện áp nhanh bằng các máy biến áp xoay pha

1.4 Kết luận chương một

Trong những năm gần đây HTĐ Việt Nam đang phát triển rất nhanh chóng về quy mô, đặc biệt là nhu cầu về phụ tải điện ngày càng lớn Chính vì thế lưới điện thường xuyên phải làm việc gần giới hạn ổn định và nguy cơ mất ổn định động là rất cao Do đó việc nghiên cứu, phân tích, theo dõi để đảm bảo ổn định động cho HTĐ Việt Nam là rất cần thiết

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật cung tạo ra một nhu cầu áp dụng kỹ thuật, công nghệ hiện đại vào vận hành, quy hoạch, thiết kế HTĐ như: thiết bị điện tử công suất (thiết bì FACTS, thiết bị điều khiển, tự động) và ứng dụng máy tính điện tử, các chương trình tính toán để phân tích qua trình quá độ diễn ra trong HTĐ

Luận văn đặt ra vấn đề nghiên cứu hiệu quả của thiết bị FACTS để nâng cao ổn

định động cho HTĐ và các mô phỏng sẽ thực hiện trên máy tính nhằm đánh giá khả năng áp dụng vào HTĐ 500kV Việt Nam

Chương ii

Giới thiệu về Các thiết bị FACTS và ứng dụng

trong hệ thống điện

2.1 Đặt vấn đề

Sự phỏt triển nhanh chúng của cụng nghệ chế tạo thiết bị điện tử cụng suất và vi

xử lý trong thời gian qua đó và đang cú tỏc động rất lớn đến cỏc thiết bị được sử dụng

để vận hành hệ thống điện Cỏc thiết bị điện tử cụng suất lớn và vi xử lý đó làm cho việc truyền tải và phõn phối điện năng ngày càng tin cậy, khả năng điều khiển cao và đạt được hiệu quả như mong muốn

Hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) dùng để mô tả việc sử dụng các thiết bị điều khiển công suất lớn để điều khiển hệ thống

điện Với công nghệ FACTS cho phép chúng ta điều khiển được dòng công suất, tăng khả năng truyền tải đến gần với giới hạn nhiệt cho phép của đường dây, tăng cường khả năng truyền tải giữa các vùng với nhau và giảm thiểu các dao động trong hệ thống

Các thiết bị điều khiển FACTS cho phép thay đổi các tham số liên quan đến vận hành hệ thống bao gồm điện kháng đường dây, điện áp, dòng điện, góc pha và các dao

động ở các tần số khác so với tần số cơ bản Các thông số này được điều chỉnh không

được vợt quá giá trị cho phép trong khi vẫn duy trì được độ ổn định của hệ thống, nói cách khác là không làm giảm khả năng truyền tải của đường dây Bằng cách thêm vào các thiết bị có tính linh hoạt cao, thiết bị điều khiển FACTS có thể cho phép một đường dây truyền tải đến sát giới hạn nhiệt của nó Các thiết bị điều chỉnh cơ khí cần có thời gian đáp ứng nhanh với các thiết bị điện tử công suất Cũng cần nhấn mạnh rằng công nghệ FACTS chỉ là một công nghệ thêm vào, chứ nó không thể thay thế hoàn toàn các thiết bị đóng cắt cơ khí

Công nghệ FACTS không phải là một thiết bị điều khiển công suất lớn riêng rẽ

mà là một tập hợp nhiều thiết bị điều khiển, có thể được sử dụng độc lập hoặc kết hợp

với nhau để điều chỉnh một hay nhiều các tham số hệ thống đã đề cập ở trên Việc lựa chọn thiết bị FACTS phù hợp có thể giải quyết được những hạn chế truyền tải trên

đường dây do cấu trúc vật lý của dây dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất nhập khẩu điện năng phát triển

2.2 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS, phân loại thiết bị FACTS

2.2.1 Các ưu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS

Sử dụng các thiết bị FACTS cho phép

+ Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn

+ Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu

+ Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt

+ Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống

Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nước

ta hiện nay Do đó khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp

2.2.2 Phân loại thiết bị FACTS

Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm 4 loại:

1 Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers): Loại thiết bị này cho phép thay

đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp trên đường dây Điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi

2 Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers): Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai Tất cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút

3 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series-series Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng được bù

độc lập cho mỗi đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao

đổi qua nguồn liên kết Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp -nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng đối đa hệ thống truyền tải

4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series-shunt Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ

được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp

Trên hình 2.1 là sơ đồ khối cơ bản của các thiết bị FACTS

a Ký hiệu chung cho thiết bị FACTS

b Thiết bị điều khiển nối tiếp

c Thiết bị điều khiển song song

d Thiết bị điều khiển nối tiếp hợp nhất

e Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song kết hợp

f Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song hợp nhất

g Thiết bị điều khiển hợp nhất cho nhiều dây dẫn

h Thiết bị điều khiển nối tiếp có tích lũy năng lượng

i Thiết bị điều khiển song song có tích lũy năng lượng

j Thiết bị điều khiển song song hợp nhất có tích lũy năng lượng

®−êng d©y ®−êng d©y

®−êng d©y

®iÒu khiÓn kÕt hîp

Liªn kÕt nguån 1 chiÒu

®−êng d©y Liªn kÕt nguån 1 chiÒu

Liªn kÕt nguån 1 chiÒu

c) b)

2.3 Một số thiết bị FACTS

2.3.1 Tụ bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)

TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Nó được

tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt dung kháng (có thể thay đổi được nhờ bộ điều chỉnh van thyristor)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các cửa

đóng mở GTO,

Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của HTĐ

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình sau:

C L

Thyristor MOV

HT Điều khiển

I

180 90

| Z |

Cảm kháng Dung kháng Vùng không HĐ

Biểu đồ hoạt dộng Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ

- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong HTĐ

Ngoài ra, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành các ĐDSCA nói riêng và HTĐ nói chung Tuỳ theo yêu cầu của từng ĐDSCA cụ thể và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ

2.3.2 Tụ bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC)

SVC (Static Var compensator) là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ CSPK tuỳ theo chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor; các cửa đóng

mở (GTO- Gate turn off)

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể

mà không cần dùng đến những thiết bị bù đặc biệt và phức tạp trong vận hành như các

bụ bù tĩnh điện hay máy bù đồng bộ Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

2.3.3 Tụ bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM)

STATCOM là sự hoàn thiện của tụ bù tĩnh SVC, bao gồm các bộ tụ điện được

điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor và cửa đóng mở GTO So với SVC, nó

có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là

nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

DD

MBA liên kết

c Biểu đồ hoạt dộng

điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải

đột ngột

Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ

được sự cố

- Có thể phát CSPK khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới và ngược lại, tiêu thụ CSPK khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới

2.3.4 Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng Thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây

MBA nối tiếp

Hình 2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCPAR

Về mặt cấu tạo nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây

Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng điều chỉnh trào lưu công suất là rất cao

Các tính năng của TCPAR bao gồm :

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

2.3.5 Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC)

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển

điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các

đường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây siêu cao áp nối liên kết giữa các HTĐ nhỏ UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả

Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo của UPFC

Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp của một bộ tụ bù dọc làm thay đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) và một bộ tụ bù ngang STATCOM Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor có cửa

đóng mở GTO Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBA trung gian điện áp thấp (xem hình 2.6)

MBA nối với bộ chuyển đổi qua thanh cái làm việc (Buswork) và máy cắt được mô tả trên hình Mỗi một bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào đó, bộ chuyển đổi còn lại có thể điều khiển vận hành độc lập

Về nguyên lý, UPFC có 3 chế độ vận hành, bao gồm:

X X

U P

U

U X

sin.2

1

1 1

ϕπ

U

U U

- X: Điện kháng của đường dây truyền tải

- δ: Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối của đường dây