Nghiên cứu hiệu quả sử dụng thiết bị FACTS đối với hệ thống điện việt nam sơ đồ năm 2015

BỐ CỤC LUẬN VĂN Với phạm vi nghiên cứu trên, luận văn được bố cục thành 3 chương gồm các nội dung chính sau: Chương 1: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt - FACTS Chương 2:Thi

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ QUANG HOÀNG

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM SƠ ĐỒ NĂM 2015

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ Thuật Điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

GS TS LÃ VĂN ÚT

Hà Nội – Năm 2011

2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu có trong thuyết minh được lấy từ các tài liệu tham khảo; các quy hoạch điện lực, quyết định của Bộ Công Thương và công ty truyền tải điện trong nước … Thuyết minh và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

3

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN……… 1

MỤC LỤC……… 2

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7 

Chương 1  HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT - FACTS ………11 

1.1  GIỚI THIỆU CHUNG 11 

1.2  CÁC ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 12 

1.2.1  Các nguyên lý điều khiển sử dụng trong thiết bị điều khiển FACTS 12  1.2.2  Các thiết bị FACTS cơ bản ứng dụng trong hệ thống điện 15 

1.2.3  Các lợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS: 27 

1.3  KẾT LUẬN 31 

Chương 2  THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR - TCSC ……….32 

2.1  CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TCSC 32 

2.1.1  Cấu tạo của TCSC 32 

2.1.2  Nguyên lý làm việc của TCSC 33 

2.2  PHẦN ĐIỀU KHIỂN CỦA TCSC 35 

2.2.1  Khối điều khiển ngoài của TCSC 35 

2.2.2  Khối điều khiển trong của TCSC 37 

2.3  HIỆU QUẢ ĐIỀU KHIỂN TCSC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG HTĐ39  2.3.1  Phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động rời rạc 39 

4

2.3.2  Hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động liên tục 42 

2.4  KẾT LUẬN 46 

Chương 3  NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ ÁP DỤNG THIẾT BỊ FACTS NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM SƠ ĐỒ NĂM 2015 47  3.1  PHẦN MỀM TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG 47 

3.1.1  Tính toán, mô phỏng chế độ xác lập trong chương trình PSS/E 47 

3.1.2  Tính toán, mô phỏng chế độ quá độ trong chương trình PSS/E 54 

3.1.3  Mô hình thiết bị TCSC trong chương trình PSS/E 60 

3.2  SƠ ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2015 64 

3.3  PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP VÀ CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ MỘT SỐ CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2015 KHI CHƯA SỬ DỤNG TCSC 68 

3.3.1  Chế độ xác lập 68 

3.3.2  Chế độ quá độ 70 

3.4  HIỆU QUẢ SỬ DỤNG THIẾT BỊ TCSC 77 

3.4.1  Đề xuất vị trí đặt và thông số TCSC 77 

3.4.2  Chế độ quá độ khi sử dụng thiết bị TCSC 78 

3.5  KẾT LUẬN 86 

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 87 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 

PHỤ LỤC……….87

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2 STATCOM Static sychronous Compensator Bộ bù đồng bộ tĩnh

4 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

5 UPFC Unified Power Flow Controller

6 TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle

7 FACTS Flexible Alternating Current

Transmission Systems

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS 27

Bảng 1-2 Các ứng dụng với trạng thái xác lập của FACTS 28

Bảng 1-3 Các ứng dụng với trạng thái động của FACTS 29

Bảng 3-1 Khối lượng đường dây và trạm biến áp 64

Bảng 3-2 Cân bằng cung cầu hệ thống điện Việt Nam đến năm 2015 66

Bảng 3-3 Kết quả trào lưu công suất trên một số đường dây 500kV năm 2015 68

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1-1 Bộ điều khiển nối tiếp 13

Hình 1-2 Bộ điều khiển song song 13

Hình 1-3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp 14

Hình 1-4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song 14

Hình 1-5 Cấu tạo chung của SVC 15

Hình 1-6 Cấu tạo của STATCOM 17

Hình 1-7 BESS 18

Hình 1-8 SVC 20

Hình 1-9 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ 21

Hình 1-10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC 23

Hình 1-11 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR 23

Hình 1-12 Cấu tạo chung của UPFC 24

Hình 1-13 Cấu tạo chung của TCPST 25

Hình 1-15 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện áp vào đường dây 26

Hình 1-14 TCVL 26

Hình 2-1 Cấu tạo cơ bản của TCSC 32

Hình 2-2 Đặt tính điều chỉnh của TCSC 34

Hình 2-3 Sơ đồ khối điều khiển ngoài của TCSC 35

Hình 2-4 Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định của TCSC 36

Hình 2-5 Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành phần cơ bản của dòng điện 38

Hình 2-6 Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành phần cơ bản của dòng điện 38

Hình 2-7 TCSC trong sơ đồ điện đơn giản 39

Hình 2-8 Hiệu quả tác động đóng cắt tụ bù dọc 40

Hình 2-9 Hiệu quả tác dộng TCSC theo tín hiệu công suất 44

Hình 2-10 Hiệu quả tác động của TCSC theo tính hiệu dòng điện và góc lệch δ 45

Hình 3-1 Mô hình TCSC trong chương trình PSS/E 61

Hình 3-2 Thống kê sự cố trên lưới 500kV giai đoạn 1994 – 2009Nguồn: TTĐĐ Quốc gia) 64

Hình 3-3 Sơ đồ lưới điện 500kV Việt Nam năm 2015 67

Hình 3-4 Dao động góc pha 72

Hình 3-5 Dao động tần số 73

8

Hình 3-6 Dao động công suất phát các tổ máy tại NMTĐ Hòa Bình và NMNĐ

Vũng Áng 73

Hình 3-7 Dao động điện áp 74

Hình 3-8 Dao động công suất trên các mạch đường dây 500kV 74

Hình 3-9 Dao động góc pha 75

Hình 3-10 Dao động tần số 75

Hình 3-11 Dao động công suất phát các tổ máy tại NMTĐ Hòa Bình và NMNĐ Vũng Áng 76

Hình 3-12 Dao động điện áp 76

Hình 3-13 Dao động động công suất trên các mạch đường dây 500kV 77

Hình 3-14 Sơ đồ lưới 500kV Việt Nam năm 2015 khi có sử dụng thiết bị TCSC 80

Hình 3-15 Dao động góc pha 81

Hình 3-16 Dao động tần số 81

Hình 3-17 Dao động công suất phát các tổ máy tại NMTĐ Hòa Bình và NMNĐ Vũng Áng 82

