Phân tích, mô phỏng hiệu quả sử dụng của hệ thống thiết bị bù SVC tại trạm biến áp 220kv thái nguyên

Điều này giải thích vì sao ngoài các máy phát điện cần phải có một số lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng như máy bù đồng bộ, tụ điện, kháng điện… Trước đây

Trang 1

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

NGUYỄN VĂN THẮNG

PHÂN TÍCH, MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ SỬ DỤNG HỆ THỐNG THIẾT BỊ BÙ SVC TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT

Hà nội - 2014

Trang 2

Nguyễn Văn Thắng - Khóa 2011B 1

MỤC LỤC MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

MỞ ĐẦU 9

I Lý do chọn đề tài 9

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

III Nội dung nghiên cứu 10

IV Bố cục luận văn 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS 11

1.1 Giới thiệu chung 11

1.2 Định nghĩa và mô tả các thiết bị điều khiển FACTS 12

1.2.1 Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản 12

1.2.2 Mô tả một số bộ điều khiển FACTS điển hình 14

1.2.3 Các ứng dụng và hiệu quả của các thiết bị FACTS 21

1.2.4 Khả năng ứng dụng các thiết bị FACTS 22

1.3 Kết luận 23

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC 24

VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ TRONG VIỆC PHÂN TÍCH, 24

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA SVC 24

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor 24

2.1.1 Cấu tạo của thyristor 24

2.1.2 Nguyên lý hoạt động thyristor 24

2.2 Cấu tạo của SVC 28

2.1.1 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR 29

2.1.2 Kháng đóng cắt bằng thyristor TSR 35

2.1.3 Tụ điện đóng cắt bằng thyristor TSC 36

Trang 3

2.1.4 Hệ thống điều khiển các van trong SVC 37

2.2 Các đặc tính của SVC 38

2.2.1 Đặc tính điều chỉnh của SVC 38

2.2.2 Đặc tính làm việc của SVC 39

2.3 Mô hình SVC trong tính toán, phân tích hệ thống điện 40

2.3.1 Mô hình SVC trong chế độ xác lập 40

2.3.2 Mô hình SVC trong chế độ quá độ 41

2.4 Phân tích hiệu quả sử dụng của SVC 43

2.4.1 Ổn định điện áp tại nút đặt SVC 43

2.4.2 Tăng khả năng truyền tải của hệ thống điện 43

2.4.3 Tăng ổn định quá độ 46

2.5 Kết luận 50

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG SVC TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV THÁI NGUYÊN 51

3.1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD 51

3.1.1 Giới thiệu chung 51

3.1.2 Giao diện làm việc của phần mềm 52

3.2 Giới thiệu trạm biến áp 220kV Thái nguyên và hệ thống SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên 55

3.2.1 Giới thiệu trạm biến áp 220kV Thái Nguyên 55

3.2.2 Hệ thống SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên 58

3.2.3 Mô hình các phần tử khác của hệ thống 62

3.3 Kết quả tính toán, mô phỏng hoạt động của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên 65

3.3.1 Kết quả tính toán, mô phỏng chế độ vận hành bình thường 65

3.3.2 Kết quả tính toán, mô phỏng chế độ sự cố 73

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi học hỏi, nghiên cứu, tính toán và phân tích Nội dung, số liệu được tham khảo và tập hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau Thuyết minh, mô phỏng và kết quả tính toán được bản thân tôi thực hiện

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2014

Nguyễn Văn Thắng Khóa: CH2011B

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tập thể cán bộ công nhân Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt - thầy đã tận tình quan tâm hướng dẫn giúp đỡ tác giả xây dựng và

hoàn thành luận văn này

Vì thời gian và kiến thức còn hạn chế bản luận văn này không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo, cô giáo, bạn

bè và đồng nghiệp để bản luận văn này ngày càng hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Trang 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu,

khiển FACTS Flexibile Alternating Curent

Transmission System

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt TCSC Thyristor Controlled Series

Capacitor SSSC Static Synchronous Series

Compensator UPFC Unlfied Power Flow Controller

TCPST Thyristor-Controlled Phase Shifting

Transformer PSCAD Power Systems Computer Aided

Design

Chương trình thiết kế, mô phỏng hệ thống điện có trợ giúp của máy tính

động bằng thyristor TSC Thyristor Switched Capacitor Tụ điện đóng cắt bằng

thyristor

Trang 7

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả của một số thiết bị FACTS 22Bảng 3.1: Thông số thiết bị chính của trạm 220kV Thái Nguyên 57

Trang 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Hình 1.1: Bộ điều khiển nối tiếp 12

Hình 1.2: Bộ điều khiển song song 13

Hình 1.3: Bộ điều khiển nối tiếp - nối tiếp 13

Hình 1.4 Bộ điều khiển nối tiếp - song song kết hợp 14

Hình 1.5: Bộ điều khiển nối tiếp - song song hợp nhất 14

Hình 1.6: Cấu tạo điển hình của SVC 15

Hình 1.7: Cấu tạo của STATCOM 16

Hình 1.8: Cấu tạo của TCSC 17

Hình 1.9: Cấu tạo của SSSC 18

Hình 1.10: Cấu tạo chung của UPFC 19

Hình 1.11: Cấu tạo chung của TCPST 20

Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo của Thyristor 24

Hình 2.2: Đặc tính Volt - Ampe của Thyristor 24

Hình 2.3: Dạng sóng điện áp đầu ra mạch thuần trở có Thyristor 27

Hình 2.4: Cấu tạo của SVC 29

Hình 2.5: Cấu tạo của TCR 30

Hình 2.6: Dòng điện qua TCR khi góc cắt thay đổi 30

Hình 2.7: Dạng sóng của dòng điện qua TCR 31

Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR 34

Hình 2.9: Các thành phần sóng hài bậc cao trong TCR 35

Hình 2.10: Cấu tạo của TSC 36

Hình 2.11: Nguyên lý làm việc của TSC 36

Hình 2.12: Sơ đồ khối các khâu trong bộ điều khiển SVC 37

Hình 2.13: Đặc tính U-I của SVC 38

Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC 39

Hình 2.15: Mô hình SVC hoạt động trong giới hạn điều khiển 40

Hình 2.16: Mô hình IEEE loại 1 cho SVC 41

Trang 9

Hình 2.17: Mô hình IEEE loại 1 cho SVC 42

Hình 2.18: Đường cong điện áp với đặc tính tải khác nhau 43

Hình 2.19: Hệ thống truyền tải SIMB 44

Hình 2.20: Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống SIMB 45

Hình 2.21: Đường cong biểu diễn giới hạn ổn định quá độ; 47

Hình 3.1: Giao diện làm việc của phần mềm PSCAD 52

Hình 3.2: Cửa sổ làm việc và đầu ra dữ liệu 53

Hình 3.3: Thư viện các phần tử của phần mềm PSCAD 53

Hình 3.4: Cửa sổ dữ liệu đầu ra của phần mềm PSCAD 54

Hình 3.5: Sơ đồ kết nối với hệ thống đường dây 220kV 56

Hình 3.6: Sơ đồ đường dây truyền tải Mã Quan - Hà Giang - Thái Nguyên 58

Hình 3.7: Sơ đồ SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên 58

Hình 3.8: Mô hình tụ bù cố định 59

Hình 3.9: Mô hình TCR 60

Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống điều khiển TCR 60

Hình 3.11: Mô hình bộ đo điện áp 60

Hình 3.12: Mô hình bộ so sánh điện áp 61

Hình 3.13: Mô hình bộ điều khiển PI 61

Hình 3.14: Mô hình bộ tạo xung răng cưa 61

Hình 3.15: Mô hình bộ tạo xung điều khiển Thyristor 61

Hình 3.16: Mô hình và nhập số liệu cho nguồn điện xoay chiều 3 pha 62

Hình 3.17: Mô hình và thông số của đường dây truyền tải 63

Hình 3.18: Mô hình tụ bù dọc 63

Hình 3.19: Mô hình và thông số của máy biến áp AT2 64

Hình 3.20: Mô hình phụ tải 65

Trang 10

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Trong những năm qua, nền kinh tế Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện năng cho sản xuất và sinh hoạt liên tục tăng cao, dẫn đến tình trạng thiếu điện năng trên toàn hệ thống điện Quốc gia nói chung và hệ thống điện miền Bắc nói riêng Do đó để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội thì ngành điện đã đưa ra một số giải pháp như: đầu tư xây dựng thêm nhiều nguồn điện mới, đẩy nhanh tiến độ xây dựng các nhà máy điện, cải tạo lưới điện hiện có để giảm tổn thất điện năng, sử dụng thiết bị chiếu sáng hiệu năng cao, và mua điện từ các nước láng giềng Năm 2006 Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã ký hợp đồng mua bán điện với Công ty điện lực Vân Nam (Trung Quốc), theo đó điện năng

sẽ được truyền tải bằng đường dây 220kV từ cửa khẩu Thanh Thủy - Hà Giang về các trạm biến áp 220kV Hà Giang, Thái Nguyên Đường dây truyền tải này đã chính thức vận hành vào ngày 30-04-2007, công suất cực đại đạt 200MW

Đường dây truyền tải điện nói trên có khoảng cách khá dài Bên cạnh đó phụ tải điện tập trung chủ yếu ở cuối nguồn và bao gồm nhiều phụ tải quan trọng có yêu cầu về chất lượng điện năng rất cao Do đó việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ tiên tiến vào quá trình truyền tải điện năng nói trên để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm chi phí là rất cần thiết Một trong những giải pháp được đưa ra đó là sử dụng thiết bị SVC đặt tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

Việc phân tích và mô phỏng hoạt động của thiết bị SVC có ảnh hưởng đến hệ thống điện như thế nào trong chế độ bình thường và chế độ sự cố sẽ giúp cho việc vận hành hệ thống thiết bị bù SVC một cách có hiệu quả Đây là mục đích và vấn đề

mà luận văn cần tập trung nghiên cứu để tìm ra phương pháp vận hành hệ thống SVC sao cho có hiệu quả nhất

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

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

Trang 11

- Phạm vi nghiên cứu: Phân tích và mô phỏng hiệu quả sử dụng của SVC, hoạt động của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên ảnh hưởng đến hệ thống điện như thế nào trong chế độ bình thường và sự cố

III Nội dung nghiên cứu

- Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và hoạt động của các thiết bị FACTS đặc biệt là thiết bị SVC trong hệ thống điện

- Phân tích hiệu quả của việc sử dụng thiết bị SVC trong việc nâng cao ổn định của hệ thống điện

- Mô phỏng hiệu quả sử dụng của thiết bị SVC bằng phần mềm PSCAD

IV Bố cục luận văn

- Chương I: Tổng quan về thiết bị FACTS

- Chương II: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC và mô hình của nó trong việc phân tích, mô phỏng chế độ hoạt động của SVC

- Chương III: Giới thiệu về hệ thống SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên Ứng dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng hiệu quả sử dụng của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên

Trang 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS

Trong chương 1, tác giả sẽ giới thiệu một cách tổng quan về nguyên lý hoạt động và tác dụng của một số bộ điều khiển FACTS

Nội dung chương 1 được tham khảo từ các tài liệu [1], [4], [5], [8]

1.1 Giới thiệu chung

Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện (HTĐ) việc sản xuất công suất tác dụng (CSTD) phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ kể cả các tổn thất nếu không tần số của hệ thống sẽ bị thay đổi Bên canh đó, có một sự gắn bó chặt chẽ giữa cân bằng công suất phản kháng (CSPK) với điện áp các nút hệ thống Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó quá dư thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng quá điện áp (điện áp quá cao) và ngược lại nếu nút nào đó bị thiếu CSPK thì điện áp tại nút đó sẽ bị sụt thấp Nói cách khác, cũng như đối với CSTD, CSPK luôn phải được điều chỉnh để giữ cân bằng Việc điều chỉnh CSPK cũng là yêu cầu cần thiết nhằm giảm tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống … Tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản giữa điều chỉnh CSTD và điều chỉnh CSPK Tần số hệ thống sẽ được đảm bảo bằng việc điều chỉnh CSTD ở bất kỳ máy phát điện nào miễn sao giữ được cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất tiêu thụ Trong khi đó, điện áp các nút hệ thống không bằng nhau, chúng phụ thuộc điều kiện cân bằng CSPK theo từng khu vực Như vậy nguồn CSPK cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo từng khu vực Điều này giải thích vì sao ngoài các máy phát điện cần phải có một số lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng như máy bù đồng

bộ, tụ điện, kháng điện…

Trước đây việc điều chỉnh CSPK bằng các thiết bị bù thường được thực hiện đơn giản như thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bù đồng bộ) Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô hoặc theo tốc

độ chậm Sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất với các thiết bị thyristor công suất lớn đã cho phép các thiết bị bù

có khả năng điều khiển linh hoạt giải quyết được những yêu cầu mà các thiết bị bù

cổ điển chưa đáp ứng được như tự động điều chỉnh điện áp các nút, giảm dao động

và nâng cao ổn định của hệ thống Việc áp dụng các thiết bị bù CSPK chất lượng cao điều khiển bằng thyristor đã trở thành một nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao tính

ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống truyền tải điện

Trang 13

Cùng với sự phát triển nhanh và phức tạp của HTĐ đòi hỏi những công nghệ mới được áp dụng và khai thác triệt để khả năng sẵn có của hệ thống mà không làm ảnh hưởng đến việc truyền tải và phân phối điện Các nghiên cứu phát triển và đưa

hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS vào sử dụng trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại những hiệu quả điều khiển không chỉ cải thiện về ổn định mà còn mang lại khả năng vận hành linh hoạt cho HTĐ

1.2 Định nghĩa và mô tả các thiết bị điều khiển FACTS

1.2.1 Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS được IEEE định nghĩa:

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 và tăng khả năng truyền tải công suất

Từ khái niệm trên, ta thấy hai nhiệm vụ chính của các thiết bị FACTS:

- Tăng khả năng truyền tải của các HTĐ

- Đảm bảo công suất truyền tải trong khoảng giới hạn

Nói chung các thiết bị FACTS có thể chia ra làm 4 loại như sau:

- Thiết bị điều khiển dọc (nối tiếp)

- Thiết bị điều khiển ngang (song song)

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

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

*) Bộ điều khiển nối tiếp (Series Controllers):

Hình 1.1: Bộ điều khiển nối tiếp

Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là một trở kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số của lưới nhờ thiết bị điện tử công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp nối tiếp với đường dây Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều

Trang 14

khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

*) Bộ điều khiển song song (Shunt Controllers):

Hình 1.2: Bộ điều khiển song song

Thiết bị điều khiển song song cũng có thể là một trở kháng, một nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp của cả hai Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điển khiển song song đưa thêm vào đường dây một nguồn dòng, dòng điện được bơm vào vuông pha với điện áp, và thiết bị điều khiển song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

*) Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - nối tiếp (Combined Series-Series Controllers):

Hình 1.3: Bộ điều khiển nối tiếp - nối tiếp

Đây là 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 hợp nhất Trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công suất phản kháng được bù độc lập cho mỗi đường dây, công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi

Trang 15

thông qua nguồn liên kết Khả năng truyền công suất tác dụng của bộ điền khiển nối tiếp - nối tiếp làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn công suất tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường dây

*) Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song (Combined Series-Shunt Controllers):

Hình 1.4 Bộ điều khiển nối tiếp - song song kết hợp

Hình 1.5: Bộ điều khiển nối tiếp - song song hợp nhất

Đây là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song Về nguyên lý, bộ điều khiển nối tiếp song song bù dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, và bù điện áp vào hệ thống bằng thành phần nối tiếp

1.2.2 Mô tả một số bộ điều khiển FACTS điển hình

1.2.2.1 Bộ điều khiển song song

Trang 16

a SVC (Static Var Compensator): là thiết bị bù ngang dùng để phát 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 cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt cảm kháng có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử công suất như thyristor, các cửa đóng mở GTO

Cấu tạo điển hình của SVC:

Hình 1.6: Cấu tạo điển hình của SVC

Trong trường hợp chung SVC được cấu tạo từ 3 phần tử cơ bản:

- Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controller Reactor): điện kháng của nó thay đổi liên tục (điều chỉnh trơn) bằng cách điều chỉnh góc dẫn của các thyristor

- Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

- Bộ tụ được đóng cắt bằng thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

Trang 17

Ngoài 3 phần tử cơ bản ở trên, SVC có thể còn có thành phần lọc sóng hài bậc cao

Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều chỉnh điện áp tại nút có đặt SVC

- Điều chỉnh trào lưu công suất tại nút được bù

- Tăng cường ổn định của HTĐ như: giới hạn thời gian và cường độ quá điện

áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh của HTĐ

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

b STATCOM (STATic synchronous COMpensator): là một trong những thiết

bị FACTS quan trọng, nó bao gồm các bộ tụ được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử công suất như thyristor và khóa đóng mở GTO So với SVC, STATCOM là thiết bị hoàn thiện hơn, có kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

Cấu tạo điển hình của STATCOM:

Hình 1.7: Cấu tạo của STATCOM

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

Trang 18

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM, có thể cố định giá trị điện áp

- Điều chỉnh trào lưu công suất tại nút được bù

- Tăng cường ổn định của HTĐ như: giới hạn thời gian và cường độ quá điện

áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ

Ngoài ra STATCOM còn có đặc điểm nổi trội hơn SVC như:

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

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

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

1.2.2.2 Bộ điều khiển nối tiếp

a TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): là thiết bị điều khiển trở

kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện

Hình 1.8: Cấu tạo của TCSC

Trang 19

đơn lẻ hoặc chứa vài tụ điện có kích cỡ bằng hoặc khác nhau để có thể hoạt động mang lại hiệu quả tốt hơn

Chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Hạn chế hiện tượng ảnh hưởng tần số thấp trong HTĐ

Ngoài ra, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể làm tăng tính linh hoạt trong vận hành HTĐ

b SSSC (Static Synchronous Series Compensator): là một máy phát đồng bộ

không cần nguồn năng lượng điện bên ngoài, nó hoạt động như thiết bị bù nối tiếp mà điện áp đầu ra có thể điều khiển độc lập và vuông pha với dòng điện trên đường dây nhằm mục đích tăng hoặc giảm điện áp dung kháng rơi trên đường dây và vì thế điều khiển công suất truyền tải trên đường dây SSSC có thể chứa bộ dự trữ năng lượng hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng nhằm tăng khả năng ổn định động của hệ thống bằng cách bù thêm công suất tác dụng tức thời, để tăng hoặc giảm điện áp rơi trên đường dây

Hình 1.9: Cấu tạo của SSSC

Trang 20

SSSC là một trong những bộ điều khiển FACTS quan trọng nhất Nó tương tự như STATCOM, nhưng khác ở chỗ là điện áp đầu ra AC nối tiếp với đường dây Nó

có thể dựa trên bộ chuyển đổi nguồn điện áp hoặc bộ chuyển đổi điện nguồn dòng Thông thường thì điện áp bù nối tiếp đưa thêm là khá nhỏ so với điện áp đường dây Với cách điện phù hợp giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp, các thiết bị chuyển đổi được đặt ở điện thế mặt đất trừ khi các thiết bị này được đặt trên mặt phẳng được cách điện với đất Tỷ số máy biến áp được biến đổi sao cho thiết kế bộ chuyển đồi điện kinh tế nhất Vì không có nguồn điện thêm ở ngoài, SSSC chỉ có bù một lượng điện áp nhanh pha hơn hoặc chậm pha hơn so với dòng điện một góc là

900 Cuộn sơ cấp của biến áp và do đó cả cuộn thứ cấp cũng như bộ chuyển đổi phải mang được dòng điện trên đường dây khi đầy tải, kể cả dòng làm việc sự cố

1.2.2.3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

a UPFC (Unified Power Flow Controller): là sự kết hợp của STATCOM và

SSSC thông qua nguồn liên kết một chiều, cho phép dòng công suất tác dụng chảy theo cả hai hướng giữa đầu ra nối tiếp của SSSC và đầu ra song song của STATCOM, và được điều khiển để cung bù công suất phản kháng và công suất tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài

Cấu tạo của UPFC:

Hình 1.10: Cấu tạo chung của UPFC

Trang 21

Như vậy UPFC bao gồm thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha SSSC và thiết bị

bù ngang STATCOM Mỗi bộ chuyển đổi gồm các van đóng mở GTO và MBA trung gian, mỗi bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào, bộ chuyển dồi còn lại có thể vận hành điều khiển một cách độc lập

Các chức năng của UPFC:

- Điều khiển trào lưu công suất tại nút bù

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

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

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

b TCPST (Thyristor-Controlled Phase Shifting Transformer): là một biến áp

dịch pha được điều chỉnh bằng các thyristor để thay đổi pha một cách nhanh chóng

Hình 1.11: Cấu tạo chung của TCPST

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

Trang 22

Chức năng chính của TCPST:

- Điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây

- Điều chỉnh trào lưu công suất

1.2.3 Các ứng dụng và hiệu quả của các thiết bị FACTS

Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và hiệu quả khác nhau, một số lợi ích

cơ bản của nó là:

- Điều khiển trào lưu công suất theo yêu cầu

- Nâng cao khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó Chú ý rằng khả năng chịu nhiệt của đường dây thay đổi trong khoảng rộng tùy thuộc vào điều kiện môi trường và lịch sử mang tải

- Nâng cao độ an toàn của hệ thống nhờ việc tăng giới hạn ổn định quá độ, hạn chế dòng ngắn mạch và quá tải, giảm bớt số lần mất điện và cản dao động điện cơ của

hệ thống điện và thiết bị điện

- Tạo ra độ an toàn cho các đường dây kết nối giữa các vùng miền bởi vậy giảm được yêu cầu phát điện ngược cho cả 2 phía

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

- Giảm dòng công suất phản kháng, bởi vậy cho phép các đường dây mang nhiều công suất tác dụng hơn

- Tăng khả năng sử dụng của các nhà máy với chi phí thấp nhất

Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS sẽ có một hoặc hai chức năng chính đã nêu ở trên.Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như: yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý

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

Trang 23

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả của một số thiết bị FACTS

Thiết bị

FACTS

Điều khiển trào lưu công suất

Điều khiển điện áp

Ổn định quá độ

Ổn định động

Chống dao động công suất

1.2.4 Khả năng ứng dụng các thiết bị FACTS

Đặc điểm của HTĐ hiện nay và trong tương lai là xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành các HTĐ hợp nhất bằng các đường dây siêu cao áp, sự phát triển của HTĐ không chỉ là sự hợp nhất giữa các hệ thống nhỏ trong một quốc gia mà còn yêu cầu sự liên kết HTĐ giữa các quốc gia khác nhau Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các HTĐ hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, linh hoạt trong các chế độ vận hành Việc hợp nhất các HTĐ còn cho phép dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển Việc hợp nhất HTĐ là cơ sở hình thành thị trường điện, một xu hướng phát triển của HTĐ hiện đại

Các đường dây dài điện áp cao thường được bù thông số với mục đích chủ yếu là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Một cách gián tiếp, giới hạn ổn định động cũng tăng do nâng cao thêm được đường cong công suất điện từ Quá trình quá độ của hệ thống xảy ra khi có kích động là rất phức tạp, việc đặt dung lượng bù cố định trong trường hợp này sẽ có hiệu quả không cao nhưng nếu đặt các thiết bị bù có điều khiển thì ổn định của hệ thống sẽ được cải thiện đáng kể

Như vậy, với sự phát triển và xu hướng hình thành HTĐ hợp nhất đã tạo ra một HTĐ lớn và ngày càng phức tạp với chiều dài đường dây siêu cao áp liên kết lưới điện giữa các khu vực ngày càng nhiều, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ, thiết bị điều khiển vào HTĐ ngày càng trở nên cần thiết Việc nghiên

Trang 24

cứu và ứng dụng các thiết bị của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) trong các HTĐ lớn đã và đang được đầu tư mạnh mẽ trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

Ở Việt Nam đã có nhiều công trình nghiên cứu về một số thiết bị FACTS như SVC, TCSC Việc ứng dụng việc ứng dụng các thiết bị này vào hệ thống điện Việt Nam còn nhiều hạn chế do những khó khăn về chi phí, điều khiển, vận hành (hiện nay, ở Việt Nam chỉ có 2 trạm biến áp sử dụng SVC: Trạm biến áp 220kV Thái Nguyên và Trạm biến áp 220kV Việt Trì) Những năm gần đây, cùng với sự tiến bộ của kỹ thuật vi xử lý, công nghệ bán dẫn cũng phát triển rất nhanh Do đó làm cho việc điều khiển, vận hành và chi phí cho các thiết bị FACTS cũng giảm đi nhiều Chính vì vậy, công nghệ FACTS sẽ được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện nước

ta trong vài thập niên tới

1.3 Kết luận

Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với nhiều loại khác nhau để phù hợp với các loại điều khiển và các thông số điều khiển trong HTĐ Nhìn chung các thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị điều khiển dọc, ngang và tổ hợp cả dọc và ngang

SVC là thiết bị điển hình đã được áp dụng khá rộng rãi trên thế giới Ở Việt Nam, thiết bị SVC đã được lắp đặt tại Việt Trì, Thái Nguyên Trong đó, trạm biến áp 220kV Thái Nguyên là nơi nhận lượng điện năng lớn được truyền từ Mã Quan - Trung Quốc bằng đường dây truyền tải khá xa nên việc ổn định điện áp là rất cần thiết Do đó, đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của SVC, hiệu quả sử dụng của SVC tại trạm biến áp 220kV Thái Nguyên Trong phần tiếp theo của luận văn ta đi tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các mô hình tính toán của thiết bị này

Trang 25

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

VÀ MÔ HÌNH CỦA NÓ TRONG VIỆC PHÂN TÍCH,

MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

Trong chương 2, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu rõ về thành phần cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của SVC trong hệ thống điện

