ỨNG DỤNG SVC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài luận văn của tôi, và chúng còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, anh, em và bạn bè đã luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học, đặc biệt là quá trình thực hiện luận văn này. Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian cònTôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài luận văn của tôi, và chúng còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, anh, em và bạn bè đã luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học, đặc biệt là quá trình thực hiện luận văn này. Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian cònTôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài luận văn của tôi, và chúng còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, anh, em và bạn bè đã luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học, đặc biệt là quá trình thực hiện luận văn này. Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN

- -LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ỨNG DỤNG SVC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN

ÁP VÀ DÒNG CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

GVHD: TS.NGUYỄN VĂN LIÊM SVTH: HOÀNG MẠNH CƯỜNG MSSV: 41100450

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2015

LỜI CAM KẾT

Tôi cam kết:

 Đây là luận văn do tôi thực hiện.

 Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác.

 Dữ liệu tham khảo trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi.

i

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắt nhất tới TS Nguyễn Văn Liêm, người

đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài luận văn của tôi, và chúng còn là hành trang quý báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin.

Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, anh, em và bạn bè đã luôn bên cạnh và giúp đỡ tôi trong suốt 4 năm học, đặc biệt là quá trình thực hiện luận văn này.

Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài luận văn Tôi kính mong nhận được những ý kiến phê bình, đóng góp của quý thầy, cô để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.

Tp Hồ Chí Minh, ngày….tháng….năm 2015

Sinh viên

Hoàng Mạnh Cường

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ix

CHÚ GIẢI CÁC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 Tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của SVC 1

1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển trong và ngoài nước 4

CHƯƠNG 2 TÌM HIỀU VỀ SVC 6

2.1 Hình ảnh của một trạm SVC trong thực tế 6

2.2 Cấu tạo SVC 7

2.3 Xây dựng các mô hình ở chế độ xác lập của SVC trong hệ thống điện 14

2.4 Nguyên lý điều khiển điện áp của SVC 20

2.5 Nguyên lý điều khiển bù công suất phản kháng của SVC 22

2.6 Phương pháp mở rộng phạm vi điều khiển cho SVC 24

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ SVC 41

3.1 Mô tả hệ thống 41

3.2 Phân loại các nút trong hệ thống 42

3.3 Phương pháp Newton-Raphson 51

3.4 Cấu trúc bảng dữ liệu đầu vào 53

3.5 Sơ đồ giải thuật 56

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SỬ DỤNG SVC 57

4.1 Hệ thống điện đơn giản không có SVC 57

4.2 Mô phỏng chức năng điều khiển điện áp của SVC 60

4.3 Mô phỏng chức năng bù công suất phản kháng của SVC 67

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 74

5.1 Kết luận 74

5.2 Hướng phát triển của đề tài 74

PHỤ LỤC A CÁC KẾT QUẢ CHẠY MÔ PHỎNG 75

iii

PHỤ LỤC B MÃ COD CHƯƠNG TRÌNH MATLAB 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

Nhằm đáp ứng yêu cầu này, các thiết bị điều khiển mới, hoạt động dựa trên nền tản các thiết bị điện tử công suất được áp dụng ngày càng rộng rãi vào việc điều khiển

hệ thống điện Các thiết bị này được gọi chung là thiết bị điều khiển xoay chiều linh hoạt FACTS.

Có rất nhiều loại thiết bị FACTS thường dùng trong hệ thống, điển hình như SVC, STACOM, UPFC, TCSC…Trong đó, thiết bị SVC ( Static VAR Compensor) được sử dụng như một công cụ giúp cân bằng công suất tại các nút, qua đó đảm bảo điện áp được giữ ổn định trong giới hạn cho phép Nhiệm vụ của luận văn này là tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của SVC từ đó xây dựng mô hình SVC trong chế độ xác lập Thực hiện mô phỏng trên các mạng điện thực tế để cho thấy các lợi ích vượt trội khi sử dụng SVC trong hệ thống điện.

Những kết quả thu được từ luận văn gồm:

- Xây dựng mô hình SVC trong chế độ xác lập

- Xác định nguyên lý điều khiển điện áp và bù công suất phản kháng của SVC.

- Kiểm chứng được khả năng điều khiển điện áp của SVC tại tất cả các nút tải của hệ thống điện đơn giản 5 nút bằng giản đồ điện áp.

- Kiểm chứng được khả năng bù công suất tại một nút bất kì trong mạng điện đơn giản 5 nút bằng giản đồ điện áp.

- Đã khảo sát được mức độ tác động của những yếu tố như độ dốc, giới hạn điện nạp, giá trị đặt, lên quá trình điều khiển điện áp và bù công suất của SVC Từ đó, đưa ra các nhận xét để điều chỉnh các yếu tố này một cách phù hợp, để có thể tối ưu hiệu quả hoạt động của SVC.

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Khả năng cải thiện điện áp của SVC khi xảy ra sự cố [1] 2

Hình 1.2 Khả năng cải thiện dao động điện áp của SVC [1] 2

Hình 1.3 Giới hạn truyền tải của đường dây được nâng cao khi có SVC [1] 2

Hình 1.4 Khả năng nâng cao độ ổn định điện áp của SVC [2] 3

Hình 1.5 Khả năng đáp ứng nhanh của SVC [1] 3

Hình 1.6 Biểu đồ các quốc gia sử dụng SVC trên thế giới [1] 5

Hình 2.1 Mô hình SVC thực tế [3] 6

Hình 2.2 Mặt bằng bố trí các bộ phận của SVC trong hình 2.1 6

Hình 2.3 Cấu tạo của một hệ thống SVC hoàn chỉnh.[4] 7

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý SVC 1 pha 8

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý SVC 3 pha trong thực tế [5] 8

Hình 2.6 Mô hình TCR một pha và Valve Thyristor 9

Hình 2.7 Cấu trúc của một modul valse Thyristor của bộ SVC [3] 9

Hình 2.8 Cấu trúc TCR thực tế [4] 10

Hình 2.9 Mô hình TSC một pha 11

Hình 2.10 Cấu trúc TSC thực tế [4] 11

Hình 2.11 Phương pháp giảm sóng hài bằng cách mắc song song các TCR[2] 12

Hình 2.12 Loại bỏ sóng hài bằng cách đấu TCR theo mô hình tam giác [2] 13

Hình 2.13 Cấu trúc của bộ lọc sóng hài SVC trong thực tế[4] 14

Hình 2.14 Mô hình SVC điều khiển điện áp 14

Hình 2.15 Đặc tính VI của SVC [2] 16

Hình 2.16 Mô hình SVC điều khiển dòng công suất phản kháng 17

Hình 2.17 Mô hình SVC trường hợp vi phạm giới hạn hoạt động 18

vii

Hình 2.18 Mô hình SVC trên quan điểm vận hành hệ thống[7] 20

Hình 2.19 Đặc tính lý tưởng của SVC [7] 21

Hình 2.20 Xây dựng mô hình đặc tính thực tế của SVC [7] 21

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý SVC điều khiển điện áp nút[2] 22

Hình 2.22 Đường đặc tính đáp ứng Q-V [7] 23

Hình 2.23 Mô hình SVC điều khiển dòng công suất 23

Hình 2.24 Giản đồ vecto trường hợp điện áp nút cao 23

Hình 2.25 Giản đồ vecto trường hợp điện áp nút thấp 24

Hình 2.26 Giản đồ và mô hình mở rộng giới hạn điều khiển cho SVC [7] 24

Hình 3.1 Mô hình đường dây truyền tải 49

Hình 3.2 Mô hình máy biến áp 50

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điện 5 nút 57

Hình 4.2 Biều đồ điện áp nút của hệ thống khi chưa có thiết bị bù 60

Hình 4.3 Đồ thị điện áp với SVC có độ dốc 0% 62

Hình 4.4 Đồ thị điện áp với SVC có độ dốc 5% 62

Hình 4.5 Điện áp hệ thống khi giới hạn điện nạp thay đổi 65

Hình 4.6 Điện áp hệ thống khi độ dốc của SVC thay đổi 66

Hình 4.7 Điện áp hệ thống khi Qref thay đổi 68

Hình 4.8 Điện áp của hệ thống khi SVC vi phạm giới hạn bù trên 68

Hình 4.9 Điện áp hệ thống khi SVC vi phạm giới hạn bù dưới 69

Hình 4.10 Điện áp hệ thống khi thay đổi vị trí bù 70

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tóm tắt các mô hình điều khiển của SVC 20

Bảng 3.1 Cấu trúc dữ liệu đầu vào 54

Bảng 3.2 Thông số nút của hệ thống điện 5 nút 54

Bảng 3.3 Thông số tải của hệ thống điện 5 nút 54

Bảng 3.4 Thông số máy phát của hệ thống điện 5 nút 55

Bảng 3.5 Thông số nhánh của hệ thống điện 5 nút 55

Bảng 3.6 Bảng dữ liệu đầu vào mạng 5 nút cơ bản 55

Bảng 4.1 Thông số cài đặt SVC với độ dốc 0% 60

Bảng 4.2 Thông số cài đặt SVC với độ dốc 5% 60

Bảng 4.3 Điện áp hệ thống với SVC có độ dốc 0% 61

Bảng 4.4 Điện áp hệ thống với SVC có độ dốc 5% 61

Bảng 4.5 Tổng tổn hao công suất thực của hệ thống 61

Bảng 4.6 Thông số cài đặt của SVC khi khảo sát ảnh hưởng điện nạp 64

Bảng 4.7 Điện áp hệ thống khi giới hạn điện nạp của SVC thay đổi 64

Bảng 4.8 Thông số cài đặt SVC khi khảo sát ảnh hưởng của độ dốc 65

Bảng 4.9 Điện áp hệ thống khi độ dốc của SVC thay đổi 66

Bảng 4.10 Thông số cài đặt SVC khi mô phỏng bù công suất 67

Bảng 4.11 Điện áp hệ thống khi thay đổi Qref của SVC 67

Bảng 4.12 Thông số cài đặt SVC khi thay đổi vị trị bù 70

Bảng 4.13 Điện áp hệ thống với SVC có Q ref 0.3 70

ix

CHÚ GIẢI CÁC TỪ VIẾT TẮT

-CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về lịch sử hình thành và phát triển của SVC

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, công suất phản kháng đóng một vai trò rất quan trọng, trực tiếp liên quan đến điện áp tại các nút của hệ thống Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó nếu quá thừa thì ở đó xảy ra hiện tượng quá điện áp (điện

áp quá cao) Ngược lại, nếu thiếu công suất phản kháng điện áp sẽ bị sụt xuống thấp.

Do đó, cũng giống như công suất tác dụng, công suất phản kháng luôn phải được điều chỉnh để giữ cân bằng Việc điều chỉnh công suất phản kháng là một yêu cầu cần thiết nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống.

Trước đây, trong hệ thống điện, việc điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện được thực hiện thông qua các thiết bị có khả năng sản xuất hoặc tiêu thụ công suất phản kháng như máy bù đồng bộ, tụ điện, cuộn dây…Với các thiết bị này, việc điều khiển công suất phản kháng thường được thực hiện đơn giản: Thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng các máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bộ đồng bộ) Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô với tốc độ chậm.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị công suất, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn, điện áp cao đã tạo tiền đề cho sự ra đời của công nghệ FACTS mà điển hình là thiết bị bù tĩnh SVC-thế hệ đầu tiên được bắt đầu phát triền từ năm 1970 Sự xuất hiện của thiết bị SVC đã giải quyết được các yêu cầu mà các thiết

bị bù cổ điển trước đây chưa đáp ứng được như:

- Cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện khi xảy ra sự cố (Hình 1 1).

- Giảm biên độ dao động công suất (Hình 1 2).

- Tăng khả năng truyền tải điện (Hình 1 3).

- Duy trì điện áp, chống lại sự bất ổn định điện áp (Hình 1 4).

- Thời gian đáp ứng nhanh (Hình 1 5).

xi

Hình 1.1 Khả năng cải thiện điện áp của SVC khi xảy ra sự cố [1]

Hình 1.2 Khả năng cải thiện dao động điện áp của SVC [1]

Hình 1.3 Giới hạn truyền tải của đường dây được nâng cao khi có SVC [1]

Hình 1.4 Khả năng nâng cao độ ổn định điện áp của SVC [2]

Hình 1.5 Khả năng đáp ứng nhanh của SVC [1]

xiii

1.2 Tình hình nghiên cứu, phát triển trong và ngoài nước

1.2.1 Ngoài nước [1]

Năm 1974, bộ bù tĩnh SVC đầu tiên trên thế giới được chính thức đưa vào sử dụng tại New York, Hoa Kỳ Sau khi được áp dụng thành công, công nghệ này ngay lập tức được các nước khác chú ý đến và đã có những bước tiến rõ rệt trong việc nghiên cứu khảo sát, ứng dụng Số lượng SVC được lắp đặt ngày càng nhiều hơn, số quốc gia tiến hành sử dụng thiết bị ngày càng tăng.

Một số quốc gia điển hình trong việc sử dụng mô hình SVC với quy mô lớn:

- Miền trung Na-uy : 2 SVC đã được lắp đặt trong lưới điện 420/300 kV với mức công suất phản kháng điều khiển là -250 MVAr đến 250 MVAr.

- Khu vực gần Rawlings, Maryland ở Hoa Kỳ là khu vực có độ độ tin cậy truyền tải rất thấp Năm 2007 để nâng cao độ tin cậy cho đường dây truyền tải 500kV, một bộ SVC rất lớn đã được lắp đặt tại đây với giới hạn công suất phản kháng điều khiển rất rộng từ -145 MVAr đến 575MVAr.

- Tại Ả Rập, ba SVC lớn đã được lắp đặt và đưa vào vận hành trong các năm 2008-2009 với công suất phản kháng điều khiển từ -60 MVAr đến 600 MVAr.

- Tại khu vực Bretagne nước Pháp đã lắp đặt 2 bộ SVC với điện áp đặt là 225 kV

và công suất phản kháng điều khiển lần lượt của hai máy là -100 MVAr đến

200 MVAr và -50 MVAr đến 100 MVAr.

- Tại thủ đô London- vương quốc Anh, có tới 7 SVC tham gia vào hoạt động của tuyến đường sắt cao tốc Trong đó, có 6 SVC hoạt động với công suất phản kháng điều khiển là -5 MVAr đến 40 MVAr, SVC thứ 7 có công suất phản kháng điều khiển là -80 MVAr đến 170 MVAr.

Càng về sau càng có nhiều quốc gia trên thế giới tiến hành lắp SVC để nâng cao độ

ổn định, cũng như khả năng truyền tải trong hệ thống điện Điều này làm cho SVC ngày càng hoàn thiện hơn về mặt công nghệ, và có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu sử dụng điện Đặc biệt là những khu vực đòi hỏi sử dụng điện với chất lượng cao.

Hình 1.6 Biểu đồ các quốc gia sử dụng SVC trên thế giới [1]

1.2.2 Trong nước

Cũng như các quốc gia khác, quá trình nghiên cứu và ứng dụng SVC của nước ta đang được phát triển rất mạnh với nhiều báo cáo khoa học được công bố Ngày 4/4/2009 tại Thái Nguyên, công ty truyền tải điện 1 đã tổng kết quá trình thi công và đưa toàn bộ dự án “ cải tạo nâng công suất trạm 220 kV Thái Nguyên và lắp đặt thiết

bị bù” vào vận hành, kịp thời bổ sung nguồn điện để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh

tế xã hội cho các tỉnh phía bắc giai đoạn 2006-2010 Với công suất điều khiển của SVC là -50 MVAr đến 50 MVAr phía 22kV Hiện nay, nhiều khu vực ở miền Nam đang được các cơ quan chức năng xem xét, tích cực đẩy mạnh công tác nghiên cứu SVC để nâng cao độ ổn định và chất lượng truyền tải điện.

xv

CHƯƠNG 2 TÌM HIỀU VỀ SVC

Chương này sẽ tập trung giới thiệu về cấu tạo của bộ SVC, xây dựng mô hình hoạt động của SVC ở chế độ xác lập cho cả hai chức năng điều khiển điện áp và bù công suất phản kháng Dựa trên cơ đó đưa ra các nguyên tắc điều khiển điện áp và bù công suất của bộ SVC.

2.1 Hình ảnh của một trạm SVC trong thực tế

Hình 2.7 Mô hình SVC thực tế [3]

Hình 2.8 Mặt bằng bố trí các bộ phận của SVC trong hình 2.1

2.2 Cấu tạo SVC

Hình 2.9 Cấu tạo của một hệ thống SVC hoàn chỉnh.[4]

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

- Thành phần cảm kháng: Dùng để tác động về mặc công suất phản kháng, tác

động này có thể là phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành.

xvii

- Thành phần điều khiển: Bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor và các van

đóng mở.

SVC được cấu tạo gồm hai phần chính bao gồm:

- TCR – thyristor controlled reactor: Kháng điều chính bằng thyristor, có chức

năng điều khiển chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.

- TSC – thyristor swiched capacitor : Bộ tụ đóng mở bằng thyristor, có chức năng

phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.

Các thành phần trên liên kết với nhau theo đúng trật tự nhất định như sơ đồ nguyên

lý Hình 2 10 cho trường hợp 1 pha và Hình 2 11 cho trường hợp 3 pha.

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý SVC 1 pha

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý SVC 3 pha trong thực tế [5]

Ngoài hai phần tử chính trên, SVC còn có những phần tử sau:

- Các bộ lọc tần số cao.

- Máy biến áp cung cấp điện áp thích hợp cho SVC.

- Hệ thống điều khiển các Thyristor

- Hệ thống làm mát.

- Hệ thống bảo vệ.

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TCR

Cấu tạo của một TCR gồm có một cuộn kháng L và hai Thyristor mắc ngược chiều nhau (Hình 2 12) TCR là phần tử quan trọng nhất của SVC, được mắc song song với lưới điện, có khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm bằng cách thay đổi góc kích vale Thyristor, dòng điện này có thể được điều khiển từ zero đến giá trị maximun tùy theo góc  được kích.

xix

Hình 2.12 Mô hình TCR một pha và Valve Thyristor

Hình 2.13 Cấu trúc của một modul valse Thyristor của bộ SVC [3]

Hình 2.14 Cấu trúc TCR thực tế [4]

Đóng ngắt có điều khiển các Thyristor kết hợp với đáp ứng của cuộn kháng tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng ở tần số cơ bản của TCR thay đổi một cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định của cuộn kháng (ứng với trạng thái hoàn toàn dẫn của Thyristor ) đến một giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt của Thyristor ) Điện kháng của bộ TCR được xác định qua biểu thức sau:

- Xtcr: là điện kháng hiệu dụng của bộ TCR ở tần số cơ bản.

- XL : là điện kháng của cuộn kháng ở tần số cơ bản.

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TSC.

TSC là thiết bị bù công suất phản kháng được điều chỉnh theo nấc, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằng cách đóng ngắt các Thyristor Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điện kháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng.

xxi

Cấu tạo của một TSC gồm ba phần chính (Hình 2 15):

- Một tụ điện C.

- Hai Thyristor mắc ngược chiều nhau.

- Cuộn kháng L giới hạn dòng đi qua các van Thyristor trong điều kiện làm việc

bất bình thường đồng thời chống lại hiện tượng cộng hưởng điện.

Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai Thyristor nối song song và ngược chiều nhau, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C trong mạch.

Hình 2.15 Mô hình TSC một pha

Hình 2.16 Cấu trúc TSC thực tế [4]

có thể được làm giảm bằng nhiều cách khác nhau, trong đó cách thường được áp dụng nhất đó là mắc song song m.TCR lại với nhau (m  2) ( Hình 2 17.)

Hình 2.17 Phương pháp giảm sóng hài bằng cách mắc song song các TCR[2] Một phương pháp khác để loại bỏ sóng hài là sắp xếp 12 TCR tạo thành hai hệ 3 pha TCR giống nhau được đấu theo mô hình tam giác (Hình 2 18), một đầu được nối với nhau theo mô hình tam giác, đầu còn lại được nối với cuộn thứ cấp của máy biến

xxiii

áp Do điện áp của hai cuộn thứ cấp máy biến áp lệch nhau một góc 30o

nên các sóng

có bậc có dạng 6(2 k   1) 1 và 6(2 k   1) 1 được loại bỏ, như các hài bậc 5, bậc 7, bậc

17, bậc 19…tại tất cả các góc kích trễ pha thì dòng điện được tạo ra luôn luôn có dạng gần sin

Hình 2.18 Loại bỏ sóng hài bằng cách đấu TCR theo mô hình tam giác [2] Tuy nhiên dù có được kết nối theo hình thức nào đi nữa thì TCR cũng không loại bỏ được hết các sóng hài, vì vậy mà trong thực tế người ta mắc thêm các bộ lọc (Hình

2 19), thường thì các bộ lọc được mắc thêm là các nhánh LC và RLC mắc song song với TCR

Hình 2.19 Cấu trúc của bộ lọc sóng hài SVC trong thực tế[4]

2.3 Xây dựng các mô hình ở chế độ xác lập của SVC trong hệ thống điện

2.3.1 Xây dựng mô hình điều khiển điện áp

Hình 2.20 Mô hình SVC điều khiển điện áp Trên quan điểm vận hành, SVC có thể được xem như một điện kháng có thể thay đổi được, mắc song song để thu hoặc phát công suất phản kháng nhằm điều chỉnh điện điện áp tại điểm nối với đường truyền tải (Hình 2 20)

xxv

Gọi Vh  Vh  h và Vl  Vl  l lần lượt là điện áp tại nút cao áp (nút của hệ thống

mà SVC được lắp vào) và điện áp nút hạ áp (nút mới)

Khi đó dòng điện phức đi qua SVC có dạng như sau:

Hình 2.21 Đặc tính VI của SVC [2]

Từ đường đặc tính trên ta xây dựng được phương trình (2.9), bằng các phép biến đổi đơn giản phương trình (2.9) ta thu được phương trình (2.11) đây chính là phương trình điều khiển điện áp của SVC ở trạng thái xác lập.

Trên thực tế, tổn thất công suất tác dụng của SVC là rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do

đó ta có được phương trình thứ hai của SVC.

Hình 2.22 Mô hình SVC điều khiển dòng công suất phản kháng

Công suất tại nút SVC gắn vào Qh  Qref Hệ phương trình điều khiển dòng công suất phản kháng ở chế độ xác lập được xây dựng như sau:

0

h ref

Q Q P

1, 2,

0 0

svc ref svc

2.

cos( )

0 sin( ) 0

2.3.3 Xây dựng mô hình SVC trong trường hợp nằm ngoài phạm vi điều khiển

Các mô hình đang xét trên chỉ đúng khi giới hạn làm việc của SVC không bị vượt Khi bị vi phạm giới hạn hoạt động các mô hình trên không còn đúng Thay vào đó ta

có mô hình sau (Hình 2 23)

Hình 2.23 Mô hình SVC trường hợp vi phạm giới hạn hoạt động

Từ đường đặc tính Hình 2 26 ta thấy rằng giới hạn hoạt động của SVC có liên quan đến giá trị điện nạp của SVC Điện nạp của SVC nhìn từ nút cao áp SVC có thể được biểu diễn theo điện áp nút

SVC SVCk

h

I B

V

xxix

Giới hạn hoạt động của SVC có thể được thực hiện thông qua biểu thức sau:

LSVC SVC CSVC

Trong đó:

- BSVC( ) k là giới hạn điện nạp tương đương của SVC thứ k

- BLSVC( ) k là giới hạn điện nạp tự cảm của SVC thứ k.

- BCSVC( ) k là giới hạn điện nạp điện dung của SVC thứ k.

Khi một trong hai điều kiện giới hạn trên bị vi phạm thì phương trình f1svc không còn đúng, SVC được xem như là một tụ điện hay một cuộn kháng mắc song song với giá trị điện nạp tới hạn [6].

Bảng 2.1 Tóm tắt các mô hình điều khiển của SVC

Điều khiển điện áp 1

Hình 2.24 Mô hình SVC trên quan điểm vận hành hệ thống[7]

Một cách lý tưởng nhất, SVC sẽ giữ điện áp ngõ ra không đổi bằng cách phát hay hấp thụ không giới hạn công suất phản kháng, đáp ứng tức thời nhu cầu công suất phản kháng của hệ thống.

xxxi

Hình 2.25 Đặc tính lý tưởng của SVC [7]

2.4.2 Đặc tính thực tế

Trên thực tế, đặc tính SVC được xây dựng bằng cách tổng hợp các đặc tính của cuộn cảm và tụ điện điều chỉnh được [8] như Hình 2 26

Hình 2.26 Xây dựng mô hình đặc tính thực tế của SVC [7]

Do đó trên thực tế quá trình điều khiển điện áp của SVC được thực hiện dựa trên giản đồ Hình 2 27

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý SVC điều khiển điện áp nút[2]

Ở điều kiện làm việc bình thường, đường đặc tính tải là đường ở giữa, giao điểm của đường này và đường đặc tính của SVC tại điểm A, tại đây V V  ref , ISVC  0 Khi

hệ thống xảy ra sự cố, nếu điện áp tại nút gắn SVC tăng lên đột ngột, lúc này đường đặc tính tải là đường nằm phía trên Nếu hệ thống không có SVC thì điện áp mới của nút sẽ là giá trị V1, tuy nhiên dưới tác dụng hiệu chỉnh điện áp thì tại nút có gắn SVC điện áp làm việc sẽ dịch chuyển từ từ điện áp V1 giảm xuống V3 Ngược lại, khi điện

áp tại nút gắn SVC giảm xuống đột ngột, nếu hệ thống không có SVC, điện áp nút sẽ

có giá trị là V2 Khi gắn SVC vào hệ thống, điện áp nút tại đó sẽ được điều chỉnh từ điện áp từ giá trị V2 tăng lên giá trị V4 Như vậy, nếu điện áp nút thay đổi nằm trong vùng điều khiển của SVC thì điện áp của nút được gắn SVC sẽ hoạt động trong một khoảng xác định trước và khoảng giá trị này hoàn toàn có thể điều chỉnh được.

2.5 Nguyên lý điều khiển bù công suất phản kháng của SVC.

Quá trình điều khiển bù công suất phản kháng dựa vào đồ thị Hình 2 28

xxxiii

Hình 2.30 Giản đồ vecto trường hợp điện áp nút cao

Khi điện áp Vc > Vs (Hình 2 31) TCR sẽ hoạt động để phát công suất phản kháng, công suất phản kháng tăng lên làm tăng điện áp Vs, dòng điện SVC mang tính dung.

Hình 2.31 Giản đồ vecto trường hợp điện áp nút thấp

2.6 Phương pháp mở rộng phạm vi điều khiển cho SVC

Để có thể đáp ứng tốt hơn các điều kiện vận hành của hệ thống, giới hạn điều khiển của SVC có thể được mở rộng bằng cách mắc thêm một dãy các tụ điện song song với nhau như mô hình đơn giản Hình 2 32 [8] Mô hình này gồm ba dãy tụ mà hai trong

ba tụ được đóng cùng một lúc Các dãy tụ này có thể đóng, ngắt bằng Thyristor hoặc khóa cơ khí Ngoài ra để tiện hơn, người ta có thể lắp theo mô hình tụ điện mắc nối tiếp với cuộn cảm, điều này cho phép thực hiện đồng thời hai nhiệm vụ là tạo ra bộ lọc sóng hài vừa mở rộng giới hạn điều khiển cho SVC.

Hình 2.32 Giản đồ và mô hình mở rộng giới hạn điều khiển cho SVC [7]

xxxv

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SỬ DỤNG SVC

CHƯƠNG 3 LẬP TRÌNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG

ĐIỆN CÓ SVC

Sau khi xây dựng được mô hình SVC ở chế độ xác lập ở chương 2, chương này sẽ tập trung vào xây dựng các mô hình còn lại của các phần tử khác của hệ thống điện như nút tải, nút máy phát, nút cân bằng, mô hình máy biến áp, mô hình đường dây Từ

đó xây dựng sơ đồ giải thuật, tiến hành lập trình mô phỏng hệ thống bằng phần mềm matlab với nền tản là phương pháp lặp Newton-Raphson Chương trình mô phỏng được viết cho một hệ thống điện N nút bất kỳ với dữ liệu đầu vào là dữ liệu có cấu trúc tuân theo định nghĩa ở mục 3.3

3.1 Mô tả hệ thống

Xét một mạng điện gồm N nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến N Ta quy ước nút

số 1 là nút cân bằng, các nút còn lại là nút tải PQ và các nút máy phát PV và nút SVC, giả sử hệ thống điện đang xét có L nút tải và G nút máy phát, và nSVCnút SVC, khi đó:

Gọi Scal kload k ( ( )) là công suất đi vào hệ thống tại nút thứ kload k ( ) , k  1, 2,3 L ,

1  kload k ( )  N kload k ( ) là nút mà tại đó tải thứ k được nối vào hệ thống.

Tương tự, gọi Scal kgen k ( ( )) là công suất đi vào nút thứ kgen k ( ) , k  1, 2,3 G ,

1  kgen k ( )  N kgen k ( ) là nút mà tại đó máy phát được nối vào hệ thống, giả sử máy phát đang phát công suất Pgen k ( ) và có điện áp duy trì Vgen k ( ) Trong thức tế tại các nút máy phát còn có thêm các tải tiêu thụ, ta quy ước Sg load k _ ( ) là công suất đi vào nút của các tải tại nút máy phát thứ k , k  1, 2,3 G

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SỬ DỤNG SVC

Giả sử nút lSVC k ( ) là nút SVC thứ k, nối vào nút thứ hSVC kSVC k ( ( )) của hệ thống.

Tại nút cân bằng:

1

(1) 0



1 0 ( )

fl absV n



2 1 (1)

fl n

fl n





MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SỬ DỤNG SVC

Trong đó n  2,3, 4 N

3.2.2 Nút tải (nút PQ).

Là nút cho biết trước công suất Pload kload k ( ( )) và Qload kload k ( ( )) tại nút tải thứ k

mà phụ tải yêu cầu Gọi Q inj( ) k là công suất bù nếu có tại nút tải thứ k Phương trình cần bằng công suất tại nút tải thứ k:

fload k Scal kload k

absV kload k kload k kload k absV kload k absV kload k

fload k Scal kload k

absV kload k ybus kload k kload k absV kload k absV kload k