Tổng quan về công suất phản kháng

Sự tiêu thụ công suất phản kháng  Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu thụ ở: Động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ờ các phần tử, thiết bị

Tổng quan về công suất phản kháng

I Công suất phản kháng trong hệ thống điện:

1 Khái niệm về công suất phản kháng:

 Công suất phản kháng là năng lượng điện do các thành phần cảm kháng vàdung kháng trong mạch điện sinh ra và tiêu thụ

 Công suất phản kháng không trực tiếp chuyển hóa năng lượng điện thànhcông do vậy công suất phản kháng là thành phần làm nóng các mạch từ vàlàm lệch pha dòng điện so với điện áp trong mạch

Tổng quan về công suất phản kháng

 Thực chất công suất phản kháng

là thành phần có lợi nhiều hơn

có hại, nó được tiêu thụ bởi các

cuộn cảm trong đa số các thiết

bị điện Khác với công suất tác

dụng, công suất phản kháng có

thể phuc hồi sau khi đã hấp thụ.

I Công suất phản kháng trong hệ thống điện:

1 Khái niệm về công suất phản kháng:

2 Bản chất của công suất phản kháng:

Từ đồ thị vecto hình trên ta tìm được góc lệch pha giữa u và i:

R

X X

U

U U

3 Hệ số công suất cos𝜑:

Ta có tam giác công suất:

Tổng quan về công suất phản kháng

4 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

 Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu

thụ ở:

Động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện

trên đường dây tải điện và ờ các phần tử, thiết bị có

liên quan đến từ trường

Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm

đến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó

cần thiết để tạo ra tù trường, yểu tố trung gian cần

thiết trong quá trình chuyên hóa điện năng

 Động cơ không đông bộ là thiết bị tiêu

thụ công suất phản kháng chính trong

lưới điện, chiếm khoảng 60 – 65%

 MBA tiêu thụ khoảng 22 đến 25% nhu

càu công suất phản kháng

Tổng quan về công suất phản kháng

4 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

Tại sao phải bù công suất phản kháng ?

II Bù công suất phản kháng

Công suất phản kháng Q không sinh công

nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về

kinh tế và kỹ thuật:

- Về kinh tế: chúng ta phải trả tiền cho lượng

công suất phản kháng tiêu thụ

- Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây ra sụt

áp trên đường dây và tổn thất công suất trên

đường truyền

1 Bù ngang

Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện

có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp Kháng bù ngang này có thể đặt ở phíacao áp hay phía hạ áp của máy biến áp Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song songvới đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện

II Bù công suất phản kháng

Bù công suất phản kháng

2 Bù dọc:

 Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X củađường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện Giải pháp này được thực hiệnbằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:



sin

21

L

X

U U

. 2

1

C

L X X

U

U P







C L

gh

X X

U

U P





 1. 2

Bù công suất phản kháng

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:

k = (XL - XC)/XC

Bù công suất phản kháng

GIỚI THIỆU THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR-TCSC

Giới thiệu về TCSC

Giới thiệu về TCSC

i

C

MOV

Giới thiệu về TCSC

1 Mô hình TCSC

TCSC là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây, gồm tụ điện được nối song song với một điện cảm được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor.

Mô hình thiết bị TCSC

C

• Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây:

gh

X X

U

U P

P





 1 2 max

.

𝛿0 𝛿

Khi đặt TCSC thì đường đặc tính công suất P(δ) được nâng cao,

do đó khả năng ổn định động cũng được tăng lên.

𝑉𝑟

2 Xây dựng mô hình toán học TCSC

Giả sử thiết bị TCSC được nối vào giữa 2 điểm 1 và r:

Giới thiệu về TCSC

Dòng điện qua thyristor của thiết bị TCSC

thiên điện áp

Tăng thêm khả năng tải của

đường dây

Tăng cường thêm độ

ổn định của hệ thống

Hạn chế việc xảy ra cộng hưởng

ở tần số thấp trong

hệ thống điện

CẤU TẠO CỦA UPFC

Sơ đồ cấu tạo của UPFC

CẤU TẠO CỦA UPFC

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Bộ chuyển đổi VSC 1 được sử dụng chủ yếu để hỗ trợ hoạt động cho bộ chuyển đổi VSC 2 hai bằng cách thực hiện đưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng yêu cầu cho quá trình thiết lập điện áp nối tiếp trên đường dây của bộ VSC 2

Ngoài ra, bộ chuyển đổi VSC 1 hoạt động giống như STATCOM và điều khiển điện áp đầu cuối của bus kết nối.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Bộ chuyển đổi VSC 2 (bộ chuyển đổi

hàng loạt ) thực hiện nhiệm vụ chính của

UPFC là đặt nối tiếp vào đường dây một

điện áp Vpq có biên độ và góc pha điều

chỉnh được Hơn nữa, góc pha của Vpq có

thể thay đổi độc lập từ 0 đến 360 độ .

.

22

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Bộ điều khiển của UPFC có thể chọn một hoặc kết hợp của ba chức năng làm mục tiêu kiểm soát của nó, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống.

UPFC hoạt động với các ràng buộc trên các biến sau:

Các điện áp, dòng điện được bơm vào;

Dòng điện qua bộ chuyển đổi hàng loạt;

Dòng chuyển đổi shunt;

Điện áp ,dòng điện tối thiểu của UPFC;

Điện thế đường dây tối đa của UPFC.

X X

U P

U

U X

U

exp 2

sin 2

1

1 1

tg X

U P

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

✘Trong cả 3 chế độ thì chế độ 2 và 3 ưu điểm

nhiều hơn chế độ 1.Vì có thể cho phép điều khiển

dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha δ rất

nhỏ.

✘Trong chế độ 1 và chế độ 2, công suất của thành

phần bù ngang có thể giảm tối thiểu vì dòng công

suất đi qua liên kết 1 chiều (DC link ) gần như bằng

0.

✘Ngoài ra thành phần bù ngang có thể điều khiển

đồng thời cả dòng công suất phản kháng Q và công

4.GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng, có thể điều chỉnh bằng cách tang hay giảm góc mở của Thyristor, được tổ hợp từ 2 thành phần cơ bản:

• Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành)

• Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử công suất như Thyristor, Triac có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dung các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR…

10

SVC được cấu tạo từ 3 thành phần chính:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR(Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điềuchỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (ThyristorSwitched Reactor): có chức năng tiêu thụ côngsuất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC(Thyristor Switched Capacitor): có chức năngphát công suất phản kháng, đóng cắt nhanhbằng thyristor

28

Đầu tiên, chúng ta tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của bộ Thyristor song song ngược:

Xét tải thuần trở, với sơ đồ mạch sau:

Góc điều khiển mở Thyristor được tính từ thời điểm đi qua

giá trị O của điện áp nguồn

29

Ở nữa chu kỳ dương điện áp phía anod T1 lớn hơn phía catot, đối với T2 thìngược lại, góc mở α được tính từ thời điểm điện áp đạt giá trị O, T1 bắt đầu dẫn,điện áp ra có dạng như đồ thị.

Ở nữa chu kỳ âm điện áp phía anod T2 lớn hơn phía catot, đối với T1 thì ngượclại, góc mở α được tính từ thời điểm điện áp đạt giá trị O, T2 bắt đầu dẫn, điện áp

ra có dạng như đồ thị:

Dòng điện tải không có dạng của mộthình sin, khai triển Fourier của nó gồm cácthành phần song cơ bản và các song hài bậccao

Việc điều khiển tín hiệu vào cực điềukhiển của các van Thyristor làm thay đổiđiện áp đầu ra, qua đó làm thay đổi dòngđiện qua tải

30

Nguyên lý làm việc của TCR:

Kháng điều chỉnh nhanhbằng thyristor (TCR) được cấutạo dựa trên nguyên lý hoạtđộng và khả năng điều khiểncủa cặp thyristor mắc songsong và ngược chiều nhau.Nhờ có khả năng khống chếđược trị số hiệu dụng của dòngđiện đi qua thyristor liên tụcthông qua việc thay đổi góc mở

α bằng thời điểm phát xungđiều khiển vào cực G mà TCR

có khả năng điều chỉnh pháthay tiêu thụ công suất phảnkháng rất nhanh

Góc mở thay đổi liên tục từ 0o đến 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tục giá trị điệnkháng L nhờ các tín hiệu điều khiển Khi góc mở f thay đổi từ 900 đến 1800 thìdòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ giá trị cực đại đến zero 31

