Ứng dụng mạng nơ ron mờ để điều khiển tụ bù tĩnh nhằm giữ ổn định điện áp

Các ứng dụng này đặc biệt rõ nét trong việc tạo ra một nguồn công suất phản kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng sự biến thiên của phụ tải, sự thay đổi các thông số của hệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN

TỤ BÙ TĨNH NHẰM GIỮ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

MÃ SỐ:

NGUYỄN THANH QUẢNG

Người hướng dẫn khoa học: TS PHAN ĐĂNG KHẢI

HÀ NỘI - 2009

L ỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phan Đăng Khải, người đã tận tình hướng dẫn và động viên tôi trong suốt quá trình làm luận văn

Tôi xin g ửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ Khoa Điện và Bộ môn H ệ thống điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong

nh ững năm học tập vừa qua

Cu ối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người luôn tạo điều kiện và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và trong th ời gian làm luận văn

L ỜI 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, tháng 10 năm 2009 Tác giả luận văn

Nguy ễn Thanh Quảng

M ỤC LỤC

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT vi

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 5

1.1.1 Tình hình phát triển của Hệ thống điện Việt Nam trong giai

1.2 Tình trạng vận hành lưới điện và nhu cầu nâng cao chất lượng

Chương 2: VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG VÀ KHẢ NĂNG

ỨNG DỤNG SVC TRONG VIỆC ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 15

Chương 4: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON – MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN SVC 74

4.5 Ứng dụng mạng nơ ron – mờ ANFIS để tính góc mở alpha theo PT

4.5.2 Quá trình huấn luyện của mạng nơ ron – mờ ANFIS trên

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU CHỮ VIẾT TẮT

Inference Systems

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Hình 3.19 Mạng nơ ron hai lớp truyền thẳng 66

Hình 4.22 Mô phỏng hệ thống hệ thống có SVC có bộ điều khiển bằng

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế với tốc độ cao, nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng (khoảng 14%/năm), đặc biệt trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội nhập nền kinh tế khu vực và thế giới Với nhu cầu phát triển đất nước hiện nay càng làm gia tăng nhanh chóng các phụ tải tiêu thụ điện, vì vậy yêu cầu được cấp nguồn điện chất lượng tốt, ổn định cho các lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt ngày đòi hỏi ngày càng cao

Để nâng cao chất lượng điện năng, việc áp dụng các tiến bộ khoa học trong công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng có ý nghĩa vô cùng quan trọng Các ứng dụng này đặc biệt rõ nét trong việc tạo ra một nguồn công suất phản kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng sự biến thiên của phụ tải, sự thay đổi các thông số của hệ thống

Để tạo ra nguồn cung cấp công suất phản kháng đảm bảo các yêu cầu trên, người ta dùng các bộ bù tĩnh (SVC) có công suất phản kháng ở ngõ ra thay đổi liên tục SVC là sự kết hợp từ các phần tử TCR, TSC, TSR và một bộ điều khiển phù hợp với mục đích sử dụng Khi sử dụng SVC sẽ đảm bảo sự cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống, do đó chất lượng điện năng được nâng cao, giá trị điện áp tại các nút phụ tải được giữ ổn định, làm giảm tổn thất cũng như nâng cao hiệu quả truyền tải trên các đường dây

Việc điều khiển SVC hiện nay chủ yếu dựa vào cơ sở so sánh điện áp tại các vị trí đặt với độ lệch điện áp được cài đặt trước để điều khiển góc mở alpha của các thyristor trong các cụm TCR nhằm mục đích giữ điện áp nằm trong giới hạn cho trước Với các bộ điều khiển sử dụng các phương pháp kinh điển thì luôn tồn tại một thời gian trễ nhất định phụ thuộc vào cấu trúc

bên trong khối điều khiển Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về khả năng đáp ứng nhanh của hệ thống điều khiển thì có thể áp dụng một hướng điều khiển mới đó là: Ứng dụng mạng nơ ron – mờ để điều khiển mở góc alpha của thyristor dựa vào sự biến thiên của các yếu tố đầu vào làm ảnh hưởng đến điện áp

So với các bộ điều khiển kinh điển khác bộ điều khiển nơ ron – mờ có

ưu điểm nổi bật là:

- Khối lượng tính toán giảm, khối lượng thiết kế giảm do không phải sử dụng mô hình đối tượng

- Dễ hiểu hơn, trong nhiều trường hợp bộ điều khiển này làm việc ổn định, bền vững và chất lượng điều khiển cao hơn

- Có khả năng học tập từ thực tế để nâng cao hiệu quả làm việc

Do vậy việc nghiên cứu điều khiển SVC dung mạng nơ ron – mờ là vấn

đề cần thiết, có ý nghĩa quan trọng, có khả năng ứng dụng vào thực tế

II Mục đích của đề tài

Xem xét khả năng ứng dụng logic mờ và mạng no ron trong việc điều khiển góc mở của thyristor trong TCR nhằm nâng cao ổn định điện áp khi các yếu tố thay đổi ảnh hưởng đến điện áp, tăng tốc xử lý cho SVC, thông minh hóa SVC trong quá trình phản ứng

III Đối tượng nghiên cứu, phạm vi đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển cho thiết bị bù tĩnh SVC

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng bộ điều khiển nơ ro – mờ cho SVC,

mô phỏng, viết chương trình trên phần mềm matlab thông qua công cụ SIMULINK Trong đó biến đầu vào của bộ điều khiển là thông số tải gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng

IV Bố cục của luận văn

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 4 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam và vấn đề nâng cao chất lượng điện áp

Chương II: Vai trò của các thiết bị bù ngang và khả năng ứng dụng SVC trong việc nâng cao ổn định điện áp

Chương III: Tổng quan về logic mờ và mạng nơ ron

Chương IV: Ứng dụng mạng nơ ron mờ để điều khiển SVC

V Ý nghĩa khoa học của luận văn

Các vấn đề đề cập trong luận văn cho thấy khả năng ứng dụng các bộ điều khiển nơ ro - mờ trong nâng cao hiệu quả sử dụng các bộ bù tĩnh trong

hệ thống điện trong việc nâng cao chất lượng điện áp cho các phụ tải

Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan, chủ quan khác, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong được sự góp ý của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện

luận văn Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo TS Phan Đăng Khải đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP 1.1 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam

1.1.1 Tình hình phát triển của Hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn gần đây

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế với tốc độ cao, nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng, đặc biệt trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội nhập nền kinh tế khu vực và thế giới Để đảm bảo cung cấp điện an toàn và ổn định, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, hệ thống điện Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ Trong giai đoạn sản xuất điện năng 1995-

2004, cho thấy rằng sản xuất điện năng năm 2004 tăng gấp 3,16 lần năm 1995 với tốc độ tăng trưởng bình quân giai đoạn 1995-2004 là 13,6%/năm Cũng giai đoạn 1995-2004, điện năng thương phẩm tăng gấp 3,5 lần Tốc độ tăng truởng điện thương phẩm đạt bình quân đạt 15,1% Năm 2004, nhu cầu phụ tải tăng trưởng ở mức cao, công suất cực đại của toàn hệ thống lên đến 8.376

MW Sản lượng điện thương phẩm năm 2004 đạt 39,7 tỷ kWh, đạt 101,03%

so với kế hoạch, tăng 13,3% so với năm 2003

Căn cứ Tổng sơ đồ phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2001-2010

có xét tới 2020 (Tổng sơ đồ V hiệu chỉnh) đã được Chính phủ phê duyệt, dự kiến sẽ đưa vào vận hành một loạt các nhà máy điện lớn trong cả nước như:

TĐ Sơn La, Huội Quảng, Bản Chát, Đồng Nai 3,4, NĐ Quảng Ninh, Mông Dương, cụm NĐ Phú Mỹ, Ô Môn Hệ thống điện 500kV có những bước tăng trưởng nhảy vọt, dần trở thành trục xương sống của lưới truyền tải, nối

liền các trung tâm phụ tải với các trung tâm phát điện Thêm vào đó để đảm bảo độ tin cậy cấp điện đồng thời khai thác hiệu quả các nhà máy điện, HTĐ Việt Nam đang và đã liên kết, trao đổi điện với các nước trong khu vực

Từ giữa năm 1994, với việc đưa vào vận hành đường dây siêu cao áp (ĐDSCA) 500 kV Bắc - Trung - Nam có chiều dài gần 1500 km, HTĐ Việt Nam trở thành HTĐ hợp nhất với đầy đủ các đặc trưng của hệ thống lớn Một mặt, HTĐ hợp nhất cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế (phối hợp các nguồn thuỷ - nhiệt điện, tối ưu hoá công suất nguồn ), mặt khác, cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Việc hợp nhất hệ thống còn là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các loại nguồn điện công suất lớn

và việc đấu nối vào hệ thống Tuy nhiên hệ thống điện hiện nay có kết cấu phức tạp, nhiều cấp điện áp truyền tải, chất lượng điện năng chưa đảm bảo, chưa thực sự đáp ứng nhu cầu sử dụng, thường xuyên xảy ra mất điện nhất là vào các tháng cao điểm mùa khô

1.1.2 Hiện trạng hệ thống điện Việt Nam

Tính đến năm 2008 các nhà máy điện gồm:

Bảng 1.1 Các nhà máy điện tính đến năm 2008 (nguồn EVN)

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

- Hệ thống 500 kV: Hệ thống điện 500 kV bắt đầu vận hành từ năm

1994, đó là đường dây 500 kV Bắc – Nam dài gần 1500 km với hai trạm 500

kV là Hòa Bình và Phú Lâm công suất mỗi trạm là 900 MVA Tổng công suất các trạm biến áp 500 kV là 2700 MVA Trong năm 1999, hệ thống 500 kV bổ sung thêm 19,8 km đường dây mạch kép Yaly – Playcu, cuối năm 2002, đã đóng điện và đưa vào vận hành trạm biến áp 500 kV Hà Tĩnh với công suất

450 MVA, nâng tổng số công suất các trạm 500 kV trên tuyến Bắc Nam lên

3150 MVA Vào năm 2005 đường dây 500 kV Bắc – Nam mạch hai được đưa vào vận hành

- Hệ thống 220 kV: Trong giai đoạn từ năm 2001 đến 2004, các trạm

220 kV được đóng điện đưa vào vận hành đó là Sóc Sơn, Việt Trì, Tràng Bạch, Vật Cách, Hoành Bồ, Huế, Bình Hòa, Bạc Liêu, các đường dây 220 kV Việt Trì – Vĩnh Lạc, Tràng Bạch – Vật Cách – Đồng Hòa, Ninh Bình – Thanh Hóa mạch 2, Đà Nẵng – Hòa Khánh – Huế, các nhánh rẽ từ Phú Mỹ đấu nối

vào Bà Rịa – Long Bình, Cai Lậy – Rạch Giá mạch 2, Đa My – Hàm Thuận – Bảo Lộc, Rạch Giá – Bạc Liêu

1.1.2.3 Hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn đến 2010

Xuất phát từ tốc độ tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ điện năng 13%/năm trong giai đoạn từ 2001 đến năm 2005 và 11% /năm theo dự báo trong Tổng

sơ đồ phát triển điện lực giai đoạn VI từ năm 2006 đến 2010 và căn cứ vào tốc độ thực tế về tăng trưởng tiêu thụ điện năng kết hợp với việc xem xét kế hoạch phát triển kinh tế xã hội và kế hoạch phát triển các khu công nghiệp của các địa phương trong cả nước dẫn đến chương trình phát triển nguồn điện

và lưới điện được tính toán và chuẩn xác lại cho phù hợp với dự báo nhu cầu điện năng, qua đó các dự án về nguồn điện và lưới điện được xây dựng lắp đặt như sau:

a Nguồn điện

Bảng 1.2 Các nhà máy điện tính đến năm 2010

(MW)

Thời điểm vận hành so với TSDV

Thủy điện Ea Krong Năng 65

Nhập khẩu điện từ Lào 248

Hệ thống 500 kV: trong giai đoạn 2004 – 2006 đã đưa vào vận hành

mạch 500 kV hai từ Phú Lâm ra Nho Quan trong đó đoạn Phú Lâm – Playcu đưa vào vận hành cuối 2005, Playcu – Đà Nẵng vào cuối năm 2004 và Đà Nẵng – Nho Quan vào cuối năm 2006

Đến năm 2010, hệ thống điện 500 kV sẽ phát triển để đấu nối các nhà máy điện lớn như Quảng Ninh (đường dây Quảng Ninh – Thường Tín và trạm

500 kV Quảng Ninh) và Ô Môn (tăng cường mạch hai 500 kV Ô Môn – Phú Lâm dài 180 km) Trong giai đoạn này hầu hết các trạm 500 kV sẽ được tăng công suất 2 máy biến áp để đảm bảo cung cấp đầy đủ công suất và vận hành

an toàn trong các trường hợp bình thường cũng như sự cố

- Hệ thống 200 kV: Nhằm để đồng bộ với hệ thống nguồn điện, tăng

cường độ tin cậy cung cấp điện và đáp ứng được nhu cầu phụ tải giai đoạn đến năm 2010 hệ thống lưới truyền tải điện 220 kV tương đối phủ kín các khu vực kinh tế trọng điểm như kinh tế Hà Nội – Hải Hưng – Hải Phòng – Quảng Ninh với việc tăng cường các mạch kép 220 kV như Hòa Bình – Hà Đông, Phả Lại – Sơn La, Phả Lại – Sóc Sơn … khu Nam, Bắc Hà Nội với các đường dây mạch kép Nam Định – Thái Bình – Hải Phòng, Việt Trì – Yên Bái …

Khu vực miền trung với việc tăng cường đường dây 220 kV Huế - Đồng Hới, các đường dây 220 kV đấu nối cụm thủy điện trên song Srepok như Buôn Kướp – Krong Buk, Buôn Kướp – Ban tau srah, Buôn Kướp – Srêpok 3

Khu vực miền Nam là khu vực có nền kinh tế cao nhất cả nước cũng tiến hành lắp đặt các đường dây Hóc Môn – Hỏa Xa, Long Bình – Thủ Đức, Trà Nóc – Sóc Trăng, Phú Mỹ - Cát Lái, Rạch Giá – Bạc Liêu … Cùng với việc xây dựng các mạch đường dây mới các trạm biến áp 220 kV nhằm giảm quá tải cũng được xây dựng trong giai đoạn này

1.2 Tình trạng vận hành lưới điện và nhu cầu nâng cao chất lượng điện năng

1.2.1 Tình trạng vận hành lưới điện

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và những yêu cầu và những yêu cầu vê năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng cho sự phát triển kinh tế thì hệ thống điện Việt Nam cũng không ngừng cải tạo hoàn thiện hơn Song song việc xây dựng, các vấn đề nâng cao chất lượng điện năng cũng được quan tâm, nhằm nâng cao hiệu quả cung cấp điện

Thật vậy, trong những năm gần đây, sự biến đổi thất thường của khí hậu, vào mùa khô ở miền bắc thường xẩy ra thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt Nguyên nhân chủ yếu là do nhu cầu điện tăng cao trong khi lượng nước

về các hồ thủy điện giảm thấp, trong khi đó các thủy điện lớn ở miền bắc như Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang phải xả nước để phục vụ thủy lợi cung cấp nước phục vụ sản xuất vụ Đông Xuân càng làm cho mực nước các hồ xuống thấp Một số nhà máy điện mới đưa vào vận hành còn trong giai đoạn chạy thử, vận hành chưa ổn định như nhiệt điện Cà Mau I, nhiệt điện Uông Bí mở rộng, Nhiệt điện Phú Mỹ… sản lượng điện phát ra chưa đạt như mức dự kiến,

vì vậy việc thiếu điện vào các giờ cao điểm thường xuyên diễn ra Hoặc điện được cấp nhưng chất lượng điện năng cũng không đảm bảo

Trong mùa khô thường phải tăng cường truyền tải điện từ miền nam, miền trung ra miền bắc qua đường dây 500 kV Khả năng huy động nguồn công suất càng cao thì xuất hiện hiện tượng sụp đổ điện áp càng lớn Do đó nhu cầu nâng cao chất lượng điện áp, đảm bảo một nguồn năng lượng điện ổn định là cần thiết cho sinh hoạt và sản xuất

1.2.2 Yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng

Như đã nêu ở trên ta thấy rằng hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống điện lớn Với một quy mô phát triển như vậy đã nẩy ra một số vấn đề phức tạp phải giải quyết mà ở các hệ thống nhỏ không có như:

- Yêu cầu về độ ổn định, chất lượng điện áp và tần số vì vùng ảnh hưởng là rất lớn,

- Yêu cầu về khả năng điều khiển dòng công suất trao đổi giữa các khu vực

- Vấn đề ổn định điện áp trên ĐDSCA, đặc biệt là trên các đường dây dài, cùng với nó là vấn đề bù công suất phản kháng (CSPK) trên đường dây

Trong chế độ vận hành của các ĐDSCA, việc bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang có vai trò rất quan trọng trong các giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định cho hệ thống

Với việc áp dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như Thyristor, việc áp dụng các bộ tụ bù SVC nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống, ổn định các giá trị điện áp có ý nghĩa vô cùng quan trọng

CHƯƠNG II VAI TRÒ CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ NGANG VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG SVC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Công suất phản kháng cũng như công suất tác dụng trong hệ thống điện đều cần luôn phải điều chỉnh để giữ ở trạng thái cân bằng Sự mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định Mặt khác về yêu cầu giữ cân bằng công suất phản kháng có tính phân bố theo khu vực, bởi vậy điện áp tại các nút trong hệ thống điện rất khác nhau Vì vậy ngoài công suất phản kháng được cấp từ máy phát điện cần phải có thêm các nguồn công suất phản kháng phân bố khác như máy bù đồng bộ, tụ điện bù và kháng điện

2.1 Vai trò của thiết bị bù ngang

Các thiết bị bù có vai trò quan trọng trong việc giữ điện áp các nút trong giới hạn cho phép Điều chỉnh điện áp được thực hiện thông qua điều chỉnh công suất phản kháng Công suất phản kháng mất cân bằng là nguyên nhân chính gây ra điện áp nút thay đổi Để giữ cho điện áp nút không thay đổi

có thể tiến hành theo hai cách sau:

- Điều chỉnh dòng công suất phản kháng từ nguồn cung cấp có thể giữ điện áp nút U theo mong muốn bằng cách thay đổi dòng điện kích từ máy phát điện

- Điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách tại nút phụ tải ta cấp trực tiếp một phần công suất phản kháng thì cũng có thể tăng điện áp U tại nút đó

Do điện áp nút trong hệ thống điện la không giống nhau nên biện pháp

bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải sẽ rất hiệu quả Đối với đường

dây tải điện cao áp và siêu cao áp, trong khi làm việc nó tạo ra lượng công suất phản kháng đáng kể là do điện dung bản thân các đường dây này đóng vai trò là các tụ điện, phát công suất phản kháng theo công thức: Qc = bc.U2, với bc = b0.l trong đó b0 dung dẫn trên một đơn vị chiều dài Công suất phản kháng này truyền vào hệ thống gây mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến quá điện áp hệ thống nếu không có biện pháp cân bằng Sử dụng kháng

bù ngang rất hiệu quả để cân bằng công suất phản kháng dẫn tới giữ ổn định điện áp

Thiết bị bù có tác dụng giảm tổn thất công suất, tổn thất điện năng Phần lớn phụ tải của mạng điện là các động cơ không đồng bộ và các máy biến áp nêu trên các đường dây của mạng điện phải chuyên chở một lượng công suất phản kháng lớn làm tăng tổn thất và tổn thất điện năng Như vậy muốn giảm tổn thất công suất ta cần giảm lượng công suất phản kháng truyền trên đường dây, lượng công suất phản kháng này giảm khi ta đặt các thiết bị

bù ngay tại phụ tải

Thiết bị bù còn có tác dụng làm tăng lượng công suất hữu dụng truyền tải trên đường dây

Ngoài ra thiết bị bù còn các tác dụng cải thiện quá trình ổn định của hệ thống Do các thiết bị bù có thể tăng khả năng truyền tải tối đa Vì vậy người

ta rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể thay đổi được dòng năng lượng trong hệ thống suốt quá trình biến động nhằm tăng quá trình ổn định và cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động

2.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC

SVC là thiết bị có khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng bằng cách thay đổi giá trị điện kháng Để hiệu chỉnh tổng trở phản kháng theo đặc tính đã định một cách thích hợp người ta dùng các thyristor

SVC cung cấp hai giải pháp cho bài toán bù:

- Bù phụ tải tại những nơi có yêu cầu giảm bớt sự cung cấp công suất phản kháng từ hệ thống của các phụ tải lớn có tính giao động trong công nghiệp như lò hồ quang, máy cán và để cân bằng công suất phụ tải trên cả

ba pha của đường dây cung cấp

- Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng của hai đầu phát và nhận Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện qua việc điều chỉnh nhanh công suất phản kháng của SVC và do đó điều khiển nhanh công suất phản kháng ở đầu ra của SVC

SVC được xây dựng trên nhiều mô hình thiết kế khác nhau Tuy nhiên cấu tạo chung của thiết bị bù ngang tĩnh SVC đều từ hai loại phần tử cơ bản sau:

- TCR: Thyristor controller reactor (cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor)

- TSC: Thyristor switched capacitor (tụ đóng cắt bằng thyristor)

2.2.1 Cuộn cảm được điều khiển bằng Thyristor

Phần tử cơ bản của TCR là cuộn cảm nối tiếp với cặp thyristor mắc đối song song như hình 2.1 Cuộn kháng cố định có lõi bằng không khí

Thyristor dẫn luân phiên mỗi nửa chu kỳ của tần số nguồn tùy thuộc vào góc kích α Khi α = π/2 thyristor dẫn hoàn toàn, lúc này dòng điện có được như khi nối tắt thyristor Dòng điện i hình sin chậm pha hơn điện áp u là π/2, khi α = π/2 ÷ π thyristor dẫn một phần, góc kích α từ 0 ÷ π/2 không được phép vì sẽ tạo ra dòng điện không đối xứng với thành phần một chiều Tăng góc α sẽ làm giảm biên độ thành phần cơ bản I1 của dòng điện, dẫn đến XL

tăng Đặc tính U – I được mô tả bởi phương trình:

U = Uref + XSL.I (2.1)

Do dẫn điện trễ, TCR tạo ra dòng điện điều hòa bậc lẻ khi α = π/2 ÷π, trong đó thành phần 6n+1 là thành phần thứ tự thuận, thành phần 6n – 1 là thành phần thứ tự nghịch, thành phần 6n – 3 là thành phần thứ tự không TCR hoạt động như nguồn dòng và không phải biên độ cực đại của tất cả các dòng điều hòa được xuất hiện cùng một góc kích

Trong hệ thống ba pha cân bằng TCR được đấu Δ (TCR 6 xung) và chỉ

có sóng hài bậc 6n ±1 Cuộn cảm được tách ra thành hai phần mắc hai bên thyristor ở mỗi nhánh Δ để hạn chế dòng sự cố thyristor

Có thể khử sóng hài bằng cách dùng TCR 6 xung mắc vào hai cuộn thứ cấp của máy biến áp giảm áp, một cuộn thứ cấp nối Y và một cuộn thứ cấp khác nối Δ để tạo ra TCR 12 xung Cả hai TCR được được điều khiển bởi cùng một góc kích Vì điện áp lệch pha π/6 nên thành phần 6(2n -1) ± 1 của dòng điện sẽ bị khử trong MBA, thành phần 12n ± 1 của dòng điện sẽ đi vào

hệ thống điện Các bọ tụ có thể mắc song song với TCR để vừa nới rộng đặc tính làm việc của nó, vừa có thể lọc các sóng hài không mong muốn Khi đó vùng làm việc được xác định bởi công suất định mức của các phần tử và định mức quá tải của TCR

Như đặc tính làm việc trên hình vẽ, để duy trì cân bằng giữa các cực của khóa thyristor, tránh các dòng điều hòa bậc và một chiều, các xung mở được hạn chế từ α = π/2 ÷ π Xung gửi đến khóa thyristor ở góc mở α làm cho điện kháng tương ứng dẫn điện cho đến điểm không kế tiếp của dòng điện, do

đó việc cấp công suất bù phản kháng được xác định

Như vậy dễ nhận thấy TCR có những đặc điểm sau:

- Đáp ứng động của TCR rất nhanh, nhưng trễ do mạch đo lường và điều khiển cũng như tổng trở hệ thống, cho nên có thể chỉnh định để cho thời gian đáp ứng chậm hơn khoảng từ 3 đên 10 chu kỳ vì lý do ổn đinh mạch điều khiển

- Phát sinh sóng hài của sơ đồ tùy thuộc laoij TCR, cấu trúc bộ lọc và tình trạng vận hành của hệ thống điện Điện áp không cân bằng, dung sai ở góc kích và phần tử chính của TCR có thể tạo ra nhiều sóng hài bậc 2, 3, 9

Những sóng hài này thường dưới 2% định mức của TCR Bộ lọc ở mạch đo lường và điều khiển có thể làm giảm những sóng điều hòa này

- Tổn hao của TCR tùy thuộc và kết cấu và điểm làm việc Tổn hao của TCR với tụ cố định từ 0,5 ÷ 0,7% công suất định mức

- Khả năng quá tải của TCR được xác định bởi thyristor

Vì những đặc điểm này mà TCR có thể được ứng dụng:

- Ổn định điện áp và giảm quá điện áp tạm thời trong hệ thống điện

- Cải thiện ổn định trong hệ thống điện

- Giảm dao động công suất

- Cân bằng tải trong hệ thống điện

- Bù cho tuyến HVDC

2.2.2 Bộ tụ đóng ngắt bằng thyristor (TSC)

U

C i

Hình 2.2 Tụ đóng ngắt bằng thyrristor

Phần tử cơ bản của TSC là các tụ điện mắc song song, mỗi tụ được mắc nối tiếp với một cặp thyristor, cặp thyristor mắc song song ngược chiều nhau như hình 2.2

Bộ tụ được chia thành nhiều nấc nhỏ, đóng cắt các nấc này bằng thyristor TSC cung cấp điều khiển on/off chứ không phải là điều khiển pha Nhu cầu công suất phản kháng được đáp ứng bằng cách đóng hay mở một lượng xấp xỉ các tụ điện Ở trạng thái cắt của tụ điện có một điện áp nạp trước bằng với đỉnh âm hay dương của điện áp xoay chiều được duy trì từ thời điểm không của dòng điện khi nó đã bị cắt lần sau cùng Để làm cực tiểu dòng quá

độ của tụ điện, tụ được đóng chỉ khi điện áp xoay chiều bằng với điện áp nạp trước Điều này chỉ xảy ra một lần trong mỗi chu kỳ, do vậy, mạch điều khiển luôn có ít nhất một chu kỳ đầy đủ mà trong khoảng đó để quyết định cắt hay không cắt một tụ nào đó Do đó điều khiển tạo xung kích cho thyristor sẽ quyết định quá độ đóng ngắt như sau:

- Quá độ nhỏ về dòng điện i sẽ diễn ra nếu thyristor được kích lúc điện

áp trên tụ uc bằng điện áp của hệ thống

- Quá độ lớn về dòng điện sẽ xảy ra nếu thyristor được kích lúc điện áp trên tụ uc và điện áp hệ thống ngược nhau

Ngoài ra có thể mắc một cuộn cảm nhỏ nối tiếp tụ sao cho biến thiên di/dt vẫn nằm trong giới hạn cho phép khi tình trạng đóng cắt quá độ xấu nhất xảy ra

Như vậy có thể nhận thấy một số đặc điểm sau của TSC:

- Chọn cấp điện áp để mắc TSC có thể ảnh hưởng đáng kể đến giá thành toàn bộ TSC Nó cũng quyết định đến mức chịu điện áp và dòng điện của thyristor

- Đặc tính U – I của TSC gián đoạn và được xác định bởi công suất và

số phần tử mắc song song Đáp ứng động của TSC nhanh (khoảng 0,5 – 1 chu kỳ), nhưng do trễ của mạch điều khiển và đo lường cho nên có thể chỉnh định

để đáp ứng chậm hơn vì lý do ổn định điều khiển

- TSC không phát sinh sóng hài nhưng nguy hiểm do cộng hưởng nối tiếp với hệ thống điện và tổng trở của cuộn cảm nối tiếp

- Khả năng quá tải của TSC được quyết định bởi thyristor và tụ

Do những đặc điểm trên mà TSC có thể được dùng:

- Duy trì điện áp khi có tác dụng của nhiễu lớn

- Giảm giao động công suất

- Điều chỉnh điện áp

- Cân bằng tải

Hiện nay người ta rất quan tâm đến sự kết hợp giữa bộ TCR và TSC để tạo ra các bộ bù tĩnh có công suất ngõ ra biến thiên liên tục (SVC) Các bộ SVC hoạt động với đáp ứng nhanh và người ta có thể đạt được các chức năng của bộ tụ bù tĩnh như: điều khiển điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng trong lưới điện, nâng cao giới hạn truyền tải công suất cho các đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh, điều khiển quá trình quá độ nâng cao tính ổn định động cho hệ thống Các ứng dụng này có thể đạt được là do hệ điều khiển đi cùng của SVC Tuy nhiên để SVC đáp ứng được tất cả các chức năng

trên thì hệ điều khiển phải được xây dựng hết sức phức tạp, do vậy trong phạm vi luận văn chỉ đề cập đến việc xây dựng hệ điều khiển bộ SVC để dùng mục đích điều khiển điện áp khi phụ tải thay đổi liên tục

2.3 Nguyên tắc chung điều khiển điện áp của SVC

Để xem xét khả năng điều chỉnh của SVC ta xét hệ thống cung cấp điện được biểu diễn bằng mạch tương đương thevenin một pha ở hình 2.3

Khi không có bù, sự thay đổi điện áp cung cấp do dòng điện phụ tải IT

gây ra được biểu biễn như hình 2.3 – b là ΔU

c) đồ thị véc tơ lúc có bù

ΔU = ΔUR + jΔUX (2.4)

Sự thay đổi điện áp có thành phần ΔUR cùng pha với IT và thành phần

ΔUX vuông góc với IT, được biểu diễn như trên hình 2.3 – b Điều này có nghĩa là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, là các hàm số của biên độ và pha của dòng điện phụ tải Hay nói cách khác là sự thay đổi điện áp phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải

Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho |U|=|E|, tức

là làm cho sự thay đổi điện áp bằng không hay giữ cho biên độ điện áp cung cấp không đổi ở giá trị E khi có tải Điều này được minh họa như hình 2.3 – c

Công suất phản kháng QT ở phương trình (2.3) được thay bằng QS = QC

+ QT và QC được chỉnh định sao cho làm quay đồ thị véc tơ pha ΔU cho đến khi |U|=|E|

Phương trình (2.5) được viết lại như sau: a.QS2 + bQS + c = 0 (2.6)

Nghiệm QS được xác định:

2 S

dễ dàng công suất phản kháng của thiết bị bù trong một phạm vi vừa đủ Ở một tốc độ vừa đủ thiết bị bù có thể hoạt động như một bộ điều áp lý tưởng, tuy nhiên chỉ có biên độ điện áp là điều khiển được còn góc pha của nó thay đổi liên tục theo dòng tải

2.4 Đặc tính điều chỉnh của SVC

Đặc tính điều chỉnh của SVC có thể xây dựng được dựa vào nguyên lý làm việc của thyristor Thyristor hoạt động như một diode, tuy nhiên ngoài điều kiện điện áp đặt lên bản thân thyristor thuận chiều còn yêu cầu một xung điện áp đặt lên cực điều khiển Xung có thể không kéo dài mà thyristor vẫn

mở cho đến khi điện áp ngược đặt lên thyristor Sang chu kỳ mới điện áp đặt thuận chiều nhưng mạch cũng chỉ mở khi có tín hiệu điều khiển xung Rõ ràng thay đổi phát xung mỗi chu kỳ có thể thay đổi được dạng đường cong dòng điện

Để điều khiển điện kháng của SVC ta tiến hành điều khiển điều khiển góc mở của thyristor trong bộ TCR

Dạng sóng điều chỉnh có dạng như hình vẽ 2.5

Nếu xem thành phần cơ bản của dòng điện là thành phần làm việc thì biên độ của thành phần này hoàn toàn thay đổi theo góc α của thyristor Khi thyristor mở hoàn toàn (α = 0) biên độ thành phần cơ bản sẽ lớn nhất, khi α =

π dòng qua mạch bằng 0 Khi thay đổi đột ngột từ α = 0 đến α = π thì trạng thái đóng cắt của mạch TSR và TCR Trong mạch điện có điện cảm quan hệ giữa điện áp ngoài và dòng điện trong mạch phức tạp hơn nhưng nguyên lý làm việc của thyristor không có gì thay đổi

Đặc tính điều chỉnh của SVC được coi là quan hệ giữa biên độ thành phần cơ bản của dòng điện với góc mở α của thyristor Đặc tính đó có thể nhận được bằng cách phân tích dòng điện toàn phần thành chuỗi Fourier

Nếu hàm f(t) nào đó tuần hoàn với chu kỳ thời gian là T = 2π thì có thể phân tích:

u

i

Hình 2.4 TCR trong SVC

Với dòng điện đi qua TCR như hình 2.6, với tần số công nghiệp ω =

2πf ta có hàm chu kỳ T =1/f Đổi biến 2 t

T



 = ta có hàm chu kỳ 2π được biểu diễn như sau:

2



 = +  với π/2 ≤ α0 ≤ π khi đó ta có: