Xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện bao gồm thiết bị bù có điều khiển SVC phục vụ giảng dạy

Xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện bao gồm thiết bị bù có điều khiển SVC phục vụ giảng dạy Xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện bao gồm thiết bị bù có điều khiển SVC phục vụ giảng dạy luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

phôc vô gi¶ng d¹y

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

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN BAO GỒM THIẾT BỊ BÙ CÓ

ĐIỀU KHIỂN SVC PHỤC VỤ GIẢNG DẠY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nào khác

Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2009 Tác giả luận văn

Phạm Năng Văn

Để hoàn thành luận văn này, ngoài nỗ lực của bản thân, tác giả nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ từ bên ngoài

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS TS Trần Bách trong suốt quá trình làm luận văn Nếu không có sự hướng dẫn và giúp đỡ đó, luận văn

sẽ không thể hoàn thành

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các đồng nghiệp trong Bộ môn Hệ thống điện vì những động viên và những đóng góp chuyên môn quý báu cho luận văn Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể người thân trong gia đình vì sự động viên hỗ trợ tích cực trong quá trình làm luận văn

Tác giả luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Bản luận văn này trình bày các mô hình mô tả Static Var Compensator (SVC) – một trong các thiết bị của Hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTS) trong tính toán chế độ xác lập Các mô hình SVC bao gồm mô hình tổng dẫn – máy phát, mô hình tổng dẫn biến đổi, mô hình góc mở, mô hình đặc tính, mô hình rời rạc hóa thông số kết hợp với việc thay đổi ma trận Jacobian, các mô hình kết hợp, Ưu nhược điểm của các mô hình mô tả SVC cũng được trình bày

Một chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện bao gồm thiết bị

bù có điều khiển SVC được xây dựng bằng ngôn ngữ Matlab được xây dựng Thuật toán được thực hiện bằng cách đưa thêm biến trạng thái của thiết bị bù SVC vào ma trận Jacobian của phương pháp Newton – Raphson

Chương trình tính toán chế độ xác lập bao gồm SVC được kiểm tra trên hệ thống điện 30 nút IEEE với một nút đặt SVC và 118 nút IEEE với hai nút đặt SVC Chương trình cũng được dùng để tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 220 kV miền Bắc Việt Nam khi không có và khi có SVC Các kết quả tính toán được trình bày và nhận xét Hiệu quả của thiết bị bù có điều khiển SVC trong việc nâng cao chất lượng điện áp được khẳng định

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN LINH HOẠT (FACTS) – THIẾT BỊ VÀ ỨNG

DỤNG 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 3

1.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ MÔ TẢ CÁC THIẾT BỊ CÓ ĐIỀU KHIỂN FACTS 4

1.2.1 Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản 4

1.2.2 Thiết bị bù có điều khiển song song 7

1.2.3 Thiết bị bù có điều khiển nối tiếp 10

1.2.4 Thiết bị bù có điều khiển kết hợp nối tiếp- song song 13

1.2.5 Các bộ điều khiển khác 15

1.3 CÁC L ỢI ÍCH VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ FACTS 16

1.4 KẾT LUẬN 17

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC 19

2.1 CÁC CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA SVC 19

2.2 ĐIỆN KHÁNG ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCR) 20

2.3 THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR (TSC) 23

2.4 ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA SVC 26

2.5 ÁP DỤNG SVC 28

CHƯƠNG 3 TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRUYỀN THỐNG 31

3.1 GIỚI THIỆU 31

3.2 CÁC KHÁI NIỆM TỔNG QUÁT VỀ TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 31

3.2.1 Các công thức cơ sở 32

3.2.2 Phân loại biến và nút 35

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 36

3.3.1 Các thuật toán trào lưu công suất ban đầu 36

3.3.2 Thuật toán Newton-Raphson 37

3.3.3 Giới hạn công suất phản kháng máy phát 42

3.3.4 Hệ quy chiếu quán tính 43

3.5 KẾT LUẬN 48

CHƯƠNG 4 TRÀO LƯU CÔNG SUẤT BAO GỒM THIẾT BỊ THIẾT BỊ SVC 50

4.1 GIỚI THIỆU 50

4.2 ĐƯA THIẾT BỊ FACTS VÀO TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT 50

4.3 CÁC MÔ HÌNH MÔ TẢ SVC Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 52

4.3.1 Mô hình truyền thống 52

4.3.2 Mô hình biểu diễn bộ điều khiển là tổng trở biến thiên 54

4.3.3 Mô hình tổng dẫn biến thiên ngang 58

4.3.4 Mô hình góc mở 60

4.3.5 Mô hình góc cắt tích hợp máy biến áp 60

4.4.6 Mô hình đặc tính (the characteristic model) 62

4.4.7 Mô hình SVC sử dụng phương pháp rời rạc hóa thông số kết hợp với thay đối ma trận Jacobian 63

4.4.8 Mô hình kết hợp 64

4.4.9 Biểu diễn SVC thông qua STATCOM 65

4.4.10 Phối hợp điều khiển giữa các nguồn công suất phản kháng 65

4.4 KẾT LUẬN 67

CHƯƠNG 5 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN BAO GỒM SVC BẰNG PHƯƠNG PHÁP NEWTON-RAPHSON 68

5.1 GIỚI THIỆU 68

5.2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 68

5.3 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN 70

5.4 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH 74

5.5 VÍ DỤ ÁP DỤNG 78

5.3.1 Hệ thống điện 5 nút 78

5.3.2 Hệ thống điện 30 nút IEEE 82

5.3.3 Hệ thống điện 118 nút IEEE 85 5.3.4 Hệ thống điện 220 kV miền Bắc Việt Nam 91

KẾT LUẬN CHUNG 94 PHẦN PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Giới hạn hoạt động của hệ thống truyền tải với các cấp điện áp khác

nhau Hình 1.2 Bộ điều khiển nối tiếp

Hình 1.3 Bộ điều khiển song song

Hình 1.4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - nối tiếp

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

Hình 1.6 Cấu tạo chung của SVC

Hình 1.7 Cấu tạo của STATCOM

Hình 1.8 Hãm điện điều khiển bằng thyristor (TCBR)

Hình 1.9 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

Hình 1.10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

Hình 1.11 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Hình 1.12 Cấu tạo chung của UPFC

Hình 1.13 Cấu tạo chung của TCPST

Hình 1.14 TCVL thông thường

Hình 1.15 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện áp

vào đường dây Hình 2.1 Cấu trúc điển hình của SVC (TCR-TSC)

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR

Hình 2.3 Sự biến thiên của dòng điện tần số cơ bản và các thành phần sóng hài

theo góc mở Hình 2.4 Cuộn kháng được điều khiển bằng thyristor ba pha

Hình 2.5 TSC với điện kháng nối tiếp

Hình 2.6 Sự biến thiên của (Itr/IAC) theo n ứng với các giá trị r khác nhau (chiến

lược 1) Hình 2.7 Sự biến thiên của (Itr/IAC) theo n ứng với các giá trị r khác nhau (chiến

lược 2) Hình 2.8 Đặc tính điều khiển của SVC

Hình 2.9 Điện kháng tương đương của TCR

Hình 3.1 Tổng trở tương đương

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán của phương pháp Newton - Raphson

Hình 3.3 Hệ thống điện 3 nút

Hình 3.4 Vectơ độ lệch công suất

Hình 3.5 Cấu trúc của ma trận Jacobian

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán của phương pháp tách biến nhanh

Hình 4.1 Ma trận Jacobian tăng thêm

Hình 4.2 SVC và đặc tính V-I của hệ thống điện

Hình 4.3 Mô hình truyền thống của SVC trong tính toán chế độ xác lập

Hình 4.4 So sánh công suất phản kháng phát ra bởi mô hình máy bù và mô hình

điện dẫn phản kháng Hình 4.5 Sơ đồ khối của SVC với điều khiển điện áp

Hình 4.6 Mô hình ổn định quá độ của SVC

Hình 4.7 Nối SVC vào hệ thống điện

Hình 4.8 Quản lý giới hạn của SVC

Hình 4.9 Tổng dẫn ngang biến thiên

Hình 4.10 Mô hình SVC – máy biến áp kết hợp

Hình 4.11 Đặc tính QSVC(V)

Hình 4.12 Biểu diễn tương đương SVC bằng STATCOM

Hình 5.1 Lưu đồ thuật toán chi tiết của phương pháp Newton – Raphson khi

không có SVC Hình 5.2 Lưu đồ thuật toán chi tiết của phương pháp Newton – Raphson khi có

SVC Hình 5.3 Sơ đồ khối hiệu chỉnh tổng dẫn SVC

Hình 5.4 Mạng điện kiểm tra 5 nút và kết quả trào lưu công suất khi chưa đặt

SVC Hình 5.5 Mạng điện kiểm tra 5 nút và kết quả trào lưu công suất khi đặt SVC tại

nút Lake Hình 5.6 Sơ đồ hệ thống điện 30 nút IEEE

Hình 5.7 Sơ đồ hệ thống điện 118 nút IEEE

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh hiệu quả của các thiết bị FACTS

Bảng 5.1 Điện áp các nút trong mạng điện khi chưa đặt SVC Bảng 5.2 Điện áp các nút trong mạng điện khi đặt SVC

MỞ ĐẦU

Chế độ xác lập của hệ thống điện là chế độ trong đó các thông số biến đổi nhỏ quanh giá trị trung bình, nên có thể coi là không đổi Chế độ xác lập có thể là đối xứng hoặc không đối xứng Đối với lưới điện cao áp, chế độ làm việc được coi là đối xứng

và cân bằng Do đó, lưới điện được biểu diễn bằng các sơ đồ một sợi hay mạng điện một pha Tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện là xương sống của bài toán phân tích và thiết kế các hệ thống điện Tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện đặc biệt cần thiết cho quy hoạch, vận hành, lịch phát công suất kinh tế và trao đổi công suất giữa các đơn vị điện lực Thêm vào đó, nhiều bài toán phân tích như ổn định quá độ và nghiên cứu các quá trình ngẫu nhiên,… cũng đòi hỏi các kết quả tính toán chế độ xác lập

Hệ thống điện ngày càng phát triển cả về phạm vi hoạt động và tổng công suất Xu hướng phát triển của hệ thống điện là từ các nhà máy điện riêng rẽ cung cấp điện riêng

rẽ cho các khu vực phụ tải độc lập; các nhà máy điện và phụ tải được nối với nhau thành các hệ thống điện khu vực và các hệ thống điện này được nối với nhau bằng các đường dây dài thành hệ thống điện thống nhất quốc gia, và cuối cùng hệ thống điện giữa các quốc gia lại được liên kết với nhau Hệ thống điện hợp nhất như vậy đem lại nhiều lợi ích như tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, có thể sử dụng một cách kinh tế các nguồn nhiên liệu khác nhau, giảm đáng kể công suất dự trữ trong hệ thống điện do

đó cho phép xây dựng các nhà máy điện có tổ máy công suất lớn có các đặc tính kinh

tế cao

Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện

áp một cách nhanh chóng Công nghệ FACTS là duy nhất hiện nay có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện

Mặt khác, một khó khăn của khóa học giảng dạy về phân tích hệ thống điện là không có một hệ thống điện thực như trong các phòng thí nghiệm Do đó, cần phải bổ sung một hệ thống mô phỏng dựa trên máy tính khi giảng dạy về phân tích hệ thống điện Các chương trình mô phỏng này là một công cụ rất có giá trị đối với sinh viên Chúng cho phép các sinh viên sử dụng nhiều thời gian hơn vào việc phân tích và thiết

kế các hệ thống điện thực và cần ít thời gian hơn cho lập trình

Từ cơ sở khoa học và thực tiễn nêu trên, cần thiết phải xây dựng một chương trình

mô phỏng hệ thống điện dựa trên máy tính Phân tích và điều khiển hệ thống điện gồm nhiều lĩnh vực như tính toán trào lưu công suất (standard power flow, continuation

power flow, optimal power flow,…), tính toán ổn định (small signal stability analysis, dynamic stability analysis),… Mục đích của luận văn là xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện bao gồm thiết bị bù có điều khiển SVC phục vụ giảng dạy

Nội dung của luận văn gồm các chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTS)

Chương 2: Cấu trúc, hoạt động và đặc tính điều khiển của thiết bị bù SVC

Chương 3: Các phương pháp tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện

Chương 4: Các mô hình mô tả SVC trong chế độ xác lập

Chương 5: Các kết quả tính toán nhằm kiểm tra tính đúng đắn của chương trình và bước đầu khẳng định hiệu quả của SVC

SVC chỉ là một phần trong hệ thống FACTS Các thiết bị FACTS có tác dụng lớn trong việc cải thiện chế độ xác lập, đồng thời còn nâng cao tính ổn định của hệ thống

và nâng cao chất lượng điện năng Việc xét tổng thể ưu nhược điểm của các thiết bị nói trên đòi hỏi không những tính toán trong chế độ xác lập, mà còn các tính toán quá trình quá độ của hệ thống điện Nội dung này vượt quá khuôn khổ của bản luận văn, cần được nghiên cứu phát triển thêm về sau

Chương 1

HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN LINH HOẠT (FACTS) – THIẾT

BỊ VÀ ỨNG DỤNG

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Sự phát triển nhanh chóng trong nhu cầu sử dụng điện, cùng với nhu cầu giảm chi phí năng lượng dẫn đến việc xây dựng và phát triển các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải lớn, chẳng hạn như các nhà máy thủy điện xây dựng ở nguồn nước nơi có cột áp và lưu lượng dòng chảy lớn, các nhà máy nhiệt điện xây dựng gần nguồn nhiên liệu, các nhà máy địa nhiệt và thủy triều chỉ có thể xây dựng ở một số địa điểm, còn nhà máy điện hạt nhân thì được xây dựng xa khu đô thị Do đó cần thiết phải xây dựng hệ thống truyền tải điện để đưa điện từ nguồn phát đến trung tâm phụ tải Hơn nữa, để tăng cường độ tin cậy của hệ thống, các đường dây truyền tải cần có độ dự trữ cao, có thể liên kết hệ thống điện các miền, các khu vực với nhau

Hệ thống truyền tải điện thường là 3 pha xoay chiều, vận hành ở các cấp điện áp khác nhau (thông thường là 230kV trở lên) Với yêu cầu ngày càng tăng về công suất

và khoảng cách truyền tải, các cấp điện áp truyền tải cũng ngày càng tăng lên để giảm tổn thất

Khả năng tải của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào các yếu tố sau (hình 1.1):

Hình 1.1 Giới hạn hoạt động của hệ thống truyền tải với các cấp điện áp khác nhau

Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission Systems) đã được tiến hành vào cuối năm 1980 nhằm giải quyết 2 vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn đã định trước Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện

tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện

áp một cách nhanh chóng Công nghệ FACTS là duy nhất có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật

lý khác nhau để điều khiển công suất Để điều khiển công suất một cách có hiệu quả trong hệ thống điện, cần xem xét đến các yếu tố giới hạn khả năng truyền tải và xác định rõ lợi ích đạt được khi áp dụng các thiết bị điều khiển FACTS

1.2 ĐỊNH NGHĨA VÀ MÔ TẢ CÁC THIẾT BỊ CÓ ĐIỀU KHIỂN FACTS

1.2.1 Các thiết bị điều khiển FACTS cơ bản

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện 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

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 1.2): 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 1.2 Bộ điều khiển nối tiếp

Thiết bị điều khiển song song (hình 1.3): 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 1.3 Bộ điều khiển song song

Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- nối tiếp (hình 1.4): 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 1.4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- song song (hình 1.5): 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 1.5 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp- song song

1.2.2 Thiết bị bù có điều khiển song song

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 1.6 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 1.6) 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)

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 (cuộn kháng có tham số được điều chỉnh trơn)

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 mở 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

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 hoạc hoặc là dẫn dòng hoàn toàn của van thyristor

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 hệ thống điện

- 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)- Máy bù 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 1.7 Cấu tạo của STATCOM

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

Với bộ biến đổi 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

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

Hình 1.8 Hãm điện điều khiển bằng thyristor TCBR

1.2.3 Thiết bị bù có điều khiển nối tiếp

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 1.9 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 biến đổi nguồn áp hoặc bộ biến đổi 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 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 các SSSC, 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

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 – điều này khác với SSSC TCSC cũng là một 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 mở 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

mở thay đổi từ 1800 về nhỏ hơn 1800, điện kháng dung sẽ tăng lên Khi góc mở 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 mở 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

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 mở là 00hoặc 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 1.10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

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

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 1.11 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

1.2.4 Thiết bị bù có điều khiển kết hợp nối tiếp- song song

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 1.12 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 hệ thống điện

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện

- 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 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 1.13 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

1.2.5 Các bộ điều khiển khác

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 1.15, 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 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

Hình 1.14 TCVL thông thường

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

1.3 CÁC LỢI ÍCH VÀ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ 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 giới hạn nhiệt của nó 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 giới hạn 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 hạn chế dao động điện cơ của

hệ thống điện và thiết bị, động cơ

- Tạo mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa các điện lực 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

- 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

Bảng 1.1 So sánh hiệu quả của một số thiết bị FACTS [1]

Các thiết bị FACTS đã được thiết kế và chế tạo với nhiều loại khác nhau tương ứng với các loại điều khiển và các thông số điều khiển trong hệ thống điện Nhìn chung thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị điều khiển dọc, ngang và tổ hợp giữa chúng

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

Nói chung các thiết bị FACTS đều đắt tiền, nhất là các thiết bị điều khiển hỗn hợp,

có thể bù dọc lẫn bù ngang Chính vì thế các thiết bị điều khiển hỗn hợp như UPFC, TCPST, ít được ứng dụng trong thực tế Trên thế giới hiện nay, có 2 loại thiết bị FACTS đã được lắp đặt nhiều và đã chứng tỏ được hiệu quả hoạt động của chúng, đó

là TCSC để bù dọc và SVC để bù ngang

Chương 2

THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC

2.1 CÁC CẤU TRÚC ĐIỂN HÌNH CỦA SVC

Có 2 cấu trúc điển hình của SVC:

- Fixed capacitor – Thyristor Controller Reactor (FC – TCR)

- Thyristor Switched Capacitor - Thyristor Controller Reactor (TSC – TCR)

So với cấu trúc thứ 1, cấu trúc thứ 2 linh hoạt hơn, có công suất của điện kháng nhỏ hơn nên tạo ra ít sóng hài, có đặc tính tốt hơn trong điều kiện sự cố Tốc độ đáp ứng của cả 2 cấu trúc SVC hoàn toàn giống nhau Đóng cắt nhanh các tụ điện được sử dụng để giảm quá điện áp và để đáp ứng tốt hơn dưới điều kiện sự cố

Sơ đồ của SVC kiểu TSC – TCR được cho trên hình 2.1 Từ hình 2.1, ta thấy TCR

và TSC được nối vào phía thứ cấp của máy biến áp giảm áp

Mạch lọc cộng hưởng (tunes filters) và mạch lọc cho qua tần số cao (high pass filters) được kết nối song song, giúp tạo ra công suất phản kháng dung tính tại tần số

cơ bản Tín hiệu điện áp được lấy từ phía cao áp nút đặt SVC bằng cách sử dụng máy biến điện áp

TSC được đóng bằng cách đóng 2 thyristor đấu lưng (back to back) tức thời trong một chu kỳ khi điện áp qua valve có trị số dương nhỏ nhất Điều này sẽ làm cho quá trình quá độ khi đóng cắt là nhỏ nhất Trong chế độ xác lập, TSC không tạo ra sóng hài Để cắt TSC, xung cổng được khóa và các thyristor cắt khi dòng qua chúng nhỏ hơn dòng giữ (holding current) Khi điện áp định mức của một thyristor không thích hợp với yêu cầu mức điện áp thì người ta nối tiếp vài cặp thyristor Để hạn chế di/dt trong TSC, cần thiết phải nối tiếp một điện kháng nhỏ với tụ điện

Hình 2.1 Cấu trúc điển hình của SVC (kiểu TSC – TCR)

2.2 ĐIỆN KHÁNG ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCR)

Dòng qua TCR có thể thay đổi liên tục từ trị số bằng 0 (ứng với góc dẫn bằng 0) tới giá trị cực đại (ứng với góc dẫn bằng 180o) bằng cách điều khiển góc cắt αtừ 180ođến 90o Dòng điện tức thời qua TCR trong một nửa chu kỳ được cho như sau:

Trong đó: V – biên độ của điện áp đặt

XL – điện kháng tại tần số cơ bản

a) Mạch TCR b) Dạng sóng của v và i

c) Dạng sóng của v L và v T

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR

Mối quan hệ giữa góc dẫn σ và góc cắt α như sau:

( )2

σ = π − αDòng điện qua TCR có chứa các sóng hài bậc lẻ Giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc n được xác định như sau:

( )

n L

Bảng 2.1 Giá trị biên độ của các dòng điện sóng hài

Bậc sóng hài Giá trị biên độ (%)

a) Sự biến thiên của I 1 và I h theo α(o) b) Sự biến thiên của I 5 và I 7

Hình 2.3 Sự biến thiên của dòng điện tần số cơ bản và các thành phần sóng hài theo

góc mở

Bằng cách kết nối TCR theo kiểu ∆, các sóng hài bội 3 sẽ không xuất hiện ở phía đường dây Dòng điện trên đường dây có sóng hài bậc n = 6k ± 1 (k là một số nguyên)

Giả sử rằng dòng điện qua TCR giống nhau về dạng sóng và giá trị biên độ trong

cả ba pha, góc lệch pha giữa các dòng điện pha này bằng 120o Điều này chỉ có được khi góc α như nhau trong các pha Để hạn chế các sóng hài đi vào hệ thống điện, một vài tụ điện cố định được mắc nối tiếp với bộ lọc cộng hưởng Để giảm thêm sóng hài,

có thể sử dụng cấu trúc TCR 12 xung Khi đó, dòng điện trên đường dây sẽ có sóng hài bậc n = 12k ± 1 (k là số nguyên)

Một cách khác để giảm sóng hài được tạo ra bởi TCR là phân TCR thành 2 hay nhiều nhánh kết nối song song

Vc Vb Va

I TCRa I TCRb

I TCRc I

TCR1

I TCR2

I TCR3

Nh¸nh 1 Nh¸nh 2 Nh¸nh 3

Hình 2.4 Cuộn kháng được điều khiển bằng thyristor 3 pha

2.3 THYRISTOR SWITCHED CAPACITOR (TSC)

Khi một tụ điện được đóng vào một nguồn áp hình sin, một sóng dòng điện lớn sẽ

đi qua tụ điện nếu điện áp ban đầu của tụ điện khác với điện áp cung cấp tại thời điểm đóng Dòng qua tụ điện sẽ được xác định (tương ứng với giá trị xác lập) nếu điện áp ban đầu của tụ điện bằng với điện áp cung cấp tại thời điểm đóng Tuy nhiên, tốc độ thay đổi của dòng điện (di/dt) sẽ rất lớn, trên cả định mức của thyristor Để hạn chế (di/dt), cần thiết phải mắc nối tiếp một điện kháng với tụ điện như hình 2.5

Hình 2.5 TSC với điện kháng nối tiếp

Điện áp cung cấp được định nghĩa như sau:

Thực tế, không thể thỏa mãn đồng thời 2 điều kiện này Điều kiện (2.7) ngụ ý rằng

tụ điện phải được nạp trước và điều này là không có thật Nói chung, điện áp dư trên tụ điện VCo có thể biến thiên từ 0 đến 2Vn / n 1 2 ( 2 − ) Có 2 chiến lược đóng mạch tùy thuộc vào giá trị của VCo

2 2 tr

2

C Co 2

AC

2 Co

CHIẾN LƯỢC 2 (V Co > 0 75 2, V )

Ở đây, tụ điện được đóng khi điện áp nguồn cung cấp đạt giá trị cực đại Tại thời điểm này: cos α = 0 Dòng điện quá độ được xác định theo biểu thức:

2 Co

Hình 2.6 Sự biến thiên của (I tr /I AC ) theo n ứng với các giá trị r khác nhau (chiến lược

1)

Hình 2.7 Sự biến thiên của (I tr /I AC ) theo n ứng với các giá trị r khác nhau (chiến lược

2)

Mặc dù, sự nạp trước của tụ điện có thể loại trừ được hiện tượng quá độ nhưng phương pháp này không được sử dụng trong các ứng dụng của TSC trên các đường dây truyền tải điện

Khi thyristor được cắt, dòng qua tụ điện bằng 0 và điện áp đặt lên tụ điện là giá trị cực đại của điện áp nguồn Điện áp đặt lên các chuyển mạch thyristor đạt giá trị bằng 2 lần điện áp cực đại khi điện áp nguồn đảo dấu và đạt giá trị cực đại Điện áp đặt lên tụ điện giảm chậm tùy thuộc vào tổn thất trong mạch Vì vậy, thyristor trong TSC có định mức bằng 2 lần biên độ điện áp đỉnh (2 2V), trong khi thyristor trong TCR là 2V

2.4 ĐẶC TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA SVC

Luật điều khiển chế độ xác lập của SVC là đặc tính điện áp – dòng điện nổi tiếng:

ref SL

Trong đó: XLS là độ dốc của đường đặc tính, có giá trị điển hình nằm trong phạm

vi từ 0,02 đến 0,05 pu tính theo giá trị cơ bản SVC Tại giới hạn điều chỉnh điện áp, SVC được thay đổi thành điện kháng cố định Giá trị điển hình của phạm vi điện áp được điều khiển là 10% [33]

Đặc tính V-I của SVC được cho trên hình 2.8 với giả sử rằng vùng điện dung và vùng điện cảm của SVC là giống nhau và dòng điện SVC được viết trong hệ đơn vị tương đối so với dòng điện lớn nhất qua SVC Imax

Hình 2.8 Đặc tính điều khiển của SVC

Đối với SVC kiểu FC – TCR, công suất phản kháng được tạo ra là:

Hình 2.9 Điện kháng tương đương của TCR

Từ hình 2.9, thấy rằng giới hạn của thiết bị SVC là ± Imax khi V biến thiên từ Vmin đến Vmax và QSVC biến thiên từ QmaxC đến QmaxL Do đó, mô hình đặc trưng cho thiết bị SVC là một nguồn công suất phản kháng phía sau một điện kháng độ dốc với giới hạn QSVC Hạn chế của cách tiếp cận này là xem xét SVC vi phạm giới hạn công suất phản

kháng tại giá trị điện áp max/min Tuy nhiên, SVC là một điện kháng biến thiên và giới hạn điều khiển là giới hạn góc mở α Từ biểu thức (2.12) nhận thấy công suất phản kháng tạo bởi SVC sẽ lớn hơn trị số giới hạn công suất phản kháng dung tính max khi giới hạn góc mở có được tại giá trị điện áp cao hơn điện áp có thể điều khiển nhỏ nhất (thường 0,95 pu) Điều này đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu hiện tượng sụp đổ điện áp

Nếu vùng điện cảm và điện dung của SVC bằng nhau, tức là QmaxC = QmaxL, với giới hạn công suất phản kháng đạt được giới hạn điện áp thì giới hạn công suất phản kháng được xác định như sau:

2 min max C

C

max max maxL

V Q

2.5 ÁP DỤNG SVC

Áp dụng quan trọng của SVC là điều chỉnh nhanh điện áp và điều khiển quá điện

áp tạm thời gây ra bởi sự thay đổi tải, các sự cố và các nhiễu quá độ khác Điều chỉnh công suất phản kháng động tại nút tải làm tăng công suất tác dụng truyền tải và có thể giải quyết vấn đề không ổn định điện áp trong các điều kiện ngẫu nhiên

Để điều chỉnh điện áp trong chế độ xác lập, người ta có thể dùng các tụ điện và điện kháng được đóng cắt bằng cơ khí (MSC và MSR) Tuy nhiên, trong các điều kiện quá độ, để không mất ổn định thì yêu cầu phải điều chỉnh nhanh điện áp

Tính điều khiển nhanh có được do sử dụng các thyristor đóng cắt cũng được sử dụng để cải thiện ổn định hệ thống (cả ổn định quá độ và ổn định tín hiệu nhỏ) Việc

sử dụng các bộ điều khiển cản phụ có thể giúp ngăn cản dao động công suất tần số thấp khi có tải lớn trên đường dây liên kết

Vị trí của SVC cũng là vấn đề quan trọng Nếu chỉ sử dụng một SVC trên đường dây và mục đích là bù trên đường dây dài thì SVC được đặt tại vị trí giữa đường dây Nếu đường dây rất dài thì nhiều SVC phải được sử dụng Ví dụ, nếu 2 SVC được sử dụng thì một SVC được đặt tại khoảng cách d/3 tính từ đầu đường dây, một SVC được đặt tại khoảng cách d/3 tính từ cuối đường dây (d là chiều dài của đường dây) [2]

Khi SVC được sử dụng để tăng công suất truyền tải trong mạng điện thì vị trí của

nó có thể được xác định bởi độ nhạy điện áp tại các nút có tính quyết định so với công suất phản kháng đưa vào (∆ V / Qi ∆ j) Tổng quát, các nút có mức ngắn mạch thấp là các nút thích hợp Một cách ngẫu nhiên, máy bù đồng bộ có thể làm tăng mức độ sự cố khi điều chỉnh công suất phản kháng Ngược lại, SVC không làm tăng mức độ sự cố Điều này không làm tăng công suất cắt ngắn dòng sự cố của các máy cắt Nói cách khác, để điều khiển công suất phản kháng tại các trạm biến đổi HVDC với mức ngắn mạch thấp, máy bù đồng bộ giúp điều chỉnh điện áp và chất lượng hệ thống [2]

SVC có một vài ưu điểm so với máy bù đồng bộ là:

- Đáp ứng nhanh trong điều kiện quá độ

- Không có phần quay nên đòi hỏi ít chi phí bảo dưỡng, sửa chữa

- Không có vấn đề mất đồng bộ

- Không đóng góp thêm dòng điện ngắn mạch