Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị FACTS để nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện

Người ta đưa ra khái niệm ổn định hệ thống, theo Kundur: “Ổn định của hệ thống điện được là khả năng duy trì một điểm làm việc cân bằng trong điều kiện làm việc bình thường, và sau khi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS

ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐẶNG ĐÌNH LÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS

ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu thực

sự của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Lã Văn Út Các số liệu

có trong bản thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

1.2 Quan hệ giữa công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh

điện áp

1.3 Ổn định điện áp

2.2 Các thiết bị điều khiển song song

2.3 Các thiết bị điều khiển nối tiếp

2.4 Các thiết bị điều khiển nối tiếp – song song

2.4.2 Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất 37

2.5 Hiệu quả và ứng dụng của các thiết bị FACTS 38

2.7 Kết luận 43

Chương 3 – STATCOM VÀ ỨNG DỤNG TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

3.1 Bộ biến đổi nguồn áp

3.5 Hiệu quả của STATCOM trong ổn định điện áp

3.5.3 Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi sự cố 63

4.1.3 Chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định điện áp trên cơ sở

tính toán chế độ giới hạn sử dụng CONUS

67

4.2 Tính toán, phân tích ổn định điện áp

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2 STATCOM Static sychronous Compensator Bộ bù đồng bộ tĩnh

Capacitor

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Các dạng ổn định của hệ thống điện ……… 4

Bảng 2.1 Ước lượng số thiết bị FACTS đã được sử dụng trên toàn thế giới… 40

Bảng 2.2 Đánh giá khả năng điều khiển của một số thiết bị FACTS điển hình 41

Bảng 4.1 Thông tin các nút khi chưa đặt STATCOM ……… 70

Bảng 4.2 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 419……… 72

Bảng 4.3 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 420……… 74

Bảng 4.4 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418……… 76

Bảng 4.5 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 416……… 77

Bảng 4.6 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ± 50MVAr ………

80 Bảng 4.7 Thông tin các nút khi đặt STATCOM tại nút 418 với dung lượng ± 150MVAr ………

81 Bảng 4.8 Tóm tắt hiệu quả của STATCOM qua các chỉ tiêu……… 82

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Sụp đổ điện áp do mất một vài phần tử trong hệ thống…… 10

Hình 1.2 Mất đồng bộ gây ra sụp đổ điện áp……… 11

Hình 1.3 Đường cong P-V……… 12

Hình 1.4 Họ đường cong P-V với các dạng tải khác nhau……… 13

Hình 1.5 Sơ đồ xác định đường cong Q-V tại nút……… 13

Hình 1.6 Đường cong Q-V……… 14

Hình 1.7 Đường cong Q-V ứng với các chế độ tải khác nhau……… 15

Hình 1.8 Miền làm việc của nút tải……… 16

Hình 1.9 Đồ thị vectơ điện áp khi có tụ bù ngang……… 18

Hình 1.10 Kháng bù ngang……… 19

Hình 1.11 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp……… 19

Hình 2.1 Các thiết bị FACTS cơ bản……… 23

Hình 2.2 Phân loại các thiết bị FACTS theo cách mắc……… 24

Hình 2.3 Cấu tạo chung SVC……… 25

Hình 2.4 Cấu tạo của TCR……… 26

Hình 2.5 Dạng song theo góc mở……… 27

Hình 2.6 Biên độ của thành phần cơ bản dòng điện qua TCR phụ thuộc góc mở α……… ………

27 Hình 2.7 Đặc tính V-I của TCR 28 Hình 2.8 Biên bộ các thành phần bậc cao của TCR so với góc α 29 Hình 2.9 Bộ lọc sóng hài bậc cao……… 30

Hình 2.10 Cấu tạo của TSC……… 31

Hình 2.11 Đặc tính VI của TSC……… 31

Hình 2.12 Cấu tạo của STATCOM……… 32

Hình 2.13 STATCOM và ESS……… 33

Hình 2.14 Cấu tạo cơ bản của TCSC, TSSC……… 34

Hình 2.15 Cấu tạo cơ bản của TCSR, TSSR……… 35

Hình 2.16 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp VSC, SSSC có nguồn dự trữ 36 Hình 2.17 Cấu tạo chung của TCPST/TCPAR……… 37

Hình 2.18 Cấu tạo chung của thiết bị UPFC……… 38

Hình 2.19 Chi phí đầu tư cho FACTS……… 42

Hình 2.20 Chi phí cho xây dựng đường dây mới……… 43

Hình 2.21 Doanh thu theo khả năng mang tải thêm của đường dây………… 43

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi nguồn áp……… 47

Hình 3.2 Bộ biến đổi nguồn áp sơ đồ cầu 1 pha……… 48

Hình 3.3 Cấu tạo của VSC 3 pha sơ đồ cầu……… 51

Hình 3.4 Dạng điện áp trong bộ VSC 3 pha sơ đồ cầu……… 51

Hình 3.5 Dòng, áp phía AC bộ biến đổi……… 52

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý và thay thế của máy bù đồng bộ……… 53

Hình 3.7 STATCOM và kết nối với hệ thống……… 55

Hình 3.8 Sơ đồ tương đương của STATCOM……… 55

Hình 3.9 Các chế độ làm việc của STATCOM……… 57

Hình 3.10.Trao đổi công suất giữa STATCOM và hệ thống AC……… 58

Hình 3.11 Đặc tính VA của bộ STATCOM điển hình……… 58

Hình 3.12 Sơ đồ điều khiển góc pha STATCOM (θ = ωt)……… 59

Hình 3.13 Thay đổi điện áp đầu ra STATCOM theo thời điểm đóng mở van dẫn………

60 Hình 3.14 Sơ đồ đẳng trị STATCOM nối với hệ thống……… 60

Hinh 3.15 Sơ đồ thay thế hệ thống điện đơn giản……… 62

Hình 3.16 Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải ……… 62

Hình 4.1 Quá trình làm biến thiên thông số……… 67

Hình 4.2 Biến thiên điện áp tại 1 số nút chưa đặt STATCOM……… 71

Hình 4.3 Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 419…… 73

Hình 4.4 Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 420…… 75

Hình 4.5 Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 418…… 76

Hình 4.6 Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM tại nút 416…… 78 Hình 4.7 Biến thiên điện áp tại 1 số nút khi đặt STATCOM dung lượng ±

100MVAr tại nút 418………

83

MỞ ĐẦU

Liên kết các hệ thống điện (HTĐ) với nhau đang là xu hướng phát triển của HTĐ hiện đại nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế trong sản xuất, vận hành các HTĐ thành viên Nhưng chính điều này làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về quy mô, rộng lớn về không gian và đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải quyết trong thiết kế cũng như vận hành Với một hệ thống lớn, giữ ổn định là một vấn đề phức tạp, đặc biệt khi các HTĐ thường được vận hành rất gần với giới hạn

về ổn định Thực tế trong thời gian gần đây cho thấy, các hiện tượng mất ổn định đã xảy ra đối với nhiều HTĐ trên Thế giới đều liên quan đến mất ổn định điện áp Do vậy, việc nghiên cứu về ổn định điện áp là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng

Với tốc độ gia tăng phụ tải vào khoảng 15-20% mỗi năm, nước ta đang rơi vào tình trạng thiếu nguồn điện, do đó các đường dây truyền tải làm việc ở công suất giới hạn cho phép và điện áp tại các nút sẽ có nguy cơ sụt giảm mạnh xuống dưới mức cho phép và có thể tiến đến mức giới hạn về ổn định điện áp Mặt khác, chúng ta đang tiến tới vận hành thị trường điện từng bước từ khâu phát điện, bán buôn và sau đó là thị trường bán lẻ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra Khi đó phương thức vận hành hệ thống điện sẽ phức tạp hơn nhiều và công suất truyền tải trong hệ thống sẽ không chỉ phụ thuộc vào công suất phát của nhà máy điện, công suất tiêu thụ của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cả giá bán điện của các nhà máy, các hợp đồng song phương… nên việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện càng được đặc biệt quan tâm

Ngoài ra, việc nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ tiên tiến làm giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện là một vấn đề đang đặt ra Một hướng nghiên cứu mới là áp dụng các thiết bị FACTS (Flexible Alternate Curent Transmission System) vào hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn tới nhằm cải thiện phần nào chất lượng điện năng, giữ ổn định hệ thống là một đề tài nghiên cứu cần thiết mang tính thực tiễn

1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các thiết

bị FACTS để việc nâng cao ổn định điện trong hệ thống điện

- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá hiệu quả thiết bị FACTS qua ví dụ tính toán –

sơ đồ thực tế hệ thống điện Việt Nam 2005 (số liệu năm 2006) để nâng cao

ổn định điện áp của những nút yếu, qua đó nâng cao ổn định toàn hệ thống

2 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các thiết bị FACTS

- Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện

- Mô hình FACTS trong các phần mềm tính toán phân tích hệ thống điện, phân tích ổn định hệ thống

- Phân tích hiệu quả ổn định điện áp của FACTS trong hệ thống điện

3 Bố cục luận văn

Luận văn được chia thành 4 chương gồm các nội dung chính sau:

• Chương 1:Tổng quan về ổn định điện áp trong hệ thống điện

• Chương 2: Thiết bị FACTS và ứng dụng trong nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện

• Chương 3:STATCOM và ứng dụng trong ổn định điện áp

• Chương 4: Đánh giá hiệu quả của các thiết bị FACTS nâng cao ổn định điện áp

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Những vấn đề cơ bản về ổn định hệ thống điện

Ở chế độ xác lập (CĐXL) của hệ thống điện, các thông số chế độ (U, I, P, Q,

f, δ…) biến thiên rất nhỏ xung quanh giá trị định mức, có thể coi như là hằng số Điều kiện tồn tại chế độ xác lập là tồn tại điểm cân bằng công suất, nghĩa là công suất do các nguồn sinh ra phải bằng với công suất tiêu thụ của tải và tổn thất công suất trong hệ thống điện Tuy nhiên, khi vận hành HTĐ, điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế Vì luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng, do đó một chế độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá vỡ

Người ta đưa ra khái niệm ổn định hệ thống, theo Kundur: “Ổn định của hệ

thống điện được là khả năng duy trì một điểm làm việc cân bằng trong điều kiện làm việc bình thường, và sau khi sau khi chịu một kích động với các thông số hệ thống thay đổi trong phạm vi cho phép để chế độ xác lập của hệ thống được bảo tồn”

Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến cao hoạt động trong môi trường mà phụ tải, cấu trúc hệ thống, các thông số thay đổi liên tục Khi bị kích động, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào bản chất của kích động cũng như tình trạng làm việc ban đầu của hệ thống (hệ thống làm việc chế độ cực đại, cực tiểu ) Các kích động có thể nhỏ hoặc lớn

Trong đó, công suất trong hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian và có biên

độ nhỏ do yêu cầu của phụ tải (kích động nhỏ), trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được CĐXL (nghĩa là đảm bảo độ lệch nhỏ của các thông số) Đây là

tính ổn định tĩnh của hệ thống (hay ổn định kích động nhỏ)

Sự thay đổi đột ngột cấu trúc hệ thống, sự cố ngắn mạch, mất nguồn… có tính chất nghiêm trọng, các kích động này xảy ra ít hơn nhiều so với các kích động nhỏ nhưng có biên độ khá lớn, nó làm cho sự cân bằng cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập bị dao động mạnh Khả năng của hệ thống có thể phụ hồi chế độ xác

lập sau các kích động lớn này là tính ổn định động (hay ổn định kích động lớn)

Sau kích động, nếu hệ thống điện ổn định, nó sẽ đạt đến trạng thái cân bằng mới Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, các thông số của chế độ biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 Có thể, làm mất đồng bộ của các máy phát điện trong hệ thống, hoặc giảm nhanh điện áp tại các nút Sự mất ổn định

có thể dẫn đến tan rã hệ thống

1.1.2 Phân loại ổn định hệ thống điện

Sự ổn định của hệ thống điện thực tế không phải vấn đề đơn lẻ, nó chịu ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố Theo Kundur và Morison, việc phân loại các dạng

ổn định của hệ thống điện dựa trên các yếu tố: Tham số chính của chế độ (tần số, điện áp, góc lệch rotor), loại kích động, các thiết bị và khoảng thời gian mất ổn định được xem xét để xác định sự ổn định

Người ta chia ổn định hệ thống điện ra làm các loại ổn định được chỉ ra theo bảng dưới đây:

Trong đó, ổn định góc lệch rotor được định nghĩa là khả năng của các máy

phát đồng bộ trong hệ thống có thể giữ được tính đồng bộ sau khi chịu các kích động Người ta cũng chia ổn định góc lệch rotor làm 2 dạng nhỏ: ổn định góc lệch

kích động nhỏ và ổn định quá độ (ổn định kích động lớn)

Ổn định tần số là khả năng của hệ thống có thể duy trì một tần số ổn định, sau một thay đổi mạnh mẽ là kết quả của sự mất cân bằng đáng kể giữa công suất được tạo ra và công suất yêu cầu của phụ tải

Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định ở tất cả các nút trong hệ thống ở điều kiện làm việc bình thường, và sau khi chịu kích động Sự mất ổn định xảy ra có thể do quá trình tăng cao hoặc giảm thấp

quá mức điện áp tại một số nút trong hệ thống

Trên đây là những vấn đề chung nhất về ổn định hệ thống điện Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả sẽ tập trung trình bày các vấn đề ổn định điện áp Trước hết là những khái niệm liên quan đến công suất, điện áp, điều chỉnh điện áp

1.2 Quan hệ công suất và điện áp, các phương thức điều chỉnh điện áp

1.2.1 Quan hệ giữa công suất và điện áp

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống điện không thể xét đến độc lập mà phải xét đến mối liên hệ giữa chúng Tuy vậy, trong thực tế tính toán và vận hành hệ thống điện, một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo qui luật riêng

Cân bằng công suất tác dụng là cân bằng cơ – điện trên trục của máy phát điện, một bên là công suất cơ turbin, một bên là công suất điện của phụ tải, PT = PĐ

Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống, cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu đều tác động lên máy phát điện và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây Do đó việc điều chỉnh cân bằng công suất tác dụng chỉ cần thực hiện ở một nhà máy nào đó Sự cân bằng công suất tác dụng thể hiện ở chỉ tiêu

tần số

Cân bằng công suất phản kháng là cân bằng điện từ giữa công suất phản kháng của máy phát điện do dòng kích từ gây ra và công suất phản kháng của phụ tải yêu cầu của từ trường trong các thiết bị điện và các máy biến áp Sự cân bằng công suất phản kháng mang tính chất cục bộ, khu vực, điều chỉnh công suất phản kháng không thể thực hiện chung cho cả hệ thống, mà phải thực hiện ở nhiều nơi khác nhau Vậy, cân bằng công suất phản kháng phải được đảm bảo cho toàn hệ

thống trên cơ sở đảm bảo cho từng nút, hoặc từng khu vực của hệ thống Cân bằng

công suất phản kháng thể hiện qua chỉ tiêu điện áp

Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biển đổi điện áp Ta biết tổn thất điện áp được tính theo công thức:

V j V V

R Q X P j V

X Q R P

Khi phụ tải biến đổi làm cho ∆V• biến đổi kéo theo sự thay đổi điện áp trên nút tải và toàn hệ thống Trong đó thành phần dọc trục ∆V làm biến đổi modul của điện áp, còn thành phần ngang trục δV làm biến đổi góc pha điện áp

Trên lưới hệ thống (V ≥ 220 kV), điện trở R nhỏ hơn điện kháng X, nên có thể bỏ qua R, ta có:

V j V V

X P j V

X Q

Ta thấy thành phần ∆V hoàn toàn phụ thuộc vào công suất phản kháng Q tải trên lưới điện Còn sự biến đổi công suất tác dụng chỉ làm thay đổi góc pha điện áp, thành phần này ít ảnh hưởng đến modul điện áp

1.2.2 Các vấn đề về điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện

Trong lưới hệ thống, mức điện áp phụ thuộc vào dòng công suất phản kháng trên các đường dây Điều chỉnh điện áp là điều chỉnh dòng công suất phản kháng trong hệ thống điện Điều chỉnh dòng công suất phản kháng tức là điều chỉnh sự cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện

Trong lưới trung – hạ áp, điện trở R khá lớn so với điện kháng X, đặc biệt đối với lưới cáp thì R còn lớn hơn X rất nhiều, nên không thể bỏ qua R trong công thức 1-1 Như vậy, dòng công suất tác dụng cũng ảnh hưởng đến điện áp của các lưới này Nhưng không thể dùng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng để điều chỉnh điện áp được vì công suất tác dụng là yêu cầu của phụ tải để sinh ra năng lượng, và chỉ có thể đưa công suất tác dụng từ các nhà máy điện Bên cạnh đó, công suất phản kháng không sinh công, nó chỉ là công suất gây ra từ trường dao động trên lưới điện, rất cần để cho các phụ tải hoạt động nhưng có thể cung cấp tại chỗ

cho phụ tải Do đó, trong các lưới này vẫn phải điểu chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng

Điều chỉnh điện áp chính là điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng Khi điện áp tại một điểm nào đó của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép có nghĩa là công suất phản kháng của nguồn đủ đáp ứng yêu cầu của phụ tải tại điểm đó Nếu điện áp cao thì thừa công suất phản kháng và ngược lại Công suất phản kháng thường thiếu ở chế độ cực đại - cần có thêm nguồn, còn trong chế độ phụ tải cực tiểu lại có nguy cơ thừa do điện dung của đường dây và cáp sinh ra, cần phải có thiết bị tiêu thụ

Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính hệ thống, vừa có tính cục bộ, điện áp ở các nút khác nhau có thể rất khác nhau Do đó, điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng phải được thực hiện trên toàn hệ thống trên cơ sở đảm bảo điện áp các nút trong hệ thống Ở cấp hệ thống, điều chỉnh mức điện áp trung bình của hệ thống, ở địa phương điều chỉnh nhằm đạt được yêu cầu điện áp cụ thể của từng nút

Điều chỉnh điện áp hay cân bằng công suất phản kháng có thể thực hiện theo hai cách:

- Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn phát (nhà máy điện, máy

bù đồng bộ, các tụ bù, kháng điều khiển ) tăng hoặc giảm theo yêu cầu phụ tải Với các máy phát, máy bù đồng bộ, công suất phản kháng được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng kích từ Đối với tụ bù, kháng điện, thay đổi công suất phản kháng được thực hiện bằng cách thay đổi điện dung của tụ, điện kháng của kháng điện

- Điều chỉnh dòng công suất phản kháng hay là bố trí lại công suất phản kháng trên lưới theo yêu cầu bằng cách điều chỉnh đầu phân áp ở các MBA, lắp các thiết bị bù …

1.3 Ổn định điện áp

1.3.1 Khái niệm về ổn định điện áp

Điện áp trong hệ thống điện luôn biến đổi theo thời gian do sự biến đổi không ngừng của công suất phản kháng trong hệ thống Các nguyên nhân có thể kể

đến là: sự dao động thường xuyên có tính ngẫu nhiên của phụ tải, sự cố trong hệ thống điện gây ra quá trình quá độ điện từ và có thể làm cho 1 hoặc một số phần tử ngừng hoạt động đột ngột, sự thay đổi cấu trúc lưới…

Sự dao động điện áp ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điện: Điện áp tăng cao gây nguy hiểm, làm già hoá nhanh thiết bị của hệ thống Hoặc điện áp giảm thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống điện, giảm ổn định động và ổn định tổng quát, nếu điện áp quá thấp có thể gây mất ổn định phụ tải

Mức điện áp trong hệ thống điện ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong hệ thống điện nhất là ở lưới cao và siêu cao áp Do đó, khi vận hành hệ thống điện thì yêu cầu ổn định điện áp tại các nút trong hệ thống là một yêu cầu quan trọng để hệ thống vận hành an toàn

Theo IEEE - CIGRE, “Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả

các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích động”

Vấn đề ổn định điện áp còn có thể được chia thành các vấn đề nhỏ hơn:

+ Ổn định điện áp khi có kích động lớn là khả năng duy trì điện áp của hệ

thống trong giới hạn ổn định sau các kích động lớn, như mất nguồn, ngắn mạch…

+ Ổn định điện áp khi có kích động nhỏ là khả năng của hệ thống điện vẫn

còn duy trì được điện áp ổn định khi chịu các kích động nhỏ, chẳng hạn như tải thay đổi tăng hoặc giảm Dạng ổn định này chịu tác động bởi các đặc trưng của tải

Và khoảng thời gian nghiên cứu ổn định điện áp có thể thay đổi từ vài giây đến hàng chục phút Do đó ổn định điện áp còn có thể được phân chia thành hiện tượng ngắn hạn và dài hạn

+ Ổn định điện áp ngắn hạn liên quan đến tính chất động của các thành phần

tải tác động nhanh, chẳng hạn như: động cơ cảm ứng, tải điều khiển điện tử và các

bộ biến đổi HVDC Trường hợp này thời gian nghiên cứu cần đến một vài giây

+ Ổn định điện áp dài hạn liên quan đến các thiết bị tác động chậm hơn,

chẳng hạn, OLTC, tải nhiệt điều khiển tĩnh, và các bộ giới hạn kích từ (OEL) Thời gian nghiên cứu có thể đến vài phút

Thông thường, tính ổn định được xác định bởi mức độ thay đổi công suất trong hệ thống chứ không phải tính nghiêm trọng của kích động ban đầu

1.3.2 Mất ổn định điện áp – khái niệm sụp đổ điện áp

Trong hệ thống điện, điều khiển ổn định điện áp liên quan chặt chẽ đến việc điều khiển dòng công suất phản kháng trong hệ thống Tuy nhiên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải thường thay đổi rất lớn, cho nên ở chế độ tải nặng, điện áp các nút giảm xuống đáng kể và dễ dàng đẩy HTĐ rơi vào trạng thái mất ổn định Thực tế vận hành hệ thống điện đã có những sự cố liên quan đến mất ổn định điện áp dẫn đến hiện tượng tan rã lưới trên diện rộng (black-out) xảy ra đối với nhiều hệ thống điện trên Thế giới như: tại Ý ngày 28/9/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003

Sự mất ổn định điện áp xuất phát từ mức độ yêu cầu công suất phản kháng của tải tiêu thụ vượt quá khả năng đáp ứng của nguồn cung cấp dẫn đến sự mất cân bằng công suất trong khoảng dài hạn

Hệ thống mất cân bằng công suất sẽ đi vào trạng thái không ổn định, mất ổn định điện áp, khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra

và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp đổ điện áp Sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội Mất ổn định điện áp là vấn đề mang tính địa phương nhưng có sự ảnh hưởng lớn đến toàn hệ thống

Theo IEEE, “Sụp đổ điện áp là quá trình mà sự mất ổn định điện áp dẫn đến

giảm điện áp một cách đáng kể trong một phần của hệ thống điện”

Sụp đổ điện áp có tính chất phức tạp hơn sự mất ổn định điện áp đơn thuần, thường là kết quả của chuỗi các sự cố liên quan đến sự không ổn định điện áp kéo

theo sự giảm điện áp trầm trọng tại các nút trong phần lớn khu vực của HTĐ Các tình huống (kịnh bản) sụp đổ điện áp:

Kịch bản 1: Hệ thống mang nặng tải

Sự sụp đổ điện áp do sự tăng dần tải kéo theo yêu cầu công suất tác dụng và công suất phản kháng trên hệ thống tăng, đồng thời các thiết bị điều chỉnh điện áp muốn duy trì điện áp không bị giảm thấp cũng yêu cầu một lượng lớn công suất phản kháng, do đó yêu cầu công suất tác dụng và phản kháng cao trong khi điện áp nguồn bị hạ thấp Mặt khác, tính chất động của các thiết bị điều khiển điện áp khác nhau (máy phát, thiết bị bù và máy biến áp ) có thể tương tác theo cách mà sự sụt

áp thực tế khác với dự đoán khi chỉ xét các điều kiện tĩnh

Kịch bản 2: Mất một vài phần tử trong hệ thống điện

Như đã biết, các thông số hệ thống R, X, G, B …đặc trưng cho cấu trúc của

một hệ thống điện, đồng thời nó đóng vai trò quan trọng khi xác định công suất cực đại có thể được phân phối đến các khu vực tải Việc cắt một trong số các đường dây trong hệ thống truyền tải làm tăng điện kháng tương đương giữa nguồn tương đương và tải, làm giảm công suất tới hạn và tăng xác suất sụt áp Hay việc sự cố mất máy phát, không chỉ làm tăng điện kháng tương đương mà còn làm giảm khả năng cung cấp công suất tác dụng và phản kháng Sự cố mất điện xảy ra ở Mỹ 1985 hoặc Thụy điển, Đan mạch năm 2003 là một số ví dụ về kịch bản này

Hình 1.1 Sụp đổ điện áp do mất một vài phần tử trong hệ thống

Kịch bản 3: Tính phức tạp của tải

Ví dụ, thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch chậm dẫn đến sự giảm nhanh điện

áp, điều này có thể kéo theo mô men của động cơ giảm và sau đó là kẹt động cơ Động cơ bị kẹt sẽ cần công suất phản kháng do đó công suất phản kháng giảm sẽ làm giảm thêm nữa điều kiện ổn định điện áp Trong kịch bản này, điện áp tiếp tục giảm xuống cho đến khi thiết bị bảo vệ tách động cơ khỏi hệ thống, nhờ đó làm giảm yêu cầu công suất phản kháng Sau đó, điện áp sẽ bắt đầu khôi phục nhưng việc khôi phục sẽ khó khăn bởi sự tự khởi động của động cơ công suất lớn có thể lại dẫn đến giảm áp và dẫn đến sụp đổ điện áp toàn bộ

Kịch bản 4: Sụt áp và hoạt động không đồng bộ

Sự sụp đổ điện áp trên một hoặc một số nút của hệ thống có thể làm cho điện

áp hạ xuống ở các nút lân cận dẫn đến sụt áp ở các nút này Sau đó điện áp sẽ hạ xuống ở các nút lân cận khác và tiếp theo hiện tượng này sẽ lan truyền trên toàn hệ thống và ảnh hưởng đến các máy phát đồng bộ Do đó, một số máy phát có thể mất tính đồng bộ và bị ngắt khỏi hệ thống do sự tác động của các bảo vệ mất đồng bộ Hiệu ứng này làm tồi tệ thêm nữa tình trạng sụt áp lan truyền và cuối cùng dẫn đến sụp đổ điện áp toàn hệ thống

Hình 1.2 Mất đồng bộ gây ra sụp đổ điện áp (a) sơ đồ sơ đồ hệ thống, (b) điện áp khác nhau

Hình 1.3 Đường xong P-V

Đường cong P-V của tải cho thấy sự thay đổi của lượng tiêu thụ công suất tác dụng của tải và điện áp tại một nút Khi tải tăng, điện áp sẽ giảm, đến điểm tới hạn (critical point) của đường cong P-V, điện áp sẽ giảm rất nhanh, hệ thống sẽ bị sụp đổ điện áp nếu công suất vượt quá điểm này

Ở hình 1.4, chúng ta thấy rằng hệ số tải có ảnh hưởng đáng kể vào các đặc tính điện áp của hệ thống, các đường cong P-V khác nhau ứng với các giá trị khác nhau của hệ số công suất tải Các quỹ tích các điểm tới hạn được thể hiện bằng các đường chấm chấm trên hình vẽ Ta thấy, giới hạn ổn định điện áp tăng khi tải mang tính dung, giảm khi tải mang tính cảm

Hình 1.4 Họ đường cong P-V với các dạng tải khác nhau

1- cosφ=0.9; 2- cosφ=0.95; 3- cosφ=; 4- cosφ= - 0.95; 5- cosφ= -0.9

Đường cong này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của

hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ

dự trữ ổn định dùng làm chỉ số để đánh giá sự ổn định điện áp của hệ thống

1.4.2 Đặc tính Q-V

Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, sự ảnh hưởng của đường đặc tính công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong Q-V

Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ

Đặc tính Q-V có thể được xác định bằng cách đặt một máy phát điện giả tưởng tại nút ta xét, ghi lại công suất phản kháng thay đổi với mức điện áp tương ứng như hình dưới đây

Hình 1.5 Sơ đồ xác định đường cong Q-V tại nút

Ta có một đường cong Q-V như hình 1.6, trục tung biểu diễn đầu ra của máy phát ảo (MVAr) Trục hoành biểu diễn điện áp tương ứng trong đơn vị tương đối

(pu) Đường cong Q-V xác định tải MVAr lớn nhất trước khi sụp đổ điện áp Điểm vận hành cơ bản được xác định tại giao điểm giữa trục hoành và đường cong Đây

là điểm mà máy phát ảo phát công suất phản kháng 0MVAr

Trên hình 1.6, khi đường cong đi xuống, nó thể hiện máy phát giả định giảm công suất phản kháng phát vào nút, ứng với thực tế là sự tăng yêu cầu công suất phản kháng của tải Khi giá trị công suất phản kháng của máy phát giả định giảm đến giá trị nhất định, chạm tới đáy của đường cong, thể hiện yêu cầu lớn nhất công suất phản kháng của tải tại nút này Bất kì sự ra tăng yêu cầu công suất phản kháng nào cao hơn sẽ gây ra sụp đổ điện áp Điểm đó gọi là điểm tới hạn

Hình 1.6 Đường cong Q-V

Phía bên phải điểm tới hạn của đường cong QV có độ dốc dương là khu vực

ổn định và bên trái điểm tới hạn của đường cong QV với độ dốc âm là khu vực không ổn định Ngoài ra, điện áp ở phía bên trái có thể quá thấp đến mức bảo vệ thiết bị có thể được kích hoạt Phần đáy của đường cong QV, ngoài việc xác định các giới hạn ổn định, xác định các yêu cầu tối thiểu công suất phản kháng cho hệ thống hoạt động ổn định Do đó, các đường cong QV có thể được sử dụng để xác định dung lượng của thiết bị bù cần thiết để nâng cao ổn định điện áp

Các lợi ích khi sử dụng đường cong Q-V:

- Đường cong Q-V đưa ra miền giới hạn công suất suất phản kháng tại nút thử điện áp Miền này là khoảng cách từ điểm làm việc tới điểm tới hạn (điểm sụp

đổ điện áp)

- Đường cong Q-V có thể tính toán từ đường cong P-V để kiểm tra sự bền vững của hệ thống

Hình 1.7 Đường cong Q-V ứng với các chế độ tải khác nhau

Trên hình 1.7, đường cong Q-V ứng với 3 mức tải khác nhau P1, P2, P3

Có thể thấy rằng hệ thống ổn định điện áp với tải nhẹ P1, đối với mức tải này, có một lượng công suất phản kháng thừa (Qreserve) có thể được sử dụng để duy trì ổn định ngay cả khi tăng tải Hệ thống ở giới hạn ổn định với mức tải P2 Hệ thống không ổn định khi tải nặng nhất P3, cần một lượng công suất phản kháng (Qmissing) phải được bơm vào nút để tồn tại điểm vận hành

Các khía cạnh quan trọng cần xem xét khi phân tích sự ổn định điện áp:

- Xác định giới hạn làm việc, chẳng hạn giới hạn công suất phản kháng, là những yếu tố quan trọng trong phân tích ổn định điện áp

- Các loại tải, đặc biệt là các tải hỗn hợp, chúng nhạy với điện áp, và những ảnh hưởng từ sự thay đổi của chúng liên quan đến điện áp phải được tính toán chính xác trong phân tích sự ổn định điện áp

1.5 Các chỉ tiêu chủ yếu đánh giá ổn định điện áp

Để đánh giá mức độ ổn định điện áp của HTĐ cần có các chỉ tiêu định lượng Đối với HTĐ phức tạp thường phải sử dụng phối hợp nhiều chỉ tiêu khác nhau Các chỉ tiêu thường được sử dụng khi tính toán giải tích gồm: hệ số dự trữ và chỉ số sụt

