Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thiết bị FACTS (SVC; TCSC) và ứng dụng trong hệ thống điện 220 KV miền bắc việt nam

GTO Gate Turn - Off Thyristor - Khoá đóng mở EPRI Electric Power Research Institute - Viện nghiên cứu năng lượng điện STAT COM Static Synchronous Compensator - Thiết bị bù ngang điều khi

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

-NGUYỄN HỮU THẮNG

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ FACTS (SVC, TCSC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 220KV –

MIỀN BẮC - VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

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

-NGUYỄN HỮU THẮNG

TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ FACTS (SVC, TCSC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 220KV –

MIỀN BẮC - VIỆT NAM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS ĐINH QUANG HUY

Hà Nội – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

TS Đinh Quang Huy Các kết quả tính toán trong luân văn chưa được công

bố trong bất kỳ bản luận văn nào khác

Hà nội, tháng 9 năm 2014

Học viên

Nguyễn Hữu Thắng

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT FACTS (FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEMS) 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ HỆ THỐNG VÀ CÁC GIỚI HẠN VỀ KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI TRUYỀN TẢI 2

1.3 KHÁI NIỆM VÀ CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN CỦA FACTS 8

1.3.1 Khái niệm về FACTS 8

1.3.2 Các thiết bị cơ bản của FACST 8

1.4 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ FACTS 9

1.4.1 Thiết bị bù ngang (Shunt Devices) 9

1.4.2 Thiết bị bù dọc (Series Devices) 11

1.4.3 Thiết bị bù dọc - dọc kết hợp IPFC (Interline Power Flow Controller) 13

1.4.4 Thiết bị bù dọc- ngang kết hợp 14

1.5 CHI PHÍ ĐẦU TƯ VÀ LỢI ÍCH CỦA FACTS 15

1.5.1 Chi phí đầu tư 15

1.5.2 Lợi ích của FACTS 16

1.6 SỰ PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS 18

1.7 KẾT LUẬN 19

CHƯƠNG 2 20

CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA 20

THIẾT BỊ FACTS(SVC, TCSC) 20

2.1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC 20

2.1.1 Các phần tử cơ bản 20

2.1.2 Cấu hình của SVC 31

2.2 MÔ HÌNH SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 33

2.3 ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HTĐ 36

2.3.1 Giữ ổn định điện áp tại nút đặt SVC 36

2.3.2 Nâng cao khả năng truyền tải trong hệ thống điện 37

2.4 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TCSC 38

2.4.1 Cấu tạo 38

2.4.2 Chế độ làm việc và đặc tính làm việc 40

2.5 MÔ HÌNH TCSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 42

2.6 ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ BÙ DỌC TCSC TRONG HTĐ 42

2.6.1 Thiết bị bù dọc trong việc truyền tải công suất 42

2.6.2 Thiết bị bù dọc nâng cao ổn định điện áp 44

2.7 KẾT LUẬN 45

CHƯƠNG 3 46

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ 46

FACTS (SVC, TCSC) TRONG LƯỚI ĐIỆN MẪU 12NÚT 46

3.1 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E 46

3.1.1 Tổng quan về phần mềm PSS/E 46

Giao diện chính của chương trình: như hình 3.2 47

3.1.2 Mô tả các phần tử trong PSS/E 47

3.1.3 Một số FILE của PSS/E 52

3.1.4 Các lệnh của PSS/E 54

3.1.5 Sử dụng PSS/E để tính toán 55

3.2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ FACTS (SVC; TCSC) TRONG LƯỚI ĐIỆN MẪU 12 NÚT 56

3.2.1 Giới thiệu về lưới điện 56

3.2.2 Tính toán, phân tích đánh giá hiệu quả của thiết bị SVC trong lưới điện mẫu 12 nút ở chế độ xác lập bằng phần mềm PSS/E 57

3.2.3 Tính toán, phân tích đánh giá hiệu quả của thiết bị TCSC trong lưới điện mẫu 12 nút ở chế độ xác lập bằng phần mềm PSS/E 60

3.3 KẾT LUẬN 62

HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ FACTS (SVC, TCSC) TRONG 64

LƯỚI ĐIỆN 220KV MIỀN BẮC - VIỆT NAM NĂM 2014 64

4.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỆN 220KV MIỀN BẮC – VIỆT NAM 64

4.1.1 Hiện trạng nguồn điện Miền Bắc 64

4.1.2 Hiện trạng lưới 220kV Miền Bắc 65

4.2 HIỆU QUẢ CỦA SVC TRONG HTĐ 220 KV MIỀN BẮC – VIỆT NAM NĂM 2014 65

4.2.2 Kết luận tính toán chế độ xác lập trước khi lắp đặt SVC 69

4.2.3 Kết quả tính toán CĐXL HTĐ Miền Bắc sau khi khi lắp đặt SVC 70

4.2.4 Kết luận tính toán chế độ xác lập sau khi lắp đặt SVC 74

4.3 HIỆU QUẢ CỦA TCSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN BẮC VIỆT NAM NĂM 2014 74

4.3.1 Kết quả tính toán chế độ xác lập của HTĐ mùa mưa và mùa khô khi chưa có thiết bị TCSC 74

4.3.3 Kết quả tính toán chế độ xác lập của HTĐ mùa mưa và mùa khô sau khi lắp đặt thiết bị TCSC 77

4.3.4 Kết luận tính toán chế độ xác lập sau khi lắp đặt TCSC 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

GTO Gate Turn - Off Thyristor - Khoá đóng mở

EPRI Electric Power Research Institute - Viện nghiên cứu năng lượng điện

STAT

COM

Static Synchronous Compensator - Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor

SVC Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor

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

SSG Static Synchronous Generator - Máy phát đồng bộ tĩnh

BESS Battery Energy Storage System - Hệ thống dự trữ năng lượng pin

SMES Superconducting Magnetic Energy Storage - Bộ dự trữ năng lượng từ cuộn cảm

siêu dẫn

SSSC Static Synchronous Series Compensator - Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor - Tụ bù dọc điều khiển bằng thyristor TSSC Thyristor-Switched Series Capacitor - Tụ bù dọc đóng cắt bằng Thyristor

TCSR Thyristor Controlled Series Reactor - Cuộn kháng dọc điều khiển bằng thyristor TSSR Thyristor-Switched Series Reactor - Cuộn kháng dọc đóng cắt bằng thyristor

