Nghiên cứu vị trí đặt tối ưu của TCSC để nâng cao ổn định điện áp

Một hệ thống có thể mất ổn định khi có kích động nào đó dẫn đến điện áp giảm mạnh mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động không cải thiện được điện áp.. * Ổn định điện áp tĩ

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

-

LÊ TIÊN PHONG

NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ ĐẶT TỐI ƯU CỦA TCSC

ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS Trương Ngọc Minh

HÀ NỘI - 2009

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4

LỜI MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 8

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 8

1.1 Khái quát về ổn định điện áp 8

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp 13

1.3 Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp 13

1.3.1 Các biện pháp vận hành 13

1.3.2 Các biện pháp thiết kế 14

1.4 Kết luận 18

CHƯƠNG 2 20

THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP TCSC 20

2.1 Cấu trúc chung của TCSC 20

2.1.1 Cấu tạo của TCR 21

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của TCR 21

2.1.3 Các hiệu ứng phụ 26

2.2 Chế độ làm việc của TCSC 30

2.3 Đặc tính làm việc của TCSC: 31

2.4 Mô hình phần điều khiển TCSC 35

2.4.1 Mô hình điều khiển ngoài của TCSC 35

2.4.2 Mô hình điều khiển trong của TCSC 37

2.5 Phân tích hiệu quả của tụ bù nối tiếp TCSC tới việc tăng khả năng tải và ổn định điện áp của hệ thống điện 39

2.5.1 Tăng công suất truyền tải 39

2.5.2 Nâng cao ổn định điện áp 41

2.6 Kết luận 42

CHƯƠNG 3 44

LÝ THUYẾT GIAO NHAU TẠI ĐIỂM YÊN NGỰA 44

3.1 Đặt vấn đề 44

3.2 Lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa 44

3.2.1 Mô hình toán học 44

3.2.2 Các tính chất của hiện tượng giao nhau điểm yên ngựa 46

3.3 Giao nhau điểm yên ngựa và sụp đổ điện áp 47

3.3.1 Giao nhau điểm yên ngựa trong hệ thống điện đơn giản 51

3.3.2 Mô hình biến thiên liên tục của công suất phụ tải 53

3.4 Phương pháp dòng công suất liên tục xác định điểm giao nhau yên ngựa 55

3.4.1 Các hệ phương trình cân bằng dòng và cân bằng công suất nút 57

3.4.2 Thuận toán Newton-Raphson 62

3.4.3 Thuật toán dòng công suất liên tục 67

3.5 Phương pháp đánh giá trị riêng để xác định nút có nguy cơ sụp đổ điện áp 74

3.5.1 Khái niệm trị riêng và véc tơ riêng 74

3.5.2 Chỉ tiêu độ nhạy nút 77

CHƯƠNG 4 79

TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ IEEE 173 NÚT 79

4.1 Phần mềm UWPFLOW 79

4.2 Sơ đồ tính toán 80

4.3 Kết quả tính toán và nhận xét 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CĐXL Chế độ xác lập

QTQĐ Quá trình quá độ

HTĐ Hệ thống điện

FACTS Flexible AC Transmission System

TCR Thyristor Controlled Reactor

SĐĐA Sụp đổ điện áp

CSPK Công suất phản kháng

SVC Static Var Compensator

STATCOM STATic synchronous Compensator

CSTD Công suất tác dụng

TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

UPFC Unified Power Flow Controller

MBA Máy biến áp

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng B4.31 Kết quả tính toán khi đặt TCSC tại nút 114 trên đường dây

114-110 với các thông số điều khiển

85

Bảng B4.32 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–110 85 Bảng B4.33 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–106 86 Bảng B4.34 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–101 87 Bảng B4.35 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây 114–104 88 Bảng B4.36 Bảng so sánh hiệu quả giữa vị trí đặt TCSC tại nút 114 89

Bảng B4.38 Giá trị λmax khi đặt TCSC vào nút 101 trên các đường dây

Hình H2.13 Phương pháp điều khiển dòng của thyristor 22 Hình H2.14 Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR

Hình H2.16: Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của TCR theo α 27 Hình H2.17: Phương pháp điều khiển tuần tự để giảm sóng hài bằng 4 TCR 28 Hình H2.18: Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dòng điện 29

Hình H2.31: Đặc tính điều chỉnh của TCSC theo XL 32

Hình H2.34 Quan hệ giữa dòng điện và điện kháng của TCSC 34 Hình H2.35 Các chế độ điều khiển dung kháng của TCSC 34

Hình H2.42: Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định của TCSC 36 Hình H2.43: Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ

Hình H2.44: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm

Hình H2.52 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện 39 Hình H2.53 Quan hệ P(δ) với các hệ số bù khác nhau 40 Hình H2.54 Hệ thống điện đơn giản 1 nguồn cung cấp và tổng trở Z 41

Hình H3.21: Đồ thị giao của hàm bậc hai đơn giản 46 Hình H3.22 : Biểu đồ thời gian mất ổn định của hệ thống 47 Hình H3.31 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 2 nút 47 Hình H3.33 Đồ thị P, V, I theo sự biến thiên của phụ tải 48 Hình H3.33 Đồ thị PR -VR của phụ tải với hệ số công suất khác nhau 50 Hình H3.34: Đặc tính V-Q của phụ tải khi công suất phụ tải thay đổi 50

Hình H3.43 Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson 65 Hình H3.44 Mô tả các bước của thuật toán dòng công suất liên tục 68 Hình H3.45 Sơ đồ khối thuật toán dòng công suất liên tục 73 Hình H3.51 Sự thay đổi của độ nhạy với công suất phụ tải 78

Hình H4.31: Đặc tính P-V các nút 114, 101, 106 khi không có TCSC 81 Hình H4.32: Đặc tính P-V các nút 114, 101, 106 khi đặt TCSC trên đường

Hình H4.33: Đặc tính P-V của các nút 114, 101, 106 khi đặt TCSC vào nút

Hình H4.34: Đặc tính P-V của các nút 114, 101, 106 khi đặt TCSC vào nút

Hình H4.35: Đặc tính P-V của các nút 114, 101, 106 khi đặt TCSC vào nút 114-110 và theo các phương thức điều khiển TCSC 84 Hình H4.36 Đặc tính P-V nút 114 khi đặt TCSC vào nút 114 đường dây

Hình H4.310 Đặc tính P-V nút 101, 106 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt

Hình H4.311 Đặc tính P-V nút 101 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt

TCSC vào nút 101 trên các đường dây 101-99, 101-129 91 Hình H4.312 Đặc tính P-V nút 106 lúc chưa đặt TCSC và sau khi đặt

TCSC vào nút 106 trên các đường dây 106-115, 106-166 92

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, các hệ thống điện (HTĐ) truyền tải điện xoay chiều trên thế giới đều phức tạp về thiết bị, cấu trúc và rộng lớn về mặt địa lý Tuy nhiên, do nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng lớn, điều kiện kinh tế và các yêu cầu về môi trường đã hạn chế việc xây dựng các hệ thống truyền tải và nhà máy điện mới, nên nhiều công ty điện buộc phải vận hành hệ thống hiện tại gần với giới hạn ổn định

Như đã biết, khi các thông số chế độ của hệ thống, đặc biệt là công suất phụ tải thay đổi, thì điện áp tại các nút cũng thay đổi theo Khi phụ tải tăng đến một giá trị giới hạn nào đó, thì có thể xảy mất ổn định điện áp và gây sụp

đổ điện áp Hiện tượng này đặc trưng bởi điện áp giảm đột ngột tại một số hoặc thậm chí tất cả các nút trong HTĐ và có thể chỉ xảy ra trong một khu vực hoặc có thể xảy ra khắp hệ thống làm tan rã HTĐ

Với mục tiêu nâng cao ổn định điện áp và khả năng tải của HTĐ, luận văn đề cập đến vấn đề ổn định tĩnh và nghiên cứu hiệu quả của TCSC trong HTĐ

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy, các cô trong bộ môn Hệ thống điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự chỉ dẫn

trực tiếp và tận tình của thầy TS Trương Ngọc Minh đã giúp em hoàn thành

luận văn này

Tuy nhiên, do thời gian và khả năng có hạn nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô

Học viên thực hiện

Lê Tiên Phong

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 1.1 Khái quát về ổn định điện áp

Ổn định điện áp đang là vấn đề được nhiều quốc gia chú ý do nhiều sự

cố mất điện nghiêm trọng liên quan đến mất ổn định điện áp đã xảy ra trong vài thập niên gần đây

Do việc xây dựng mới các đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn nên các HTĐ có thể phải vận hành cả gần với giới hạn ổn định nên cần phải

có các biện pháp cải thiện công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp Nếu các sử dụng các biện pháp không hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục, hệ thống

có thể mất ổn định Để tìm hiểu vấn đề này, ta tìm hiểu một số khái niệm liên quan đến ổn định điện áp:

* Ổn định của HTĐ: là khả năng của một hệ thống điện duy trì được

trạng thái cân bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng mới khi có kích động nào đó đến hệ thống

* Ổn định điện áp (Voltage Stability): là khả năng của một HTĐ khôi

phục lại điện áp ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại phụ tải ÔĐĐA về bản chất là 1 trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm soát điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên điện áp

Một hệ thống có thể mất ổn định khi có kích động nào đó dẫn đến điện

áp giảm mạnh mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động không cải thiện được điện áp Nguyên nhân chính gây mất OĐĐA thường là do HTĐ không đáp ứng đủ nhu cầu CSPK Tuy hệ thống không OĐĐA là hiện tượng mang tính cục bộ nhưng hậu quả của nó lại có thể nghiêm trọng như sự cố

SĐĐA Sự sụt giảm điện áp có thể diễn ra trong vài giây cho tới vài phút

* Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability): là khả năng của

HTĐ có thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất phụ tải Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với chế độ xác lập của HTĐ

Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng với công suất phản kháng cấp vào thanh cái đó Cụ thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh nếu 0

dQ

dV > và ngược lại nếu 0

dQ

dV < thì hệ thống không đạt chỉ tiêu ổn định tĩnh

thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn

Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức

⇒ Hậu quả của mất ổn định điện áp:

Mất ổn định điện áp gây tác động trực tiếp đến các phụ tải Với các nhà máy công nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc

và chất lượng sản xuất Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an toàn trong công nghiệp cũng không đảm bảo Mất ổn định điện áp còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề về sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện sinh hoạt

Trong đó, SĐĐA là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ SĐĐA

thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy phát, mất

đường dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho phép rất nhanh Các biện pháp giữ ổn định điện áp đã đạt đến giới hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên tiếp trên khắp hệ thống trong thời gian rất ngắn Hậu quả của sụp đổ điện áp

là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã

Các sự cố SĐĐA của các HTĐ lớn nhất thế giới từ vài thập niên trước cho đến những năm gần đây đã cho thấy tầm quan trọng của việc đảm bảo ÔĐĐA

Dưới đây là một số sự cố SĐĐA đã xảy ra trên thế giới:

xác yêu cầu công suất của phụ tải, các biện pháp ngăn chặn mất ổn định điện

áp không hiệu quả nên các máy cắt đã cắt 3 đường dây 500 kV khỏi hệ thống làm điện áp trong hệ thống sụt giảm mạnh, công suất tác dụng cấp cho phụ tải thiếu Các rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá thấp Sụp đổ điện áp xảy ra khiến một khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW

bị mất điện trong thời gian ngắn

biến áp và 2 đường dây 400 kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ thống Khoảng 8 giây sau một đường dây 220 kV làm việc quá tải tiếp tục bị cắt ra Trong khi

đó các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải liên tục chuyển nấc để phục hồi điện áp tải làm cho điện áp trên lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện tăng cao trên đường dây chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự

cố Gần một phút sau, một đường dây 400 kV khác quá tải và bị cắt khỏi hệ thống Cả tần số và điện áp của hệ thống bị suy giảm theo chuỗi Các biện pháp sa thải phụ tải dưới tần số và điện áp không thể giúp hệ thống tránh khỏi tan rã Ước tính khu vực phụ tải rộng lớn phía Nam Thụy Điển bị mất điện lên tới 11400 MW

- Sự cố tại Tokyo, Nhật Bản ngày 23/07/1987: khí hậu quá nóng dẫn tới

sự tăng bất thường của phụ tải vào thời điểm giữa trưa với cường độ 400MW/phút Điện áp trên đường dây 500 kV giảm chỉ còn khoảng 460 kV mặc dù toàn bộ các tụ bù dọc đường dây đã được đóng vào hệ thống Vài phút sau, điện áp của đường dây 500 kV chỉ còn 370 kV và sụp đổ điện áp bắt đầu xảy ra Khu vực phụ tải bị mất điện ước tính khoảng 8170 MW

hệ thống điện nước ngoài cấp vào Nhu cầu phụ tải tăng nhanh đột ngột gấp 1,5 lần thường lệ Sau vài phút, điện áp giảm nhanh Các máy biến áp điều áp dưới tải ở lưới cao áp bị khóa lại Điện áp trên đường dây 400 kV phía Tây nước này nằm trong khoảng 342 – 374 kV Sau khi một đường dây chính 400kV quá tải và bị cắt ra khỏi hệ thống thì sụp đổ điện áp diễn ra Phải sau vài giờ đồng hồ toàn bộ hệ thống mới được khôi phục Ước tính phụ tải bị mất điện lên tới 29 GW Tổn thất về mặt kinh tế là rất lớn

Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà nguyên nhân của các sự cố là vì rất nhiều các lý do khác nhau Do đó, rất nhiều nghiên cứu về SĐĐA đã và đang được thực hiện

Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định Khi có thay đổi nào đó trong HTĐ thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động Nếu dao động lớn thì HTĐ có thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình quá

độ để thiết lập lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới Nếu

sự thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi Đây chính là mục tiêu mong muốn khi vận hành HTĐ

Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn đến không có điểm vận hành ổn định nữa Vì không tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp đặc trưng bởi

sự SĐĐA Sự SĐĐA này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó

là giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã

Quá trình SĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới vài phút như sau:

(1) Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất – như SVC, HVDC) trong vài giây

(2) Các thiết bị đóng cắt rời rạc, như các đầu phân áp của các máy biến

áp (MBA) điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây

(3) Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút

Khi phân tích OĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn Hình H1.11 mô tả hiện tượng SĐĐA theo các giai đoạn vừa đề cập

Hình H1.11 Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian

Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu

phân áp, các bộ giới hạn kích từ…

Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,

HVDC, động cơ cảm ứng…

Các thay đổi chậm - thời gian dài Khôi phục tải

Các thay đổi nhanh - thời gian ngắn

SĐĐA thường xảy ra với các HTĐ phải vận hành ở gần điểm giới hạn tải, hoặc khi HTĐ có sự cố nào đó như sự cố đứt dây, gây ra Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống và thông số của các phần tử đó

Dễ nhận thấy rằng tuy SĐĐA thường liên quan đến một khu vực nào đó trong

hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ thống

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp

- Công suất truyền tải trên các đường dây quá lớn

- Điện áp tại nguồn phát quá thấp

- Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa

- Dung lượng bù công suất phản kháng không đủ

- Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ

Đặc tính về truyền tải công suất phản kháng của đường dây, đặc tính của máy biến áp và đặc tính của phụ tải làm giới hạn khả năng truyền tải của

hệ thống Hệ thống không thể truyền tải một lượng công suất vô cùng lớn đến các phụ tải xa Công suất phản kháng cũng không thể truyền đi quá xa do tổn thất lớn

1.3 Một số biện pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp

1.3.1 Các biện pháp vận hành

a Giới hạn ổn định

Hệ thống nên vận hành với một giới hạn OĐĐA cho phép bằng cách xây dựng kế hoạch sử dụng các nguồn CSPK phù hợp Nếu sự cố SĐĐA không thể ngăn chặn được bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống, thì công suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự phòng phải được khởi động

b Dự trữ quay

Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để duy trì điện áp trong phạm vi cho phép Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp

c Người vận hành

Yêu cầu đối với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên quan đến OĐĐA và kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng SĐĐA phải

được thiết lập ngay

1.3.2 Các biện pháp thiết kế

a Điều khiển điện áp máy phát

Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR (automatic voltage regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được điều chỉnh Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo OĐĐA

b Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển

Một trong các nguyên nhân dẫn đến SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ, điều khiển Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất

cần thiết

c Điều khiển đầu phân áp của MBA

Người ta có thể thay đổi đầu phân áp của MBA để giảm nguy cơ SĐĐA Tuy nhiên, nếu không có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phân

áp của MBA thì biện pháp này phải không được dùng nữa khi điện áp phía nguồn giảm Đầu phân áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn hồi phục

d Sa thải phụ tải

Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải phụ tải Đây là biện pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan rộng Điều này đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong

hệ thống gây mất OĐĐA thấp Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu quả nghiêm trọng Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yểu tố cần chú ý khi sử dụng biện pháp này

Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự cố, sụt giảm điện

áp thoáng qua, và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng SĐĐA Tuy nhiên, phương pháp này không nên sử dụng nếu có thể

e Sử dụng các thiết bị FACTS

Các yêu cầu về cách điện, về nhiệt của các khí cụ điện, về ổn định của

hệ thống điện sẽ quy định giới hạn công suất tối đa truyền tải trên các đường dây Việc xây dựng thêm các tuyến truyền tải mới là biện pháp làm tăng lượng công suất truyền tải cho hệ thống điện nhưng khó thực hiện do chi phí đầu tư xây dựng, thời gian thi công, quỹ đất cho các hành lang an toàn của tuyến đường dây bị hạn chế

Mặt khác, khi các thông số của hệ thống điện như công suất phụ tải thay đổi thì điện áp cũng có thể thay đổi theo Người làm công tác điều độ thực hiện việc điều chỉnh bằng cách điều chỉnh máy phát, máy biến áp Khi các thiết bị này đều đạt đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh không thể thực hiện

Vì thế khi hệ thống điện phát triển nhanh đòi hỏi cần phải đưa vào những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống

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 nhằm nâng cao khả năng truyền tải của các hệ

thống truyền tải và nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện 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 Các thiết bị FACTS chính bao gồm:

- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng Thyristor Công suất đầu ra của SVC có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung nhằm duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc được điều khiển thyristor TCSC 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

- Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù đồng bộ tĩnh Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng công suất phản kháng theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho bộ chuyển đổi điện STATCOM có thể được thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc

để lọc các sóng hài

- Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dòng công suất, có khả năng điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài

Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS được lắp đặt tại vị trí phù thợp, thì giới hạn công suất truyền tải của

hệ thống tăng lên đáng kể Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra có hiệu quả trong việc ngăn ngừa SĐĐA

Nhìn chung, các thiết bị FACTS này có tác dụng:

- Điều khiển điện áp tại nút đặt thiết bị FACTS để ổn định điện áp, nhờ

đó chất lượng điện áp được nâng cao

- Điều khiển công suất tác dụng, phản kháng tại nút được bù

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

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

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

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

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

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

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

- Tiêu chuẩn Lyapunov: sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của số hạng tự

do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi phân QTQĐ có thể phát hiện được hầu hết các trường hợp mất ổn định HTĐ (còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ) Dựa trên tiêu chuẩn này, những cách phân tích tính toán ổn định tĩnh cho HTĐ phức tạp đã được xây dựng và đặc biệt tiện lợi khi tìm các thông số giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh

Tuy nhiên, hạn chế chủ yếu của các tiêu chuẩn này là chỉ xét được hệ thống có ổn định hay không mà không xét được hiệu quả của các thiết bị tự động điều chỉnh, không đánh giá được nút yếu nhất trong hệ thống điện Do

đó cần phải có tiêu chuẩn khác để đánh giá

Như đã phân tích trong mục 1.1, có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới sự ổn định điện áp của hệ thống như phụ tải biến thiên, đóng cắt các đường dây Khi các biện pháp điều chỉnh thông thường như điều chỉnh kích từ máy phát, điều chỉnh đầu phân áp của các máy biến áp, đạt giới hạn điều chỉnh mà vẫn không đảm bảo được về việc sử dụng các thiết bị tiên tiến như FACTS là giải pháp kỹ thuật cần xét đến

TCSC là 1 trong những thiết bị FACTS có nhiều hiệu quả nổi bật Do vậy, luận văn tập trung vào nghiên cứu hiệu quả của TCSC trong việc nâng cao ổn định điện áp của HTĐ Đồng thời, do giá thành TCSC cao nên việc xác định vị trí đặt tối ưu của TCSC cũng là một vấn đề được quan tâm trong luận văn

Với mục tiêu này, chương 2 sẽ nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của TCSC, ảnh hưởng của TCSC tới nâng cao ổn định điện áp và nâng cao lượng công suất truyền tải trong hệ thống

Như đã trình bày, TCSC là thiết bị bù có điều khiển nên khi xác định vị trí đặt của thiết bị này để nâng cao ổn định điện áp, cần có phương pháp nghiên cứu riêng, ở đây, ta dựa trên chỉ tiêu độ nhạy nút Trong chương 3, luận văn tập trung phân tích lý thuyết giao nhau tại điểm yên ngựa để giải thích vấn đề sụp đổ điện áp và đề xuất thuật toán dòng công suất liên tục để quá trình tính toán tìm điểm sụp đổ điện áp được hội tụ nhanh hơn Trên cơ sở đánh giá trị riêng của ma trận Jacobian tại điểm sụp đổ điện áp, ta tìm được nút dễ gây mất ổn định nhất trong hệ thống

Với các vấn đề lý thuyết đã trình bày trong chương 2 và chương 3, chương 4 sẽ tính toán với sơ đồ IEEE 173 nút để chỉ ra hiệu quả của TCSC trong việc nâng cao khả năng tải của hệ thống và qua đó nâng cao ổn định điện áp

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ BÙ NỐI TIẾP TCSC 2.1 Cấu trúc chung của TCSC

TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) là thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor Đây là thiết bị bù nối tiếp để phát CSPK bằng cách điều chỉnh góc mở của các van thyristor TCSC gồm 2 thành phần cơ bản như hình H2.11:

Hình H2.11 Sơ đồ tụ bù nối tiếp được điều khiển bằng thyristor

- Thành phần dung kháng: một tụ bù có dung kháng XC

- Thành phần điều khiển TCR (Thyristor Controlled Reactor): là cuộn kháng điều khiển bằng thyristor, có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ trên nó

Là một thiết bị dung kháng mắc nối tiếp vào đường dây nên TCSC có các chức năng chính sau:

- Điều chỉnh điện áp tại nút đặt TCSC bằng giá trị đặt mong muốn

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

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố như mất phụ tải đột ngột, ngắn mạch…

- Nâng cao ổn định của hệ thống điện

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng

Ưu điểm lớn của TCSC so với các thiết bị bù CSPK truyền thống là có thể điều chỉnh trơn dòng CSPK, thời gian phản ứng nhanh và dải điều chỉnh rộng Với sự phát triển của khoa học công nghệ, giá thành của các TCSC ngày càng giảm nên nó được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế các thiết bị bù cố định truyền thống

2.1.1 Cấu tạo của TCR

TCR gồm 2 thyristor mắc song song ngược đặt nối tiếp với một điện kháng cố định có điện cảm L (thường là lõi không khí) như hình H2.12:

Hình H2.12 Cấu tạo của TCR

Cặp thyristor mắc song song ngược làm việc như một van dẫn điện 2 chiều Thytistor 1 (Th1) dẫn điện trong nửa chu kì dương của điện áp v(t), Thytistor 2 (Th2) dẫn điện trong nửa chu kì âm của điện áp v(t) Hiện nay, các thyristor công suất lớn có thể chặn điện áp 4 - 10 kV và dòng điện lên tới

3 – 6 kA Do vậy, các hệ thống thực tế thường được lắp nhiều thyristor nối tiếp (10 - 20 chiếc) để tăng giới hạn điện áp và dòng điện

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của TCR

Một van thyristor có thể dẫn dòng bằng cách cho xung điều khiển tới tất cả các thyristor mắc cùng cực Van sẽ tự động khóa tức thời sau khi dòng điện xoay chiều chạy qua nó bằng 0, trừ khi tín hiệu mở lại được đưa vào

i(t)

L

ThL1

ThL2

Dòng điện trong điện kháng có thể được điều khiển từ giá trị lớn nhất (thyristor đóng) tới 0 (thyristor mở) bằng cách điều khiển góc đánh lửa (góc mở) Nghĩa là, việc đóng thyristor bị trễ lại so với đỉnh của điện áp đưa vào trong mỗi nửa chu kỳ và vì thế điều khiển được khoảng thời gian dẫn dòng

Hình H2.13 Phương pháp điều khiển dòng của thyristor

Phương pháp điều khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm

và dương của dòng điện như hình H2.13

Khi α = 0, van thyristor đóng ở đỉnh của điện áp và kết quả là dòng điện trong điện kháng sẽ giống như ở trạng thái xác lập với khóa đóng vĩnh viễn

Khi việc đóng mở van bị trễ góc α (

)(

1)

ω

ω α

bù đạt giá trị lớn nhất là V/ωL, và khi đó cả góc dẫn dòng và dòng điện qua điện kháng đều bằng 0

Rõ ràng là biên độ của dòng điện trong điện kháng có thể thay đổi liên tục bằng cách điều khiển góc trễ từ giá trị lớn nhất khi α = 0 và nhỏ nhất bằng

0 khi α = π/3 Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn

ra 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2 (khoảng thời gian đánh lửa)

Từ sơ đồ mạch của TCR ta có phương trình:

Ldi dt - v(t) = 0

Cdt)t(vL

1)t(

L

V)t(

i(t) = ωL sinωt - V ωL sinα = V ωL (sinωt - sinα) V Dùng phương pháp phân tích chuỗi Fourier theo tần số cơ bản (f=50Hz) được biên độ ILF(α) của thành phần dòng điện cơ bản i(α) có thể được biểu thị là hàm của góc α như sau:

)2sin121()

π

απω

Hình H2.14 Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR phụ thuộc góc mở α

TCR có thể điều chỉnh dòng điện cơ bản liên tục từ 0 (khi van mở) đến giá trị lớn nhất (khi van đóng) như thể nó là 1 điện dẫn cảm kháng có thể thay đổi giá trị

Công thức (2.1.3) có thể viết lại dưới dạng sau :

İLF = -jBTCRV (2.1.4) trong đó BTCR là điện dẫn cảm kháng của TCR, là hàm theo góc mở van

α (rad):

)2sin121(

1)

π

απω

L

Hình H2.15 Đặc tính V-I của TCR

Ý nghĩa của (2.1.5) là với mỗi góc trễ α, điện dẫn BL(α) được định nghĩa, nó xác định biên độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR

ở 1 điện áp nguồn cho trước Trong ứng dụng thực tế, biên độ lớn nhất của điện áp nguồn và của dòng điện bị giới hạn bởi giá trị định mức của công suất

mà các thành phần (điện kháng, van thyristor) đã sử dụng Vì thế, TCR trong thực tế có thể vận hành ở bất cứ điểm nào trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn lớn nhất có thể đạt được, điện áp và dòng điện định mức, như minh họa trên hình H2.15 Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế

Nếu khóa TCR bị giới hạn ở góc trễ cố định, thường α = 0 thì nó sẽ trở thành TSR-Thyristor-Switched Reactor (Điện kháng đóng cắt bằng thyristor) TSR tạo ra 1 điện dẫn cảm kháng cố định và do đó, khi được nối với hệ thống

ac, dòng điện chạy qua nó sẽ tỉ lệ với điện áp nguồn Một vài TSR có thể tạo

ra điện dẫn điều chỉnh được gián đoạn theo bậc Nếu TSR vận hành ở α = 0, dòng điện xác lập có dạng hình sin

2.1.3 Các hiệu ứng phụ

Điều khiển góc dẫn dòng (đặc tính vận hành của TCR) dẫn đến kết quả

là dạng sóng của dòng điện không còn là hình sin Ngoài thành phần cơ bản, TCR còn sinh ra các sóng hài Trong nửa chu kỳ dòng điện dương, âm xác định, chỉ có các sóng hài bậc lẻ mới được tạo ra Biên độ của các sóng này là hàm của góc trễ α, biểu thị trong công thức (2.2.4):

)sin(

cos)cos(

sin4)

n n

n n

n L

V

πω

với n = 2k+1, k = 1, 2, 3,

Hình H2.16 biểu diễn các thành phần sóng hài bậc cao của TCR theo α

Hình H2.16: Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của TCR theo α Trong hệ thống 3 pha, người ta sử dụng 3 bộ TCR 1 pha và nối tam giác Trong điều kiện cân bằng, dòng điện hài với bậc là bội của 3 chạy quẩn trong bộ TCR nối tam giác và không đi vào hệ thống điện

Một phương pháp đặc biệt thuận lợi cho các ứng dụng công suất cao, là nối song song m TCR, mỗi TCR chỉ cần công suất định mức bằng 1/m so với yêu cầu Các điện kháng được điều khiển tuần tự, nghĩa là chỉ 1 trong m thyristor được điều khiển, và m – 1 thyristor còn lại hoặc hoàn toàn “on” hoặc hoàn toàn “off”, tùy thuộc vào tổng công suất phản kháng yêu cầu, như minh họa trên hình H2.17 Theo cách này, biên độ của mọi sóng hài giảm theo hệ

số m tương ứng với dòng điện cơ bản lớn nhất Hơn nữa, cách kết hợp này sẽ làm cho tổn thất nói chung nhỏ hơn so với TCR công suất tương đương do giảm được tổn thất việc đóng cắt

Hình H2.17: Phương pháp điều khiển tuần tự để giảm sóng hài bằng 4 TCR

Một phương pháp khác là sắp xếp TCR 12 xung (hình 2.18): các TCR nối thành 2 nhóm tam giác 3 pha, một nhóm hoạt động với cuộn dây nối sao, nhóm còn lại hoạt động từ cuộn dây nối tam giác của cuộn thứ cấp của biến

áp (Những tổ đấu dây khác kể cả tổ đấu dây điện áp 3 pha lệch nhau 30 độ cũng được sử dụng) Vì độ lệch pha 30 độ giữa điện áp 2 cuộn dây, các sóng hài bậc 5, 7, 17, 19, nói chung là các sóng hài bậc 6(2k-1)-1 và 6(2k-1)+1,

k =1, 2, 3, bị hủy, dẫn đến dòng điện đầu ra gần sin ở tất cả các góc trễ Việc tiêu hủy các sóng hài khác có thể thực hiện bằng cách sử dụng 3 hay nhiều hơn nữa các TCR nối tam giác từ các tổ đấu dây phù hợp Tuy nhiên, trong thực tế, việc sắp xếp mạch 18 xung hoặc nhiều hơn rất phức tạp và đắt

Nó cũng khó đáp ứng yêu cầu về tính đối xứng, vì khó cân bằng điện áp trong

hệ thống ac, nhằm giảm biên độ của các thành phần hài bậc cao Vì lý do này, các cấu hình mạch nhiều hơn 12 xung ít được sử dụng

Hình H2.18: Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dòng điện

Nếu TCR tạo ra các sóng hài không thể giảm đáng kể bằng cách sắp xếp mạch, chẳng hạn như hệ thống 4 điện kháng hoặc cấu trúc 12 xung, để đạt được yêu cầu kỹ thuật về kinh tế hoặc các lý do thực tế khác, người ta sẽ sử dụng bộ lọc sóng hài Thông thường, các bộ lọc này là các nhanh LC và LCR nối tiếp với nhau và song song với TCR và hòa hợp với các sóng hài chiếm

ưu thế lớn, như bậc 5, 7 và đôi khi là bậc 11, 13 với các nhánh additional high-pass Các bộ lọc tần số cao có thể được thực hiện bằng nối song song điện kháng với 1 trong các nhánh bộ lọc LC với 1 điện trở nhằm duy trì độ suy giảm hợp lý ở tần số cao hơn mà bộ lọc trên không có hiệu quả Trong rất nhiều các ứng dụng thực tế, nhờ hiện tượng cộng hưởng và không cân bằng trong hệ thống ac, hoặc điều khiển độc lập các nhóm 3 TCR (1 pha), có thể yêu cầu dùng nhánh bộ lọc tuned ở tần số hài bậc 3

2.2 Chế độ làm việc của TCSC

Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi

có yêu cầu hoặc sự cố Cấu tạo chung của TCSC được cho trong hình H2.21

Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ nên khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch làm IC tăng thì cần phải có cơ chế chống quá áp cho tụ Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp: MOV là một điện trở phi tuyến dùng để chống quá áp cho tụ Bình thường nó

có trị số rất lớn Khi UC > UCgh và đạt tới ngưỡng làm việc của MOV, điện trở của MOV giảm rất nhanh, cho phép dòng IN qua MOV, nhờ đó, giảm điện áp

dư trên tụ C Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng MOV, trong trường hợp này, khe phóng điện K sẽ hoạt động, dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K do

đó, MOV coi như được nối tắt Nếu ngắn mạch không loại trừ được, máy cắt

MC sẽ đóng vào, nối tắt toàn bộ các phần tử của TCSC Khi đã nối tắt C, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ

TCR

C

MOV

GCB

Iline

Tín hiệu điều khiển

Dựa vào cấu tạo của TCSC như trên hình H2.21 ta thấy TCSC có 3 chế độ làm việc:

- Chế độ thyristor blocked: van thyistor khóa không cho dòng điện đi qua, khi đó dòng điện qua thyristor bằng 0, I = 0

- Chế độ Capacitor passed: các thyristor mở hoàn toàn, khi đó nó cho dòng điện chạy qua hoàn toàn

- Chế độ Verner: các thyristor mở từng phần theo góc mở α nhờ các tín hiệu xung điều khiển để thay đổi dòng điện qua chúng

2.3 Đặc tính làm việc của TCSC:

Hoạt động của tụ bù dọc có điều khiển là tạo ra 1 điện kháng XTCSCthay đổi phù hợp với từng chế độ vận hành Tụ điện C có giá trị XC không đổi, tuy nhiên nhờ có sự thay đổi điện kháng XL của TCR nên giá trị của

XTCSC cũng thay đổi được trong phạm vi Xmin đến Xmax Theo sơ đồ như hình H2.11 ta có:

C L

1 X

1 X

Trong đó: XL – điện kháng của TCR (XL phụ thuộc α)

XC – Điện kháng của tụ điện (XC =const)

Để thiết bị bù dọc có thông số điều chỉnh trơn và ổn định, thường chọn phạm vi điều chỉnh của TCR từ XL0 đến ∞ với XL0 > XC (XL0 tương ứng với góc mở α = 00)

Khi thyristor mở hoàn toàn (α = 00) và với XL0 = kXC thì XL = XL0 = kXC

C L

C

C L

k

k X

X

X X X

C

C L X

X X

X X X

Như vậy TCSC có khả năng điều chỉnh giá trị từ -XC đến X C

2,11

2,

)2sin121(L

1)(

π

−απ

−ω

=

α

−α

−π

πω

=α

2sin2

L)

(

XLNhư vậy điện kháng tương đương của TCSC tính theo góc α là:

C

C C

L

C L

LXX

X

XXX

α

−α

−π

−πω

Hình H2.32 Đặc tính của TCSC theo góc α

Đặc tính quan hệ giữa điện áp bù và dòng điện (V-I) của TCSC cơ bản được cho trên hình H2.33:

Hình H2.33 Đặc tính V-I của TCSC

Trong đó, vùng điện dung góc trễ nhỏ nhất αClim, đặt giới hạn cho điện

áp bù lớn nhất VCmax tương ứng có 1 giá trị dòng điện (Imin) Hạn chế hoạt động cho đến khi đạt được dòng điện max (Imax) Trong vùng điện cảm, góc trễ max (αLlim) giới hạn điện áp ở dòng điện mạch chính thấp và dòng thyristor max ở dòng điện mạch chính cao

Quan hệ giữa dòng điện và điện kháng của TCSC được vẽ trong hình H2.34:

Hình H2.34 Quan hệ giữa dòng điện và điện kháng của TCSC

Hình H2.34 biểu diễn các chế độ điều khiển dung kháng của TCSC

Hình H2.35 Các chế độ điều khiển dung kháng của TCSC

2.4 Mô hình phần điều khiển TCSC

Mô hình điều khiển TCSC có 2 phần: điều khiển ngoài và điều khiển trong

2.4.1 Mô hình điều khiển ngoài của TCSC

Bộ điều khiển ngoài xác định chế độ làm việc của TCSC Khi làm việc trong HTĐ, TCSC có 2 chế độ hoạt động Trong chế độ làm việc bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt X0 Điểm đặt có thể thay đổi theo thông số CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Power Flow Control Loop) Trong CĐQĐ, TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop) Đặc trưng động của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này Trên hình H2.41 thể hiện cấu trúc chung phần điều khiển ngoài của TCSC

Trong đó Xm là giá trị điện kháng điều khiển ổn định, Xeo biểu thị điện kháng của TCSC trạng thái xác lập Tổng 2 giá trị này, Xm’ là giá trị điện kháng tổng hợp của khối điều khiển ngoài Tín hiệu này sẽ qua khối trễ thể hiện quán tính của thiết bị

Hình H2.41: Sơ đồ điều khiển ngoài của TCSC

Mô hình điều khiển TCSC này phù hợp cho các ứng dụng ổn định góc và điện áp và tính toán dòng công suất Xe là hàm của góc mở α, dựa trên giả thiết dòng điện qua bộ điều khiển ở trạng thái xác lập có dạng hình sin Và ta

có Xemin ≤ Xe ≤ Xemax với Xemin = XC (XC là điện kháng của tụ trong TCSC) và

Xemax = Xe(αmin) (giả sử là bộ điều khiển vận hành trong vùng dung kháng, vì vùng cảm kháng thường sinh ra sóng hài bậc cao, khó để mô hình trong nghiên cứu ổn định)

Cấu trúc bộ điều khiển ổn định trên hình H2.42 gồm có khối trễ, khối lọc, khối bù pha, khối khuếch đại và có thể mô tả bằng một số khâu tuyến tính:

Hình H2.42: Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định của TCSC

Trong đó: T1 là thời gian trễ của khâu đo lường và chuyển đổi (0 ≤T1 <5);

T2 và T3 là hằng số của khâu bù pha (0 ≤ T2 < 5; 1 < T3 < 20); Tw (washout) (0 ≤ Tw <2); K là hệ số khuếch đại

Hàm truyền của mô hình:

K sT

sT sT

sT sT s

.1

1)(

31

2

++

+

Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc định theo các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant Power Control) của đường dây truyền tải Thực chất của các thuật toán điều khiển trên là tạo ra tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo hàm các đại lượng đo Thật vậy nếu bỏ qua quán tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

1 C 1 w

sT 1

1 s k sT 1

s KT ) s ( G

+

= +

≈

Hay q

sT 1

s k X

Trong đó, q - ký hiệu chung các tín hiệu đo đầu vào

Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có:

qsk

XC = C ∆

dt

dqk)(

XC C (2.4.3) Với TCSC, cấu trúc phần điều khiển cơ bản hình H2.42, như đã phân tích, có thể coi gần đúng như một khâu đạo hàm, phản ứng tác động của nó chỉ xảy ra khi có biến thiên thông số hệ thống Trong CĐXL thiết bị TCSC làm việc như một tụ bù dọc cố định thông thường Vì chức năng thông dụng của TCSC là ổn định dao động công suất, tín hiệu điều khiển được mặc định

là công suất tác dụng P chạy trên đường dây (có đặt TCSC) Khi đó điện dẫn TCSC thay đổi tỉ lệ với tốc độ biến thiên công suất nhánh và ngược dấu Có thể chứng minh tác động điều khiển như vậy chỉ hiệu quả với các dao động công suất tương đối bé (tương ứng với dao động góc lệch giữa 2 đầu đường dây không vượt quá 900) Để có tác động hiệu quả với các sự cố nặng cần sử dụng tín hiệu điều khiển khác hoặc phối hợp nhiều tín hiệu đo, thông qua khâu biến đổi thích hợp (đặt vào vị trí trước khối đạo hàm)

2.4.2 Mô hình điều khiển trong của TCSC

Cấu trúc của phần điều khiển trong của TCSC cần được xem xét sao cho khi vận hành, nó có thể đảm bảo không bị cộng hưởng đồng bộ phụ Hiện nay

có 2 cách điều khiển cơ bản: Một là vận hành vòng lặp khóa pha từ các thành phần cơ bản của dòng điện trên đường dây, nhằm đạt được điều này, cần phải cung cấp 1 bộ lọc để loại bỏ các thành phần bậc cao ra khỏi dòng điện dây và đồng thời vẫn đảm bảo đồng bộ chính xác

Theo cách sắp xếp này thì kỹ thuật truyền thống để chuyển đổi dòng điện TCR theo yêu cầu thành góc trễ pha tương ứng, được đo từ thời điểm nó đạt giá trị đỉnh (hoặc 900 từ thời điểm nó qua giá trị 0) của dòng điện dây thành

phần cơ bản Chuẩn so sánh cho dòng điện TCR thường được cung cấp bởi vòng lặp điều chỉnh của bộ phận điều khiển ngoài, so sánh điện dung thực sự hoặc điện áp bù với giá trị chuẩn

Hình H2.43: Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ

thành phần cơ bản của dòng điện

Cách thứ 2 là cũng dùng 1 vòng lặp khóa pha, được đồng bộ với dòng điện dây, để phát ra chuẩn thời gian (timing reference) Tuy nhiên, ở phương pháp này, điện áp tụ qua giá trị 0 được ước lượng từ dòng điện dây và điện áp

tụ hiện thời bằng mạch hiệu chỉnh pha (angle correction circuit) Góc trễ pha được xác định từ góc yêu cầu và góc hiệu chỉnh ước lượng nhằm làm cho độ dẫn của TCR đối xứng qua giá trị mà nó qua 0

Hình H2.44: Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời

điểm qua giá trị 0 của điện áp tụ điện

Góc trễ mong muốn trong sơ đồ này có thể được điều chỉnh bằng vòng lặp kín điều khiển dịch pha của thời gian chuẩn do mạch vòng lặp khóa pha cung cấp Góc trễ của TCR, và do đó điện áp dung kháng bù sẽ được điều khiển bằng vòng lặp điều chỉnh của bộ phận điều khiển ngoài để đáp ứng yêu cầu vận hành của hệ thống Vòng lặp điều chỉnh này tương đối chậm, với dải điều chỉnh đủ để đáp ứng yêu cầu bù (điều chỉnh trào lưu công suất, chống dao động công suất, ) Vì thế, từ góc độ mạch hiệu chỉnh góc, đầu ra của bộ dịch chuyển pha gần như là tham chiếu trạng thái xác lập

2.5 Phân tích hiệu quả của tụ bù nối tiếp TCSC tới việc tăng khả năng tải và ổn định điện áp của hệ thống điện

2.5.1 Tăng công suất truyền tải

Xét 1 mô hình đơn giản gồm 2 máy phát như hình H2.51:

Hình H2.51 Mô hình bù nối tiếp đường dây

Trong đó X là điện kháng của đường dây, XC là điện kháng tụ bù

Hình H2.52 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện