Nghiên cứu mô hình và ứng dụng một số thiết bị FACTS trong tính toán hệ thống điện

71 Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống điện có thiết bị SVC theo mô hình nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào góc điều khiển .... Để đáp ứng nhu cầu n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN XUÂN HỒNG

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT

SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ

THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2010

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả

Nguyễn Xuân Hồng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT (FACTS) 13

1.1 Hệ thống truyền tải điện 13

1.1.1 Giới thiệu chung 13

1.1.2 Điều chỉnh , điều khiển các thông số trong hệ thống điện 15

1.2 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) 20

1.2.1 Thiết bị điều khiển ngang 20

1.2.2 Thiết bị điều khiển dọc 22

1.2.3 Thiết bị điều khiển kết hợp 24

1.3 Hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS 25

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC 27

2.1 Cấu tạo nguyên lý các phần tử cơ bản 27

2.1.1 Cuộn kháng có điều chỉnh bằng thyristor – TCR 27

2.1.1.1 Cấu tạo của TCR 27

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động và đặc tính điều chỉnh 28

2.1.1.3 TCR 3 pha 32

2.1.2 Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor – TSR 35

2.1.3 Tụ điện đóng cắt bằng thyristor – TSC 36

2.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển - SVC 40

2.2.1 Cấu tạo của SVC 40

2.2.2 Đặc tính làm việc của SVC 41

2.2.3 Các khối điều khiển SVC 47

2.2.4 Mô hình hóa thiết bị SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 50

2.2.4.1 Mô hình thiết bị bù SVC theo dung dẫn có thể điều chỉnh được 51

2.2.4.2 Mô hình thiết bị bù SVC theo nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào góc điều khiển α 51

2.3 Thiết bị bù dọc điều chỉnh bằng thyristor - TCSC 53

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC 53

2.3.2 Đặc tính làm việc của TCSC 57

2.3.3 Các khối điều khiển TCSC 58

2.3.3.1 Mô hình điều khiển ngoài của TCSC 58

2.3.3.2 Mô hình điều khiển trong của TCSC 60

2.3.4 Mô hình hóa thiết bị TCSC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 62

2.3.4.1 Mô hình thiết bị TCSC theo điện kháng có thể điều chỉnh được 62

2.3.4.2 Mô hình TCSC theo điện kháng thay đổi phụ thuộc vào góc điều khiển α 62 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC TRONG BÀI TOÁN TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 68

3.1 Mô hình bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 68

3.2 Bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện khi có thiết bị SVC 70

3.2.1 Trường hợp SVC có mô hình theo dung dẫn có thể điều chỉnh được 70

3.2.2 Trường hợp SVC có mô hình theo nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào góc điều khiển 72

3.3 Bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện khi có thiết bị TCSC 74

3.3.1 Trường hợp TCSC có mô hình theo điện kháng có thể điều chỉnh được

75

3.3.2 Trường hợp TCSC có mô hình theo điện kháng phụ thuộc vào góc điều khiển 77

3.4 Kết quả ứng dụng 81

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC TRONG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA CHI PHÍ PHÁT ĐIỆN CỦA CÁC MÁY PHÁT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 88

4.1 Lý thuyết tối ưu hóa phi tuyến 88

4.1.1 Tối ưu hóa phi tuyến không ràng buộc 88

4.1.1.1 Bài toán tối ưu hóa phi tuyến không ràng buộc 88

4.1.1.2 Phương pháp Newton giải bài toán tối ưu hóa không ràng buộc 89

4.1.2 Tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc đẳng thức 90

4.1.2.1 Bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc đẳng thức 90

4.1.2.2 Phương pháp Lagrange giải bài toán phi tuyến có ràng buộc đẳng thức 90

4.1.3 Tối ưu phi tuyến có ràng buộc bất đẳng thức 91

4.1.3.1 Bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc bất đẳng thức 91

4.1.3.2 Một số phương pháp giải bài toán phi tuyến có ràng buộc bất đẳng thức 91

4.2 Tối ưu hóa trong hệ thống điện 94

4.2.1 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện 94

4.2.2 Hàm mục tiêu 94

4.2.3 Các biến 95

4.2.4 Các ràng buộc đẳng thức 96

4.2.5 Các ràng buộc bất đẳng thức 97

4.2.6 Giải bài toán tối ưu trong hệ thống điện chưa có thiết bị FACTS 97

4.2.7 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết bị SVC 107

4.2.8 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết bị TCSC 109

4.3 Kết quả ứng dụng thuật toán tối ưu hóa 112

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

PHỤ LỤC 120

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FACTS Flexible AC Transmission System – Hệ thống truyền tải điện

xoay chiều linh hoạt TCR Thyristor Controlled Reactor – Kháng điện điều khiển bằng

thyristor TSR Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng mở bằng

thyristor TSC Thyristor Switched Capacitor – Tụ điện đóng mở bằng thyristor

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Hệ số chi phí và giới hạn phát công suất tác dụng của máy phát 113Bảng 4.2 Kết quả tính toán trào lưu công suất và chi phí hệ thống điện 5 nút khi chưa tính toán tối ưu hóa 113Bảng 4.3 Kết quả tính toán tối ưu hóa cho hệ thống điện có thiết bị SVC để điều chỉnh điện áp 114Bảng 4.4 Kết quả tính toán tối ưu hóa hệ thống điện có thiết bị bù TCSC 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải 16

Hình 1.2 Thiết bị điều khiển ngang 21

Hình 1.3 Cấu tạo SVC 22

Hình 1.4 Thiết bị điều khiển dọc 23

Hình 1.5 Thiết bị TCSC 23

Hình 1.6 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc-dọc 24

Hình 1.7 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc - ngang 24

Hình 2.1 Cấu tạo TCR 27

Hình 2.2 Dòng điện và điện áp trên TCR với các góc điều khiển khác nhau 29

Hình 2.3 Đặc tính dung dẫn của TCR theo góc điều khiển 30

Hình 2.4 Sóng hài dòng điện trong TCR 31

Hình 2.5 Sóng hài cơ bản và tổng các sóng hài không cơ bản của dòng điện qua TCR 31

Hình 2.6 TCR nối tam giác, giá trị dòng điện dây và pha ứng với góc điều khiển khác nhau 32

Hình 2.7 Sơ đồ một sợi của TCR ba pha có bộ lọc 33

Hình 2.8 Điện áp và dòng điện khi đóng tụ điện vào nguồn điện 37

Hình 2.9 TSC có cuộn kháng nối tiếp với tụ 38

Hình 2.10 Điện áp sau khi đóng van của TSC 38

Hình 2.11 Các loại TSC ba pha 39

Hình 2.12 Sơ đồ TSC nói chung 40

Hình 2.13 Các thành phần cấu tạo của SVC 40

Hình 2.14 a) Đặc tính V-I của SVC b) Đặc tính V-Q của SVC 41

Hình 2.15 Đặc tính không có độ dốc và có độ dốc của SVC 44

Hình 2.16 Phối hợp hoạt động giữa hai SVC 46

Hình 2.17 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển SVC 47

Hình 2.18 Đặc tính làm việc của SVC 50

Hình 2.19 Mô hình thiết bị SVC theo dung dẫn thay đổi 51

Hình 2.20 Mô hình thiết bị SVC là nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào góc điều khiển 52

Hình 2.21 Cấu tạo của TCSC 53

Hình 2.22 Hệ thống TCSC thực tế 54

Hình 2.23 Các chế độ hoạt động của TCSC 55

Hình 2.24 Đặc tính làm việc của TCSC 57

Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển ngoài của TCSC 58

Hình 2.26 Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định TCSC 59

Hình 2.27 Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành phần cơ bản của dòng điện 61

Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm qua giá trị 0 của điện áp tụ điện 61

Hình 2.29 Mạch điện tương đương của TCSC 62

Hình 2.30 Sơ đồ thay thế nhánh có thiết bị bù TCSC 63

Hình 2.31 Dòng điện chạy qua TCR 63

Hình 2.32 Điện kháng của TCSC ở tần số cơ bản 67

Hình 3.1 Sơ đồ thay thế của nhánh đường dây điển hình 68

Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống có thiết bị SVC (theo mô hình điện dung điều chỉnh được) 71

Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống điện có thiết bị SVC (theo mô hình nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào góc điều khiển) 73 Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống có thiết bị

TCSC (theo mô hình điện kháng có thể điều chỉnh được) 77Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống điện có thiết bị TCSC (theo mô hình điện kháng phụ thuộc vào góc điều khiển) 80Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điện 5 bus 81Hình 4.1 Nút cơ bản trong hệ thống điện 96Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện thường 107Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết

bị SVC 109Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu trong hệ thống điện có thiết bị TCSC 112

MỞ ĐẦU

Hệ thống điện quốc gia đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng cao và sự phát triển không ngừng của xã hội Cũng chính vì thế giữa các khu vực trong từng quốc gia, giữa các quốc gia với nhau đang hình thành mối liên kết để tạo thành các hệ thống điện hợp nhất có qui mô lớn cả về công suất và lãnh thổ

Những năm gần đây nhờ sự phát triển của kĩ thuật điện tử công suất, công nghệ chế tạo các thyristor công suất lớn và kĩ thuật đo lường điều khiển nên các thiết bị bù dùng thyristor đang được nghiên cứu và áp dụng Ở những nước có trình

độ 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 gọi chung là thiết bị điều khiển FACTS, có khả năng điều chỉnh, điều khiển để nâng cao ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền 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

Khi hệ thống điện có các thiết bị FACTS thì bài toán đặt ra là cần phải mô hình các thiết bị FACTS này như thế nào vào trong các bài toán tính toán thông số chế độ của hệ thống điện Chính vì vậy mục đích của bài luận văn này tác giả muốn trình bầy một số mô hình của thiết bị FACTS cụ thể là thiết bị SVC (Static Var Compensator) và TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) để ứng dụng các

mô hình này vào bài toán tính toán chế độ xác lập cũng như bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất điện của hệ thống

Nội dung bài luận văn bao gồm 5 chương

Chương 1 Giới thiệu tổng quan về thiết bị FACTS, các loại thiết bị FACTS thường sử dụng trong hệ thống điện, hiệu quả cũng như ứng dụng của các thiết bị FACTS này

Chương 2 Trình bày về cấu tạo nguyên lý và các dạng mô hình của thiết bị

SVC và TCSC

Chương 3 Trình bày ứng dụng các mô hình thiết bị SVC và TCSC ở chương 2 vào bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện Trong chương này có trình bày kết quả ứng dụng cho một hệ thống điện cụ thể

Chương 4 Trình bày ứng dụng các mô hình thiết bị SVC và TCSC ở chương 2 vào bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất trong hệ thống điện Trong chương này có trình bày kết quả ứng dụng cho một hệ thống điện cụ thể

Chương 5 Trình bày các kết luận rút ra từ bài luận văn và hướng nghiên cứu tiếp theo

Tác giả xin chân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với TS Đinh Quang Huy đã

tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này

Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh khỏi những khiếm khuyết sai sót, tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn bè

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT

(FACTS) 1.1 Hệ thống truyền tải điện

1.1.1 Giới thiệu chung

Sự phát triển nhanh chóng trong nhu cầu sử dụng điện, cùng với nhu cầu giảm chi phí năng lượng dẫn đến việc xây dựng và phát triển các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải lớn, chẳng hạn như các nhà máy thủy điện xây dựng ở nguồn nước nơi

có lưu lượng dòng chảy lớn, các nhà máy nhiệt điện xây dựng gần nguồn nhiên liệu, các nhà máy địa nhiệt và thủy triều chỉ có thể xây ở một số địa điểm, còn nhà máy điện hạt nhân thì được xây dựng xa khu đô thị Do đó cần thiết phải xây dựng hệ thống truyền tải điện để đưa điện từ nguồn phát đến trung tâm phụ tải Hơn nữa, để tăng cường độ tin cậy của hệ thống, các đường dây truyền tải cần có độ dự trữ cao,

có khả năng tải với lượng công suất lớn để liên kết hệ thống điện các miền, các khu vực với nhau

Để áp dụng các biện pháp nhằm nâng cao và cực đại khả năng truyền tải công suất, cần phải xem xét các yếu tố có thể giới hạn khả năng truyền tải công suất Về

cơ bản, có 3 dạng giới hạn truyền tải công suất:

Giới hạn nhiệt: Giới hạn nhiệt của một đường dây trên không (ĐDK) là một

hàm liên quan đến nhiệt độ môi trường, các điều kiện gió tác động vào đường dây, điều kiện của dây dẫn và khoảng cách của dây dẫn tới đất Các giới hạn nhiệt biến đổi

bởi hai nhân tố: sự biến đổi của môi trường xung quanh đường dây và mức độ tải của đường dây theo thời gian vận hành Để tăng khả năng tải của một đường dây có thể sử dụng biện pháp thay đổi dây dẫn bằng loại dây khác có cấu trúc dây thay đổi để có khả năng tải dòng điện lớn hơn

Giới hạn về cách điện: Để tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, có thể

tăng điện áp làm việc của đường dây lên Thông thường có thể xảy ra việc tăng điện

áp làm việc bình thường lên 10% hoặc thậm chí cao hơn Tuy nhiên, các quá điện áp làm việc và quá điện áp khí quyển có thể quá khả năng chịu đựng của cách điện

Giới hạn ổn định: Có một số các vấn đề về ổn định liên quan đến giới hạn khả

năng truyền tải bao gồm ổn định tĩnh và ổn định động

- Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu

- Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

Về cơ bản, giới hạn của công suất truyền tải có thể giải quyết bằng việc xây dựng thêm các tuyến truyền tải mới Tuy nhiên điều này dẫn đến tốn kém về nhiều mặt như đất đai, tài chính, nhân công…Vì thế khi hệ thống điện phát triển nhanh đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều khiển linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) đã được tiến hành vào cuối năm 1980 nhằm giải quyết các vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải, điều chỉnh công suất, điều khiển bù công suất phản kháng với thời gian nhanh, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh chóng Công nghệ FACTS có thể được sử dụng để khắc phục các giới hạn về ổn

định, giới hạn nhiệt và giới hạn về cách điện nhằm nâng cao khả năng truyền tải

công suất trong hệ thống điện

1.1.2 Điều chỉnh , điều khiển các thông số trong hệ thống điện

Công suất tác dụng và công suất phản kháng là một trong số các thông số quan trọng của hệ thống điện Cũng như công suất tác dụng, công suất phản kháng trong

hệ thống điện cần phải luôn luôn điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng (giữa công suất phát và phụ tải, kể cả tổn hao) Mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định… Một đặc điểm khác về yêu cầu giữ cân bằng công suất phản kháng (so với công suất tác dụng) là có tính phân bố theo khu vực, bởi điện áp của các nút trong hệ thống rất khác nhau (không giống như tần số) Vì vậy ngoài công suất phản kháng cung cấp

từ các nhà máy điện cần phải có thêm các nguồn công suất phản kháng phân bổ khác, như máy bù đồng bộ, tụ điện bù, kháng điện… Ngoài ý nghĩa trên, các thiết bị

bù còn có tác dụng cải thiện thông số, đặc biệt đối với đường dây siêu cao, tác dụng điều chỉnh nâng cao ổn định

Xem xét đến sự thay đổi của các thông số chế độ của HTĐ liên quan đến các thông số điều khiển của thiết bị FACTS, ta nghiên cứu một ví dụ đơn giản về đường dây truyền tải trên ( Hình 1.1a) Nút 1 và 2 là thanh cái của các nút nguồn có công suất vô cùng lớn và để đơn giản giả thiết là các nút có công suất vô cùng lớn Hai nút được nối với nhau thông qua đường dây truyền tải chỉ có điện khángX (bỏ qua điện trở và dung dẫn của đường dây) E1vàE2là biên độ điện áp tại các nút tương ứng và góc lệch điện áp giữa chúng là  E Llà véc tơ điện áp giáng trên điện khángXcủa

đường dây Biên độ dòng điện trên đường dây nhận được theo công thức E L

I X

 và lệch vớiE Lmột góc 90o

Hình 1.1 Điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải

a Hệ thống hai máy đơn giản

b Đồ thị vector khi dòng điện vuông góc với điện áp đường dây

c Đồ thị vector dòng công suất tác dụng và phản kháng

d Đường cong công suất P với góc lệch δtrong các trường hợp X khác nhau

e Điều chỉnh biên độ điện áp làm thay đổi công suất phản kháng

f Điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện đường dây làm thay đổi công suất phản kháng

g Nguồn điện áp bơm vào dọc đường dây

Dòng điện chạy trên đường dây có thể được điều khiển bằng việc điều khiển

L

E hoặcXhoặc Nếu góc lệch điện áp giữa hai nút nhỏ, dòng điện gần như đặc trưng cho dòng công suất tác dụng Việc tăng hoặc giảm điện kháng của đường dây sẽ

có hiệu quả lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng Bởi vậy, xét về chi phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều khiển dòng điện là cách điều khiển dòng công suất hiệu quả nhất Có thể sử dụng các cuộn kháng được điều khiển để điều khiển công suất truyền tải và điều khiển góc lệch điện áp để nâng cao tính ổn định của

Công suất P1 cũng như P2 đều bằng:

Công suất (dòng điện) có thể cũng được điều khiển bởi việc điều chỉnh điện

ápE1hoặcE2 Tuy nhiên, trên Hình 1.1e cho thấy với sự thay đổi củaE1thì hiệu điện

áp E1E2không thay đổi nhiều còn góc pha của nó thì thay đổi đáng kể Điều đó có

nghĩa rằng, việc thay đổi điện ápE1hoặcE2có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản

kháng hơn là công suất tác dụng

Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp bơm vào dọc theo đường dây Như trên Hình 1.1f, khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện (mà nó gần như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng tới giá trị hiệu dụng của véc tơ dòng điện Với góc lệch điện áp nhỏ, nó ảnh hưởng lớn tới công suất tác dụng

Điện áp dọc được bơm vào có thể là một véc tơ trùng về biên độ và góc pha với điện áp đường dây Hình 1.1g Nó chỉ cho thấy với sự thay đổi biên độ và góc pha của nguồn điện áp dọc thì cả thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện cũng

bị ảnh hưởng Phương pháp sử dụng nguồn áp có ứng dụng quan trọng trong các thiết

bị điều khiển FACTS

Với phân tích ở trên và trên Hình 1.1 cho thấy rõ một vài điểm cơ bản của các thông số liên quan đến khả năng điều khiển dòng công suất:

 Điều khiển điện kháng đường dây X (ví dụ dùng tụ bù dọc có điều khiển bằng thyristor) có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển dòng điện

 Khi góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn (thông thường ở các đường dây truyền tải) thì việc điều khiển điện kháng X hoặc góc thực chất dùng để điều khiển dòng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

 Điều khiển góc lệch điện áp  (ví dụ bộ điều chỉnh góc pha), mà nó lần lượt điều khiển điện áp của các nút là công cụ hữu ích để điều khiển dòng điện và cả dòng công suất tác dụng trong trường hợp góc lệch điện áp gữa hai nút không lớn

 Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và vuông góc với véc tơ dòng điện có thể làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện Đây là một phương pháp hữu ích trong việc điều khiển dòng điện đường dây và cả công suất tác dụng khi góc lệch điện áp không lớn

 Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và cùng góc lệch với véc tơ điện áp nút có thể điều khiển được biên độ và góc của véc tơ dòng điện chạy trên đường dây Điều đó cho thấy rằng việc bơm một véc tơ điện áp cùng với góc lệch thay đổi có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng

 Khi góc lệch điện áp không lớn, điều khiển biên độ của một trong các điện áp nút (ví dụ bộ điều chỉnh điện áp điều khiển bằng thyristor) có thể là phương pháp hiệu quả về kinh tế trong việc điều khiển dòng công suất phản kháng qua đường dây truyền tải

 Tổ hợp điều chỉnh điện kháng đường dây với một bộ điều khiển dọc và điều chỉnh điện áp với một bộ điều khiển ngang cũng có thể đưa ra một phương pháp hiệu

quả để điều khiển cả dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền tải giữa hai hệ thống

Các kết luận quan trọng nêu trên chính là cơ sở trong việc nghiên cứu chế tạo các loại thiết bị điều khiển FACTS khác nhau Mức độ ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến công suất truyền tải trong HTĐ rất khác nhau Nhìn nhận và đánh giá đúng mối liên hệ giữa chúng cho ta thấy rõ tác dụng của các bộ điều khiển và ứng dụng chúng trong HTĐ

1.2 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều kết hợp với các thiết bị điện tử công suất hoặc các thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng điều khiển nhanh và tin cậy dòng công suất cũng như điện áp của

đó điều chỉnh dòng công suất trên đường dây truyền tải để tránh công suất chạy theo đường vòng không mong muốn trên các đường dây truyền tải song song

Nói chung thiết bị FACTS có thể chia làm ba loại là: Thiết bị điều khiển ngang ; thiết bị điều khiển dọc; thiết bị điều khiển kết hợp

1.2.1 Thiết bị điều khiển ngang

Thiết bị điều khiển ngang được nối song song với đường dây truyền tải (Hình 1.2), nó có thể là một điện kháng, một nguồn điện có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp các thiết bị này Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển ngang đưa thêm vào

đường dây một nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào Do dòng điện vuông pha với điện áp pha nên thiết bị điều khiển ngang cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kì mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất Một thiết bị tiêu biểu trong các thiết bị điều khiển ngang đó là thiết bị bù ngang có điều khiển SVC

Hình 1.2 Thiết bị điều khiển ngang

SVC ( Static Var Compensator) - Thiết bị bù ngang có điều khiển: là thiết

bị có khả năng phát ra công suất phản kháng bơm vào nút hệ thống hoặc nhận công suất phản kháng từ hệ thống về Thiết bị này được nối song song với hệ thống và công suất phản kháng đầu ra của nó có thể được điều chỉnh nhằm trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung để điều khiển các thông số của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

Đây là một thuật ngữ chung để chỉ một điện kháng điều khiển bằng thyristor hoặc đóng cắt bằng thyristor, và/hoặc tụ điện đóng cắt bằng thyristor hoặc tổ hợp của chúng (Hình 1.3) SVC dựa trên các thyristor không có cổng tắt (turn - off) Kháng điện được điều khiển bằng thyristor hoặc đóng cắt bằng thyristor để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng cắt bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng

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

Hình 1.3 Cấu tạo SVC

TCR (Thyristor Controlled Reactor) : Là cuộn kháng có điểu khiển bằng

thyristor mà điện kháng của nó được thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc mở của van thyristor

TSR (Thyristor Switched Reactor) : Là cuộn kháng đóng mở bằng thyristor

mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc bởi trạng thái dẫn hoàn toàn của van thyristor hoặc trạng thái không dẫn của van thyristor Việc sử dụng TSR mà

thyristor chỉ có hai trạng thái dẫn hoàn toàn và không dẫn là giảm chi phí cũng như tổn thất so với TCR đồng thời mở rộng phạm vi hoạt động của thiết bị SVC

TSC (Thyristor Switched Reactor) : Là tụ điện đóng cắt bằng thyristor mà

điện dung của nó thay đổi theo bậc bởi trạng thái dẫn hoàn toàn của van thyristor

và trạng thái không dẫn của van thyristor TSC sử dụng trong SVC nhằm phát ra

công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống

Phối hợp ba phần tử cơ bản trên cho phép chế tạo được những thiết bị bù ngang

có điều khiển SVC thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất phản

kháng) trong phạm vi tương đối rộng với giá thành hạ

1.2.2 Thiết bị điều khiển dọc

Thiết bị điều khiển dọc là loại thiết bị được đấu nối tiếp với đường dây truyền tải (Hình 1.4), nó có thể là một điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng

điện… hoặc một nguồn có thể 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 một 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 kì mối quan hệ pha khác

sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng Một thiết bị điển hình trong các thiết bị điều khiển dọc là thiết bị bù nối tiếp có điều khiển bằng thyristor TCSC

Hình 1.4 Thiết bị điều khiển dọc

TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): Là thiết bị bù nối tiếp có

điều khiển bằng thyristor, bao gồm một tụ điện đấu song song với một kháng điện

có điều khiển bằng thyristor TCR để tạo ra sự điều khiển liên tục thông số điện kháng của đường dây có nối thiết bị bù (Hình 1.5)

Hình 1.5 Thiết bị TCSC

Khi góc mở của thyristor là 180o, cuộn kháng sẽ không dẫn điện và bộ tụ điện

bù dọc sẽ có trở kháng bình thường của nó Khi góc mở của thyristor giảm từ 180oxuống dưới 180o, trở kháng của tụ điện tăng lên Khi góc mở của thyristor là 90o, cuộn kháng dẫn hoàn toàn, và trở kháng tổng của TCSC mang tính cảm, bởi vì trở

kháng của cuộn kháng đã được thiết kế thấp hơn nhiều so với trở kháng của tụ điện

TCSC có thể là một thiết bị đơn, công suất lớn, hoặc có thể bao gồm một số các tụ điện bằng nhau hoặc khác nhau về dung lượng được nối với nhau để đạt được

hiệu quả bù tốt nhất

1.2.3 Thiết bị điều khiển kết hợp

Thiết bị điều khiển kết hợp là sự phối hợp hai loại thiết bị điều khiển dọc và ngang Về cơ bản nó có hai loại chính đó là thiết bị điều khiển kết hợp dọc – dọc, và thiết bị điều khiển kết hợp dọc – ngang

Hình 1.6 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc-dọc

Thiết bị điều khiển kết hợp dọc – dọc (Hình 1.6) có thể là sự kết hợp của các

bộ điều khiển dọc riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ 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

Hình 1.7 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc - ngang

Thiết bị điều khiển kết hợp dọc – ngang (Hình 1.7) là sự kết hợp của các bộ điều khiển dọc và bộ điều khiển ngang được điều khiển theo một cách thức phối hợp Về nguyên lý bộ điều khiển kết hợp dọc – ngang đưa dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử ngang của bộ điều khiển, hơn nữa có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiêp và bộ điều khiển ngang thông qua đường dẫn công suất

1.3 Hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS

Nhờ các bộ điều khiển FACTS cho phép điều khiển các thông số trên lưới truyền tải Hiệu quả trong việc sử dụng các thiết bị FACTS bao gồm:

 Điều chỉnh giữ điện áp nút Tại các nút hệ thống có dao động điện áp lớn, về nguyên tắc chỉ có thể duy trì được độ lệch điện áp đủ nhỏ, trong phạm vi cho phép, nhờ các nguồn công suất phản kháng có điều chỉnh Đó là vì điện áp làm việc của một nút, về bản chất, xác định bởi điều kiện cân bằng công suất phản kháng Các biện pháp khác chỉ có ý nghĩa gián tiếp Chẳng hạn điều chỉnh đầu phân áp của máy biến áp điều áp dưới tải, thực chất chỉ là biện pháp kéo thêm công suất phản kháng

từ nguồn về nút khi cần nâng cao điện áp và giảm bớt trong trường hợp ngược lại Thiết bị SVC đặt tại nút có hiệu quả điều chỉnh cao lại kèm theo nhiều ưu điểm: tốc

độ điều chỉnh nhanh, chi phí tổn thất và bảo quản vận hành nhỏ (không có phần quay) Đương nhiên hiệu quả còn phụ thuộc vào dung lượng và phạm vi điều chỉnh Ngoài ra với ưu điểm điều chỉnh nhanh, SVC còn được sử dụng trong hiệu quả tổng hợp

 Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu Điều khiển dòng công suất theo một nguyên tắc, đáp ứng các nhu cầu của chính bản thân người sử dụng, khắc phục các khó khăn trong các điều kiện sự cố các đường dây truyền tải lớn

 Giảm tổn thất điện năng Ưu điểm của thiết bị FACTS là có thể thay đổi công suất phản kháng theo các thông số chế độ Vì thế có thể đảm bảo giảm công suất truyển tải theo biểu đồ, nói cách khác là giảm thiểu được tối đa tổn thất điện năng

 Tăng độ an toàn của hệ thống thông qua việc tăng giới hạn ổn định tĩnh, ổn định động, tăng mức độ giới hạn của các dòng điện ngắn mạch và quá tải, giảm các khả năng mất điện tạm thời và giảm dao động điện cơ của HTĐ và các máy phát

 Giảm dao động công suất Thiết bị FACTS có thể thay đổi mức bù một cách linh hoạt với tốc độ nhanh để đáp ứng tín hiệu điều khiển hãm sự dao động công

suất

 Đảm bảo khả năng kết nối lưới chắc chắn giữa các khu vực, 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 hai phía

 Tăng khả năng tải của đường dây bằng cách giảm công suất phản kháng chạy trên đường dây để cho phép các đường dây truyền tải nhiều công suất tác dụng hơn

 Tối ưu hóa phân bố công suất, tăng khả năng sử dụng các nguồn phát có chi phí thấp Một trong các lý do điển hình đối với việc nối lưới truyền tải là để sử dụng các nguồn với chi phí thấp Khi điều đó không được thực hiện sẽ dẫn đến không đủ khả năng truyền tải hiệu quả về chi phí Việc tăng hiệu quả về chi phí của việc truyền tải công suất sẽ cho phép tăng việc sử dụng nguồn chi phí thấp

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC

Các phương tiện điều khiển truyền thống có nhược điểm lớn là tốc độ điều chỉnh chậm (do quán tính cơ, điện từ) Việc xuất hiện các thiết bị đóng cắt điện tử công suất lớn, cho phép điều khiển gần như tức thời dòng công suất trên các mạch đường dây đã mở ra khả năng mới cho việc điều khiển chế độ của HTĐ Trong các thiết bị FACTS ứng dụng thiết bị đóng cắt điện tử, thì hai thiết bị SVC và TCSC được ứng dụng rộng rãi nhất do đơn giản trong vận hành, lắp đặt và chi phí xây dựng nhỏ hơn các thiết bị FACTS khác Các thiết bị SVC và TCSC đều được cấu tạo từ những phần tử cơ bản bao gồm TCR, TSR và TSC Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý và mô hình hóa các phần tử và các thiết bị này

2.1 Cấu tạo nguyên lý các phần tử cơ bản

2.1.1 Cuộn kháng có điều chỉnh bằng thyristor – TCR

2.1.1.1 Cấu tạo của TCR

Hình 2.1 Cấu tạo TCR

TCR (Thyristor Controlled Reactor) là cuộn kháng có điều khiển bằng thyristor , cấu tạo gồm cuộn dây điện cảm L đấu nối tiếp với hai thyristor mắc song song ngược chiều nhau (Hình 2.1) Để phân bố hợp lý về điện áp trên cách điện cuộn dây, người ta thường chia cuộn cảm thành hai phần, hai van thyristor mắc song

song ngược chiều được nối vào điểm giữa Hiện nay các van thyristor có thể chịu điện áp lên tới 4-9kV và dòng điện lên tới 3-6kA Vì thế trong các ứng dụng thực tế, rất nhiều các van thyristor được đấu nối tiếp với nhau để đạt được mức điện áp theo yêu cầu với công suất cho trước

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động và đặc tính điều chỉnh

Hai thyristor mắc song song ngược đóng vai trò như một công tắc hai chiều, T1 dẫn trong nửa chu kì dương, T2 dẫn trong nửa chu kì âm của điện áp nguồn cấp Vs Góc điều khiển của thyristor, α được tính từ thời điểm điện áp đi qua điểm 0 Dải điều khiển của TCR, α từ 90o đến 180o Với góc điều khiển là 90o thì các thyristor T1, T2

mở hoàn toàn bởi vậy dòng điện đi qua TCR là dòng sin liên tục Khi góc điều khiển thay đổi từ 90o đến gần 180o thì dòng điện chạy qua TCR có dạng xung không liên tục đối xứng trên nửa chu kì dương và âm như trên hình 2.2 Dòng điện giảm xuống bằng

0 khi góc điều khiển là 180o Góc điều khiển nhỏ hơn 90o làm cho dòng điện trên TCR

là dòng một chiều, gây ảnh hưởng đến hoạt động đối xứng của hai nhánh thyristor T1

Hình 2.2 Dòng điện và điện áp trên TCR với các góc điều khiển khác nhau

Trong đó b 1 =0 bởi vì thành phần sóng hài bậc lẻ có tính chất f(x)=-f(-x) Và

sóng hài bậc chẵn không được sinh ra do các nửa chu kì sóng là đối xứng và

f(x+T/2)= f(x) Hệ số a 1 được xác định bởi

/ 2 1

Trong đó BTCR là dung dẫn của TCR

Hình 2.3 Đặc tính dung dẫn của TCR theo góc điều khiển

Vậy TCR đóng vai trò như một cuộn kháng có thể thay đổi giá trị cảm kháng Khi thay đổi góc điều khiển của thyristor thì dung dẫn của TCR thay đổi, dẫn đến thay đổi thành phần dòng điện cơ bản và do đó thay đổi giá trị công suất phản kháng được hấp thụ bởi cuộn kháng bởi vì điện áp xoay chiều đặt trên TCR không đổi Tuy nhiên khi góc điều khiển tăng quá 90o, dòng điện trở nên không sin và tạo ra các sóng hài Nếu góc điều khiển của hai thyristor T1 và T2 là đối xứng trong nửa chu

kì âm và dương tương ứng thì chỉ có sóng hài bậc lẻ tạo ra, sóng hài có thể thấy được thông qua phép phân tích chuỗi Fourier của thành phần tần số bậc cao Giá trị hiệu dụng của dòng điện thành phần bậc lẻ n được biểu diễn thông qua góc điều khiển như sau

