Nghiên cứu đặc tính động của thiết bị BTB trong điều kiện lõm điện áp

Các thiết bị FACTS phổ biến ngày nay là bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM STATic Synchronous Compensator, bộ điều khiển dòng công suất thống nhất UPFC United Power Flow Controller và hệ thống B

i

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI CAM ĐOAN vi

LỜI NÓI ĐẦU vii

Chương 1 1

TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN TẢI LINH HOẠT FACTS1 1.1 Giới thiệu chung về các thiết bị FACTS 1

1.1.1.Tìm hiểu chung về các thiết bị FACTS 1

1.1.2 Cấu hình cơ bản của các thiết bị FACTS 2

1.2.Công nghệ truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC 5

1.2.1.Nguyên lí hoạt động hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC 5

1.2.2.Một số hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều trên thế giới 9

1.3 Hệ thống Bac- to-Back 12

Chương 2 14

VẤN ĐỀ SUY GIẢM ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI 14

2.1 Những nguyên nhân gây ra suy giảm điện áp trên lưới 14

2.2 Các dạng suy giảm điện áp thường gặp 16

Chương 3 19

HỆ THỐNG BTB (BACK-TO BACK) CÔNG SUẤT 50 MW 19

3.1 Mô hình hệ thống và nguyên lý điều khiển 19

3.1.1 Mô hình hệ thống 19

3.1.2 Nguyên lý điều khiển của hệ thống 21

3.2 Thiết kế các bộ điều khiển 22

3.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện 23

3.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp một chiều 26

3.2.3 Khâu phát xung SPWM 28

3.3 Tính toán số liệu mô phỏng 30

3.4 Kết quả mô phỏng, sử dụng phần mềm PSCAD/EMTDC 34

ii

3.4.1 Khi hệ thống bình thường 35

3.4.2 Khi hệ thống gặp sự cố trên một lưới 40

Chương 4 45

ẢNH HƯỞNG CỦA SUY GIẢM ĐIỆN ÁP ĐẾN 45

HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 45

4.1 Tính toán điện áp trên dc – link trong điều kiện suy giảm điện áp 45

4.2 Tính toán thành phần dòng điện và công suất 54

KẾT LUẬN 57

PHỤ LỤC 58

P1 Các số liệu dùng trong mô phỏng 58

P2 Biến đổi d-q cho (4.19) 59

Trước hết, (4.19) có thể viết thành : 59

P3 Tìm nghiệm phương trình (4.29) 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản các thiết bị FACTS 2

Hình 1.2 Tham số ứng dụng của các van bán dẫn hiện đại 4

Hình 1.3 Cấu hình cơ bản của hệ thống HVDC ……… …… 5

Hình 1.4 Bản đồ vị trí tuyến HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo(Brazil)……… 9

Hình 1.5 Bản đồ vị trí tuyến HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines…….…….10

Hình 1.6 Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ…… … 11

Hình 1.7 Cấu hình hệ thống BTB 12

Hình 2.1 Suy giảm điện áp do khởi động động cơ 14

Hình 2.2 Suy giảm điện áp do đóng máy biến áp 15

Hình 2.3 Suy giảm điện áp do lỗi một pha 15

Hình 2.4 Một số dạng mất cân bằng điện áp hay gặp 16

Hình 2.5 Sự cố trên đường dây truyền tải 17

Hình 2.6 Các dạng mất cân bằng điện áp của từng khu vực 17

Hình 3.1 Hệ thống BTB 50 MVA 19

Hình 3.2 Đấu nối giữa converter cell và máy biến áp 20

Hình 3.3 Kết nối giữa các máy biến áp 21

Hình 3.4 Sơ đồ mạch tương đương của lưới 2 21

Hình 3.5 Đồ thị vector điện áp của hệ thống BTB 22

Hình 3.6 Cấu hình mô phỏng của hệ thống 23

Hình 3.7 Bộ điều khiển dòng theo luật PI 25

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh áp 27

Hình 3.9 Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu 29

iv

Hình 3.10 Phát xung SPWM cho IGBT 30

Hình 3.11 Đồ thị đặc tính dòng điện với T=0.1(s) …… 32

Hình 3.12 Đồ thị đặc tính dòng điện với T=0.01(s) …… 32

Hình 3.13 Đồ thị đặc tính dòng điện với T=3(ms) …… 33

Hình 3.14 Đồ thị đặc tính dòng điện với T=1(ms) …… 33

Hình 3.15 - 3.18 Đồ thị điện áp (trường hợp bình thường)……….….……….35

Hình 3.19 -3.22 Đồ thị dòng điện (trường hợp bình thường) ……37

Hình 3.23 Công suất trao đổi của hệ thống (trường hợp bình thường) 39

Hình 3.24 – 3.27 Đồ thị điện áp (trường hợp sự cố lõm điện áp) 40

Hình 3.28 – 3.31 Đồ thị dòng điện (trường hợp sự cố lõm điện áp) 42

Hình 3.32 Công suất trao đổi của hệ thống khi có suy giảm điện áp ……….44

Hình 4.1 Đồ thị vec tơ các dạng suy giảm điện áp……… ……45

Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc mạch của máy biến áp 500kV/33kV ở phía lưới điệp áp 2……….……… 46

v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

FACTS Flexible AC Transmission System Hệ thống truyền tải

xoay chiều linh hoạt STATCOM Static Synchronous Compensators Bộ bù đồng bộ tĩnh

công suất hợp nhất

bằng cực điều khiển

vi

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Vũ Quang Dũng

Sinh ngày : 22/04/1987

Học viên lớp cao học khóa 2011 - Ngành Điều khiển và Tự Động Hóa - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan đề tài “NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

BTB TRONG ĐIỀU KIỆN LÕM ĐIỆN ÁP” do TS Phạm Việt Phương hướng dẫn

là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Ngoài các tài liệu tham khảo đã dẫn ra ở cuối luận văn, tôi đảm bảo rằng không sao chép các công trình hoặc kết quả của người khác Nếu phát hiện có sự sai phạm với điều cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Vũ Quang Dũng

vii

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học và xã hội nhu cầu sử dụng điện năng được tăng cao trong đời sống sinh hoạt và sản xuất, các hệ thống truyền tải điện được ứng dụng ngày càng nhiều nhằm đáp ứng nhu cầu về sử dụng Vì thế sự hiểu biết về các hệ thống này là một việc hết sức cần thiết đối với một thạc sĩ ngành điện nói chung và bộ môn Tự động hóa nói riêng

Với việc học lý thuyết và thực hành là hai việc luôn đi song song với nhau để giúp học viên có kiến thức sâu và rộng Chính vì vậy làm luận văn tốt nghiệp sẽ giúp học viên tiếp cận công nghệ nhanh hơn và hiểu rõ về công nghệ mới đang

được ứng dụng nhiều hơn Với đề tài : “NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA

THIẾT BỊ BTB TRONG ĐIỀU KIỆN LÕM ĐIỆN ÁP”

Tôi thấy đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế lớn Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt thầy Phạm Việt Phương đã giúp tôi hoàn thành luận văn này Trong bản luận văn này mặc dù đã cố gắng song với sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và các bạn để bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Học viên thực hiện

Vũ Quang Dũng

1

Chương 1 TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC THIẾT BỊ TRUYỀN TẢI

LINH HOẠT FACTS

1.1 Giới thiệu chung về các thiết bị FACTS

1.1.1.Tìm hiểu chung về các thiết bị FACTS

Trong nhiều năm trở lại đây, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao ở rất nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên những khó khăn về năng lượng, kinh tế, và môi trường đã trì hoãn việc xây dựng những nhà máy điện cũng như hệ thống truyền tải điện mới Trước thực trạng này, vấn đề đặt ra đối với các hệ thống điện là phải được điều khiển linh hoạt, cung cấp và được truyền tải tốt hơn, vì vậy khái niệm về

hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) được đưa ra Các thiết bị FACTS phổ biến ngày nay là bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM (STATic Synchronous Compensator), bộ điều khiển dòng công suất thống nhất UPFC (United Power Flow Controller) và hệ thống Back-to-Back (BTB System) đã được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện với mục đích làm tăng tính

ổn định và tăng khả năng truyền tải [4]

STATCOM là thiết bị FACTS sử dụng bộ biến đổi công suất lớn với các van bán dẫn có khả năng tự chuyển mạch đầu tiên ở hệ thống điện Vào năm 1991, lần đầu tiên trên thế giới, một hệ thống STATCOM công suất 80 MW được đưa vào lắp đặt trong hệ thống truyền điện tải tại trạm biến áp Inuyama của Công ty điện lực Kansai Nhật Bản nhằm nâng cao sự ổn định của hệ thống điện [9] Tháng 3 năm

1992, Công ty điện lực Tokyo và tập đoàn Toshiba cùng nhau thử nghiệm lắp đặt một hệ thống STATCOM-50 MVA sử dụng các van GTO (Gate-turn off thyristor) tại trạm biến áp Shin-Shinano để xác minh hiệu quả thực tế và độ tin cậy lâu dài của

hệ thống [10] Vào năm 2004, hệ thống STATCOM 80 MVA do công ty điện lực Kansai lắp đặt tại trạm biến áp Kanzaki nhằm duy trì điện áp ổn định mà không phá

vỡ tải các trạm khi gặp các sự cố đột ngột [11]

UPFC là thiết bị FACTS có khả năng điều khiển dòng công suất hợp nhất trên đường dây một cách linh hoạt Khái niệm UPFC được tiến sĩ Gyugyi đưa ra lần đầu

2

tiên vào năm 1991, hệ thống UPFC được lắp đặt sớm nhất tại trạm biến áp Inez bang Kentucky Mỹ có dung lượng 160 MVA bởi công ty điện lực Hoa Kỳ (AEP), nhằm tăng khả năng truyền tải điện và nâng cáo chất lượng điện áp ở khu vực Inez [6], [12], [13] Năm 2003, hệ thống UPFC 80 MVA sử dụng các van GTO được Tổng công ty Điện lực Hàn Quốc (KEPCO) lắp đặt tại trạm biến áp Kangjin để truyền tải công suất và ổn định hệ thống điện khu vực Kangjin [14], [15]

Hệ thống Back-to-Back (BTB) là một bước tiến tiếp theo trong việc áp dụng các

bộ biến đổi công suất lớn sử dụng thế hệ các van bán dẫn có khả năng tự chuyển mạch vào trong hệ thống truyền tải điện năng nhằm mục đích điều khiển dòng công suất, biến đổi tần số và điều chỉnh điện áp Vào tháng 9 năm 1996, hệ thống BTB

100 MW với phần điện áp một chiều 10 kV được ABB đưa vào hoạt động nhằm thay đổi tần số giữa lưới điện ba pha 50 Hz và lưới điện một pha 162

3-Hz ở Bremen, Đức với mục đích phục vụ cho hệ thống tàu điện ở khu vực này [18], [19]

1.1.2 Cấu hình cơ bản của các thiết bị FACTS

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản các thiết bị FACTS

bộ VSC được đấu nối với nhau thông qua liên kết một chiều còn phần xoay chiều của chúng được nối với lưới thống qua các máy biến áp mắc theo kiểu shunt và series Cấu hình này cho phép UPFC có khả năng trao đổi cả công suất tác dụng và công suất phản kháng với lưới bằng cách bơm vào lưới một dòng điện ở phía nối shunt và một điện áp ở phần nối series Hệ thống BTB có cấu hình tương tự với UPFC, gồm có hai bộ VSC nối với nhau thông liên kết một chiều và nối với lưới qua các máy biến áp mắc kiểu shunt BTB kết nối giữa hai lưới điện khác nhau có khả năng điều khiển sự trao đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng độc lập với nhau, ngoài ra còn điều chỉnh điện áp, tần số

Nhìn chung, các thiết bị FACTS đưa ra ở trên đều sử dụng bộ biến đổi nguồn áp thay vì sử dụng bộ biến đổi nguồn dòng bởi hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn [4] Về cơ bản, khi thiết kế các bộ biến đổi nguồn áp, có thể dựa trên hai loại van bán dẫn khác nhau Một là sử dụng các loại van bán dẫn thông thường, như các thyristor Silicon Controlled Rectifier (SCR) là các loại thyristor chỉ có khả năng điều khiển mở bằng xung điều khiển và không điều khiển đóng bằng xung được mà phải dùng một nguồn ngoài cung cấp điện áp chuyển mạch Việc phải dùng thêm một nguồn phụ nêu trên sẽ làm tiêu tốn công suất phản kháng và đôi khi trong quá trình chuyển mạch sẽ gặp phải sự cố ở chế độ nghịch lưu do các sóng hài dòng điện bậc thấp gây ra Tuy nhiên với những thành tựu đạt được gần đây của công nghệ bán dẫn, thế hệ các van bán dẫn kiểu mới ra đời, có khả năng tự động chuyển trạng thái mở và ngắt, chịu được dòng và áp lớn, được đưa vào dùng trong bộ biến đổi nguồn áp đã hoàn toàn loại bỏ được những nhược điểm mà khi sử dụng các van thế

hệ trước gặp phải [3] Các van bán dẫn kiểu mới được biết đến như các thyristor GTO (Gate Turn Off thyristor), các transistor IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor), IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)

Hình 1.2 mô tả khả năng ứng dụng của các van bán dẫn ở các dải điện áp và dòng điện khác nhau [1] Theo đó, các van bán dẫn dạng SCR có thể chịu được điện

áp / dòng điện ở mức 12 kV /1.5 kA và 4.8 kV /5 kA, với các van GTO, GCT,

4

IGCT là 6 kV/ 6 kA, các van IGBT là 6.5 kV /0.6 kA hoặc 1.7 kV /3.6 kA Thông thường, những bộ biến đổi công suất trên lưới phải có khả năng duy trì hoạt động ngay cả khi lưới điện gặp phải sự cố hay mất cân bằng Vì vậy, các thiết bị bán dẫn được sử dụng thường phải đáp ứng được những tính chất sau [5]:

 Điện áp khóa van cao

 Dòng điện khóa van cao

 Công suất tổn hao trên van thấp

 Thời gian đóng, mở van ngắn

 Phù hợp cho mắc nối tiếp nhiều van

 Chịu được biến thiên điện áp, dòng điện lớn

 Thoát nhiệt tốt

 Ít hỏng hóc

Hình 1.2 Thông số ứng dụng của các van bán dẫn hiện đại [1]

Về cơ bản, việc lắp đặt, vận hành những thiết bị FACTS nhằm mang lại những mục đích sau đối với hệ thống truyền tải điện:

 Nâng cao chất lượng điện năng

 Điều hòa điện năng

 Giảm độ nhấp nhô điện áp

 Liên kết hệ thống điện giữa các khu vực

Những bộ biến đổi công suất thường được sử dụng trong các thiết bị FACTS là các bộ nghịch lưu đa mức, với các sơ đồ như cầu H nối tầng, sơ đồ dùng diod kẹp tạo điểm trung tính hoặc sử dụng tụ bay

1.2.Công nghệ truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC

Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp (HVDC – High Voltage Direct

Current) là một phương pháp truyền tải điện năng với công suất lớn và khoảng cách

xa Kĩ thuật truyền tải một chiều này bắt đầu được phát triển mạnh từ thập niên ba mươi thế kỉ trước.Trước thập niên 70 các van hồ quang thủy ngân được sử dụng rộng rãi để thiết kế các hệ thống truyền tải một chiều, sau đó các hệ thống truyền tải một chiều chỉ còn sử dụng các thiết bị bán dẫn trạng thái rắn (Solid – State Semiconductor Device ).Cùng với sự phát triển của các van điện tử công suất có điều khiển (Thiristor, GTO, IGBT,…) đến nay đã khiến cho công nghệ truyền tải điện một chiều trở nên có tính khả thi cao

1.2.1.Nguyên lí hoạt động hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao HVDC

Hình 1.3.Cấu hình cơ bản của hệ thống HVDC

6

Cầu chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo giống nhau, phía chỉnh lưu cho phép dòng công suất đi từ phía xoay chiều (AC.) sang phía 1 chiều (DC.), phía nghịch lưu thì cho phép đi từ phía DC sang phía AC Các bộ chuyển đổi công suất có chế độ làm việc khác nhau ở góc mở  , bộ chỉnh lưu làm việc với góc 00    900, bộ nghịch lưu làm việc với góc 900    1800.Các van Thyristor làm việc như những chiếc khóa đóng – mở, nó sẽ mở và dẫn dòng khi có xung kích hoạt vào cực điều khiển (pulse gate) và đồng thời được đặt điện áp thuận lên 2 cực (Anot + Katot-) Mỗi Thyristor chỉ dẫn dòng theo 1 chiều duy nhất, nó chỉ khóa khi được đặt một điện áp ngược lên 2 cực A-K và dòng về 0

 Quá trình chuyển mạch:

Quá trình chỉnh lưu và nghịch lưu của các bộ chuyển đổi công suất cao áp 1 chiều dựa trên quá trình chuyển mạch tự nhiên (natural commutation) Các van hoạt động như những thiết bị chuyển mạch sao cho điện áp xoay chiều đầu vào (AC) lần lượt được đóng mở để có đầu ra là điện áp 1 chiều Đồng thời với quá trình chuyển mạch của bộ chuyển đổi, ở 2 đầu ra trạm nghịch lưu đấu nối vào hệ thống AC phải là điện áp xoay chiều 3 pha sạch (không có sóng hài) Khi một van được mở, nó sẽ bắt đầu dẫn dòng trong khi van tiếp theo có dòng giảm dần về 0 và đóng Trong quá trình chuyển mạch, dòng điện sẽ lần lượt chảy qua đồng thời 2 van xác định

 Quá trình chỉnh lưu:

Mỗi van sẽ mở khi nó nhận được xung kích hoạt ở cổng G (gate) và điện áp thuận đặt lên nó lớn hơn điện áp thuận của van đang dẫn Dòng điện chảy qua van không thể thay đổi đột ngột vì sự chuyển mạch phải qua cuộn dây máy biến áp Điện kháng của cuộn dây máy biến áp đóng vai trò là điện kháng chuyển mạch Giá trị điện kháng chuyển mạch tại bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được mô phỏng bởi điện kháng Xc Tổng hợp các dòng qua van sẽ được chuyển sang phía DC và chạy qua cuộn kháng phía một chiều (kháng san phẳng) Kháng san phẳng và kháng chuyển mạch trong MBA sẽ san phẳng dòng điện một chiều đầu ra của bộ chỉnh lưu

 Quá trình nghịch lưu:

Hệ thống điện xoay chiều 3 pha của lưới điện sau máy biến áp sẽ cung cấp điện áp xoay chiều 3 pha đặt lên các van của bộ nghịch lưu Điện áp xoay chiều này sẽ đặt lên Thyristor các điện áp thuận và điện áp nghịch, gây ra quá trình chuyển mạch giữa các van giống như là phía chỉnh lưu Điều kiện để các van mở và dẫn dòng là

Ưu điểm của hệ thống truyền tải điện một chiều điện áp cao:

- Tổn thất công suất trên đường dây truyền tải của hệ thống DC thấp hơn AC cùng điện áp Theo tính toán của chương VI thì tổn thất của đường dây DC chỉ bằng 80% đường dây AC khi truyền tải cùng công suất, khoảng cách Điều này dẫn đến chi phí tổn thất điện năng của hệ thống HVDC thấp hơn HVAC

- Chi phí đầu tư cho trạm chuyển đổi AC-DC và DC-AC cao hơn rất nhiều so với chi phí xây dựng trạm biến áp xoay chiều, chi phí này cần được bù đắp bởi chi phí giảm được của đường dây 1 chiều và tổn thất điện năng Khoảng cách càng dài thì truyền tải 1 chiều càng có lợi, từ đó xuất hiện một điểm cân bằng, tại đó 2 hệ thống

DC và AC có tổng chi phí tương đương Điểm cân bằng thường được tính theo chiều dài và có khoảng cách từ 600-800 km Đối với hệ thống HVDC sử dụng cáp

- Đối với những đường cáp biển có chiều dài trên 50km thì truyền tải bằng đường cáp xoay chiều là không khả thi, trong khi đó, cáp HVDC có thể truyền tải hàng trăm km (lên đến 600km)

- Hệ thống HVDC có khả năng cách ly sự cố rã lưới và tăng độ ổn định hệ thống điện Sự cố rã lưới năm 2003 ở Bắc Mỹ gây hậu quả rất nghiêm trọng, gây mất điện trên diện rộng và chỉ dừng lại khi gặp đường dây một chiều liên kết với Canada Nhiều hệ thống HVDC có khả năng phát ra công suất phản kháng độc lập với công suất tác dụng, do đó có tác dụng như nguồn áp, có thể cấp điện cục bộ cho những hệ thống điện yếu, tăng ổn định hệ thống điện

- Các nhược điểm về mặt kỹ thuật của hệ thống HVDC chủ yếu liên quan đến vấn

đề xử lý sóng hài khá phức tạp, nếu không được lọc tốt có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các máy điện xoay chiều, gây nhiễu sóng thông tin liên lạc

9

1.2.2.Một số hệ thống truyền tải điện cao áp 1 chiều trên thế giới

 HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo (Brazil)

Hình 1.4.Bản đồ vị trí tuyến HVDC+/-600kV Itaipu (Paraguay) – Sao Paulo(Brazil)

