Nghiên cứu mô hình thiết bị bù tĩnh (SVC) trong tính toán và điều khiển để nâng cao chất lượng điện trong hệ thống điện

Lý do chọn đề tài Xuất phát từ công việc thực tế của tác giả là bảo dưỡng các hệ thống điện nhà máy, các dây chuyền sản xuất trong nhà máy giấy, nhà máy vỏ lon, dây chuyền làm ống nhựa,

Trang 1

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

-

NGUYỄN XUÂN THẮNG

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) TRONG TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS Đinh Quang Huy

Hà Nội – Năm 2014

Trang 2

Học viên: Nguyễn Xuân Thắng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả tính toán là hoàn toàn trung thực không có sự sao chép Để hoàn

thành luận văn tôi chỉ sử dụng các tài liệu được liệt kê trong danh mục tài liệu tham

khảo, và hoàn toàn không sao chép lại một đề tài nào đã được thực hiện và công bố trước

thời điểm hoàn thành của luận văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

Học Viên

Nguyễn Xuân Thắng

Trang 3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 3

1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN 3

1.1.1 TỔNG QUAN 3

1.1.2 CƠ SỞ CHUNG LƯỚI TRUYỀN TẢI 3

1.1.3 ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU 3

1.1.4 ĐIỀU KHIỂN LINH HOẠT LƯỚI TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU 7

1.1.5 CÁC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ FACTS TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI 9

1.2 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 10

1.2.1 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG DÂY XOAY CHIỀU KHÔNG BÙ 11

1.2.1.1 Tổng quan 11

1.2.1.2 Các phương trình đường dây truyền tải 12

1.2.2 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG THỤ ĐỘNG 16

1.2.3 BÙ BẰNG TỤ NỐI TIẾP TẠI ĐIỂM GIỮA CỦA ĐƯỜNG DÂY 18

1.2.4 BÙ NGANG TẠI ĐIỂM GIỮA ĐƯỜNG DÂY 20

1.2.5 SO SÁNH GIỮA BÙ NỐI TIẾP VÀ BÙ NGANG BẰNG TỤ 22

1.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LINH HOẠT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (FACTS) 25

1.3.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC – STATIC VAR CONPENSATOR) 25

1.3.2 THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC – THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR) 27

1.3.3 THIẾT BỊ BÙ TĨNH STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR) 28

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC 30

2.1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 30

2.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 30

Trang 4

2.1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SVC 31

2.1.2.1 Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất 31

2.1.2.2 Ổn định dao động công suất hữu công 32

2.1.3 Tăng khả năng tải của đường dây 32

2.1.4 Cân bằng các phụ tải không đối xứng 34

2.1.5 Cải thiện ổn định sau sự cố 34

2.2 THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC 35

2.2.1 CẤU TẠO PHẦN TỬ TCR (THYRISTOR CONTROLLER REACTOR)35 2.2.2 CẤU HÌNH SVC-FC-TCR 50

2.2.3 CẤU HÌNH SVC-MSC-TCR 55

2.2.4 CẤU TẠO PHẦN TỬ TSC (THYRISTOR SWITCH CAPACITOR) 57

2.2.4.1 Chuyển mạch tụ và điện áp nguồn 57

2.2.4.2 Chuyển mạch cho tụ mắc nối tiếp với kháng 58

2.2.4.3 Khóa van TSC 65

2.2.4.4 Cấu hình TSC 66

2.2.4.5 Đặc tính hoạt động 68

2.2.5 CẤU HÌNH SVC-TSC-TCR 68

2.2.5.1 Cấu hình 68

2.2.5.2 Đặc tính hoạt động 69

2.2.5.3 Đặc tính dòng điện 72

2.2.5.4 Đặc tính điện dẫn 73

2.3 SO SÁNH GIỮA CÁC CẤU HÌNH SVC KHÁC NHAU 74

2.3.1 TỔN THẤT 74

2.3.2 NHẬN XÉT 75

CHƯƠNG III: MÔ HÌNH VÀ CÁC THÀNH PHẦN ĐIỀU KHIỂN SVC 76

3.1 ĐO LƯỜNG THÔNG SỐ TRÊN HỆ THỐNG 76

3.1.1 ĐO LƯỜNG ĐIỆN ÁP 76

3.1.1.1 Chỉnh lưu xoay chiều/1 chiều 77

3.1.1.2 Phép đổi tọa độ 77

3.1.1.3 Phân tích chuỗi Fourier 78

Trang 5

3.1.2 Đo lường dòng điện 80

3.1.3 Đo lường công suất 83

3.1.4 Các yêu cầu đo lường hệ thống 84

3.2 ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG 86

3.2.1 CƠ SỞ ĐIỀU CHỈNH 86

3.2.2 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN DẪN 91

3.2.3 THỰC HIỆN SỐ HÓA BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 94

3.3 PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 96

3.3.1 CHỨC NĂNG TUYẾN TÍNH HÓA 97

3.3.2 TRỄ TRONG HỆ THỐNG PHÁT XUNG 99

3.3.2.1 Thời gian chết của Thyristor 99

3.3.2.2 Thời gian trễ mở xung Thyristor 100

3.4 ĐỒNG BỘ HÓA HỆ THỐNG 101

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ SVC 102

4.1 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK 102

4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỰC TRONG MATLAB 104

4.3 MÔ HÌNH MẠCH ĐIỀU KHIỂN 108

4.3.1 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG 109

4.3.2 BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP 111

4.3.3 KHỐI PHÁT TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN 112

4.3.4 KHỐI PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN 113

4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 117

4.5 KẾT LUẬN 118

ĐỀ XUẤT NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

Trang 6

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Khả năng truyền công suất như một hàm của chiều dài đường dây 5

Hình 1 2 Đường dây không tổn thất với một PST lý tưởng 5

Hình 1 3 Đường dây truyền tải công suất bù bằng cách điều khiển công suất phản kháng nguồn tại nút nhận 6

Hình 1 4 Đường dây truyền tải cung cấp cho một tải 11

Hình 1 5 Điện áp và dòng điện thay đổi trong đường dây dài 12

Hình 1 6 Lưới truyền tải được xem như mạng hai cửa 16

Hình 1 7 Mô tả một đường dây bù 18

Hình 1 8 Mạch tương đương của đường dây với bù nối tiếp 19

Hình 1 9 Mạch tương đương của lưới với các tụ điện nối ngang tại điểm chính giữa 21 Hình 1 10 Mạch tương đương để xác định các tần số cộng hưởng 24

Hình 1 11: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC 26

Hình 1 12 Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính hoạt động của TCSC 27

Hình 1 13 Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính hoạt động của STATCOM 28

Hình 2 1 Điều chỉnh điện áp tại một nút phụ tải 31

Hình 2 2: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC 33

Hình 2 3 Cấu tạo chung của bộ SVC 35

Hình 2 4: Cấu tạo một TCR 36

Hình 2 5: Điện áp và dòng điện ứng với các góc mở α khác nhau 37

Hình 2 6: Đặc tính điều khiển của bộ nạp TCR, BTCR 39

Hình 2 7: Sóng hài dòng điện của TCR 40

Hình 2 8: Giá trị dòng I1 và tổng dòng sóng hài Ih 40

Hình 2 9: TCR nối tam giác, dòng điện pha và dây tại các góc α khác nhau 42

Hình 2 10: Sơ đồ 1 sợi của bù TCR với tụ (fixed-shunt capacitors) 44

Hình 2 11: Cấu tạo một TSR 45

Hình 2 12: Một SVC đơn giản sử dụng một TCR 47

Hình 2 13: Đặc điểm khác nhau của một SVC: (a) Đặc tính dòng áp và (b) Đặc tính điện dẫn nạp SVC TCR 47

Hình 2 14: Đặc tính hoạt động của TCR với điều khiển điện áp: 49

Hình 2 15: Một FC-TCR SVC 50

Hình 2 16: Đặc tính hoạt động của một FC-TCR không có máy biến áp ghép 51

Hình 2 17: Một FC-TCR với máy biến áp giảm thế và đặc tính V-I của nó 53

Hình 2 18 Tổn thất trong một FC-TCR (Theo: The CIGRE) 55

Hình 2 20: Các cấu hình khác nhau của bộ bù MSC-TCR 56

Trang 7

Hình 2 21: Đóng mở tụ tại điện áp nguồn: (a) mô hình mạch (b) dạng sóng dòng điện

và điện áp 58

Hình 2 22: Một TSC với kháng mắc nối tiếp 59

Hình 2 23: Hệ số khuếch đại với tần số cơ bản trong TSC 60

Hình 2 24: Tầm quan trọng của các thành phần dao động lên sự thay đổi của các nhánh LC và sự khác nhau của điều kiện tiền sinh trên tụ C trước khi đóng: (a) tiêu chí mở van, v(t)=VC0 (VT=0) và (b) tiêu chí mở van, điện áp đỉnh của v(t)

62

Hình 2 25: Phương pháp chuyển mạch cho TSC : (a) Mở van tại điện áp thấp nhất của van, vC>v ; (b) Mở van tại điện áp không, vC=v ; (c) Mở van tại điện áp qua không của van vC<v ; (d) Mở van tại điện áp không của van vC=0 64

Hình 2 26: Điện áp sau khi khóa TSC: (a) sơ đồ mạch và (b)Dạng sóng điện áp-dòng điện 65

Hình 2 27: Sự khác nhau của các cấu hình TSC: (a) Nhánh TSC đơn pha; (b) TSC 3 pha nối tam giác; (c)TSC 3 pha với thứ cấp biến áp nối sao và nối trung tính 66

Hình 2 28: Một cấu hình TSC phổ thông 67

Hình 2 29: Đặc tính hoạt động của một TSC 68

Hình 2 30: Một TSC-TCR SVC phổ thông 69

Hình 2 31: Một ví dụ thực tế một TCR-TSC 6 xung với 3 TSC 70

Hình 2 32: Đặc tính Volt-Ampe của một cấu hình TSC-TCR SVC 72

Hình 2 33: Đặc tính dòng điện trong ví dụ một TSC-TCR SVC 73

Hình 2 34: Đặc điểm điện dẫn trong ví dụ một TSC-TCR SVC 74

Hình 2 37: So sánh tổn thất của các cấu hình SVC 75

Hình 3 1 Sơ đồ chung của một hệ thống điều khiển SVC 76

Hình 3 2 Mạch đo lường cho module điều khiển SVC phổ thông 77

Hình 3 3 Phương pháp chuyển đổi trục tọa độ để đo giá trị tức thời của giá trị 3 pha

78

Hình 3 4 (a) Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo lường Fourier đơn pha và (b) Hệ thống đo lường 3 pha 79

Hình 3 5 Đo lường dòng điện TCR sử dụng loại biến dòng đặc biệt (DCT-Differentiating current transformer) 81

Hình 3 6 Cấu trúc chung của một bộ điều chế tỉ số xung (PRM) chuyển đổi cỡ megawatt 83

Hình 3 7 Các tín hiệu đầu vào của một bộ chuyển đổi định mức (rms transducer) trong môi trường hệ thống điện thực 85

Trang 8

Hình 3 8 Thực hiện thay thế độ dốc dòng điện trong khâu điều chỉnh điện áp: (a) Một

khâu tích phân với tín hiệu độ dốc dòng điện phản hồi; (b) Một khâu tích phân với phản hồi điện dẫn rơi (susceptance droop feedback); (c) khuếch đại

hằng số thời gian 87

Hình 3 9 (a) IEEE dựa trên mô hình 1 cho hệ thống điều khiển SVC và (b) mô hình điều chỉnh điện áp 89

Hình 3 10 (a) IEEE dựa trên mô hình 2 cho hệ thống điều khiển và (b) mô hình điều khiển điện áp 91

Hình 3 11 Bộ điều chỉnh điện dẫn và các thiết bị chuyển mạch cơ: (a) Cấu trúc chung; (b) bộ diều chỉnh điện dẫn; và (c) thiết bị chuyển mạch cơ khí 93

Hình 3 12 Hoạt động của bộ điều chỉnh điện dẫn SVC 93

Hình 3 13 Hàm tuyến tính hóa 98

Hình 3 14 Mô hình PLL phổ thông diễn tả hệ thống điều khiển số 101

Hình 4 1 Các thư viện của Simulink 103

Hình 4 2 Khối nguồn trong thư viện SimpowerSystems 104

Hình 4 3 Sơ đồ mạch lực kết nối SVC lên lưới 105

Hình 4 4 Sơ đồ SVC Việt Trì 106

Hình 4 5 Mô hình mô phỏng bộ SVC trên Simulink 108

Hình 4 6 Mô hình bộ điều khiển TSC-TCR-SVC trong Simulink 109

Hình 4 7 Khối đo lường hệ thống 109

Hình 4 8 Cấu tạo bộ đo lường hệ thống 109

Hình 4 9 Cấu tạo bộ dao động khóa pha- 3 pha 110

Hình 4 10 Khối chức năng tách các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không 110

Hình 4 11 Khối điều chỉnh điện áp 111

Hình 4 12 Cấu tạo khối điều chỉnh điện áp 111

Hình 4 13 Khối phát tín hiệu điều khiển 112

Hình 4 14 Cấu hình chi tiết khối phát tín hiệu điều khiển 113

Hình 4 15 Khối phát xung điều khiển 113

Hình 4 16 Cấu tạo chi tiết bộ phát xung điều khiển 114

Hình 4 17 Điện áp 3 pha 115

Hình 4 18 Cấu tạo chi tiết bộ phát xung cho TCR 116

Hình 4 19 Cấu tạo chi tiết khối Block 4 116

Hình 4 20 Mô phỏng hệ thống khi chưa có bù 117

Hình 4 21 Mô phỏng hệ thống khi có bộ bù tham gia 117

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

FACTS: Flexible Alternating Current Transmission Systems

SIL: Surge Impedance Loading

Se: serier

Er: electrical resonance

PST Phase Shifting Transformer

FACTS Flexible AC Transmission System

VSC Voltage Source Converter

SVC Static Var Compensator

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

STATCOM Static Synchronous Compensator

TCR Thyristor Controlled Reactor

TSR Thyristor Switched Reactor

TSC Thyristor Switched Capacitor

MSC Mechanical Switched Capacitor

Trang 10

Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 1

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Xuất phát từ công việc thực tế của tác giả là bảo dưỡng các hệ thống điện nhà máy, các dây chuyền sản xuất trong nhà máy giấy, nhà máy vỏ lon, dây chuyền làm ống nhựa, nhà máy nấu thép…các thiết bị điện tử kết hợp với các máy CNC điều khiển chính xác hoạt động của các cơ cấu chấp hành (như đùn nhựa, ép vỏ lon, …) Tác giả nhận thấy rằng, khi điện áp lưới thay đổi (cao hoặc thấp) rất dễ gây nên các dao động công suất, cũng như nhiễu tới các tín hiệu điều khiển, việc này dẫn tới hậu quả là sản phẩm tạo ra không đạt chất lượng như mong muốn do chất lượng điện năng thấp Thêm vào đó là chi phí cho điện lực (do phạt vi phạm sử dụng công suất Q) do nộp phạt Q cũng là một vấn

đề lớn với các doanh nghiệp, đặc biệt là luyện kim (nhà máy thép Dương Tiến-khu công nghiệp Nội Hoàng-Bắc Giang là ví dụ)

Và trong các thiết bị được quan tâm hiện nay để tăng tính ổn định và điều khiển linh hoạt trên lưới là nhóm các thiết bị điều khiển xoay chiều linh hoạt gọi tắt là FACTS-Flexible Alternating Current Transmission Systems, điển hình hiện nay là thiết bị SVC-Static Var Compensator, được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta Tác dụng của SVC là thay đổi nguồn công suất phản kháng bù lên lưới một cách liên tục và trơn thay

vì nhảy cấp như trước đây SVC còn các tác dụng giữ cho điện áp tại nút có gắn SVC cố định, đồng thời nâng hệ số công suất của lưới tăng lên nâng cao được chất lượng điện năng và công suất truyền tải trên lưới điện Và vấn đề đặt ra là làm thế nào bộ SVC làm được điều đó, xuất phát từ yêu cầu đó mà tác giả đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu mô hình thiết bị bù tĩnh (SVC) trong tính toán và điều khiển để nâng cao chất lượng điện trong Hệ thống điện”

II Mục đích của đề tài

Nghiên cứu hệ thống điều khiển, cũng như đường đặc tính điều chỉnh của SVC Cách đáp ứng của SVC với sự biến động điện áp nhỏ và lớn của lưới điện, và cách thức

ổn định điện áp tại nút giữ SVC

Trang 11

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng tập trung nghiên cứu: Bộ điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC

Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào các cấu hình hiện có của bộ SVC và với một thông số của một đường dây truyền tải 110kV, sử dụng mô mình Simulink trong Matlab làm công cụ hỗ trợ mô phỏng

IV Bố cục của luận văn

Bố cục luận văn chia làm 4 chương:

Chương I: Tổng quan về điều khiển công suất trong hệ thống truyền tải Chương II: Thiết bị bù tĩnh SVC

Chương III: Xây dựng mô hình và các thành phần điều khiển SVC Chương IV: Mô phỏng bộ SVC bằng phần mềm Matlab Simulink

V Tổng kết đánh giá luận văn

Luận văn mở ra cho người đọc một góc nhìn sâu sắc hơn về cách thức điều khiển một bộ SVC đang sử dụng hiện nay, cũng như các thuật toán đang sử dụng để phân tích

và điều khiển bộ SVC Thông qua luận văn người đọc sẽ có được hiểu biết về các phần

tử điều khiển bộ SVC, và cách thức SVC phản ứng với lưới tại điểm kết nối SVC, qua

đó phục vụ tốt hơn cho việc vận hành lưới, và các nghiên cứu về ổn định lưới điện khi có

sử dụng bộ SVC nói riêng và các thiết bị FACTS nói chung

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thày giáo TS.Đinh Quang Huy đã trực tiếp

hướng dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể thày cô trong bộ môn Hệ thống điện, bộ môn Thiết bị điện-điện tử cùng các bạn

bè, đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ tác giả trong thời gian hoàn thành luận văn này Luận văn là cách hiểu và cách thực hiện của tác giả nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế, vì vậy tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thày cô và quý bạn đọc để luận văn được hoàn thiện và tỉ mỉ hơn Tác giả xin chân

thành cảm ơn

Trang 12

CHƯƠNG I: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1.1 TỔNG QUAN

Hệ thống điện hiện

đại được thiết kế hoạt động hiệu quả để cung cấp theo yêu cầu tới các trung tâm phụ tải với độ tin cậy cao Các nguồn phát thường đặt tại các địa điểm xa vì lý do kinh tế, môi trường và lý do an toàn Ví dụ, có thể đặt nhà máy nhiệt điện tại ngay gần các mỏ than thay vì phải vận chuyển than tới khu vực trung tâm Các nhà máy điện hạt nhân thì cần đặt cách xa trung tâm và khu vực đô thị Các nhà máy thủy điện thì thường nằm ở nơi xa xôi so với các khu vực đông dân cư Do vậy, một lưới truyền tải hoạt động ở điện

áp cao hoặc các đường dây siêu cao áp thì yêu cầu thiết yếu là truyền tải từ vị trí nguồn phát tới các trung tâm phụ tải

1.1.2 CƠ SỞ CHUNG LƯỚI TRUYỀN TẢI

Phần lớn các đường dây truyền tải là đường dây xoay chiều hoạt động tại các điện áp khác nhau (10 kV tới 800 kV) Lưới phân phối thông thường hoạt động dưới 100 kV trong khi công suất truyền tải thường ở điện áp cao hơn Các đường dây hoạt động tại các điện áp khác nhau được kết nối thông qua các máy biến áp hoạt động ở hiệu suất cao Theo phương pháp truyền thống, đường dây xoay chiều không có dự phòng để điều khiển dòng công suất Các bộ đóng cắt (CB-circuit breaker) bằng cơ được sử dụng để bảo vệ lưới khỏi các sự cố (ví dụ như phóng điện do quá áp trên đường dây hoặc do sự

cố chạm đất) Máy cắt được sử dụng mở hoặc đóng tại một thời điểm nào đó, nhưng không thể điều khiển được dòng công suất (Không giống như các chuyển mạch điện tử công suất như thyristor, GTO, IGBT, IGCT,…)

1.1.3 ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU

Chúng ta có thể điều khiển dòng công suất trên lưới điện xoay chiều để (a) nâng cao khả năng truyền công suất hoặc (b) thay đổi dòng công suất dưới các điều kiện động (đối

Trang 13

tượng là các sự cố mất ổn định như là tải tăng đột ngột, đường truyền đứt pha hoặc xa thải nguồn máy phát) để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống và tính an toàn của hệ thống

Độ tin cậy có thể bị tác động bởi sự gia tăng của các tần số thấp, dao động công suất, tổn thất đồng bộ và điện áp sụt là các nguyên nhân chính gây nên sự mất ổn định

Công suất truyền (P) trên lưới như sau:

1 2

sin( )

VV P

độ môi trường) Nếu như chiều dài đường dây giảm đi, X sẽ tăng một cách tuyến tính và

Pmax giảm như hình 1.1

Bù nối tiếp sử dụng các tụ mắc nối tiếp làm tăng Pmax, giá trị bù của điện kháng nối tiếp (XC) được cho như sau:

Loạt tụ cố định được sử dụng từ rất lâu để tăng khả năng truyền công suất trên đường dây dài Đó cũng là một giải pháp kinh tế Tuy nhiên, điều khiển bù nối tiếp sử dụng thyristor để chuyển mạch đã được giới thiệu từ cách đây nhiều năm về trước để điều

Trang 14

khiển nhanh nguồn công suất Ứng dụng điều khiển cuộn kháng (TCR-Thyristor Controlled Reactors) mắc song song với tụ cố định để điều khiển Xc, cũng giúp cải thiện các vấn đề chính trong cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR-Subsynchronous Resonance), gây ra sự mất ổn định

Hình 1 1 Khả năng truyền công suất như một hàm của chiều dài đường dây

Với các đường dây liên kết có chiều dài ngắn, công suất truyền có thể được điều khiển bằng các máy biến áp dịch pha PST (Phase Shifting Transformer) Dòng công suất trong đường dây truyền tải không tổn hao với một PST lý tưởng (xem hình 1.2) được cho như sau:

VV P

Trang 15

Nhắc lại rằng, điều chỉnh PST không đủ nhanh để đáp ứng dưới điều kiện động Các chuyển mạch thyristor có để đảm bảo việc điều khiển nhanh trong sự gián đoạn (hoặc liên tục) của giá trị ϕ , phụ thuộc vào cấu hình của PST sử dụng Pmax có thể cũng tăng bằng cách điều khiển điện áp nút nhận của đường dây xoay chiều Cũng lưu ý rằng V2thay đổi với tải và có thể biểu diễn như sau:

X

Bằng cách cung cấp động công suất phản kháng tại thanh cái (2) như trong hình 1.3,

có thể điều chỉnh được giá trị điện áp thanh cái

Công suất phản kháng (QC) được đẩy vào hệ thống được cho như sau:

2

C

V VV Q

Trang 16

So sánh phương trình (1.6) và (1.1) có thể thấy rằng công suất truyền max có thể được nhân đôi bằng cách cung cấp công suất phản kháng động tại nút cuối của đường dây truyền tải Phải lưu ý rằng trong trạng thái ổn định điện áp có thể có được nhờ các tụ chuyển mạch cơ, điện áp cấp động yêu cầu một máy bù đồng bộ hoặc một bộ điều khiển điện tử công suất như SVC hoặc STATCOM

1.1.4 ĐIỀU KHIỂN LINH HOẠT LƯỚI TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU

Lưới truyền tải kết nối lớn (tạo thành đường dây truyền tải trên không) rất dễ bị lỗi

do nguyên nhân sét đánh và giảm điện trở cách điện do bụi Dòng công suất trong đường dây truyền tải được xác định bằng định luật Kirchhoff cho các nút khác nhau cùng đẩy công suất vào (cả công suất tác dụng và phản kháng) Trong khi các tải của hệ thống điện thay đổi theo thời gian trong ngày nói chung, chúng cũng có thể thay đổi theo thời tiết (nhiệt độ môi trường) và các yếu tố không thể đoán trước được Mô hình nguồn phát trong môi trường không điều khiển cũng có xu hướng biến đổi (và do đó khó dự đoán hơn) Như vậy, dòng điện trong đường dây truyền tải có thể thay đổi ngay cả trong trạng thái ổn định bình thường Sự cố ngẫu nhiên (do sự cố chạm đất một pha, hay mất máy phát) có thể là nguyên nhân dẫn tới sự tăng/giảm của dòng công suất Điều này có thể dẫn tới quá tải trên một số đường dây và kết quả là gây nguy hiểm cho hệ thống bảo vệ lưới

Sự mất ổn định lớn có thể dẫn tới cánh rotor của máy phát bị ảnh hưởng và góp phần vào sự thay đổi công suất trên đường dây truyền tải Có thể là hệ thống phải chịu sự mất

ổn định tạm thời và xa thải một phần (như đường dây, máy phát điện), tác động này do các rơle bảo vệ Nếu hệ thống hoạt động gần ranh giới trong khu vực ổn định nhỏ, thì thậm trí chỉ một dao động nhỏ cũng dẫn tới hệ thống bị biến động và mất điện

Các yếu tố được đề cập ở các phần phía trên chỉ ra những vấn đề cần đối mặt là đảm bảo ổn định cho các trọng tâm kinh tế và hoạt động an toàn của các hệ thống lớn Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt viết tắt là FACTS (Flexible AC Transmission System) được định nghĩa như là “hệ thống truyền dẫn dòng điện xoay chiều hợp nhất dựa trên các thiết bị điện tử công suất và các bộ điều khiển tĩnh để tăng cường khả năng

Trang 17

điều khiển và tăng dung lượng công suất truyền tải” Bộ điều khiển FACTS được định nghĩa là “hệ thống cơ bản các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống truyền dẫn xoay chiều”

Bộ điều khiển FACTS có thể được phân loại như sau:

1 Điều khiển nối ngang (hay nối shunt)

2 Điều khiển nối tiếp

3 Kết hợp các bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp

4 Kết hợp các bộ điều khiển shunt-nối tiếp

Tùy theo thiết bị công suất phản kháng được sử dụng trong điều khiển, mà các bộ điều khiển FACTS được phân loại như sau:

(A) Kiểu trở kháng biến thiên

(B) Chuyển đổi nguồn áp VSC (Voltage Source Converter)

Loại điều khiển trở kháng biến thiên bao gồm :

(i) Bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) (nối shunt)

(ii) Thyristor Controlled Series Capacitor or compensator (TCSC), (mắc nối tiếp) (iii) Máy biến áp dịch pha dùng Thyristor (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer - TCPST) (kiểu shunt-nối tiếp)

VSC làm cơ sở điều khiển FACTS đó là:

(i) Static synchronous Compensator (STATCOM) (Nối shunt)

(ii) Static Synchronous Series Compensator (SSSC) ( nối nối tiếp)

(iii) Interline Power Flow Controller (IPFC) ( kết hợp nối tiếp-nối tiếp)

(iv) Unified Power Flow Controller (UPFC) (kết hợp nối tiếp-nối tiếp)

Các bộ điều khiển FACTS dựa trên VSC có một vài ưu điểm hơn loại trở kháng biến thiên Ví dụ, một STATCOM gọn nhẹ hơn là một bộ SVC với cùng dung lượng và kỹ thuật cao cấp hơn Nó có thể cung cấp yêu cầu dòng phản kháng thậm trí ngay cả khi điện áp thanh cái thấp và có thể được thiết kế để chịu quá tải trong một thời gian ngắn

Trang 18

Cũng như vậy STATCOM có thể cung cấp công suất hữu công nếu nó có một nguồn cấp năng lượng hoặc dung lượng năng lượng lớn một chiều tại ngay thiết bị đầu cuối của nó Chỉ có một hạn chế với bộ điều khiển dựa trên nền tảng VSC đó là yêu cầu sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất chuyển mạch riêng như Gate Turn Off (GTO), Isulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT) Thyristor không có các khả năng này và không thể sử dụng chúng mặc dù chúng có thể chịu được mức điện áp cao và rẻ hơn trong việc giảm tổn thất Tuy nhiên ưu điểm công nghệ với bộ điều khiển dựa trên VSC sẽ thúc đẩy các thiết bị bán dẫn công suất sử dụng công nghệ Carbide Silicon trở nên rộng rãi và sẽ phát triển phổ thông trong tương lai

1.1.5 CÁC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ FACTS TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI

Trong những năm gần đây, chất lượng điện năng PQ (power quality) chủ yếu hướng tới tính liên tục của nguồn cấp tại điện áp và tần số chấp nhận được Tuy nhiên sự tăng lên của việc sử dụng các máy tính, các vi xử lý và các hệ thống điện tử công suất đã gây

ra hệ quả là chất lượng điện năng bị ảnh hưởng do các rối loạn nhất thời về biên độ điện

áp, dạng sóng và tần số Tải không tuyến tính không những là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới PQ mà còn rất nhạy trong việc làm lệch điện áp

Trong các văn bản hiện đại, vấn đề chất lượng điện năng PQ được định nghĩa là “bất

kỳ vấn đề xuất hiện trong điện áp, dòng điện hoặc lệch tần số mà dẫn tới việc xảy ra sự

cố hoặc lỗi hoạt động các thiết bị của khách hàng”

Các vấn đề về chất lượng điện năng được phân loại như sau:

1 Quá độ

(a) Các xung

(b) Các dao động

2 Các thay đổi biến thiên trong thời gian ngắn, và trong thời gian dài

(a) Gián đoạn

(b) Các đoạn đặc tính dốc

Trang 19

6 Dao động tần số công suất

Hingorani lần đầu tiên đề cập tới mục đích của FACTS điều khiển và cải thiện chất lượng điện năng Ông đã đặt tên chúng là Custom Power Devices (CPD) Chúng dựa trên nền tảng VSC và chia làm 3 loại sau:

1 STATCOM phân phối kết nối shunt - DSTATCOM (Distribution STATCOM)

2 Hoàn trả điện áp động mắc nối tiếp DVR (Dynamic Voltage Restorer)

3 UPQC kết hợp nối shunt và nối tiếp (Unified Power Quality Conditioner)

DSTATCOM được ABB định nghĩa như một ‘SVC light’

Như vậy các thiết bị FACTS đã thể hiện rõ vai trò điều khiển dòng công suất và giúp việc nâng cao chất lượng điện năng, nhắm tới mục đích là đáp ứng được nhu cầu của khách hàng dùng điện

1.2 ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Trong chương này, điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống đường dây truyền tải xoay chiều được nghiên cứu Các yêu cầu đưa ra như sau:

(a) Truyền đi nhiều công suất nhất có thể trên đường dây với điện áp định sẵn

(b) Điều khiển điển áp của đường dây trong giới hạn

Trang 20

Các đặc tính ở trạng thái ổn định của một đường dây truyền tải đầu tiên được nghiên cứu dựa trên các phương trình dẫn xuất từ các nguyên lý cơ bản đầu tiên Một vài bộ điều khiển FACTS (như STATCOM, SSSC, SVC) có thể xem như là các bộ điều khiển công suất phản kháng nhanh Ảnh hưởng của chúng lên đặc tính góc công suất cũng đã được quan tâm nghiên cứu

1.2.1 PHÂN TÍCH ĐƯỜNG DÂY XOAY CHIỀU KHÔNG BÙ

1.2.1.1 Tổng quan

Một đường dây truyền tải có các đặc tính của mạch đường dây phân phối Chúng

ta giả định rằng đường dây là đối xứng với 3 pha và hoạt động cân bằng (thứ tự thuận) với điện áp và dòng điện Do đó ta chỉ cần xem xét dòng thứ tự thuận của một pha và mạch tương đương được thể hiện trong hình 1.4

Trong hình 1.4, ta giả định rằng nút truyền được nối với một máy phát và nút nhận được nối với tải Đường dây có điện trở nối tiếp là r và điện kháng là l, điện dẫn nối ngang là g, và điện dung c (tất cả các thông số được diễn tả đều là trên đơn vị chiều dài)

Hình 1 4 Đường dây truyền tải cung cấp cho một tải

Trang 21

1.2.1.2 Các phương trình đường dây truyền tải

Giả định rằng tại trạng thái ổn định tất cả điện áp và dòng điện đều có dạng sin với tần số ω rad/s

Xét một thành phần nhỏ trên chiều dài lưới (dx) tại khoảng cách x từ nút nhận, xem hình 1.5, phương trình sau đây được áp dụng:

I x dx I x    ydx V x dx  (1.8)

V x dx V x    zdx I x (1.9) Trong đó y = g + jb, z = r + jx, b = ωc, x = ωl

Hình 1 5 Điện áp và dòng điện thay đổi trong đường dây dài

Lưu ý rằng cả V và I đều có pha là hàm của x Từ các phương trình ở trên, ta có phương trình khác cho V và I:

Trang 22

2 2

d V zyV

Tương tự, ta có:

2 2

I(x)= Rsinh( ) cosh( )

R c

Trang 23

Biểu thức cho lưới không tổn thất

Bỏ qua r và g, hằng số truyền γ sẽ được biểu diễn như sau:

Trong trường hợp này Zc được gọi là trở kháng sóng hoặc trở kháng tự nhiên (Zn)

Thay thế (1.22) và (1.23) vào (1.20) và (1.21) chúng ta được:

( ) Rcos( ) R nsin( )

V x V   x  jI Z  x (1.24)

( ) Rsin( ) cos( )

R n

Trang 24

Z



 , D=cos θ là các hằng số của mạng hai cửa như hình 1.6:

Trang 25

Hình 1 6 Lưới truyền tải được xem như mạng hai cửa

2 Ta lưu ý rằng D=A và AD-BC=1, với kết quả VR và IR được diễn đạt như sau:

Đường dây truyền tải có điện cảm nối tiếp sẽ hấp thụ công suất phản kháng trong khi

tụ nối ngang phát công suất phản kháng Với tải nhẹ, độ hấp thụ ít hơn phát và điện áp đường dây nhờ đó tăng lên Mặt khác, quá tải SIL, điểm hấp thụ cao hơn phát và điện áp

do đó rơi xuống thấp Bằng cách kết nối các tụ nối tiếp và các kháng nối ngang trên đường dây, chúng ta có thể điều khiển dòng công suất trên lớn tới giới hạn điện áp và tăng khả năng truyền dẫn công suất (công suất tác dụng)

Bù lưới phân phối

Chúng ta hãy cùng xem xét bù nối tiếp lưới phân phối (bằng tụ), tác dụng của chúng trong trạng thái ổn định tĩnh, nhằm chống lại dòng điện kháng nối tiếp trên lưới phân phối Tương tự, bằng cách bù nối ngang (các kháng), có tác dụng làm giảm điện kháng dung trên đường dây

Hằng số pha (β’) của bù đường dây được cho như sau :

Trang 26

Trong đó β là hằng số pha của đường dây không bù, kse là hệ số của bù nối tiếp và

ksh là hệ số của bù nối ngang Giả định rằng cả hai giá trị kse và ksh đều nhỏ hơn 1

Trở kháng sóng (Zn) của bộ bù được thể hiện như sau :

Điện áp không tải tại điểm giữa (V’m0) được cho như sau :

' 0

cos2

m

V V

Trang 27

1 Bù lưới, nối ngang lưới phân phối làm giảm điện áp không tải và công suất phản kháng sạc (tụ ký sinh gây ra), nhưng lại ít ảnh hưởng lên dòng công suất max trên lưới

2 Bù nối tiếp trên lưới phân phối làm giảm điện áp không tải và làm tăng khả năng truyền dẫn công suất, nhưng ít ảnh hưởng tới công suất bù sạc không tải

1.2.3 BÙ BẰNG TỤ NỐI TIẾP TẠI ĐIỂM GIỮA CỦA ĐƯỜNG DÂY

Hai trường hợp bù nối tiếp được xem xét

Trường hợp 1 : bù nối tiếp kèm theo bù ngang :

Mạch tương đương của lưới với bù nối tiếp và bù ngang tại điểm giữa và được thêm vào

2 nút của đường dây (xem hình 1.7(a)) được thể hiện trong hình 1.7(b)

Hình 1 7 Mô tả một đường dây bù

Dòng công suất trong đường dây bù như sau :

Trang 28

sin(2 sin )

2

S R

V V P

Trường hợp 2: Bù nối tiếp tại điểm giữa:

Nếu không có các kháng nối ngang được sử dụng tại các điểm đầu cuối của tụ nối tiếp, mạch tương đương của đường dây bù nối tiếp xem trong hình 1.8

Hình 1 8 Mạch tương đương của đường dây với bù nối tiếp

Dòng công suất (P) trên đường dây được cho như sau:

Trang 29

sin2sin (1 )2

se m

V I

n

X k

sin

1 sin 1

tan tan

S R c n

n

V V P

X Z

X k

1.2.4 BÙ NGANG TẠI ĐIỂM GIỮA ĐƯỜNG DÂY

Như đề cập từ sớm, điều khiển điện áp không tải yêu cầu các kháng nối ngang Mặt khác, để dòng công suất tăng trên lưới yêu cầu tụ nối ngang Không giống như trường hợp các tụ mắc nối tiếp, vị trí của tụ nối ngang là rất quan trọng Vị trí tốt nhất là điểm chính giữa đường dây để tối đa dòng công suất trên lưới Mạch tương đương của lưới với điện dẫn nối ngang nối với điểm chính giữa được thể hiện trong hình 1.9:

Trang 30

Điện kháng truyền dẫn (Xt) giữa điểm nút (1) và (2) được cho như sau:

Hình 1 9 Mạch tương đương của lưới với các tụ điện nối ngang tại điểm chính giữa

Nếu VS=VR=V , điện áp tại điểm chính giữa (Vm) được cho như sau:

cos 2 cos [1 tan ]

sh m

n c

V V

2

m n

V sin I

Không có ảnh hưởng gì của điện dẫn nối ngang Cả Vsh m và Im đều cùng pha và do

đó dòng công suất là tích của Vm và Im

Trang 31

c

Cộng phương trình (1.55) và (1.56) kết quả là phương trình (1.53)

1.2.5 SO SÁNH GIỮA BÙ NỐI TIẾP VÀ BÙ NGANG BẰNG TỤ

Dòng công suất đạt max trên đường dây nhận được bằng cách thay thế δ = δ max trong biểu thức dòng công suất (P) δ max được lựa c5họn từ việc xem xét trạng thái ổn định tĩnh, sẽ không thể tìm thấy kết quả nếu dòng công suất vượt quá giới hạn trong một trường hợp ngẫu nhiên

Với cùng một lượng công suất max truyền dẫn, chúng ta có được mối quan hệ (so sánh phương trình 1.72 và 1.79)

Trang 32

sh p

V V

Q Q

Trang 33

Hình 1 10 Mạch tương đương để xác định các tần số cộng hưởng

Tần số cộng hưởng với bù tụ nối ngang nhận được như sau:

Trong đó f0 là tần số hoạt động của hệ thống (50 hoặc 60 Hz) Lưu ý rằng các biểu

thức rút ra được, biểu thức tan

và kết quả là dải tần số dưới đồng bộ và các thành phần tần số siêu đồng bộ của dòng điện chảy trong phần ứng của máy phát Khi các thành phần tần số dưới đồng bộ của dòng điện gây ra momen cản âm (negative damping torque), các thành phần tần số siêu đồng bộ của dòng điện lại gây ra kết quả là các momen cản dương (Positive damping torque) Các tần số đồng bộ điện, f0-fm làm tăng các momen cản âm trong khi các tần số đồng bộ tại f0+fm lại mang tới kết quả tăng cường các momen cản dương

Trang 34

So sánh phương trình (1.63) và (1.62), rõ ràng fersh  f0 trong khi ferse  f0 Điều này có nghĩa rằng không có nguy hiểm với tần số dưới đồng bộ SSR (Subsynchronous Resonance) với các tụ nối ngang, trong khi nguy cơ này lại tồn tại với các tụ nối nối tiếp Mặt khác, mức độ yêu cầu của tụ nối ngang cao trừ khi các đường dây dài đáng kể, kết quả là giá trị hoạt động của δmax là rộng Chi phí cho tụ nối tiếp là cao hơn (thông thường

là khoảng 2 lần) nhưng nó được thiết kế để chịu được quá áp trong các quá độ sự cố 1.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG LINH

HOẠT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN (FACTS)

1.3.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC – STATIC VAR CONPENSATOR)

SVC là thiết bị bù ngang dùng để bù hoặc 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

SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:

+ 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

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.11

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

mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận

Trang 35

hành Nói chung các SVC không làm việc ở điện áp của đường dây, nó thường được nối qua máy biến áp ghép với điện áp đường dây phía cao áp Việc giảm điện áp làm việc của SVC để giảm kích thước và dung lượng thiết bị của SVC (chủ yếu do các bộ tụ bù ngang có điện áp làm việc thấp) Mặc dù việc này làm cho các cuộn dây điện cảm có kích thước lớn hơn để chịu được dòng điện lớn

Hình 1 11: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

*Ưu điểm của SVC:

Ưu điểm của SVC so với các bộ tụ bù ngang là chúng phản ứng gần như tức thời với sự thay đổi điện áp của hệ thống SVC nói chung rẻ hơn, có dung lượng cao hơn, điều chỉnh nhanh hơn và tin cậy hơn so với các thiết bị bù khác như máy bù đồng bộ SVC có nhiều cấu hình khác nhau dựa trên các bộ phận của nó, điển hình là các kiểu bộ tụ bù Tựu chung lại ưu điểm của bộ SVC trong lưới được thể hiện qua các điểm sau:

- 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 hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như: ngắn

mạch, mất tải đột ngột…

Trang 36

Ngoài ra, SVC còn có chức năng mang lại hiệu quả tốt cho quá trình vận hành hệ thống như sau:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

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

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

1.3.2 THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC – THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR)

Cũng tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định tĩnh của hệ thống điện Bộ TCSC là tổ hợp của nhiều nhánh module TCSC, mỗi một module bao gồm có hai phần cơ bản:

C MOV

- Làm giảm sự biến động điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống

- Tăng cường khả năng vận hành của đường dây

Cũng như SVC trong TCSC cũng có các cấu hình tương đương và chức năng tương đương với yêu cầu cụ thể đặt ra tại vị trí lắp đặt bộ này

Trang 37

1.3.3 THIẾT BỊ BÙ TĨNH STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR)

STATCOM là sự hoàn thiện của bộ SVC, nó bao gồm các tụ điện được điều chỉnh thực hiện bằng các thiết bị điện tử công suất như Thyristor có cổng đóng mở GTO So với SVC, nó có ưu điểm hơn là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là sự vượt trội về sự điều khiển linh hoạt và hiệu quả

Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:

Máy biến áp ghép Đường dây

U N

Đặc tính hoạt động

Sơ đồ nguyên lý

Hình 1 13 Sơ đồ nguyên lý và đường đặc tính hoạt động của STATCOM

Cũng như SVC bộ STATCOM cũng có các đặc điểm điều khiển và ứng dụng tương tự, nhưng nó tăng cường các đặc điểm đó ở mức cao hơn.Ngoài các đặc điểm chung với SVC ở trên STATCOM còn có thêm các đặc điểm vượt hơn:

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

- Có thể vẫn phát công suất phản kháng trong điều kiện điện áp tại nút đặt STATCOM thấp hơn điện áp nguồn và ngược lại, và tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

Trang 38

Ngoài các thiết bị đã liệt kê ở trên nằm trong nhóm các thiết bị điều khiển linh hoạt trên lưới, hiện nay còn phát triển các thiết bị điều khiển khác như: UPFC-Unified Power Flow Controller; TCPAR-Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)…

Người ta đã tổng kết để có một cái nhìn chung về các thiết bị bù có điều khiển như sau:

Ghi chú: * Bình thường; ** Tốt; *** Rất tốt

* Nhận xét:

Thông qua chương này chúng ta đã có được cái nhìn chung nhất về các thiết bị bù trên lưới cũng như các phương pháp sử dụng để nâng cao chất lượng và độ tin cậy điện

áp trên lưới Trong thực tế phải căn cứ theo yêu cầu cụ thể từng quốc gia, từng lưới điện

và từng khu vực để lựa chọn thiết bị nào phù hợp để lắp đặt Trong các bộ điều khiển đã nêu trên thiết bị SVC là thiết bị có giá thành phù hợp và khả năng vận hành tại trạm (bao gồm cả vận hành, bảo trì và sửa chữa), căn cứ vào thức tế đã lắp đặt trạm SVC trên lãnh thổ Việt Nam, nên chúng ta sẽ tập trung nghiên cứu về bộ bù tĩnh SVC trong phần tiếp theo

Trang 39

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

Trong hệ thống truyền tải điện năng, SVC được sử dụng với các mục đích chính sau:

- Ổn định điện áp trong các hệ thống yếu

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm tổn thất điện năng truyền tải

- Tăng cường khả năng điều khiển điện áp

- Ôn hòa các dao động công suất

2.1 CÁC ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cũng như công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q trong hệ thống điện cũng cần phải thường xuyên điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng Việc phân bố dòng công suất trong hệ thống điện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải và đảm bảo điều kiện vạn hành các thiết bị và đường dây

an toàn, tránh hiện tượng quá áp và các hiện tượng khác gây hại do công suất phản kháng gây nên Hơn nữa khi có bộ SVC tham gia tại một nút trong hệ thống điện, nó còn làm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng có tính chất phân bố theo khu vực, nên ngoài nguồn cung cấp công suất phản kháng từ các nhà máy điện cần phải có các nguồn phát công suất phản kháng khác để bổ trợ như: Máy bù đồng bộ, tụ bù, kháng điện… Ngoài ra, việc đặt các thiết bị bù công suất phản kháng cũng có tác dụng cải thiện đáng kể thông số chế

độ, đặc biệt với đường dây siêu cao áp

Ngày nay với sự ra đời của các thiết bị Thyristor công suất lớn và kèm theo đó là các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission line System), điển hình là bộ SVC đã khắc phục được nhược điểm của các bộ điều khiển cũ đó là làm trơn việc điều chỉnh dòng công suất phản kháng cấp lên lưới Nhờ đó mang lại hiệu quả cao trong vận hành

hệ thống điện Do tính ưu việt của SVC, biên độ thay đổi khá lớn nên được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để cải thiện chế độ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thông số chế độ đường dây và nâng cao ổn định của hệ thống điện

Trang 40

2.1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SVC

2.1.2.1 Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất

Đây là đặc điểm cơ bản đầu tiên của bộ SVC tại điểm nó được gắn vào lưới Công suất phản kháng có tác dụng rất lớn đối với góc pha và cường độ điện áp, mà SVC là thiết bị có khả năng tạo ra công suất phản kháng hoặc triệt tiêu công suất phản kháng trên lưới Khi công suất tải tăng lên điện áp trên lưới sẽ sụt giảm, đó là nguyên nhân dẫn tới sự tác động của các rơle bảo vệ thấp áp Khi non tải thì điện áp cuối đường dây tăng vọt gây ra hiện tượng bão hòa mạch từ trong máy biến áp, và các thiết bị sử dụng lõi từ, đồng thời cũng là nguyên nhân gây ra sự tăng vọt các thành phần sóng hài trên lưới cũng như trên máy phát điện Các sóng hài này tạo ra sẽ là nguyên nhân gây cộng hưởng với các tụ bù và cộng hưởng với tần số tự nhiên trong lưới điện và nó là một trong các nguyên nhân gây tác động nhầm của các rơle, sự đánh hỏng của các chống sét van, và phá hỏng thiết bị trong các hộ tiêu thụ…

Biến thiên điện áp tại nút phụ tải là một hàm phụ thuộc vào công suất của toàn hệ thống, ta sẽ xem xét một minh họa đơn giản về một hệ thống không gắn và có gắn thiết

bị SVC để thấy được tác dụng giữ điện áp và trào lưu công suất của nó:

Hình 2 1 Điều chỉnh điện áp tại một nút phụ tải

Điện áp thanh cái của phụ tải sẽ luôn có xu hướng giảm theo chiều tăng của công suất tải tiêu thụ, nếu như không có thiết bị bù công suất phản kháng sẽ thể hiện đặc tính theo hình 2.1(a) Một thiết bị SVC luôn có một dải thông số định mức được tính toán và định sẵn để cung cấp hay hấp thụ công suất phản kháng trên lưới vì vậy nó giúp cho điện

áp trên thanh cái tại điểm đấu được giữ ổn định và thể hiện trên đường đặc tính 2.1(b)

Định dạng
Số trang	138
Dung lượng	3,37 MB