6.NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SVC

Nguyên lý làm việc của TSC:

Cũng như TCR việc thay đổigóc mở bằng việc cung cấp tínhiệu vào cực G của Thyristordòng điện hiệu dụng qua TSC

sẽ thay đổi qua đó thay đổiđược giá trị của tụ điện C

Tụ đóng mở bằng thyristor TSCđược cấu tạo từ 3 phần chính sau:

Tụ điện C là tụ điện chính trong mạch

LH là cuộn kháng hãm có chức năng hạn chế dòng đi qua các van Thy và chốnglại sự cộng hưởng với hệ thống điện

Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu xungđiều khiển vào cực G của thyristor

32

Nguyên lý làm việc của TSR

Cấu tạo:

• Cuộn kháng L là cuộn kháng chính trong mạch

• LH là cuộn kháng hãm có chức năng hạn chế dòng đi qua các van Thy và chốnglại sự cộng hưởng với hệ thống điện

• Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu xungđiều khiển vào cực G của thyristor

Cũng như TCR việc thay đổi góc mở bằngviệc cung cấp tín hiệu vào cực G củaThyristor dòng điện hiệu dụng qua TSR sẽthay đổi qua đó thay đổi được giá trị củacuộn kháng L

33

Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển các van Thyristor:

34

Trong hệ điều khiển có các khối như hình vẽ:

- Định dạng điện áp hệ thống có chức năng lấy tín hiệu điện áp thực tế từ lướiđiện (tín hiệu dạng liên tục)

- So sánh tín hiệu có chức năng so sánh tín hiệu đặt (tín hiệu ngưỡng) và tínhiệu định dạng

- Điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển tín hiệu từ tượng tự ra tínhiệu số và số ra tượng tự phù hợp với điều kiện tăng hay giảm góc mở α.Thiết bị điều khiển trung tâm ta sử dụng bộ vi điều khiển

- Đưa tín hiệu điều khiển góc mở α cho TCR, TSR, TSC có chức năngkhuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển đến các van của SVC

Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển các van Thyristor:

35

7.ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

Chức năng bình thường nhất của một SVC là điều chỉnh điện áp và trào lưu côngsuất phản kháng tại điểm nó được nối vào mạng lưới Công suất phản kháng ảnhhưởng lớn đến điện áp, SVC là thiết bị có khả năng điều chỉnh công suất phảnkháng phù hợp với sự thay đổi công suất tải trong các chế độ: không tải, non tải vàtải định mức, giữ cho điện áp truyền tải luôn ổn định

Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất

36

Giảm cường độ dòng điện vô công

Giảm cường độ dòng điện vô công và như thế sẽ giảm bớt đi tổn thất gây ra bởidòng điện này trên đường dây mà các nhà máy phát điện phải cung cấp Nóichung là tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất của hệ thống điện

Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cốChức năng quan trọng nhất là giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra

sự cố bình thường khi mất tải đột ngột tại một điểm trên đường dây hoặc ngắnmạch yếu Vì SVC có thể phản ứng trong vòng 10ms, nên thời gian quá áp sẽđược giảm xuống thấp hơn thời gian chỉnh định bảo vệ của hệ thống rơ le Do đócac rơ le không cần tác động cắt sự cố và tính chất tải điện sẽ được nâng cao

Ôn hòa dao động công suất tác dụngDao động công suất là một hiện tượng có thể xảy ra sau một quá trình quá độ, ví

dụ như mất tải hoặc thình lình giảm công suất phát tại nguồn hoặc tự động đónglại sau khi xảy sự cố

Khi có dao động công suất, SVC sẽ được điều khiển nhằm kìm hãm bằng cáchthay đổi góc mở của thyristor của SVC một cách gần như tức thời

37

Tăng khả năng tải của đường dây

Với việc sử dụng các thiết bị SVC tại các điểm trên đường dây truyền tải sẽ có

xu hướng làm tăng khả năng tải của đường dây truyền tải bởi vì điện áp đượccung cấp thêm bởi các SVC tại điểm đấu SVC

Cân bằng các phụ tải không đối xứng

Cân bằng các phụ tải không đối xứng do SVC có khả năng giữ điện áp ổnđịnh theo từng pha riêng rẽ nên nó làm cho độ không đối xứng của phụ tảigiảm xuống

Cải thiện ổn định sau sự cố

38

7.ỨNG DỤNG CỦA HIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

2 Tổng quan về Statcom

✘Static compensater là thiết bị chuyển đổi nguồn áp Voltage Source Converter) được định nghĩa là bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha

(VSC-✘Thiết bị này dùng trong lưới điện xoay chiều ba pha để điều chỉnh điều khiển một cách độc lập công suất tác dụng và công

Tổng quan về Statcom

✘Statcom có 3 chức năng hoạt động :

- Là bộ chuyển đổi tĩnh nguyên lý dựa trên thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay

một máy đồng bộ lí tưởng với điện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản

40

Tổng quan về Statcom

✘ Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến

đổi điện tử công suất ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều Trên hình thể hiện mạch điện tương đương một pha của STATCOM:

41

từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện.

42

1 Cấu trúc của statcom :

✘STATCOM là một thiết bị chuyển

đổi nguồn điện áp, nó chuyển đổi

nguồn điện áp một chiều thành điện áp

xoay chiều để bù công suất phản kháng

cho HTĐ Cấu trúc cơ bản được thể

hiện trong hình bên , bao gồm: một bộ

biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC)

được nối về phía thứ cấp của máy biến

2 Nguyên lí hoạt động của statcom :

STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặtđến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện

áp rơi giữa STATCOM và HTĐ

- Việc thay đổi CSPK được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy

biến áp VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT)

để điều chế điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn một chiều Nguyên lý hoạtđộng của STATCOM thể hiện công suất tác dụng và phản kháng truyền giữađiện áp hệ thống để điều khiển là V1 và điện áp được tạo ra bởi VSC là V2

44

Nguyên lí hoạt động cơ bản của statcom

45

Nguyên lý hoạt động của Statcom:

✘Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V2 là cùng pha với V1 (δ = 0), khi đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải Bằng cách điều khiển điện áp V2 tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp V1 của hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc này bộ bù hoạt động như một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống, qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên.

46

✘Ngược lại, nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này bộ bù hoạt động như một điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế quá điện áp trên lưới điện Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC và điện áp hệ thống V1 bằng nhau thì không có trao đổi công suất phản kháng

47

✘Ta có CSTD và CSPK trao đổi giữa hai nguồn V1 (lưới) và V2 (bộ bù):

✘Trong đó:

-V1 và θ1 : Điện áp lưới cần điều chỉnh và góc lệch pha.

-V2 và θ2 : Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha.

-XL : Điện kháng kết nối giữa lưới và bộ bù.

-δ : Góc lệch pha giữa điện áp lưới và điện áp bộ bù Trong chế độ hoạt động chỉ bù CSPK thì δ = 0

49

✘Khi V1 < V2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tương ứng dòng điện dung IC vượt trước V1, V2 một góc bằng 900 bộ

bù phát CSPK lên lưới điện

Trạng thái phát công suất phản kháng của tụ bù

51

52

Đặt tính V-I của statcom

53

✘Miễn là dòng phản kháng trong phạm vi giá trị dòng điện (-Imax,

Imax) áp đặt bởi các đánh giá chuyển đổi, điện áp được quy định tại

điện áp tham chiếu Vref Tuy nhiên, một droop điện áp thường được sử dụng (thường là giữa 1% và 4% đầu ra tối đa công suất phản kháng), và đặc tính V-I có độ dốc chỉ ra trong hình 2.22 Trong chế độ điều chỉnh điện áp, đặc tính V-I được mô tả bởi phương trình sau:

✘V = Vref + XsI

-Trong đó:

✘V - điện áp thứ tự dương (pu)

✘I - dòng phản kháng (pu/ Pnom) (I > 0 cho thấy một dòng điện cảm)

✘Xs - kháng dốc (pu/Pnom)

✘Pnom - công suất tiêu chuẩn 3 pha của bộ chuyển đổi 54