Hình 2.4 Sóng hài dòng điện trong TCR

Hình 2.5 Sóng hài cơ bản và tổng các sóng hài không cơ bản của dòng điện qua TCR

Trong thực tế các van thyristor thường bao gồm nhiều chuỗi kết nối song song với nhau, mỗi chuỗi gồm nhiều thyristor được đấu nối tiếp với nhau Các van được đấu nối tiếp để tăng cường khả năng chịu điện áp cao áp tương ứng với điện áp thứ cấp của máy biến áp nối TCR với hệ thống điện Các van đấu song song của các chuỗi

để tăng cường khả năng dẫn dòng điện của các van

2.1.1.3 TCR 3 pha

Hình 2.6 TCR nối tam giác, giá trị dòng điện dây và pha ứng với góc điều khiển khác nhau

Khi sử dụng trong mạch 3 pha TCR thường được nối theo hình tam giác như hình 2.6 Cuộn cảm được chia làm hai phần như hình 2.7, ở giữa là hai van thyristor mắc song song ngược để các van chỉ chịu một phần điện áp xoay chiều của nguồn và làm các van không bị hỏng nếu ngắn mạch xảy ra tại hai đầu cực của cuộn cảm Dạng sóng của dòng điện pha và dòng điện dây cũng được biểu diễn trên hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ một sợi của TCR ba pha có bộ lọc

Nếu nguồn cung cấp 3 pha cân bằng đối xứng, 3 cuộn kháng có giá trị điện cảm bằng nhau, các van thyristor có góc điều khiển bằng nhau trên mỗi pha thì xung dòng điện là đối xứng trong cả nửa chu kì dương và âm và chỉ tạo ra sóng hài bậc lẻ Giá trị

tỉ lệ phần trăm của dòng điện sóng hài với sóng dòng điện cơ bản trên các pha là bằng nhau

Kiểu nối tam giác ba TCR một pha để triệt tiêu các sóng hài có tần số là bội của

3 chạy vào hệ thống truyền tải Sự triệt tiêu các sóng hài bậc lẻ là bội của 3 này được

giải thích như sau Cho i ABn , i BCn , i CAn là dòng điện pha sóng hài bậc lẻ n tương ứng

trong các nhánh hình tam giác Và i An , i Bn , i Cn là dòng điện sóng hài bậc lẻ tương ứng trên các dây dẫn pha A, B, C khi đó ta có dòng điện sóng hài bậc 3 được biểu diễn như sau

hệ thống truyền tải nối với TCR 3 pha

Các điều kiện được nhắc đến phần trên cho hoạt động cân bằng của hệ thống có thể không thỏa mãn đầy đủ trong thực tế Ví dụ như điện cảm của 3 cuộn cảm có thể không hoàn toàn bằng nhau Sự không cân bằng dẫn tới dòng điện sóng hài bậc lẻ bội của 3 có thể chạy vào hệ thống truyền tải Độ lớn của dòng điện này có thể không

đáng kể trong điều kiện hoạt động bình thường, nhưng trong điều kiện sự cố nghiêm trọng có thể dẫn đến sự mất đối xứng về góc điều khiển của các thyristor trong nửa chu kì âm và dương của điện áp nối với TCR Điều này có thể sinh ra thành phần dòng điện một chiều mà có thể đủ để gây ra hiện tượng bão hòa lõi từ trong máy biến áp kết nối TCR với hệ thống truyền tải điện, và làm cho phát sinh càng nhiều sóng hài Hơn nữa đối với các sóng hài có độ lớn bằng 0,5-2% khi chạy qua TCR gây lên tổn hao công suất tác dụng trên các cuộn dây của TCR

Bộ lọc thường được mắc song song với TCR, nó có cấu trúc có thể là LC hoặc LCR dùng để khử sóng hài bậc 5 và 7 Đôi khi bộ lọc sóng hài bậc 11 và 13 cũng được

sử dụng Nếu xảy ra cộng hưởng trong mạng điện thì cũng cần thiết có thêm bộ lọc sóng hài bậc 3

Sơ đồ một sợi của TCR 3 pha 6 xung với bộ lọc được miêu tả trên hình 2.7 Như mong muốn ứng dụng trong hệ thống điện để có công suất phản kháng có thể điều khiển được, một tụ điện được nối song song với TCR Giá trị điện dung của tụ có thể

là cố định hoặc có thể thay đổi bằng thiết bị đóng cắt cơ khí hay thyristor Lợi ích chính của TCR là tính linh hoạt trong điều khiển Các phương pháp điều khiển khác nhau có thể dễ dàng thực hiện, đặc biệt là những phương pháp có tín hiệu bổ xung bên ngoài để cải thiện đáng kể hoạt động của hệ thống

2.1.2 Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor – TSR

TSR là một trường hợp đặc biệt của TCR trong đó nó chỉ hoạt động ở hai chế độ

là mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn Nếu van thyristor được điều khiển mở đúng vào thời điểm điện áp đạt giá trị cực đại tương đương với góc điều khiển α=90o đối với van T1 và α=270o( 90o+180o) đối với van T2 như sơ đồ trên hình 2.1 thì ta có chế

độ mở hoàn toàn Dòng điện cảm kháng cực đại chảy qua TSR như trường hợp van thyristor được nối tắt hai đầu Ngược lại nếu không có xung điều khiển nào đưa đến thyristor TSR sẽ giữ nguyên trạng thái khóa và không có dòng điện nào chạy qua

TSR

TSR đảm bảo điều chỉnh nhanh lượng công suất phản kháng chạy vào trong hệ

thống Khi yêu cầu một lượng công suất phản kháng lớn Q, thì một phần lượng công suất này Q/2 được chỉ định cho thiết bị TSR, phần còn lại được chỉ định cho thiết bị

TCR Phương pháp này giảm một lượng đáng kể tổn hao cũng như sóng hài so với

trường hợp TCR đảm nhận tất cả dung lượng công suất phản kháng Q

Một phương pháp để làm giảm sóng hài sinh ra từ bộ TCR đó là phân TCR

chính ra làm n mảng TCR mắc song song, mỗi mảng có giá trị công suất phản kháng định mức là 1/n so với công suất phản kháng định mức của bộ TCR chính Trong các

mảng TCR này chỉ có một mảng TCR được điều khiển bằng góc mở α Các mảng còn lại chỉ có hai chế độ mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn toàn để hấp thụ một lượng công

suất phản kháng mong muốn Vì giá trị điện kháng có điều khiển giảm một lương 1/n dẫn đến độ lớn của các sóng hài tạo ra cũng giảm một lượng là 1/n so với trường hợp

chỉ có một TCR chính Bởi vậy độ lớn và công suất của bộ lọc cũng giảm Tuy nhiên cấu hình này dẫn đến chi phí cho thiết bị tăng do sử dụng nhiều van thyristor

- Điện áp trên tụ không bằng điện áp nguồn cung cấp khi điều khiển mở van thyristor Ngay sau khi điều khiển mở van thì dòng điện có cường độ rất lớn chạy qua

tụ và nạp cho tụ một điện áp rất lớn trong một thời gian ngắn Thiết bị đóng ngắt bằng

thyristor có thể không chịu đựng được quá trình này và dẫn đến các van bị chọc thủng

- Điện áp trên tụ điện bằng điện áp nguồn cấp khi van thyristor được mở như miêu tả trên hình 2.8, phân tích chỉ ra rằng dòng điện sẽ tăng nhanh ngay lập tức đến giá trị dòng điện chế độ xác lập, và chế độ xác lập đạt được chỉ trong một thời gian rất ngắn Mặc dầu dòng điện không tăng lớn hơn giá trị xác lập nhưng tốc độ tăng dòng điện di/dt rất nhanh làm cho thyristor không thể chịu được dẫn đến có thể bị chọc thủng

Hình 2.8 Điện áp và dòng điện khi đóng tụ điện vào nguồn điện

Như vậy ta có thể kết luận rằng mạch điện đơn giản của TSC là không phù hợp

Để khắc phục nhược điểm trên, một cuộn kháng nhỏ được mắc nối tiếp với tụ điện như thể hiện trên hình 2.9

Các phần tử cơ bản trong TSC một pha gồm bộ hai van thyristor đấu song song ngược đóng vai trò là thiết bị đóng cắt hai chiều mắc nối tiếp với một tụ điện và cuộn kháng nhỏ để hạn chế dòng điện quá độ

Hình 2.9 TSC có cuộn kháng nối tiếp với tụ

Hình 2.10 Điện áp sau khi đóng van của TSC

Van thyristor cho phép dẫn trong thời gian là bội nguyên của nửa chu kì dòng điện Tụ điện không được điểu khiển pha như trong TCR

Van thyristor được điều khiển mở trong khoảng thời gian ngắn khi điện áp cực tiểu được cảm nhận trên van để cực tiểu dòng điện quá độ do đóng cắt van Trừ dòng điện quá độ ban đầu này thì dòng điện TSC là hình sin và không có sóng hài bởi vậy không cần các bộ lọc sóng hài

Cuộn kháng với điện kháng nhỏ mắc nối tiếp với tụ điện để hạn chế dòng điện

quá độ xảy ra khi quá điện áp do thao tác đóng cắt van theo dự tính cũng như do thao tác đóng van không đúng ở thời điểm không thích hợp Một ưu điểm nữa của cuộn kháng này là cùng với tụ làm thành bộ lọc sóng hài phát ra từ TCR

Hình 2.11 Các loại TSC ba pha

Thiết bị TSC ba pha bao gồm các TSC một pha đấu nối theo kiểu tam giác lại với nhau và đấu nối với hệ thống thông qua máy biến áp hạ áp có cuộn thứ cấp cũng đấu nối theo kiểu tam giác Một cấu hình khác của TSC 3 pha 4 dây đấu nối kiểu sao cũng được thể hiện trên hình 2.11

Thiết bị bù TSC thực tế bao gồm n phần tử TSC 3 pha có giá trị định mức bằng nhau mắc song song với nhau Dung dẫn của toàn bộ TSC tại mọi thời điểm bằng dung dẫn của các phần tử TSC đang dẫn

Trong một vài trường hợp các TSC phần tử có giá trị định mức khác nhau dựa trên cấu hình của hệ thống truyền tải Trên hình 2.12 miêu tả một trường hợp như vậy

n-1 tụ điện có giá trị dung dẫn bằng B và một tụ điện có dung dẫn là B/2 Do đó số