Hình 3-18 Dao động điện áp 82

Hình 3-19 Dao động động công suất trên các mạch đường dây 500kV 83

Hình 3-20 Dao động góc pha 84

Hình 3-21 Dao động tần số 84

Hình 3-22 Dao động công suất phát các tổ máy tại NMTĐ Hòa Bình và NMNĐ Vũng Áng 85

Hình 3-23 Dao động điện áp 85

Hình 3-24 Dao động động công suất trên các mạch đường dây 500kV 86

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, công nghệ chế tạo các thyristor công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển nên các thiết bị bù dùng thyristor đang được nghiên cứu và ứng dụng Ở những nước có công nghệ tiên tiến các thiết bị bù dọc, bù ngang điều chỉnh bằng thyristor đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao Các thiết bị này có tên gọi chung là FACTS (Flexible Alternate Curent Transmission System), có khả năng điều chỉnh, điều khiển để nâng cao ổn định hệ thống, tăng khả năng tải, giúp vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả trong chế độ bình thường cũng như trong chế độ sự cố

Đề tài luận văn được đặt ra là để nghiên cứu hiệu quả sử dụng của các thiết

bị FACTS đối với Hệ Thống Điện Việt Nam sơ đồ năm 2015, trong đó tập trung vào việc nghiên cứu tác dụng nâng cao ổn định thống điện siêu cao áp Việt Nam năm 2015 của thiết bị TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của TCSC trong việc nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện

- Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng thiết bị TCSC vào hệ thống điện siêu cao áp Việt Nam để nâng cao ổn định của hệ thống điện năm 2015

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan về nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC

- Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị TCSC vào hệ thống điện siêu cao áp

- Mô phỏng thiết bị TCSC trong phần mềm PSS/E tính toán phân tích chế độ xác lập và chế độ quá độ hệ thống điện

10

- Phân tích hiệu quả nâng cao ổn định hệ thống của TCSC trong hệ thống điện Việt Nam năm 2015

IV BỐ CỤC LUẬN VĂN

Với phạm vi nghiên cứu trên, luận văn được bố cục thành 3 chương gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt - FACTS Chương 2:Thiết bị bù dọc có điều khiển bằng Thyristor - TCSC

Chương 3:Nghiên cứu hiệu quả áp dụng thiết bị TCSC nâng cao ổn định

hệ thống điện Việt Nam sơ đồ 2015

Với hạn chế về năng lực cũng như thời gian, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong được sự góp ý chân thành của tất cả các quý Thầy, Cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

11

Chương 1 HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY

CHIỀU LINH HOẠT - FACTS

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Sự phát triển không ngừng của nhân loại đòi hỏi hệ thống điện phải phát triển tương ứng để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng của con người Xu hướng phát triển của hệ thống điện không chỉ trải rộng trên một vùng lãnh thổ mà còn liên kết giữa các vùng, miền, quốc gia và giữa các khu vực Việc hình thành các lưới điện liên kết đã phát sinh nhiều vấn đòi hỏi các nhà khoa học phải giải quyết, nổi cộm như là vấn đề giới hạn công suất truyền tải, tính ổn định của hệ thống điện

… Các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu, phát triển công nghệ mới để khai thác triệt để khả năng huy động nguồn, khả năng truyền tải và nâng cao độ tin cậy

để áp dụng cho hệ thống điện liên kết hiện đại – nơi là tập hợp của rất nhiều nguồn

đa dạng, lưới điện phức tạp và yêu cầu cao của chất lượng điện năng

Đối với các hệ thống điện lớn, thì các biện pháp phát triển truyền thống như xây dựng nhiều nguồn điện mới, nhiều lưới điện mới, nâng cao điện áp dẫn điện gây nhiều tốn kém về kinh tế, tăng tổn thất công suất và giảm độ tin cậy của hệ thống điện Do đó, hệ thống điện truyền tải ngày nay ngày càng áp dụng nhiều công nghệ mới như công nghệ điện tử công suất, công nghệ vật liệu mới, công nghệ siêu dẫn, công nghệ thông tin, công nghệ viễn thông.v.v Xu hướng phát triển của hệ thống điện truyền tải hiện nay là vừa phát triển hệ thống lưới truyền tải mới vừa ứng dụng công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt để giảm vốn đầu tư, tăng hiệu quả làm việc của hệ thống điện

FACTS (Flexible AC Transmission System - hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt) là tên gọi chung của một loại thiết bị giờ đây đã trở thành quen thuộc đối với ngành truyền tải điện trên thế giới, vì đó là phương tiện linh hoạt để củng cố những vùng yếu của lưới điện Các thiết bị này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu hiện nay

12

như bù công suất phản kháng, ổn định điện áp, điều chỉnh điện, ổn định quá trình quá độ Nhiều công ty điện lực tuy gặp những vấn đề về lưới điện nhưng lại rất khó khăn khi tiến hành những công trình lớn nhằm cải thiện lưới truyền tải của họ Xây dựng đường dây mới mất nhiều thời gian, đã vậy ở nhiều nước những dự án này thường vấp phải sự phản đối mãnh liệt của người dân địa phương do những dự án này chiếm một hành lang an toàn lưới điện khá lớn, vấn đề về từ trường xung quanh khu vực có đường dây truyền tải đi qua tiếp theo đó, lại còn vấn đề chi phí của dự

án Những công ty điện lực hoạt động trên thị trường phi điều tiết chịu sức ép ghê gớm buộc họ phải duy trì chi phí bảo dưỡng ở mức càng thấp càng tốt, xây dựng đường dây mới rõ ràng là phương án tốn kém Đối với các công ty điện lực, cải thiện lưới điện mà chỉ đơn thuần dựa vào việc tăng công suất nguồn hoặc củng cố đường dây truyền tải giờ đây không còn khả thi nữa Các đơn vị vận hành lưới truyền tải một khi không có quyền điều khiển công suất nguồn, lại ít tự do hơn trong việc điều hành cơ sở hạ tầng truyền tải, đương nhiên là họ sẽ phải tìm đến những công nghệ tiên tiến hơn để giải quyết các vấn đề về lưới điện Vì vậy, TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor), cũng như các thiết bị FACTS khác, giờ đây thu hút sự quan tâm của các công ty điện lực đang khát khao tìm tòi những giải pháp hợp với túi tiền hơn cho các vấn đề về lưới điện

1.2 CÁC ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Nói chung, các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia ra làm 4 loại sau:

- Thiết bị điều khiển dọc (nối tiếp)

- Thiết bị điều khiển ngang (song song)

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-song song

• Thiết bị điều khiển nối tiếp (hình 1.1): Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện, hoặc 1 nguồn có thể

13

thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp đưa vào 1 điện áp nối tiếp với đường dây Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1-1 Bộ điều khiển nối tiếp

• Thiết bị điều khiển song song (hình 1.2): Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị điều khiển song song có thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp các thiết bị này Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào Giống như thiết bị điều khiển nối tiếp, với điều kiện là dòng điện vuông pha với điện áp pha, thiết bị điều khiển song song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1-2 Bộ điều khiển song song

• Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- nối tiếp (hình 1.3): có thể là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ

14

thống nhiều đường dây truyền tải Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây nhưng cũng truyền công suất tác dụng giữa các đường dây qua đường truyền công suất Khả năng truyền công suất tác dụng của bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường dây Cụm từ

“kết hợp” (unified) ở đây nghĩa là các đầu dc của tất cả các bộ chuyển đổi của bộ điều khiển đều được nối với nhau để truyền tải công suất tác dụng

Hình 1-3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

• Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- song song (hình 1.4): là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều khiển theo 1 cách thức phối hợp

Về nguyên lý, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các bộ điều khiển nối tiếp

và song song được kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thông qua đường dẫn công suất

Hình 1-4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

15

1 Bộ điều khiển song song (Bộ điều khiển ngang)

a SVC (Static Var Compensator) - Bộ bù tĩnh: là 1 máy phát hoặc bộ tiêu thụ điện tĩnh có thể thay đổi được, nối song song, mà công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung, để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

Hình 1-5 Cấu tạo chung của SVC

Đây là một thuật ngữ nói chung để chỉ các bộ (reactor hoặc capacitor) đóng

mở hoặc điều khiển bằng thyristor (hình 1.5) SVC dựa trên thyristor không có cổng turn-off Nó bao gồm các thiết bị riêng lẻ cho mục đích thay đổi pha nhanh hơn hoặc chậm hơn, điện kháng được đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor dùng để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng mở bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng

Trong trường hợp chung, SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor)

TCR (Thyristor Controlled Reactor) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor: là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor (thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn)

16

TCR là 1 tập con của SVC mà thời gian dẫn dòng, kéo theo dòng điện, trong cuộn kháng ngang, được điều khiển bằng khóa xoay chiều dựa trên thyristor có điều khiển góc đánh lửa (góc mở)

TSR (Thyristor Switched Reactor) – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor: là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, nối song song, mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

TSR được tạo ra từ các cuộn kháng mắc song song, có thể đóng và cắt bằng thyristor mà không điều khiển góc đánh lửa nhằm đạt được sự thay đổi dạng bậc thang trong công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống Việc sử dụng các khóa thyristor mà không điều khiển góc mở làm cho chi phí và tổn thất thấp, nhưng

không điều chỉnh trơn được

TSC (Thyristor Switched Capacitor) – Tụ đóng cắt bằng thyristor: là 1 tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách thay đổi độ dẫn dòng hoặc là không dẫn, hoặc là dẫn dòng hoàn toàn của van thyristor

TSC có các khóa xoay chiều dựa trên thyristor được sử dụng để đóng hoặc cắt (không điều chỉnh góc đánh lửa) cả bộ tụ song song, nhằm đạt được sự thay đổi bậc theo yêu cầu trong công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống Không giống như bộ kháng ngang, bộ tụ ngang không thể đóng mở liên tục bằng cách điều khiển góc đánh lửa

Phối hợp 3 loại phần tử trên cho phép chế tạo được những kháng bù ngang thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi đủ rộng (dấu

âm và dương) với giá thành hạ

Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Ổn định điện áp trong những hệ thống khó điều chỉnh (có đường dây siêu cao

áp, phụ tải lớn thay đổi), nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao đáng kể

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

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống

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

17

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

b STATCOM (STATic synchronous COMpensator)- Bộ bù đồng bộ tĩnh: được định nghĩa là một máy phát đồng bộ tĩnh hoạt động như 1 bộ bù tĩnh mắc song song, dòng điện cảm hoặc dung có thể được điều khiển độc lập đối với điện áp hệ thống

Hình 1-6 Cấu tạo của STATCOM

STATCOM là một trong những loại bộ điều khiển FACTS quan trọng Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc nguồn dòng Xét về phương diện chi phí, bộ chuyển đổi điện nguồn áp được ưa chuộng hơn, và được nhắc đến nhiều hơn trong các bộ điều khiển FACTS vì lí do kinh tế

Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng công suất phản kháng theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho bộ chuyển đổi điện STATCOM

có thể được thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài

STATCOM được định nghĩa ở trên là theo IEEE, là 1 tập hợp các bộ điều khiển nối song song bao gồm cả các nguồn công suất tác dụng hoặc nguồn dự trữ ở bên phía 1 chiều sao cho dòng điện bơm vào có thể chứa công suất tác dụng Những

bộ điều khiển như vậy bao gồm:

SSG (Static Synchronous Generator) – Máy phát đồng bộ tĩnh: bộ chuyển đổi công suất có khóa tự đảo mạch tĩnh được cung cấp từ 1 nguồn năng lượng phù hợp và hoạt động để sinh ra 1 tập hợp các điện áp đầu ra nhiều pha có thể điều

18

chỉnh được, kết hợp cùng hệ thống điện xoay chiều cho mục đích trao đổi công suất tác dụng và phản kháng một cách độc lập

Rõ ràng là SSG là sự kết hợp của STATCOM và 1 nguồn năng lượng nào đó

để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất Nói chung SSG

được liên kết với bất kỳ một nguồn năng lượng nào đó

bao gồm battery, tụ điện 1 chiều công suất lớn, các bộ

đổi điện, chỉnh lưu khác, Người ta thường dùng giao

diện điện tử hay còn gọi là “chopper” (cái ngắt điện)

đặt giữa nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi điện Đối

với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, nguồn năng lượng

nạp điện cho tụ thông qua giao diện điện tử này và duy

trì điện áp tụ điện theo yêu cầu

Trong định nghĩa SSG cũng bao gồm BESS

(Hệ thống dự trữ năng lượng Battery), được định nghĩa

như sau:

BESS (Battery Energy Storage System) - Hệ

thống dự trữ năng lượng acquy: Một hệ thống dự trữ

năng lượng hóa học sử dụng bộ chuyển đổi điện nguồn

áp, nối song song có khả năng điều chỉnh nhanh chóng lượng điện năng cung cấp hoặc tiêu thụ từ hệ thống

Đối với ứng dụng truyền tải, kích cỡ của bộ dự trữ của BESS có xu hướng nhỏ (hàng chục MWh) và nếu như công suất bộ chuyển đổi điện đủ lớn, nó có thể phân phối công suất tác dụng với tỉ lệ MW/MWh cho ổn định quá độ Bộ chuyển đổi điện có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng trong khả năng dung lượng MVA của bộ chuyển đổi điện Khi không cung cấp công suất tác dụng cho hệ thống, bộ chuyển đổi điện thường được sử dụng để nạp pin ở 1 tốc độ có thể chấp nhận được

Ngoài ra còn có một hệ thống con khác của SSG, phù hợp cho các ứng dụng truyền tải, là Dự trữ năng lượng từ siêu dẫn SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), được định nghĩa bởi IEEE như sau:

SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)- Bộ dự trữ năng lượng

từ siêu dẫn: là 1 thiết bị dự trữ năng lượng điện từ siêu dẫn có chứa các bộ chuyển

Hình 1-7 BESS

19

đổi điện điện tử, có khả năng bơm vào hoặc tiêu thụ công suất tác dụng, phản kháng một cách nhanh chóng hoặc điều khiển động dòng công suất trong hệ thống điện xoay chiều

Vì dòng điện 1 chiều trong magnet không thay đổi nhanh chóng, năng lượng đầu vào hoặc đầu ra của magnet được thay đổi nhờ việc điều khiển điện áp 2 đầu magnet với giao diện điện tử để nối với STATCOM

Các chức năng chính của STATCOM: cũng giống như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm các chức năng sau:

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM để ổn định điện áp, nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại nút được bù

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố (ngắn mạch, mất tải đột ngột )

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống

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

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

Ngoài ra STATCOM còn có các đặc điểm nổi trội so với SVC là:

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

sự cố

- Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới

và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

- Ngoài ra khi trang bị thêm nguồn công suất tác dụng hoặc các thiết bị dự trữ năng lượng ở phía 1 chiều, STATCOM có thể trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng với hệ thống, do đó nâng cao khả năng ổn định động và chống dao động công suất

20

Những khái niệm khác của bộ điều khiển theo IEEE bao gồm:

SVG (Static Var Generator or Absorber) - bộ tiêu thụ hoặc máy phát tĩnh: là một thiết bị hoặc hệ thống điện, có khả năng lấy ra dòng điện dung hoặc cảm từ hệ thống điện và do đó phát hay tiêu thụ công suất phản kháng Nó thường chứa TCR và/hoặc TSC

SVG, theo định nghĩa của IEEE, thì đơn giản là 1 nguồn công suất phản kháng mà, nếu điều khiển phù hợp, có thể chuyển đổi thành bộ bù ngang công suất phản kháng theo một mục đích cụ thể nào đó hoặc đa mục đích Vì thế cả SVC và STATCOM đều là các máy phát tĩnh được trang bị vòng điều khiển phù hợp để thay đổi đầu ra đáp ứng đối tượng bù cụ thể

SVS (Static Var System) – hệ thống thay đổi tĩnh: là sự kết hợp của các bộ bù

có thể thay đổi có khóa đóng mở cơ khí tĩnh khác nhau và đầu ra được phối hợp

TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) – điện trở

hãm điều khiển bằng thyristor): là điện trở đóng cắt bằng

thyristor, mắc song song, có thể được điều khiển để giúp ổn định

của hệ thống điện hoặc làm giảm gia tốc năng lượng của khối

phát điện trong lúc có nhiễu

TCBR liên quan đến việc đóng mở theo từng chu kỳ của

điện trở (thường là điện trở tuyến tính) với 1 thiết bị đóng cắt

xoay chiều dựa trên thyristor và không điều khiển góc đánh lửa

Để chi phí thấp hơn,(Hình 1.10: TCBR) TCBR có thể là các

thyristor không có điều khiển góc đánh lửa, tuy nhiên với

việc điều khiển góc đánh lửa theo từng nửa chu kỳ có thể làm giảm dao động tấn số thấp một cách có lựa chọn

2 Bộ điều khiển nối tiếp (Bộ điều khiển dọc)

a SSSC (Static Synchronous Series Compensator) – Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh: là một máy phát đồng bộ không có nguồn năng lượng điện bên ngoài, hoạt động như một thiết bị bù nối tiếp mà điện áp đầu ra có thể điều khiển độc lập và vuông pha với dòng điện trên đường dây nhằm mục đích tăng hoặc giảm điện áp dung kháng rơi trên đường dây và vì thế điều khiển công suất truyền tải SSSC có thể chứa bộ dự trữ năng lượng hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng nhằm tăng

Hình 1-8 SVC

21

cường khả năng ổn định động của hệ thống điện bằng cách bù thêm công suất tác dụng tức thời, để tăng hoặc giảm điện áp rơi trên đường dây

Hình 1-9 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

SSSC là một trong những bộ điều khiển FACTS quan trọng nhất Nó giống như STATCOM, nhưng khác là điện áp đầu ra ac nối tiếp với đường dây Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc bộ chuyển đổi điện nguồn dòng Thường điện áp nối tiếp đưa thêm vào là khá nhỏ so với điện áp đường dây, và cách điện đối với đất khá lớn Với cách điện phù hợp giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, các thiết bị chuyển đổi được đặt ở điện thế mặt đất trừ khi các thiết bị này được đặt trên mặt phẳng được cách điện với đất Tỷ số máy biến áp được biến đổi sao cho thiết kế bộ chuyển đổi điện kinh tế nhất Vì không có nguồn điện thêm

ở ngoài, SSSC chỉ có thể đưa thêm vào 1 điện áp rơi thay đổi nhanh pha hơn hoặc chậm pha hơn so với dòng điện 1 góc 90 độ Cuộn sơ cấp của biến áp và do đó cả cuộn thứ cấp cũng như bộ chuyển đổi phải mang được dòng điện trên đường dây khi đầy tải, kể cả dòng làm việc khi sự cố, trừ khi bộ chuyển đổi được đi vòng qua một cách tạm thời trong khi có sự cố nghiêm trọng

Bộ dự trữ điện hoặc dự trữ từ siêu dẫn cũng có thể được nối với bộ điều khiển nối tiếp để đưa thêm vector điện áp với các góc pha khác nhau vào nối tiếp với đường dây

b TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) – Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song song với kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung cấp điện dung có thể điều chỉnh trơn

TCSC dựa trên thyristor không có khả năng gate turn-off Nó là 1 sự lựa chọn khác cho SSSC và cũng giống như SSSC, nó là 1 thiết bị FACTS quan trọng Một kháng điện có thể thay đổi điện kháng như TCR được nối song song với bộ tụ Khi góc đánh lửa của TCR là 180o, kháng điện sẽ không dẫn điện nữa và khi đó bộ

tụ có điện kháng bình thường của nó Khi góc đánh lửa thay đổi từ 1800 về nhỏ hơn

1800, điện kháng dung sẽ tăng lên Khi góc đánh lửa là 900, kháng điện trở nên dẫn điện hoàn toàn, điện kháng tổng sẽ mang tính chất cảm, bởi vì điện kháng của kháng điện được thiết kế nhỏ hơn nhiều so với điện kháng của bộ tụ.Với góc đánh lửa là 900, TCSC có thể hạn chế dòng sự cố TCSC có thể là một khối lớn, đơn lẻ hoặc chứa vài tụ điện kích cỡ bằng hoặc khác nhau để có thể hoạt động mang lại hiệu quả tốt hơn

c TSSC (Thyristor- Switched Series Capacitor) - Tụ điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung chứa bộ tụ nối tiếp và bộ

tụ này song song với 1 điện kháng đóng mở bằng thyristor để cung cấp sự điều khiển theo bậc cho điện kháng

23

Thay vì điều khiển trơn dung kháng, điện kháng của kháng điện khi góc đánh lửa là 00 hoặc 900 (không điều chỉnh góc đánh lửa) có thể làm giảm chi phí và tổn thất cho bộ điều khiển Rất hợp lý khi sắp xếp một trong các module có điều khiển thyristor, trong khi các module khác thì chỉ đóng cắt thyristor

Hình 1-10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

d TCSR (Thyristor- Controlled Series Reactor) – Điện kháng nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng điều khiển bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng 1 cách liên tục

Khi góc đánh lửa của TCR là 900, nó sẽ không dẫn điện, điện kháng không được điều khiển sẽ hoạt động như 1 bộ hạn chế dòng sự cố Khi góc đánh lửa giảm xuống dưới 900, điện kháng tổng sẽ giảm cho đến khi góc đánh lửa là 00, điện kháng tổng là 2 điện kháng song song với nhau Cũng giống như TCSC, TCSR có thể là một khối lớn riêng lẻ hoặc một vài khối nhỏ hơn

e TSSR (Thyristor- Switched Series Reactor) – kháng điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor): là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng đóng cắt bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng theo bậc

Giống như TCSR, nhưng khóa thyristor chỉ đóng hoặc cắt (không có điều khiển góc đánh lửa)

Hình 1-11 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Các bộ điều khiển nối tiếp nói chung có các chức năng tương tự nhau, tuy nhiên mức độ điều khiển và điều chỉnh điện áp, dòng công suất, ổn định động, ổn

- Giảm dao động công suất

- Nâng cao ổn định động và ổn định quá độ

- Ổn định điện áp

3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp- song song

a UPFC (Unified Power Flow Controller) - là sự kết hợp của STATCOM và SSSC thông qua 1 dây dẫn dc chung, cho phép dòng công suất tác dụng theo cả 2 chiều giữa các đầu ra nối tiếp của SSSC và các đầu ra song song của STATCOM,

và được điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài UPFC, bằng cách đưa thêm vào điện áp nối tiếp một cách tự nhiên, có khả năng điều khiển, đồng thời hoặc có lựa chọn, điện áp đường dây truyền tải, điện kháng, góc pha, hoặc dòng công suất tác dụng, phản kháng chạy trên đường dây UPFC có thể cung cấp bù phản kháng ngang có điều khiển một cách độc lập

Hình 1-12 Cấu tạo chung của UPFC

Trong UPFC bao gồm STATCOM và 1 SSSC, công suất tác dụng cho khối nối tiếp (SSSC) đạt được từ chính đường dây thông qua khối song song STATCOM SSSC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng Đây là bộ điều khiển đầy đủ, có thể điều chỉnh được cả dòng công suất phản kháng và tác dụng, cũng như điện áp đường dây

25

Bộ dự trữ bổ sung như từ dẫn điện được nối với dây dc thông qua giao diện điện tử sẽ cung cấp cách thức để tăng cường thêm hiệu quả của UPFC Như đã nhắc đến trong các phần trên, sự trao đổi dòng công suất tác dụng có điều khiển với nguồn bên ngoài, chẳng hạn như bộ dự trữ, hiệu quả hơn rất nhiều trong việc điều khiển động hệ thống hơn là chỉ điều biến sự trao đổi công suất trong cùng 1 hệ thống

Về chức năng, UPFC có các chức năng của STATCOM và SSSC, đó là:

- Điều khiển trào lưu công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù

- Tăng cường tính ổn định tĩnh và ổn định động của HTĐ

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ

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

b TCPST (Thyristor- Controlled Phase Shifting Transformer)- biến áp dịch chuyển pha điều khiển bằng thyristor: là 1 biến áp dịch pha được điều chỉnh bằng khóa thyristor để thay đổi góc pha một cách nhanh chóng

Hình 1-13 Cấu tạo chung của TCPST

Nói chung, dịch pha đạt được bằng cách thêm vector điện áp vuông góc nối tiếp với pha Vector này lấy từ 2 pha còn lại thông qua biến áp mắc ngang Điện áp nối tiếp vuông pha được tạo ra có thể thay đổi bằng rất nhiều loại cấu trúc điện tử công suất Bộ điều khiển này còn được gọi là TCPAR (Thyristor- Controlled Phase Angle Regulator)

TCPST có các chức năng giống như các bộ điều khiển FACTS khác, tuy nhiên, chức năng chính của nó là điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây,

và nó có khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao

26

4 Các bộ điều khiển khác

a TCVL (Thyristor- Controlled Voltage Limiter) – Bộ giới hạn điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là một biến trở oxit kim loại (MOV) được sử dụng để giới hạn điện áp 2 đầu trong quá trình quá độ

Khóa đóng mở thyristor có thể được nối nối tiếp

với chống sét van không khe hở, hoặc như trên hình

1.16, một phần của chống sét van không có khe hở

(10-20%) có thể được nối vòng qua 1 khóa thyristor để làm

giảm mức độ giới hạn điện áp Nói chung, MOV có ý

nghĩa quan trọng hơn so với chống sét van Hình 1.16:

TCVL thông thường, mục đích để TCVL có thể ngăn

cản quá điện áp động, nếu không có sự ngăn cản này thì

quá điện áp động có thể diễn ra trong hàng chục chu kỳ

b TCVR (Thyristor- Controlled Voltage Regulator) – bộ điều chỉnh điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là 1 biến áp có thể cung cấp điện áp cùng pha với khả năng điều chỉnh trơn

Cho mục đích thực tế, thiết bị này có thể là biến áp thông thường với đầu điều chỉnh điều khiển bằng thyristor hoặc với bộ chuyển đổi điện điện áp xoay chiều sang xoay chiều điều khiển bằng thyristor để đưa thêm vào điện áp xoay chiều thay đổi được của cùng 1 phase nối tiếp với đường dây

Hình 1-15 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện

áp vào đường dây

Hình 1-14 TCVL

27

Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và mang lại các hiệu quả khác nhau,

nhưng các lợi ích cơ bản mà các thiết bị bù có điều khiển mang lại như sau:

- Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

- Tăng khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó, kể cả ngắn

hạn hoặc theo mùa Điều này có thể thực hiện được bằng cách vượt qua các giới hạn

khác, và phân chia công suất giữa các đường dây theo khả năng tải của chúng Cũng

cần chú ý rằng khả năng chịu nhiệt của đường dây thay đổi trong khoảng rộng tùy

thuộc vào điều kiện môi trường và lịch sử mang tải

- Nâng cao độ an toàn của hệ thống nhờ việc tăng giới hạn ổn định quá độ, hạn

chế dòng ngắn mạch và quá tải, giảm bớt số lần mất điện và cản dao động điện cơ

của hệ thống điện và thiết bị, động cơ

- Tạo mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa các công ty và các vùng lân cận vì thế

giảm yêu cầu ngược về phát điện tổng cho cả 2 phía

- Tạo ra khả năng linh hoạt hơn cho việc đặt thêm các nhà máy mới

- Nâng cấp đường dây

- Giảm dòng công suất phản kháng, do đó cho phép đường dây mang được

công suất tác dụng lớn hơn

- Tăng khả năng sử dụng cho nhà máy có chi phí phát thấp nhất

Các lợi ích này có sự xếp chồng lên nhau Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS sẽ

mang 1 hoặc 2 chức năng chính trên

Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có đặc

điểm chung là nâng cao độ tin cậy trong vận hành HTĐ Tuy nhiên mỗi loại có sự

khác biệt Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như yêu cầu điều chỉnh

điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên

đường dây, tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý

Sau đây là bảng tổng kết so sánh các chức năng của một số thiết bị FACTS

Bảng 1-1 So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS

Ổn định quá độ

Ổn định động

Chống dao động công suất

- Các ứng dụng trạng thái xác lập và trạng thái động của FACTS:

Bảng 1.2 mô tả các ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào các vấn đề về giới

hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các dòng công suất vòng, mức ngắn mạch và cộng

hưởng đồng bộ

Bảng 1.3 mô tả các ứng dụng động trong việc giải quyết các vấn đề về ổn

định quá độ, ổn định và điều khiển điện áp sau sự cố ngẫu nhiên Trong các tình

huống sự cố lớn có thể gây mất ổn định động thì cần đến các thiết bị FACTS Các

giải pháp truyền thống thường rẻ hơn so với thiết bị FACTS nhưng bị giới hạn trong

các ứng dụng ổn định động

Bảng 1-2 Các ứng dụng với trạng thái xác lập của FACTS

Vấn đề Nguyên nhân Giải pháp phục hồi thống Giải pháp truyền FACTS Thiết bị

Tụ rẽ nhánh, tụ nối tiếp

SVC,TCSC STATCOM

Điện áp cao ở

mức

phụ tải thấp

Cung cấp công suất phản kháng

Đóng cắt đường dây EHV và/hoặc tụ rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM

Hấp thụ công suất phản kháng

Chuyển mạch tụ mạch

rẽ, thiết bị phản kháng

rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM

Điện áp cao

kéo theo

mất điện

Hấp thụ công suất phản kháng

Bổ sung thiết bị phản kháng, mắc rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOMBảo vệ thiết bị Bổ sung chống sét SVC

Điện áp thấp

và quá tải

Cung cấp công suất phản kháng

Chuyển mạch tụ, thiết

bị kháng rẽ nhánh, tụ nối tiếp

SVC STATCOM Ngăn ngừa quá tải tiếp PARThiết bị kháng nối TCPAR,TCSCĐiện áp thấp

và quá tải

Cung cấp công suất phản kháng và giới hạn quá tải

Phối hợp 2 hay nhiều thiết bị

TCSC, UPEC STATCOM, SVC

Các giới Quá tải đường Giảm quá tải Bổ sung đường dây TCSC,UPFC

Các dòng

công suất

chạy vòng

Chia tải đường

dây song song

Điều chỉnh phản kháng nối tiếp

Bổ sung tụ/ thiết bị kháng nối tiếp UPFC,TCSC Điều chỉnh

Chia tải

sau sự cố

Sắp xếp lại mạng hoặc sử dụng các “ giới hạn nhiệt”

PAR, tụ/ thiết bị phản nối tiếp

TCSC,UPFC SVC,TCPAR Đảo ngược

Bổ sung thiết bị phản nối tiếp, máy cắt mới

SCCl,UPFC TCSC Cộng

hưởng

đồng bộ

Hư hỏng Loại bỏ

Bảng 1-3 Các ứng dụng với trạng thái động của FACTS

Vấn đề Loại HT Hiệu chỉnh cần thiết Giải pháp truyền thống Thiết bị FACTS

TCSC,TSSC UPFC

A, D Hấp thụ năng lượng

động năng

Điện trở hãm, mở van (tuốc bin) nhanh

TCBR,SMES BESS

SVC,TCSC, STATCOM

B, D Làm nhụt các dao

dộng tần số thấp

Thiết bị ổn định hệ thống điện (PSS)

SVC,TCPAR,UPFC, NGH,TCSC

STATCOM Điều

Điều khiển dòng công

- SVC,UPFEC,TCSC

A ,B, C,

D

Giảm tác động của hiện tượng ngẫu nhiên

Các đường dây song song

SVC,TCSC STATCOM,UPFC

Các hành động điều khiển mạng

LTC, đóng lại, các điều khiển HVDC

UPFC, TCSC, STATCOMChú thích:

A Máy phát điện vùng sâu, vùng xa – Các đường dây hình tia (VD ở Namibia)

B Các khu vực kết nối với nhau (VD Brazil)

C Mạng kiểu lưới đan chặt (VD ở Tây Âu)

D Mạng kiểu lưới đan lỏng (VD ở Queensland, Úc)

E BESS = Hệ thống tích năng lượng dạng acqui

N TCPAR =Thiết bị điều chỉnh góc pha điều khiển bằng thyristor

O TCSC = Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor

P TCVL = thiết bị hạn chế điện áp điều khiển bằng thyristor

Q TSBR = Điện trở chuyển mạch bằng thyritor

R TSSC = Tụ nối tiếp chuyển mạch bằng thyristor

S UPFC = Thiết bị điều khiển luồng công suất hợp nhất

31

1.3 KẾT LUẬN

Sự ra đời và phát triển của kỹ thuật điện tử công suất lớn làm cho công nghệ FACTS phát triển rực rỡ những năm đầu của thế kỷ XXI Trên thế giới, công nghệ FACTS đã xuất hiện vào cuối những năm 80 của thế kỹ XX và có bước đột phá mạnh trong những năm cuối của thế kỷ XX Hàng loạt các công trình nghiên cứu về các ứng dụng của các thiết bị FACTS trên các hệ thống điện của các nước và đã mang lại hiệu quả lớn Ngày nay, công nghệ FACTS vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện liên kết giữa các khu vực, các quốc gia Ở Việt Nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các thiết bị bù ngang SVC (Static Var Compensator), bù dọc TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) tuy nhiên việc ứng dụng các thiết bị này vào trong hệ thống điện Việt Nam còn hạn chế Những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ PLC (Programmable Logic Control), vi xử lý mà kỹ thuật điều khiển các phần tử điện tử công suất lớn trở nên đơn giản hơn Do đó khó khăn về điều khiển, vận hành các thiết bị FACTS phần nào được cải thiện làm cho chi phí của các thiết bị FACTS giảm đi nhiều Chính vì thế công nghệ FACTS còn được phát triển mạnh trong những thập niên tới

Đề tài này tập trung vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như hiệu quả của TCSC trong nâng cao tính ổn định hệ thống điện Việt Nam vào năm

2015

32

Chương 2 THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN BẰNG

THYRISTOR - TCSC

2.1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TCSC

- Cấu tạo : TCSC là tổ hợp của tụ điện C ghép song song với TCSC

- Chức năng của các phần tử chính trong TCSC là :

+ Tụ C : là phần tử chính trong các chế độ làm việc của TCSC, có giá trị XC không đổi

+ Van Thyristor: thay đổi góc mở làm thay đổi giá trị điện kháng XL và do đó điều chỉnh trị số qua kháng

+ Điện kháng : là phần tử giới hạn tốc độ tăng của dòng điện đi qua van, phối hợp với tụ điện C trong việc điều khiển điện kháng của thyristor

+ Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu hoặc sự cố

Hình 2-1 Cấu tạo cơ bản của TCSC

Vì tụ C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ nên khi dòng điện chạy qua tụ

1X

1XTrong đó : XL – điện kháng tương đương của TCR (XL phụ thuộc vào α)

XC – điện kháng của tụ điện (XC = const)

Để thiết bị bù dọc có thông số điều chỉnh trơn và ổn định, thường phạm vi điều chỉnh của TCR từ XL0 đến ∞ với XL0 > XC (XL0 tương ứng với góc mở α = 00) Khi thyristor mở hoàn toàn (α = 00) và với XL0 = k.XC thì XL = XL0 = XC

Trong trường hợp k = 1,2 và thyristor mở hoàn toàn, ta có:

XTCSC = - ,, XC = - 6 XC

Nghĩa là TCSC có phạm vi điều chỉnh gấp 6 lần giá trị XC của tụ điện

Trong trường hợp chung, điện kháng của TCR phụ thuộc vào góc mở α Theo công thức điện dẫn BL(α) của TCR : BL(α) = (1- - 2 ) Ta có công thức điện kháng của TCR theo góc mở α

Và do đó điện kháng đẳng trị của TCSC là :

XTCSC =- . = - (2.1)

Hình 2-2 Đặt tính điều chỉnh của TCSC

35

Nhận xét:

Với việc điều khiển thay đổi góc mở α của thyristor ta có thể thay đổi điện kháng tương đương của TCSC có thể trong phạm vi rộng (- XC đến - XC) với đặt tính điều khiển trơn và tức thời Chính những đặc tính này là thế mạnh của TCSC trong việc nâng cao tính ổn định của hệ thống điện

2.2 PHẦN ĐIỀU KHIỂN CỦA TCSC

Mô hình phàn điều khiển của TCSC có 2 phần: điều khiển ngoài và điều khiển trong

Bộ điều khiển ngoài xác định chế độ làm việc của TCSC Khi làm việc trong HTĐ, TCSC có 2 chế độ hoạt động Trong chế độ làm việc bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt X0 Điểm đặt có thể thay đổi được theo thống số CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Power Flow Control Loop) Trong CĐQĐ, TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop) Đặt trương động của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này Trên hình 2.2 thể hiện cấu trúc chung phần điều khiển ngoài của TCSC

Trong đó Xm là giá trị điện kháng điều khiển ổn định, Xeo biểu thị điện kháng của TCSC trạng thái xác lập Tổng 2 giá trị này, là giá trị điện kháng tổng hợp của khối trễ thể hiện quán tính của thiết bị

Hình 2-3 Sơ đồ khối điều khiển ngoài của TCSC

36

Mô hình điều khiển TCSC này phù hợp cho các úng dụng ổn định góc, điện

áp và tính toán dòng công suất Xe là hàm của góc mở α, dựa trên giả thiết dòng điện qua bộ điều khiển ở trạng thái xác lập có dạng hình sin Và ta có Xemin ≤ Xe ≤

Xemax với Xemin = XC (XC là điện kháng của tụ trong TCSC) và Xemax = Xe(αmin)

(giả sử là toàn bộ điều khiển vận hành trong vùng dung kháng, vì vùng cảm kháng thường sinh ra sóng hài bậc cao, khó để mô hình trong nghiên cứu ổn định)

Cấu trúc bộ điều khiển trên hình 2.3 Gồm có khối trễ, khối lọc, khối bù pha, khối khuếch đại và có thể mô hình bằng một số khâu tuyến tính:

Hình 2-4 Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định của TCSC

Trong đó T1 là thời gian trễ của khâu đo lường và chuyển đổi (0 ≤ T1 < 5); T2

và T3 là hằng số của khâu bù pha ( 0 ≤ T2 < 5; 0 < T3 < 20); Tw (washuot) (0≤ T1<2);

K là hệ số khuếch đại

Hàm truyền của mô hình:

Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc định

các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant Power Control) của đường dây truyền tải Thực chất của tuật toán trên là tạo ra tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo hàm các đại lượng đo Thật vậy, nếu bỏ qua các đại

lượng quán tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

G(s) ≈ KTw = kCs

37

Hay ∆XC = ∆q (2.3) Trong đó, q – ký hiệu chung của các tín hiệu đo đầu vào

Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ), ta có:

∆XC = kc ∆q hay ∆XC (t) = kc ∆τ (2.4) Với TCSC, cấu trúc điều khiển cơ bản hình 2.2, như đã phân tích, có thể coi gần đúng như một khâu đạo hàm, phản ứng tác động của nó chỉ xẩy ra khi có biến thiên thông số hệ thống Trong CĐXL thiết bị TCSC làm việc như một tụ bù dọc cố định thông thường Vì chức năng thông dụng của TCSC là ổn định dao động công suất, tính hiệu điều khiển được mắc định là công suất tác dụng P chạy trên đường dây có đặt TCSC Khi đó điện dẫn TCSC thay đổi tỉ lệ với tốc độ biến thiên công suất nhánh và ngược dấu Có thể chứng minh tác động điều khiển như vậy chỉ có hiệu quả với dao động bé (tương ứng với dao động góc lệch giữa 2 đầu đường dây không vượt quá 900) Để có tác động hiệu quả hơn với các sự cố nặng nề cần sử dụng tín hiệu điều khiển khác hoặc phối hợp nhiều tín hiệu đo, thông qua khâu biến đổi thích hợp (đặt vào vị trí trước khối đạo hàm)

Cấu trúc của phần điều khiển trong của TCSC cần được xem xét sao cho khi vận hành, nó có thể đảm bảo không bị cộng hưởng đồng bộ phụ Hiện nay có 2 cách điều khiển cơ bản: Một là vận hành vòng lặp khóa pha (PLL) từ các thành phần của dòng điện trên đường dây, nhằm đạt được điều này, cần phải cung cấp một bộ lọc

để loại bỏ các thành phần bậc cao ra khỏi dòng điện dây, đồng thời vẫn đảm bảo đồng bộ chính xác

Theo cách sắp xếp này thì kỹ thuật truyền thống để chuyển đổi dòng điện TCR theo yêu cầu thành góc trễ pha tương ứng, được đo từ thời điểm nó đạt giá trị đỉnh (hoặc từ thời điểm nó qua giá trị 0) của dòng điện dây thành phần cơ bản

38

Chuẩn so sánh dòng điện TCR thường được cung cấp bởi vòng lặp điều chỉnh của

bộ diều khiển ngoài, so sánh điện dung thực sự hoặc điện áp bù với giá trị chuẩn

Hình 2-5 Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành

phần cơ bản của dòng điện

Cách thứ 2 là cũng dùng 1 PLL, được đồng bộ với dòng điện dây, để phát ra chuẩn thời gian (timing reference) Tuy nhiên, ở phương pháp này, điện áp của tụ qua giá trị 0 được ước lượng từ dòng điện dây và điện áp hiện thời bằng mạch hiệu chỉnh pha (angle correction circuit) Góc trễ pha được xác định từ góc hiệu chỉnh ước lượng nhằm làm cho độ dẫn của TCR đối xứng qua giá trị mà nó qua 0

Hình 2-6 Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành phần

cơ bản của dòng điện

39

Góc trễ mong muốn trong sơ đồ này có thể được điều chỉnh bằng vòng lặp kín điều khiển dịch pha của thời gian chuẩn do mạch PLL cung cấp Góc trễ pha của TCR, và do đó điện áp dung kháng bù sẽ được điều khiển bằng vòng lặp điều chỉnh của bộ điều khiển ngoài để đáp ứng yêu cầu vận hành của hệ thống Vòng lặp điều khiển này tương đối chậm, với giải điều chỉnh đủ để đáp ứng yêu cầu bù (điều chỉnh trào lưu công suất, chống dao động công suất, …) Vì thế, từ góc độ mạch hiệu chỉnh góc, đầu ra của bộ dịch chuyển pha gần như là tham chiếu trạng thái xác lập

2.3 HIỆU QUẢ ĐIỀU KHIỂN TCSC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG HTĐ

Hình 2-7 TCSC trong sơ đồ điện đơn giản

Trước hết ta phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động đóng cắt để nâng cao ổn định động của hệ thống điện Xét sơ đồ HTĐ đơn giản đã đẳng trị các máy phát của nhà máy như trên hình 2.7 Ở đây coi E và PT không thay đổi, còn điện dẫn đẳng trị từ sức điện động E đến thanh cái hệ thống là y Các điều kiện đầu của hệ có thể tính theo CĐXL trước sự cố

Biển thức đặc tính công suất truyền tải có dạng:

EUy         2.5 Trong đó:         2.6

Đường cong B biểu diễn đặt tính công suất máy phát ở CĐXL trước khi xẩy

ra sự cố (TCSC có giá trị trung bình) Đường cong A và C minh họa trạng thái giới hạn của đặc tính công suất dưới dạng tác động của TCSC (ứng với trị số XCmax và

XCmin)

N

40

Giả sử tại thời điểm sau khi ngắn mạch ( ) TCSC được đóng thêm đến trị

số XCmax , nâng đặt tính công suất lên đường A Diện tích hãm tốc sẽ tăng lên nhiều, đảm bảo độ ổn định hệ thống với góc lệch tăng cực đại đến Nếu không điều khiển góc lệch pha có thể đến (hoặc mất ổn định nếu đường B thấp hơn)

Tại thời điểm góc lệch bắt đầu giảm (sau ) cần cắt giảm điện kháng về

XCmin Tác động này làm giảm được diện tích gia tốc theo chiều âm, nhờ thế dao động góc lệch giảm về trị số nhỏ nhất chỉ đến Tương tự khi tăng, để giảm diện tích gia tốc theo chiều dương lại cần tác động đưa trị số điện kháng lên XCmax

một lần nữa, trước khi trả về trạng thái ban đầu XC0 Sau một số tác động hệ thống chỉ còn dao động rất nhỏ xung quanh vị trí cân bằng

δk

δcδđ