Cho đến thời điểm này, đây là hệ thống truyền tải điện 1 chiều vận hành điện áp cao nhất thế giới (+/-600kV) nối thủy điện Itaipu 12600 MW (Paraguay) với thành phố Sao Paulo (Brazil) thông qua 4 mạch DC (2 mạch kép) Hệ thống này hiện thuộc quyền sở hữu của Furnas Centrais Elétricas S.A (Brazil) Pha 1 là đường dây mạch kép vận hành ở cấp 300kV năm 1984 và nâng lên 600kV năm 1985 Pha 2 là đường dây mạch kép còn lại vận hành năm 1987 Ban đầu, trạm chuyển đổi được vận hành với công suất dạng bậc thang sao cho tương ứng với các giai đoạn lắp máy của nhà máy thủy điện

 HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines

Hình 1.5.Bản đồ vị trí tuyến HVDC 350kV Leyte – Luzon, Philipines

Dưới sự quản lý của tập đoàn điện lực quốc gia Philipines, đường dây HVDC 350kV truyền tải công suất 440 MW từ nhà máy địa nhiệt trên đảo Leyte tới phía nam đảo Luzon liên kết với hệ thống xoay chiều Ngoài cung cấp công suất cho hệ thống điện chính của Philipines, đường dây HVDC còn tăng cường ổn định hệ thống điện xoay chiều Hệ thống HVDC này vận hành 10/08/1998

Một số thông số cơ bản:

- Công suất truyền tải: 440 MW

- Điện áp 1 chiều: 350 kV

- Chiều dài đường dây trên không: 430 km

- Chiều dài cáp biển: 21 km

11

 HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ

Hình 1.6.Bản đồ vị trí tuyến HVDC +/-500kV Rihand – Delhi, Ấn Độ

Tập đoàn nhiệt điện quốc gia Ấn Độ đã xây dựng một nhà máy nhiệt điện chạy than công suất 3000 MW tại quận Sonebhadra thuộc bang Uttar Pradesh, gọi tên là trung tâm nhiệt điện Rihand Một phần công suất ở Rihand được truyền về Delhi bằng đường dây một chiều lưỡng cực, công suất 1500 MW điện áp +/- 500kV Phần còn lại được phát lên lưới xoay chiều 400kV Có nhiều lý do để lựa chọn hệ thống HVDC +/-500kV thay vì AC400kV, nhưng những lý do chính là: lợi ích kinh tế tốt nhất, mất ít hành lang tuyến, tổn thất truyền tải thấp hơn, ổn định hệ thống điện và khả năng điều khiển tốt hơn

Một số thông số kỹ thuật:

- Năm vận hành: 1990

- Công suất truyền tải: 1500 MW

- Điện áp truyền tải: +/- 500 kV

- Chiều dài đường dây trên không: 814 km

- Lý do lựa chọn HVDC: chiều dài lớn, ổn định hệ thống điện

12

1.3 Hệ thống Bac- to-Back

Hệ thống Back To Back (BTB) được cấu tạo từ các bộ biến đổi công suất lớn

sử dụng các van bán dẫn có khả năng tự chuyển mạch, van chịu được dòng điện và điện áp rất lớn Và sử dụng công nghệ truyền tải điện một chiều cao áp HVDC Hệ thống BTB được lắp đặt trong lưới điện nhằm mục đích điều khiển dòng công suất, chuyển đổi tần số của lưới, điều chỉnh điện áp hoặc sự kết hợp của các thành phần trên Hệ thống BTB được sử dụng rộng rãi nhờ vào những ưu điểm sau [17]-[20]:

 Quá trình chuyển mạch không bị lỗi ngay cả khi điện áp sụt giảm hoặc gặp sự cố ở hệ thống lưới điện

 Kết nối đồng bộ giữa 2 hệ thống lưới điện

 Không cần thiết bị cung cấp công suất phản kháng khi ngắn mạch hệ thống

 Không cần lọc sóng hài vì nó tạo ra điện áp gần như hình sin ở phía xoay chiều

 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng độc lập với nhau

Hình 1.7 Cấu hình hệ thống BTB

Trong hình 1.7, hệ thống BTB được lắp đặt giữa hai lưới điện gần nhau Hai bộ biến đổi được liên kết bới mạch DC Khi điện năng được truyền tải từ lưới 1 sang lưới 2, bộ biến đổi 1 hoạt động như một bộ chỉnh lưu, còn bộ 2 hoạt động như một

bộ nghịch lưu Hệ thống BTB có thể điều khiển dòng công suất tác dụng và công

13

suất phản kháng từ lưới điện vào hệ thống BTB hoặc điều chỉnh biên độ và góc pha tại đầu ra của điện áp xoay chiều ở mỗi bên của hệ thống BTB Sự tương tác giữa các thành phần tác dụng và phản kháng có thể được triệt tiêu bằng cách chuyển đổi các giá trị tức thời của điện áp ba pha và dòng điện sang hệ tọa độ d-q [17]

Một hệ thống BTB khi hoạt động sẽ gặp các vấn đề trong khi truyền tải như suy giảm điện áp trên lưới, hao phí công suất trên đường dây truyền tải Trong bản luận văn này sẽ trình bày những đặc tính, vấn đề cơ bản của hệ thống BTB 50 MVA hoạt động giũa 2 lưới điện gần nhau khi hoạt động bình thường và xảy ra sự cố suy giảm điện áp trên lưới qua các chương sau:

 Chương 2 : Vấn đề suy giảm điện áp trên lưới truyền tải

 Chương 3: Hệ thống BTB 50 MVA : Đề cập đến mô hình của hệ thống BTB trên lý thuyết, thiết kế các khối điều khiển , bộ điều chỉnh dòng điện, điện áp, khâu phát xung và kết quả mô phỏng hoạt động của hệ thống trong trường hơp bình thường và khi có sự cố

 Chương 4: Ảnh hưởng của suy giảm điện áp đến hoạt động của hệ thống BTB : Gồm có ảnh hưởng của hệ số lõm điện áp, của thông số bộ điều chỉnh dòng, điều chỉnh điện áp đến hoạt động của hệ thống thông qua các biểu thức tính toán

14

Chương 2 VẤN ĐỀ SUY GIẢM ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI

2.1 Những nguyên nhân gây ra suy giảm điện áp trên lưới

Suy giảm điện áp trên lưới là hiện tượng mà điện áp lưới có biên độ đột ngột thấp hơn so với bình thường trong một khoảng thời gian tương đối ngắn Các nguyên nhân gây ra là do điện áp bị lỗi, đóng ngắt máy biến áp hoặc động cơ vào lưới dẫn đến việc dòng điện tăng mạnh kết quả là điện áp giảm xuống đột ngột Mặc

dù thời gian diễn ra tương đối ngắn nhưng ảnh hưởng của suy giảm điện áp đến hệ thống, các thiết bị vận hành và tải là rất nghiêm trọng

Khi động cơ khởi động, dòng khởi động cần phải đạt giá trị rất lớn lúc đóng động cơ vào lưới Điện áp ba pha của lưới sẽ đột ngột giảm xuống và dần dần phục hồi sau đó cân bằng trở lại khi tải của động cơ cân bằng

Hình 2.1 Suy giảm điện áp do khởi động động cơ [23]

Khi động cơ khởi động, dòng khởi động cần phải đạt giá trị rất lớn lúc đóng động cơ vào lưới Ở hình 2.1 Điện áp ba pha của lưới sẽ đột ngột giảm xuống và dần dần phục hồi sau đó cân bằng trở lại khi tải của động cơ cân bằng

15

Hình 2.2 Suy giảm điện áp do đóng máy biến áp [23]

Khi đóng một máy biến áp có công suất lớn vào lưới cũng gây hiện tượng suy giảm điện áp tuy nhiên độ suy giảm ở mỗi pha của lưới là không đều nhau và quá trình phục hồi điện áp diễn ra chậm (hình 2.2)

Hình 2.3 Suy giảm điện áp do lỗi một pha [23]

Khi có lỗi trên một pha của đường dây truyền tải, gây ra suy giảm điện áp , điện

áp sau khi phục hồi có biên độ bằng với biên độ điện áp trước khi sảy ra sự cố (hình 2.3)

16

2.2 Các dạng suy giảm điện áp thường gặp

Thông thường, lưới điện truyền tải là 3 pha đối xứng, khi có sự cố suy giảm điện áp sẽ gây ra hiện tượng mất cân bằng điện áp giữa các pha, tuy nhiên ở mỗi khu vực tải là khác nhau do việc đấu nối giữa các máy biến áp của mỗi khu vực là khác nhau Các loại sự cố suy giảm điện áp thường gặp phải gồm có 7 loại được thể hiện qua mô hình vector của điện áp 3 pha như hình sau [23]:

Hình 2.4 Một số dạng mất cân bằng điện áp hay gặp

 Loại A: Suy giảm điện áp trên cả 3 pha, không mất cân bằng

 Loại B: Suy giảm điện áp ở 1 pha, góc lệch các pha không đổi

 Loại C: Suy giảm điện áp ở 2 pha, có thay đổi 2 góc lệch pha

 Loại D: Suy giảm điện áp ở 1 pha, có thay đổi 2 góc lệch pha

 Loại E: Suy giảm điện áp ở 2 pha, góc lệch các pha không đổi

 Loại F: Suy giảm điện áp ở 2 pha

 Loại G: Suy giảm điện áp trên cả 3 pha, không mất cân bằng

Theo mô hình trên, ta xét các kiểu lỗi khi điện năng được phân phối qua lưới đến các trạm biến áp

17

Hình 2.5 Sự cố trên đường dây truyền tải

Hình 2.5 mô tả quá trình truyền tải điện năng từ nguồn đến tải trong đó có xảy

ra hiện tượng lỗi pha của đường dây truyền tải Theo đó, với các dạng lỗi khác nhau

và sau khi qua các biến áp, ta có nhưng dạng mất cân bằng điện áp được nêu ra dưới đây:

Hình 2.6 Các dạng mất cân bằng điện áp của từng khu vực

Gọi hệ số suy giảm điện áp là h, điện áp 3 pha ban đầu là

2 3 4 3

18

Trong các type đã được giới thiệu ở trên, type A và type B là hai dạng phổ biến thường gặp nhất ở trong các hệ thống điện, tuy nhiên hậu quả của nó không quá nghiêm trọng và chúng ta có thể dễ dàng khắc phục Type C type D type F type G là những dạng nguy hiểm , nó gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng tới đường dây và cũng là dạng mà rất khó để khắc phục hậu quả Trong khuôn khổ nội dung đồ án này sẽ trình bày về dạng điện áp suy giảm type B là dạng cơ bản nhất đối với các thiết bị FACTS

Theo sơ đồ trên mỗi hệ thống BTB bao gồm 2 bộ biến đổi BTB (BTB converter

1 và 2) Mỗi khối BTB converter được tạo thành từ 4 bộ biến đổi (converter cell) có công suất 12.5 MW ghép lai với nhau Phía xoay chiều của mỗi khối được nối với phía hạ áp của máy biến áp có các cuộn dây nối dạng tam giác – tam giác, và hai bộ biến đổi được nối với nhau qua liên kết một chiều [21] Sự đấu nối giữa converter cell với nhau và giữa converter cell với máy biến áp được mô tả trong hình 3.2 và hình 3.3

20

Khi năng lượng được truyền từ lưới điện 1 sang lưới điện 2, BTB converter 1 hoạt động ở chế độ chỉnh lưu và BTB converter 2 hoạt động ở chế độ nghịch lưu Vì hai khối BTB có cấu tạo hoàn toàn giống nhau, nên để đơn giản ta chỉ mô tả sự đấu nối giữa các bộ biến đổi của BTB converter 2 với nhau và với máy biến áp Hình 3.2 mô tả sự đấu nối giữa một bộ biến đổi với máy biến áp Bộ biến đổi sử dụng 12 van bán dẫn điều khiển hoàn toàn IGBT cùng với các diode mắc song song ngược tạo thành một bộ biến đổi nguồn áp ba pha ba mức dùng diode giữ điểm trung tính Phía điện áp một chiều cấp cho bộ nghịch lưu được lấy từ liên kết một chiều giữa 2 BTB converter, có điện áp 7.0 kV, đầu ra của bộ nghịch lưu nối với phia hạ áp của

các máy biến áp Ở đây, v 2uv2 là điện áp dây phía hạ áp của máy biến áp và i 2u2 là dòng điện phía hạ áp của máy biến áp

Hình 3.2 Đấu nối giữa converter cell và phía hạ áp của máy biến áp tương ứng

Mỗi BTB converter sử dụng 4 máy biến áp ba pha, có công suất là 12.5 MVA Cuộn dây phía cao áp của các máy biến áp được mắc theo kiểu tam giác và được nối theo từng pha với nhau, phía hạ áp nối trực tiếp với phía xoay chiều của mỗi bộ biến đổi Các máy biến áp được sử dụng để thay đổi giá trị điện áp ra của bộ biến đổi và lọc các thành phần sóng hài của điện áp, dòng điện sau bộ biến đổi Hình vẽ 3.3 mô tả cách đấu nối giữa các cuộn dây phía cao áp của các máy biến áp và giữa

bộ biến đổi với phía hạ áp của máy biến áp Trong đó v 2uv là điện áp dây của BTB 2,

21

v 2uv1 là điện áp dây phía cao áp của mỗi bộ biến đổi, và i 2u1 là dòng điện pha ở phía đầu ra của bộ biến đổi BTB 2

Hình 3.3 Kết nối giữa các máy biến áp

3.1.2 Nguyên lý điều khiển của hệ thống

Cấu trúc và hoạt động của hai BTB converter là hoàn toàn giống nhau, sau đây

ta sẽ phân tích cấu hình của BTB converter 2 Nếu đặt điện áp ra của bộ nghịch lưu

là v 2 và của lưới là v 2s, ta có thể dùng một sơ đồ tương đương mô tả quá trình trao

đổi công suất giữa bộ BTB với lưới như hình vẽ 3.4 dưới đây Trong đó R , L là điện trở, điện cảm của đường dây và các cuộn dây máy biến áp, p 2 , q 2 là công suất tác dụng và công suất phản kháng truyền từ lưới qua BTB

Hình 3.4 Sơ đồ mạch tương đương của lưới 2

22

Để có thể điều khiển độc lập một cách đồng thời cả công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng trong khi điện áp của liên kết một chiều là không đổi thì mỗi BTB converter đều phải điều khiển được cả biên độ lẫn góc pha của điện áp xoay chiều

v 1 ,v 2

Hình 3.5 Đồ thị vector điện áp của hệ thống BTB

Hình 3.5 mô tả đồ thị vector điện áp xoay chiều của hệ thống BTB, theo đó, v

là vector điện áp của bộ biến đổi, vslà vector điện áp ở phía lưới và là góc lệch pha giữa vvà vs Bộ biến đổi BTB trao đổi công suất tác dụng p thông qua việc

điều chỉnh thành phần điện áp trên trục q còn công suất phản kháng q được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thành phần điện áp trên trục d

3.2 Thiết kế các bộ điều khiển

Từ mô hình thực tế của hệ thống và các phân tích trên, để mô phỏng ta sử dụng

mô hình ở hình 3.6 Trong mô hình hệ thống ta sử dụng bộ điều chỉnh điện áp của liên kết một chiều (dc –capacitor voltage regulator), bộ điều chỉnh dòng điện (Decoupling current control) và khối điều khiển phát xung SPWM Trong hình vẽ,

v 1S và v 2S được lấy từ phía hạ áp của máy biến áp truyền tải (33 kV), i 1con là dòng

điện ba pha ở phía hạ áp của máy biến áp thuộc khối BTB converter 1, và i 2con là dòng ba pha ở phía hạ áp của máy biến áp thuộc khối BTB converter 2 Các giá trị

được đặt ban đầu là điện áp trên tụ v C *( = V C = 7 kV), công suất trao đổi của hệ

thống là p * , qua hai giá trị đó tính ra giá trị đặt của thành phần trên trục d của dòng điện trước mỗi bộ biến đổi là i 1d * và i 2d * , các giá trị trên trục q của dòng điện này