áp

1.5.1 Hệ số dự trữ điện áp

Hệ số dự trữ ổn định điện áp các nút là chỉ tiêu được áp dụng phổ biến để đánh giá ổn định do tính đơn giản của nó

% 100 U

U U k

0

0 gh U dt

−

Ta thấy, chỉ tiêu này rất tiện dụng và có ý nghĩa rất rõ ràng Tuy nhiên công suất tại các nút phụ tải của hệ thống điện liên tục thay đổi theo thời gian, vấn đề đặc biệt quan tâm trong quá trình vận hành là tại mỗi thời điểm cần xác định được độ dự trữ ổn định Độ dự trữ ổn định vừa phụ thuộc công suất nút khảo sát, vừa phụ thuộc công suất các nút khác cũng như công suất phát của các nhà máy đang vận hành, nói chung là phụ thuộc vào trào lưu công suất trong toàn hệ thống Do đó để đánh giá độ dự trữ ổn định người ta sử dụng phương pháp xây dựng miền làm việc cho phép cho nút tải trên mặt phẳng công suất

Hình 1.8 Miền làm việc nút tải

Giả sử xây dựng được miền làm việc cho phép trên mặt phẳng công suất như hình 1.8, O (Q0, P0) là một điểm làm việc ổn định Căn cứ vào khoảng cách từ O đến đường giới hạn ổn định ta xác định độ dự trữ ổn định Từ điểm làm việc có nhiều kịch bản biến thiên thông số xảy ra Trường hợp giữ nguyên hệ số công suất, kịch bản đến B – có thể là điển hình, đặc trưng cho khả năng thường xảy ra với HTĐ Kịch bản đi đến C, là kịch bản nguy hiểm nhất vì lúc này thông số đi theo

đường ngắn nhất đến biên giới ổn định Cũng có thể thông số đi theo kịch bản khác đến A, khi đó hệ số dự trữ không còn đặc trưng cho ổn định toàn hệ thống, để đánh giá mức độ ổn định lúc này cần tính theo nhiều kịch bản khác nhau, cần tính toán hệ

số dự trữ theo nhiều thông số, tạo thành vector các hệ số dự trữ Do đó, cần tính toán, so sánh hàng loạt các hệ số Với lí do trên hệ số dự trữ được ứng dụng chủ yếu hiệu quả với các sơ đồ không phức tạp lắm

V

V C 1

Trong đó: αG và αL - tập hợp các nút phát và nút tải trong hệ thống

V && , - điện áp phức của nút tải j và nút phát i j V j

Cij - phần tử của ma trận hệ số phân bố

Để đánh giá mức độ ổn định tổng hợp cho toàn hệ thống người ta chấp nhận chỉ tiêu:

) L ( MAX

Nhược điểm của tiêu chuẩn này là cần tính ma trận hệ số phức Fij xuất phát

từ hệ phương trình CĐXL, khối lượng tính toán lớn Vì thế cần được xây dựng riêng trong chương trình chuyên dụng (như EUROSTAG)

1.6 Bù công suất phản kháng và ổn định điện áp

Các vấn đề về ổn định điện áp thường xảy ra trong các hệ thống vận hành ở tình trạng căng thẳng, khi các kích động có thể dẫn đến sự sụp đổ điện áp có thể do nhiều nguyên nhân Ngoài khả năng truyền công suất của đường dây truyền tải, khả

năng phát công suất phản kháng của máy phát, đặc điểm tải, hoạt động của các thiết

bị điều chỉnh điện áp như MBA có bộ điều áp dưới tải (ULTC)…thì hoạt động của các bộ bù công suất phản kháng có ảnh hưởng lớn đến ổn định điện áp

Bù công suất phản kháng trong HTĐ được sử dụng để điều chỉnh điện áp và điều khiển dòng công suất, cũng như là một trong những phương pháp quan trọng nhất để giảm tổn thất công suất và điện năng

1.6.1 Bù song song (bù ngang)

Bù ngang là phương pháp mắc song song vào đường dây tải điện xoay chiều các thiết bị chuyên dụng để điều chỉnh công suất phản kháng Bù ngang được thực hiện bằng các cuộn điện kháng, bộ tụ điện tĩnh, máy bù hoặc động cơ điện đồng bộ Nhờ bù ngang, có thể giảm dòng công suất phản kháng tải trên đường dây, do đó giảm được tổn thất năng lượng

a Bù ngang bằng tụ điện

Cho đến nay, phương pháp rẻ tiền nhất để cung cấp công suất phản kháng và

hỗ trợ điện áp là việc sử dụng tụ điện song song Chúng được sử dụng rất hiệu quả

để mở rộng giới hạn ổn định điện áp bằng cách điều chỉnh lượng công suất phản kháng được truyền đến nút tải Tụ bù song song cũng có thể được sử dụng như

"nguồn công suất phản kháng dự phòng" trong các máy phát và do đó giúp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp trong nhiều tình huống

Hình 1.9 Đồ thị vectơ điện áp khi có tụ bù ngang

1.6.2 Bù nối tiếp (bù dọc)

Bù dọc là phương pháp mắc nối tiếp các phần tử bù (thường là các bộ tụ điện tĩnh) vào đường dây tải điện xoay chiều có chiều dài lớn để bù cảm kháng của đường dây nhằm mục đích nâng cao khả năng tải theo điều kiện ổn định tĩnh

Mục đích để giảm điện kháng của đường dây, nâng cao khả năng tải của đường dây, giảm tổn thất điện năng Thiết bị bù dọc là một tổ hợp gồm các bộ tụ điện cùng với thiết bị bảo vệ (phóng điện nối tắt, phóng điện hợp nhóm, cầu chì hạn chế dòng điện và thiết bị ổn định) và kết cấu cách điện Dung kháng của thiết bị bù dọc thường không vượt quá 75% cảm kháng của đường dây

Hình 1.11 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc:

δ

sin X X

V V P

C L

2 1

−

=Khi có tụ bù dọc mắc nối tiếp vào đường dây có dung kháng XC thì sẽ làm tăng khả năng tải của đường dây do điện kháng của đường dây giảm xuống

Khi có tụ bù dọc thì

C L

2 1 max

gh

X X

V V P

Tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nào bởi

vì hậu quả của nó là rất lớn khi xem xét dưới góc độ kinh tế và an ninh năng lượng

Do đó vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ Sự cố tan rã HTĐ thường là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó việc mất ổn định hay sụp đổ điện áp là một trong những nguyên nhân chính Một loạt các sự cố tan rã hệ thống điện do mất ổn định điện áp đã chứng tỏ rằng vấn đề này vẫn cần được đặc biệt quan tâm

Mặc dù đã có những đầu tư lớn trong việc qui hoạch, thiết kế, cũng như nâng cấp xây mới các nhà máy điện, đường dây tải, nhưng những nguy cơ về mất ổn định

hệ thống vẫn còn nguyên tính thời sự Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu tìm ra các biện pháp phòng ngừa và nâng cao ổn định tránh các sự cố mất ổn định trong tương lai

CHƯƠNG 2

CÁC THIẾT BỊ FACTS

VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Tổng quan về các thiết bị FACTS

2.1.1 Giới thiệu chung

Xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các đường dây truyền tải điện (thường là 3 pha) siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên thế giới Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên

Tuy vậy, khả năng truyền tải công suất giữa các HTĐ nhỏ lại bị giới hạn bởi các yếu tố vật lý, điện từ bao gồm:

+ Giới hạn về nhiệt: Giới hạn tối đa của dòng điện mà đường dây hoặc thiết

bị điện có thể chịu được trong một khoảng thời gian quy định

+ Giới hạn về cách điện: Sự thay đổi điện áp phải được duy trì trong phạm vi cho phép, không gây nguy hiểm cho cách điện của đường dây và thiết bị điện

+ Giới hạn về ổn định: Giới hạn đảm bảo cho mạng lưới truyền tải phải có khả năng phục hồi trạng thái ổn định sau những kích động thông qua các khoảng thời gian quá độ Sự mất ổn định có thể dẫn đến việc mất đồng bộ của các máy phát,

hệ thống rơi vào trạng thái mất điều khiển, sụp đổ điện áp có thể dẫn đến sự cố mất một phần hoặc tan dã cả hệ thống, gián đoạn cung cấp điện trên diện rộng

Các giới hạn trên xác định công suất tối đa truyền tải được mà không gây nguy hiểm đến đường dây truyền tải và các thiết bị điện Về lý thuyết, giới hạn truyền công suất trong hệ thống có thể cải thiện bằng cách xây dựng các đường dây truyền tải mới Nhưng điều này yêu cầu khoản đầu tư vốn lớn, thời gian thi công cũng như quỹ đất cho các hành lang an toàn của đường dây mới Với yêu cầu lớn về công suất, gia tăng khoảng cách truyền tải, cũng như giảm chi phí năng lượng đòi

hỏi những công nghệ mới nhằm khai thác triệt để các khả năng của HTĐ hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống

Đáp ứng nhu cầu trên, các thiết bị điều chỉnh điện tử công suất được nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng trong điều khiển HTĐ đầu tiên tại Mỹ từ những năm 1974 Cùng với sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực điều khiển tự động và công nghệ chế tạo thiết bị điện tử công suất đã tạo ra những bộ điều khiển công suất lớn để điều khiển hệ thống điện Thuật ngữ “Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt” FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) dùng để chỉ việc sử dụng các thiết bị điện tử công suất lớn để điểu khiển HTĐ Các thiết bị FACTS được sử dụng nhằm giải quyết 2 vấn đề là:

+ Tăng khả năng truyền tải của đường dây

+ Điều khiển linh hoạt công suất trong hệ thống điện

2.1.2 Định nghĩa, phân loại

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử

công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”

Các thiết bị FACTS có phép thay đổi các thông số hệ thống, thông số chế độ bao gồm điện kháng đường dây, điện áp, dòng điện, góc pha và các dao động ở các tần số khác so với tần số cơ bản Các thông số này được điều chỉnh không vượt quá trị số cho phép mà vẫn giữ cho hệ thống ổn định như, nâng cao tối đa khả năng tải của đường dây Bằng việc sử dụng các thiết bị có tính linh hoạt cao, FACTS cho phép điều khiển công suất gần như tức thời, làm tăng khả năng điều khiển HTĐ Nhưng cũng cần nói thêm các thiết bị FACTS là các thiết bị bổ trợ, chứ không thể thay thế hoàn toàn các thiết bị đóng cắt cơ khí

Các thiết bị FACTS có thể chia thành 3 loại:

Các thiết bị mắc nối tiếp: (Hình 2.1.a) Có thể là một điện kháng (tụ điện

hay kháng điện) có thể giá trị thay đổi giá trị hoặc là một bộ biến đổi nguồn có tần

số bằng tần số lưới dựa trên các thiết bị điện tử công suất Các thiết bị này đưa vào

một điện áp nối tiếp với đường dây, nó chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Hình 2.1 Các thiết bị FACTS cơ bản

Các thiết bị mắc song song: (Hình 2.1.b) Giống như ở trên, các thiết bị này

có thể là một điện kháng (tụ điện hay kháng điện) có thể giá trị thay đổi giá trị hoặc

là một nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị này đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm nối vào Khi tổng trở song song được mắc vào dây nguồn, tạo ra dòng điện biến đổi khi đó nó được thay thế như một nguồn dòng bù vào dây dẫn

Các thiết bị mắc hỗn hợp

Các thiết bị mắc nối tiêp – nối tiếp: (Hình 2.1.c) Có thể là các sự kết hợp của

các bộ điều khiển nối tiếp 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 Khả năng truyền công suất tác dụng của thiết bị nối tiếp – nối tiếp được coi như có khả năng cân bằng cả dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng, do đó tận dụng tối đa khả năng sử dụng của hệ thống truyền tải

Các thiết bị mắc nối tiếp – song song: (Hình 2.1.d, e) Đây có thể là sự kết

hợp những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng biệt được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song Về nguyên tắc, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – song song đưa dòng vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, bộ điều khiển hợp nhất nối tiếp – song song sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thông qua đường dẫn công suất

Các ứng dụng của FACTS có thể được tổng kết như sau

Hình 2.2 Phân loại các thiết bị FACTS theo cách mắc

2.2 Các thiết bị điều khiển song song (Bộ điều khiển ngang)

2.2.1 Bộ bù tĩnh - SVC (Static Var Compensator)

Tụ bù tĩnh có dung lương thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR Compensator) là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới truyền tải điện áp cao

SVC là thiết bị thiết bị có thể phát hoặc tiêu thụ điện tĩnh có thể thay đổi được, nối song song, công suất đầu ra của nó có thể điều chỉnh được để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung để duy trì hoặc điều chỉnh một số thông số cụ thể của HTĐ, điển hình là điện áp nút

SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ

thống điện Yếu tố static (tĩnh) cho thấy, SVC sử dụng các thiết bị không chuyển

động hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly

Thuật ngữ SVC được dùng chung để chỉ các cuộn kháng hoặc tụ điện đóng cắt, điều chỉnh bằng thyristor SVC là công nghệ dựa trên van thyristor Nó bao gồm các thiết bị độc lập để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Thông thường, SVC được cấu tạo từ 3 phần tử cơ bản: TCR, TSR, TSC như sau:

Hình 2.3 Cấu tạo chung của SVC

a Kháng điều khiển bằng thyristor TCR

TCR (Thyristor Controlled Reactor) bao gồm điện kháng cố định (thường

lõi không khí) với điện cảm L và thyristor mắc song song ngược chiều (hoặc khóa đóng mở) Hiện nay, các thyristor lớn có thể chịu được điện áp lên tới 4 - 9kV và

dòng điện lên tới 3 – 6 kA Vì thế, trong thực tế, các thyristor nối tiếp với nhau để

đạt được mức điện áp theo yêu cầu với công suất cho trước

Để phân bố hợp lí điện áp trên cách điện cuộn dây, người ta chia cuộn dây làm 2 phần, thyristor được nối vào điểm giữa như hình 3.1

Hình 2.4 Cấu tạo của TCR

Dòng điện trong điện kháng có thể được điều khiển bằng cách điều khiển góc

mở thyristor Góc điều khiển (góc mở) α là góc tính từ thời điểm mở tự nhiên đến thời điểm thyristor được phát xung vào cực điều khiển để mở van Thời điểm mở tự nhiên là thời điểm mà ở đó nếu van là diode thì nó bắt đầu dẫn Góc mở có thể thay đổi trong khoảng từ 00 đến 900, với α thay đổi, dòng điện thay đổi có dạng biến thiên phức tạp như hình 2.5 Dòng điện IL chạy qua TCR thay đổi từ giá trị lớn nhất

Imax (α = 00) giảm đến 0 (khi góc mở α = 900) Dòng điện này không có dạng hình sin mà có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng tần số của nguồn (f = 50Hz) Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc điều khiển α

Ta thấy thyristor sẽ bị khóa khi dòng điện qua 0, do đó ta có thể chủ động

được khoảng dẫn dòng của thyristor, người ta đưa ra khái niệm góc dẫn dòng: σ = π

- 2α Khi góc mở α tăng thì góc dẫn dòng σ giảm, khi α = 900 thì góc dẫn dòng và dòng qua điện kháng bằng 0 Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn ra 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2

L

V ) (

(

L max

X

1 L

Theo công thức (2.2), điện dẫn BTCR(α) được xác định từ biên độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR ở 1 điện áp nguồn cho trước Với TCR, biên độ lớn nhất của điện áp nguồn và của dòng điện bị giới hạn bởi các giá trị định mức công suất của điện kháng và thyristor Do dó TCR có thể làm việc ở bất cứ điểm nào trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn lớn nhất có thể đạt được, điện áp và dòng điện định mức, như minh họa trên hình 3.4 Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế

Hình 2.7 Đặc tính V-I của TCR

Khi điều khiển góc mở dẫn đến dạng sóng của dòng điện không còn là hình sin Nói cách khác, ngoài thành phần cơ bản, TCR còn sinh ra các sóng hài Trong nửa chu kỳ dòng điện dương, âm xác định, chỉ có các sóng hài bậc lẻ mới được tạo

ra Biên độ của các sóng này là hàm của góc trễ α, biểu thị trong công thức sau:

) n sin(

cos n ) n cos(

sin 4 L

V ) (

πω

Với n = 2k+1, k = 1, 2, 3,…

Hình 2.8 Biên bộ các thành phần bậc cao của TCR so với góc α

Có thể dễ dàng nhận được các thành phần sóng hài bằng cách khai triển Fourier Thực ra thành phần làm việc của dòng điện chạy qua TCR chỉ là thành phần cơ bản, vì các thành phần bậc cao có trị số nhỏ, thường bị lọc khỏi sơ đồ

Để giảm trị số các thành phần bậc cao ở mạch ngoài TCR, người ta sẽ sử dụng bộ lọc sóng hài Thông thường, các bộ lọc này là các nhánh LC, LCR nối tiếp nhau và song song với TCR Tần số lọc được chú ý là bậc 5, 7, và đôi khi là bậc 11,

13 Các bộ lọc tần số cao có thể được thực hiện bằng nối song song điện kháng với

1 trong các nhánh bộ lọc LC với 1 điện trở nhằm duy trì độ suy giảm hợp lý ở tần số cao hơn mà bộ lọc trên không có hiệu quả Trong rất nhiều ứng dụng thực tế, nhờ hiện tượng cộng hưởng và không cân bằng trong hệ thống AC, hoặc điều khiển độc lập các nhóm 3 TCR (1pha), có thế yêu cầu dung nhánh bộ lọc tuned ở tần số hài bậc 3

Step Down Transformer

TCR HIGH PASS

FILTER

TUNED FILTER

C

C R

Hình 2.9 Bộ lọc sóng hài bậc cao

Thực ra thành phần làm việc của dòng điện chạy qua TCR chỉ là thành phần

cơ bản, vì các thành phần bậc cao có trị số nhỏ, thường bị lọc khỏi sơ đồ

b Kháng đóng cắt bằng thyristor TSR

TSR (Thyristor Switched Reactor): Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor, điện

kháng của nó được thay đổi theo bậc, theo trạng thái dẫn dòng hay khóa (không dẫn dòng) của van thyristor

TSR là bộ phận khác của SVC, có cấu tạo tương tự như TCR nhưng hoạt động với góc mở α của van thyristor được cố định nhằm thay đổi công suất phản kháng các cấp công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống Việc sử dụng các van thyristor với góc mở cố định, thường α = 00 hoặc α = 900, làm giảm chi phí, tổn hao thấp, nhưng có nhược điểm là công suất phản kháng không thể điều chỉnh trơn

c Tụ đóng cắt bằng thyristor TSC

TSC (Thyristor Switched Capacitor): Tụ điện đóng cắt bằng thyristor, gồm 2

van thyristor mắc song song ngược, nối tiếp với tụ điện, 1 điện kháng tương đối nhỏ

để chặn dòng điện xung kích trong các điều kiện vận hành không bình thường, nó cũng có thể được sử dụng để tránh hiện tượng cộng hưởng với điện kháng hệ thống xoay chiều ở tần số cụ thể nào đó Điện dung của nó được thay đổi theo dạng bậc thang, theo trạng thái dẫn dòng hay khóa của van thyristor