IPFC Interline Power Flow Controller - Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất giữa

các đường dây

UPFC Unlfied Power Flow Controller - Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

TCPST Thyristor - Controlled Phase Shifting Transformer - Máy biến áp dịch chuyển

pha điều khiển bằng thyristor

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Ưu điểm của một số thiết bị FACTS 17 Bảng 1.2 Các trạng thái làm việc của hệ thống điện và ứng dụng của thiết bị FACTS 17 Bảng 3.1 Bảng quy đổi nậc máy biến áp 52 Bảng 3.2 Điện áp các nút tính toán ở chế độ xác lập trước và sau khi lắp đặt SVC 58 Bảng 3.3 Công suất phản kháng phát trước và sau khi lắp đặt SVC 59 Bảng 3.4 Tổn thất trên đường dây trước và sau khi lắp đặt SVC 59 Bảng 3.5 Kết quả tính toán công suất truyền tải trên các đường dây trước khi lắp đặt TCSC 61 Bảng 3.6 Kết quả tính toán công suất truyền tải trên các đường dây sau khi lắp đặt TCSC 61 Bảng 3.7 Điện áp các nút tính toán ở chế độ xác lập trước và sau khi lắp đặt TCSC 62 Bảng 4.1 Kết quả tính toán điện áp 220kV các nút trong chế độ xác lập của HTĐ Miền Bắc hai mùa mưa và khô khi chưa có thiết bị SVC ở 2 chế độ cao điểm và thấp điểm 65 Bảng 4.2 Kết quả tính toán điện áp 220kV các nút trong chế độ xác lập của HTĐ Miền Bắc hai mùa mưa và khô khi sau khi lắp thiết bị SVC ở 2 chế độ cao điểm và thấp điểm 70 Bảng 4.3 Trích từ phụ lục 16 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Miền Bắc mùa mưa HTĐ vận hành ở chế độ cao điểm 74 Bảng 4.4 Trích từ phụ lục 17 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Miền Bắc mùa mưa HTĐ vận hành ở chế độ thấp điểm 75 Bảng 4.5 Trích từ phụ lục 18 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Miền Bắc mùa khô HTĐ vận hành ở chế độ cao điểm 75 Bảng 4.6 Trích từ phụ lục 19 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Miền Bắc mùa khô HTĐ vận hành ở chế độ thấp điểm 75 Bảng 4.7 Trích từ phụ lục 24 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Hòa Bình – Xuân Mai và các đường dây lân cận 77

Bảng 4.8 Trích từ phụ lục 27 và 28 kết quả tính toán điện áp các nút 220kV của lưới điện miền bắc mùa mưa ở chế độ cao điểm trước và sau khi lắp đặt TCSC trên đường dây Hòa Bình – Xuân Mai và nút điện áp lân cận 78 Bảng 4.9 Trích từ phụ lục 25 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Ninh Bình – NM Hủa Na và các đường dây lân cận 78 Bảng 4.10 Trích từ phụ lục 26 kết quả tính toán trào lưu công suất trên các đường dây 220 kV Bắc Ninh - Hiệp Hòa và các đường dây lân cận 79

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Điều khiển công suất trên đường dây truyền tải điện xoay chiều 3

Hình 1.2 Các thiết bị cơ bản của FACTS 8

Hình 1.3 Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC 10

Hình 1.4.Mô hình bộ bù STATCOM 11

Hình 1.5 Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh SSSC 12

Hình1.6 Tụ dọc điều khiển bằng thyristor TCSC 12

Hình 1.7.Cuộn kháng dọc điều khiển bằng thyristor TCSR 13

Hình 1.8 Cấu tạo chung của UPFC 14

Hình 1.9 Máy biến áp dịch pha điều khiển bằng thyristor 15

Hình 2.1 Mô hình SVC tiêu biểu 20

Hình 2.2(a) Cấu tạo của TCR, (b) Điều khiển góc điều khiển, (c) Dạng sóng vận hành 21

Hình 2.3 Biến thiên biên độ các dòng điện thànhphần cơ bản qua TCR phụ thuộc góc mở 23

Hình 2.4 Đặc tính V-I của TCR và TSR 24

Hình 2.5 Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao TCR so với góc điều khiển α 25 Hình 2.6 Dạng sóng minh họa cho phương pháp điều khiển tuần tự để giảm sóng hài bằng hệ thống 4 TCR 26

Hình 2.7 Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dòng điện 27

Hình 2.8 Cấu tạo và dạng sóng vận hành 28

Hình 2.9 Dạng sóng minh họa quá trình đóng cắt không có quá trình quá độ của TSC 29

Hình 2.10 Đặc tính V-I của TSC 30

Hình 2.11 Máy phát biến đổi tĩnh kiểu FC – TCR và đặc tính công suất đầu ra 31

Hình 2.12 Máy phát công suất tĩnh loại TSC – TCR cơ bản và đặc tính công suất đầu ra của nó 32

Hình 2.13 Mô hình SVC trong HTĐ 34

Hình 2.14 Đặc tính V-I của SVC 34

Hình 2.15 Đồ thị biến thiên giới hạn ổn định điện áp khi tải và hệ số công suất tải

thay đổi khi chưa bù (a) và khi có bù (b) 36

Hình 2.16 Hệ thống truyền tải 1máy phát và nút cố định 37

(a) Khi không có SVC và (b) Khi có SVC 37

Hình 2.17 Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống 38

Hình 2.18 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý họat động của TCSC 39

Hình 2.19 Đặc tính điều chỉnh của TCSC 41

Hình 2.20 Mô hình tính toán của TCSC 42

Hình 2.21 (a) Hệ thống 2 máy phát với thiết bị bù dọc công suất phản kháng, (b) đồ thị véc tơ; (c) các đường cong công suất tác dụng và công suất phản kháng qua tụ bù dọc với góc lệch các đường cong công suất tác dụng và công suất phản kháng qua tụ bù dọc với góc lệch 43

