Nghiên cứu thiết bị bù công suất phản kháng

Trình bày tổng quan về thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện. Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tác dụng của thiết bị bù SVC. Hệ thống điều khiển thiết bị bù SVC. Khảo sát hoạt động của thiết bị bù SVC bằng phần mềm Matlab.

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

-

ĐỖ THANH TÙNG

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu

Học viên

Đỗ Thanh Tùng

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các bảng biểu

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện 3

1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống truyền tải điện 3

1.2 Công nghệ truyền tải FACTS 5

1.2.1 Bù dọc 5

1.2.2 Bù ngang 7

1.3 Một số thiết bị điều khiển công suất trong truyền tải FACTS 9

1.3.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC – Static var compensator) 9

1.3.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC – Thyristor controlled series capacitor) 11

1.3.3 Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator) 13

1.3.4 Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller) 14

1.3.5 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) 16

1.3.6 Nhận xét 17

Kết luận chương 1 18

Chương 2: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tác dụng của thiết bị bù SVC 20

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù SVC 21

2.1.1 Cấu tạo từng phần tử của SVC 21

2.1.1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược 22

2.1.1.2 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) 24

2.1.1.3 Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) 33

2.1.1.4 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) 34

2.1.1.5 Hệ thống điều khiển các van trong SVC 35

2.1.2 Các đặc tính của SVC 36

2.1.2.1 Đặc tính điều chỉnh của SVC 36

2.1.2.2 Đặc tính làm việc của SVC 37

2.2 Tác dụng của SVC đối với hệ thống điện 38

2.2.2.1 Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất 38

2.2.2.2 Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố 40

2.2.2.3 Ổn định dao động công suất tác dụng 41

2.2.2.4 Giảm tổn thất điện năng truyền tải 41

2.2.2.5 Tăng khả năng tải của đường dây 41

2.2.2.6 Cân bằng các phụ tải không đối xứng 44

2.2.2.7 Cải thiện ổn định sau sự cố 44

2.3 Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 45

2.3.1 Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi 46

2.3.2 Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng 48

Kết luận chương 2 51

Chương 3: Hệ thống điều khiển thiết bị bù SVC 52

3.1 Lý thuyết điều khiển thyristor 52

3.1.1 Sơ đồ điều khiển 52

3.1.2 Nguyên tắc điều khiển 53

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ điều khiển SVC 54

3.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển SVC 54

3.2.2 Các khối chức năng trong hệ thống điều khiển SVC 55

3.2.2.1 Khối đo lường Measuarement system 56

3.2.2.2 Khối điều khiển điện áp Voltage Regulator 63

3.2.2.3 Khối phát xung Gate Pulse Generation 65

3.2.2.4 Khối đồng bộ hóa Sychronizing system 65

3.3 Ứng dụng phần mềm Matlab Simulink mô phỏng mạch điều khiển Thyristor 66

3.3.1 Cơ sở về phần mềm Matlab Simulink 66

3.3.2 Mô phỏng hoạt động của Thyristor 68

Kết luận chương 3 71

Chương 4: Khảo sát hoạt động của thiết bị bù SVC bằng phần mềm Matlab 72

4.1 Mô phỏng hoạt động của một tổ hợp TCR và TSC 72

4.1.1 Các bước mô phỏng 72

4.1.2 Kết quả mô phỏng 73

4.2 Mô phỏng thiết bị bù SVC trong hệ thống truyền tải 75

4.2.1 Khảo sát thông số và thiết bị của hệ thống 76

4.2.2 Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù SVC 76

4.2.3 Kết quả mô phỏng 82

Kết luận chương 4 86

Kết luận chung và hướng phát triển 87

Tài liệu tham khảo

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

2 SVC Static Var Compensator

3 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor

4 STATCOM Static Synchronous Compensator

5 UPFC Unified Power Flow Controller

6 TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle

13 TCR Thyristor controled reactor

14 TSC Thyristor switched capacitor

15 MSR Mechanical switched reactor

16 MSC Mechanical switched capacitor

17 IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển……….18

Bảng 2-1: Biên độ của thành phần bậc 3 của dòng điện xuất hiện trên SVC… …32

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng 3

Hình 1.2: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp 7

Hình 1.3: Thiết bị SVC do Siemens chế tạo 10

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC 11

Hình 1.5: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC 12

Hình 1.6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM 13

Hình 1.7: Nguyên lý hoạt động của STATCOM 14

Hình 1.8: Nguyên lý cấu tạo của UPFC 15

Hình 1.9: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR 17

Hình 2.1: Cấu tạo thiết bị SVC 21

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor 22

Hình 2.3: Đồ thị dòng tải 22

Hình 2.4: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR 24

Hình 2.5: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR 25

Hình 2.6: Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR 26

Hình 2.7: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR 27

Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt 30

Hình 2.9: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR 31

Hình 2.10: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC 34

Hình 2.11: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR 35

Hình 2.12: Sơ đồ một sợi hệ thống SVC 36

Hình 2.13: Đặc tính Volt-Ampe của SVC 36

Hình 2.14: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 37

Hình 2.15: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC 39

Hình 2.16: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC 40

Hình 2.17: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp 40

Hình 2.18: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC 43

Hình 2.19: Đặc tính công suất khi có và không có SVC 45

Hình 2.20: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng 48

Hình 2.21: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng điều áp dưới tải 48

Hình 2.22: Đặc tính làm việc của SVC 49

Hình 2.23: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng 50

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển van thyristor 53

Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thắng đứng “arccos” 54

Hình 3.3: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC 54

Hình 3.4: Các khối chức năng hệ thống điều khiển SVC 55

Hình 3.5: Sơ đồ khối đo lường trong hệ thống điều khiển 57

Hình 3.6: Phương pháp tìm giá trị điện áp bằng đổi hệ quy chiếu 58

Hình 3.7: Phương pháp phân tích áp dụng cho một pha và ba pha 59

Hình 3.8: Sơ đồ khối của bộ lọc 60

Hình 3.9: Khối đo lường dòng điện dùng biến dòng DCT 61

Hình 3.10: Bộ điều chế xung dạng tương tự 62

Hình 3.11: Mô hình số 1 hệ thống điều khiển theo IEEE 63

Hình 3.12: Mô hình số 2 hệ thống điều khiển theo IEEE 64

Hình 3.13: Cấu trúc bên trong của khối phát xung Pulse generator 69

Hình 3.14: Mô hình mạch điều khiển Thyristor 70

Hình 3.15: Đồ thị điện áp, dòng điện sau chỉnh lưu 70

Hình 4.1: Hệ thống truyền tải điện cao áp 735 kV 72

Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng TCR 73

Hình 4.3: Kết quả mô phỏng TCR 74

Hình 4.4: Sơ đồ mô phỏng TSC 75

Hình 4.5: Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 77

Hình 4.6: Cấu trúc bên trong của tổ hợp TCR 77

Hình 4.7: Cấu trúc bên trong của một tổ hợp TSC 78

Hình 4.8: Cấu trúc khối điều khiển SVC 78

Hình 4.9: Cấu trúc khối đo lường 79

Hình 4.10: Khối điều chỉnh điện áp 79

Hình 4.11: Cấu trúc bên trong khối phân phối 80

Hình 4.12: Cấu trúc bên trong khối phát xung 81

Hình 4.13: Cấu trúc một khối phát xung nhỏ 81

Hình 4.14: Cài đặt thông số 82

Hình 4.15: Đáp ứng của SVC khi điện áp lưới thay đổi 83

Hình 4.16: Đáp ứng của nhóm van TCR AB 83

Hình 4.17: Đồ thị khảo sát hiện tượng phát xung mở lỗi trong các khối TSC 85

PHẦN MỞ ĐẦU

1 L Ý DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong hệ thống truyền tải điện, trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém…

Để cải thiện vấn đề trên, người ta đã chế tạo và ứng dụng các thiết bị bù nhằm điều khiển trào lưu công suất và tăng tính ổn định của lưới điện Thiết bị bù ngang tĩnh SVC là một trong số những thiết bị đã được ứng dụng khá nhiều trong vài chục năm trở lại đây trên thế giới và đã đạt được những kết quả khá tốt cả về mặt kĩ thuật lẫn kinh tế trong bài toán truyền tải điện

Trên cơ sở đó, trong phạm vi luận văn, tác giả tiến hành nghiên cứu thiết bị bù ngang tĩnh (SVC) có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor

Đến thời điểm hiện tại đã có một số đề tài, bài báo và tài liệu trong nước cũng như thế giới nghiên cứu về thiết bị bù SVC như:

a Tác giả Nguyễn Hồng Anh- Đại học Bách Khoa Đà Nẵng trong bài viết:

“ Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điện 500 kV

Việt Nam”

b Tác giả I.A Erinmez với công trình “Static Var Compensators”

c Nhóm tác giả Laszlo Gyugyi & Narain G.Hurgorani với công trình

“Understanding FACTS”

d Tác giả Gabriela Glanzmann với công trình “ Flexible Alternating Current Transmission Systems”

e Công trình “ Thyristor Based FACTS” theo bản quyền từ nhà xuất bản

John Wiley & Sons, tải từ trang web www.knovel.com

Mục đích nghiên cứu của đề tài hướng tới là đề xuất giải pháp ổn định lưới bằng tự động điều khiển công suất phản kháng

Trong đó, đối tượng nghiên cứu là thiết bị bù SVC, tác giả tập trung nghiên cứu

về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị với lưới điện truyền tải

Những luận điểm, vấn đề chính tác giả đã nghiên cứu trong phạm vi luận văn:

• Tổng quan về thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện

• Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị bù SVC

• Nghiên cứu sâu về hệ thống điều khiển của SVC

• Ứng dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, phân tích hoạt động của thiết bị

bù SVC

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên tác giả đã phối hợp các nhóm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Về mặt lý thuyết, chúng ta cần xây dựng các nguồn điện ngay gần những trung tâm phụ tải nhằm tránh chi phí truyền tải cao và phân bố tối ưu nguồn điện Tuy nhiên, với những rào cản kỹ thuật, môi trường, tài nguyên…không cho phép xây dựng nhà máy điện ở đó mà phải di chuyển ra các vùng cách xa hàng trăm km Từ

đó phát sinh vấn đề về lựa chọn hình thức và cấp điện áp truyền tải để vừa đảm bảo

an toàn, tin cậy, vừa đem lại lợi ích kinh tế tốt nhất

Hình 1.1 Hệ thống truyền tải và phân phối điện năng

Xây dựng hệ thống điện liên kết đa quốc gia cũng trở thành xu hướng chung trên thế giới nhằm khai thác tối ưu nguồn năng lượng có giá thành thấp như thủy điện và các nguồn năng lượng tái tạo như hình 1.1 Xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ bằng các đường dây cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp thế giới Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại

nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên Cụ thể:

+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát

+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ

+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử

+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn

+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên

+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch

Khi xây dựng các HTĐ hợp nhất , vấn đề về lựa chọn hình thức và cấp điện

áp truyền tải để vừa đảm bảo an toàn, tin cậy, vừa đem lại lợi ích kinh tế là vô cùng quan trọng Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) ra đời đã đáp ứng được các yêu cầu đó

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ

thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”

Hiện nay, công nghệ truyền tải điện xoay chiều tới 800 kV đã được làm chủ với 25 năm kinh nghiệm, và về nguyên tắc, không còn rào cản kỹ thuật nào

FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc) hoặc bù ngang (shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam

1.2.1 BÙ DỌC

Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng XL của đường dây) bằng dung kháng XCcủa tụ điện Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch ϕ giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và

góc lệch pha δ giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:

• Ổn định điện áp:

+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn (hình 1.2 a)

• Ổn định về góc lệch δ:

+ Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao

độ ổn định tĩnh của hệ thống điện (hình 1.2 b)

+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây

+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

δsin 2

1

L

X

U U

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

L gh

X

U U

=+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

δ

sin

1 '

C

L X X

U U P

−

=

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

C L gh

X X

U U P

−

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:

k = XL/(XL - XC) (hình 1.2) Trong đó:

U1, U2 lần lượt là điện áp đầu đường dây và cuối đường dây truyền tải

δ là góc lệch giữa điện áp U1 và U2

XL là điện kháng đường dây, XC là dung kháng của tụ điện

Hình 1.2 : Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp

• Giảm tổn thất công suất và điện năng:

+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng

bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

%100

L

C C

Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường

dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây

+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

+ Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị số cosϕ cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây cao áp 500kV với Qo ≈1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km

+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau:

l b U

Q C = dd2 . o.

Trong đó:

Udd: Điện áp danh định của đường dây

l: chiều dài của đường dây

+ Đối với các đường dây cao áp có điện áp 330 ÷ 750kV thì ta có thể sử dụng các quan hệ gần đúng như sau:

Xo.bo≈ 1,15.10-6

o

o C

b X

Nên ta có:

C o

Z b

3

10.07,

≈Như vậy công suất phản kháng của đường dây cao áp 500kV phát ra là:

TN C

%100

C L C

L L

Q

Q I

I

Trong đó:

QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang

QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng

bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra

- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây cao áp là có điện cảm và điện dung lớn Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang

- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật

1.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG TRUYỀN TẢI FACTS

1.3 1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR SVC (STATIC VAR COMPENSATOR)

SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần

cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc

có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở có thể dùng các bộ vi điều khiển

• Hiện nay, hệ thống SVC được các hãng lớn như Siemens, ABB…sản xuất chế tạo và đạt hiệu quả khá tốt, được ứng dụng rộng rãi khắp thế giới (hình 1.3) SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Hình 1.3 Thiết bị SVC do Siemens chế tạo

• Cấu tạo của thiết bị bù SVC như trên hình 1.4:

Một SVC điển hình gồm các tụ bù ngang được đóng cắt riêng biệt (TSC), các cuộn cảm (có hoặc không có lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor (TCR) Nhờ việc thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay đổi liên tục được Do đó, công suất phản kháng của lưới điện có thể được bơm vào hay hút đi một cách liên tục Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thô, sau đó các TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục

Các bộ lọc sóng điện tử công suất lớn được sử dụng để làm trơn sóng điện áp Bản thân các bộ lọc sóng điều hòa này lại có tính dung, do đó bộ lọc còn có tác dụng cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện

Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi có yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác Việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển có phản hồi (closed-loop) Việc điều chỉnh điện áp được tiến hành từ xa bằng hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đặt

Hình 1.4: Nguyên lý c ấu tạo của thiết bị bù SVC

• Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng

kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

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

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

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

Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

CONTROLLED SERIES CAPACITOR)

Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Nó được tổ hợp

từ một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyistor

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các cửa đóng mở GTO,

Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc tần số nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của hệ thống điện

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC như hình 1.5 sau:

Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của TCSC

• Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu hoặc sự cố Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ UC= IC XC nên khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, IC tăng thì cần phải có cơ chế chống quá áp cho tụ

Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn Khi UC > UCgh và đạt tới ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng IN qua VAR, nhờ đó, giảm điện áp dư trên tụ C

Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, khe mồi phóng điện K sẽ hoạt động Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng Khi tới ngưỡng tác động, rơ le sẽ có tín hiệu đóng máy cắt MC Do đó, toàn bộ các phần tử của TCSC

và VAR được nối tắt

Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt

• Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành các đường dây cao áp nói riêng và HTĐ nói chung Tuỳ theo yêu cầu của từng đường dây cao áp cụ thể và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ

COMPENSATOR)

STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO So với SVC, nó

có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt

là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

• Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của STATCOM như sau:

Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của STATCOM

Ta có thể hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của STATCOM thông qua hình 1.7:

Hình 1.7: N guyên lý hoạt động của STATCOM

Quá trình điều chỉnh các dòng công suất P và Q được thực hiện bằng cách điều khiển các van điện tử công suất như GTO, IGBT, IGCT…bên trong bộ nguồn VSC

Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp

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

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

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

• Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố

- Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

FLOW CONTROLLER)

Trong đó:

V 1 là điện áp tại nguồn

V 2 là điện áp tại nơi đặt thiết bị

X là điện kháng của đường dây

δ là góc lệch giữa điện áp V 1 và V 2

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây cao áp nối giữa các HTĐ nhỏ UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả

• Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang STATCOM Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor có cửa đóng mở GTO Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBA trung gian điện áp thấp (xem hình 1.8)

Hình 1 8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của UPFC

Thiết bị UPFC có cấu tạo gồm hai bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu áp mắc theo kiểu lưng tựa lưng liên kết qua tụ DC để dự trữ công suất

• Công suất tác dụng có thể trao đổi theo cả hai chiều tại điểm đấu nối vào HTĐ xoay chiều của mỗi bộ biến đổi và mỗi bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng Bộ nghịch lưu thứ hai (NL2) thực hiện nhiệm

vụ chính của UPFC là đặt nối tiếp vào đường dây một điện áp UT có biên độ và góc pha điều chỉnh được Theo giản đồ véctơ hình 1.8 cho thấy UPFC có thể điều khiển được giá trị U Bvà góc lệch δ giữa UA và UB , như vậy có thể điều khiển được dòng công suất truyền tải trên đường dây Bộ nghịch lưu thứ nhất (NL1) hỗ trợ hoạt động

cho bộ nghịch lưu thứ hai bằng cách thực hiện đưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng yêu cầu cho quá trình thiết lập điện áp nối tiếp trên đường dây của bộ nghịch lưu thứ hai

THYRISTOR CONTROLLED PHASE ANGLE REGULATOR)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền tải trên đường dây

Về mặt cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây

Cấu tạo của TCPAR và đặc tính hoạt động của nó như sau:

Hình 1.9: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR

Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao

Các tính năng của TCPAR bao gồm:

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

- Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định động của hệ thống điện

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

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được

sự cố

1.3.6 NHẬN XÉT

- Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có những đặc điểm chung là khả năng nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện Tuy nhiên, giữa các thiết bị vẫn có sự khác biệt tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị hợp lý

- Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây mà ta lựa chọn các thiết bị hợp lý dựa trên khả năng của chúng

Ta có bảng 1-1 so sánh các chức năng của từng thiết bị bù có điều khiển bằng

thyristor như sau:

Bảng 1.1

Tên thiết bị Điều chỉnh

trào lưu công suất

Điều chỉnh điện

áp

Ổn định tĩnh

Ổn định động

Chống dao động công suất

- Các thiết bị bù có điều khiển thyristor chỉ đem lại hiệu quả rất cao khi thời điểm tác động và giá trị dung lượng bù là hợp lý cho từng chế độ vận hành của hệ thống điện (trước sự cố, sự cố và phục hồi) Đây là một việc rất quan trọng khi vận hành HTĐ có các thiết bị bù dọc và ngang có điều khiển thyristor

- Đường dây truyền tải điện ở Việt Nam đặc biệt là đường dây truyền tải 500

kV rất dài, các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải, việc trao đổi các nguồn điện thương mại với các nước trong khu vực nằm trong lộ trình phát triển, do đó việc ứng dụng các thiết bị bù sẽ mang lại hiệu quả trong vận hành và tăng ổn định chất lượng điện năng của HTĐ Việt Nam

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ TÁC DỤNG

CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC

Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC đầu tiên được cho ra đời vào khoảng giữa thập kỷ 70 , sự xuất hiện của SVC đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc phát triển Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS, nền tảng cho sự ra đời của các thiết bị về sau như STATCOM, TCSC, UPFC Được sử dụng từ hàng chục năm nay, SVC đã khẳng định được các ưu điểm của mình trong việc vận hành lưới điện và khả năng mang lại những lợi ích kinh tế to lớn cho hệ thống

Cũng như công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q trong hệ thống điện cũng cần luôn luôn phải điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng Việc phân bố dòng công suất trong hệ thống điện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải và đảm bảo điều kiện vận hành các thiết

bị và đường dây an toàn, tránh hiện tượng quá áp và một số hiện tượng khác do công suất phản kháng gây nên Hơn nữa, nó còn làm tăng tính kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng

có tính chất phân bố theo khu vực vì điện áp của các nút trong hệ thống điện là khác nhau nên ngoài nguồn cung cấp điện công suất phản kháng từ các nhà máy điện thì cần phải có những nguồn phát công suất phản kháng khác như: Máy bù đồng bộ, tụ

bù, kháng điện … Ngoài ra, việc đặt các thiết bị bù công suất phản kháng còn có tác dụng cải thiện đáng kể thông số chế độ, đặc biệt đối với đường dây cao áp

Trước đây, các thiết bị bù công suất phản kháng thường không có tự động điều chỉnh hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm, nhảy bậc Ngày nay với sự ra đời của các thiết bị Thyristor công suất lớn và cùng với nó là các thiết bị FACTS, trong

đó có SVC, đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên và mang lại hiệu quả rất cao trong vận hành hệ thống điện Do tính ưu việt của SVC ( khả năng điều chỉnh nhanh), biên độ thay đổi khá lớn nên nó đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới

để cải thiện chế độ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thông số chế độ đường dây và nâng cao ổn định của hệ thống điện

SVC được lắp đặt trong hệ thống điện có tác dụng tăng tính linh hoạt của hệ thống trên nhiều khía cạnh như: điều chỉnh điện áp tại vị trí SVC mắc vào lưới, làm tăng ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền tải công suất, giảm tức thời quá điện

áp, hạn chế khả năng cộng hưởng tần số và giảm dao động công suất …

Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện Nó hoạt động trong hệ thống như một phần

tử thụ động nhưng lại phản ứng của đối tượng tự thích nghi với thông số chế độ

2.1 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC

2.1 1 CẤU TẠO TỪNG PHẦN TỬ CỦA SVC

Một thiết bị SVC trong thực tế thường bao gồm các phần tử như TCR, TSC, TSR, MSR, bộ lọc sóng hài… (hình vẽ 2.1)

Hình vẽ 2.1: Cấu tạo thiết bị SVC

Trong đó, các phần tử TCR, TSC là những phần tử quan trọng nhất, đặc trưng cho

cấu tạo và hoạt động của thiết bị bù SVC Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn,

các bộ thyristor đã được ứng dụng để đóng cắt và điều khiển trong những phần tử

này

2.1 1.1 Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược

Trên hình 2.2 mô tả nguyên lý làm việc của bộ thyristor trong mạch

* Trường hợp tải thuần trở:

Khi T1 mở thì một phần nửa chu kì dương điện áp nguồn điện đặt lên mạch tải,

còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kì âm của điện áp nguồn được đặt lên mạch

tải

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor

Góc mở α được tính từ điểm đi qua trị zêzo của điện áp nguồn

θsin2

≤

≤

πθαπ

πθα

2Dòng điện tải không có dạng của một hình

sin Ta phải khai triển Fuorier của nó gồm thành

phần sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao

Thành phần sóng cơ bản của dòng điện tải i(1)

lệch chậm sau điện áp nguồn một góc ϕ được thể

hiện trên đồ thị hình 2.3

U

i

0 0

i

i i

Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cung cấp một lượng công suất phản kháng

Trị hiệu dụng của điện áp trên tải:

π

αα

πθ

θπ

π

2

2sin22

)sin2(1

π

2

2 sin 2

* Trường hợp tải thuần cảm:

Khi θ = α xung cho điều khiển mở T1 Dòng điện tải tăng dần lên và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị zêzo khi θ = β

Khi thyristor T1mở, ta có phương trình:

t U dt

Hằng số tích phân Io được xác định theo sơ kiện: khi θ = α thì it = 0 Cuối cùng nhận được biểu thức của dòng điện tải:

θα

Để cho sơ đồ làm việc được hoàn chỉnh khi tải thuần cảm, phải thỏa mãn điều kiện β ≤ π + α Do đó góc α buộc phải nằm trong các giới hạn:

i t =−

Dũng điện tải là dũng giỏn đoạn, do i1 và i2 tạo nờn Khai triển Fourier của nú bao gồm thành phần súng cơ bản i(1) và cỏc súng hài bậc cao Thành phần súng cơ bản lệch chậm sau điện ỏp nguồn một gúc π/2 độc lập với gúc mở α

Trị hiệu dụng của dũng điện tải:

θθα

πω

θπ

2

2 2

2

cos cos

1 2 1

d L

U d

α

πω

2sin32cos2

Cụng suất mạch tải tiờu thụ là cụng suất phản khỏng

Nếu ta thay đổi đột ngột giỏ trị gúc điều khiển từ α = 00 sang α = 1800 thỡ tương ứng với trạng thỏi đúng hoặc mở mạch

2.1 1.2 Khỏng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor)

• Sơ đồ nguyờn lý hoạt động:

Khỏng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trờn nguyờn

lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngược chiều nhau Nhờ cú khả năng khống chế được trị số hiệu dụng của dũng điện đi qua thyristor liờn tục thụng qua việc thay đổi gúc mở α bằng thời điểm phỏt xung điều khiển vào cực G mà TCR cú khả năng điều chỉnh phỏt hay tiờu thụ cụng suất phản khỏng rất nhanh

Đ K

U I

t t

Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạ o và hoạ t động của TCR

Hỡnh 2.4: Nguyờn lý cấu tạo và hoạt động của TCR

Qua đó, ta thấy TCR thực chất là cuộn kháng được điều khiển bằng 2 thyristor nối ngược chiều nhau Góc mở thay đổi liên tục từ 900 đến 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tục giá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển Khi góc mở α thay đổi từ

900 đến 1800 thì dòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ giá trị cực đại đến zêzo Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của TCR được thể hiện trên hình 2.4 TCR được cấu tạo từ 4 phần tử chính sau:

- L: cuộn điện kháng chính

- LH: cuộn điện kháng hãm, có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện

- Thyristor: có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR

- Hệ thống điều khiển: Có chức năng điều khiển tín hiệu xung đến cực điều khiển của thyristor hệ thống này là một khâu quan trọng để điều chỉnh liên tục dòng điện hay giá trị XL hay thay đổi trị số công suất phản kháng phát ra hay tiêu thụ TCR có nhiều ưu điểm khi tham gia vào các thiết bị bù trong hệ thống điện:

- Có khả năng làm cân bằng lại phụ tải, vì TCR có thể điều khiển độc lập trên từng pha

- Khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh, hầu như không có giai đoạn quá độ nhờ bộ van thyristor Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR thể hiện trên hình 2.5

Hình 2.5: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR

• Đặc tính làm việc của TCR: TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số

rất nhanh nhờ việc thay đổi góc cắt (góc mở) α bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào bộ van thyristor Việc thay đổi góc cắt này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCR được thể hiện trên hình 2.6 sau:

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Idđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ

900 đến 1800 Tin hiệu này không phải là tín hiệu hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50Hz) Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc cắt α được biểu diễn như sau:

ITCR = I0.I(α) Trong đó:

-

min 0

K

dm

X

U

I = là dòng điện chạy qua TCR khi α = 900

- XKmin là điện kháng của TCR khi α = 900 (thyristor dẫn hoàn toàn) Gọi góc cắt α0 xác định tại thời điểm t0 xuất hiện tín hiệu điều khiển xung vào cực điều khiển của thyristor

0 0

−

=

πα

α

αα

π

απα

α

t voi I t

t voi

t voi I t

I

m m

0 0

0 0

0 0

)

coscos(0

0)

cos(cos

Dựa vào công thức khai triển Fuorier, khai triển hàm f(x) có chu kỳ T như sau:

=

++

1

0

sincos

T

k

π

2 cos

T

k

π

2 sin

T

k

π2sin

T

k

π

2 cos

0

∫

= nếu f(x) là hàm số chẵn: f(-x) = f(x)

Áp dụng khai triển cho hàm I(α) ta có:

Vì hàm I(α) là hàm số chẵn vì đồ thị của chúng đối xứng qua trục tung nên theo tính chất của khai triển Fuorier ta có:

( )t dt I

π 0

0

24

Hình 2.7:Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR

( )t kt dt I

0 0

cossin

2

0 0

0 0

0

.cos.coscos

cos.coscos

2.cos2

α

π

αα

0 0

αα

π

0

0

sin.cos2

sin4

12

1sin

.cos2

sin4

12

12

0 0

t t

.cos2

sin4

12

2

0 0

0 0

0 0

0 0

0

.cos.coscos

cos.coscos

2.cos2

α

π

αα

π

a k

cos

cos.cos

α

π α

α π

αα

0 0

0

sin

1cos1

sin12

11

sin12

π

α

απ

0 0

sin

1cos1

sin12

11

sin12

1

2

k t

k k

t k k

1 1

sin 1 2

11

sin12

sin

cossin

cos.2sin

1 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2

1sin12

1 1

sin 1 2

11

sin12

k k

sin 1

1 2

Ta có: ∑

=

= n

k m k

φk

Khi đó, thành phần cơ bản của dòng điện chạy qua TCR có dạng như sau:

I TCR( )t =I m.φ1( )α0 cosωt

Hàm φ1( )α0 thay đổi liên tục từ 1 đến 0 khi góc cắt α0 thay đổi từ 900 đến

1800 Đây cũng là quan hệ của biên độ thành phần cơ bản của dòng điện chạy qua TCR theo góc cắt α0

Đặc tính điều chỉnh dòng điện theo góc cắt được thể hiện như hình 2.8

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8

1 I(pu)

α

H×nh 2.12: § Æc tÝnh ®iÒu chØnh dßng ®iÖn TCR theo gãc c¾t

Bên cạnh thành phần cơ bản (k = 1), tín hiệu của dòng điện I chạy trong TCR bao gồm cả các thành phần bậc cao (sóng hài) như 3, 5, 7… các sóng này có dạng như hình 2.9:

Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt