Nghiên cứu thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện

Sơ đồ điều khiển SSSC Hình 6-14 Sơ đồ điều khiển UPFC Hình 6-15 Sơ đồ điều khiển UPFC phóng rõ hơn Hình 6-16 Bộ điều khiển PID bằng mạch khuếch đại thuật toán Hình 6-17 Bộ phận phát xung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

MAI XUÂN DINH

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ BÁN DẪN

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH: 2.06.07

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2005

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: MAI XUÂN DINH Phái: Nam

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng & nhà máy điện MSHV: 01803451

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Trình bày tổng quát các thiết bị bù Facts trong hệ thống điện

2 Khảo sát mô hình toán học & phương pháp điều khiển thiết bị bù SSSC

3 Xây dựng mô hình mô phỏng thiết bị bù SSSC trên Matlab 7.0.1

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN QUỐC DŨNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS.PHAN QUỐC DŨNG TS.NGUYỄN HỮU PHÚC TS.NGUYỄN HỮU PHÚC

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHAN QUỐC DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 1:………

Cán bộ chấm nhận xét 2:………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

Ngày tháng năm 2005

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô Giáo ở trường Đại học Bách

Khoa Tp Hồ Chí Minh và đặc biệt là Thầy Phan Quốc Dũng đã tận tâm hướng

dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn

Xin cảm ơn TS Nguyễn Văn Nhờ, TS Phan Thị Thanh Bình và Thầy giáo hướng dẫn đã có những góp ý và định hướng cho đề tài trong buổi bảo vệ Đề cương, giúp cho đề tài được mở rộng phạm vi nghiên cứu hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn những người bạn, người thân và gia đình đã giúp đỡ tôi trong qúa trình học tập và hoàn thành luận văn này…

Đề tài: Nghiên cứu thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện

Đề tài có thể chia làm hai nội dung chính sau:

+ Nghiên cứu tổng quát các thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện, mà điển hình là các thiết bị bù: SVC, STATCOM, SSSC, UPFC, IPFC, UPQC, UPLC

+ Mô phỏng thiết bị bù SSSC với phần mềm Matlab 7.01 bằng việc điều khiển khâu hiệu chỉnh PID, và điều khiển bằng ứng dụng mạng neural nhân tạo

Qúa trình mô phỏng để chứng tỏ khả năng thay đổi công suất tác dụng trên đường dây của SSSC và khả năng cản dao động của nó

Đề tài gồm có 7 chương như sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương2: Các thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện

Chương3: Bù kết hợp các thiết bị facts

Chương4: Mô phỏng thiết bị bù SSSC bằng Matlab 7.01

Chương5: Ứng dụng mạng Neural nhân tạo trong điều khiển thiết bị bù SSSC

Chương6: Hướng phát triển của luận văn

Chương7: Kết luận

Lời cảm ơn

Mục lục

2.1 Giới thiệu các thiết bị ứng dụng công nghệ Facts 7

2.2 So sánh khả năng hoạt động của các thiết bị Facts 9

2.3 Những lợi ích khi dùng thiết bị bù sử dụng công nghệ facts 11

d Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định 16 2.6 Khảo sát thiết bị bù TCSC

c TCSC hạn chế được những khuyết điểm của TSSC 19

2.7 Khảo sát thiết bị bù STATCOM

c Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định 23

d So sánh khả năng hoạt động của STATCOM và SVC 23

Cấu tạo của một SSSC cơ bản 26

a Định nghĩa SSSC-Static-Synchronous Series Compensator 27

c Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định 28

Chương3: Bù kết hợp các thiết bị facts

3.1 Khảo sát thiết bị bù UPFC

c Trường hợp UPFC điều khiển cả công suất tác dụng 32 và phản kháng

d Trường hợp UPFC chỉ điều khiển công suất phản kháng 32

e Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định 33

g Vectơ dòng điện và điện áp bơm vào lưới của UPFC 35 3.2 Khảo sát thiết bị bù UPQC

của các bộ biến đổi

f Một dạng khác của UPQC 40 3.3 Khảo sát thiết bị bù UPLC

3.4 Khảo sát thiết bị bù IPFC

Chương4: Mô phỏng thiết bị bù SSSC bằng Matlab 7.01

1 Ảnh hưởng động học của SSSC(SSSC Dynamic Response) 50

2 SSSC cản dao động công suất(SSSC damping power oscillation)50

B Mô hình khối điều khiển pod (power oscillation damping) 51

4.3 Sơ đồ khối điều khiển pod (power oscillation damping) 59

4.5 Kết qủa mô phỏng

+Sssc làm việc có pod 69

B Khi có ngắn mạch 3 pha chạm đất

Chương5: Ứng dụng mạng Neural nhân tạo trong điều khiển thiết bị bù SSSC

A Chế độ vận hành bình thường

B Khi có ngắn mạch 3 pha chạm đất

Hình 2-1 Khả năng hoạt động của một số thiết bị bù Facts

Hình 2-2 So sánh khả năng hoạt động của một số thiết bị bù Facts Hình 2-3 Đặc tuyến VA-Hz của các khóa bán dẫn

Hình 2-4 Phương pháp điều khiển PWM

Hình 2-5 Cấu tạo của một SVC cơ bản

Hình 2-6 Cấu tạo của một TCR

Hình 2-7 Cấu tạo của một TSC

Hình 2-8 Sơ đồ điều khiển SVC

Hình 2-9 Mô hình của SVC

Hình 2-10 Đường đặc tuyến công suất của SVC

Hình 2-11 Cấu tạo của một TSSC

Hình 2-12 Mô hình của một TSSC

Hình 2-13 Đường đặc tính công suất của TSSC

Hình 2-14 Cấu tạo của một TCSC

Hình 2-15 Phân bố dòng áp trên một TCSC

Hình 2-16 Sơ đồ điều khiển TCSC

Hình 2-17 Đường đặc tính công suất của TCSC

Hình 2-18 Cấu tạo của một STATCOM

Hình 2-19 Phân bố vec tơ dòng áp trên STATCOM

Hình 2-20 Mô hình của STATCOM

Hình 2-21 Đường đặc tính công suất của STATCOM

Hình 2-22 So sánh khả năng hoạt động của STATCOM và SVC

Hình 2-23 Cấu tạo của thiết bị nguồn dự trữ BESS, SMES và SSG Hình 2-24 Thiết bị bù kết nối 2 STATCOM-B2B

Hình 2-25 Sơ đồ điều khiển STATCOM

Hình 2-26 Cấu tạo của một SSSC

Hình 2-27 Mô hình của một SSSC

Hình 2-28 Đường đặc tính công suất của SSSC

Hình 2-29 Sơ đồ điều khiển SSSC

Hình 3-1 Cấu tạo của UPFC

Hình 3-2.Sơ đồ chi tiết cấu tạo một UPFC

Hình 3-3.Mô hình của UPFC

Hình 3-4.Vectơ điện áp của UPFC

Hình 3-5.Đường đặc tính công suất của UPFC

Hình 3-6.Vec tơ dòng áp trên UPFC

Hình 3-9.Cấu tạo của một UPQC

Hình 3-10.Vectơ dòng áp trên UPQC

Hình 3-11.Sơ đồ bộ điều khiển mắc nối tiếp( Series)

Hình 3-12 Sơ đồ bộ điều khiển mắc song song (Shunt)

Hình 3-13.Sơ đồ cấu tạo chi tiết một UPQC

Hình 3-14.Mạch lọc thụ động RLC của UPQC

Hình 3-15.Mạch lọc tích cực của bộ mắc shunt của UPQC

Hình 3-16 Dạng sóng sau khi qua bộ lọc shunt của UPQC

Hình 3-17 Mạch lọc tích cực của bộ mắc series của UPQC

Hình 3-18 Sơ đồ phân bố dòng áp của mạch lọc series của UPQC

Hình 3-19.Mạch lọc hỗn hợp của UPQC

Hình 3-20.Mạch lọc do tụ DC link của UPQC

Hình 3-21.Một dạng cấu tạo khác của UPQC

Hình 3-22.Cấu tạo của UPLC

Hình 3-23.Sơ đồ bộ điều khiển mắc song song(shunt) của UPLC

Hình 3-24.Sơ đồ tạo điện áp điều khiển cho bộ shunt của UPLC

Hình 3-25 Sơ đồ bộ điều khiển mắc nối tiếp(series) của UPLC

Hình 3-26 Sơ đồ cấu tạo của IPFC

Hình 3-27 Sơ đồ cấu tạo của IPFC đa kết nối

Hình 4-1 Cấu tạo của SSSC

Hình 4-2 Vectơ điện áp bơm vào lưới của SSSC

Hình 4-3 Vectơ điện áp khi SSSC có nguồn DC có tính dung và cảm Hình 4-4 Mô hình của một SSSC

Hình 4-5 Khối điều khiển áp Vq

Hình 4-6 Khối điều khiển áp Vq và áp trên tụ DC

Hình 4-5 Khả năng cản dao động công suất của SSSC khi kết hợp với POD Hình 4-8 Sơ đồ kết nối SSSC vào hệ thống

Hình 4-9 Sơ đồ bộ POD

Hình 4-10 Thành phần cấu thành khối SSSC

Hình 4-11 Khối biến đổi điện áp bơm vào lưới

Hình 4-12 Sơ đồ chi tiết khối biến đổi điện áp bơm vào lưới

Hình 4-13 Khối đo lường dòng điện và hiệu điện áp trên SSSC

Hình 4-14 Khối tính hệ số điều chế m và góc dịch pha phi

Hình 4-15 Khối xuất điện áp điều khiển sự xuất điện áp bộ Converter

Hình 4-18 Khối hiện thị tín hiệu lên Scope

Hình 4-19 SSSC điều khiển công suất lúc không kết hợp POD

Hình 4-20 SSSC điều khiển công suất lúc kết hợp POD

Hình 4-21 SSSC điều khiển công suất lúc ngắn mạch khi không kết hợp POD Hình 4-22 SSSC điều khiển công suất lúc ngắn mạch khi kết hợp POD

Hình 4-23 Ổn định điện áp trên tụ DC trong mọi chế độ

Hình 5-1 Mạng neural theo mô hình của Hebb

Hình 5-2 Mạng Perceptron có hồi tiếp của Rosenblatt

Hình 5-3 Mạng học tự sửa sai số của Widrow và Hoff

Hình 5-4 Mô hình học mạng của Kohonen

Hình 5-5 Trọng số của mạng Kohonen là một ma trận

Hình 5-6 Phương pháp học theo cách hồi tiếp sai số

Hình 5-7 Ma trận của lớp ẩn cho các tín hiệu vào và ra

Hình 5-8 Mạng Hopfield có 4 nút

Hình 5-9 Mạng Hopfield là một tôpô vòng kín

Hình 5-10 Mô hình mạng Wavelet

Hình 5-11 Mô hình mạng neural cơ bản-Hình 1

Hình 5-12 Mô hình mạng neural cơ bản-Hình 2

Hình 5-13 Mô hình mạng neural cơ bản-Hình 3

Hình 5-14 Mạng neural một lớp ẩn gồm nhiều neural

Hình 5-15 Mạng neural nhiều lớp ẩn gồm nhiều neural

Hình 5-16 So sánh điều khiển PI, FUZZY và Neural-Fuzzy

Hình 5-17 So sánh khả năng huấn luyện của mạng nhiều lớp ẩn

Hình 5-18 Chương trình huấn luyện sẽ đạt được trọng số có giá trị nhỏ nhất Hình 5-19 Mô hình mạng neural lan truyền ngược

Hình 5-20 Khối tính hệ số điều chế m và góc dịch pha phi

Hình 5-21 Điện áp Vq nạp vào đường dây của SSSC

Hình 5-22 Điện áp đặt Vqref cần nạp vào đường dây của SSSC

Hình 5-23 Dòng điện Id chạy qua SSSC

Hình 5-24 Gía trị hệ số điều chế m

Hình 5-25 Sai số huấn luyện

Hình 5-26 SSSC điều khiển công suất lúc không kết hợp POD

Hình 5-27 SSSC điều khiển công suất lúc kết hợp POD

Hình 5-28 SSSC điều khiển công suất lúc ngắn mạch khi không kết hợp POD

Hình 5-31 Một sơ đồ điều khiển khác dùng neural

Hình 6-1 Mô hình điều khiển UPFC bằng DSP và PC

Hình 6-2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống sử dụng DSP

Hình 6-3 Sơ đồ board mạch nhận dữ liệu

Hình 6-4 Sơ đồ board mạch xuất tín hiệu điều khiển

Hình 6-5 Hình board mạch thực tế

Hình 6-6 Phòng điều khiển thiết bị Facts

Hình 6-7 Khối điều khiển UPFC bằng DSP

Hình 6-8 Mô hình điều khiển UPFC bằng DSP

Hình 6-9 Mô hình điều khiển UPQC bằng DSP

Hình 6-10 Mô hình STATCOM

Hình 6-11 Sơ đồ điều khiển STATCOM

Hình 6-12 Mô hình SSSC

Hình 6-13 Sơ đồ điều khiển SSSC

Hình 6-14 Sơ đồ điều khiển UPFC

Hình 6-15 Sơ đồ điều khiển UPFC phóng rõ hơn

Hình 6-16 Bộ điều khiển PID bằng mạch khuếch đại thuật toán

Hình 6-17 Bộ phận phát xung đi điều khiển các vale bán dẫn

Hình 6-18 Mô hình một thiết bị Facts khi có thêm bộ chứa nguồn

Hình 6-19 So sánh khả năng cản dao động khi kết hợp thiết bị Facts với Smes và POD Hình 6-20 So sánh khả năng hoạt động của SSSC và SSSC+Bess

Hình 6-21 So sánh ổn định điện áp của SSSC và SSSC+Bess

Hình 6-22 So sánh ổn định công suất tác dụng của SSSC và SSSC+Bess

Hình 6-23 So sánh hoạt động của Statcom và Statcom+Bess

Hình 6-24 So ổn định điện áp của Statcom và Statcom+Bess

Hình 6-25 So ổn định công suất công suất của Statcom và Statcom+Bess

Hình 6-26 So ổn định điện áp của Statcom+Bess, SSSC+Bess và UPFC

Hình 6-27 So sánh công suất tác dụng Statcom+Bess, SSSC+Bess và UPFC Hình 6-28 Điều khiển thiết bị bù Facts+Bess bằng PC+DSP

Hình 6-29 Điều khiển thiết bị bù Facts+Bess bằng PC+DSP phóng rõ hơn

Hình 7-1 Phân tích khả năng triệt thành phần hài của bộ nghịch lưu đa bậc

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang1

Thuật ngữ Facts-Flexible AC Transmission System tạm dịch là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, Facts đã sử dụng Thyristor hơn ba mươi năm trước và sau đó là dùng GTO, IGBT mở ra những khả năng mới Một loạt các hệ thống mới xuất hiện như bộ lọc năng động-Active Filter, thiết bị bù Statcom…để nâng cao hiệu suất của mạng lưới điện, cải thiện trào lưu công suất hữu công và vô công Những khái niệm này thật sự hấp dẫn hứa hẹn cách thức vận hành lưới điện một cách tối ưu nhất

Thuật ngữ tổng quát “Facts” có thể đuợc dùng để chỉ tổ hợp các nhà máy và các thiết bị như hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp HVDC-High Voltage Dierect Curent Transmission Systems, các tụ bù dọc có điều khiển CSC (Controllable series compensator), tụ bù dọc tiên tiến ASC(Advanced series compensator) và các thiết bị bù tĩnh công suất phản kháng SVC, thiết bị bù STATCOM, SSSC, UPFC, IPFC…

Hiện tượng qúa độ xảy ra khi có các thay đổi nhanh của phụ tải, thao tác đóng cắt và khi có ngắn mạch…chủ yếu là do hiện tượng cộng hưởng và phi tuyến

+ Các mạch cộng hưởng gồm dãy trở kháng của lưới kể cả tụ bù dọc hoặc điện dung của đường dây

+ Hiện tượng phi tuyến xuất hiện khi các máy biến áp trở nên bão hòa do sự cố chuyển mạch trong các bộ chuyển đổi ở hệ thống HVDC hoặc do sự khởi động của các Varistor hạn chế điện áp MOVs-Voltage Limiting Varistors trong các tụ bù dọc

Phạm vi các nhiễu loạn có ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ bao trùm từ các phần tử một chiều tới tận các hệ thống truyền tải một chiều cao áp và từ các hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong các hệ thống có bù dọc tới các các tần số cao hơn liên quan đến hiện tượng cộng hưởng của các điện dung của đường dây và các kháng bù ngang Và còn nhiều nguyên nhân khác nữa gây mất ổn định hệ thống…

Sự ổn định của hệ thống xoay chiều AC là yếu tố quan trọng đối với sự biến dạng của dòng và áp Ảnh hưởng của biến dạng càng lớn nếu công suất danh định của thiết bị Facts càng cao so với dung lượng ngắn mạch của hệ thống xoay chiều, chẳng hạn khi có bù dọc ảnh hưởng này sẽ tăng theo mức độ bù

XC/XL

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang2

Việc thay đổi cấu trúc của lưới điện tại thời điểm qúa độ của hệ thống điện để kéo hệ thống về lại vị trí ổn định nào đó, trong một thời gian ngắn là cực kỳ khó, các thiết bị bù ứng dụng công nghệ Facts ngày càng tiến xa trong việc tái cấu trúc lưới điện truyền tải trong mọi chế độ vận hành với một mức độ nào đó

Ta nói các thiết bị bù ứng dụng công nghệ Facts dùng để “ Điều khiển hệ thống” một cách linh động tức thời, có dải bù từ rất nhỏ đến khá lớn, có khả năng điều khiển trào lưu công suất, ổn định góc pha…Chúng ta hoàn toàn yên tâm khả năng gây qúa độ lớn do tụ bù vì các thiết bị bù Facts thực hiện bù nhuyễn nên kiểm soát được hoàn toàn khả năng qúa độ của tụ, do vậy hệ thống điện trở nên thông minh hơn khi sử dụng thiết bị bù Facts

Tuy nhiên các thiết bị Facts sử dụng khá nhiều các linh kiện điện tử chuyển mạch công suất cao đóng cắt liên tục nên dễ hư hỏng, tuổi thọ không cao, hơn nữa khá nhiều phần tử điều khiển liên quan, vì vậy độ tin cậy không đảm bảo và gía thành cao, công nghệ mới mẻ điều này dễ hiểu vì sao các thiết bị bù Facts chưa được sử dụng nhiều trên hệ thống truyền tải của nhiều nước trên thế giới

Ngày nay thiết bị bù Facts được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước: Mỹ, Canada, Brasil…bởi nó được tạo ra với một công nghệ hoàn hảo và ta có quyền tin tưởng để sử dụng với những gì mà nó mang lại thì quá lớn!

Trong nền kinh tế thị trường, xây dựng một thị trường điện là nhu cầu, là lợi nhuận, là áp lực để vận hành tối ưu hệ thống điện, giải pháp ứng dụng các thiết bị bù Facts là vấn đề cần thiết từ những yêu cầu và mục đích khắc khe khác nhau đó

Mục đích, nhiệm vụ của luận văn:

Đề tài này nghiên cứu các thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện, trình bày mô hình điều khiển cho thiết bị bù SSSC với phương pháp điều khiển sử dụng khâu PID, và phương pháp điều khiển sử dụng neural nhân tạo Cụ thể trình bày như sau:

1 Nghiên cứu các thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts điển hình như: SVC, STATCOM, SSSC, UPFC, IPFC, UPQC, UPLC Phân tích nghiên cứu hoạt động, xây dựng mô hình, công thức và so sánh khả năng hoạt động của chúng

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang3

2 Xây dựng mô hình, công thức, mô phỏng hoạt động của thiết bị bù SSSC chứng tỏ khả năng điều khiển công suất của đường dây và khả năng cản dao động của nó, lúc tải bình hoạt động bình thường và khi có ngắn mạch xảy ra

Phương pháp nghiên cứu:

Khi giải quyết các vấn đề liên quan đến thiết bị bù SSSC, phương pháp điều khiển sử dụng khâu PID, điều khiển hiện đại neural Để giải quyết bài toán đề tài sử dụng phần mềm mô phỏng và tính toán Matlab 7.01

Điểm mới của luận văn:

-Thuật toán điều khiển SSSC ứng dụng mạng neural nhân tạo

-Mô hình mô phỏng toàn bộ hệ thống SSSC cho hệ thống theo mô hình mô phỏng theo công thức ứng dụng MATLAB/SIMULINK 7.01

Gía trị thực tiễn của đề tài:

-Nghiên cứu các thiết bị bù Facts với chiều sâu về lý thuyết

-Mô phỏng được hoạt động của thiết bị bù SSSC

-Cơ sở để nghiên cứu, mô phỏng và xây dựng mô hình thực các thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts và khả năng ứng dụng trong thực tiễn

Nội dung luận văn:

Đề tài gồm có 7 chương như sau:

Chương 1 Phần mở đầu

Chương này nhằm nói lên tầm quan trọng của việc sử dụng thiết bị bù Facts nói chung Trình bày mục đích nhiệm vụ của luận văn, phương pháp nghiên cứu, điểm mới của luận văn, giá trị thực tiễn của đề tài

Trình bày tóm lược nội dung của luận văn

Chương 2 Các thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện

Chương này nêu bậc lên được nhiều khía cạnh về các thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts: Các loại mô hình Facts, hai công nghệ điều khiển thiết bị bù Facts, so sánh khả năng hoạt động của các thiết bị bù Facts, những lợi ích khi sử dụng thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts, khả năng hoạt động của các thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts

Khảo sát các thiết bị bù Facts điển hình: SVC, STATCOM, SSSC, đây là bước xây dựng mô hình, xây dựng công thức, định nghĩa, so sánh khả năng của chúng

Khảo sát bộ dự trữ nguồn: Bess và Smes

Chương 3 Bù kết hợp các thiết bị Facts

Khảo sát thiết bị bù kết hợp điển hình như: UPFC, IPFC, UPQC và UPLC, nêu ra những định nghĩa về các thiết bị bù kết hợp, phân tích hoạt động của chúng Mục tiêu của chương này là xây dựng thêm cách nhìn về thiết bị bù sử

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang4

dựng công nghệ Facts, khả năng điều khiển chúng Có thể nói các thiết bị bù kết hợp là những phần tử không thể thiếu được trong một hệ thống điện hiện đại

Chương 4 Mô phỏng thiết bị bù SSSC bằng Matlab 7.01

Mô phỏng thiết bị bù SSSC bằng phần mềm Matlab 7.01, mục đích của việc mô phỏng là: Xây dựng mô hình của SSSC, mô phỏng chúng để chứng tỏ khả năng điều khiển công suất tác dụng trên lưới của SSSC và khả năng cản dao động công suất của nó khi tải hoạt động bình thường và khi có ngắn mạch xảy ra

Ngoài ra còn khảo sát thêm phần kết hợp giữa SSSC với bộ phận cản dao động POD(Power Oscillation Damping), để hiểu thêm được khả năng kết hợp cản dao động của SSSC với POD

Chương 5 Ứng dụng mạng neural trong điều khiển thiết bị bù SSSC

Trình bày lịch sử phát triển mạng neural, ứng dụng của mạng neural, ưu và khuyết điểm của mạng neural, phương pháp huấn luyện mạng, khái niệm mạng neural lan truyền ngược

Xây dựng mô hình bộ điều khiển neural, chương trình huấn luyện, kết quả mô phỏng việc ứng dụng mang neural để điều khiển thiết bị bù SSSC

Chương 6 Hướng phát triển của luận văn

Trình bày ý kiến của học viên về phương pháp để xây dựng cấu hình phần cứng để điều khiển thiết bị bù Facts(SSSC, Statcom, UPFC) bằng DSP, và bằng điều khiển theo khâu hiệu chỉnh PI, PD, PID

Chương này cũng tổng kết lại một số mô hình điều khiển quan trọng mới lạ về thiết bị bù facts như: Statcom, SSSC, UPFC mà học viên đã sưu tầm được, đây cũng là một định hướng nghiên cứu có thể khả thi

Ngoài ra cũng trình bày quan điểm ứng dụng các thiết bị bù Facts kết hợp với các bộ phận như: POD(Power Oscillation Damping) mạch cản dao động, hay bộ chứa nguồn (Bess hay Smes), những công nghệ này hứa hẹn đem về cho thiết

bị bù Facts những khả năng cản dao động công suất, ổn định điện áp tốt hơn những gì mà nó đang thể hiện, và cũng đưa ra một vài so sánh qúy giá minh họa cho vấn đề này

Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị Facts(SSSC, Statcom, UPFC)+Bess thực hiện bằng máy tính PC+DSP rất là hiện đại, có thể nghiên cứu để áp dụng trong thực tiễn

Chương 7 Kết luận

Chương này học viên muốn nhấn mạnh về tầm quan trọng, lợi ích của việc nghiên cứu và ứng dụng thiết bị bù sử dụng công nghệ Facts, những hướng phát triển trong tương lai mà thiết bị bù Facts đem lại với những khả năng triển vọng

lớn lao hơn cho ngành điện

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang5

2.1 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FACTS

Ngày nay ngành điện của nhiều nước trên thế giới đã tiến bộ nhiều mặt, tham gia vào thị trường điện tự do và đã mang lại những hiệu quả nhất định Để giải quyết bài toán kỹ thuật và kinh tế trong vấn đề truyền tải mạng điện cao áp, những vấn đề liên quan đến ổn định động, ổn định tĩnh, khả năng truyền tải của đường dây, chất lượng điện năng, giảm tổn thất trên đường dây truyền tải…hạn chế tới mức thấp nhất những sự cố có thể xảy ra

Thực tế trong vận hành mạng điện của ngay các nước phát triển cũng đã xảy ra những sự cố sụp đổ điện áp, rã lưới trên diện rộng mà thời gian khôi phục lưới là rất lâu Nguyên nhân của sự dao động mất cân bằng của một bộ phận đường dây, hay nguồn phát có luồng công suất quan trọng…của những sựï cố ngắn mạch hay đứt dây ở những phát tuyến quan trọng, làm cho lưới điện thiếu công suất Các bảo vệ tự động cắt tải và cắt nguồn một cách có dây chuyền và chuỗi đóng để khôi phục lưới, cắt do bảo vệ tác động…làm cho hệ thống không còn tự động điều khiển để ổn định được nữa, hệ thống điện bị sụp đổ điện áp và rã lưới

Để giải quyết vấn đề này các nước tiên tiến: Mỹ, Canada, Brasil…là những nước tiên phong ứng dụng công nghệ Facts trong lưới điện truyền tải Facts là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng các thiết bị điện tử công suất, hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời Ngoài

ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải

A Các loại mô hình Facts

Chúng ta có thể phân loại Facts ra làm 4 loại chính sau:

+ Loại nối tiếp (như TCSC): Điều khiển dòng, ngăn cản dao động, tăng ổn

định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất

+ Loại song song (như SVC): Điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, bù công

suất phản kháng, tăng ổn định động, tĩnh cho hệï thống, ổn định điện áp

+ Loại kết hợp nối tiếp với nối tiếp (như IPFC): Điều khiển công suất phản

kháng, điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, ổn định điện áp, tăng ổn định động và ổn định tĩnh cho hệ thống

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang7

+ Loại kết hợp nối tiếp với song song (như UPFC): Điều khiển công suất tác

dụng và phản kháng, điều khiển điện áp, bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và ổn định tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất, ngăn cản dao động

FACTS Controller Control Attributes

Static Synchronous Compensator

(STATCOM without storage)

Voltage control, VAR compensation, damping oscillations, voltage stability

Static Synchronous Compensator

(STATCOM with storage, BESS, SMES,

Thyristor-Controlled Braking Resistor

(TCBR) Damping oscillations, transient and dynamic stability

Static Synchronous Series Compensator

(SSSC without storage) Current control, damping oscillations, transient and dynamic stability, voltage stability, fault current limiting

Static Synchronous Series Compensator

Unified Power Flow Controller (UPFC) Active and reactive power control, voltage control, VAR

compensation, damping oscillations, transient and dynamic stability, voltage stability, fault current limiting

Thyristor-Controlled Voltage Limiter

(TCVL)

Transient and dynamic voltage limit

Thyristor-Controlled Voltage Regulator

(TCVR)

Reactive power control, voltage control, damping oscillations, transient and dynamic stability, voltage stability

Interline Power Flow Controller (IPFC) Reactive power control, voltage control, damping oscillations,

transient and dynamic stability, voltage stability

Hình 2-1 Khả năng hoạt động của một số thiết bị bù Facts

B Hai công nghệ điều khiển thiết bị Facts

+ Sử dụng thiết bị điện tử công suất và bộ biến đổi điều biến xung băng rộng

2.2 SO SÁNH KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ FACTS [28][29]

Trong thiết kế và vận hành việc sử dụng phần tử tụ bù kết lưới là một vấn đề hết sức đặc biệt quan tâm Việc đưa ra một bảng tham chiếu các tính năng của tụ bù

so sánh chúng với nhau có ý nghĩa giúp ta nhanh chóng nhận diện và có một cách nhìn khái quát hơn trong vấn đề giới hạn truyền tải và giải pháp để sử dụng đúng yêu cầu các thiết bị bù cần sử dụng

Trong quá trình tính toán, mô phỏng và vận hành các nhà khoa học đã đưa ra các nhận xét:

Hình 2-2 So sánh khả năng hoạt động của một số thiết bị bù Facts

Lịch sử xuất hiện một số thiết bị bù Facts:

•SVC công ty Nebraska GE sản xuất năm 1974, Minnesota Westinghouse 1975, Brazil Siemens 1985

•TCSC, UPFC công ty AEP sản xuất năm1999

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang9

Các từ viết tắt:

BDV: Breaker Switched Capacitor Statcom: Static Synchronous Compensator

BSC: Breaker Switched Reactor SVC: Static Var Compensator

IPC: Interphase Power Controller TCPAR: Thyristor Controlled phase angle regulator QBT: Quadrature Boosing Tranformer TCSC: Thyristor Controlled series capacitor

ASC: Advanced series compensator UPFC: Unified Power Flow Controller

BESS:Battery Energy Storage System IPFC: Interline Power Flow Controller

SSG : Static Synchronous Generator SMES: Super conducting Magnetic Energy Storage

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang10

2.3 NHỮNG LỢI ÍCH KHI DÙNG THIẾT BỊ BÙ SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ FACTS

a) Điều khiển trào lưu công suất theo yêu cầu Tăng khả năng tải của đường dây như vậy là tăng khả năng chịu nhiệt của đường dây, giảm chu kỳ dòng ngắn mạch

b) Tăng cường an ninh mạng qua việc tăng giới hạn ổn định, giảm dòng ngắn mạch và qúa tải Giảm được những dao động tức thời là nguyên nhân gây nên chuỗi những dao động dẫn đến rã lưới điện Ngăn chặn dao động cơ điện của hệ thống và máy phát

c) Đảm bảo an toàn cho những đường dây truyền tải nối đến những hệ thống và những vùng mà ở đó đang giảm toàn bộ những máy phát cấp nguồn dự phòng yêu cầu từ hai phía

d) Làm cho hệ thống hoạt động được êm ái mỗi khi đóng một máy phát điện mới vào lưới, hay có sự cố trong giới hạn cho phép

e)Công nghệ Facts có thể cho phép vận hành nâng công suất lên trên 50% công suất của đường dây

f) Facts có thể điều khiển điện áp, trở kháng Z đường dây, góc pha, tăng độ tin cậy cho hệ thống

2.4 KHẢ NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ BÙ FACTS [24][30]

Khả năng mà các tụ bù dùng công nghệ Facts tùy thuộc vào khả năng chịu đựng cho phép của các linh kiện điện tử công suất

Thập kỷ 50 bộ chỉnh lưu thủy ngân (khi công suất lớn), và bóng thyristor (khi công suất nhỏ) đã bắt đầu thay dần những kiểu điều khiển quay Năm 1957 bóng bán dẫn thyristor (thường gọi là linh kiện chỉnh lưu silic điều khiển, hoặc gọi tắt là silic điều khiển) ra đời, đến thập kỷ 60, đã chế tạo được hàng loạt thiết bị chỉnh lưu thyristor dẫn đến sự biến đổi căn bản về kỹ thuật nắn dòng, mở đầu bước vào thời đại bán dẫn thyristor Thiết bị bán dẫn có điều khiển không những có tính kinh tế và độ tin cậy cao, mà còn thể hiện rõ tính ưu việt về mặt kỹ thuật

Nhược điểm của các linh kiện điện tử là rất nhạy cảm với trị số qúa định mức của các đại lượng như điện áp, dòng điện, du/dt, di/dt bất kỳ trị số nào vượt qúa trị số cho phép trong khoảng thời gian ngắn đều có thể làm hỏng linh kiện, thiết bị Vì vậy phải có những thiết bị bảo vệ tin cậy và có điều kiện tản nhiệt yêu cầu

Khi góc mở thyristor lớn, sinh ra dòng điện hài cao tần làm cho sóng điện áp mạng điện bị biến dạng, làm nhiễu các thiết bị điện gần kề Hạn chế của thyristor là khi được mở, thì không thể dùng cực điều khiển phát xung tín hiệu để làm nó đóng

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang11

lại, muốn đóng lại buộc phải cho điện áp vào giữa hai cực dương và âm, như vậy phải có một mạch đóng cắt cưỡng bức thêm vào

Thập kỷ 70 lại đây, đã nghiên cứu chế tạo ra nhiều loại linh kiện và thiết bị điện tử công suất điều khiển hoàn toàn, vừa khống chế được mở thông vừa khống chế được đóng mở của nó, như bóng bán dẫn: GTO, bán dẫn thyristor công suất GTR, bóng hiệu ứng trường công suất P-MOSFET…thời gian cắt linh kiện hoàn toàn ngắn có thể lên tới 1÷4Kz, thậm chí 20Kz

Phạm vi điều khiển công suất của tụ bù tùy thuộc vào khả năng của thiết bị bán dẫn, và cách đấu nối của nó như sau:

Hình 2-3 Đặc tuyến VA-Hz của các khóa bán dẫn

Các thiết bị bán sử dụng trong cho công nghệ Facts có thể bao gồm các linh kiện công suất sau: Diode, transistor, IGBT, thyristor, SCR, GTO, MTO, ETO, GCT, IGCT, MCT, MOSFET…

-Diode (pn Junction)-Silicon Controlled Rectifier (SCR) -Gate Turn-Off Thyristor (GTO) GE -MOS Turn-Off Thyristor (MTO) SPCO -Emitter Turn-Off Thyristor (ETO) Virginia Tech -Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) Mitsubishi, ABB -MOS-Controlled Thyristor (MCT) Victor Temple

-Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang12

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation): Gọi tắt là PWM chu kỳ

xung không đổi, chỉ biến đổi thời gian mở thông ton của thyristor là có thể thay đổi độ rộng xung

Hình 2-4 Phương pháp điều khiển PWM

2.5 KHẢO SÁT THIẾT BỊ BÙ SVC [1][3]

Trong phần luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu kỹ những thiết bị bù Facts tiêu biểu, điển hình: SVC, TCSC, STATCOM, SSSC, UPFC, IPFC, UPQC, UPLC

Cấu tạo của một SVC cơ bản:

Hình 2-5 Cấu tạo của một SVC cơ bản

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang13

a) Thyristor Controlled Reactor (TCR):

Hình 2-6 Cấu tạo của một TCR

TCR: Được mắc song song với lưới điện, thyristor điều khiển độ lớn dòng điện

qua cuộn cảm làm ảnh hưởng đến công suất phản kháng, bằng việc điều khiển dòng điện khiển mở thông vale của thyristor Dòng điện cảm có thể được điều khiển từ maximum đến zero Khi α=00 độ lớn của dòng là maximum, khi α=900 độ lớn của dòng bằng zero không có dòng chạy qua

b) Thyristor Switched Capacitor (TSC):

Hình 2-7 Cấu tạo của một TSC

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang14

TSC: Được mắc song song với lưới điện, thyristor điều khiển độ lớn dòng điện

qua tụ điện làm ảnh hưởng đến công suất phản kháng, bằng việc điều khiển dòng điện khiển mở thông vale của thyristor Dòng điện dung có thể được điều khiển từ maximum đến zero Khi TSC OFF độ lớn của dòng bằng zero không có dòng chạy qua Cuộn cảm có tác dụng bảo vệ tụ điện có giá trị tính toán phù hợp với độ lớn của tụ điện Khi đóng mở vale lúc đó duS/dt không có giá trị bằng không sinh ra dòng điện qua tụ is=C.dus/dtvà dis/dt gây nên dao động qúa dòng điện và điện áp

c) Sơ đồ điều khiển SVC_Controller SVC:

Hình 2-8 Sơ đồ điều khiển SVC

SVC điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp lưới Khi điện áp lưới thấp SVC phát ra công suất phản kháng (SVC capacitive) bộ TSC hoạt động, khi điện áp lưới cao SVC thu công suất phản kháng (SVC inductive) bộ TCR hoạt động

Phạm vi điều khiển điện áp tuân theo qui luật:

V Điện áp lưới(p.u)

I Dòng phản kháng (p.u/Pbase) (I > 0 khi dòng có tính cảm)

Xs Điện kháng thay đổi của đường dây trong đơn vị pu chọn Xs=V(p.u/Pbase) Bcmax Công suất phản kháng lớn nhất của nhánh TSC khi TCR OFF(p.u./Pbase) Blmax Công suất phản kháng lớn nhất của nhánh TCR khi TSC OFF (p.u./Pbase) Pbase Công suất của đường dây

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang15

Khối Voltage regulator: Xác định sai số của điện áp lưới và giá trị điện áp

đặt(yêu cầu)

Khối Distribution Unit: Là khối relay để xác định chọn TCR hay TSC tác

động với một mức điện áp lưới nào đó

Khối Synchronizing Unit: (PLL, Pulse Genrator): Dùng một vòng khóa pha và

các bộ phát xung đi tác động các vale của SVC

d) Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định:

Mô hình của một đường dây truyền tải hai nguồn, có gắn tụ bù SVC ở giữa:

(2.3)

Khi mẫu số (X-X2BSVC/4 )=X/2 hay BSVC=4/X thì P=2Pmax, tương tự với các giá trị khác nhau của BSVC=0.4,0.2,0, -0.2,-0.4 ta xây dựng được đặc tính ổn định của hệ thống, với δc là giá trị góc cắt tới hạn để hệ ổn định động khi có tụ bù

Hình 2-10 Đường đặc tuyến công suất của SVC

2.6 KHẢO SÁT THIẾT BỊ BÙ TCSC:

Cấu tạo của một TSSC cơ bản:

Hình 2-11 Cấu tạo của một TSSC

Sơ đồ một TSSC đơn giản, một tụ điện và được mắc shunt bởi các vale bán dẫn thyristor Tụ được mắc nối tiếp với đường dây, trong nữa chu kỳ dương của dòng điện tụ nạp điện áp, trong nữa chu kỳ âm của dòng điện tụ xả điện áp TSSC thay đổi giá trị tham số điện kháng của đường dây khi ta thay đổi góc kích cho các thyristor, vì thế TSSC có thể điều khiển được công suất của đường dây và ngăn cản dao động

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang17

a)Xét mô hình của một TSSC:

Hình 2-12 Mô hình của một TSSC

Gọi K=-XTSSC/X Ta xác định được:

Đườngđặc tính công suất của hệ thống:

Hình 2-13 Đường đặc tính công suất của TSSC

b)Xét mô hình của một TCSC:

Trong thực tế một TSSC được mắc thêm cuộn cảm và trở thành TCSC:

Hình 2-14 Cấu tạo của một TCSC

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang18

Hình 2-15 Phân bố dòng áp trên một TCSC

c) TCSC hạn chế được những khuyết điểm của TSSC :

- Vì có thêm cuộn cảm mắc nối tiếp với các vale nên khả năng điều khiển dòng điện dung kháng nhỏ hơn so với TSSC qua các vale mà vẫn đảm bảo thay đổi thông số đường dây như trước theo một giá trị yêu cầu

- Cả hai chỉ có thể điều khiển được công suất phản kháng

- Cả hai nối trực tiếp vào lưới điện nên vận hành với một điện áp rất cao

- Hệ thống làm lạnh cho các vale đặt trên mặt đất nên việc đảm bảo cách điện là rất phức tạp

- Cả hai có khả năng cản dao động chỉ bằng việc thay đổi công suất phản kháng trên đường dây, do vậy làm ảnh hưởng đến khả năng truyền tải của đường dây(tăng tổn thất)

- Cả hai không thể dùng thyristor để đóng mở tụ điện, các vale luôn bypass (do điện áp tụ có gía trị lớn đặt lên các vale khi dòng điện đường dây có giá trị zero) do vậy thyristor luôn tồn tại xung dòng điện và điện áp lớn luôn thay đổi, kết quả là sự qúa độ xung dòng khi vale chuyển mạch, ảnh hưởng không tốt cho tụ điện và các vale

e) Sơ đồ điều khiển TCSC_Controller TCSC:

Hình 2-16 Sơ đồ điều khiển TCSC

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang19

f.Khả năng tải của đường dây khi có TCSC:

Hình 2-17 Đường đặc tính công suất của TCSC

2.7 KHẢO SÁT THIẾT BỊ BÙ STATCOM [1][2][5][26]

Cấu tạo của một STATCOM cơ bản:

Hình 2-18 Cấu tạo của một STATCOM

a)Định nghĩa Statcom: Như là một máy bù tĩnh vận hành như là một tụ bù tĩnh bù dòng điện

dung (Statcom chỉ có tụ điện) hay bù dòng điện kháng (Statcom chỉ có cuộn kháng), có thể điều khiển được mà không tùy thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều AC của lưới điện

Ta xét một Statcom điều khiển công suất phản kháng của lưới điện (điều khiển dòng diện dung), như hình dưới dây:

Hình 2-19 Phân bố vec tơ dòng áp trên STATCOM

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang20

Statcom điều khiển điện áp lưới bằng cách phát ra (supplies) hay thu vào (absorbs) nguồn công suất phản kháng tại điểm đấu nối với lưới điện, mà không cần mắc thêm cuộn cảm hay là tụ điện ghép song song(bank) Statcom chỉ thông qua một bộ biến đổi điện áp duy nhất voltage source converter (VSC)

Tụ điện Cdc cung cấp điện áp một chiều DC đến bộ VSC, bộ VSC sẽ biến đổi và điều khiển để xuất ra nguồn áp xoay chiều AC 3 pha có tần số bằng tần số của điện áp lưới điện Bằng cách thay đổi độ lớn của điện áp U công suất phản kháng thay đổi giữa bộ biến đổi và lưới điện có thể được điều khiển Nếu độ lớn của điện áp

U lớn hơn điện áp lưới điện U T, statcom sẽ phát ra dòng công suất phản kháng vào lưới điện Nếu giảm độ lớn của điện áp U nhỏ hơn điện áp lưới điện U T, statcom dường như là một cuộn cảm , trong trường hợp này statcom thu công suất phản kháng Nếu điện áp cân bằng không có dòng điện cảm kháng chạy qua, luồng công suất phản kháng trao đổi giữa statcom và lưới điện bằng zero

Một bộ converter thực tế thì không tổn hao nhiều, trong trường hợp này nguồn năng lượng của tụ điện sẽ bị tổn hao do các linh kiện bên trong của bộ converter Bằng cách xuất một nguồn điện áp chậm pha hơn so với điện áp lưới bởi một góc nhỏ, bộ converter sẽ thu một nguồn công suất phản kháng từ lưới điện để cân bằng do tổn hao trong bộ converter và các tổn hao khác cộng lại

Cách thức điều khiển góc pha có thể có thể đạt được bằng việc phát hay thu công suất phản kháng bằng việc tăng hay giảm điện áp tụ điện Udc

Thay vì dùng một tụ điện có thể nối thêm một acquy (battery), để sử dụng nguồn năng lượng một chiều Trong trường hợp này bộ biến đổi có thể điều khiển cả công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện xoay chiều AC Khả năng điều khiển công suất tác dụng cũng như là điều khiển công suất phản kháng để đáp ứng những lưới điện đòi hỏi khả năng cản dao động của statcom, tăng công suất tải đến mức đỉnh tải yêu cầu, và cung cấp luồng công suất không gián đoạn cho lưới tới mức giới hạn (critical) ổn định của đường dây

b) Xét mô hình của một statcom:

Từ (2.5) và (2.6) rút ra được công thức:

1 2

q R

T

I X X U

c) Khả năng tải của đường dây và vấn đề ổn định:

Với các giá trị dòng công suất phản kháng I q của statcom khác nhau, và điện áp (trong hệ đơn vị pu) là điện áp lưới điện, ta xây dựng được đường đặc tính công suất của hệ thống:

R

U

Hình 2-21 Đường đặc tính công suất của STATCOM

STATCOM SVC

Hình 2-22 So sánh khả năng hoạt động của STATCOM và SVC

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang23

Statcom và SVC đều có chức năng giống nhau là khả năng bù công suất phản kháng (dung kháng hay cảm kháng tuỳ theo mắc tụ điện hay cuộn dây) Tuy nhiên vận hành chính là cơ bản khác nhau Một Statcom chức năng như thể một nguồn điện áp đồng bộ mắc song song vào lưới điện, trái lại SVC như thể một tổng dẫn phản kháng mắc song song vào lưới điện mà có thể thay đổi được trị số, Statcom không đòi hỏi bộ lọc sóng hài còn SVC thì phải có

Sự khác nhau này làm cho statcom có những đặc tính đặc biệt hơn, khả năng ứng dụng tốt hơn, và điều khiển biên độ điện áp lớn hơn dễ dàng hơn SVC

Trong miền đặc tuyến tuyến tính V-I như hình vẽ trên khả năng bù của Statcom và SVC là như nhau Trong miền đặc tuyến phi tuyến (miền hình chữ nhật của statcom) khả năng điều khiển dòng công suất phản kháng (capacitive or inductive) của Statcom không phụ thuộc vào điện áp lưới điện AC của hệ thống, trái lại SVC thì dòng này sẽ giảm hoặc tăng tuyến tính với độ giảm hoặc tăng điện áp AC của lưới điện

Do đó statcom có nhiều ảnh hưởng hơn SVC trong việc cung cấp nguồn điện áp cho những hệ thống mất cân bằng, mà điện áp dao động và vượt ra ngoài giá trị tuyến tính của phần tử bù Khả năng của statcom duy trì dòng điện bù theo yêu cầu một cách hết sức bình thường khi điện áp AC của lưới giảm thấp, (trong miền hình chữ nhật của statcom hay tứ giác của SVC) nên statcom cải thiện ổn định điện áp tốt hơn

Khi nối thêm với tụ bù bằng một nguồn DC thì statcom có thể bù cả công suất

tác dụng và phản kháng, mà SVC không thể làm được

e) Thiết bị Bess và Smes [25][32][33]

Nói đến Bess hay Smes người ta dùng đến từ (coordinated facts/bess or smes systems)[33], như vậy đây là sự phối hợp giữa thiết bị Facts với bộ dự trữ nguồn

Thiết bị Facts thì có nhiều, ta xét thiết bị Statcom nối thêm với nguồn một chiều DC gọi là Bess (Battery Energy Storage System-nguồn năng lượng Acquy chứa trong hệ thống), như hình vẽ dưới đây:(xem thêm chương 6 trang 109)

Hình 2-23 Cấu tạo của thiết bị nguồn dự trữ BESS, SMES và SSG

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang24

Một thiết bị Bess có thể phát và thu năng lượng từ hệ thống, và chứa năng lượng vào một bộ Acquy được ghép tầng, năng lượng nguồn điện do phản ứng hóa học mang lại Điển hình là dùng Acquy acid chì, và có thể chứa năng lượng đến 10MWh Hệ thống Bess gồm bộ Coverter để biến đổi điện áp DC⇒AC cho lưới điện và AC⇒DC cho acquy Khi bộ Coverter hoạt động, nó làm việc giống như một statcom cung cấp công suất phản kháng và ổn định điện áp Bess như thể một động cơ đồng bộ nạp điện cho Acquy, và như thể một máy phát đồng bộ xả công suất từ Acquy vào lưới Một bộ Bess cũng là một nguồn sóng hài vì thế phải dùng bộ lọc(do công suất lớn nên phải dùng thyristor), bởi vì Bess có điện trở hạn dòng nên khả năng bảo vệ cho acquy tốt trong trường hợp ngắn mạch

Một dạng khác là Super conducting Magnetic Energy storage (Smes) là cuộn dây siêu dẫn có từ tính, khi đường dây có điện trở bằng zeoro một vài vật liệu tiếp xúc với dòng điện khi nhiệt độ dưới một giá trị tới hạn nào đó, nó có thể sinh ra và duy trì trong cuộn dây một dòng điện mà không bị tổn hao với giá trị nào đó Với Smes khả năng nạp và xả của bộ Converter nhanh hơn khi tải yêu cầu, người ta lý luận rằng bộ Smes ít tổn hao hơn bộ Bess vì khả năng siêu dẫn của nó, chỉ có tổn thất không lớn do làm lạnh cuộn dây Khả năng chứa nguồn của smes cũng khá lớn, hàng trăm MW, có thể thích hợp với mọi loại tải Đây là một công nghệ tiên tiến, trong tương lai có thể được ứng dụng nhiều, nhưng chỉ ở lưới điện truyền tải vì tốn kém Hiện tại thì người ta đã làm thành công trong phòng thí nghiệm và một vài nơi

Để phân biệt rõ, người ta qui định nguồn năng lượng dự trữ được nối qua một Statcom hoặc SSSC(xem hình 2-23 và hình 2-26) và đấu vào lưới được xem như là một thiết bị Facts Với quan điểm như vậy, một nguồn điện mà sự kết hợp của một Statcom hoặc SSSC với bất kỳ một nguồn năng lượng nào để cấp hay thu nguồn năng lượng cho lưới điện, hệ thống nguồn dự trữ kiểu như vậy được biết với tên là Static Synchronous Generator (SSG), (xem hình 2-23 và hình 2-26) Công dụng của SSG là cung cấp công suất thực và phản kháng cho lưới điện mà không phụ thuộc vào sự thay đổi của lưới AC Thiết bị Statcom hoặc SSSC có thêm Bess hay Smes làm cho hệ thống ổn định điện áp và công suất tốt hơn khi chỉ có Statcom hoặc SSSC Trong thực tế người ta có thể nối 2 statcom kề nhau B2B, mà thuật ngữ tiếng Mỹ gọi là back-to-back (ở kế cận nhau, lưng chạm vào nhau)

Hình 2-24 Thiết bị bù kết nối 2 STATCOM-B2B

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang25

f) Sơ đồ điều khiển Statcom-Controller Statcom:

Hình 2-25 Sơ đồ điều khiển STATCOM

2.8 KHẢO SÁT THIẾT BỊ BÙ SSSC [1][2][5]

Cấu tạo của một SSSC cơ bản:

Hình 2-26 Cấu tạo của một SSSC

Cũng như Statcom thiết bị SSSC cũng có thể sử dụng sử dụng một nguồn năng lượng bên ngoài (external electric energy source) là Acquy hay cuộn dây siêu dẫn làm nguồn chứa năng lượng (battery storage or superconducting magnetic storage) SSSC có thể nạp vào đường dây một điện áp mà có thể thay đổi được, có thể tăng hay giảm điện áp phản kháng trên đường dây do vậy mà có thể điều khiển được góc công suất δ và điện kháng đường dâyX = X l−V inj/I l (2.17),(Xlà điện kháng tổng của đường dây sau khi bù, X l là điện kháng của đường dây trước khi bù), và thay đổi khả năng truyền tải của đường dây Khi có thêm nguồn chứa năng lượng, SSSC có thể điều khiển công suất tác dụng nạp vào đường dây do đó khả năng ổn định điện áp do lệch áp trên đường dây tốt hơn Khi có sự cố trên đường dây SSSC chịu trực tiếp dòng điện sự cố do mắc nối tiếp với đường dây

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang26

a)Định nghĩa SSSC-Static-Synchronous Series Compensator:

Là một máy phát đồng bộ tĩnh hoạt động không có nguồn năng lượng bên ngoài nó như thể một tụ bù nối tiếp, xuất ra điện áp lệch pha 900 so với dòng điện và có thể điều khiển mà không phụ thuộc vào dòng điện lưới Có thể tăng hay giảm một lượng điện áp bơm vào lưới bằng với độ lệch điện áp trên đường dây, do vậy điều khiển được khả năng truyền tải công suất

Một SSSC có thể bao gồm nguồn năng lượng dự trữ có thể chống lại qúa độ điện áp trên đường dây hay là một thiết bị thu nguồn năng lượng để tăng cường ổn định động của hệ thống Bằng cách nạp vào lưới một cách tạm thời nguồn công suất tác dụng, để tăng cường hay giảm một cách tạm thời nhằm chống lại độ lệch áp trên đường dây

b) Mô hình của một SSSC:

Hình 2-27 Mô hình của một SSSC

Mô hình trên, chỉ ra việc tăng độ lớn điện áp trên điện kháng đường dây, do vậy gia tăng độ lớn của dòng điện kết quả là tăng cường trào lưu công suất trên đường dây Đây là kết quả tương tự ảnh hưởng của việc đặt tụ bù nối tiếp trên đường dây Bằng việc đạt được nguồn điện áp U qvới dòng điện I , như thể đặt một tụ bù nối tiếp mà công thức được thiết lập: U q = −jX I C (2.18), vớiX C là dung kháng của tụ điện

Do điện áp nguồn xem như luôn là một hằng số, bởi vì dòng điện đường dây luôn thay đổi và điện áp nguồn bù sẽ thay đổi theo mà không phụ thuộc vào dòng

điện Điện áp nguồn có thể giảm dọc theo đường dây khi mà công suất phản kháng

của đường dây tăng lên Do đó SSSC có thể làm giảm hay tăng khả năng tải trên đường dây với một mức độ nào đó, khi mà làm tăng hay giảm lượng công suất phản kháng trên đường dây Sơ đồ của một tụ bù công suất phản kháng nối tiếp, sử dụng bộ

Học viên: Mai Xuân Dinh Trang27