Nghiên cứu thiết bị bù ngang có điều khiển Statcom

Nghiên cứu thiết bị bù ngang có điều khiển Statcom Nghiên cứu thiết bị bù ngang có điều khiển Statcom Nghiên cứu thiết bị bù ngang có điều khiển Statcom luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

PHẠM PHÚ TÚ

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ

BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN STATCOM

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI CAM ĐOAN 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 10

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU 11

IV BỐ CỤC LUẬN VĂN 11

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT VÀ CÔNG NGHỆ FACTS 12

1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT 12

1.1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống điện 12

1.1.2 Sự hình thành hệ thống điện liên kết 12

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 14 1.2.1 Các nguyên lý điều khiển sử dụng trong thiết bị điều khiển FACTS 14

1.2.2 Các thiết bị FACTS cơ bản trong hệ thống điện 16

1.2.3 Các lợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS: 27

1.4 KẾT LUẬN 31

CHƯƠNG 2 : CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA STATCOM 33

2.1 CÁC PHẦN TỬ BÁN DẪN CƠ BẢN 33

2.1.1 Đi-ốt 34

2.1.2 Thyristor 35

2.1.3 GTO ( Gate – Turn – Off thyristor) – Thyristor có cổng điều khiển khóa 35

2.2 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP (Voltage-Sourced-Converter - VSC) 37

2.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA STATCOM 47

2.3.1 Lịch sử ra đời và phát triển của STATCOM 47

2.3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM 47

2.3.3 Điều khiển STATCOM 49

2.3.4 Đặc tính V-I của STATCOM 51

2.3.5 Mô hình STATCOM 52

2.4 HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG CỦA STATCOM TRONG HTĐ 53

2.4.1 Hiệu quả đối với chế độ xác lập 53

2.4.1.1 Nâng cao chất lượng điện áp 53

2.4.1.2 Giảm tổn thất điện năng 53

2.4.1.3 Ổn định điện áp các nút yếu 54

2.4.1.4 Nâng cao giới hạn truyền tải của các đường dây dài tải điện đi xa 54

2.4.2 Hiệu quả trong chế độ quá độ (nâng cao ổn định động) 56

2.4.2.1 Giảm dao động công suất 56

2.4.2.2 Nâng cao ổn định động 56

CHƯƠNG 3 : TÌM HIỂU CHỨC NĂNG PHẦN MỀM CONUS TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 57

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 57

3.2 CÁC CHỨC NĂNG CƠ BẢN 57

3.2.1 Tính toán phân tích chế độ xác lập 57

3.2.2 Chức năng tính toán phân tích ổn định HTĐ 58

3.2.3 Tính toán bù kinh tế trong lưới điện phân phối 59

3.2 MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN TRONG PHẦN MỀM CONUS 60

3.2.1 Nhánh chuẩn 60

3.2.2 Lưới chuẩn 61

3.2.3 Sơ đồ thay thế các phần tử cơ bản của lưới điện 61

3.3 MÔ HÌNH NGUỒN TRONG TÍNH TOÁN CĐXL 66

3.3.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ trong các nhà máy điện 66

3.3.2 Mô hình TĐT 67

3.3.3 Mô hình TĐK 68

3.3.4 Mô hình máy phát điện đồng bộ trong tính toán phân tích hệ thống điện 68

3.4 MÔ HÌNH STATCOM 69

3.4.1 STATCOM làm việc ở chế độ điều khiển siêu tĩnh 69

3.4.2 STATCOM làm việc ở chế độ điều khiển tĩnh 70

CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HTĐ VIỆT NAM CÓ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM 71

4.1 HIỆN TRẠNG LƯỚI TRUYỀN TẢI 500kV VIỆT NAM 71

4.2 CÁC GIẢ THIẾT TRONG TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HTĐ VIỆT NAM NĂM 2015 74

4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 74

4.3.1 Kết quả tính toán theo số liệu sơ đồ quy hoạch (chưa lắp đặt STATCOM) 74

4.3.2 Kết quả tính toán theo sơ đồ có lắp đặt STATCOM 78

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 81

PHỤ LỤC 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 105

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên để hoàn thành được bản luận văn này, tác giả xin chân thành cảm

ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại Học Bách Khoa

Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo GS.TS Lã Văn Út người đã quan tâm, tận tình hướng

dẫn giúp tác giả thực hiện và hoàn thành bản luận văn này Đồng thời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các anh, các chị, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận văn Do tầm hiểu biết cũng như thời gian còn nhiều hạn chế nên bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được nhiều góp ý quý báu của các thầy, cô giáo cũng như đồng nghiệp và bạn bè

Xin chân thành cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn được hoàn thành là của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận hay văn nghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2012 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Phạm Phú Tú

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Transmission Systems

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS

Bảng 1.2: Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS

Bảng 1.3: Các ứng dụng trạng thái động của FACTS

Bảng 4.1: Tổng hợp kết quả hệ số dự trữ ổn định tĩnh khi tăng dung lượng của

STATCOM

Phụ lục 1: Danh mục trạm biến áp 500kV xây dựng đến năm 2015

Phụ lục 2: Danh mục đường dây 500kV xây dựng đến năm 2015

Phụ lục 3: Trào lưu công suất của hệ thống điện Việt Nam năm 2015 làm việc ở chế

độ bình thường bằng phần mềm CONUS V.7 (2012)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Bộ điều khiển nối tiếp

Hình 1.2 Bộ điều khiển song song

Hình 1.3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

Hình 1.4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

Hình 1.5 Cấu tạo chung của SVC

Hình 1.6 Cấu tạo của STATCOM

Hình 1.7 BESS

Hình 1.8: TCBR

Hình 1.9 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

Hình 1.10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

Hình 1.11 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Hình 1.12 Cấu tạo chung của UPFC

Hình 1.13 Cấu tạo chung của TCPST

Hình 2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của GTO

Hình 2.4 Bộ biến đổi nguồn áp 1 pha 2 mạch

Hình 2.5 Bộ biến đổi nguồn áp một pha một mạch-pha

Hình 2.6 Bộ biến đổi nguồn áp 3 pha

Hình 2.7 Dòng và áp phía AC trong bộ biến đổi nguồn áp 3 pha

Hình 2.8 Điều khiển chế độ của bộ biến đổi (1 pha)

Hình 2.9 So sánh STATCOM với máy bù đồng bộ quay

Hình 2.10 Bộ biến đổi nguồn áp 3 pha (6 mạch và 12 mạch) của STATCOM

Hình 2.11 Sự thay đổi điện áp trong bộ biến đổi nguồn của STATCOM

Hình 2.12 Nguyên lý điều khiển STATCOM

Hình 2.13 Giới hạn điều chỉnh của STATCOM

Hình 2.14 Đặc tính V-I của STATCOM giữ điện áp thanh cái

Hình 2.15 Sơ đồ đẳng trị STATCOM nối với hệ thống

Hình 2.16 Đường cong biến thiên điện áp khi tải tăng cao (với tỉ lệ k so với ban đầu)

Hình 2.17 Hệ thống điện đơn giản

Hình 2.18 Hệ thống điện đơn giản có đặt STATCOM

Hình 3.11 Cấu trúc máy phát (a) và mô hình TĐT (b) và TĐK (c)

Hình 3.12:Đồ thị véctơ dòng điện và điện áp của máy phát điện trong tính toán Hình 3.13 Đặc tính làm việc và sơ đồ tính toán STATCOM ở chế độ điều khiển siêu tĩnh

Hình 3.14 Đặc tính làm việc và sơ đồ tính toán STATCOM ở chế độ điều khiển tĩnh Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý và trào lưu công suất hệ thống điện Việt Nam năm 2015 trong chế độ làm việc bình thường cực đại

Hình 4.2: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi chưa lắp đặt STATCOM

Hình 4.3: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi có STATCOM tại nút thanh cái 220kV Hiệp Hòa

Hình 4.4: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa dung lượng của STATCOM và Kdt Hình 4.5 ÷ 4.8: Đồ thị mô phỏng biến thiên điện áp một số nút theo hệ số tải khi thay đổi dung lượng bù STATCOM tại nút thanh cái 220kV Hiệp Hòa

MỞ ĐẦU

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hiện nay, nền kinh tế phát triển ngày càng mạnh mẽ kéo theo việc đô thị hóa, nhu cầu phụ tải ngày một gia tăng đã thúc đẩy hệ thống điện cũng phải từng bước hiện đại hóa từ các khâu : Phát điện – truyền tải – phân phối đến các hộ tiêu thụ Việc hoàn thành và đưa đường dây 500 kV (2 mạch) vào vận hành đã đảm bảo liên kết giữa các miền, nâng cao dự trữ cho hệ thống Tuy nhiên sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải đã xảy ra vào giờ cao điểm phải sa thải lượng phụ tải khá lớn ảnh hưởng không nhỏ đến tình hình phát triển kinh tế và đời sống của nhân dân

Vì vậy, để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện thì vấn đề đặt ra đó chính là yêu cầu điều chỉnh trong hệ thống điện Điều chỉnh trong hệ thống điện bao gồm : điều chỉnh tần số và điều chỉnh điện áp Như chúng ta đã biết, điều chỉnh tần số chính là cân bằng công suất tác dụng, thay đổi nguồn nhiên liệu đưa vào như lưu lượng nước tại các nhà máy thủy điện, than hay khí ở các nhà máy nhiệt điện Điều chỉnh điện áp là cân bằng công suất phản kháng như thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bù đồng bộ), lắp tụ bù dọc đường dây, kháng bù ngang tại các nút phụ tải, nấc phân áp tại các trạm biến áp, tuy nhiên chỉ có thể điều chỉnh thô, tốc độ chậm hoặc là chỉ phân bố lại công suất phản kháng

Do yêu cầu chất lượng điện năng cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật ngày càng cao đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất lớn đã cho ra đời thiết bị có thể điều chỉnh trơn , tốc độ nhanh phân bố công suất trong lưới kín Đó chính là thiết bị FACTS (Flexible Alternate Curent Transmission System): Công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

Qua đó ta thấy việc nghiên cứu, ứng dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện 500 kV là một đề tài cấp bách trong thực tiễn hệ thống điện Việt Nam Một trong những thiết bị FACTS quan trọng là STATCOM

II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của STATCOM trong việc nâng cao ổn định của hệ thống điện

- Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện Việt Nam để nâng cao ổn định của hệ thống điện Việt Nam năm 2015

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Tổng quan về nguyên lý cấu tạo và hoạt động của STATCOM

- Ứng dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện siêu cao áp

- Mô phỏng thiết bị STATCOM trong các phần mềm tính toán phân tích hệ thống điện, phân tích ổn định hệ thống

- Phân tích hiệu quả của STATCOM trong hệ thống điện Việt Nam năm 2015

IV BỐ CỤC LUẬN VĂN

Với phạm vi nghiên cứu trên, luận văn được bố cục thành 4 chương gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện liên kết và công nghệ FACTS

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM

Chương 3: Tìm hiểu chức năng phần mềm CONUS tính toán, phân tích ổn

định hệ thống điện

Chương 4: Tính toán, phân tích ổn định hệ thống điện Việt Nam năm 2015 có

ứng dụng thiết bị STATCOM

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT

VÀ CÔNG NGHỆ FACTS

1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ SỰ HÌNH THÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT

1.1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống điện

Hệ thống điện trên thế giới được hình thành và phát triển cùng với sự phát triển kinh tế Một nền kinh tế phát triển năng động cần phải có một hệ thống năng lượng đủ lớn để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng và phát triển kinh tế Trong hệ thống năng lượng thì điện năng đóng một vai trò quan trọng Nó là một dạng năng lượng trung gian để chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, quang năng, hóa năng, cơ năng Xu hướng phát triển của hệ thống điện không chỉ trải rộng trên lãnh thổ mà còn liên kết giữa các vùng, miền, nước và giữa các khu vực Hình thành các hệ thống điện đa quốc gia truyền tải luồng công suất lớn để đảm bảo

sự phát triển kinh tế - xã hội một cách hợp tác, các bên tham gia đều có lợi Trên thế giới hiện nay xuất hiện nhiều hệ thống điện liên kết do đó vấn đề ổn định hệ thống khi truyền tải công suất lớn là một vấn đề được đặt ra cho rất nhiều nhà nghiên cứu, các kĩ sư điện trên toàn thế giới Họ đã không ngừng phát triển các lý thuyết ổn định kinh điển để áp dụng cho hệ thống điện liên kết hiện đại – nơi là tập hợp của rất nhiều nguồn đa dạng, lưới điện phức tạp và yêu cầu cao của chất lượng điện năng

1.1.2 Sự hình thành hệ thống điện liên kết

Vốn đầu tư cho xây dựng hệ thống truyền tải điện là rất lớn và hệ thống điện truyền tải ngày nay ngày càng áp dụng nhiều công nghệ mới như công nghệ điện tử công suất, công nghệ vật liệu mới, công nghệ siêu dẫn, công nghệ thông tin, công nghệ viễn thông Vì vậy hệ thống điện truyền tải phải được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn nhất định để có thể kết nối giữa các khu vực, quốc gia Tuy nhiên vẫn còn

đó những đường dây truyền tải kém chất lượng thường xuyên làm việc quá tải trong giờ cao điểm hoặc xác xuất sự cố lớn dẫn tới độ tin cậy cung cấp điện thấp Xu hướng phát triển của hệ thống điện truyền tải hiện nay là vừa phát triển hệ thống lưới truyền tải mới vừa ứng dụng công nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt để

giảm vốn đầu tư, tăng hiệu quả làm việc của hệ thống điện trong các giờ cao điểm

FACTS (Flexible AC Transmission System - hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt) là tên gọi chung của một loại thiết bị giờ đây đã trở thành quen thuộc đối với ngành truyền tải điện trên thế giới, vì đó là phương tiện linh hoạt để củng cố những vùng yếu của lưới điện Các thiết bị này hoàn toàn đáp ứng yêu cầu hiện nay như bù công suất phản kháng, ổn định điện áp, điều chỉnh điện, ổn định quá trình quá độ Nhiều công ty điện lực tuy gặp những vấn đề về lưới điện nhưng lại rất khó khăn khi tiến hành những công trình lớn nhằm cải thiện lưới truyền tải của họ Xây dựng đường dây mới mất nhiều thời gian, đã vậy ở nhiều nước những dự án này thường vấp phải sự phản đối mãnh liệt của người dân địa phương do những dự án này chiếm một hành lang an toàn lưới điện khá lớn, vấn đề về từ trường xung quanh khu vực có đường dây truyền tải đi qua tiếp theo đó, lại còn vấn đề chi phí của dự

án Những công ty điện lực hoạt động trên thị trường phi điều tiết chịu sức ép ghê gớm buộc họ phải duy trì chi phí bảo dưỡng ở mức càng thấp càng tốt, xây dựng đường dây mới rõ ràng là phương án tốn kém Đối với các công ty điện lực, cải thiện lưới điện mà chỉ đơn thuần dựa vào việc tăng công suất nguồn hoặc củng cố đường dây truyền tải giờ đây không còn khả thi nữa Các đơn vị vận hành lưới truyền tải một khi không có quyền điều khiển công suất nguồn, lại ít tự do hơn trong việc điều hành cơ sở hạ tầng truyền tải, đương nhiên là họ sẽ phải tìm đến những công nghệ tiên tiến hơn để giải quyết các vấn đề về lưới điện Vì vậy, STATCOM (STATic synchronous COMpensator), cũng như các thiết bị FACTS khác, giờ đây thu hút sự quan tâm của các công ty điện lực đang khát khao tìm tòi những giải pháp hợp với túi tiền hơn cho các vấn đề về lưới điện

Một khía cạnh khác, như là việc xây dựng thêm nguồn điện và hệ thống lưới điện truyền tải đồng bộ sẽ làm cho vận hành trở nên phức tạp, chí phí lớn hơn Và

hệ thống có thể trở nên ít an toàn hơn trong thời kỳ thiếu điện Việc truyền tải một trào lưu công suất lớn, sự tăng nhanh của công suất phản kháng trong một phần của

hệ thống điện có thể gây nên dao động công suất làm tan rã hệ thống

Hệ thống điện ngày nay mở rộng hơn và được điều khiển linh hoạt hơn Ở đó

có sử dụng rộng rãi kỹ thuật vi xử lý, máy tính điều khiển và thiết bị kết nối, truyền thông tốc độ cao cho điều khiển, tự động hóa và bảo vệ hệ thống điện Tuy nhiên khi những tín hiệu điều khiển được gửi tới mạch điện nơi mà thiết bị điều khiển cuối cùng là các thiết bị đóng cắt bằng hệ thống cơ khí Thì vấn đề đặt ra là với điều khiển thiết bị cơ khí là không thể được làm việc thường xuyên bởi vì các thiết bị này có xu hướng trở nên kém hiệu quả rất nhanh so với điều khiển các thiết bị tĩnh

Vì thế, việc phát triển các thiết bị tĩnh điều khiển linh hoạt là một hướng phát triển trong lĩnh vực truyền tải điện

1.2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1 Các nguyên lý điều khiển sử dụng trong thiết bị điều khiển FACTS

Nguyên lí chung của các thiết bị FACTS là tạo ra nguồn công suất phản kháng

có thể điều chỉnh nhanh, liên tục (thay đổi trơn) trong phạm vi đủ rộng Nếu nối vào nút nó có thể thay đổi cân bằng CSPK nút, thực hiện điều khiển nhanh điện áp Nếu nối nói tiếp vào nhánh (đường dây) nó cho phép bù dọc điện áp (cả mô đun và góc pha) tương đương điều khiển nhanh thông số điện kháng Có thể chia các thiết bị điều khiển FACTS làm 4 loại sau:

- Thiết bị điều khiển dọc (nối tiếp)

- Thiết bị điều khiển ngang (song song)

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp

- Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-song song

• Thiết bị điều khiển nối tiếp (hình 1.1): Thiết bị điều khiển nối tiếp có thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện, hoặc 1 nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp đưa vào 1 điện áp nối tiếp với đường dây Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1.1 Bộ điều khiển nối tiếp

• Thiết bị điều khiển song song (hình 1.2): Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị điều khiển song song có thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết hợp các thiết bị này Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêm vào đường dây 1 nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào Giống như thiết bị điều khiển nối tiếp, với điều kiện là dòng điện vuông pha với

điện áp pha, thiết bị điều khiển song song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Bất kỳ mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng

Hình 1.2 Bộ điều khiển song song

• Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- nối tiếp (hình 1.3): có thể là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ thống nhiều đường dây truyền tải Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù công suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây nhưng cũng truyền công suất tác dụng giữa các đường dây qua đường truyền công suất Khả năng truyền công suất tác dụng của bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cân bằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóa khả năng sử dụng của đường dây Cụm từ

“kết hợp” (unified) ở đây nghĩa là các đầu dc của tất cả các bộ chuyển đổi của bộ điều khiển đều được nối với nhau để truyền tải công suất tác dụng

Hình 1.3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

• Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp- song song (hình 1.4): là sự kết hợp của các bộ điều khiển nối tiếp và song song, được điều khiển theo 1 cách thức phối hợp

Về nguyên lý, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ phần tử song song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các bộ điều khiển nối tiếp

và song song được kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và song song thông qua đường dẫn công suất

Hình 1.4 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp - song song

1.2.2 Các thiết bị FACTS cơ bản trong hệ thống điện

1.2.2.1 Bộ điều khiển song song (Bộ điều khiển ngang)

a SVC (Static Var Compensator) - Bộ bù tĩnh: là 1 máy phát hoặc bộ tiêu thụ điện tĩnh có thể thay đổi được, nối song song, mà công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung, để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

Hình 1.5 Cấu tạo chung của SVC

Đây là một thuật ngữ nói chung để chỉ các bộ (reactor hoặc capacitor) đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor (hình 1.5) SVC dựa trên thyristor không có cổng turn-off Nó bao gồm các thiết bị riêng lẻ cho mục đích thay đổi pha nhanh hơn hoặc chậm hơn, điện kháng được đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor dùng để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng mở bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng

Trong trường hợp chung, SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor)

TCR (Thyristor Controlled Reactor) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor: là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor (thiết bị kháng có tham

số được điều chỉnh trơn)

TCR là 1 tập con của SVC mà thời gian dẫn dòng, kéo theo dòng điện, trong cuộn kháng ngang, được điều khiển bằng khóa xoay chiều dựa trên thyristor có điều khiển góc đánh lửa (góc mở)

TSR (Thyristor Switched Reactor) – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor: là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, nối song song, mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

TSR được tạo ra từ các cuộn kháng mắc song song, có thể đóng và cắt bằng thyristor mà không điều khiển góc đánh lửa nhằm đạt được sự thay đổi dạng bậc thang trong công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống Việc sử dụng các khóa thyristor mà không điều khiển góc mở làm cho chi phí và tổn thất thấp, nhưng

không điều chỉnh trơn được

TSC (Thyristor Switched Capacitor) – Tụ đóng cắt bằng thyristor: là 1 tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách thay đổi độ dẫn dòng hoặc là không dẫn, hoặc là dẫn dòng hoàn toàn của van thyristor

TSC có các khóa xoay chiều dựa trên thyristor được sử dụng để đóng hoặc cắt (không điều chỉnh góc đánh lửa) cả bộ tụ song song, nhằm đạt được sự thay đổi bậc theo yêu cầu trong công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống Không giống như

bộ kháng ngang, bộ tụ ngang không thể đóng mở liên tục bằng cách điều khiển góc đánh lửa

Phối hợp 3 loại phần tử trên cho phép chế tạo được những kháng bù ngang thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi đủ rộng (dấu âm

và dương) với giá thành hạ

Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Ổn định điện áp trong những hệ thống khó điều chỉnh (có đường dây siêu cao áp, phụ tải lớn thay đổi), nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao đáng kể

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

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

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

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

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

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

b STATCOM (STATic synchronous COMpensator)- Bộ bù đồng bộ tĩnh: được định nghĩa là một máy phát đồng bộ tĩnh hoạt động như 1 bộ bù tĩnh mắc song song, dòng điện cảm hoặc dung có thể được điều khiển độc lập đối với điện áp hệ thống

Hình 1.6 Cấu tạo của STATCOM

STATCOM là một trong những loại bộ điều khiển FACTS quan trọng Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc nguồn dòng Xét về phương diện chi phí, bộ chuyển đổi điện nguồn áp được ưa chuộng hơn, và được nhắc đến nhiều hơn trong các bộ điều khiển FACTS vì lí do kinh tế

Với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ phù hợp cho dòng công suất phản kháng theo yêu cầu tương ứng với điện áp nút bất kỳ nào đó, điện áp tụ điện 1 chiều sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho bộ chuyển đổi điện STATCOM có thể được thiết kế để cũng hoạt động được như 1 bộ lọc để lọc các sóng hài

STATCOM được định nghĩa ở trên là theo IEEE, là 1 tập hợp các bộ điều khiển nối song song bao gồm cả các nguồn công suất tác dụng hoặc nguồn dự trữ ở bên phía 1 chiều sao cho dòng điện bơm vào có thể chứa công suất tác dụng Những bộ điều khiển như vậy bao gồm:

SSG (Static Synchronous Generator) – Máy phát đồng bộ tĩnh: bộ chuyển đổi công suất có khóa tự đảo mạch tĩnh được cung cấp từ 1 nguồn năng lượng phù hợp

và hoạt động để sinh ra 1 tập hợp các điện áp đầu ra nhiều pha có thể điều chỉnh được, kết hợp cùng hệ thống điện xoay chiều cho mục đích trao đổi công suất tác dụng và phản kháng một cách độc lập

Rõ ràng là SSG là sự kết hợp của STATCOM và 1 nguồn năng

lượng nào đó để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất Nói chung SSG

được liên kết với bất kỳ một nguồn năng lượng nào đó bao gồm

battery, tụ điện 1 chiều công suất lớn, các bộ đổi điện, chỉnh lưu

khác, Người ta thường dùng giao diện điện tử hay còn gọi là

“chopper” (cái ngắt điện) đặt giữa nguồn năng lượng và bộ chuyển

đổi điện Đối với bộ chuyển đổi điện nguồn áp, nguồn năng lượng

nạp điện cho tụ thông qua giao diện điện tử này và duy trì điện áp

tụ điện theo yêu cầu

Trong định nghĩa SSG cũng bao gồm BESS (Hệ thống dự trữ

năng lượng Battery), được định nghĩa như sau:

BESS (Battery Energy Storage System) - Hệ thống dự trữ năng lượng acquy: Một hệ thống dự trữ năng lượng hóa học sử dụng bộ chuyển đổi điện nguồn áp, nối song song có khả năng điều chỉnh nhanh chóng lượng điện năng cung cấp hoặc tiêu thụ từ hệ thống

Đối với ứng dụng truyền tải, kích cỡ của bộ dự trữ của BESS có xu hướng nhỏ (hàng chục MWh) và nếu như công suất bộ chuyển đổi điện đủ lớn, nó có thể phân phối công suất tác dụng với tỉ lệ MW/MWh cho ổn định quá độ Bộ chuyển đổi điện

có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng trong khả năng dung lượng MVA của bộ chuyển đổi điện Khi không cung cấp công suất tác dụng cho hệ thống, bộ chuyển đổi điện thường được sử dụng để nạp pin ở 1 tốc độ có thể chấp nhận được Ngoài ra còn có một hệ thống con khác của SSG, phù hợp cho các ứng dụng truyền tải, là Dự trữ năng lượng từ siêu dẫn SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), được định nghĩa bởi IEEE như sau:

SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage)- Bộ dự trữ năng lượng từ siêu dẫn: là 1 thiết bị dự trữ năng lượng điện từ siêu dẫn có chứa các bộ chuyển đổi điện điện tử, có khả năng bơm vào hoặc tiêu thụ công suất tác dụng, phản kháng một cách nhanh chóng hoặc điều khiển động dòng công suất trong hệ thống điện xoay chiều

Vì dòng điện 1 chiều trong magnet không thay đổi nhanh chóng, năng lượng đầu vào hoặc đầu ra của magnet được thay đổi nhờ việc điều khiển điện áp 2 đầu magnet với giao diện điện tử để nối với STATCOM

Các chức năng chính 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 các chức năng sau:

Hình 1.7 BESS

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM để ổn định điện áp, nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại nút được bù

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

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

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

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

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

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

Ngoài ra STATCOM còn có các đặc điểm nổi trội so với SVC là:

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

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

- Ngoài ra khi trang bị thêm nguồn công suất tác dụng hoặc các thiết bị dự trữ năng lượng ở phía 1 chiều, STATCOM có thể trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng với hệ thống, do đó nâng cao khả năng ổn định động và chống dao động công suất

Những khái niệm khác của bộ điều khiển theo IEEE bao gồm:

SVG (Static Var Generator or Absorber) - bộ tiêu thụ hoặc máy phát tĩnh: là một thiết bị hoặc hệ thống điện, có khả năng lấy ra dòng điện dung hoặc cảm từ hệ thống điện và do đó phát hay tiêu thụ công suất phản kháng Nó thường chứa TCR và/hoặc TSC

SVG, theo định nghĩa của IEEE, thì đơn giản là 1 nguồn công suất phản kháng

mà, nếu điều khiển phù hợp, có thể chuyển đổi thành bộ bù ngang công suất phản kháng theo một mục đích cụ thể nào đó hoặc đa mục đích Vì thế cả SVC và STATCOM đều là các máy phát tĩnh được trang bị vòng điều khiển phù hợp để thay đổi đầu ra đáp ứng đối tượng bù cụ thể

SVS (Static Var System) – hệ thống thay đổi tĩnh: là sự kết hợp của các bộ bù có thể thay đổi có khóa đóng mở cơ khí tĩnh khác nhau và đầu ra được phối hợp

TCBR (Thyristor Controlled Braking Resistor) – điện trở hãm điều khiển bằng thyristor): là điện trở đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, có thể được điều

khiển để giúp ổn định của hệ thống điện hoặc làm giảm gia

tốc năng lượng của khối phát điện trong lúc có nhiễu

TCBR liên quan đến việc đóng mở theo từng chu kỳ của

điện trở (thường là điện trở tuyến tính) với 1 thiết bị đóng

cắt xoay chiều dựa trên thyristor và không điều khiển góc

đánh lửa Để chi phí thấp hơn,(Hình 1.8: TCBR) TCBR có

thể là các thyristor không có điều khiển góc đánh lửa, tuy

nhiên với việc điều khiển góc đánh lửa theo từng nửa chu

kỳ có thể làm giảm dao động tấn số thấp một cách có lựa

chọn

1.2.2.2 Bộ điều khiển nối tiếp (Bộ điều khiển dọc)

a SSSC (Static Synchronous Series Compensator) – Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh:

là một máy phát đồng bộ không có nguồn năng lượng điện bên ngoài, hoạt động như một thiết bị bù nối tiếp mà điện áp đầu ra có thể điều khiển độc lập và vuông pha với dòng điện trên đường dây nhằm mục đích tăng hoặc giảm điện áp dung kháng rơi trên đường dây và vì thế điều khiển công suất truyền tải SSSC có thể chứa bộ dự trữ năng lượng hoặc các thiết bị tiêu thụ năng lượng nhằm tăng cường khả năng ổn định động của hệ thống điện bằng cách bù thêm công suất tác dụng tức thời, để tăng hoặc giảm điện áp rơi trên đường dây

Hình 1.9 SSSC dựa trên bộ biến đổi nguồn áp và SSSC có nguồn dự trữ

SSSC là một trong những bộ điều khiển FACTS quan trọng nhất Nó giống như STATCOM, nhưng khác là điện áp đầu ra ac nối tiếp với đường dây Nó có thể dựa trên bộ chuyển đổi điện nguồn áp hoặc bộ chuyển đổi điện nguồn dòng Thường điện áp nối tiếp đưa thêm vào là khá nhỏ so với điện áp đường dây, và cách điện đối với đất khá lớn Với cách điện phù hợp giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến

áp, các thiết bị chuyển đổi được đặt ở điện thế mặt đất trừ khi các thiết bị này được đặt trên mặt phẳng được cách điện với đất Tỷ số máy biến áp được biến đổi sao cho

Hình 1.8 TCBR

thiết kế bộ chuyển đổi điện kinh tế nhất Vì không có nguồn điện thêm ở ngoài, SSSC chỉ có thể đưa thêm vào 1 điện áp rơi thay đổi nhanh pha hơn hoặc chậm pha hơn so với dòng điện 1 góc 90 độ Cuộn sơ cấp của biến áp và do đó cả cuộn thứ cấp cũng như bộ chuyển đổi phải mang được dòng điện trên đường dây khi đầy tải,

kể cả dòng làm việc khi sự cố, trừ khi bộ chuyển đổi được đi vòng qua một cách tạm thời trong khi có sự cố nghiêm trọng

Bộ dự trữ điện hoặc dự trữ từ siêu dẫn cũng có thể được nối với bộ điều khiển nối tiếp để đưa thêm vector điện áp với các góc pha khác nhau vào nối tiếp với đường dây

Chức năng chính của SSSC là:

- Điều chỉnh dòng điện

- Giới hạn dòng điện sự cố

- Giảm dao động công suất

- Nâng cao ổn định động và ổn định quá độ

- Ổn định điện áp

IPFC(Interline Power Flow Controller) – bộ điều khiển dòng công suất liên đường dây: đây là khái niệm mới được đưa ra, do đó chưa có định nghĩa theo IEEE Một định nghĩa có thể chấp nhận được như sau: IPFC là sự kết hợp của 2 hay nhiều SSSC, liên kết với nhau thông qua 1 dây dẫn 1 chiều chung để trao đổi dòng công suất tác dụng theo cả 2 chiều giữa các đầu ra của SSSCs, và được điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng cho sự điều chỉnh của dòng công suất tác dụng trên mỗi đường dây và duy trì phân phối dòng công suất phản kháng theo yêu cầu giữa các đường dây Cấu trúc của IPFC có thể bao gồm 1 STATCOM, kết hợp với 1 dây dc chung của IPFC, để cung cấp bù công suất phản kháng ngang và cung cấp hay tiêu thụ lượng công suất tác dụng thiếu hụt của các bộ SSSC

b TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) – Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung kháng, có chứa 1 bộ các tụ điện nối tiếp và bộ này song song với kháng điện điều khiển bằng thyristor (TCR) nhằm cung cấp điện dung có thể điều chỉnh trơn

TCSC dựa trên thyristor không có khả năng gate turn-off Nó là 1 sự lựa chọn khác cho SSSC và cũng giống như SSSC, nó là 1 thiết bị FACTS quan trọng Một kháng điện có thể thay đổi điện kháng như TCR được nối song song với bộ tụ Khi góc đánh lửa của TCR là 180 o , kháng điện sẽ không dẫn điện nữa và khi đó bộ tụ có điện kháng bình thường của nó Khi góc đánh lửa thay đổi từ 180 0 về nhỏ hơn 180 0 , điện kháng dung sẽ tăng lên Khi góc đánh lửa là 90 0 , kháng điện trở nên dẫn điện

hoàn toàn, điện kháng tổng sẽ mang tính chất cảm, bởi vì điện kháng của kháng điện được thiết kế nhỏ hơn nhiều so với điện kháng của bộ tụ.Với góc đánh lửa là

90 0 , TCSC có thể hạn chế dòng sự cố TCSC có thể là một khối lớn, đơn lẻ hoặc chứa vài tụ điện kích cỡ bằng hoặc khác nhau để có thể hoạt động mang lại hiệu quả tốt hơn

c TSSC (Thyristor- Switched Series Capacitor) - Tụ điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor: là 1 bộ bù điện kháng mang tính chất dung chứa bộ tụ nối tiếp và bộ tụ này song song với 1 điện kháng đóng mở bằng thyristor để cung cấp sự điều khiển theo bậc cho điện kháng

Thay vì điều khiển trơn dung kháng, điện kháng của kháng điện khi góc đánh lửa

là 0 0 hoặc 90 0 (không điều chỉnh góc đánh lửa) có thể làm giảm chi phí và tổn thất cho bộ điều khiển Rất hợp lý khi sắp xếp một trong các module có điều khiển thyristor, trong khi các module khác thì chỉ đóng cắt thyristor

Hình 1.10 Cấu tạo chung của TCSC và TSSC

d TCSR (Thyristor- Controlled Series Reactor) – Điện kháng nối tiếp điều khiển bằng thyristor: là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng điều khiển bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng 1 cách liên tục

Khi góc đánh lửa của TCR là 90 0 , nó sẽ không dẫn điện, điện kháng không được điều khiển sẽ hoạt động như 1 bộ hạn chế dòng sự cố Khi góc đánh lửa giảm xuống dưới 90 0 , điện kháng tổng sẽ giảm cho đến khi góc đánh lửa là 0 0 , điện kháng tổng

là 2 điện kháng song song với nhau Cũng giống như TCSC, TCSR có thể là một khối lớn riêng lẻ hoặc một vài khối nhỏ hơn

e TSSR (Thyristor- Switched Series Reactor) – kháng điện nối tiếp đóng mở bằng thyristor): là 1 bộ bù cảm kháng có chứa bộ các kháng nối tiếp và mắc song song với điện kháng đóng cắt bằng thyristor nhằm điều chỉnh cảm kháng theo bậc

Giống như TCSR, nhưng khóa thyristor chỉ đóng hoặc cắt (không có điều khiển góc đánh lửa)

Hình 1.11 Cấu tạo chung của TCSR và TSSR

Các bộ điều khiển nối tiếp nói chung có các chức năng tương tự nhau, tuy nhiên mức độ điều khiển và điều chỉnh điện áp, dòng công suất, ổn định động, ổn định tĩnh là khác nhau tùy thuộc vào từng loại bộ điều khiển khác nhau Các chức năng chính đó là:

- Điều chỉnh dòng điện

- Giới hạn dòng điện sự cố

- Giảm dao động công suất

- Nâng cao ổn định động và ổn định quá độ

- Ổn định điện áp

1.2.2.3 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp- song song

a UPFC (Unified Power Flow Controller) - là sự kết hợp của STATCOM và SSSC thông qua 1 dây dẫn dc chung, cho phép dòng công suất tác dụng theo cả 2 chiều giữa các đầu ra nối tiếp của SSSC và các đầu ra song song của STATCOM,

và được điều khiển để cung cấp bù công suất phản kháng và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài UPFC, bằng cách đưa thêm vào điện áp nối tiếp một cách tự nhiên, có khả năng điều khiển, đồng thời hoặc có lựa chọn, điện áp đường dây truyền tải, điện kháng, góc pha, hoặc dòng công suất tác dụng, phản kháng chạy trên đường dây UPFC có thể cung cấp bù phản kháng ngang có điều khiển một cách độc lập

Hình 1.12 Cấu tạo chung của UPFC

Trong UPFC bao gồm STATCOM và 1 SSSC, công suất tác dụng cho khối nối tiếp (SSSC) đạt được từ chính đường dây thông qua khối song song STATCOM SSSC cũng được dùng để điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh công suất phản kháng Đây là bộ điều khiển đầy đủ, có thể điều chỉnh được cả dòng công suất phản kháng và tác dụng, cũng như điện áp đường dây

Bộ dự trữ bổ sung như từ dẫn điện được nối với dây dc thông qua giao diện điện

tử sẽ cung cấp cách thức để tăng cường thêm hiệu quả của UPFC Như đã nhắc đến trong các phần trên, sự trao đổi dòng công suất tác dụng có điều khiển với nguồn bên ngoài, chẳng hạn như bộ dự trữ, hiệu quả hơn rất nhiều trong việc điều khiển động hệ thống hơn là chỉ điều biến sự trao đổi công suất trong cùng 1 hệ thống

Về chức năng, UPFC có các chức năng của STATCOM và SSSC, đó là:

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

- Tăng cường tính ổn định tĩnh và ổn định động của HTĐ

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ

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

b TCPST (Thyristor- Controlled Phase Shifting Transformer)- biến áp dịch chuyển pha điều khiển bằng thyristor: là 1 biến áp dịch pha được điều chỉnh bằng khóa thyristor để thay đổi góc pha một cách nhanh chóng

Hình 1.13 Cấu tạo chung của TCPST

Nói chung, dịch pha đạt được bằng cách thêm vector điện áp vuông góc nối tiếp với pha Vector này lấy từ 2 pha còn lại thông qua biến áp mắc ngang Điện áp nối tiếp vuông pha được tạo ra có thể thay đổi bằng rất nhiều loại cấu trúc điện tử công suất Bộ điều khiển này còn được gọi là TCPAR (Thyristor- Controlled Phase Angle Regulator)

TCPST có các chức năng giống như các bộ điều khiển FACTS khác, tuy nhiên, chức năng chính của nó là điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây,

và nó có khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao

1.2.2.4 Các bộ điều khiển khác

a TCVL (Thyristor- Controlled Voltage Limiter) – Bộ

giới hạn điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là một biến

trở oxit kim loại (MOV) được sử dụng để giới hạn điện áp

2 đầu trong quá trình quá độ

Khóa đóng mở thyristor có thể được nối nối tiếp với

chống sét van không khe hở, hoặc như trên hình 1.14, một

phần của chống sét van không có khe hở (10-20%) có thể

được nối vòng qua 1 khóa thyristor để làm giảm mức độ giới hạn điện áp Nói chung, MOV có ý nghĩa quan trọng hơn so với chống sét van Hình 1.14: TCVL thông thường, mục đích để TCVL có thể ngăn cản quá điện áp động, nếu không có

sự ngăn cản này thì quá điện áp động có thể diễn ra trong hàng chục chu kỳ

b TCVR (Thyristor- Controlled Voltage Regulator) – bộ điều chỉnh điện áp điều chỉnh bằng thyristor: là 1 biến áp có thể cung cấp điện áp cùng pha với khả năng điều chỉnh trơn

Cho mục đích thực tế, thiết bị này có thể là biến áp thông thường với đầu điều chỉnh điều khiển bằng thyristor hoặc với bộ chuyển đổi điện điện áp xoay chiều sang xoay chiều điều khiển bằng thyristor để đưa thêm vào điện áp xoay chiều thay đổi được của cùng 1 phase nối tiếp với đường dây

Hình 1.15 TCVR loại dựa trên đầu phân áp và loại dựa trên sự đưa thêm điện áp

vào đường dây

Và qua đó, ta thấy được rằng các ứng dụng của FACTS có thể được tổng kết như bảng sau :

Hình 1.14 TCVL

Static Var

Compensator (SVC)

Static Synchronous

Compensator (STATCOM)

Thyristor Controlled

Series Compensator (TCSC)

Dynamic Flow

Controller (DFC)

Van Thyristor

Voltage Source Convert VSC

THIẾT BỊ FACTS

Mắc nối tiếp

Mắc song song

Mắc hỗn hợp

Hình 1.16 Tổng kết các thiết bị FACTS

1.2.3 Các lợi ích và ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS:

Mỗi loại thiết bị FACTS có chức năng và mang lại các hiệu quả khác nhau, nhưng các lợi ích cơ bản mà các thiết bị bù có điều khiển mang lại như sau:

- Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

- Tăng khả năng tải của đường dây tới khả năng chịu nhiệt của nó, kể cả ngắn hạn hoặc theo mùa Điều này có thể thực hiện được bằng cách vượt qua các giới hạn khác, và phân chia công suất giữa các đường dây theo khả năng tải của chúng Cũng cần chú ý rằng khả năng chịu nhiệt của đường dây thay đổi trong khoảng rộng tùy thuộc vào điều kiện môi trường và lịch sử mang tải

- Nâng cao độ an toàn của hệ thống nhờ việc tăng giới hạn ổn định quá độ, hạn chế dòng ngắn mạch và quá tải, giảm bớt số lần mất điện và cản dao động điện cơ của hệ thống điện và thiết bị, động cơ

- Tạo mối quan hệ chặt chẽ hơn giữa các công ty và các vùng lân cận vì thế giảm yêu cầu ngược về phát điện tổng cho cả 2 phía

- Tạo ra khả năng linh hoạt hơn cho việc đặt thêm các nhà máy mới

- Nâng cấp đường dây

- Giảm dòng công suất phản kháng, do đó cho phép đường dây mang được công suất tác dụng lớn hơn

- Tăng khả năng sử dụng cho nhà máy có chi phí phát thấp nhất

TCR

Các lợi ích này có sự xếp chồng lên nhau Trong thực tế, mỗi loại thiết bị FACTS

sẽ mang 1 hoặc 2 chức năng chính trên

Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có đặc điểm chung là nâng cao độ tin cậy trong vận hành HTĐ Tuy nhiên mỗi loại có sự khác biệt Tùy theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể như yêu cầu điều chỉnh điện

áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây, tùy vào chế độ vận hành mà ta lựa chọn các thiết bị một cách hợp lý

Sau đây là bảng tổng kết so sánh các chức năng của một số thiết bị FACTS

Bảng 1.1: So sánh hiệu quả điều khiển của một số thiết bị FACTS

Ổn định quá độ

Ổn định động

Chống dao động công suất

- Các ứng dụng trạng thái xác lập và trạng thái động của FACTS:

Bảng 1.2 mô tả các ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào các vấn đề về giới hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các dòng công suất vòng, mức ngắn mạch và cộng hưởng đồng bộ

Bảng 1.3 mô tả các ứng dụng động trong việc giải quyết các vấn đề về ổn định quá độ, ổn định và điều khiển điện áp sau sự cố ngẫu nhiên Trong các tình huống

sự cố lớn có thể gây mất ổn định động thì cần đến các thiết bị FACTS Các giải pháp truyền thống thường rẻ hơn so với thiết bị FACTS nhưng bị giới hạn trong các ứng dụng ổn định động

Bảng 1.2: Các ứng dụng trạng thái xác lập của FACTS

nhân

Giải pháp phục hồi Giải pháp truyền thống

Thiết bị FACTS Các giới

hạn điện

áp

Điện áp thấp

ở mức phụ tải cao

Cung cấp công suất phản kháng Tụ rẽ nhánh, tụ nối tiếp

SVC,TCSC STATCOM

Điện áp cao

ở mức phụ tải thấp

Cung cấp công suất phản kháng

Đóng cắt đường dây EHV và/hoặc tụ rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM

Hấp thụ công suất phản kháng

Chuyển mạch tụ mạch

rẽ, thiết bị phản kháng rẽ

nhánh

SVC,TCSC STATCOM Điện áp cao

kéo theo mất điện

Hấp thụ công suất phản kháng

Bổ sung thiết bị phản kháng, mắc rẽ nhánh

SVC,TCSC STATCOM

Điện áp thấp

và quá tải

Cung cấp công suất phản kháng

Chuyển mạch tụ, thiết bị kháng rẽ nhánh, tụ nối

tiếp

SVC STATCOM Ngăn ngừa quá

và giới hạn quá tải

Phối hợp 2 hay nhiều

thiết bị

TCSC, UPEC STATCOM, SVC

Các giới

hạn

nhiệt

Quá tải đường dây

hoặc máy

biến áp

Giảm quá tải

Bổ sung đường dây hoặc máy biến áp

TCSC,UPFC TCPAR

song song

Điều chỉnh phản kháng nối tiếp

Sắp xếp lại mạng hoặc sử dụng các “ giới hạn nhiệt”

PAR, tụ/ thiết bị phản

nối tiếp

TCSC,UPFC SVC,TCPAR

Bổ sung thiết bị phản nối tiếp, máy cắt mới

SCCl,UPFC TCSC

Cộng

hưởng

đồng bộ

Bảng 1.3: Các ứng dụng trạng thái động của FACTS

Vấn đề Loại HT Hiệu chỉnh cần thiết Giải pháp truyền thống Thiết bị FACTS

TCSC,TSSC UPFC

A, D Hấp thụ năng lượng

động năng

Điện trở hãm, mở van (tuốc bin) nhanh

TCBR,SMES BESS

B, C, D Điều khiển luồng tải

dộng tần số thấp

Thiết bị ổn định hệ thống điện (PSS)

SVC,TCPAR,UP

FC, NGH,TCSC STATCOM Điều

công suất trạng thái

động

AR

Hỗ trợ điện áp và điều khiển dòng công suất trạng thái động

SC

nhiên

A ,B, C,

D

Giảm tác động của hiện tượng ngẫu nhiên

Các đường dây song

song

SVC,TCSC STATCOM,UPF

khiển mạng

LTC, đóng lại, các điều khiển HVDC

UPFC, TCSC, STATCOM Chú thích:

A Máy phát điện vùng sâu, vùng xa – Các đường dây hình tia (VD ở Namibia)

B Các khu vực kết nối với nhau (VD Brazil)

C Mạng kiểu lưới đan chặt (VD ở Tây Âu)

D Mạng kiểu lưới đan lỏng (VD ở Queensland, Úc)

BESS = Hệ thống tích năng lượng dạng acqui

TCPAR =Thiết bị điều chỉnh góc pha điều khiển bằng thyristor

TCSC = Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor

TCVL = thiết bị hạn chế điện áp điều khiển bằng thyristor

TSBR = Điện trở chuyển mạch bằng thyritor

TSSC = Tụ nối tiếp chuyển mạch bằng thyristor

UPFC = Thiết bị điều khiển luồng công suất hợp nhất

1.3 KẾT LUẬN

Sự ra đời và phát triển của kỹ thuật điện tử công suất lớn làm cho công nghệ FACTS phát triển rực rỡ những năm đầu của thế kỷ XXI Trên thế giới, công nghệ FACTS đã xuất hiện vào cuối những năm 80 của thế kỹ XX và có bước đột phá mạnh trong những năm cuối của thế kỷ XX Hàng loạt các công trình nghiên cứu

về các ứng dụng của các thiết bị FACTS trên các hệ thống điện của các nước và đã mang lại hiệu quả lớn Ngày nay, công nghệ FACTS vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện liên kết giữa các khu vực, các quốc gia

Ở Việt Nam, đã có nhiều công trình nghiên cứu về các thiết bị bù ngang SVC (Static Var Compensator), bù dọc TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

tuy nhiên việc ứng dụng các thiết bị này vào trong hệ thống điện Việt Nam còn hạn chế Những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ PLC (Programmable Logic Control), vi xử lý mà kỹ thuật điều khiển các phần tử điện

tử công suất lớn trở nên đơn giản hơn Do đó khó khăn về điều khiển, vận hành các thiết bị FACTS phần nào được cải thiện làm cho chi phí của các thiết bị FACTS giảm đi nhiều Chính vì thế công nghệ FACTS còn được phát triển mạnh trong những thập niên tới

Việc nghiên cứu thêm các thiết bị khác trong họ FACTS là rất cần thiết theo yêu cầu phát triển của hệ thống điện Trong đó, STATCOM (STATic synchronous COMpenstor) là một thiết bị được sử dụng khá rộng rãi trong hệ thống điện các nước trên thế giới Do đó, đề tài chỉ tập trung vào nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như hiệu quả của STATCOM trong nâng cao ổn định hệ thống điện

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

CỦA STATCOM

Chương 1 chúng ta đã cùng nhau phân tích để thấy được tổng quan về sự hình thành, phát triển và ứng dụng của các thiết bị công nghệ FACTS Sang chương này, chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu STATCOM

STATCOM (Static Synchronous Compensator) là bộ bù đồng bộ tĩnh – một

trong những thiết bị điều khiển cơ bản nhất của FACTS Thiết bị này được định nghĩa là một máy phát đồng bộ tĩnh hoạt động như một bộ bù tĩnh mắc song song, dòng điện cảm hoặc điện dung có thể được điều khiển độc lập với điện áp hệ thống

Nó được hoạt động dựa trên bộ biến đổi nguồn áp

Trước hết ta tìm hiểu sơ bộ về các phần tử bán dẫn cơ bản được sử dụng trong

bộ biến đổi nguồn áp

2.1.1 Đi-ốt

Hình 2.1 thể hiện toàn bộ cấu tạo và đặc tính V-A của đi-ốt

Đi-ốt là phần tử bán dẫn được phát minh sớm nhất thuộc loại không điều khiển được Nó được biết đến như một thiết bị cho dòng điện chạy qua theo một chiều, từ anốt (A) đến katốt (K) (như hình 2.1.a)

Đặc tính Vôn-Ampe thực tế và lý tưởng như hình 2.1.b,c Nguyên lý làm việc của đi-ốt có thể được mô tả như sau: Khi điện áp đặt lên 2 cực đi-ốt từ anốt (A) đến katốt (K) U AK (U AK =U D ) với cực tính dương như hình 2.1.a thì đi-ốt bắt đầu dẫn (điện trở của đi-ốt gần bằng 0), có một điện áp nhỏ rơi trên đi-ốt Khi điện áp U AK

đổi chiều mang cực tính âm thì đi-ốt khóa cho dòng điện chạy qua bé từ anốt (A) đến katốt (K)

Cấu tạo của đi-ốt gồm 2 lớp bán dẫn loại p-n như hình 2.1.d

d)

K

-A

n p

on off

i D

D 0

c)

b) a)

Ung

Ud Ud

K A

Hình 2.1 Điốt

b) Đặc tính Vôn-Ampe thực tế d) Cấu tạo

có điều khiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi

có một điện áp kích vào chân G, Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồn Thyristor mới ngưng dẫn

2.1.3 GTO ( Gate – Turn – Off thyristor) – Thyristor có cổng điều khiển khóa

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của GTO gồm 4 lớp tiếp xúc n-p-n-p Với ba cực Anode (A), Cathode (K), và Gate (G), trong đó cực anốt và catốt được cấu tạo bởi nhiều phần tử công nghệ như những thyristor mắc song song, nhờ đó tạo khả năng ngắt từ cực điều khiển

Tính chất quan trọng nữa của GTO là tính chuyển mạch Thời gian mở của GTO cũng giống như SCR (khoảng 1s), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngưng dẫn) thì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1s ở GTO và từ 5s đến 30s ở SCR) Do đó GTO dùng như một linh kiệncó chuyển mạch nhanh GTO thường được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện thế

b) Đặ c tính Volt-Amper GTO:

Đặc tính V-A của GTO tương tự đặc tính của SCR Ở trạng thái

đóng GTO được đặc trưng bởi các thông số

c2) Quá trình ng ắ t GTO x ả y ra khá ch ậ m và bao g ồ m hai giai đ o ạ n Giai

đ o ạ n 1 dòng qua GTO gi ả m đế n 10-20% giá tr ị dòng ban đầ u Giai đ o ạ n hai dòng đ i ệ n

gi ả m khá ch ậ m, thời gian kéo dài quá trình này l ớ n h ơ n khá nhi ề u so v ớ i th ờ i gian c ủ a giai đ o ạ n 1 Dòng trên c ự c đ i ề u khi ể n ph ả i có giá tr ị âm và ph ả i có biên độ khá l ớ n

và gia t ố c ph ả i đạ t giá tr ị di/dt>20A/mks Đố i v ớ i GTO hi ệ n t ạ i biên độ dòng ng ắ t có giá tr ị b ằ ng 30% biên độ dòng anode Để gi ả m tổn hao khi đ óng ng ắ t và b ả o v ệ

GTO ng ườ i ta c ũ ng th ườ ng s ử d ụ ng m ạ ch snubber

5 Các thông s ố và tính ch ấ t c ơ b ản

- GTO có khả năngđiều khiển ngắt bằng dòng cổng Gate giá trị âm Vì vậy, GTO thích hợp cho một sốứng dụng khi yêu cầuđiều khiển cả hai quá trìnhđóng và ngắt khoá bán dẫn

-Định mức GTO : dòng vài kA, áp vài kA

- Dùng cho mạch công suất rất lớn.

6 Các tr ạ ng thái đ óng ng ắ t

GTO có 3 tr ạ ng thái:

- Tr ạ ng thái ng ắ t khi đ i ệ n áp trên c ự c anode âm so v ớ i c ự c cathode

-Trạng thái ngắt khi điện áp trên cực anode dương so với cực cathode

- Trạng thái dẫn

Hình 2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của GTO

2.2 BỘ BIẾN ĐỔI NGUỒN ÁP (Voltage-Sourced-Converter - VSC)

Trên cơ sở các bộ biến đổi AC-DC (convertor) người ta tạo ra các bộ nguồn áp (VSC) và nguồn dòng (CSC) có thể điều khiển linh hoạt Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các bộ nguồn này đều dựa trên cơ sở sử dụng thyristor có khả năng đóng cắt (ví dụ, Gate turn-off thyristor-GTO)

Như đã tổng quan trong chương 1 (hình 1.16), các bộ biến đổi nguồn là một trong những phần tử cơ bản tạo nên các thiết bị FACTS (bên cạnh nhóm thiết bị dựa trên cuộn kháng có điều khiển - TCR) Vì lý do kinh tế và khả năng thực hiện, bộ biến đổi nguồn áp được sử dụng nhiều hơn bộ biến đổi nguồn dòng Thiết bị STATCOM cũng dựa hoàn toàn trên cơ sở bộ biến đổi nguồn áp, vì thế trong phần này, luận văn tập trung nghiên cứu nguyên lí cấu tạo và hoạt động của các bộ biến đổi nguồn áp

2.2.1 Bộ biến đổi nguồn áp 1 pha

2.2.1.1 Sơ đồ 1 pha 2 mạch

Trước hết, xét hoạt động của bộ biến đổi nguồn áp 1 pha (hình 2.3), bao gồm 4 van điều khển (1-1') đến (4-4') Hai cực nguồn AC nối với mạch tại các điểm a và b Hình 2.3,b thể hiện điện áp V ab Trong nửa đầu chu kỳ các GTO 1 và 2 mở (dẫn) điện áp V ab bằng +V d , nửa chu kỳ còn lại các GTO 3 và 4 mở còn 1 và 2 đóng (mạch bị khóa) V ab bằng -V d Do điện áp V d được tụ giữ không đổi nên dạng sóng

V ab được tạo ra có dạng chữ nhật, góc pha phụ thuộc vào thời điểm đóng mở van, hoàn toàn độc lập với biên độ và góc pha của dòng điện I ab Dòng điện I ab phụ thuộc tương quan giữa các nguồn trong hệ thống DC và AC cũng như tổng trở của hệ thống xoay chiều và tụ lọc Khi hệ thống AC có công suất lớn dòng điện sẽ hầu như không phụ thuộc nguồn áp một chiều, nhất là khi tụ lọc có trị số đủ lớn Trên hình

vẽ biểu thị dạng sóng I ab là hình sin Giả thiết điều khiển van để I ab lệch pha so với điện áp V ab góc θ Chiều dương được lấy theo hướng từ AC sang DC

Hình 2.4 Bộ biến đổi nguồn áp 1 pha 2 mạch

Hoạt động của sơ đồ như sau:

- Từ t 1 đến t 2 : van 1 và 2 mở, van 3 và 4 bị khóa nên V ab dương trong khi I ab âm Dòng điện chạy qua GTO 1 đi vào hệ thống AC (qua điểm a), đi ra tại điểm b, chạy qua GTO 2 vào hệ thống DC, I d có dấu âm (chế độ phản chỉnh lưu)

- Từ t 2 đến t 3 : dòng điện I ab đổi chiều thành dương, từ hệ thống AC chạy qua diode 1' và 2' vào hệ thống DC (chế độ chỉnh lưu), I d có dấu dương Lưu ý rằng trong thời gian này mặc dù các GTO 1 và 2 vẫn dẫn, V ab vẫn bằng +V d nhưng dòng không chạy được qua các GTO 1 và 2 do ngược chiều

- Từ t 3 đến t 4 : GTO 1 và 2 đóng (bị khóa) còn 3 và 4 mở (dẫn), nút a nối với +V d

còn b nối với -V d , vì thế V ab trở thành âm (trong khi I ab vẫn dương) Dòng điện bây giờ từ hệ thống DC chạy qua các GTO 3 và 4 sang hệ thống AC (chế độ phản chỉnh lưu), dòng I d có dấu âm

- Từ t 4 đến t 5 : GTO 3 và 4 vẫn mở, còn 1 và 2 vẫn đóng, do đó V ab vẫn âm Dòng điện I ab đổi chiều thành âm, vì thế từ hệ thống AC nó chỉ có thể chạy qua các diode 3' và 4' sang DC (chế độ chỉnh lưu) Dòng I d có dấu dương

Từ t 5 quá trình lặp lại (giống như từ t 1 ) Hình 2.4,c thể hiện quan hệ góc pha giữa dòng và áp ở cửa ra của hệ thống AC Theo đó, công suất từ AC truyền sang DC với

hệ số công suất âm Thực tế, công suất hiệu dụng P có hướng từ DC sang AC

2.2.1.2 Sơ đồ 1 pha 1 mạch

Sơ đồ như trên hình 2.5 Tụ điện được chia thành 2 nửa bằng nhau nên điện áp điểm giữa N bằng 0, có thể lấy làm điểm trung tính và nối với trung tính hệ thống AC một pha Với 2 van điều khiển đóng mở, điện áp V aN được tạo ra với các trị số

±V d /2 đó là vì điểm a lần lượt được nối với +V d /2 và -V d /2 (hình 2.5,b) Với giả thiết có dòng điện xoay chiều chạy qua điểm a, nguyên lý hoạt động của bộ nguồn

áp 1 pha 1 mạch có thể giải thích hoàn toàn tương tự như sơ đồ 1 pha hai mạch Công suất hiệu dụng truyền qua cửa aN phụ thuộc vào góc pha điện áp tạo ra

Hình 2.5 Bộ biến đổi nguồn áp một pha một mạch-pha