Khảo sát phân bố công suất trong hệ thống điện có đường dây HVDC (1)

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC2.1 Phân tích hoạt động bộ biến đổi 2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng Hình 2.1 Mạch tương đương của mạch biến đổi ba pha toàn sóng Một mô hình

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG HVDC

2.1 Phân tích hoạt động bộ biến đổi

2.1.1 Mạch cầu 3 pha toàn sóng

Hình 2.1 Mạch tương đương của mạch biến đổi ba pha toàn sóng

Một mô hình cơ bản của hệ thống biến đổi HVDC là ba pha cầu toàn sóngđược mô tả như hình 2.1 Bộ biến đổi điện áp có cầu phân áp phía xoay chiều đểđiều khiển điện áp Cuộn dây phía thứ cấp (AC) của máy biến áp thường là kết nốisao với trung tính nối đất, phía van (thứ cấp) của máy biến áp thường là nối tamgiác hay sao không nối đất trung tính

Các giả thiết được đặt ra trong quá trình phân tích:

- Hệ thống AC, bao gồm máy biến đổi biến áp được biểu diễn bằng một nguồn

áp lý tưởng có điện áp, tần số không đổi nối tiếp với điện kháng tản máy biến áp

- Dòng điện không đổi và không gợn sóng do có cuộn kháng lọc cực lớn làmphẳng dòng về phía DC

- Các van đóng là lý tưởng có điện trở bằng không khi dẫn và vô cùng khikhông dẫn

Điện áp pha của nguồn điện áp:

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch cầu hình 2.1

a) Điện pha và điện áp dây của nguồn xoay chiều

b) Dòng điện qua các van và chu kỳ dẫn

c) Dòng điện qua pha a

Như sơ đồ mạch 2.1 các van thyristor có cực cathode 1, 3 và 5 nối với nhauphía trên Van thyristor 2, 4 và 6 nối với nhau phía dưới.

- Mỗi van dẫn 120º

- Khi dẫn dòng điện qua van là I d

- Dòng điện trong mỗi pha phía nguồn xoay chiều gồm các dòng điện chạyqua hai van có nối vào các pha đó

Dạng sóng được trình bày trong hình 2.2a cho thấy rằng van 1 dẫn khi ωt giữagóc -120º đến 0º, khi e a lớn hơn e bhoặc e c Van 2 dẫn -60º đến 60º khi này có xuhướng tăng dần độ lớn (bán kỳ âm) hơn e avà trong suốt chu kỳ này

Trong hình 2.2b cho thấy, thời gian dẫn của mỗi van, thời gian và biên độ củadòng điện trong chu kỳ dẫn đó Từ giả thiết, ta thấy dòng điện là thẳng và là mộthằng số không đổi trong mỗi van dẫn là I dvà bằng 0 khi không dẫn

Xét ví dụ trong khoản thời gian khi ωt là khoản 0º đến 120º Trước khi ωt = 0ºthì van 1 và 2 dẫn, sau khi ωt = 0º thì biên độ có xu hướng tăng dần lớn hơn (ở bán

kỳ dương) van 3 bắt đầu được kích (dẫn đến 120º), van 1 ngưng dẫn, van 2 và van 3tiếp tục dẫn Tại ωt = 60º, lớn hơn (bán kỳ âm) van 2 ngắt van 4 kích

Xét ωt = 120º đến 240º, lớn hơn , van 3 ngắt van 5 được kích (dẫn dến góc240º) Ở bán kỳ âm van 4 đang dẫn đến 180º, như vậy trong khoảng 120º đến 180ºvan 5 và van 4 đang cùng dẫn ở 2 bán kỳ Tại bán kỳ âm ωt = 180º van 4 ngưng dẫnvan 6 được kích (dẫn đến góc 300º) Ở ωt = 240º van 5 ngắt kết thúc một chu kỳ.Như vậy, trong mỗi chu kỳ mỗi van dẫn trong một khoản 120º Ở hình 2.2ccho thấy dòng điện pha a của nguồn xoay chiều (trong cuộn dây nối nguồn xoaychiều) của máy biến áp

Điện áp DC trung bình:

Điện áp tức thời DC trên toàn cầu (giữa cathode của hàng van trên và anodehàng van dưới) là gồm phân đoạn góc dẫn 60º Vì vậy, điện áp DC trung bình đượctính bởi tổng các giá trị tức thời trong góc dẫn 60º

Vậy xem xét từ góc dẫn ωt = -60º đến 0º, được cho bởi phương trình:

Với E m là trị số đỉnh của điện áp.

Đương nhiên ta cũng tính được điện áp hiệu dụng của pha và điện áp dây hiệudụng:

LN LN

Gọi α là góc kích trễ tương ứng với thời gian trễ

ω

α

giây, góc trễ giới hạn bằng180º

Giả sử, van 3 được kích dẫn khi ωt = α thay vì ωt = 0º, van 4 sẽ dẫn khi ωt =

α + 60º thay vì 60º, van 5 sẽ dẫn khi góc kích là ωt = α + 120º và tiếp tục như vậy,được mô tả trong hình 2.3

Điện áp trung bình khi có góc kích trễ α:

π

θπ

α α

α α

d E

d e

60 60

30cos.333

0 0

θθ

α

α

coscos

30sin2

30sin

30sin

30cos3

0

0 0

0 0

0 0

60

0

0

d d

d

d d

d

V V

V

V d V

=+

Trong khi α có thể thay đổi từ 0° đến 180°, cosα thay đổi từ 1 đến -1 Do đó,

có thể thay đổi từ V 0 đến âm (< 0) tương ứng chế độ nghịch lưu

2.1.3 Mối quan hệ giữa dòng điện và pha

Khi góc kích trễ α tăng, góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện xoay chiềucũng thay đổi Điều này được minh họa qua hình 2.4 đối với pha a

Dạng sóng dòng điện xoay chiều bao gồm nhiều xung hình chữ nhật tươngứng với dòng điện qua các van 1 và 4

Dòng điện một chiều I dlà một hằng số Trong khi mỗi van dẫn trong một chu

kỳ dẫn 120° điện, dòng xoay chiều của đường dây xuất hiện với xung hình chữ nhật

Hình 2.4 Sự thay đổi góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện theo góc kích trễ α

Các thành phần cơ bản của dòng điện xoay chiều có thể được xác định bằngcách phân tích Fourier của dạng sóng dòng điện thể hiện bởi hình 2.5.

Hình 2.5 Dạng sóng dòng điệnTrị số đỉnh của thành phần tần số của dòng điện xoay chiều đường dây:

d d

ϕ

63cos

6.3

E

Suy ra: cosφ = cosα

Bộ biến đổi hoạt động như một thiết bị biến đổi dòng xoay chiều ra một chiều(hay ngược lại) sao cho tỷ số dòng điện không đổi trong khi tỉ số điện áp thay đổitùy theo góc kích

2.1.4 Ảnh hưởng của góc chồng chập chuyển mạch

Do điện cảm của nguồn điện xoay chiều, dòng điện trong các pha có thể thayđổi tức thời Sự chuyển tiếp của dòng điện từ pha này sang pha khác đòi hỏi phải cómột thời gian nhất định gọi là thời gian chuyển mạch hay thời gian chồng chậpmạch Góc chuyển mạch hay góc chồng chập được ký hiệu là μ

Trong quá trình vận hành bình thường, góc chồng chập nhỏ hơn 60°, trị số tiêubiểu lúc đầy tải nằm trong giới hạn 15° đến 25° Với 0° < μ < 60°, trong thời gianchuyển mạch có ba van dẫn đồng thời, tuy vậy giữa các lần chuyển mạch chỉ có haivan dẫn Mỗi lần chuyển mạch bắt đầu ở mỗi góc 60° và kéo dài một góc là μ Do

đó, góc khi hai van dẫn điện với góc kích trể α = 0° là 60° - μ Trong mỗi giai đoạnchuyển mạch, dòng điện trong các van được đưa vào dẫn điện được tăng từ 0 đến ,trong khi dòng điện trong van sắp ngưng dẫn sẽ giảm từ về 0 Sự chuyển mạch bắtđầu khi ωt = α + μ = δ, δ gọi là góc tắt, thể hiện ở hình 2.6

Hình 2.6 Ảnh hưởng của góc chồng chập trong chu kỳ dẫn của van

Nếu trong một chế độ bất thường, 60° < μ < 120° hoạt động xảy ra với van 3

và van 4 dẫn Ở đây chúng ta chỉ xem xét với chế độ bình thường góc μ < 60° Tại thời điểm bắt đầu chuyển mạch: ωt = α + μ = δ, i1 = I d và

Tại thời điểm kết thúc chuyển mạch: ωt = α + μ = δ, i3 =I d và

Phân tích ảnh hưởng của góc chồng chập xảy ra ở van 1 và 3 Ở hình 2.7 chothấy thời gian dẫn của van

Hình 2.7 Thời gian (góc) dẫn của van với góc kích trễ

Hình 2.8 Mạch tương đương trong thời gian chuyển mạchLưu ý: Các van không dẫn không được thể hiện trên hình vẽ

Trong thời gian chuyển mạch, van 1, 2 và 3 dẫn và và tác động của mạch bộchuyển đổi được mô tả như hình vẽ 2.8, từ hình vẽ ta thấy rằng vòng lặp chứa van 1

và 3, chúng ta có:

dt

d L dt

d L e

C

i C a

d L t E

t E

e e

C

i C m

m a

e

C m

a

b − = 3 sinω =2 3 (2.6.1)

t L

E dt

di

c

msinω2

3

Lấy tích phân hai vế theo t, tương ứng trong thời gian chuyển mạch với giớihạn trên và dưới, ωt = α hoặc t = α/ω.

di

ω α

ωsin2

.33

0 3

Cân bằng phương trình trên ta được:

L

E i

2

.3

S C

L

E

=ω

Ta được: i3 =I S2(cosα −cosωt) (2.7.2)

Sự suy giảm điện áp do góc chồng chập chuyển mạch:

Hình 2.9 Dòng điện van trong chuyển mạch liên quan đến điện áp chuyển mạch

Trong hình 2.9 cho thấy dòng điện trong thời gian chuyển mạch là một phân

đoạn của dòng điện hình sin và có giá trị đỉnh là

C

m S

L

E I

ω2

3

2 = Dạng sóng của đoạnnày là một hàm của góc điều khiển α Do đó, góc điều khiển phù thuộc vào I d, vàα

Trong suốt quá trình chuyển mạch:

dt

di L e v

e e dt

d

Do đó:

22

b a a b b b a

e e e e e v

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp ảnh hưởng của sự chồng chập mạch

từ van 1 đến van 3

Do sự chồng chập, điện áp ở thiết bị cuối PtP (thể hiện trong hình 2.8), ngay

sau khi ωt = α để đạt được ( )

ảnh hưởng của sự chồng chập được đo bởi trừ đi vùng điện áp từ , cho mỗi góc 60°(π/3 rad).

θθθ

α

δ α

2

32

E d

e e d e e e A

Tương ứng điện áp trung bình (do chồng chập) được cho bởi:

π

333

V E

c

ωα

L I E

23

Thế vào phương trình (2.8) ta được:

c d

Với sự chồng chập chuyển mạch và góc kích trễ, việc giảm điện áp một chiều

là biểu diễn cho vùng và ; điện áp một chiều cho bởi phương trình:

d c d

d d

V = 0cosα −∆ = 0cosα − (2.10)Khi đó:

c c

R

π

ωπ

2.1.5 Chế độ chỉnh lưu

Hình 2.11 Mạch tương đương của mạch cầu chỉnh lưuMạch tương đương của chỉnh lưu cầu dựa trên phân tích được thể hiện bởihình vẽ 2.11 Điện áp một chiều và dòng điện trong mạch tương đương là các giá trịtrung bình Điện áp nội bên trong là hàm theo góc trễ α Góc chồng chập μ khôngđược thể hiện trong mạch tương đương, tác dụng chồng chập mạch lúc chuyểnmạch được biểu diễn qua trung gian của điện trở Dạng sóng điện áp và dòng điệnthể hiện trên hình 2.12a

Hình 2.12a Ảnh hưởng của chồng chập làm suy giảm từ 90° xuống 90°- μ/2

2.1.6 Chế độ nghịch lưu

Hình 2.12b Dạng sóng điện áp và chu kỳ dẫn của van

ở chế độ làm việc của bộ nghịch lưuNếu không có chồng chập, điện áp một chiều V d =V 0cosα, bắt đầu đổi dấu

khi α > 90°, với ảnh hưởng của chồng chập (hình 2.12b):

d d

cos2

d d

V V

Thoạt nhìn, điều đó lấy làm lạ là làm góc kích cho đến khi điện áp thực tế trênanode trở nên âm Tuy nhiên, chúng ta có thể thấy sự chuyển mạch vẫn có thể xảy

ra miễn là điện áp chuyển mạch đặt lên van 1 và 3 là e ba =e b −e a là dương và miễn

là van rời khỏi có được điện áp ngược đặt lên nó sau khi tắt

Do các van chỉ dẫn theo một chiều, dòng điện trong bộ biến đổi không thể đảongược được Việc đổi dấu của điện áp dẫn đến đảo chiều công suất Điện áp xoaychiều phải tồn tại bên sơ cấp của máy biến áp (phía đấu nối xoay chiều) trong chế

độ nghịch lưu Điện áp một chiều của nghịch lưu có khuynh hướng chống lại dòngđiện như trong động cơ một chiều gọi là sức phản điện

Sự thành công của mạch chuyển đổi là sự chuyển đổi từ van rời khỏi đến vanvào phải được hoàn thành trước khi điện áp chuyển mạch trở thành âm Ví dụ sựchuyển mạch giữa van 1 và van 3, ta thấy khi điện áp lớn hơn và ngược lại

Đối với chế độ chỉnh lưu, các góc được sử dụng như sau:

α: Góc kích trễμ: Góc chồng chập

áp chuyển mạch bằng không (tức đối với van 1 và 3) và đang suy giảm (hình 2.13)

Vì cosα =−cosβ và cosδ =−cosγ , từ phương trình (2.9) và (2.12) có thể viết

lại với γ và β như sau:

Hoặc:

d c d

Hình 2.13 Các góc ở chế độ chỉnh lưu và nghịch lưu

Dựa vào các phương trình trên bộ biến đổi có thể biểu diễn bởi hai sơ đồ mạchtương đương như hình 2.14a,b như sau:

Hình 2.14 Sơ đồ mạch tương đương của bộ biến đổi

2.1.7 Mối quan hệ giữa các đại lượng một chiều và xoay chiều

Từ phương trình (2.12), điện áp trung bình một chiều cho bởi:

2

coscos

0

δα

2

coscos

.63cos

6cos

1

δ

απ

1

δα

2

coscos

(2.22.1)Đối với nghịch lưu:

( )

2

coscos

2

coscos

(2.22.2)

Từ sự gần đúng này phương trình (2.17.1) trở thành:

ϕcos

d

d c

V

I R

2.1.8 Công suất của máy biến áp biến đổi

Trị số hiệu dụng toàn phần của dòng điện phía thứ cấp máy biến áp cho bởiphương trình:

( )t dt i T I

2

2 2

3

21

d d

−

π π

π

Hay:

d T

LN

33

2.63.3

2.2 Bộ biến đổi nhiều cầu

Hai hay nhiều cầu được mắc nối tiếp để có được điện áp DC cao theo yêu cầu

Bộ cầu được mắc nối tiếp bên dãy DC và song song bên AC Bộ máy biến áp đượcmắc giữa nguồn xoay chiều và các cầu van, tỉ số biến áp được điều chỉnh dưới tải.Trong thực tế bộ biến đổi nhiều cầu gồm một số chẵn các cầu xếp thành từng đôitạo ra cách sắp xếp theo 12 xung như hình 2.15

Hai bộ máy biến áp, một mắc Y-Y và một mắc Y-∆ được dùng để cung cấpcho mỗi đôi cầu Điện áp 3 pha cung cấp cho cầu một lệch đi một góc 30º so với cầu

kia Dạng sóng xoay chiều của dòng điện đối với hai cầu gần sin hơn so với cầu 3pha sáu xung Đối với cách sắp xếp cầu 12 xung thì sóng họa tần bậc 6 và 7 hầu như

bị triệt tiêu phía xoay chiều Điều này giảm đáng kể cho bộ lọc họa tần

Hình 2.15 Bộ biến đổi cầu 12 xungĐối với cầu 6 xung biến áp nối Y-Y qua khai triển chuỗi Fourier cho dòng điệnxoay chiều là:

17sin7

15sin5

1sin32

t t

t t

t I

17sin7

15sin5

1sin3

2

t t

t t

t I

Trong cầu áp 12 xung, ta có sự kết hợp với 2 cầu áp 6 xung với biến áp kết nốiY-Y và Y-∆ như hình 2.15 các sóng hài có bậc lẽ n bị loại bỏ, do đó:

111sin11

1sin2

3

2

t t

t t

t I

Những sóng còn lại có thứ tự 12n ± l (11, 13, 23, 25, v.v ) chảy vào hệ thống

AC Độ lớn của chúng giảm theo thứ tự tăng dần

Hơn nữa, với bộ cầu 12 xung thì sóng điện áp một chiều trở nên mượt hơn (ítgợn sóng), các họa tần bậc 6 và 18 được loại bỏ phía một chiều

Ngoài ra còn có thể lắp đặt các bộ cầu có số xung cao hơn như: 4 bộ cầu 24xung góc lệch pha 15º, 8 bộ cầu 48 xung với góc lệch 7º5 và các kết nối biến ápphức tạp hơn do đó thông thường sử dụng 12 xung

Hình 2.16 Dạng sóng điện áp DC và dòng điện AC cầu 6 xung và 12 xungGọi:

B: số cầu mắc nối tiếpT: tỉ số biến áp (1:T)

Hình 2.17 Tỷ số máy biến áp 1:TĐiện áp không tải lý tưởng tương ứng với phương trình (2.31) là:

LL LL

π (2.36)

2.3 Mô hình hóa hệ thống HVDC

Để mô hình hóa quá trình hoạt động của hệ thống HVDC trong cả chế độ xáclập ổn định lẫn chế độ quá độ thì cần phải mô tả được các thành phần sau:

- Mô hình bộ biến đổi

- Mô hình hệ thống hay đường dây DC.

- Giao tiếp giữa hệ thống AC và DC

- Mô hình điều khiển hệ thống DC

Một số giả thiết được đặt ra sau đây để việc mô hình hóa đơn giản:

- Dòng điện một chiều trên dây là phẳng (do có cuộn kháng điện)

- Điện áp hệ thống AC tại đầu chỉnh lưu và nghịch lưu là những tín hiệu hìnhsin hoàn toàn, tần số không đổi, giá trị hiệu dụng và tổng trở nguồn ba pha cânbằng Có nghĩa là tất cả những họa tần dòng điện và điện áp do bộ biến đổi sinh ra

sẽ không truyền vào hệ thống AC (do đã được lọc bởi bộ lọc AC)

- Máy biến áp cho bộ biến đổi không bị bão hòa từ

Các công thức cơ bản của bộ biến đổi được tóm tắt như sau:

Vd0 = B.T.Eac

Vd = Vd0 cos - Xc Id BHay: Vd = Vd0 cos - Xc Id B

1 /cos− V d V d

=ϕ

= P tangφVới: Eac – Điện áp hiệu dụng dây phía hệ thống của máy biến áp biến đổi

T – Tỉ số cuộn dây máy biến áp

B – Số lượng cầu nối tiếp trong mạch

P, Q – Công suất tác dụng và phản kháng

Xc = Lc – điện kháng đảo mạch của mỗi cầu / pha

Vd và Id – dòng và áp một chiều trên mỗi cực

Xét một hệ thống HVDC đơn giản và mạch tương đương của nó như hình vẽ2.18 như sau:

Hình 2.18 Sơ đồ và mạch tương đương của hệ thống HVDC đơn giản

Theo phương trình (2.34), chúng ta xem xét đường dây DC gồm hai đầu thìquan hệ giữa điện áp đầu chỉnh lưu và nghịch lưu theo điện trở đường dây RL:

Vdr = Vdi + RL.IdTrong bài toán tính trào lưu công suất AC/DC các phương trình của hệ thống

AC và DC sẽ được tính toán lần lượt và độc lập nhau trong mỗi bước lặp Như vậycác chương trình tính toán trào lưu công suất đã có, không cần thêm bất kì sự thayđổi hay bổ sung gì đặc biệt vẫn dùng để tính toán được cho hệ thống AC và DC.Giải thuật tính toán trào lưu công suất cho hệ thống AC/DC có những đặctrưng sau:

- Trong mỗi bước lặp của bài toán, mỗi một bộ biến đổi sẽ được mô hình nhưmột nguồn công suất (P, Q) bơm vào nút liên kết của hệ thống (nút nối với máy biến

áp biến đổi)

- Từ những giá trị P, Q của các nút này, tính toán bài toán trào lưu công suất

AC như các phương pháp truyền thống để tìm các giá trị điện áp nút Giá trị điện áptại các nút liên kết thu được từ phép tính lặp của bài toán AC lại được dùng vào đểgiải tiếp các phương trình DC

- Từ các phương trình DC lại tìm được các giá trị P và Q mới bơm vào nút liênkết và cứ như thế bài toán tiếp tục cho đến khi hội tụ

Hình 2.19 Giao tiếp giữa hệ thống AC - DC

Sự liên kết giữa các phương trình AC và DC được mô tả như hình vẽ 2.19.Các giá trị điện áp Eacr và Eaci được xem như đầu vào của các phương trình DC,chúng được xác định từ bước lặp kế tiếp để giải các phương trình AC

Các trạng thái Pr, Qr, Pi, Qi được xem như là đầu ra của các phương trình DC,chúng được dùng cho bước lặp kế tiếp để giải các phương trình AC

Các biến điều khiển α,γ,I ord do các chế độ vận hành và điều khiển quyết định.

Nói chung là tất cả các biến độc lập và phụ thuộc trong các phương trình DCđều phụ thuộc vào chế độ điều khiển của trạm chỉnh lưu và nghịch lưu Trong cáctrạng thái vận hành xác lập ổn định, ba chế độ vận hành có thể áp dụng là:

- Chế độ vận hành 1: Bộ chỉnh lưu hoạt động và đặc tính điều khiển dòng hằng

số còn nghịch lưu hoạt động với góc tắt hằng số

- Chế độ vận hành 2: Bộ chỉnh lưu hoạt động với điều khiển dòng hằng số cònchỉnh lưu hoạt động với góc kích bé nhất hằng số

- Chế độ vận hành 3: Chỉnh lưu hoạt động ở chế độ góc kích bé nhất hằng số,nghịch lưu hoạt động ở các đặc tính bổ sung