Nội dung chương 2 được tham khảo từ các tài liệu [5], [6], [7], [8], [9]

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor

2.1.1 Cấu tạo của thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn được cấu tạo từ 4 lớp bán dẫn: P-N-P-N tạo ra 3 lớp tiếp giáp P-N: J1; J2; J3

Thyristor có 3 cực là: Anôt (A); Catôt (K) và cực điều khiển (G) như được biểu diễn ở hình sau:

Hình 2.1: Nguyên lý cấu tạo của Thyristor

2.1.2 Nguyên lý hoạt động thyristor

a Đặc tính Volt – Ampere (V-A) của thyristor

Trang 26

* Không có dòng điện vào cực điều khiển (Ig = 0)

Khi dòng điện vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển thì thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả 2 trường hợp phân cực điện

áp giữa A và K Khi điện áp UAK<0 theo cấu tạo của thyristor 2 lớp tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận như vậy thyristor sẽ giống như

2 điốt mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua gọi là dòng rò Khi UAK tăng đến 1 giá trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng khi đó dòng điện có thể tăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điốt quá trình đánh thủng là không thể đảo ngược được nghĩa là thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp A – K theo chiều thuận UAK>0 lúc đầu cũng chỉ có 1 dòng điện rất nhỏ chạy qua gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch A-K vẫn có giá trị rất lớn Khi đó lớp tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, lớp tiếp giáp J2 bị phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch A-K đột ngột giảm lúc này dòng điện có thể chạy qua thyristor và giá trị đó chỉ bị giới hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua thyristor có giá trị lớn hơn một mức dòng tối thiểu gọi là dòng duy trì (Idt) thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận giống như đường đặc tính thuận của điốt

* Có dòng điện vào cực điều khiển (Ig > 0)

Nếu có dòng điện đưa vào giữa cực điều khiển và catôt thì quá rình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn trước khi điện áp thuận đạt giá trị lớn nhất Nói chung nếu dòng điện điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn

b Mở, khóa thyristor

* Mở khóa thyristor:

Khi được phân cực thuận UAK>0 thyristor có thể mở bằng 2 cách:

Cách 1: Có thể tăng điện áp A-K cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất (Uthmax) Điện trở tương đương trong mạch A-K sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Cách này trong thực tế không được

áp dụng do nguyên nhân thyristor mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Ungmax Như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự

mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên không xác định

Trang 27

Cách 2: Cách này được áp dụng trong thực tế Cách này được dùng bằng cách đưa 1 xung dòng điện có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và Catôt Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp A-K nhỏ Khi đó nếu dòng qua A-K lớn hơn 1 giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (Idt) thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điện điều khiển Điều này có nghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung có độ rộng xung nhất định Do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ so với công suất của mạch lực mà thyristor là 1 phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

* Khóa thyristor:

Một thyristor sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch A-K tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống nhỏ hơn giá trị dòng duy trì Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khóa với trở kháng cao khi điện áp A-K lại dương (UAK>0) thì cần phải có 1 khoảng thời gian nhất định để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình

Để khóa thyristor lại cần giảm dòng A-K về dưới mức dòng duy trì bằng cách hoặc là đổi chiều dòng điện hoặc đặt 1 điện áp ngược lên giữa Anôt và Catôt của thyristor Điện áp ngược được đặt lên A-K (UAK<0) sau khi dòng bằng không phải được duy trì trong 1 khoảng thời gian tối thiểu gọi là thời gian phục hồi

Như vậy, nếu ghép 2 thyristor song song và ngược chiều nhau ta có thể khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor một cách liên tục nhờ việc thay đổi góc mở  bằng thời điểm phát tín hiệu xung điều khiển vào cực

Trang 28

0

m

-U

Hình 2.3: Dạng sóng điện áp đầu ra mạch thuần trở có Thyristor

c Các thông số cơ bản của thyristor

Giá trị dòng điện trung bình cho phép chạy qua thyristor (I lvtb ) Đây là giá trị

dòng điện trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá 1 giá trị nhiệt độ cho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát

và môi trường Trong điều kiện làm mát có thể làm mát tự nhiên nhưng hiệu suất của thyristor không cao vì vậy để hiệu suất được nâng cao thì người ta làm mát cho thyristor bằng cách cưỡng bức như quạt gió hoặc bằng nước Tuy nhiên điều này có thể khiến kích thước của thiết bị tăng đáng kể Nói chung có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát như sau:

+ Làm mát bằng tự nhiên: Dòng điện sử dụng cho phép tới

Điện áp ngược cho phép lớn nhất (U ngmax ) Đây là giá trị điện áp ngược lớn

nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng tại bất kỳ thời điểm nào thì điện áp giữa A-K luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ungmax (UAK 

Ungmax) Ngoài ra còn phải đảm bảo 1 lượng dự trữ nhất định về điện áp nghĩa là

Ungmax phải được chọn ít nhất là bằng (1,2 1,5) lần giá trị biên độ lớn nhất của điện

áp trên sơ đồ

Trang 29

Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor(( (s )): Đây là thời gian tối

thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa A và K của thyristor sau khi dòng điện A-K đã bằng 0, trước khi lại có thể điện áp UAK dương mà thyristor vẫn khóa Thông thường phải đảm bảo thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng (1,5 2) lần 

Tốc độ tăng điện áp cho phép (V/ s)

Tốc độ tăng dòng điện cho phép (A/ s)

dt

dI  : Khi thyristor bắt đầu mở không

phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều Dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một vài điểm gần với cực điều khiển nhất sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ tăng dòng điện quá lớn có thể dẫn tới mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá nhanh dẫn đến hỏng cục bộ từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

2.2 Cấu tạo của SVC

Trong trường hợp chung SVC bao gồm:

- TCR (Thyristor Controlled Reactor): là cuộn kháng có điều khiển bằng thyristor TCR có thể điều chỉnh liên tục dung lượng bù bằng cách thay đổi góc đóng

mở của thyristor một cách liên tục từ 900 đến 1800

- TSR (Thyristor switched reactor): là cuộn kháng đóng cắt tự động bằng thyristor TSR chỉ có thể đóng hoặc mở dùng thyristor, điện kháng chỉ có thể bằng 0 hoặc Xkmax

- TSC (Thyristor Switched Capacitor): là tụ điện đóng cắt bằng thyristor, điện dung của tụ chỉ có thể thay đổi là 0 hoặc XCmax

- Ngoài ba phần tử cơ bản trên, SVC còn có thêm máy biến áp, bộ điều khiển các van bán dẫn và các bộ lọc sóng hài bậc 3, 5, 7

Trang 30

Hình 2.4: Cấu tạo của SVC

TSR và TSC thực chất là các bộ kháng và tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor Điều đáng chú ý hơn cả là TCR một thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn (từ 0 đến giá trị cực đại) Việc phối hợp tất cả các thành phần trên sẽ cho phép tạo ra các thiết bị bù có phạm vi thay đổi liên tục các thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi đủ rộng (từ âm tới dương) theo mục đích sử dụng và đảm bảo

tính kinh tế

2.1.1 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR

2.1.1.1 Cấu tạo của TCR

Kháng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngược chiều nhau Nhờ có khả năng khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liên tục thông qua việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát xung điều khiển vào cực G mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh

Trang 31

L U

Hình 2.5: Cấu tạo của TCR

TCR được cấu tạo từ 4 phần tử chính sau:

- L: cuộn điện kháng chính

- LH: cuộn điện kháng hãm, có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện

- Thyristor: có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR

- Hệ thống điều khiển: Có chức năng điều khiển tín hiệu xung đến cực điều khiển của thyristor

Trang 32

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Iđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ

900 đến 1800 Tín hiệu này không phải là tín hiệu hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50Hz) Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc cắt α được biểu diễn như sau:

ITCR = I0.I(α) Trong đó:

min 0

K

dm

X

U

I  là dòng điện chạy qua TCR khi α = 900

XKmin là điện kháng của TCR khi α = 900 (thyristor dẫn hoàn toàn) Gọi góc cắt α0 xác định tại thời điểm t0 xuất hiện tín hiệu điều khiển xung vào cực điều khiển của thyristor

Hình 2.7: Dạng sóng của dòng điện qua TCR

Từ dạng tín hiệu của dòng điện chạy qua TCR, ta xây dựng hàm I(α) như sau:

)

cos(cos

0

)

cos(cos

)(

20

0

0 0

0

Dựa vào công thức khai triển Fuorier, khai triển hàm f(x) có chu kỳ T như sau:

Trang 33

) sin cos

( 2 ) (

1

0

t k b t k a

a x

T

0

2 cos ) (

T

x k x f T b

T

0

2sin)(

Mặt khác, ta có:

dx T

x k x f T b a

4 ,

nếu f(x) là hàm lẻ f(-x) = -f(x)

dx T

x k x f T a b

4,

nếu f(x) là hàm chẵn f(-x) = f(x)

Áp dụng khai triển cho hàm I(α) ta có:

Vì hàm I(α) là hàm số chẵn vì đồ thị của chúng đối xứng qua trục tung nên theo tính chất của khai triển Fuorier ta có:

dt t I

 0

24

ktdt t

0

.cos)

coscos(.cos)

coscos(

2cos

Trang 34

1 2 ( cos cos ).cos ( cos cos ).cos

0

.cos)

coscos(.cos)

coscos(

2cos

0

.cos.cos

cos.cos

1 ) )(

1 sin(

) 1

sin

cos sin

.2sin

1 )

)(

1 sin(

) 1 ( 2

1 ) )(

1 sin(

) 1 (

k k

2

1

2

0 0

sin1

1

k()

Trang 35

t

I TCR( )  m1(0) cos

Hàm 1(0)thay đổi liên tục từ 1 đến 0 khi góc cắt α0 thay đổi từ 900 đến 1800 Đây cũng là quan hệ của biên độ thành phần cơ bản của dòng điện chạy qua TCR theo góc cắt α0

Đặc tính điều chỉnh dòng điện theo góc cắt:

0.8 1

0 0.2 0.4 0.6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR

Bên cạnh thành phần cơ bản (k = 1), tín hiệu của dòng điện I chạy trong TCR bao gồm cả các thành phần bậc cao (sóng hài) như 3, 5, 7… các sóng này có dạng như sau:

Trang 36

10

5

0

Hình 2.9: Các thành phần sóng hài bậc cao trong TCR

Các sóng hài bậc cao có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống điện và chúng được loại bỏ nhờ các thiết bị lọc mắc song song với thiết bị bù Khi đó dòng điện trên hệ thống chỉ còn thành phần cơ bản