23

được đặt bằng 0 Ở bộ điều chỉnh dòng điện, từ các giá trị vào là điện áp của lưới và dòng điện ba pha sau máy biến áp, tổng hợp lại điện áp của từng pha đưa vào bộ điều chế xung sin PWM, phát xung để đóng, mở các van IGBT trong mỗi bộ biến đổi nhỏ

Hình 3.6 Cấu hình mô phỏng của hệ thống

3.2.1 Bộ điều chỉnh dòng điện

Từ mô hình sơ đồ mạch tương đương của lưới điện được thể hiện ở hình 3.4, ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa các thành phần điện áp, dòng điện như phương trình sau:

Trong phương trình (3.2), các giá trị điện áp và dòng điện phụ thuộc độc lập

vào thời gian do đó (3.2) có thể được viết lại trên hệ trục tọa độ d-q như sau:

1 2

Ở đây v 2d và v 2q là thành phần điện áp trên trục d và trục q của v 2 , i 2d và i 2q là

thành phần dòng điện trên trục d và q của i 2con , v 2Sd là thành phần điện áp trên trục d của v 2S , v 2Sq là thành phần điện áp trên trục q, vì vector điện áp v 2S vuông góc với

trục q ( hình 3.5) nên v 2Sq = 0 Từ các giá trị đó, ta có thể tính được giá trị tức thời

của công suất tác dụng p 2 và công suất phản kháng q 2 [22] là:

Từ phương trình (3.3) ta thấy khi điều chỉnh các giá trị i 2d và i 2q có thể điều

khiển điều khiển một cách độc lập cả hai giá trị p 2 và q 2

Mặt khác, phương trình (3.3) ta có thể viết lại như sau:

d L i U dt

 (3.10)

2 2

0 5

q q

U i

Ls

 (3.11)

Từ đó ta xây dựng được bộ điều khiển theo luật PI theo mô hình sau:

Hình 3.7 Bộ điều khiển dòng theo luật PI

Trong đó, Trong đó, i2* dvà i2* qlà giá trị đặt dòng điện vào bộ điều khiển, từ đó ta

tính được giá trị đặt của thành phần điện áp trên trục d, q theo công thức sau :

0 0

* d

3.2.2 Bộ điều chỉnh điện áp một chiều

Bộ điều chỉnh điện áp trên tụ đo giá trị điện áp tức thời vc, sau đó phản hổi lại để só sánh với điện áp đặt v* c tính ra sai lệch điện áp  vc và đưa tín hiệu sai

lệch với hệ số phản hồi điện áp là K V vào để điều chỉnh thành phần dòng điện trên

trục d của i1convà i2con Bộ điều khiển được dùng là bộ PI có hệ số khâu tích phân

bằng 0, khâu tỉ lệ là K V

27

Hình 3.8 Sơ đồ khối bộ điều chỉnh điện áp

Hình 3.8 mô tả sơ đồ khối của bộ điều chỉnh điện áp của liên kết một chiều,

trong đó, p * là giá trị đặt của công suất trao đổi giữa hai lưới, vì giả thiết năng lượng truyền từ lưới 1 sang 2 nên dòng công suất p* có chiều dương nếu được gửi từ 1 sang 2, ngược lại là chiều âm

Theo sơ đồ trên ta có công thức:

v trong công thức (3.16) tương ứng với dòng công suất chảy

trong hệ thống BTB, và thành phầnKv.  vctương ứng với phần công suất tác dụng

được bơm vào từ cả hai phía nghịch lưu và chỉnh lưu Theo (3.16), khi v c bé hơn v* C,

1con

i và i2contăng lên, do đó một lượng nhỏ của công suất tác dụng được chảy vào tụ

dc thông qua phần nghịch lưu và chỉnh lưu Như vậy, khi vCtăng lên đến v* Clượng công suất tác dụng PC(s) được chảy vào tụ là tổng công suất ở cả hai bên bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Giả sử cả hai lưới điện sinh ra điện áp ba pha hình sin cân bằng với biên độ giống nhau là VS  V1Sd  V2Sd và giá trị phần công suất tổn hao do

nhiễu loạn là D(s) thì ta có:

28

P ( s )C  0 5 V I ( s )S 1d  0 5 V I ( s )S 2d  D( s ) (3.17) Giá trị điện áp tức thời trên tụ là vCcó thể phân tích được thành hai thành phần là điện áp ổn định VC và thành phần điện áp quá độ  vc

vC  VC   vC (3.18) Giữa  v (s)C và P (s)C có liên hệ bởi công thức:

v C C

C

I ( s ) P ( s ) ( s )

Ở phương trình (3.21), thành phần nhiễu loạn D(s) thường là hằng số thì  vC( s )

là một hệ thống bậc hai có tần số dao động riêng và hệ số tắt dần được xác định như sau :





  (3.22) Đặt giá trị = 0.5, khi đó n  1 T

3.2.3 Khâu phát xung SPWM

Sơ đồ mạch của một bộ biến đổi trong khối BTB converter 2 được mô tả như hình 3.9

áp TL, van Su3 khóa, van Su4 mở Quá trình phát xung và đóng mở van Su1- Su4được mô tả trong hình vẽ 3.10

30

Hình 3.10 Phát xung SPWM cho IGBT

3.3 Tính toán số liệu mô phỏng

Các số liệu ban đầu của hệ thống là :

Công suất truyền tải : P=50 MW

Điện áp dây của lưới: V P =500 kV

Điện áp dây bên phía hạ áp : V S = 33 kV

Điện áp một chiều : Vc=7 kV

 Tính giá trị điện trở trên đường dây:

Công suất trên mỗi pha :