Hình 2.22 Công suất truyền tải và giới hạn ổn định điện áp 45

Hình 3.1 Biểu tượng phần mềm PSS/E trên máy tính 46

Hình 3.2 Giao diện chính của chương trình PSS/E 47

Hình 3.3 Dữ liệu các nhánh trong PSS/E 48

Hình 3.4 Dữ liệu các phụ tải trong PSS/E 49

Hình 3.5 Dữ liệu các máy phát trong PSS/E 50

Hình 3.6 Dữ liệu các máy biến áp trong PSS/E 51

Bảng 3.1 Bảng quy đổi nậc máy biến áp 52

Hình 3.7 Hình ảnh FILE SLD 53

Hình 3.8 Màn hình chỉ các câu lệnh trong PSS/E 54

Hình 3.9 Sơ đồ khối tính toán 55

Hình 3.10 Mô hình lưới mẫu 12 nút 56

Hình 3.11 Mô hình lưới điện mẫu 12 nút khi lắp đặt SVC tại nút 8 57

Hình 3.12 Phân bố điện áp của lưới điên mẫu 12 nút trước và sau 58

Hình 3.13 Mô hình lưới điện mẫu 12 nút khi lắp đặt TCSC trên đường dây 6-7 60

Hình 4.1 Phân bố điện áp trên hệ thống 220kV Miền Bắc – Mùa mưa khi chưa lắp đặt SVC ở chế độ cao điểm và thấp điểm 67 Hình 4.2 Phân bố điện áp trên hệ thống 220kV Miền Bắc – Mùa khô khi chưa lắp

Hình 4.3.Phân bố điện áp các nút 220kV của lưới điện miền bắc mùa mưa ở chế độ cao điểm trước khi lắp đặt SVC và khi lắp đặt SVC tại Nam Định 71Hình 4.4 Phân bố điện áp các nút 220kV của lưới điện miền bắc mùa mưa ở chế độ thấp điểmkhi trước khi lắp đặt SVC và khi lắp đặt SVC tại Lào Cai 71Hình 4.5.Phân bố điện áp các nút 220 kV của lưới điện miền bắc mùa khô ở chế độ cao điểm trước khi lắp đặt SVC và khi lắp đặt SVC tại Nam Định 72Hình 4.6 Phân bố điện áp các nút 220kV của lưới điện miền bắc mùa khô ở chế độ thấp điểm trước khi lắp đặt SVC và khi lắp đặt SVC tại Lào Cai 73Hình4.7 Sơ đồ mạch vòng đường dây Nho Quan – Ba Chè – NMĐ Hủa Na – Ninh Bình 79

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống điện hiện đại là rất phức tạp và được kỳ vọng sẽ đáp ứng đủ các nhu cầu sử dụng điện đang tăng trưởng bất cứ nơi nào cần thiết với chất lượng và chi phí chấp nhận được Việc cơ cấu lại các nguồn điện đã làm tăng sự không chắc chắn trong vận hành hệ thống điện Các quy định hạn chế về việc mở rộng mạng điện truyền tải đã dẫn đến việc giảm đi tính ổn định và tăng nguy cơ mất điện Vấn

đề này có thể giải quyết được bằng các bộ điều khiển điện tử công suất cho việc điều chỉnh phân bố công suất và điện áp trong mạng điện truyền tải xoay chiều Điều này cho phép vận hành linh hoạt các mạng điện truyền tải, theo đó các thay đổi có thể được cung cấp một cách dễ dàng mà không gây ra bất cư một áp lực nặng

nề nào cho hệ thống điện Các hệ thống mà dựa trên các linh kiện điện tử công suất

và các thiết bị tĩnh khác cung cấp một khả năng kiểm soát phân bố công suất và điện áp được gọi chung là các bộ điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission Systems, FACTS)

Các bộ điều khiển điện tử công suất không chỉ được phục vụ cho việc điều chỉnh dòng công suất mà chúng còn có ý nghĩa khác trong việc cải thiện tính ổn định của hệ thống điện Công nghệ của các khóa đóng/cắt thyristor và các kỹ thuật điều khiển số đã được nghiên cứu để cho ra một thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh (Static Var Compensator, SVC) mà được sử dụng bù công suất phản kháng tại tải và điều chỉnh điện áp cho các đường dây truyền tải dài Năm 1988, Narain G.Hingorani đã giới thiệu các khái niệm của hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt bởi việc kết hợp các bộ điều khiển điện tử công suất để tăng cường khả năng truyền tải công suất cho các đường dây truyền tải xoay chiều đang tồn tại, cải thiện khả năng điều chỉnh điện áp cũng như an ninh của HTĐ mà không cần thêm các đường dây truyền tải mới Các bộ điều khiển của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt không phải là một thiết bị đơn lẻ mà nó là một loạt các bộ điều khiển như: SVC, TCSC, SPST, STATCOM, UPFC…

Sự ra đời của các thiết bị FACTS đã có ảnh hưởng và tác động lớn đến bài toán quy hoạch và vận hành hệ thống điện

Chính vì vậy, việc nghiên cứu, tính toán, phân tích đánh giá hiệu quả các thiết bị FACTS (SVC; TCSC) điều khiển điện áp, dòng công suất và các thông số chế độ trong quá trình vận hành hệ thống điện là một vấn đề rất cần thiết và cấp

bách và đây cũng chính là nội dung mà đề tài “Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của thiết bị FACTS (SVC; TCSC) và ứng dụng trong hệ thống điện 220 KV Miền Bắc - Việt Nam” hướng đến

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Mục đích nghiên cứu của đề tài này là phân tích, đánh giá vai trò và hiệu quả của các thiết bị FACTS (SVC; TCSC) trong HTĐ và ứng dụng cho hệ thống điện Miền Bắc – Việt Nam SVC để giữ điện áp ổn định tại nút và TCSC để nâng cao khả năng truyền lưới điện truyền tải

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các thiết bị FACTS và đi sâu vào nghiên cứu nguyên lý hoạt động của thiết bị FACTS (SVC; TCSC) và sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán, phân tích chế độ xác lập trong hệ thống

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Lưới điện mẫu 12 nút và hệ thống điện Miền Bắc – Việt Nam Năm 2014

3 Cấu trúc của luận văn

Bản luận văn được trình bày gồm gồm:

Chương 4 Hiệu quả của thiết bị FACTS (SVC; TCSC) trong lưới điện 220kV Miền Bắc – Việt Nam năm 2014

Kết luận và kiến nghị

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Các kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần đánh giá sự ổn định và nâng cao khả năng truyền tải của HTĐ và bước đầu cho thấy hiệu quả của thiết bị bù tĩnh

có điều khiển SVC và thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC trong các chế độ vận hành của hệ thống điện cũng như đề xuất các vị trí lắp đặt và công suất thiết bị bù thích hợp nhằm giữ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải của HTĐ Miền Bắc -Việt Nam

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đinh Quang Huy đã tận tình hướng dẫn tác giả xây dựng và hoàn thiện luận văn này Đồng thời xin gửi lời cảm ơn các anh trong Trung tâm điều độ điện lực quốc gia A0, các đồng nghiệp và bạn bè đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện

để tác giả hoàn thành bản luận văn này Vì thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu còn khá mới mẻ nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế Tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp

và các bạn bè để bản luận văn được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT FACTS (FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEMS)

1.1 GIỚI THIỆU

Công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào điện kháng đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, hay nói cách khác có sự giới hạn công suất trên đường dây truyền tải

Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng Điện áp dọc theo đường dây có thể được điều khiển bằng việc lắp cuộn kháng bù (ngang) song song, tụ điện bù (dọc) nối tiếp vào đường dây Góc truyền tải vào đường dây có thể điều khiển bằng việc thay đổi góc pha

Mỗi đường dây truyền tải được xem như có nhiều cuộn cảm mắc nối tiếp và nhiều tụ điện mắc song song Tổng của các giá trị cuộn cảm mắc nối tiếp dọc theo chiều dài đường dây quyết định đến điện áp và công suất cực đại truyền tải của đường dây Tổng của các giá trị tụ mắc song song với đường dây thì ảnh hưởng đến điện áp dọc theo đường dây truyền tải

Do nhu cầu ngày một gia tăng của phụ tải, thường đặt đường dây truyền tải cao áp vào những giới hạn vật lý của chúng (như giới hạn nhiệt, giới hạn về cách điện, …) và những nhiễu động trên hệ thống có thể làm mất ổn định hệ thống như

ổn định tĩnh, ổn định động, sụp đổ điện áp…Sự phục hồi trạng thái làm việc sau những nhiễu động này hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng dự trữ của hệ thống, nếu

hệ thống có độ dự trữ yếu thì dễ dẫn đến mất ổn định hệ thống, gây tan rã hệ thống Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng như trong các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt – FACTS, như tên gọi chung, là những thiết bị mới nhằm cải thiện các hệ thống truyền tải đó

Qua phân tích từ nguyên nhân ở trên ta thấy hệ thống rất dễ mất ổn định Từ

đó để tăng cường độ an toàn, độ ổn định cho hệ thống đòi hỏi hệ thống lưới điện phải hoạt động linh hoạt hơn, ngay cả trong những trường hợp bất ngờ và sự cố nghiêm trọng nhất Theo phương thức truyền thống thì tình trạng này thường được giải quyết theo 2 cách:

- Xây dựng thêm các nhà máy hay đường dây mới nhằm tăng thêm khả năng dự trữ của đường dây hiện có Tuy nhiên việc xây dựng mới các nhà máy hay đường dây

sẽ ngày càng gặp khó khăn nhiều hơn về lý do về tài chính, sự hạn chế về môi trường, pháp luật và các yếu tố xã hội

- Nâng cấp phương tiện, thiết bị truyền tải trên đường dây nhằm vận dụng hết khả năng truyền tải của những đường dây hiện có Ở cách này sẽ dễ dàng thực hiện hơn bởi cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ sẽ cho ra đời các linh kiện bán dẫn hay các linh kiện điện tử công suất lớn, cung cấp phương tiện điều khiển nhanh hơn, mềm hơn các thông số của hệ thống điện, từ đó có thể điều khiển trực tiếp đến dòng công suất truyền tải trên hệ thống một cách nhanh chóng và đồng thời

Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị điều khiển điện tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS ra đời vào cuối thập niên 1980 của Viện nghiên cứu năng lượng điện EPRI (the Electric Power Research Institute) đã giúp cho quá trình điều khiển công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng Mỹ, Canada, Brazil…là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải, các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCSC, STATCOM và UPFC

Để áp dụng các thiết bị FACTS trong hệ thống điện một cách có hiệu quả cần xem xét mối liên hệ giữa các thông số hệ thống và các giới hạn về khả năng truyền tải công suất trong lưới truyền tải

1.2 MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ HỆ THỐNG VÀ CÁC GIỚI HẠN VỀ KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT TRONG LƯỚI TRUYỀN TẢI

Xét hệ thống điện đơn giản về đường dây truyền tải trên hình 1.1 a

Hình 1.1 Điều khiển công suất trên đường dây truyền tải điện xoay chiều

E1 - E2

II

E1

E2 Điện áp bơm

(g) Nguồn điện áp bơm vào dọc theo

đường dây

E1 - E2

I E1

(e) Điều chỉnh biên độ điện áp làm

thay đổi công suất phản kháng

P max

90 180

P = (E1E2 sin )/X Công suất

(d) ) Các đường cong công suất với góc

lệch đối với điện kháng X khác nhau

E1 E1 sin E2 sin

(a) Sơ đồ hệ thống đơn giản (b) Đồ thị véc tơ khi dòng điện vuông

góc với điện áp rơi trên đường dây

δ2

(f) Điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện

đường dây làm thay đổi công suất tác dụng

Nút 1 và 2 là thanh cái của các trạm biến áp lớn hoặc được nối với các nguồn

để đơn giản ta giả thiết các nút có công suất vô cùng lớn Hai nút được nối với nhau thông qua một đường dây truyền tải chỉ có điện kháng X (bỏ qua điện trở và dung dẫn của đường dây)

E1 và E2 là biên độ của điện áp tại các nút tương đương và góc lệch là

EL là véc tơ điện áp giáng trên điện kháng X của đường dây

Biên độ dòng điện trên đường dây và lệch với EL góc 900

Hình 1.1 b và 1.1 c chỉ ra mối quan hệ theo đồ thị véc tơ giữa các dòng điện tác dụng và phản kháng cùng với mối liên hệ với điện áp tại hai điểm nút

Để truyền tải công suất từ nguồn đến các hộ tiêu thụ xét về mô hình toán học thì nó liên quan đến các thông số như sau:

Giả thiết rằng, E1 và E2 là suất điện động của 2 nguồn quy đổi mô tả hai hệ thống và điện kháng X bao gồm cả điện kháng bên trong của 2 nguồn Khi đó ta có:

Thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 1 là:

IP1= (E2sin )/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 1 là:

Iq1= (E1 - E2cos )/X Bởi vậy công suất tác dụng tại nút 1 là:

P1= E1(E2sin )/X Công suất phản kháng tại đầu nút 1 là:

Q1= E1 (E1 - E2cos )/X (1.1) Thành phần công suất tác dụng của dòng điện tại nút 2 là:

IP2= (E1sin )/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 2 là:

Iq2= (E2 – E1cos )/X Bởi vậy công suất tác dụng tại nút 2 là:

P2= E2(E1sin )/X Công suất phản kháng tại đầu nút 2 là:

Tất nhiên, P1 cũng như P2 đều bằng:

Vì đã giả thiết rằng không có tổn thất công suất tác dụng trên đường dây nên khi X thay đổi sẽ làm cho P, Q1, và Q2 thay đổi theo như (1.1), (1.2), (1.3)

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

áp E1 hoặc E2 như trên hình 1.1 e Tuy nhiên với sự thay đổi của E1 thì hiệu điện áp

E1 - E2 không thay đổi nhiều còn góc pha của nó thì thay đổi đáng kể Điều đó có nghĩa rằng, việc thay đổi điện áp E1 hoặc E2 có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản kháng hơn công suất tác dụng

Dòng điện và công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp dọc 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 điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng đến 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 phavới điện áp đường dây (hình 1.1g) Ta có thể thấy rằng với sự thay đổi biên độ

và góc pha của nguồn điện áp nối tiếp thì cả thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện cũng bị ảnh hưởng

Hình 1.1 d cho thấy công suất tác dụng tăng tới cực đại khi góc tăng tới

900 Sau đó công suất giảm tương ứng với góc tăng và công suất giảm đến 0 khi δ

=180 Nếu không điều khiển với tốc độ cao các thông số như E1, E2, E1 - E2, X, , đường dây truyền tải chỉ có thể được sử dụng tốt với góc dưới 900 Việc tăng và giảm X sẽ làm tăng và giảm độ cao của đặc tính công suất tác dụng theo góc lệch Đối với dòng công suất truyền tải, sự thay đổi X sẽ tương ứng với sự thay đổi góc góc lệch giữa điện áp hai điểm đầu và cuối của đường dây truyền tải Vậy để truyền tải công suất từ nguồn đến các hộ tiêu thụ đạt công suất lớn nhất nó phụ thuộc vào điện kháng X đường dây, suất điện động E1 và E2, góc giữa 2 suất điện động theo biểu thức (1.3)

Thế thì đường dây và máy biến áp đều phụ thuộc vào cách điện, vì vậy nó bị giới hạn về cách điện, giới hạn về nhiệt, giới hạn ổn định

Giới hạn nhiệt: Giới hạn nhiệt của một đường dây trên không 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 về 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 một loại dây khác có cấu trúc dây quấn thay đổi để có khả năng tải dòng điện lớn hơn Việc chuyển đổi các đường dây đơn thành các đường dây kép cũng là biện pháp để tăng khả năng tải của đường dây Các biện pháp trên có thể tăng được khả năng tải của đường dây tải điện nhưng cần phải có các biện pháp sử dụng hiệu quả và tận dụng khả năng này Việc ứng dụng các thiết bị FACTS sẽ giúp ích trong việc sử dụng hiệu quả khả năng tải của đường dây

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 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 Để đảm bảo các qua điện áp nằm trong các giới hạn cho phép, tăng đáng kể khả năng chịu quá điện áp trên đường dây và trong các trạm biến áp, có thể sử dụng các chống sét khe hở hiện đại, hoặc cách điện đường dây kết hợp với các chống sét khe

hở bên trong, hoặc các máy triệt quá điện áp điều khiển bằng thyristor hữu ích tại các trạm biến áp Công nghệ sử dụng các thiết bị FACTS cũng có thể được sử dụng

để đảm bảo quá điện áp cho phép và tăng cường khả năng truyền tải công suất

Giới hạn ổn định: Có một số các vấn đề về ổn định giới hạn khả năng truyền tải Chúng bao gồm:

Với phân tích ở trên hình 1.1 ta có thể thấy một vài điểm cơ bản của các thông số liên quan đến khả năng điều khiển dòng công suất:

- Có thể điều khiển điện kháng đường dây X (ví dụ dùng tụ bù dọc có điều khiển TCSC) để điều khiển dòng điện một cách hiệu quả

- Khi góc lệch điện áp giữa 2 nút không lớn (thông thường ở các đường dây truyền tải) thì việc điều khiển điện kháng X dùng để điều khiển dòng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

- Điều khiển góc lệch điện áp (ví dụ thiết bị điều chỉnh góc pha) là công cụ hiểu ích để điều khiển dòng điện và cả dòng công suất tác dụng trong trường hợp góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn

- Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và vuông góc với véc tơ dòng điên có thể làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện Đây là 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 phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và công suất phản kháng Điều đó yêu cầu nguồn bơm cả 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 thiết bị điều chỉnh điện áp 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 thiết bị điều khiển dọc và điều khiển điện áp với một thiết bị điều khiển ngang cũng có thể đưa ra một phương pháp hiệu quả để điều khiển cả công suất tác dụng và công suất phản kháng truyền tải giữa hai hệ thống

Vậy để điều khiển được các thông số của hệ thống ta tìm hiểu các thiết bị FACTS và để nâng cao khả năng tải của hệ thống thì ta đi sâu tìm hiểu thiết bị bù có điều khiển TCSC, để giữ ổn định điện áp trong hệ thống ta đi sâu tìm hiểu về thiết

bị bù tĩnh có điều khiển SVC

1.3 KHÁI NIỆM VÀ CÁC THIẾT BỊ CƠ BẢN CỦA FACTS

1.3.1 Khái niệm về FACTS

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

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 cácthiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng điều khiển và tăng khả năng truyền tải công suất

1.3.2 Các thiết bị cơ bản của FACST

Một số thiết bị cơ bản của FACTS được sắp xếp song song với các thiết bị thông thường nhằm thể hiện sự so sánh tương quan

Hình 1.2 Các thiết bị cơ bản của FACTS

Cột các thiết bị thông thường được chế tạo dựa trên những bộ phận cố định hoặc có thể đóng cắt bằng cơ khí như điện trở, điện cảm, điện dung và máy biến áp

Thiết bị thông thường

(Mang tính đóng cắt)

Thiết bị bù ngang (L, C)

Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

Thiết bị bù dọc (L, C)

UPFC/IPFC

nhƣng sử dụng thêm các van điện tử công suất hoặc các bộ biến đổi để đóng cắt các phần tử

Các bộ điều khiển FACTS dựa trên VSC có ƣu điểm hơn loại trở kháng thay đổi Ví dụ nhƣ STATCOM gọn nhẹ hơn so với SVC với cùng dung lƣợng và kỹ thuật cao cấp hơn Nó cung cấp dòng công suất phản kháng ngay cả khi điện áp thanh cái thấp quá giới hạn và có thể đƣợc thiết kế để chịu quá tải trong thời gian ngắn Ngoài ra STATCOM có thể cung cấp công suất tác dụng nếu có một nguồn cung cấp năng lƣợng tại ngay thiết bị đầu cuối của nó Các bộ điều khiển dựa trên nên tảng VSC yêu cầu sử dụng các thiết bị bán dẫn công suất chuyển mạch riêng nhƣ GTO, IGBT, IGCT Thyristor không có khả năng này và không thể sử dụng

chúng mặc dù có thể chịu đƣợc mức điện áp cao và rẻ hơn trong việc giảm tổn thất

1.4 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ FACTS

1.4.1 Thiết bị bù ngang (Shunt Devices)

Điểu hình cho các thiết bị bù ngang là SVC, STATCOM

1.4.1.1 Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC (Static Var Compensator)

SVC 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, đƣợc tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

- Thành phần điện kháng để tác động 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 nhƣ thyristor, các cửa đóng mở GTO Hệ thống điều khiển SVC dùng các bộ vi điều khiển nhƣ: 8051, PIC, VAR…

Hình 1.3 Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC

SVC được cấu tạo gồm các thành phần chính sau:

Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor):

Điện kháng của nó thay đổi liên tục (điều chỉnh trơn) bằng cách điều chỉnh góc mở

của các thyristor

Cuộn kháng đóng cắt 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

Tụ 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

Ngoài 3 phần tử cơ bản trên, SVC có thể 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

- Trào lưu công suất tại vị trí đặt được cải thiện

- 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

1.4.1.2 Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator)

STATCOM 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 của bộ bù STATCOM như hình 1.4

1.4.2 Thiết bị bù dọc (Series Devices)

Thiết bị bù dọc tác động lên độ ổn định và dòng công suất của đường dây thông qua việc tác động lên trở kháng đường dây Những thiết bị này được mắc nối tiếp với đường dây

Điểu hình cho các thiết bị bù dọc là: SSSC, TCSC, TSSC, TCSR, TSSR

1.4.2.1 Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator)

SSSC 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

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyristor

- Thành phần tụ điện được mắc nối tiếp với đường dây

Hình1.6 Tụ dọc điều khiển bằng thyristor TCSC

như TCR được nối song song với bộ tụ Khi góc mở của TCR bằng 1800, kháng điện sẽ không dẫn điện nữa và khi đó bộ tụ có điện kháng bình thường của nó Khi góc mở thay đổi từ 1800 về nhỏ hơn 1800

, tính dung kháng sẽ tăng lên Khi góc mở

là 900 điện kháng dẫn điện hoàn toàn, điện kháng tổng sẽ mang tính chất cảm Với góc mở là 900, TCSC có thể hạn chế dòng điện sự cố TCSC có thể là một khối lớn, 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

1.4.2.3 Tụ bù dọc đóng cắt bằng thyristor TSSC (Thyristor Switched Series Capacitor)

Bộ bù điện kháng điện kháng mang tính dung mà nó gồm 1 tụ dọc nối song song với cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor để điều khiển điện khángtheo cấp

1.4.2.4 Cuộn kháng dọc điều khiển bằng thyristor TCSR (Thyristor Controlled Series Reactor)

Một bộ bù cảm kháng bao gồm 1 cuộn kháng dọc nối song song với một cuộn kháng được điều khiển bằng thyristor để điều khiểncảm kháng một cách liên tục

Hình 1.7.Cuộn kháng dọc điều khiển bằng thyristor TCSR

1.4.2.5 Cuộn kháng dọc đóng cắt bằng thyristor TSSR (Thyristor Switched Series Reactor)

Bộ bù cảm kháng gồm 1 cuộn kháng dọc nối song song với 1 cuộn kháng đóng cắt điều khiển bằng thyristor để điều khiển theo cảm kháng theo cấp

1.4.3 Thiết bị bù dọc - dọc kết hợp IPFC (Interline Power Flow Controller)

IPFC Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất giữa các đường dây là sự kết hợp của hai hoặc nhiều hơn các bộ bù dọc đồng bộ tĩnh mà chúng được kết hợp lại qua 1 cầu nối DC chung để giảm nhẹ dòng công suất tác dụng hai chiều giữa các cực AC của SSSC và được điều khiển để bù công suất phản kháng độc lập với sự điều chỉnh dòng công suất tác dụng trong mỗi đường dây và duy trì sự phân phối công suất phản kháng trong các đường dây Cấu trúc của IPFC cũng có thể gồm 1 STATCOM, được ghép với cầu nối DC chung của IPFC, để bù công suất phản kháng song song và cung cấp hoặc hấp thụ toàn bộ sự thiết hụt công suất phản kháng của các SSSC kết hợp với nhau

1.4.4 Thiết bị bù dọc- ngang kết hợp

1.4.4.1 Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified Power Flow Controller)

UPFC là sự kết hợp của STATCOM và SSSC thông qua nguồn liên kết một chiều DC, 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 như hình 1.8

Hình 1.8 Cấu tạo chung của UPFC

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 đổi còn lại có thể vận hành điều khiển một cách độc lập

- 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

1.4.4.2 Máy biến áp dịch chuyển pha điều khiển bằng thyristor TCPST (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer)

TCPST là một biến áp dịch pha được điều chỉnh bằng các thyristor để thay đổi pha một cách nhanh chóng

Dịch chuyển pha có được bằng cách thêm 1 vec tơ điện áp thẳng góc nối nối tiếp với 1 pha Vectơ này bắt nguồn từ 2 pha khác qua các máy biến áp nối song song [hình 1.9] Điện áp nối tiếp vuông góc có thể thay đổi theo sự thay đổi của các điện tử công suất Bộ điều khiển này cũng được xem như bộ điều chỉnh góc pha điều khiển bằng thyristor TCPAR(ThyristorControlledPhaseAngleRegulator)

Hình 1.9 Máy biến áp dịch pha điều khiển bằng thyristor

Chức năng chính của TCPST:

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

- Điều chỉnh trào lưu công suất

1.5 CHI PHÍ ĐẦU TƯ VÀ LỢI ÍCH CỦA FACTS

1.5.1 Chi phí đầu tư

Chi phí đầu tư của các thiết bị FACTS có thể chia ra thành 2 loại:

1.5.1.1 Chi phí cho các thiết bị chính

Những chi phí này không chỉ phụ thuộc vào định mức lắp đặt mà còn phụ

thuộc vào các yêu cầu đặc biệt như:

- Độ dự phòng của hệ thống điều khiển và bảo vệ hay thậm chí những thành phần chủ yếu như các bộ kháng, tụ điện và máy biến áp

- Các điều kiện địa chấn

- Các điều kiện môi trường (ví dụ như nhiệt độ, mức độ ôi nhiễm)

- Liên lạc với hệ thống điều khiển trạm biến thế hay trung tâm điều khiển vùng hoặc Quốc gia

1.5.1.2 Các chi phí về cơ sở hạ tầng

Các chi phí này phụ thuộc vào vị trí lắp đặt trạm biến áp Đó là những chi phí như:

- Thu hồi đất đai, nếu trạm biến áp hiện có không có đủ diện tích

- Những thay đổi trong trạm biến áp hiện có

- Xây lắp một công trình cho các thiết bị trong nhà

- Các công việc dân dụng ở hiện trường (san ủi đất, tiêu thoát nước, vv…)

- Kết nối hệ thống thông tin liên lạc hiện tại với các thiết bị mới được lắp đặt

1.5.2 Lợi ích của FACTS

1.5.2.1 Lợi ích về mặt tài chính

Các lợi ích về mặt tài chính mà có thể dễ dàng tính được là:

- Mức bán hang gia tăng nhờ dung lượng truyền tải tăng

- Những chi phí công suất truyền tải do dung lượng truyền tải tăng

- Tránh hoặc trì hoãn các khoản đầu tư vào các đường dây truyền tải cao áp mới hoặc thậm chí là các nhà máy phát điện mới

1.5.2.2 Lợi ích về mặt kỹ thuật

Trong quá trình vận hành hệ thống thường tồn tại các tình trạng không bình thường có thể dẫn đến gây mất ổn định của hệ thống.Bảng 1.1 sau đây cho thấy được một số tình trạng vận hành không bình thường của hệ thống và cách giải quyết thông thường cũng như khi lựa chọn sử dụng thiết bị FACTS

So sánh ưu điểm về mặt kỹ thuật của một số thiết bị của FACTS có thể tóm tắt như bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1 Ưu điểm của một số thiết bị FACTS

Tên thiết bị

FACTS

Điều khiển dòng công suất

Điều khiển điện áp Đáp ứng tĩnh Đáp ứng động SVC

Bù tụ song song, bù

tụ nối tiếp

SVC,TCSC, STATCOM

Điện áp cao khi tải

nhẹ

Cắt bớt công suất kháng Cắt tụ

Đường dây hay máy

biến áp bị quá tải Giảm quá tải

Thêm mới đường dây hay máy biến áp

SVC, UPFC,

TCPAR

Bù trở kháng nối tiếp vào đường dây SVC, TCSC Ngắt dòng trên đường

dây song song

Giới hạn dòng điện tải

Mắc thêm trở kháng hay tụ nối tiếp UPFC, TCSC

Thêm tụ hay trở kháng nối tiếp UPFC, TCSC Điều chỉnh

góc pha Thêm bộ PAR UPFC, TCPAR Đảo chiều dòng công

suất trực tiếp Điều góc pha chỉnh PAR UPFC, TCPAR

Những lợi ích của việc sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống truyền tải điện có thể tóm tắt như sau:

Tốt hơn

- Tận dụng tốt hơn các thiết bị đã có trên hệ thống truyền tải

- Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

- Giảm được công suất phản kháng, vì vậy tăng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

- Giảm dao động hệ thống

- Tăng khả năng tải của đường dây gần đến giới hạn ổn định nhiệt

- Tăng đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất trên đường dây

- Cung cấp an toàn đường dây liên kết giữa các vùng, vì vậy giảm công suất dự phòng cho cả hai phía

- Gia tăng đáp ứng động và tính ổn định của hệ thống, giảm quá tải cục bộ trên các đường dây

- Gia tăng chất lượng điện cung cấp cho các tải công nghiệp, tải có tính chất quan trọng

- Lợi ích cho môi trường

1.6 SỰ PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS

Sự phát triển trong tương lai sẽ bao gồm việc phối hợp các thiết bị đã có sẵn hiện nay, ví dụ phối hợp một STATCOM với1 tụ TSC (Tụ chuyển mạch bằng thyristor) để mở rộng dãy hoạt động Ngoài ra, các hệ thống điều khiển tinh vi hơn

sẽ cải thiện đáng kể tầm hoạt động của thiết bị FACTS

Những phát triển trong công nghệ bán dẫn (ví dụ khả năng mang dòng cao hơn, các điện áp cản cao hơn) có thể làm giảm chi phí của các thiết bị FACTS và

mở rộng dãy hoạt động của chúng

Cuối cùng, những phát triển trong công nghệ bán dẫn sẽ mở của để phát triển cho các thiết bị mới như SCCL (Bộ hạn chế dòng siêu dẫn) và SMES (Lưu điện từ siêu dẫn)

1.7 KẾT LUẬN

Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS có ứng dụng rộng rãi trong việc nâng cao khả năng truyền tải, nâng cao mức độ ổn định tĩnh, ổn định động, ổn định điện áp và giảm các dao động trong hệ thống điện

Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo với nhiều loại khác nhau tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện Nhìn chung các thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị bù dọc, bù ngang và tổ hợp giữa chúng Các thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC chủ yếu sử dụng để điều khiển dòng điện cũng như dòng công suất trong hệ thống truyền tải Ngoài ra chúng còn được sử dụng để tăng cường mức độ ổn định và giảm dao động của hệ thống điện Các thiết bị bù ngang có điều khiển SVC chủ yếu sử dụng để điều khiển và giữ điện áp tại các điểm nút của hệ thống điện, ngoài ra còn có tác dụng bù công suất phản kháng, nâng cao

ổn định tĩnh và ổn định động, giảm các dao động của hệ thống

Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện Tại Việt Nam hiện nay việc áp dụng thiết bị FACTS còn nhiều hạn chế Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển hiện trạng liên kết lưới điện và tính toán các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích kinh tế mà thiết bị FACTS mang lại

Để nâng cao khả năng truyền tải công suất trong hệ thống điện thì tác giả đi sâu tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC Để giữ ổn định điện áp trong hệ thống điện thì tác giả đi sâu tìm hiểu cấu tạo

và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA

THIẾT BỊ FACTS(SVC, TCSC) 2.1 CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

SVC được xây dựng trên nhiều mô hình khác nhau Tuy nhiên mô hình cấu tạo chung của thiết bù ngang SVC như hình 2.1 đều từ các phần tử sau

Hình 2.1 Mô hình SVC tiêu biểu

Cấu tạo, sự điều khiển góc điều khiển cũng như dạng sóng vận hành được thể hiện trong sơ đồ hình 2.2.a, 2.2.b, 2.2.c

Máy biến áp ghép nối

Nút điện

áp thấp

Bộ lọc sóng hài TSCs

TCR

Nút điện

áp cao

Hình 2.2(a) Cấu tạo của TCR, (b) Điều khiển góc điều khiển, (c) Dạng sóng vận

hành

- Nguyên lý hoạt động

TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ sự thay đổi góc cắt α bằng các xung điều khiển tác động vào bộ van thyristor Việc thay đổi giá trị góc cắt này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCR

Dòng điện trong kháng điện có thể được điều khiển từ giá trị lớn nhất (thyristor đóng) tới 0 (thyristor mở) bằng cách điều khiển góc điều khiển Nghĩa là, việc đóng cắt thyristor bị trễ lại so với đỉnh của điện áp đưa vào trong mỗi nửa chu

kì và vì thế điều khiển được khoảng thời gian dẫn dòng Phương pháp điều khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm và dương của dòng điện trên hình 2.2 điện áp V và dòng điện cảm iL(α) khi góc trễ là 0 (khóa hoàn toàn đóng) và khi góc trễ bất kỳ

Khi van SW đóng ở đỉnh của điện áp và kết quả là dòng điện trong điện kháng sẽ giống như trạng thái xác lập với khóa đóng vĩnh viễn Khi đóng van

tương ứng với đỉnh của điện áp, dòng điện trong điện kháng có thể biểu diễn như sau:

Với v(t)=Vcos t thì L (2.1)

Vì van thyristor, theo định nghĩa, mở khi dòng điện qua 0 và vẫn dẫn dòng trong khoảng Biểu thức trên là ứng với nữa chu kỳ dương, còn đối với nửa chu kỳ âm thì dấu của các thành phần ngược lại

Trong công thức (2.1), thành phần là thành phần không đổi, phụ thuộc vào giá trị α mà dòng điện hình sin khi Vì van tự động đóng cắt khi dòng điện qua giá trị 0 (Với điện kháng không có tổn thất, đối xứng trên trục thời gian so với thời điểm mở qua đỉnh của dòng điện), quá trình này điều chỉnh khoảng thời gian dẫn dòng của thyristor Điều đó có nghĩa góc trễ α xác định góc dẫn dòng

Vì thế góc trễ α tăng, kết quả bù tăng tương ứng với góc dẫn của thyristor giảm Khi góc trễ bằng π/2, khả năng bù đạt giá trị lớn nhất là v/ωL và khi

đó cả góc dẫn dòng và dòng điện qua điện kháng đều bằng 0

Rõ ràng là biên độ của dòng điện trong điện kháng có thể thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc trễ từ giá trị lớn nhất khi α = 0 và giá trị nhỏ nhất bằng 0 khi bằng π/2 Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn ra 1 lần trong mỗi nữa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2 (khoảng thời gian đánh lửa)

Biên độ ILF(α) của thành phần dòng điện cơ bản iLF(α) có thể biểu thị hàm của góc như sau :

Trong đó V là biên độ của điện áp nguồn, L là điện cảm của điện kháng điều khiển bằng thyristor, ω là tần số góc của điện áp nguồn

Hình 2.3 Biến thiên biên độ các dòng điện thànhphần cơ bản qua TCR phụ

kỳ thời 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 2.3 Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế

Nếu khóa TCR bị giới hạn ở góc trễ cố định, thường α =0 thì nó sẽ trở thành TSR TSR tạo ra 1 điện dẫn cảm kháng cố định và do đó, khi được nối với hệ thống điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy qua nó sẽ tỉ lệ nghịch với điện áp nguồn Một vài TSR có thể tạo ra điện dẫn điều chỉnh được gián đoạn theo bậc Nếu TSR vận hành ở α =0 , dòng điện xác lập có dạng hình sin

Hình 2.4 Đặc tính V-I của TCR và TSR

VLmax= giới hạn điện áp

ILmax= giới dòng điện

BLmax= tổng dẫn cực đại của TCR

BL= tổng dẫn cuộn cảm

- Các hiệu ứng phụ

Điều khiển góc dẫn dòng (đặc tính vận hành của TCR) dẫn đến kết quả là dạng sóng của dòng điện không còn 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 biểu thị trong công thức sau:

(2.4)

Với n=2k+1, k=1,2,3,…

Ta biểu diễn biên độ của các thành phần dòng điện bậc cao của TCR so với góc như đồ thị hình 2.5

I3, I9 bị triệt tiêu trong hệ thống 3 pha cân bằng

I5, I7 bị triệt tiêu trong mạng

tổ hợp 12 xung TCR

Hình 2.5 Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao TCR so với góc điều khiển α

Trong hệ thống 3 pha, người ta sử dụng 3 bộ TCR 1 pha và nối tam giác, Trong điều kiện cân băng, dòng điện hài với bậc là bội của 3 chạy quẩn trong bộ TCR nối tam giác và không đi vào hệ thống điện

Một phương pháp đặc biệt thuận lợi cho các ứng dụng công suất cao, là nối song song mTCR, mỗi TCR chỉ cần công suất định mức bằng 1/m so với yêu cầu Các điện kháng được điều khiển tuần tự, nghĩa là chỉ 1 trong m thyristor được điều khiển, (m-1) van thyristor còn lại hoặc hoàn toàn “on” hoặc hoàn toàn “off”, tùy thuộc vào tổng công suất phản kháng theo yêu cầu, như minh họa trên hình 2.5 Theo cách này, biên độ của mọi sóng hài giảm theo hệ số m tương ứng với dòng điện cơ bản lớn nhất Hơn nữa, cách kết hợp này sẽ làm cho tổn thất nói chung nhỏ hơn so với TCR công suất tương ứng do giảm được tổn thất đóng cắt