) (

) ( )

(

0 1 min 1

min 1

dm m

X

U X

U I

Từ biểu thức ta thấy, TCR như là một cuộn kháng có trị số XK thay đổi được:

)( 0

Trang 37

dòng điện bị ngắt đột ngột Các TSR được chế tạo nhằm phối hợp với TCR khi cần

có phạm vi điều chỉnh rộng cho CSPK

2.1.3 Tụ điện đóng cắt bằng thyristor TSC

2.1.3.1 Cấu tạo của TCR

C U

Hình 2.10: Cấu tạo của TSC

TSC được cấu tạo từ 3 phần chính sau:

Trang 38

Ta thấy TSC cũng có nguyên lý hoạt động giống như TSR Tuy nhiên có rất nhiều nội dung liên quan đến quá trình phóng nạp trên tụ điện khi đóng cắt mạch bằng thyristor nên thực tế người ta mắc thêm cuộn cảm LH nối tiếp với thyristor để hạn chế tốc độ phóng nạp cho tụ điện

2.1.4 Hệ thống điều khiển các van trong SVC

Trong hệ điều khiển có các khối:

Hình 2.12: Sơ đồ khối các khâu trong bộ điều khiển SVC

Các khâu cơ bản trong bộ điều khiển SVC bao gồm: Mạch đo lường, bộ điều chỉnh điện áp, bộ chỉ thị, bộ tuyến tính hóa, các mạch mồi TCR và TSC

+ Mạch đo lường (Measurement Systems): Đo các giá trị khác nhau: điện áp thanh cái đặt SVC, dòng điện chạy vào SVC, các thông số trên một số phần tử khác của hệ thống như dòng điện, công suất trên đường dây, góc pha điện áp giữa các thanh cái, tần số quay máy phát nhằm đưa ra các thông tin cho việc bảo vệ và điều khiển SVC

+ Bộ điều chỉnh điện áp (Voltage Regulator): Xử lý các biến hệ thống được đo lường và phát ra một tín hiệu đầu ra tương ứng tỷ lệ với công suất phản kháng cần bù Việc sử dụng các biến điều khiển và hàm truyền điều khiển khác của bộ điều chỉnh điện áp phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của SVC Các biến điều khiển đo được sẽ được so sánh với tín hiệu chuẩn Vref Tín hiệu sai số Ve nhận được đưa vào bộ biến

Trang 39

đổi Tín hiệu đầu ra Bref của bộ điều khiển sẽ được truyền tới mạch phát xung điều khiển các thyristor

+ Phát xung điều khiển (Gate – Pulse Generation): Khi tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới bộ phát xung (GPG) Góc mở α tương ứng được tạo ra để đóng mở các cho các thyristor, giá trị điện kháng sẽ được bơm vào hay giảm bớt, các biến hệ thống tương ứng được điều khiển tại nút đặt SVC

+ Hệ thống đồng bộ hóa (Synchronizing System): Phát ra các xung chuẩn đồng bộ với thành phần cơ bản của điện áp hệ thống

Các thành phần khác của bộ điều khiển có thể là bộ suy giảm dao động điện

cơ, bộ điều khiển chống thấp áp, bộ giới hạn quá áp, bộ giới hạn quá dòng của TCR Khi có các thành phần điều khiển này thì hệ thống điều khiển sẽ trở nên mạnh và

hiệu quả hơn Tuy nhiên, mức độ phức tạp của việc điều khiển sẽ tăng lên

2.2 Các đặc tính của SVC

2.2.1 Đặc tính điều chỉnh của SVC

Nguyên lý làm việc của SVC được đặc trưng bởi nguyên lý làm việc của phần

tử TCR Theo sơ đồ nguyên lý của TCR, TSC, TSR ta thấy khi thay đổi góc cắt α dẫn đến việc thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC

Hình 2.13: Đặc tính U-I của SVC

Trang 40

Do SVC kết hợp từ TCR, TSC, TSR mặc dù TSC, TSR điều chỉnh nhảy bậc nhưng SVC vẫn điều chỉnh liên tục trong quá trình điều khiển Các phần tử của SVC được nối vào mạng điện thông qua các van thyristor mà không dùng máy cắt Nhờ vậy mà SVC có tốc độ điều chỉnh rất cao (≤ 40ms), gần như không có thời gian quá

độ

2.2.2 Đặc tính làm việc của SVC

Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút Tín hiệu điều khiển là độ lệch giữa điện áp nút đặt SVC với điện áp đặt Tín hiệu này điều khiển góc mở của các thyristor làm thay đổi trị số hiệu dụng thành phần cơ bản của dòng điện đi qua TCR nhờ đó điều chỉnh được dòng công suất phản kháng của SVC Khi điện áp tăng, tác dụng của hệ thống điều chỉnh làm dòng điện qua SVC tăng, công suất phản kháng tiêu thụ tăng, điện áp nút được giảm xuống Ngược lại khi điện áp bị giảm thấp, dòng điện qua SVC giảm, công suất phản kháng tiêu thụ giảm hoặc một lượng công suất phản kháng nhất định được phát lên hệ thống, điện áp nút được nâng cao

Định dạng
Số trang	82
Dung lượng	1,83 MB