Ứng dụng thiết bị statcom để nâng cao ổn định hệ thống điện

• 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 điều khiển bằng thyristor có thể là phương pháp hiệu quả về kinh tế t

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

PHÙNG VĂN THÁI

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM

ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Kỹ Thuật Điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

GS TS LÃ VĂN ÚT

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản thuyết minh này do tôi thực hiện Các số liệu có trong thuyết minh và kết quả tính toán được tìm hiểu thông qua các tài liệu tham khảo

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 9

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 9

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10

IV BỐ CỤC LUẬN VĂN 10

CHƯƠNG 1: SỰ PHÁT TRIỂN, HÌNH THÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT VÀ GIỚI THIỆU CHUNG VỀ THIẾT BỊ FACTS 11

1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT 11

1.1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống điện 11

1.1.2 Sự hình thành hệ thống điện liên kết 11

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT FACTS 13

1.2.1 Cơ hội phát triển công nghệ FACTS 13

1.2.2 Điều khiển các thông số chính trên đường dây truyền tải điện xoay chiều 17

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 22 1.2.1 Các nguyên lý điều khiển sử dụng trong thiết bị điều khiển FACTS 22

1.3.2 Giới thiệu các thiết bị FACTS cơ bản trong hệ thống điện 24

1.3.3 Các lợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS: 37

1.4 KẾT LUẬN 42

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA STATCOM 44

2.1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠ BẢN CẤU TẠO NÊN STATCOM 44

2.1.1 Đi-ốt 44

2.1.2 GTO ( Gate – Turn – Off thyristor) – Thyristor có cổng điều khiển khóa 45

2.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP 48

2.2.1 Khái niệm cơ bản về bộ biến đổi nguồn áp (Voltage-Sourced-Converter: VSC) 48 2.2.2 Bộ biến đổi nguồn áp một pha sơ đồ cầu 50

2.2.3 Bộ biến đổi nguồn áp ba pha sơ đồ cầu 54

2.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA STATCOM TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 55

2.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của STATCOM 55

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM 55

2.3.3 Hiệu quả của STATCOM trong hệ thống điện 60

CHƯƠNG 3: KHAI THÁC PHẦN MỀM CONUS TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 66

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM CONUS 66

3.1.1 Giới thiệu giao diện 66

3.1.2 Chức năng chính của chương trình CONUS 76

3.2 MÔ HÌNH NGUỒN TRONG TÍNH TOÁN CĐXL 81

3.2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ trong các nhà máy điện 81

3.2.2 Mô hình TĐT 82

3.2.3 Mô hình TĐK 82

3.2.4 Mô hình máy phát điện đồng bộ trong tính toán phân tích hệ thống điện 82

3.3 MÔ HÌNH STATCOM TRONG TÍNH TOÁN HTĐ 83

3.3.1 STATCOM làm việc ở chế độ điều khiển siêu tĩnh 83

3.3.2 STATCOM làm việc ở chế độ điều khiển tĩnh 84

3.4 ỨNG DỤNG STATCOM TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HTĐ VIỆT NAM NĂM 2015 85

3.4.1 Hiện trạng lưới điện truyền tải 500kV Việt Nam 85

3.4.2 Các giả thiết trong tính toán phân tích ổn định HTĐ Việt Nam năm 2015 87

3.4.3 Kết quả tính toán bằng phần mềm CONUS 87

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 95

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

4 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

7 FACTS Flexible Alternating Current

Transmission Systems

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh

DANH MỤC CÁC BẢNG

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

Bảng 1.2: Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS

Bảng 1.3: Các ứng dụng trạng thái động của FACTS

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả hệ số dự trữ ổn định tĩnh khi tăng dung lượng của STATCOM

Phụ lục 1: Danh mục trạm biến áp 500kV xây dựng đến năm 2015

Phụ lục 2: Danh mục đường dây 500kV xây dựng đến năm 2015

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Trào lưu công suất trong hệ thống điện đơn giản

Hình 1.2 Điều khiển trào lưu công suất trên đường dây truyền tải

Hình 1.3 Bộ điều khiển nối tiếp

Hình 1.4 Bộ điều khiển song song

Hình 1.5 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

Hình 1.6 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

Hình 1.7 Cấu tạo chung của SVC

Hình 1.8 Cấu tạo của STATCOM

Hình 1.9 BESS

Hình 1.10: TCBR

Hình 1.11 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

Hình 1.12 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

Hình 1.13 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Hình 1.14 Cấu tạo chung của UPFC

Hình 1.15 Cấu tạo chung của TCPST

Hình 1.16: TCVL

Hình 1.17 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện áp vào đường dây

Hình 2.1 Điốt

Hình 2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của GTO

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi nguồn áp

Hình 2.4 Bộ biến đổi nguồn áp sơ đồ cầu 1 pha

Hình 2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của VSC 3 pha sơ đồ cầu

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý và thay thế của máy bù đồng bộ

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý của STATCOM

Hình 2.8 Các trường hợp làm việc của STATCOM

Hình 2.9 Đặc tính U - I của STATCOM

Hình 2.10 Sơ đồ khối điều khiển của STATCOM

Hình 2.11: Sơ đồ thay thế hệ thống điện đơn giản

Hình 2.12: Sự thay đổi điện áp tại nút thanh cái phụ tải khi có và không có STATCOM

Hình 2.13: Mối quan hệ giữa thời gian và điện áp tại nút đặt STATCOM khi xảy ra quá điện áp

Hình 2.14: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có STATCOM

Hình 3.1 Bảng số liệu nút

Hình 3.2 Bảng thông số đường dây

Hình 3.3 Bảng thông số đường dây siêu cao áp

Hình 3.4 Bảng số liệu nhánh máy biến áp

Hình 3.5 Bảng thông số máy biến áp

Hình 3.12 Màn hình kết quả phân tích độ nhậy

Hình 3.13 Cấu trúc máy phát (a) và mô hình TĐT (b) và TĐK (c)

Hình 3.14:Đồ thị véctơ dòng điện và điện áp của máy phát điện trong tính toán Hình 3.15 Đặc tính làm việc và sơ đồ tính toán STATCOM ở chế độ điều khiển siêu tĩnh

Hình 3.16 Đặc tính làm việc và sơ đồ tính toán STATCOM ở chế độ điều khiển tĩnh Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý và trào lưu công suất hệ thống điện Việt Nam năm 2015 trong chế độ làm việc bình thường cực đại

Hình 3.18: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi chưa lắp đặt STATCOM

Hình 3.19: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi có STATCOM (±100MVAr) tại nút thanh cái 220kV Hiệp Hòa

Hình 3.20: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi có STATCOM (±200MVAr) tại nút thanh cái 220kV Hiệp Hòa

Hình 3.21: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa dung lượng của STATCOM với K ôđ

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Xu hướng phát triển của hệ thống điện hiện đại là ngày càng lớn mạnh về quy mô và diện tích lãnh thổ để đáp ứng nhu cầu gia tăng của phụ tải Nền kinh tế phát triển mạnh mẽ đã thúc đẩy hệ thống điện cũng phải từng bước hiện đại hóa từ các khâu: Phát điện – truyền tải – phân phối đến các hộ tiêu thụ Chính vì lí do này

mà việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ mới vào các khâu chính của hệ thống điện làm giảm chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu, các kĩ sư điện trên toàn thế giới phát minh, ứng dụng rộng rãi các công nghệ tiên tiến Một trong những công nghệ đó là FACTS (Flexible Alternate Curent Transmission System): Công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

Trong quá trình toàn cầu hóa và hội nhập quốc tế, nền kinh tế nước ta đang trên đà phát triển mạnh mẽ, ứng dụng hiệu quả của khoa học công nghệ Hệ thống điện Việt Nam hình thành và phát triển ngày càng lớn mạnh về quy mô và chất lượng Sự xuất hiện đường dây 500 kV mạch 1 và mạch 2 đã đảm bảo liên kết giữa các miền, nâng cao dự trữ cho hệ thống Tuy nhiên sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải đã xảy ra vào giờ cao điểm phải sa thải lượng phụ tải khá lớn ảnh hưởng không nhỏ đến tình hình phát triển kinh tế và đời sống của nhân dân Việc nghiên cứu, ứng dụng những công nghệ hiện đại như sử dụng thiết bị FACTS hay truyền tải điện một chiều là một vấn đề đang đặt ra Với sự gia tăng của phụ tải lớn hơn nguồn cung cấp thì sự huy động nguồn trong các giờ cao điểm gặp rất nhiều khó khăn Một hướng nghiên cứu mới là áp dụng công nghệ mới vào hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn tới nhằm cải thiện phần nào chất lượng điện năng của hệ thống điện 500 kV là một đề tài nghiên cứu cần thiết

Từ các lý do trên đã cho thấy việc nghiên cứu, ứng dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện 500 kV là một đề tài cấp bách trong thực tiễn hệ thống điện Việt Nam đang thiếu nguồn điện trầm trọng Một trong những thiết bị FACTS quan trọng

là STATCOM

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

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

- Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện Việt Nam để nâng cao ổn định của hệ thống điện năm 2015

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tổng quan về nguyên lý cấu tạo và hoạt động của STATCOM

- Hiệu quả của việc ứng dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện siêu cao

áp

- Mô phỏng thiết bị STATCOM trong phần mềm CONUS tính toán phân tích

ổn định HTĐ

- Phân tích hiệu quả của STATCOM trong HTĐ Việt Nam năm 2015

IV BỐ CỤC LUẬN VĂN

Với phạm vi nghiên cứu trên, luận văn được bố cục thành 3 chương gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Sự phát triển, hình thành hệ thống điện liên kết và giới thiệu chung về công nghệ FACTS

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM

Chương 3: Khai thác phần mềm CONUS tính toán, phân tích ổn định hệ thống điện

Với hạn chế về năng lực cũng như thời gian, luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong được sự góp ý chân thành của tất cả các quý Thầy, Cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

1.1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống điện

Hệ thống điện trên thế giới được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển kinh tế Một nền kinh tế phát triển năng động cần phải có một hệ thống năng lượng đủ lớn để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng và phát triển kinh tế Trong hệ thống năng lượng thì điện năng đóng một vai trò quan trọng Nó là một dạng năng lượng trung gian để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, hóa năng, cơ năng Xu hướng phát triển của hệ thống điện không chỉ trải rộng trên lãnh thổ mà còn liên kết giữa các vùng, miền, nước và giữa các khu vực Hình thành các hệ thống điện đa quốc gia truyền tải luồng công suất lớn để đảm bảo

sự phát triển kinh tế - xã hội một cách hợp tác, các bên tham gia đều có lợi Trên thế giới hiện nay xuất hiện nhiều hệ thống điện liên kết do đó vấn đề ổn định hệ thống khi truyền tải công suất lớn là một vấn đề được đặt ra cho rất nhiều nhà nghiên cứu, các kĩ sư điện trên toàn thế giới Họ đã không ngừng phát triển các lý thuyết ổn định kinh điển để áp dụng cho hệ thống điện liên kết hiện đại – nơi là tập hợp của rất nhiều nguồn đa dạng, lưới điện phức tạp và yêu cầu cao của chất lượng điện năng

1.1.2 Sự hình thành hệ thống điện liên kết

Vốn đầu tư cho xây dựng hệ thống truyền tải điện là rất lớn và hệ thống điện truyền tải ngày nay ngày càng áp dụng nhiều công nghệ mới như công nghệ điện tử công suất, công nghệ vật liệu mới, công nghệ siêu dẫn, công nghệ thông tin, công nghệ viễn thông.v.v Vì vậy hệ thống điện truyền tải phải được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn nhất định để có thể kết nối giữa các khu vực, quốc gia Tuy nhiên vẫn còn

đó những đường dây truyền tải kém chất lượng thường xuyên làm việc quá tải trong giờ cao điểm hoặc xác xuất sự cố lớn dẫn tới độ tin cậy cung cấp điện thấp Xu

hướng phát triển của hệ thống điện truyền tải hiện nay là vừa phát triển hệ thống lưới truyền tải mới vừa ứng dụng công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt để giảm vốn đầu tư, tăng hiệu quả làm việc của hệ thống điện trong các giờ cao điểm

FACTS (Flexible AC Transmission System - hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt) là tên gọi chung của một loại thiết bị giờ đây đã trở thành quen thuộc đối với ngành truyền tải điện trên thế giới, vì đó là phương tiện linh hoạt để củng cố những vùng yếu của lưới điện Các thiết bị này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu hiện nay như bù công suất phản kháng, ổn định điện áp, điều chỉnh điện, ổn định quá trình quá độ Nhiều công ty điện lực tuy gặp những vấn đề về lưới điện nhưng lại rất khó khăn khi tiến hành những công trình lớn nhằm cải thiện lưới truyền tải của họ Xây dựng đường dây mới mất nhiều thời gian, đã vậy ở nhiều nước những dự án này thường vấp phải sự phản đối mãnh liệt của người dân địa phương do những dự án này chiếm một hành lang an toàn lưới điện khá lớn, vấn đề về từ trường xung quanh khu vực có đường dây truyền tải đi qua tiếp theo đó, lại còn vấn đề chi phí của dự

án Những công ty điện lực hoạt động trên thị trường phi điều tiết chịu sức ép ghê gớm buộc họ phải duy trì chi phí bảo dưỡng ở mức càng thấp càng tốt, xây dựng đường dây mới rõ ràng là phương án tốn kém Đối với các công ty điện lực, cải thiện lưới điện mà chỉ đơn thuần dựa vào việc tăng công suất nguồn hoặc củng cố đường dây truyền tải giờ đây không còn khả thi nữa Các đơn vị vận hành lưới truyền tải một khi không có quyền điều khiển công suất nguồn, lại ít tự do hơn trong việc điều hành cơ sở hạ tầng truyền tải, đương nhiên là họ sẽ phải tìm đến những công nghệ tiên tiến hơn để giải quyết các vấn đề về lưới điện Vì vậy, STATCOM (STATic synchronous COMpensator), cũng như các thiết bị FACTS khác, giờ đây thu hút sự quan tâm của các công ty điện lực đang khát khao tìm tòi những giải pháp hợp với túi tiền hơn cho các vấn đề về lưới điện

Một khía cạnh khác, như là việc xây dựng thêm nguồn điện và hệ thống lưới điện truyền tải đồng bộ sẽ làm cho vận hành trở nên phức tạp, chí phí lớn hơn Và

hệ thống có thể trở nên ít an toàn hơn trong thời kỳ thiếu điện Việc truyền tải một

trào lưu công suất lớn, sự tăng nhanh của công suất phản kháng trong một phần của

hệ thống điện có thể gây nên dao động công suất làm tan rã hệ thống

Hệ thống điện ngày nay mở rộng hơn và được điều khiển linh hoạt hơn Ở đó

có sử dụng rộng rãi kỹ thuật vi xử lý, máy tính điều khiển và thiết bị kết nối, truyền thông tốc độ cao cho điều khiển, tự động hóa và bảo vệ hệ thống điện; tuy nhiên khi những tín hiệu điều khiển được gửi tới mạch điện nơi mà thiết bị điều khiển cuối cùng là các thiết bị đóng cắt bằng hệ thống cơ khí Thì vấn đề đặt ra là với điều khiển thiết bị cơ khí là không thể được làm việc thường xuyên bởi vì các thiết bị này có xu hướng trở nên kém hiệu quả rất nhanh so với điều khiển các thiết bị tĩnh

Vì thế, việc phát triển các thiết bị tĩnh điều khiển linh hoạt là một hướng phát triển trong lĩnh vực truyền tải điện

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT FACTS

1.2.1 Cơ hội phát triển công nghệ FACTS

Sự gia tăng nhanh chóng của nhu cầu phụ tải đã đặt ra một vấn đề là phải xây dựng thêm hệ thống nguồn điện và đường dây truyền tải tới trung tâm phụ tải Hệ thống nguồn có thể là thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử, phong điện Tuy nhiên các nhà máy thủy điện thì lại được xây dựng bên cạnh các dòng sông có độ cao cột nước lớn, các nhà máy nhiệt điện thường được xây dựng gần các mỏ than,

mỏ khí, các nhà máy điện nguyên tử lại xây dựng xa trung tâm phụ tải vì vấn đề an toàn Bên cạnh đó, các trung tâm phụ tải thường là các khu trung tâm kinh tế lớn, các thành phố lớn, các khu công nghiệp lớn do đó việc đưa điện năng từ các nguồn điện đến các hộ tiêu thụ cần phải xây dựng các đường dây truyền tải dài vốn đầu tư lớn và trải dài trên diện tích Một hướng phát triển mới đó là trên cơ sở hệ thống điện cũ có thể hạn chế xây dựng thêm các nhà máy điện, đường dây truyền tải bằng cách sử dụng công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS giảm chi phí đầu tư và vận hành mà vẫn đáp ứng đủ nhu cầu của phụ tải

Một vấn đề khác của chất lượng điện năng là chất lượng điện áp Các công ty

truyền tải luồng công suất lớn: Lắp đặt dàn tụ bù song song cố định; Nâng cấp điện

áp hệ thống truyền tải khu vực từ 115 kV lên 230 kV; và áp dụng công nghệ FACTS Sử dụng tụ lắp song song cố định là giải pháp ít tốn kém nhất nhưng lại được coi là kém hiệu quả nhất nếu xét theo quan điểm vận hành Đúng vậy, đấu tụ song song để nâng điện áp hệ thống rất thích hợp cho việc chống lại ảnh hưởng của việc tăng phụ tải có thể dự đoán được hoặc theo cấp, nếu như có thể đóng các tụ điện đồng bộ với mức gia tăng phụ tải Tuy nhiên các tụ lắp song song cố định là ít đạt yêu cầu hơn khi phản ứng với các tình huống động, hoặc các nhiễu loạn ngoài

dự kiến, bởi lẽ những sự kiện đó bản thân chúng là không đoán trước được Không thể lắp vĩnh viễn các tụ đó vì như vậy sẽ dẫn đến những quá điện áp không thể chấp nhận được trong trường hợp không có nhiễu loạn do cần đến điện dung lớn Vì vậy giải pháp này được coi là không thích hợp Nâng hệ thống truyền tải địa phương từ

115 kV lên 230 kV cũng sớm được coi là không thích hợp bởi lẽ hệ thống này có khoảng cách cách điện trong không khí là không đủ để có thể nâng tiếp lên 230 kV Như vậy chỉ còn cách xây lại hoàn toàn đường dây trên không, mà theo cách này, không những chi phí sẽ là không hợp lý về góc độ kinh tế, mà thời gian cắt điện trong thời gian thay đường dây là đáng kể Phương án được lựa chọn là thực hiện giải pháp động dựa trên công nghệ FACTS, có sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất Đây là giải pháp đối với những điều kiện lưới điện bất lợi như các hệ thống lớn đã gặp, khi tình huống bất ngờ xảy ra cũng như trong thời gian đầy khó khăn liền ngay sau sự kiện, để đảm bảo đưa lưới điện trở về trạng thái làm việc bình thường, ổn định Người ta đã xác định được là cần có nguồn động công suất phản kháng được đưa vào mới có thể ổn định hệ thống truyền tải công suất lớn trong khoảng thời gian có nhiễu loạn Nguồn này có thể là thiết bị bù VAr tĩnh (static VAr compensator - SVC), dựa trên các các cuộn kháng điều khiển bằng tiristo (thyristor controlled ractor - TCR) và các tụ điện đóng cắt bằng tiristo (thyristor switched capacitor - TSC), hoặc bằng một công nghệ FACTS mới hơn, đó là thiết bị bù tĩnh đồng bộ mang tên STATCOM Phương án cuối cùng này được lựa chọn do có nhiều điểm ưu việt về kỹ thuật và kinh tế Ưu điểm chính của STATCOM so với SVC

truyền thống là khả năng phát ra dòng điện hoàn toàn điện dung ở điện áp cực thấp, điều mà SVC không thể làm nổi Một ưu thế khác giúp STATCOM giành thắng lợi trong cuộc cạnh tranh để được lựa chọn là kích thước gọn, tính năng sóng hài tốt, ít cần hoặc không cần phải lọc, đáp ứng động tốt hơn, chế độ quá độ tốt hơn, phát ít tiếng ồn hơn, và từ trường cũng thấp hơn Nhằm tiết kiệm chi phí, người ta chọn bộ STATCOM động với thông số danh định thấp hơn vì đó là thành phần khá đắt tiền,

và quyết định lắp đặt bộ STATCOM công suất phù hợp kết hợp với các bộ tụ điện

cố định tăng hiệu quả điều khiển công suất trong hệ thống điện

Ngoài ra trong các điều kiện đặc biệt khác người ta còn kết hợp hai thiết bị trên để có được các thiết bị FACTS phù hợp khác tùy theo yêu cầu điều chỉnh tại nút của hệ thống điện

Công nghệ FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là công nghệ truyền tải dòng công suất 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 Hệ thống điện có thể làm việc linh hoạt bằng các thay đổi trào

lưu công suất vẫn nằm trong giới hạn truyền tải của hệ thống

Để làm rõ vấn đề này có thể minh họa dưới đây một ví dụ về hệ thống điện đơn giản gồm 3 khu vực: xét hệ thống điện gồm 3 khu vực: A, B, C Trong đó: A, B là các nhà máy điện phát công suất tương ứng là 2000 MW, 1000 MW, C là trung tâm phụ tải lớn tiêu thụ công suất ( như hình 1.1 a)

Giới hạn truyền tải của các đường dây AB, BC, AC lần lượt là 1000 MW, 1250

MW, 2000 MW Trong điều kiện làm việc bình thường, công suất chảy qua các đường dây AB, BC, AC lần lượt là 100 MW, 1100 MW, 1900 MW ( như hình 1.1 b) Trong trường hợp sự cố 1 đường dây AC làm cho khả năng tải của đường dây

AC giảm xuống chỉ còn 1400 MW, khi đó công suất tải trên các đường dây AB, BC lần lượt là 600 MW, 1600 MW Dòng công suất chảy trên đường dây BC vượt quá khả năng tải gây quá tải đường dây BC Việc thay đổi phân bố trào lưu công suất trong hệ thống điện đã được xem xét các phương án khác nhau như thay đổi thông

số của đường dây truyền tải bằng tụ bù dọc cố định Tuy nhiên hiệu quả của các

thiết bị này chưa cao khi hệ thống làm việc trong các chế độ sự cố Ta hoàn toàn có

thể điều chỉnh linh hoạt các thông số của đường dây theo từng chế độ vận hành nhờ

các thiết bị điện tử công suất Từ bài toán trên đặt ra một hướng nghiên cứu mới là

ứng dụng công nghệ FACTS để điều khiển thông số của đường dây Nếu nối vào

đường dây AC một hệ thống tụ được điều khiển bằng các thyristor thì vấn đề này

được cải thiện và nó trở nên đơn giản Các đường dây không những không bị quá tải

mà còn đảm bảo cung cấp đủ công suất cho trung tâm phụ tải C ( hình 1.1 d) Một

vấn đề được đặt ra nếu hệ thống tụ điện trên được đóng, cắt bằng cơ khí thì khả

năng sẽ làm cho hệ thống máy phát tại nhà máy A, B mất đồng bộ Nguyên nhân

này là do quá trình quá độ khi đóng cắt tụ sẽ làm sai lệnh tần số từ 0,3 - 3 Hz Đối

với hệ thống máy phát làm việc với tần số đồng bộ 50 Hz thì độ lệch tần số trên là

khá lớn Đối với các hệ thống lớn có thể sẽ làm cho máy phát mất đồng bộ, dẫn đến

hiện tượng sụp đổ hệ thống Nếu toàn bộ hệ thống tụ hoặc một phần tụ được điều

khiển bằng các thiết bị điện tử công suất thì nguy cơ mất đồng bộ trên không có khả

năng xảy ra và có thể đưa toàn bộ hệ thống sang chế độ xác lập ở trạng thái ổn định

mới Đây cũng là ưu điểm chính của hệ thống điện sử dụng các thiết bị FACTS

2

1 A

2

1 A

Hình 1.1 Trào lưu công suất trong hệ thống điện đơn giản

a) HTĐ gồm 2 nhà máy điện A, B và trung tâm phụ tải C

b) Trào lưu công suất trong chế độ làm việc bình thường

c) Trào lưu công suất trong chế độ sự cố đường dây truyền tải AC

d) Trào lưu công suất trong chế độ sự cố đường dây truyền tải AC có sử dụng các thiết bị điều khiển FACTS

Công nghệ FACTS là công nghệ tiên tiến hiện nay có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt trào lưu công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện Các thiết bị thuộc họ FACTS có nhiều loại khác nhau song mỗi thiết bị lại có các thông số điều khiển khác nhau và có sơ đồ thay thế khác nhau để điều khiển trào lưu công suất tác dụng và phản kháng Để điều khiển công suất một cách có hiệu quả trong hệ thống điện, cần xem xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng truyền tải của lưới điện và xác định rõ hiệu quả đạt được khi áp dụng các thiết bị điều khiển FACTS

1.2.2 Điều khiển các thông số chính trên đường dây truyền tải điện xoay chiều

Chế độ xác lập của hệ thống điện xảy ra khi các thông số chế độ nằm trong phạm vi cho phép đảm bảo hệ thống làm việc ổn định khi có các kích động nhỏ Hệ thống điện là hệ thống xoay chiều ba pha nên các thông số luôn dao động xung quanh một vị trí xác lập Việc hiểu rõ các thông số hệ thống và thông số chế độ giúp

ta nắm vững cơ chế điều khiển của các thiết bị FACTS

Để làm rõ vấn đề này ta xét một hệ thống truyền tải điện xoay chiều đơn giản như hình 1.2:

E δ2 2

L δL E I

E

E 1

f) e)

2

.

1 2

I

2 1

.

.

.

δ

.I

2 1

.

.

.

δ

g)

Hình 1.2 Điều khiển trào lưu công suất trên đường dây truyền tải

a HTĐ đơn giản gồm: 2 NMĐ nối với nhau bằng đường dây truyền tải

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

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

d Đường cong công suất P với góc lệch δ trong các trường hợp điện

kháng X thay đổi

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

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

g Nguồn điện áp bơm vào dọc đường dây

Nút 1 và 2 là thanh cái của các trạm biến áp lớn hoặc được nối với các nguồn, để đơn giản giả thiết là 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 ứng và góc lệch là δ

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

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

hệ thống

Hình 1.2b và 1.2c 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

Giả thiết rằng, E1 và E2 là cường độ điện trường bên trong của 2 nguồn quy đổi

mô tả 2 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 δ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 1 là:

Iq1 = (E1- E2cosδ)/X

Bởi vậy công suất tác dụng tại đầu nút 1 là:

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

Q1 = E1(E1- E2cosδ)/X (1.1) Tương tự thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 2 là:

Ip2 = (E1sin δ)/X Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 2 là:

Iq2 = (E2- E1cosδ)/X Bởi vậy công suất tác dụng tại đầu nút 2 là:

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

Q2 = E2(E2- E1cosδ)/X (1.2)

P1 cũng như P2 đều bằng

P= E1E2sinδ/X (1.3)

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)

Hình 1.2d cho thấy công suất tác dụng tăng tới cực đại khi góc δ tăng tới 900 Sau đó công suất giảm tương ứng với góc δ tăng và công suất giảm đến 0 khi δ =

1800 Nếu không điều khiển với tốc độ cao các thông số như E1, E2, E1-E2, X và δ, 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 δ Đối với dòng công suất truyền tải, sự thay đổi X sẽ tương ứng với sự thay đổi góc lệch giữa điện áp hai điểm đầu và cuối của đường dây truyền tải

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

E1 hoặc E2 như trên hình 1.2e 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 là công suất tác dụng

Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp dọc đường dây Như trên hình 1.2f khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện (mà nó gần như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng 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 pha với điện áp đường dây (hình 1.2g) 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 Phương pháp sử dụng nguồn áp có ứng dụng quan trọng trong các thiết bị điều khiển FACTS

Với phân tích ở trên hình 1.2 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 bằng thyristor) để điều khiển dòng điện một cách hiệu quả

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

• Điều khiển góc lệch điện áp δ (ví dụ thiết bị điều chỉnh góc pha) là công cụ hữu 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 điện có thể làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện Đây là một phương pháp hữu ích trong việc điều khiển dòng điện đường dây và cả công suất tác dụng khi góc lệch điện áp không lớn

• Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và cùng góc lệch với véc tơ điện áp nút

có thể điều khiển được biên độ và góc của véc tơ dòng điện chạy trên đường dây Điều đó cho thấy rằng việc bơm một véc tơ điện áp cùng với góc lệch thay đổi có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng 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 điều khiển bằng thyristor) có thể là phương pháp hiệu quả về kinh tế trong việc điều khiển dòng công suất phản kháng qua đường dây truyền tải

• Tổ hợp điều chỉnh điện kháng đường dây với một thiết bị điều khiển dọc và điều chỉnh điện áp với một thiết bị điều chỉnh ngang cũng có thể đưa ra một phương pháp hiệu quả để điều khiển cả dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền tải giữa hai hệ thống

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

và ứng dụng chúng trong việc nâng cao khả năng truyền tải công suất trong HTĐ

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1 Các nguyên lý điều khiển sử dụng trong thiết bị điều khiển FACTS

Nói chung, các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia ra làm 4 loại 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

• Thiết bị điều khiển nối tiếp (hình 1.3): Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện, hoặc 1 nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp đưa vào 1 điện áp nối tiếp với đường dây Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1.3 Bộ điều khiển nối tiếp

• Thiết bị điều khiển song song (hình 1.4): Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị điều khiển song song có thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp các thiết bị này Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào Giống như thiết bị điều khiển nối tiếp, với điều kiện là dòng điện vuông pha với điện áp pha, thiết bị điều khiển song 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

Hình 1.4 Bộ điều khiển song song

• Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- nối tiếp (hình 1.5): có thể 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 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 bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường dây Cụm từ

“kết hợp” (unified) ở đây nghĩa là các đầu dc của tất cả các bộ chuyển đổi của bộ điều khiển đều được nối với nhau để truyền tải công suất tác dụng

Hình 1.5 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

• Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- song song (hình 1.6): là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều khiển theo 1 cách thức phối hợp

Về nguyên lý, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các bộ điều khiển nối tiếp

và song song được kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thông qua đường dẫn công suất

Hình 1.6 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

1.3.2 Giới thiệu các thiết bị FACTS cơ bản trong hệ thống điện

1.3.2.1 Bộ điều khiển song song (Bộ điều khiển ngang)

a SVC (Static Var Compensator) - Bộ bù tĩnh: là 1 máy phát hoặc bộ tiêu thụ điện tĩnh có thể thay đổi được, nối song song, mà công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung, để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

Hình 1.7 Cấu tạo chung của SVC

Đây là một thuật ngữ nói chung để chỉ các bộ (reactor hoặc capacitor) đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor (hình 1.7) SVC dựa trên thyristor không có cổng turn-off Nó bao gồm các thiết bị riêng lẻ cho mục đích thay đổi pha nhanh hơn hoặc chậm hơn, điện kháng được đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor dùng để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng mở bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng

Trong trường hợp chung, SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor)

TCR (Thyristor Controlled Reactor) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor: là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor (thiết bị kháng có tham

số được điều chỉnh trơn)

TCR là 1 tập con của SVC mà thời gian dẫn dòng, kéo theo dòng điện, trong cuộn kháng ngang, được điều khiển bằng khóa xoay chiều dựa trên thyristor có điều khiển góc đánh lửa (góc mở)

TSR (Thyristor Switched Reactor) – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor: là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, nối song song, mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

TSR được tạo ra từ các cuộn kháng mắc song song, có thể đóng và cắt bằng thyristor mà không điều khiển góc đánh lửa nhằm đạt được sự thay đổi dạng bậc thang trong công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống Việc sử dụng các khóa thyristor mà không điều khiển góc mở làm cho chi phí và tổn thất thấp, nhưng

không điều chỉnh trơn được

TSC (Thyristor Switched Capacitor) – Tụ đóng cắt bằng thyristor: là 1 tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách thay đổi độ dẫn dòng hoặc là không dẫn, hoặc là dẫn dòng hoàn toàn của van thyristor

TSC có các khóa xoay chiều dựa trên thyristor được sử dụng để đóng hoặc cắt (không điều chỉnh góc đánh lửa) cả bộ tụ song song, nhằm đạt được sự thay đổi bậc theo yêu cầu trong công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống Không giống như

bộ kháng ngang, bộ tụ ngang không thể đóng mở liên tục bằng cách điều khiển góc đánh lửa

Phối hợp 3 loại phần tử trên cho phép chế tạo được những kháng bù ngang thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi đủ rộng (dấu âm

và dương) với giá thành hạ

Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Ổn định điện áp trong những hệ thống khó điều chỉnh (có đường dây siêu cao

áp, phụ tải lớn thay đổi), nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao đáng kể

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

b STATCOM (STATic synchronous COMpensator)- Bộ bù đồng bộ tĩnh: được định nghĩa là một máy phát đồng bộ tĩnh hoạt động như 1 bộ bù tĩnh mắc song

song, dòng điện cảm hoặc dung có thể được điều khiển độc lập đối với điện áp hệ thống

Hình 1.8 Cấu tạo của STATCOM

STATCOM là một trong những loại bộ điều khiển FACTS quan trọng Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc nguồn dòng Xét về phương diện chi phí, bộ chuyển đổi điện nguồn áp được ưa chuộng hơn, và được nhắc đến nhiều hơn trong các bộ điều khiển FACTS vì lí do kinh tế

Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng công suất phản kháng theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho bộ chuyển đổi điện STATCOM có thể được thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài

STATCOM được định nghĩa ở trên là theo IEEE, là 1 tập hợp các bộ điều khiển nối song song bao gồm cả các nguồn công suất tác dụng hoặc nguồn dự trữ ở bên phía 1 chiều sao cho dòng điện bơm vào có thể chứa công suất tác dụng Những bộ điều khiển như vậy bao gồm:

SSG (Static Synchronous Generator) – Máy phát đồng bộ tĩnh: bộ chuyển đổi công suất có khóa tự đảo mạch tĩnh được cung cấp từ 1 nguồn năng lượng phù hợp

và hoạt động để sinh ra 1 tập hợp các điện áp đầu ra nhiều pha có thể điều chỉnh được, kết hợp cùng hệ thống điện xoay chiều cho mục đích trao đổi công suất tác dụng và phản kháng một cách độc lập

Rõ ràng là SSG là sự kết hợp của STATCOM và 1 nguồn năng lượng nào đó để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất Nói chung SSG được liên kết với bất kỳ một nguồn năng lượng nào đó bao gồm battery, tụ điện 1 chiều công suất lớn, các bộ đổi điện, chỉnh lưu khác, Người ta thường dùng giao diện điện tử hay còn gọi là

“chopper” (cái ngắt điện) đặt giữa nguồn năng lượng và bộ chuyển đổi điện Đối với

bộ chuyển đổi điện nguồn áp, nguồn năng lượng nạp điện cho tụ thông qua giao diện điện tử này và duy trì điện áp tụ điện theo yêu cầu

Trong định nghĩa SSG cũng bao gồm BESS (Hệ thống dự trữ năng lượng Battery), được định nghĩa như sau:

BESS (Battery Energy Storage System) - Hệ thống dự trữ

năng lượng acquy: Một hệ thống dự trữ năng lượng hóa học

sử dụng bộ chuyển đổi điện nguồn áp, nối song song có khả

năng điều chỉnh nhanh chóng lượng điện năng cung cấp hoặc

tiêu thụ từ hệ thống

Đối với ứng dụng truyền tải, kích cỡ của bộ dự trữ của

BESS có xu hướng nhỏ (hàng chục MWh) và nếu như công

suất bộ chuyển đổi điện đủ lớn, nó có thể phân phối công suất

tác dụng với tỉ lệ MW/MWh cho ổn định quá độ Bộ chuyển

đổi điện có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng trong khả năng dung lượng MVA của bộ chuyển đổi điện Khi không cung cấp công suất tác dụng cho hệ thống,

bộ chuyển đổi điện thường được sử dụng để nạp pin ở 1 tốc độ có thể chấp nhận được

Ngoài ra còn có một hệ thống con khác của SSG, phù hợp cho các ứng dụng truyền tải, là Dự trữ năng lượng từ siêu dẫn SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), được định nghĩa bởi IEEE như sau:

SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)- Bộ dự trữ năng lượng từ siêu dẫn: là 1 thiết bị dự trữ năng lượng điện từ siêu dẫn có chứa các bộ chuyển đổi điện điện tử, có khả năng bơm vào hoặc tiêu thụ công suất tác dụng, phản kháng

Hình 1.9 BESS

một cách nhanh chóng hoặc điều khiển động dòng công suất trong hệ thống điện xoay chiều

Vì dòng điện 1 chiều trong magnet không thay đổi nhanh chóng, năng lượng đầu vào hoặc đầu ra của magnet được thay đổi nhờ việc điều khiển điện áp 2 đầu magnet với giao diện điện tử để nối với STATCOM

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

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM để ổn định điện áp, nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại nút được bù

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố (ngắn mạch, mất tải đột ngột )

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

Ngoài ra STATCOM còn có các đặc điểm nổi trội so với SVC là:

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

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

- Ngoài ra khi trang bị thêm nguồn công suất tác dụng hoặc các thiết bị dự trữ năng lượng ở phía 1 chiều, STATCOM có thể trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng với hệ thống, do đó nâng cao khả năng ổn định động và chống dao động công suất

Những khái niệm khác của bộ điều khiển theo IEEE bao gồm:

SVG (Static Var Generator or Absorber) - bộ tiêu thụ hoặc máy phát tĩnh: là một thiết bị hoặc hệ thống điện, có khả năng lấy ra dòng điện dung hoặc cảm từ hệ thống điện và do đó phát hay tiêu thụ công suất phản kháng Nó thường chứa TCR và/hoặc TSC

SVG, theo định nghĩa của IEEE, thì đơn giản là 1 nguồn công suất phản kháng

mà, nếu điều khiển phù hợp, có thể chuyển đổi thành bộ bù ngang công suất phản kháng theo một mục đích cụ thể nào đó hoặc đa mục đích Vì thế cả SVC và STATCOM đều là các máy phát tĩnh được trang bị vòng điều khiển phù hợp để thay đổi đầu ra đáp ứng đối tượng bù cụ thể

SVS (Static Var System) – hệ thống thay đổi tĩnh: là sự kết hợp của các bộ bù có thể thay đổi có khóa đóng mở cơ khí tĩnh khác nhau và đầu ra được phối hợp

TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) – điện

trở hãm điều khiển bằng thyristor): là điện trở đóng cắt

bằng thyristor, mắc song song, có thể được điều khiển để

giúp ổn định của hệ thống điện hoặc làm giảm gia tốc

năng lượng của khối phát điện trong lúc có nhiễu

TCBR liên quan đến việc đóng mở theo từng chu kỳ

của điện trở (thường là điện trở tuyến tính) với 1 thiết bị

đóng cắt xoay chiều dựa trên thyristor và không điều

khiển góc đánh lửa Để chi phí thấp hơn,(Hình 1.10:

TCBR) TCBR có thể là các thyristor không có điều khiển góc đánh lửa, tuy nhiên với việc điều khiển góc đánh lửa theo từng nửa chu kỳ có thể làm giảm dao động tấn số thấp một cách có lựa chọn

1.3.2.2 Bộ điều khiển nối tiếp (Bộ điều khiển dọc)

a SSSC (Static Synchronous Series Compensator) – Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh:

là một máy phát đồng bộ không có nguồn năng lượng điện bên ngoài, hoạt động như một 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 SSSC có thể

chứa bộ dự trữ năng lượng hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng nhằm tăng cường khả năng ổn định động của hệ thống điện bằng cách bù thêm công suất tác dụng tức thời, để tăng hoặc giảm điện áp rơi trên đường dây

Hình 1.11 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

SSSC là một trong những bộ điều khiển FACTS quan trọng nhất Nó giống như STATCOM, nhưng khác là điện áp đầu ra ac nối tiếp với đường dây Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc bộ chuyển đổi điện nguồn dòng Thường điện áp nối tiếp đưa thêm vào là khá nhỏ so với điện áp đường dây, và cách điện đối với đất khá lớn 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 đổi điện kinh tế nhất Vì không có nguồn điện thêm ở ngoài, SSSC chỉ có thể đưa thêm vào 1 điện áp rơi thay đổi nhanh pha hơn hoặc chậm pha hơn so với dòng điện 1 góc 90 độ 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 khi sự cố, trừ khi bộ chuyển đổi được đi vòng qua một cách tạm thời trong khi có sự cố nghiêm trọng

Bộ dự trữ điện hoặc dự trữ từ siêu dẫn cũng có thể được nối với bộ điều khiển nối tiếp để đưa thêm vector điện áp với các góc pha khác nhau vào nối tiếp với đường dây

Chức năng chính của SSSC là:

- Điều chỉnh dòng điện

- Giới hạn dòng điện sự cố

- Giảm dao động công suất

- Nâng cao ổn định động và ổn định quá độ

- Ổn định điện áp

IPFC(Interline Power Flow Controller) – bộ điều khiển dòng công suất liên đường dây: đây là khái niệm mới được đưa ra, do đó chưa có định nghĩa theo IEEE Một định nghĩa có thể chấp nhận được như sau: IPFC là sự kết hợp của 2 hay nhiều SSSC, liên kết với nhau thông qua 1 dây dẫn 1 chiều chung để trao đổi dòng công suất tác dụng theo cả 2 chiều giữa các đầu ra của SSSCs, và được điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng cho sự điều chỉnh của dòng công suất tác dụng trên mỗi đường dây và duy trì phân phối dòng công suất phản kháng theo yêu cầu giữa các đường dây Cấu trúc của IPFC có thể bao gồm 1 STATCOM, kết hợp với 1 dây dc chung của IPFC, để cung cấp bù công suất phản kháng ngang và cung cấp hay tiêu thụ lượng công suất tác dụng thiếu hụt của các bộ SSSC

b TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) – Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song song với kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung cấp điện dung có thể điều chỉnh trơn

TCSC dựa trên thyristor không có khả năng gate turn-off Nó là 1 sự lựa chọn khác cho SSSC và cũng giống như SSSC, nó là 1 thiết bị FACTS quan trọng Một kháng điện có thể thay đổi điện kháng như TCR được nối song song với bộ tụ Khi góc đánh lửa của TCR là 180o, kháng điện sẽ không dẫn điện nữa và khi đó bộ tụ có điện kháng bình thường của nó Khi góc đánh lửa thay đổi từ 1800 về nhỏ hơn 1800, điện kháng dung sẽ tăng lên Khi góc đánh lửa là 900, kháng điện trở nên dẫn điện hoàn toàn, điện kháng tổng sẽ mang tính chất cảm, bởi vì điện kháng của kháng điện được thiết kế nhỏ hơn nhiều so với điện kháng của bộ tụ.Với góc đánh lửa là

900, TCSC có thể hạn chế dòng sự cố TCSC có thể là một khối lớn, đơn lẻ hoặc chứa vài tụ điện kích cỡ bằng hoặc khác nhau để có thể hoạt động mang lại hiệu quả tốt hơn

c TSSC (Thyristor- Switched Series Capacitor) - Tụ điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung chứa bộ tụ nối tiếp và bộ tụ này song song với 1 điện kháng đóng mở bằng thyristor để cung cấp sự điều khiển theo bậc cho điện kháng

Thay vì điều khiển trơn dung kháng, điện kháng của kháng điện khi góc đánh lửa

là 00 hoặc 900 (không điều chỉnh góc đánh lửa) có thể làm giảm chi phí và tổn thất cho bộ điều khiển Rất hợp lý khi sắp xếp một trong các module có điều khiển thyristor, trong khi các module khác thì chỉ đóng cắt thyristor

Hình 1.12 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

d TCSR (Thyristor- Controlled Series Reactor) – Điện kháng nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng điều khiển bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng 1 cách liên tục

Khi góc đánh lửa của TCR là 900, nó sẽ không dẫn điện, điện kháng không được điều khiển sẽ hoạt động như 1 bộ hạn chế dòng sự cố Khi góc đánh lửa giảm xuống dưới 900, điện kháng tổng sẽ giảm cho đến khi góc đánh lửa là 00, điện kháng tổng

là 2 điện kháng song song với nhau Cũng giống như TCSC, TCSR có thể là một khối lớn riêng lẻ hoặc một vài khối nhỏ hơn

e TSSR (Thyristor- Switched Series Reactor) – kháng điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor): là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng đóng cắt bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng theo bậc

Giống như TCSR, nhưng khóa thyristor chỉ đóng hoặc cắt (không có điều khiển góc đánh lửa)

Hình 1.13 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Các bộ điều khiển nối tiếp nói chung có các chức năng tương tự nhau, tuy nhiên mức độ điều khiển và điều chỉnh điện áp, dòng công suất, ổn định động, ổn định tĩnh là khác nhau tùy thuộc vào từng loại bộ điều khiển khác nhau Các chức năng chính đó là:

- Điều chỉnh dòng điện

- Giới hạn dòng điện sự cố

- Giảm dao động công suất

- Nâng cao ổn định động và ổn định quá độ

- Ổn định điện áp

1.3.2.3 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 1 dây dẫn dc chung, cho phép dòng công suất tác dụng theo cả 2 chiều giữa các đầu ra nối tiếp của SSSC và các đầu ra song song của STATCOM,

và được điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài UPFC, bằng cách đưa thêm vào điện áp nối tiếp một cách tự nhiên, có khả năng điều khiển, đồng thời hoặc có lựa chọn, điện áp đường dây truyền tải, điện kháng, góc pha, hoặc dòng công suất tác dụng, phản kháng chạy trên đường dây UPFC có thể cung cấp bù phản kháng ngang có điều khiển một cách độc lập

Hình 1.14 Cấu tạo chung của UPFC

Trong UPFC bao gồm STATCOM và 1 SSSC, công suất tác dụng cho khối nối tiếp (SSSC) đạt được từ chính đường dây thông qua khối song song STATCOM SSSC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng Đây là bộ điều khiển đầy đủ, có thể điều chỉnh được cả dòng công suất phản kháng và tác dụng, cũng như điện áp đường dây

Bộ dự trữ bổ sung như từ dẫn điện được nối với dây dc thông qua giao diện điện

tử sẽ cung cấp cách thức để tăng cường thêm hiệu quả của UPFC Như đã nhắc đến trong các phần trên, sự trao đổi dòng công suất tác dụng có điều khiển với nguồn bên ngoài, chẳng hạn như bộ dự trữ, hiệu quả hơn rất nhiều trong việc điều khiển động hệ thống hơn là chỉ điều biến sự trao đổi công suất trong cùng 1 hệ thống

Về chức năng, UPFC có các chức năng của STATCOM và SSSC, đó là:

- Điều khiển trào lưu công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù

- Tăng cường tính 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)- biến áp dịch chuyển pha điều khiển bằng thyristor: là 1 biến áp dịch pha được điều chỉnh bằng khóa thyristor để thay đổi góc pha một cách nhanh chóng

Hình 1.15 Cấu tạo chung của TCPST

Nói chung, dịch pha đạt được bằng cách thêm vector điện áp vuông góc nối tiếp với pha Vector này lấy từ 2 pha còn lại thông qua biến áp mắc ngang Điện 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)

TCPST có các chức năng giống như các bộ điều khiển FACTS khác, tuy nhiên, chức năng chính của nó là điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây,

và nó có khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao

1.3.2.4 Các bộ điều khiển khác

a TCVL (Thyristor- Controlled Voltage Limiter) – Bộ giới hạn điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là một biến trở oxit kim loại (MOV) được sử dụng để giới hạn điện

áp 2 đầu trong quá trình quá độ

Khóa đóng mở thyristor có thể được nối nối tiếp với

chống sét van không khe hở, hoặc như trên hình 1.16,

một phần của chống sét van không có khe hở (10-20%)

có thể được nối vòng qua 1 khóa thyristor để làm giảm

mức độ giới hạn điện áp Nói chung, MOV có ý nghĩa

quan trọng hơn so với chống sét van Hình 1.16: TCVL

thông thường, mục đích để TCVL có thể ngăn cản quá

điện áp động, nếu không có sự ngăn cản này thì quá điện áp động có thể diễn ra trong hàng chục chu kỳ

b TCVR (Thyristor- Controlled Voltage Regulator) – bộ điều chỉnh điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là 1 biến áp có thể cung cấp điện áp cùng pha với khả năng điều chỉnh trơn

Cho mục đích thực tế, thiết bị này có thể là biến áp thông thường với đầu điều chỉnh điều khiển bằng thyristor hoặc với bộ chuyển đổi điện điện áp xoay chiều sang xoay chiều điều khiển bằng thyristor để đưa thêm vào điện áp xoay chiều thay đổi được của cùng 1 phase nối tiếp với đường dây

Hình 1.17 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện áp

vào đường dây

1.3.3 Các lợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS:

Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và mang lại các hiệu quả khác nhau, nhưng các lợi ích cơ bản mà các thiết bị bù có điều khiển mang lại như sau:

- Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

- Tăng khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó, kể cả ngắn hạn hoặc theo mùa Điều này có thể thực hiện được bằng cách vượt qua các giới hạn khác, và phân chia công suất giữa các đường dây theo khả năng tải của chúng Cũng cần 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, động cơ

- Tạo mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa các công ty và các vùng lân cận vì thế

giảm yêu cầu ngược về phát điện tổng cho cả 2 phía

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

- Nâng cấp đường dây

- Giảm dòng công suất phản kháng, do đó cho phép đường dây mang được

công suất tác dụng lớn hơn

- Tăng khả năng sử dụng cho nhà máy có chi phí phát thấp nhất

Các lợi ích này có sự xếp chồng lên nhau Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS

sẽ mang 1 hoặc 2 chức năng chính trên

Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có đặc điểm

chung là nâng cao độ tin cậy trong vận hành HTĐ Tuy nhiên mỗi loại có sự khác

biệt 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

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

Ổn định quá độ

Ổn định động

Chống dao động công suất

- Các ứng dụng trạng thái xác lập và trạng thái động của FACTS:

Bảng 1.2 mô tả các ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào các vấn đề về giới

hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các dòng công suất vòng, mức ngắn mạch và cộng

hưởng đồng bộ

Bảng 1.3 mô tả các ứng dụng động trong việc giải quyết các vấn đề về ổn định quá độ, ổn định và điều khiển điện áp sau sự cố ngẫu nhiên Trong các tình huống

sự cố lớn có thể gây mất ổn định động thì cần đến các thiết bị FACTS Các giải pháp truyền thống thường rẻ hơn so với thiết bị FACTS nhưng bị giới hạn trong các ứng dụng ổn định động

Bảng 1.2: Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS

nhân

Giải pháp phục hồi Giải pháp truyền thống

Thiết bị FACTS Điện áp thấp

ở mức phụ tải cao

Cung cấp công suất phản kháng Tụ rẽ nhánh, tụ nối tiếp

SVC,TCSC STATCOM

Cung cấp công suất phản kháng

Đóng cắt đường dây EHV và/hoặc tụ rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM Điện áp cao

ở mức phụ tải thấp Hấp thụ công

suất phản kháng

Bổ sung thiết bị phản kháng, mắc rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM

Điện áp cao

kéo theo

Cung cấp công suất phản kháng

Chuyển mạch tụ, thiết bị kháng rẽ nhánh, tụ nối

tiếp

SVC STATCOM Điện áp thấp

và

Phối hợp 2 hay nhiều

thiết bị

TCSC, UPEC STATCOM, SVC

giới hạn quá tải

Bổ sung đường dây hoặc máy biến áp

TCSC,UPFC TCPAR

Quá tải đường dây

Bổ sung tụ, thiết bị

Điều chỉnh phản kháng nối tiếp

Bổ sung tụ/ thiết bị

Chia tải

đường dây

song song Điều chỉnh

Chia tải

sau sự cố

Sắp xếp lại mạng hoặc sử dụng các “ giới hạn nhiệt”

PAR, tụ/ thiết bị phản

nối tiếp

TCSC,UPFC SVC,TCPAR

Bổ sung thiết bị phản nối tiếp, máy cắt mới

SCCl,UPFC TCSC