Khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện

Ở phương cách thứ hai sẽ dễ dàng thực hiện hơn do cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ sẽ cho ra đời các linh kiện bán dẫn hay các linh kiện điện tử công suất cung cấp phương ti

Mục lục

MụC LụC 1

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN 5

I Giới thiệu: 5

II Đặt vấn đề: 6

III Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn: 7

IV Bố cục của luận văn: 8

CHƯƠNG 2 9

GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS 9

I Giới thiệu thiết bị FACTS: 9

II Phân loại các thiết bị FACTS: 12

1 Loại song song: 12

2 Loại nối tiếp: 16

3 Loại song song – nối tiếp: 17

4 Loại nối tiếp – nối tiếp: 19

5 Bộ biến đổi góc pha PST: 20

III Vận hành, bảo dưỡng thiết bị FACTS : 20

IV Chi phí đầu tư và lợi ích của FACTS: 21

1 Chi phí đầu tư: 21

2 Lợi ích của FACTS 22

V Sự phát triển tương lai của các thiết bị FACTS 26

CHƯƠNG 3 27

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA UPFC 27

I Giới thiệu UPFC: 27

II Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của UPFC 29

1 Cấu tạo của bộ UPFC 29

2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của UPFC 32

III Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC 37

1 Các hàm điều khiển cơ bản của khối song song: 39

2 Các hàm điều khiển cơ bản của khối nối tiếp 40

IV Đặc tính của hệ thống và mô hình dòng công suất khi có UPFC 41

1 Đặc tính của hệ thống truyền tải: 41

2 Mô hình dòng công suất khi có lắp đặt thêm UPFC: 44

3 Chế độ điều khiển tự động dòng công suất 48

CHƯƠNG 4 51

MÔ HÌNH UPFC VÀ GIAO DIỆN 51

I Giới thiệu về simulink trong Matlab 51

II Các khối cơ bản của hệ thống 52

1 Khối nguồn áp 3 pha (Three-Phase voltages Source) 52

2 Khối tải RLC mắc nối tiếp (Series RLC Load): 53

3 Khối các thông số của đường dây 54

4 Khối máy biến áp 56

III Các khối cơ bản bên trong UPFC 58

1 Khối dữ liệu công suất (Power data) 58

2 Khối dữ liệu điều khiển song song: 60

3 Khối dữ liệu điều khiển nối tiếp: 62

IV Mô hình điều khiển trong Matlab 63

1 Mô hình điều khiển bộ song song: 63

2 Mô hình điều khiển bộ nối tiếp 64

CHƯƠNG 5 65

KHẢO SÁT VÀ ÁP DỤNG UPFC VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP 65

PHầN 1: KHảO SÁT CÁC CHế Độ LÀM VIệC CủA UPFC 65

I Xây dựng mô hình khảo sát 65

1 Giới thiệu hệ thống điện khảo sát 65

2 Mô tả hệ thống điện bằng mô hình Matlab 66

3 Các đặc tính làm việc của UPFC 67

II Điều khiển điện áp tại nút 69

1 Khảo sát tác động của UPFC ở cuối đường dây (nút 3) 69

2 Khảo sát tác động của UPFC ở đầu đường dây (nút 2) 73

3 Nhận xét tác động của UPFC lên hai đầu đường dây 78

III Khảo sát điều khiển công suất thực P 79

1 Khảo sát công suất cung cấp cho đường dây tại nút 3: 79

2 Nhận xét: 83

IV Khảo sát điều khiển công suất kháng Q 84

1 Khảo sát công suất kháng cung cấp cho đường dây tại nút 3: 84

2 Nhận xét: 89

V Khảo sát điều khiển độc lập P và Q: 89

1 Khảo sát khi Q = const: 89

2 Khảo sát khi P = const: 92

VI Điều khiển kết hợp U, P, Q: 94

PHầN 2: ÁP DụNG UPFC VÀO BÀI TOÁN ĐIềU KHIểN ĐIệN ÁP 97

I Mô hình hệ thống điện – Không gian trạng thái 97

II Tuyến tính hóa mô hình hệ thống 98

III Ma trận Jacobian rút gọn: 100

IV Mô hình toán của bộ UPFC trong ma trận Jacobian 103

V Bài toán khảo sát điều khiển điện áp: 107

1 Trạng thái ban đầu của hệ thống điện khi chưa có UPFC 108

2 Trạng thái của hệ thống điện khi có lắp bộ UPFC vào nút 3 110

CHƯƠNG 6 112

TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 112

I Tổng kết: 112

II Hướng phát triển của đề tài: 113

PHụ LụC CÁC CHƯƠNG TRÌNH 114

1 Chương trình chính tính phân bố công suất ban đầu 114

2 Chương trình chính tính phân bố công suất khi có thêm bộ UPFC 122

TÀI LIệU THAM KHảO 133

Chương 1 TỔNG QUAN

I Giới thiệu:

Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống phức tạp gồm các máy phát đồng

bộ, đường dây truyền tải và các phụ tải Hay còn được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu là máy phát đồng bộ phải hoạt động ở chế độ đồng bộ điện áp phải vận hành ở giá trị cho phép, các phụ tải phải được cung cấp điện đầy đủ và các đường dây được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải

Công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào điện kháng đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây hay nói cách khác có sự giới hạn công suất trên đường dây truyền tải

Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng Điện áp dọc theo đường dây có thể được điều khiển bằng việc lắp cuộn kháng bù (ngang) song song, tụ điện bù (dọc) nối tiếp vào đường dây Góc truyền tải của đường dây có thể điều khiển bằng việc thay đổi góc pha Mỗi đường dây truyền tải được xem như có nhiều cuộn cảm mắc nối tiếp và nhiều tụ điện mắc song song Tổng của các giá trị cuộn cảm mắc nối tiếp dọc trên suốt chiều dài đường dây quyết định đến điện áp và công suất cực đại truyền tải của đường dây Tổng của các giá trị tụ mắc song song với đường dây thì ảnh hưởng đến điện áp dọc theo đường dây truyền tải

Do nhu cầu ngày một gia tăng của phụ tải thường đặt đường dây truyền tải cao

áp vào những giới hạn vật lý của chúng như (quá nhiệt, ngắn mạch đường dây, máy phát và đường dây bị cắt ra khỏi hệ thống, bật máy cắt…) và những nhiễu trên hệ thống có thể làm mất ổn định hệ thống… Sự phục hồi trạng thái làm việc sau những nhiễu động này hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng dự trữ của hệ thống nếu hệ thống

có độ dự trữ yếu thì dễ dẫn đến mất ổn định hệ thống gây tan rã hệ thống

Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện chu trình hỗn hợp

là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng như các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) như tên gọi chung,

là những thiết bị mới nhằm cải thiện các hệ thống truyền tải đó

Các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible

AC Transmission System - FACTS) được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng

và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao; các lợi ích về môi trường khác

II Đặt vấn đề:

Qua phân tích từ những nguyên nhân ở trên ta thấy hệ thống rất dễ mất ổn định Từ đó để tăng cường độ an toàn, độ ổn định cho hệ thống đòi hỏi hệ thống lưới điện phải hoạt động linh hoạt hơn ngay cả trong những trường hợp bất ngờ và

sự cố nghiêm trọng nhất Theo phương thức truyền thống thì tình trạng này thường được giải quyết theo hai cách:

Xây dựng thêm các nhà máy hay đường dây mới nhằm tăng khả năng dự trữ của đường dây lên

Nâng cấp phương tiện, thiết bị truyền tải trên đường dây nhằm tận dụng hết khả năng truyền tải của những đường dây hiện có

Ở phương cách thứ nhất xây dựng mới các nhà máy hay đường dây thì ngày càng khó khăn nhiều hơn vì các lý do về tài chính, sự hạn chế về môi trường, luật pháp ngày càng khó khăn, và các yếu tố xã hội

Ở phương cách thứ hai sẽ dễ dàng thực hiện hơn do cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ sẽ cho ra đời các linh kiện bán dẫn hay các linh kiện điện tử công suất cung cấp phương tiện điều khiển nhanh hơn mềm hơn các thông số của hệ thống điện, từ đó có thể điều khiển trực tiếp đến dòng công suất truyền tải trên hệ thống một cách nhanh chóng và đồng thời

Theo truyền thống, việc bù công suất phản kháng và việc điều khiển góc pha thường được thực hiện bằng việc đóng cắt khóa cơ khí các phần tử điện (cuộn dây,

tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp…) nhằm ổn định công suất truyền tải trên

hệ thống Công việc này thường mất nhiều thời gian

Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện Các thiết bị này kết hợp với các bộ

vi xử lý cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hoá cao đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ

thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ thống bù, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện

Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS ra đời vào cuối thập niên 1980s của viện nghiên cứu năng lượng điện EPRI (the Electric Power Research Institute) đã giúp cho quá trình điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng

Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải, các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCSC, STATCOM và UPFC Trong đó, thiết bị UPFC (Unified Power Flow Controller) là thiết bị có khả năng điều khiển dòng công suất trên đường dây linh hoạt nhất, nó cho phép điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và cả góc pha

Hình 1.1 Phân bố công suất trên hệ thống điện truyền thống và hệ thống điện có

thiết bị FACTS

Hai mục tiêu chính của chương trình là tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, điều khiển dòng công suất theo định hướng đã đặt ra trước bằng việc thay đổi các khóa điều khiển cơ khí bằng các linh kiện điện tử công suất đáp ứng nhanh Ngoài ra, nó còn cho phép đường dây vận hành gần đến giới hạn nhiệt Nhờ vậy cải thiện đáng kể khả năng vận hành của hệ thống Hình 1.1 bên trên mô tả một trong các ứng dụng của các thiết bị FACTS trong việc chuyển đổi tải trong hệ thống

Đề tài của luận văn sẽ trình bày về UPFC, một trong những thiết bị điều khiển hữu hiệu nhất trong dòng các sản phẩm của FACTS trong việc điều khiển tự động điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng công suất trên hệ thống điện

III Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn:

Hệ thống truyền tải truyền thống Hệ thống truyền tải với thiết bị FACTS

Dựa vào phần đặt vấn đề trên, nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn được đặt ra là:

 Giới thiệu tổng quan về các thiết bị FACTS

 So sánh lợi ích của bộ FACTS và việc xây dựng đường dây mới

 Giới thiệu cấu tạo của thiết bị UPFC

 Xây dựng mô hình UPFC trong Matlab

 Mô phỏng các đặc tính của UPFC trong hệ thống điện

 Áp dụng UPFC vào bài toán điều khiển điện áp

IV Bố cục của luận văn:

Từ các nhiệm vụ và mục tiêu đưa ra, nội dung của luận văn được trình bày gồm các chương sau:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Giới thiệu các thiết bị FACTS

Chương 3: Nguyên tắc hoạt động và các đặc tính của UPFC

Chương 4: Mô hình UPFC và giao diện

Chương 5: Khảo sát và áp dụng UPFC vào bài toán điều khiển điện áp

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài

Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS

I Giới thiệu thiết bị FACTS:

Với sự phát triển của điện tử công suất dùng Thyristor tắt cổng (GTO – Gate Turn_off) đã cho ra đời hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt mà trong đó dòng công suất được điều khiển động bởi các linh kiện điện tử công suất Hai mục tiêu chính của hệ thống các thiết bị FACTS là để tăng khả năng tải của đường dây truyền tải và điều khiển dòng công suất theo một lộ trình đã được vạch ra trước Toàn bộ hệ thống bù ngang, bù dọc, máy biến áp để điều chỉnh điện áp và góc pha đều được điều khiển bằng điện tử công suất Đặc biệt, bộ nguồn điện áp đồng bộ SVS (Synchronous Voltage Sources) điều khiển bằng bán dẫn được dùng để bù động và điều khiển theo thời gian thực dòng công suất trong hệ thống truyền tải và

có khả năng đồng đều trong việc điều khiển điện áp, tổng trở, góc pha Hệ thống SVS cung cấp khả năng trao đổi trực tiếp công suất tác dụng với hệ thống xoay chiều, bên cạnh đó việc bù công suất kháng được điều khiển độc lập

Những phát minh mới nhất của các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên nền tảng cơ bản là các bộ nguồn điện áp đồng bộ SVSs (Synchronous Voltage Sources) được giới thiệu bởi L Gyugyi cuối thập niên 1980s [5] Những bộ SVS này được xem như là những máy phát đồng bộ lý tưởng phát ra điện áp ba pha cân bằng và có thể điều khiển được điện áp và góc pha Tự nó có thể phát được cả công suất phản kháng mang tính cảm và tính dung Nếu kết hợp nó với các bộ tích trữ năng lượng như tụ điện DC, Battery… SVS có thể trao đổi công suất thực với hệ thống xoay chiều Bộ SVS có thể tạo ra bởi việc sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC (Voltage Sourced Converter) Cấu trúc hoạt động cơ bản của VSCs sẽ được đề cập đến ở phần sau

Những thuận lợi cơ bản của bộ bù sử dụng SVS so với việc bù bằng đóng cắt khóa cơ khí hay bù bình thường bằng việc đóng cắt Thyristor là:

Đồng bộ trong việc sử dụng các thiết bị linh kiện điện tử công suất trong việc ứng dụng điều khiển ở các bộ bù khác nhau

Cải thiện các đặc tính hoạt động và biểu diễn

Giảm được kích thước của thiết bị và công bảo trì lắp ráp và vận hành

Các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống các thiết bị FACTS có cấu tạo

từ những linh kiện điện tử có ngắt hay không ngắt Các thiết bị điều khiển chứa linh

kiện điều khiển ngắt, thường có cấu tạo của một bộ biến đổi điện áp DC – AC có khả năng trao đổi công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng Nếu sự trao đổi công suất chỉ gồm thành phần công suất phản kháng thì công suất của mạch DC có thể giảm đến mức nhỏ nhất

Trong trường hợp điện áp hoặc dòng điện cung cấp bởi thiết bị lệch khác 90o

so với dòng điện hoặc điện áp đường dây thì nguồn dự trữ công suất của mạch DC của thiết bị đó phải có định mức cao hơn Để tăng cường khả năng dự trữ năng lượng của phần mạch DC, các thiết bị có thể trang bị cho nó như bộ ắc quy (Battery), cuộc dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet)… Một cách tổng quát, các thiết bị điều khiển dùng bộ biến đổi DC-AC có thể trang bị nguồn dự trữ năng lượng như tụ điện công suất lớn, ắc quy (Battery), cuộn dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet) và sẽ làm tăng kích thước hệ FACTS

Việc trang bị bộ phận dự trữ năng lượng làm tăng hiệu quả điều khiển của các thiết bị FACTS vì chúng có khả năng điều khiển “bơm vào” hoặc “rút ra” công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng từ lưới điện thay vì chỉ ảnh hưởng đến tính chất truyền công suất tác dụng trong trường hợp thiết bị không có bộ phận dự trữ năng lượng

Các thiết bị điều khiển của FACTS thường được thiết kế với kỹ thuật điều chế

độ rộng xung để có thể thực hiện chức năng loại bỏ các sóng hài bậc cao, có tác dụng như một mạch lọc tích cực, đồng thời có tác dụng làm cân bằng hệ thống khi nguồn mất cân bằng

Ký hiệu một số thiết bị trong họ các sản phẩm FACTS như sau:

SVC: Static Var Compensator

STATCOM: Static Synchronous Compenator

MSC: Mechanically-switched Capacitor*

TCBR: Thyristor Controlled Braking Resistor

TCPST: Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer

PST: Phase Shifting Transformer*

IPC: Interphase Power Controller

SC: Series Capacitor*

MSSC, TSSC: Mechanically/Thyristor Switched Series Capacitor

TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor

SSSC: Static Synchronous Series Compensator

UPFC: Unified Power Flow Controller

HVDC: High Voltage Direct Current

CSC: Convertible Static Compensator

PAR: Phase-Angle-Regulator

TCVL: Thyristor Controlled Voltage Limiter

SCCL: Super-Conducting Current Limiter

TSBR: Thyristor Switched Braking Resistor

TCPAR: Thyristor Controlled Phase-Angle Regulator

*: Không hoàn toàn là thiết bị FACTS

II Phân loại các thiết bị FACTS:

Bộ SVS có thể được sử dụng để bù nối tiếp hay bù song song Nếu nó hoạt động như bộ bù nối tiếp thì được gọi là bộ bù đồng bộ nối tiếp tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator) Nếu nó hoạt động như bộ bù song song thì nó được gọi là bộ bù tĩnh đồng bộ STATCOM (Static Synchronous Compensator) hay

bộ bù tụ tĩnh đồng bộ STATCON (Static Synchronous Condenser)

Một trường hợp đặc biệt trong việc sắp xếp hai bộ SVSs, là một SVS thì kết nối nối tiếp và cái còn lại thì kết nối song song với hệ thống xoay chiều thông qua liên kết chung là cực DC và được gọi là UPFC (Unified Power Flow Controller)

Nó là mô hình điều khiển đại diện cho kiểu kết nối nối tiếp – song song

Gần đây viện nghiên cứu EPRI còn cho ra mô hình điều khiển kiểu kết nối nối tiếp – nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller) gồm hai hay nhiều bộ SSSCs liên kết lại vơi nhau với một liên kết DC chung IPFC cung cấp khả năng điều khiển độc lập bù công suất phản kháng nối tiếp cho mỗi đường dây cũng như là chuyển đổi công suất tác dụng giữa các đường dây này với nhau

Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp Tùy vào cách liên kết giữa các bộ SVS mà ta có các dòng sản phẩm khác nhau của FACTS Nếu chia theo cách bù vào đường dây thì hệ thống FACTS thường được chia làm các loại như sau:

 Loại bù song song

 Loại bù nối tiếp

 Loại kết hợp song song – nối tiếp

 Loại kết hợp nối tiếp – nối tiếp

 Loại ổn định điện áp và điều khiển góc pha

1 Loại song song:

Đặc trưng cho kiểu bù song song các thiết bị FACTS là SVC và STATCOM

a Các máy bù tĩnh SVC (Static Var Compensator ):

SVC là một khái niệm chung nó bao gồm các phần tử (hình 2.1):

 Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (Thyristor Controlled Reactor – TCR)

 Cuộn kháng đóng cắt bằng Thyristor (Thyristor Switched Reactor – TSR)

 Hoặc kết hợp cả hai phần tử trên

Theo CIRGE định nghĩa SVS (Static VAR System) là một tổ hợp các bộ bù tĩnh (SVC) và các tụ bù hay cuộn kháng được đóng cắt bằng các thiết bị cơ khí Một

hệ thống SVS thường bao gồm:

 Một máy biến thế dùng để liên kết giữa lưới điện cao thế và các thiết bị điện tử công suất trung thế Thường một máy biến áp riêng được sử dụng nhưng thỉnh thoảng có thể sử dụng cuộn dây thứ ba của máy biến áp tự ngẫu được sử dụng

 TCR (Thyristor – Controlled Reactor) là một phần tử của SVC, nó có khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc pha của các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

 TSR (Thyristor – Switched Reactor) bao gồm một số cuộn kháng đấu song song chúng được đóng vào hay ngắt ra khỏi lưới bằng cách điều khiển các khóa SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

TCR-TSR TSC Fillter FC FR

Line

 TSC (Thyristor – Switched Capacitor) là thiết bị bù công suất phản kháng điều chỉnh dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện song song với lưới ra khỏi hệ thống bằng cách kích đóng ngắt các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

 FC (Fixed Capacitor) là loại thiết bị bù cố định bằng tụ

 FR (Fixed Reactor) là loại thiết bị bù cố định bằng điện kháng

Mục đích của các bộ lọc gồm hai điểm chính: lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất hiện do tính phi tuyến của phụ tải (mạch từ) hoặc do tải được cấp nguồn từ các bộ biến đổi dùng bán dẫn công suất Trong trường hợp tải thay đổi công suất phản kháng nhiều, hệ thống cần phần tử điều chỉnh công suất phản kháng Ngược lại, trong trường hợp công suất phản kháng hầu như không thay đổi, phần tử điều chỉnh công suất phản kháng có thể loại bỏ

Mạch lọc sóng hài: các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc cao xuất hiện có ảnh hưởng nhiều chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13 Các thành phần bội ba (triple harmonic) thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ cấu trúc đấu dây của máy biến thế hoặc giải thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất Các mạch lọc cộng hưởng được điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho các sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lưới điện Các mạch lọc LC đối với thành phần bậc1 lại tác dụng như một tải dung kháng và do đó phát ra dòng điện bù cho lưới

Độ lớn dòng điện bù này không thể điều khiển nhuyễn một cách dễ dàng được và xác định từ tổng công suất bù của các tụ Vì thế, để điều chỉnh hệ số công suất, cần phải điều chỉnh dòng bù mang tính cảm kháng qua cuộn dây trong mạch TCR Công suất cuộn kháng càng lớn, khả năng bù càng rộng

SVC là thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng rất nhiều nhằm cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải quyết các vấn đề điện áp Nhờ

độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng

Các nhiệm vụ chính của bộ SVC là:

 Điều khiển điện áp

 Điều khiển công suất phản kháng

 Giới hạn quá điện áp tần số công nghiệp

Tuy nhiên với khả năng thay đổi tác động trong thời gian quá độ bằng cách thay đổi điện áp ở các nút, nên SVC còn có nhiệm vụ để cải thiện ổn định của hệ thống và damping cho các giao động của hệ thống

b Máy bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Compensation):

STATCOM là thiết bị SVC dựa trên GTO (Thyristor kiểu cổng đóng - Gate Turn-Off) So với loại SVC thông thường, STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp Như vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể được xem như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống

Bộ STATCOM được mắc song song với đường dây và hoạt động không cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như là một máy bù công suất phản kháng Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra Vo cùng pha với điện áp hệ thống V (hình 2.2)

 Nếu Vo nhỏ hơn điện áp hệ thống V thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống

 Nếu Vo lớn hơn điện áp hệ thống V thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống

So với SVC, đáp ứng của STATCOM nhanh hơn nhiều do khả năng điều khiển đóng và ngắt linh kiện của nó Trong khi đó, các linh kiện của SVC chỉ có thể thực hiện điều khiển đóng mà không có khả năng điều khiển ngắt Với STATCOM chỉ cần thay đổi điện áp ra phía xoay chiều của nó trong khoảng 15% là có thể điều khiển thay đổi dòng bù đến phạm vi 100% Điều này là không thể thực hiện được

đối với các thiết bị SVC, chúng đòi hỏi điều khiển thay đổi điện áp trong toàn giới hạn 100% để có thể đạt dòng bù tương ứng

V

V o I

V dc STATCOM

Hình 2.2 Sơ đồ kết nối STATCOM với hệ thống

2 Loại nối tiếp:

a Bộ bù nối tiếp SSSC (Static Synchronous Series Compensator):

SSSC thường được lựa chọn như là một bù nối tiếp vào đường dây SSSC là một nguồn áp đồng bộ mà bên trong nó có thể phát ra một lượng điện áp được yêu cầu nối tiếp với đường dây và độc lập với dòng điện trên đường dây SSSC có thể được xem như là một máy phát lý tưởng SSSC có khả năng cung cấp một điện áp ở tần số cơ bản có thể điều khiển được biên độ và góc pha Hơn nữa, SSSC có thể phát hay thu công suất phản kháng khi nó được yêu cầu làm việc trong hệ thống như

là một máy bù đồng bộ và nó có thể biến đổi công suất thực của hệ thống AC sang điện áp DC thông qua các thiết bị dự trữ năng lượng Công suất truyền tải này trở thành hàm tham số của điện áp Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suất kháng với hệ thống AC, đơn giản là bằng cách điều khiển vị trí góc của điện áp bơm vào và dòng trên đường dây (Hình 2.3)

Khi được kết hợp với các bộ SVS của các thiết bị điều khiển FACTS phù hợp thì nó có thể điều khiển độc lập công suất thực và công suất kháng trên mỗi đường dây, hoặc là cân bằng công suất thực và kháng giữa các đường dây này Nếu nói trên quan điểm ứng dụng thực hành, việc điều khiển dòng công suất ở trạng thái xác lập hay là đáp ứng tĩnh, bộ SSSC có thể cho vùng điều khiển rộng hơn là bù công suất kháng nối tiếp

b Các bộ đóng cắt tụ nối tiếp SSC (Switched Series Capacitors):

Trong các bộ đóng cắt tụ nối tiếp có hai dòng sản phẩm chính là MSSC và TSSC

MSSC (Mechanically Switched Series Capacitors) thường được ứng dụng chính cho điều khiển dòng công suất MSSC hoạt động đóng cắt bộ tụ bù bằng cách chia bộ tụ ra thành nhiều phần tử nhỏ để dễ dàng thao tác Nghĩa là cung cấp dung kháng cho đường dây bằng cách đóng cắt từng cấp công suất nhỏ

Trong trường hợp có số lượng nhiều khóa cần được đóng cắt thì nó được thay thế bằng các khóa Thyristor hoạt động như là một khóa điện và thường được gọi là

tụ bù nối tiếp đóng ngắt bằng Thyristor TSSC (Thyristor Switched Series Capacitors)

Hình 2.3 Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống

c Các bộ tụ bù nối tiếp được điều khiển bằng TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation):

Là một mở rộng của các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một

bộ phản ứng được điều khiển bằng thyristor Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù nối tiếp thay đổi liên tục

và nhanh chóng Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các giao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây

3 Loại song song – nối tiếp:

Một trường hợp đặc biệt trong việc sắp xếp hai bộ SVSs, là một SVS thì kết nối nối tiếp và cái còn lại thì kết nối song song với hệ thống xoay chiều thông qua liên kết chung là cực DC và được gọi là UPFC (Unified Power Flow Controller)

Nó là mô hình điều khiển đại diện cho kiểu kết nối nối tiếp – song song

Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM là một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải

qua mạch DC của nó tạo ra UPFC Thiết bị này giống như một biến áp chuyển dịch pha nhưng có thể gắn một điện áp nối tiếp của góc pha yêu cầu thay vì một điện áp

có góc pha cố định UPFC kết hợp lợi ích của một STATCOM và SSSC (hình 2.4)

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống

Ta cũng có thể xem UPFC là bộ điều khiển tổng hợp của các bộ điều khiển các thông số của hệ thống điện (hình 2.5):

 Điều khiển điện áp U1 U2 như là một SVC

 Điều khiển X như là một TCSC

 Điều khiển góc truyền tải  như là một PAR

4 Loại nối tiếp – nối tiếp:

Gần đây viện nghiên cứu EPRI còn cho ra mô hình điều khiển kiểu kết nối nối tiếp – nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller) gồm hai hay nhiều bộ SSSCs liên kết lại vơi nhau với một liên kết DC chung IPFC cung cấp khả năng điều khiển độc lập bù công suất phản kháng nối tiếp cho mỗi đường dây cũng như là chuyển đổi công suất tác dụng giữa các đường dây này với nhau

Mô hình IPFC về lý thuyết là mô hình điều khiển linh động dòng công suất cho nhiều đường dây trên hệ thống mà trên đó có hai (hay nhiều hơn) đường dây có lắp bộ bù nối tiếp SSSC trên mỗi đường dây đó Mô hình IPFC có thể điều khiển độc lập bù công suất kháng trên mỗi đường dây, có khả năng chuyển đổi dòng công suất thực giữa các đường dây đang bù Với khả năng này IPFC có thể cân bằng công suất thực và công suất kháng giữa các đường dây, nó có thể chuyển tải từ đường dây đang bị quá tải sang đường dây non tải, nó có thể bù chống rơi điện áp trên đường dây, gia tăng hữu hiệu khả năng bù của hệ thống đối với những nhiễu động Một cách tổng quát IPFC có thể cho hiệu suất cao nhất cho việc quản lý hệ thống truyền tải công suất nhiều đường dây cùng lúc

Phần tử cấu tạo cơ bản nhất của IPFC bao gồm hai bộ biến đổi SSSCs kết nối back-to-back cho việc truyền tải công suất thực, như (hình 2.6) Mỗi bộ SSSC liên kết nối tiếp với đường dây thông qua một máy biến áp và nó có thể bù độc lập công suất kháng cho riêng đường dây đó

Hình 2.6 Sơ đồ kết nối IPFC với hệ thống

5 Bộ biến đổi góc pha PST:

PST (Phase Shifting Transformer) bộ biến đổi góc pha sử dụng bộ chuyển đổi nấc hay các khóa Thyristor để điều khiển Trong họ các bộ biến đổi góc pha PST còn có các dòng sản phẩm sau (hình 2.7):

Hình 2.7 Sơ đồ kết nối TCPST với hệ thống

 IPC (Interphase Power Controller)

 TCPST (Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer) có thể dùng cho POD (Power Oscillation Damping)

 PAR (Phase Angle Regulator) điều khiển góc lệch pha giữa các cực trên đường dây truyền tải

III Vận hành, bảo dưỡng thiết bị FACTS :

Các thiết bị này thường hoạt động tự động Chúng có thể được lắp đặt tại các trạm biến áp tự động Việc thay đổi các tham số thiết lập của các mode hoạt động có thể được thực hiện tại trạm hoặc từ xa (ví dụ từ một phòng điều khiển trạm biến áp, một trung tâm điều khiển vùng hoặc một trung tâm điều khiển quốc gia)

Bảo dưỡng các thiết bị FACTS là tối thiểu, tương tự như đối với các tụ rẽ nhánh, các bộ kháng và máy biến áp Công việc này có thể được thực hiện do các nhân viên trạm biến áp bình thường mà không yêu cầu những thủ tục đặc biệt Lượng công việc bảo dưỡng từ 150 – 200 giờ công mỗi năm và phụ thuộc vào mức

độ lắp đặt và các điều kiện môi trường [9]

Những thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đã đi vào hoạt động hơn 20 năm qua Đến tháng 1 năm 2000, tổng dung lượng các thiết bị FACTS được lắp đặt trên thế giới là hơn 40,000 MVAr với hàng trăm công trình Mặc dù các thiết bị FACTS chủ yếu được sử dụng trong ngành Điện, song chúng cũng được sử dụng trong các ngành sản xuất phần cứng máy tính và thép (SVC để giảm những hiện tượng điện

áp nhấp nháy) cũng như cho điều khiển điện áp trong các hệ thống truyền tải ở ngành Đường sắt và các trung tâm nghiên cứu

IV Chi phí đầu tư và lợi ích của FACTS:

1 Chi phí đầu tư:

Chi phí đầu tư của các thiết bị FACTS có thể chia ra thành 2 loại:

a Chi phí cho các thiết bị chính:

Những chi phí này không chỉ phụ thuộc vào định mức lắp đặt mà còn phụ thuộc vào các yêu cầu đặc biệt như:

 Độ dự phòng của hệ thống điều khiển và bảo vệ hay thậm chí những thành phần chủ yếu như các bộ kháng, tụ điện và máy biến thế

 Các điều kiện địa chấn

 Các điều kiện môi trường (ví dụ nhiệt độ, mức độ ô nhiễm)

 Liên lạc với Hệ thống điều khiển trạm biến thế hay Trung tâm Điều khiển Vùng hoặc Quốc gia

b Các chi phí về cơ sở hạ tầng:

Các chi phí này phụ thuộc vào vị trí lắp đặt trạm biến áp Đó là những chi phí như:

 Thu hồi đất đai, nếu trạm biến áp hiện có không có đủ diện tích

 Những thay đổi trong trạm biến áp hiện có, ví dụ nếu cần một bộ thiết bị đóng cắt HV mới

 Xây lắp một công trình cho các thiết bị trong nhà (các thiết bị điều khiển, bảo vệ, các van Thyristor, các thiết bị phụ trợ, v.v…)

 Các công việc dân dụng ở hiện trường (san ủi đất, tiêu thoát nước, xây móng, v.v)

 Kết nối hệ thống thông tin liên lạc hiện tại với các thiết bị mới được lắp đặt

Với các định mức thiết bị phổ biến, giới hạn dưới của các loại chi phí được thể hiện ở (hình 2.8) cho thấy các chi phí về thiết bị và giới hạn trên cho thấy tổng chi phí bao gồm cả chi phí cho cơ sở hạ tầng Với các định mức công suất rất thấp, các chi phí có thể cao hơn và với các định mức công suất rất cao thì các chi phí có thể thấp hơn Tổng mức đầu tư, không bao gồm thuế, có thể thay đổi theo các hệ số từ -10% đến 30%

2 Lợi ích của FACTS

a Lợi ích về mặt tài chính

Các lợi ích tài chính mà có thể dễ dàng tính toán được là:

 Mức bán hàng gia tăng nhờ dung lượng truyền tải tăng

 Những chi phí công suất truyền tải do dung lượng truyền tải tăng

 Tránh hoặc trì hoãn các khoản đầu tư vào các đường dây truyền tải cao

áp mới hoặc thậm chí là các nhà máy phát điện mới

Hình 2.8 Chi phí và công suất của các thiết bị

FACTS

Hình 2.9 cho thấy, mức độ bán hàng tăng thêm mỗi năm dựa vào chi phí/giá khác nhau khi dung lượng đường dây truyền tải gia tăng Hình 2.10 đưa ra mức đầu

tư điển hình cho các đường dây truyền tải AC cao áp mới

Ví dụ 1:

Nếu qua việc sử dụng một thiết bị FACTS, dung lượng của một đường dây truyền tải đầy tải có thể tăng 50 MW (ví dụ với các đường dây 132 kV hoặc cao hơn), điều này có thể tăng mức bán hàng thêm 50 MW Giả định rằng hệ số phụ tải 100% và giá bán hàng là 0,02 US$/kWh thì doanh số bán điện tăng mỗi năm sẽ là 8,8 triệu US$

Ví dụ 2:

Giả định rằng chi phí đầu tư của một đường dây 400 kV dài 300 km là khoảng

45 triệu US$ Với lãi suất 10%, chi phí lãi suất hàng năm là 4,5 triệu US$ Chi phí lắp đặt một thiết bị FACTS ví dụ là 20 triệu US$ có thể được chứng minh là tiết kiệm nếu một khoản đầu tư như vậy có thể được tránh hay trì hoãn ít nhất 5 năm (5

Hình 2.9 Chi phí/giá khi công suất truyền tải tăng

b Lợi ích về mặt kỹ thuật

Trong quá trình vận hành hệ thống thường tồn tại các tình trạng không bình thường có thể dẫn đến gây mất ổn định của hệ thống Bảng 2.1 sau đây cho ta thấy được một số tình trạng vận hành không bình thường của hệ thống và cách giải quyết thông thường cũng như khi lựa chọn sử dụng thiết bị FACTS

So sánh ưu điểm về mặt kỹ thuật của một số thiết bị chính của FACTS có thể được tóm tắt như bảng 2.2 sau:

Điều khiển dòng công suất

Điều khiển điện áp Đáp ứng tĩnh Đáp ứng động SVC

STATCOM

Giới hạn

điện áp

Điện áp cao khi

kháng

Đóng tụ, bù kháng

SVC, STATCOM Thêm mới đường

dây hay máy biến áp

TCSC, UPFC, TCPAR

Đường dây hay máy biến áp bị quá tải

Giảm quá tải

Bù trở kháng nối tiếp vào đường dây

SVC, TCSC

Giới hạn

nhiệt độ

Ngắt dòng trên đường dây song song

dòng điện tải

Mắc thêm trở kháng hay tụ nối tiếp

UPFC, TCSC

Điều chỉnh trở kháng nối tiếp

Thêm tụ hay trở kháng nối tiếp

UPFC, TCSC Chia tải đường

dây song song

Điều chỉnh góc pha

Trùng lắp

dòng công

suất

Đảo chiều dòng công suất trực tiếp

Điều chỉnh góc pha

Bảng 2.2 Các trạng thái làm việc của hệ thống điện

và ứng dụng của các thiết bị FACTS

Những lợi ích của việc sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống truyền tải điện

có thể tóm tắt như sau:

 Tận dụng tốt hơn các tài sản đã có trên hệ thống truyền tải

 Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

 Giảm được công suất phản kháng vì vậy tăng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

 Giảm giao động hệ thống

 Tăng khả năng tải của đường dây gần đến giới hạn ổn định nhiệt

 Tăng đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất trên đường dây

 Cung cấp an toàn đường dây liên kết giữa các vùng, vì vậy giảm công suất dự phòng cho cả hai phía

 Gia tăng đáp ứng động và tính ổn định của hệ thống, giảm quá tải cục bộ trên các đường dây

 Gia tăng chất lượng điện cung cấp cho các tải công nghiệp, tải có tính chất quan trọng

 Lợi ích cho môi trường

V Sự phát triển tương lai của các thiết bị FACTS

Sự phát triển trong tương lai sẽ bao gồm việc phối hợp các thiết bị đã có sẳn hiện nay, ví dụ phối hợp một STATCOM với một TSC (tụ chuyển mạch bằng Thyristor) để mở rộng dãy hoạt động Ngoài ra, các hệ thống điều khiển tinh vi hơn

sẽ cải thiện đáng kể tầm hoạt động của các thiết bị FACTS

Những phát triển trong công nghệ bán dẫn (ví dụ khả năng mang dòng cao hơn, các điện áp cản cao hơn) có thể làm giảm chi phí của các thiết bị FACTS và

mở rộng dãy hoạt động của chúng

Cuối cùng, những phát triển trong công nghệ bán dẫn sẽ mở cửa để phát triển cho các thiết bị mới như SCCL (Bộ hạn chế dòng siêu dẫn) và SMES (Lưu điện từ siêu dẫn)

Chương 3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA UPFC

I Giới thiệu UPFC:

UPFC (Unified Power Flow Controller), lần đầu tiên được đề xuất bởi Laszio Gyugyi năm 1991 [3], [6], [7] nó được xem như là một trong những thiết bị tối ưu nhất trong họ các thiết bị FACTS áp dụng trên hệ thống ngày nay Chức năng cơ bản nhất của nó là có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải một cách linh động, tin cậy và hoạt động kinh tế ngay cả khi hệ thống mang tải nặng Trong tất cả các thông số có ảnh hưởng đến việc truyền tải công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây như điện kháng, điện áp tại các nút hay là góc công suất truyền tải  thì đều có thể được điều khiển độc lập bằng việc đóng cắt khóa cơ khí hay những thiết bị của FACTS như là Static Var Compensator (SVC), Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC), Phase Shifter… Tuy nhiên, UPFC cho phép có thể điều khiển đồng thời hay là độc lập các thông số trên từ giá trị này sang giá trị khác trong ở chế độ xác lập Mặc khác UPFC có thể được sử dụng để hỗ trợ điện áp, cải thiện ổn định điện áp và giảm những giao động nhiễu ở tần số thấp Với những đặc điểm nổi bật trên, mô hình và phương thức điều khiển UPFC ngày càng được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây

Nếu xem việc UPFC hoạt động ở chế độ điều khiển tự động (Automatic Control Mode) như duy trì dòng công suất ở hai đầu phát và nhận hoặc ổn định điện

áp đầu phát ở những giá trị đặt trước Khi đó có thể xem đầu nhận của UPFC như là một nút PV (nút điện áp) trong khi đó đầu phát được xem như là một nút PQ (nút tải) và có thể tính dòng công suất như [10]

Chế độ điều khiển tự động thì đơn giản và dễ tiến hành nhưng nó chỉ hoạt động nếu công suất thực, công suất kháng và điện áp tại đầu phát được điều khiển bằng mô hình Chế độ điều khiển này được đề cập đến vì nó không cần vòng lặp để tìm ra các thông số điều khiển của UPFC Chế độ điều khiển này được áp dụng trực tiếp ngay khi có các thông số tìm được từ bài toán phân bố công suất Do những thuận lợi trên nên mô hình hoạt động của UPFC ở chế độ điều khiển tự động thường được đề nghị và mô hình này được xem như là mô hình hoạt động cơ bản nhất khi được áp dụng thực tế Do đó mô hình này sẽ được khảo sát ở các chương sau

Áp dụng việc giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Newton – Rhapson cho hệ thống lớn khi kết nối với các thiết bị FACTS được đề cập cụ thể trong tài liệu [12] Việc áp dụng phương pháp này cho hệ thống lớn khi có kết hợp với UPFC được trình bày trong [13] Nó cho phép mô phỏng điều khiển độc lập công suất thực, công suất kháng và điện áp Thuật toán giải tương đối phức tạp và khó thực hiện Nhờ có sự liên hệ giữa bài toán phân bố công suất và ma trận Jacobian nên việc giải ít phức tạp hơn Tuy nhiên việc giải bài toán có hội tụ hay không nó còn phụ thuộc vào điều kiện lặp ban đầu của hệ thống

Khảo sát mô hình động của UPFC cơ bản nhất có thể tham khảo trong các tài liệu [10], [16], [20], [22] Mô hình này bao gồm hai nguồn áp, một mắc nối tiếp và một mắc song song với hệ thống điện và được xem như là bộ mắc nối tiếp và bộ mắc song song của UPFC Mô hình giới thiệu trong [16] bỏ qua việc điều khiển công suất động của bộ tụ DC nên kết quả mô phỏng có thể không chính xác Mô hình giới thiệu trong [10], [20], [22] bao gồm cả việc điều khiển công suất động của

bộ tụ DC nên phù hợp với việc khảo sát tác động của UPFC lên hệ thống Mô hình của UPFC cơ bản là sự kết hợp của bộ STATCOM mắc song song và bộ SSSC mắc nối tiếp (hình 3.3)

Thiết kế mô hình điều khiển cơ bản nhất của UPFC là việc điều khiển dòng công suất thực, công suất kháng, điện áp đầu phát và điện áp DC Phương pháp điều khiển thường sử dụng nhất là dựa vào phương pháp điều khiển vectơ được giới thiệu bởi Schauder và Metha năm 1991 [14] Sự sắp xếp có hệ thống của phương pháp này cho phép điều khiển kép công suất thực và công suất kháng rất phù hợp với các ứng dụng của UPFC Phương pháp này được thực hiện bằng cách biến đổi

hệ thống ba pha cân bằng thành hệ thống đồng bộ trực giao quay Hệ thống mới được hình thành trên cơ sở là thành phần d cùng phương với vectơ điện áp và thành phần q thì vuông góc với nó Ở hệ thống liên kết mới này thành phần dòng điện Iqtác động trực tiếp đến công suất thực P và thành phần dòng điện Id tác động trực tiếp đến công suất kháng Q

Một cách tiếp cận khác của việc điều khiển tự động dòng công suất ở bộ chỉnh lưu nối tiếp là việc chia điện áp rơi giữa đầu phát và đầu nhận thành hai thành phần, một cùng pha với điện áp đầu phát và một vuông góc với nó Trong đó thành phần cùng pha với điện áp đầu phát thì tác động mạnh mẽ đến công suất kháng Q và thành phần vuông góc với nó thì tác động mạnh mẽ đến công suất thực P [22] Bộ chỉnh lưu song song có thể điều khiển điện áp đầu phát VS và VDC thông qua việc sử dụng và điều khiển hai vòng lặp PI [21], [22]

UPFC có thể điều khiển các thông số cơ bản của hệ thống (điện áp truyền tải, tổng trở, góc pha) Quá trình điều khiển này có thể thực hiện bằng bộ bù công suất kháng mắc song song, bộ bù công suất thực mắc nối tiếp hay là bộ điều khiển góc pha thông qua các hàm mục tiêu điều khiển

Điện áp được bơm thêm vào bởi các biến áp mắc nối tiếp Giá trị điện áp bơm vào này được cộng vào điện áp hệ thống từ phía mắc song song của UPFC và nó được điều khiển cả độ lớn và góc pha Dòng phản kháng thì được thu vào hay phát

ra bởi bộ biến áp song song

II Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của UPFC

1 Cấu tạo của bộ UPFC

a Thiết bị bán dẫn công suất cao GTO (Gate Turn-Off)

Có hai dòng sản phẩm bán dẫn biến đổi công suất đó là: bộ biến đổi nguồn áp (Voltage-Sourced Converter – VSC) được nuôi bởi nguồn áp DC chung và bộ biến đổi nguồn dòng (Current-Sourced Converter – CSC) thì có nguồn dòng DC liên kết giữa hai bên Sóng đầu ra của hai bộ cũng khác nhau; bộ VSC thì phát ra điện áp xoay chiều tại đầu ra trong khi đó bộ CSC thì cho ra dòng điện ở đầu ra Một cách tổng quát thì độ lớn và góc pha của điện áp hay dòng điện đều có thể điều khiển được Tuy nhiên về mặt vận hành và kinh tế thì bộ VSC được ưa chuộng hơn trong việc ứng dụng vào các dòng sản phẩm FACTS

Khả năng làm việc được ở dòng điện và điện áp cao là vấn đề luôn được quan tâm đối với các dòng GTO, ngày nay các GTOs công suất cao có thể làm việc được tốt ở dòng điện 6000A và điện áp 6000V [1], [2]

b Cấu trúc hoạt động của bộ VSC

Bộ biến đổi ba pha VSC được cho như (hình 3.1) là dạng cấu tạo đơn giản nhất cho các bộ FACTS, mạch cầu hai tầng gồm sáu bộ khóa dẫn (valves) Mỗi bộ gồm một Gate turn off device (GTO) được mắc song song với một Diode mắc theo chiều ngược lại và một tụ điện chung DC Nguồn áp xoay chiều AC được phát từ nguồn áp DC bằng việc đóng cắt liện tục các khóa GTO

Điều khiển góc đầu ra của bộ chỉnh lưu điện áp với hệ thống xoay chiều AC là điều khiển công suất tác dụng biến đổi giữa bộ chỉnh lưu và hệ thống xoay chiều Dòng công suất tác dụng từ phía DC qua phía AC (hoạt động ở chế độ nghịch lưu) nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển sớm pha hơn điện áp xoay chiều AC của hệ thống Ngược lại nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển trễ pha hơn điện áp xoay chiều AC của hệ thống thì dòng chảy công suất tác dụng sẽ từ phía AC sang phía DC (hoạt động ở chế độ chỉnh lưu) Chế độ nghịch lưu được dẫn bởi các GTOs trong khi đó chế độ chỉnh lưu được dẫn bởi các Diodes Hai linh kiện này không thể hoạt động ở cùng một thời điểm

Điều khiển độ lớn điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điện áp với hệ thống xoay chiều AC là điều khiển công suất phản kháng biến đổi giữa bộ chỉnh lưu và hệ thống AC Bộ chỉnh lưu phát công suất phản kháng cho hệ thống AC nếu điện áp

đầu ra của bộ chỉnh lưu lớn hơn điện áp của hệ thống AC Và ngược lại nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu nhỏ hơn điện áp của hệ thống AC thì bộ chỉnh lưu sẽ thu công suất phản kháng vào từ hệ thống

Khi sóng sin của kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM được áp dụng để mở hay đóng các tín hiệu của các GTOs được phát ra so với các tín hiệu đặt Vr của biên

độ Ar với sóng hình răng cưa của tín hiệu sóng mang Vc biên độ Ac (hình 3.2b) Tần số sóng mang bằng tần số đóng cắt của các GTOs Xem xét trên một pha (hình 3.2a)

Trong trường hợp này:

 Khi Vr > Vc GTO1 mở và GTO4 đóng

 Khi Vr < Vc GTO1 đóng và GTO4 mở

Tần số cơ bản của điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu là bằng với tần số tín hiệu đặt Điều khiển biên độ của tín hiệu đặt bằng cách điều khiển độ rộng của xung Tỷ số điều biên là: r

c

A m

V

Điện áp ra pha b chậm hơn pha a một góc là 120o

Điện áp ra pha c chậm hơn pha a một góc là 240o

c Hoạt động của bộ tụ chung DC (liên kết DC chung)

Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể điều khiển bằng những kỹ thuật khác nhau Trong đó kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) được áp dụng như là giải pháp giảm sóng hài tốt nhất Phương pháp này được đề cập do nó đáp ứng được số lần đóng cắt nhiều trong một chu kỳ và tổn hao ít Kết hợp với các bộ biến đổi phương pháp này còn khử được dòng điện qua tụ cung cấp

ra điện áp chuẩn dạng sin Do những đặc tính đơn giản trên nên nhiều tác giả [10,19,20,22] đã chọn kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM áp dụng trong UPFC Theo quan điểm về năng lượng, các bộ biến đổi công suất chỉ cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện, mạch phía DC của bộ biến đổi vì thế sẽ không tiêu thụ công suất Ở tần số bằng 0 (áp trên tụ DC), công suất phản kháng của nó cũng bằng không Vì thế, tụ điện không phát cũng không nhận công suất phản kháng Do đó, có thể nói rằng bộ biến đổi công suất chỉ tham gia với vai trò giao tiếp trung gian cho quá trình chuyển dịch các mạch vòng dòng điện của các pha nguồn xoay chiều mà không tham gia vào quá trình trao đổi công suất giữa chúng Trong thực tế, các bộ biến đổi công suất chịu sự tổn hao trong quá trình đóng ngắt các linh kiện bán dẫn Do đó năng lượng tổn hao này phải được bù lại từ nguồn xoay chiều, điều này có thể thực hiện được bằng cách điều khiển điện áp ra của bộ nghịch lưu trễ một góc nhỏ so với điện áp xoay chiều của hệ thống, lúc này bộ nghịch lưu nhận đủ một lượng năng lượng để bù vào lượng tổn hao đã mất và giữ cho điện áp trên nó không đổi.Việc điều chỉnh góc pha có thể dùng để điều khiển sự phát ra hay thu vào công suất phản kháng làm cho điện áp trên tụ tăng lên hay giảm xuống Tụ điện DC có vai trò tạo thành sự cân bằng công suất input và output trong qúa trình qúa độ cung cấp công suất phản kháng

Nếu bộ nghịch lưu áp được trang bị bởi nguồn điện DC hay bộ phận có khả năng dự trữ năng lượng DC, có thể khiển công suất phản kháng và công suất thực của hệ thống điện xoay chiều, nó có tác dụng như một máy phát đồng bộ bán dẫn Lúc này, khả năng của mạch bù được phát huy hiệu quả là có khả năng dập tắt được các năng lượng dao động và điều khiển năng lượng được cung cấp liên tục trong điều kiện khó khăn nhất

2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của UPFC

a Khái quát:

UPFC bao gồm sự kết hợp của hai bộ chỉnh lưu nguồn áp đồng bộ (Synchronous Voltage-Sourced Converters – VSCs) [22], được dùng để bù động, điều khiển thời gian thực điện áp và dòng công suất trên đường dây truyền tải Cực

DC chung của hai bộ VSCs thì được kết nối với tụ chung Mô hình hoạt động ba pha cơ bản của UPFC được giới thiệu ở (Hình 3.3) Từ hình vẽ 3.3 ta thấy nếu

nhánh nối tiếp bị cắt ra, nhánh song song bao gồm có tụ DC thì bộ VSC1 hoạt động tương tự với mô hình hoạt động của STATCOM Từ mô hình STATCOM này ta thấy nó chỉ có thể phát hay thu công suất kháng, dòng điện đầu ra của STATCOM thì vuông góc với điện áp

Nếu nhánh song song bị cắt ra, nhánh nối tiếp bao gồm có tụ DC thì bộ VSC2 hoạt động tương tự với mô hình hoạt động của SSSC Mô hình hoạt động của SSSC như là một nguồn áp mắc nối tiếp vào đường dây thông qua máy biến áp mắc nối tiếp, dòng điện qua SSSC cũng là dòng điện trên đường dây và nó là hàm điều khiển công suất truyền tải và điện kháng của đường dây Điện áp bơm thêm vào VSE thì vuông góc với dòng điện truyền tải trên đường dây Iline và độ lớn của nó có thể điều khiển độc lập với dòng điện truyền tải trên đường dây Do đó, hai nhánh của UPFC

có thể phát hay thu công suất kháng độc lập lẫn nhau

Hình 3.3 Cấu tạo cơ bản của UPFC

Nếu hai VSCs hoạt động ở cùng một thời điểm, hai nhánh song song và nối tiếp của UPFC cơ bản có thể xem như là một bộ biến đổi lý tưởng ac – ac khi đó dòng công suất thực có thể chạy xuyên qua liên kết DC và giữa hai cực ac của hai

bộ biến đổi Công suất thực có thể truyền theo chiều từ VSC1 tới VSC2 và ngược lại,

và do đó nó có thể làm cho tăng hay giảm góc truyền tải giữa hai đầu phát VS và nhận VR

Bộ VSC2 thường được sử dụng để bơm điện áp xoay chiều VSE có thể điều khiển được (0  VSE  VSEmax), và góc pha SE cũng có thể điều khiển được trong khoảng (0o  SE  360o) ở tần số công nghiệp gắn nối tiếp vào đường dây Điện áp bơm thêm vào này có thể xem như là một nguồn áp đồng bộ Dòng điện truyền tải trên đường dây chạy xuyên qua nguồn áp đồng bộ này kết quả là làm thay đổi công suất thực và công suất phản kháng giữa nó và hệ thống xoay chiều

Bộ VSC1 ở nhánh song song có nhiệm vụ cơ bản là cung cấp nguồn công suất thực được yêu cầu ở bộ VSC2 thông qua liên kết chung DC Ngoài ra, bộ VSC1cũng có thể phát hay thu công suất kháng độc lập với việc phát hay thu công suất thực và thường được dùng để điều khiển điện áp tại đầu phát VS, do đó VSC1 có nhiệm vụ là điều khiển điện áp tại đầu vào của UPFC

Hình 3.4 Cấu tạo bên trong của UPFC

Nguồn áp tại đầu phát VSC1 được kết nối song song với đường dây và được gọi là nguồn áp song song Nguồn áp nối nối tiếp VSC2 thì được lắp đặt giữa đầu phát và đầu nhận được gọi là nguồn áp nối tiếp UPFC đặt giữa hai bus có liên hệ với nhau xem như là bus điện áp đầu phát UPFC và bus điện áp đầu nhận UPFC (Hình 3.4)

b Nguyên tắc hoạt động:

UPFC là một thiết bị được đặt giữa hai bus được cho trước và được xem như

là bus đầu phát và bus đầu nhận của UPFC UPFC bao gồm hai bộ biến đổi nguồn

áp VSCs và một liên kết DC chung Trong mô hình hoạt động thường được đề cập, các bộ VSCs thường được thay thế bởi hai nguồn áp có thể điều khiển được như hình 3.4 [22] Nguồn áp tại đầu phát được kết nối song song với đường dây và được gọi là nguồn áp song song Nguồn áp nối nối tiếp thì được lắp đặt giữa đầu phát và đầu nhận được gọi là nguồn áp nối tiếp Bộ UPFC thường được đặt ở trên đường dây truyền tải điện áp cao

Hàm chức năng hoạt động chính của UPFC là bộ nguồn áp nối tiếp với chức năng chính là bơm nguồn áp xoay chiều VSE có thể điều khiển được (0VSE

VSEmax) và góc pha điều khiển SE trong khoảng (0o  SE  360o) ở tần số công nghiệp gắn nối tiếp vào đường dây

Hàm chức năng cơ bản của bộ song song là cung cấp hoặc hấp thu công suất thực được yêu cầu ở bộ nối tiếp thông qua liên kết DC chung Liên kết DC chung này có nhiệm vụ biến đổi trở lại thành nguồn xoay chiều cung cấp cho đường dây như là một máy biến áp mắc song song Bộ song song cũng có thể điều khiển phát hay là thu công suất kháng nếu nó được yêu cầu và do đó nó có thể cung cấp việc

bù độc lập công suất kháng cho đường dây Mô hình của UPFC được thay thế như (hình 3.5)

Ap dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) vào hai bộ VSCs ta có được điện áp bơm vào ở hai phía nối tiếp và song song là:

1

2 2 1

VSH: điện áp phía song song của UPFC

VSE: điện áp phía nối tiếp của UPFC

Series converter

mSH: chỉ số biên độ của tín hiệu điều khiển bộ VSC mắc song song

mSE: chỉ số biên độ của tín hiệu điều khiển bộ VSC mắc nối tiếp

nSH: tỷ số biến của máy biến áp mắc song song

nSE: tỷ số biến của máy biến áp mắc nối tiếp

VB: điện áp cơ bản của hệ thống (KV)

VDC: điện áp một chiều liên kết giữa hai bộ Converter (KV)

Iline: dòng điện trên đường dây

ISH: dòng điện qua máy biến áp mắc song song của UPFC

zSH: điện kháng máy biến áp mắc song song của UPFC

zSE: điện kháng máy biến áp mắc nối tiếp của UPFC

VPQ: điện áp bơm vào đường dây của UPFC

PSH: công suất thực phía song song của UPFC

PSE: công suất thực phía nối tiếp của UPFC

Góc lệch pha điện áp bơm vào của hai phía là:

SH: góc lệch pha giữa điện áp đầu phát VS và VSH

SE: góc lệch pha giữa điện áp đầu phát VS và VSE

Bộ biến đổi nối tiếp của UPFC bơm vào hệ thống một lượng điện áp xoay chiều là VSE V SE S SE

trực tiếp vào đường dây truyền tải Độ lớn điện áp bơm nối tiếp này VSE và góc pha của nó SE so với điện áp đầu phát thì được điều khiển trong tầm (0  VSE VSEmax) và (0o  SE  360o)

Bộ biến đổi song song của UPFC thì điều khiển phần thực của dòng điện nhánh song song nhằm cân bằng với công suất thực được yêu cầu ở bộ nối tiếp Dòng công suất thực có thể chuyển đổi tự do qua lại giữa hai bộ nối tiếp và song song nhưng dòng công suất kháng thì không thể chuyển đổi qua lại Công suất kháng chỉ có thể phát hay thu ở từng bộ biến đổi riêng biệt

Bộ biến đổi song song trao đổi công suất kháng với hệ thống xoay chiều và có khả năng bù độc lập cho đường dây Nếu bộ song song được dùng để điều khiển thành phần dòng điện kháng thì nó sẽ giữ điện áp đầu phát tại giá trị đã đặt trước đó khi đó bộ song song hoạt động ở chế độ (the Automatic Voltage Control Mode) Bộ biến đổi song song cũng có thể hoạt động ở chế độ (the Var Control Mode) khi đó thành phần dòng điện kháng sẽ được cung cấp theo yêu cầu bù cảm hay bù dung vào đường dây (Var)

III Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC

Như là đã đề cập từ trước UPFC có khả năng điều khiển độc lập và đồng thời tất cả các thông số có ảnh hưởng đến dòng công suất trên hệ thống truyền tải Quá trình hoạt động của UPFC thường dựa trên nền tảng truyền thống là bù công suất kháng mắc song song, bù nối tiếp và điều chỉnh góc pha, bộ UPFC có thể thực hiện tất cả các chức năng này với nhiều mục tiêu điều khiển khác nhau bằng cách bơm thêm điện áp với độ lớn VSE và góc pha tại đầu cực điện áp VS Mô hình điều khiển một pha của UPFC được mô tả như sau:

 Terminal Voltage Regulation (Chức năng điều khiển điện áp) bơm nối

tiếp vào đường dây (Hình 3.7a) độ lớn điện áp đầu phát Vs tăng lên (hay giảm xuống) phụ thuộc vào điện áp bơm thêm vào V1 (có thể cùng hay ngược pha với Vs) Tương tự như thực hiện việc chuyển đổi nấc máy biến áp

 Series Capacitor Compensation (Chức năng bù công suất phản kháng

mắc nối tiếp) (Hình 3.7b) Vectơ điện áp bơm thêm vào V2 vuông góc với dòng điện truyền tải trên đường dây Độ thay đổi điện áp Vx (điện áp rơi trên đường dây) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Nếu V2 trễ pha 90o so với dòng trên đường dây Iline thì Vx sẽ giảm

 Nếu V2 sớm pha 90o so với dòng trên đường dây Iline thì Vx sẽ tăng

 Transmission Angle Regulaion (Chức năng điều khiển góc truyền tải) được xác định bằng cách bơm thêm điện áp V3 có góc lệch là (,) (Hình 3.7c)

 Multifunction Power Flow Control (Chức năng điều khiển tổng hợp) sử dụng chức năng này để điều khiển đồng thời điện áp tại các nút, điện kháng đường dây và góc pha truyền tải nhằm thay đổi dòng công suất trên hệ thống Điện áp và góc pha bơm vào sẽ là: (Hình 3.7d)

Hình 3.7 Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC

(a) Điều khiển điện áp

(b) Điều khiển bù công suất kháng mắc nối tiếp

(c) Điều khiển góc truyền tải

(d) Điều khiển tổng hợp

Bộ điều khiển UPFC được thiết kế bao gồm bốn nhóm vòng lặp điều khiển riêng lẻ Trong bộ điều khiển nối tiếp mục tiêu chính của nó là điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây Trong bộ điều khiển song song mục tiêu chính của nó là điều khiển độ lớn điện áp tại đầu phát và điều khiển độ lớn điện áp DC Mô hình điều khiển tổng quát các khối của UPFC xem (hình 3.8)

1 Các hàm điều khiển cơ bản của khối song song:

Bộ điều khiển song song biến đổi điện áp DC và AC, được điều khiển bởi hai vòng điều khiển độc lập và là ưu điểm của UPFC vì nó có khả năng điều khiển độc lập công suất thực và công suất kháng Nguyên tắc điều khiển cơ bản là dòng công suất thực được điều khiển trực tiếp khi tác động vào góc truyền tải , trong khi đó công suất kháng được điều khiển trực tiếp bằng cách thay đổi độ lớn điện áp

Độ lớn của điện áp bơm vào phía song song VSH được điều khiển bởi tỷ số điều biên mSH (0 mSH 1) (3.4) VSH ảnh hưởng đến dòng công suất phản kháng ở nhánh song song và cũng ảnh hưởng đến độ lớn điện áp đầu phát Góc lệch giữa điện áp đầu phát và điện áp bơm vào phía song song SH (3.5) tác động đên dòng công suất tác dụng trong nhánh song song

Điện áp VDC được điều khiển bởi vòng lặp PI chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự thay đổi SH và do đó cũng tác động vào điện áp đầu phát VS

 Khi SH < , VSH trễ pha so với VS khi đó bộ tụ có chức năng nạp

 Khi SH > , VSH sớm pha so với VS khi đó bộ tụ có chức năng phóng Hai vòng lặp này được thiết kế trong hai khối điều khiển PI(Proportional-integral) cổ điển minh họa trong (Hình 3.9)

2 Các hàm điều khiển cơ bản của khối nối tiếp

Bên trong được sắp xếp cũng bao gồm hai vòng lặp: vòng lặp thứ nhất dùng cho việc hiệu chỉnh dòng công suất tác dụng tại đầu nhận của đường dây, vòng lặp thứ hai để điều khiển dòng công suất phản kháng Mục tiêu của những vòng lặp này

là ứng với những thay đổi của hệ thống thì vòng lặp sẽ tự động hiệu chỉnh lại để cho việc điều khiển được tốt hơn Bộ điều khiển nối tiếp bao gồm cả việc hiệu chỉnh lại điện áp rơi véctơ VPQ giữa đầu phát và đầu nhận

Điện áp VSE có thể được phân tích ra thành hai thành phần VSed, VSeq Các đại lượng này liên hệ với nhau như (hình 3.11)

 VSeq thành phần điện áp vuông góc với điện áp của đầu phát (nó ảnh hưởng cơ bản đến dòng công suất tác dụng trên đường dây truyền tải)

 VSed thành phần điện áp cùng pha với điện áp của đầu phát (nó là thành phần chính của dòng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải)

Cả hai thành phần điện áp VSed,VSeq đều được thiết kế trong các khối điều khiển PI(Proportional-integral) cổ điển minh họa trong (hình 3.10) Các khối điều