(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu bộ điều khiển bù công suất phản kháng STACOM (static synchronous compensator) ổn định hệ thống điện

iv TÓM TẮT Nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems, đặc biệt sử dụng thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI TÂM

NGHIÊN CỨU BỘ ÐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS

COMPENSATOR) ỔN ÐỊNH HỆ THỐNG ÐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

S KC 0 0 4 8 4 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI TÂM

NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR) ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI TÂM

NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR) ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

i

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ và tên: Nguyễn Hải Tâm Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1979 Nơi sinh: Bình Thuận

Quê quán: Hòa Thắng – Bắc Bình – Bình Thuận Dân tộc: Kinh

Chỗ ở hiện nay: 10 Mậu Thân - Bình Hưng – Phan Thiết – Bình Thuận

Điện thoại cơ quan: 0623.824.745 Di động: 0985672169

Fax: 0623.835.324 Email: nhtam@btu.edu.vn

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ:

Nơi học:

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 08/2001 đến 11/2006

Nơi học: Trường Đại Học Tôn Đức Thắng

Ngành học: Điện - điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

Ngày và nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: năm 2006

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

Từ 4/2009 đến nay Trường Cao Đẳng Cộng Đồng

Bình Thuận

Giáo viên khoa Kinh tế – kỹ thuật – công nghệ

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 04 năm 2016

Người cam đoan

Nguyễn Hải Tâm

iii

CẢM TẠ

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài luận văn cao học của mình Có được thành quả này xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành

đến Thầy TS Trương Đình Nhơn, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong

suốt quá trình thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả Quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi một lượng kiến thức rất bổ ích, đặc biệt xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp này

Chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Cao đẳng nghề Bình Thuận đã tạo điều kiện để tôi tham gia và hoàn thành khóa học này

Cuối cùng, Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến ba mẹ, đồng nghiệp, bạn

bè đã giúp đỡ cho tôi rất nhiều để vượt qua khó khăn, đã tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực phấn đấu để hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 04 năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Hải Tâm

iv

TÓM TẮT

Nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), đặc biệt sử dụng thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm gia tăng độ ổn định điện áp, ổn định quá độ để đưa

hệ thống vận hành trở lại bình thường

FACTS là thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt được

sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp FACST cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới điện truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng đáp ứng nhanh hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao và các lợi ích về môi trường

Nguồn năng lượng trong tương lai ngày càng cạn kiệt Vì thế, con người cần nghiên cứu và ứng dụng nhiều nguồn năng lượng mới Gió là một trong những nguồn năng lượng vô tận, là nguồn điện cung cấp một lượng công suất phát đáng kể trong tương lai Ở Việt Nam, một số nhà máy điện gió được hình thành như nhà máy điện gió Bạc Liêu (xã Vĩnh Trạch Đông, thành phố Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu), Bình Thuận (gồm

3 nhà máy ở huyện đảo Phú Quý, Tuy Phong và Bắc Bình) Tuy nhiên, nguồn năng lượng này thường có vị trí địa hình phức tạp, phụ thuộc hoàn toàn vào thiên nhiên dẫn đến hệ thống vận hành chưa thực sự ổn định, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp khu vực và hệ thống lưới điện

Đề tài Nghiên cứu bộ điều khiển bù công suất phản kháng STATCOM (Static

Synchranous Compensator) ổn định hệ thống điện trong hệ thống thiết bị FACTS là

cần thiết, có tính thực tiễn cao, làm cơ sở tham khảo cho việc hoạch định, xây dựng các

bộ điều khiển bù công suất phản kháng kết hợp Việc nghiên cứu này với mục đích

v nhằm khai thác, phát huy đầy đủ tiềm năng điện gió, nâng cao ổn định điện áp khu vực

và hệ thống lưới điện quốc gia

vi

ABSTRACT

There are many research projects and equipment applications FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems), especially the use of playback devices reactive power source for power grids to increase voltage stability, transient stability to bring the system back to normal operation

FACTS is the control device transmission system flexible alternating current It is used to control the voltage, impedance and phase angle of the high voltage AC lines FACTS provides enhanced benefits to the management of the transmission system through better use of existing transmission grid, increases the reliability and availability to meet the rapid transmission systems, increases stability and transient stability of the grid, increases high power quality and environmental benefits which are required by industries

Nowadays, energy sources are dwindling Therefore, we need to find new energy sources, including wind energy which is an inexhaustible source of energy, a source of future power which supplies a significant amount of generation capacity In Vietnam, there were several wind power plants formed as wind power plant Bac Lieu (Vinh Trach Dong, Bac Lieu town, Bac Lieu Province), Binh Thuan (3 factories in Phu Quy, Tuy Phong and Bac Binh districts) However, this energy often occupies complex terrain locations and is completely dependent on nature It is the reason why the operating system is not really stable, fluctuations affect the voltage quality in the region and in the power system

Research topics about power compensation systems like STATCOM system (Static Compensator Synchranous) show that FACTS devices are necessary for stabilizing voltage This device is a practical reference and a basis for planning and

building of controllers reactive power compensation combined The aim is to exploit

vii and develop the full potential of wind power and improve voltage stability in the region and in the national grid system

viii

MỤC LỤC

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận của cán bộ hướng dẫn Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Tóm tắt iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bảng xiii

Chương 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và yêu cầu 3

1.2.1 Mục tiêu 3

1.2.2 Yêu cầu 4

Chương 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5

2.1 Sơ lược tình hình nghiên cứu liên quan đến FACTS 5

2.2 Nguyên lý vận hành điều khiển hệ thống điện 6

2.3 Tổng quan về ổn định điện áp 7

2.4 Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện 9

2.5 Hậu quả của việc mất ổn định điện áp 11

2.6 Tổng quan về công suất phản kháng 11

2.7 Hiệu quả về việc bù công suất phản kháng 12

ix

2.8 Các thiết bị bù công suất phản kháng 13

2.9 Giới thiệu chung về STATCOM 14

2.9.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM 15

2.9.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM 15

2.10 Đặc tuyến Q-V, ổn định quá độ và phân tích ổn định điện áp 20

2.11 Các đặc tính bù của STATCOM 23

2.12 Mô phỏng các thành phần tương đương STATCOM trong Power World Simulation 25

Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.1 Thời gian và địa điểm 27

3.2 Nội dung 27

3.2.1 Giới thiệu phần mềm PowerWorld Simulator 27

3.2.2 Hiện trạng lưới điện Bạc Liêu 28

3.2.3 Đánh giá ổn định điện áp lưới điện Bạc Liêu 32

3.2.4 Cơ sở lựa chọn vị trí đặt STATCOM lưới điện Bạc Liêu 32

3.3 Phương pháp nghiên cứu 32

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 34

4.1 Dữ liệu lưới điện khu vực Bạc Liêu 34

4.2 Dữ liệu mô phỏng lưới điện khi chưa đóng STATCOM 36

4.3 Dữ liệu mô phỏng lưới điện khi đóng STATCOM 38

4.4 Đồ thị so sánh độ dao động điện áp 41

4.5 Mô phỏng và phân tích các đặc tuyến QV 44

4.6 Phân tích mô hình khi có và không có STATCOM 46

4.7 Mô phỏng và đánh giá đặc tuyến ổn định quá độ 46

4.8 Mô phỏng và phân tích đặc tuyến ổn định quá độ khi hệ thống bị sự cố 54

4.9 Đặc tính thu và phát công suất phản kháng của STATCOM 62

x

4.10 Kết luận và nhận xét 64

Chương 5: KẾT LUẬN 66

5.1 Kết luận 66

5.2 Kiến nghị 67

PHẦN TÀI LIỆU KHAM KHẢO 69

HTĐXC Hệ thống điện xoay chiều

KNC Khu công nghiệp

TCSC Thyristor controlled series capacitor – Bộ tụ bù mắc nối tiếp

EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam

ISTA(Iq) Dòng điện STATCOM

VSTA(Vq) Điện áp STATCOM

IGBT Transistor lưỡng cực

PWM Pulse Width Modulation - Kỹ thuật điều chế chế độ xung

SVC Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor

STATCOM Static Synchranous Compensator

AVR Bộ điều chỉnh điện áp tự động

FACTS Flexible Alternating Current Transmission System - Hệ thống truyền tải

điện xoay chiều linh hoạt IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers

THD Total Harmonic Distortion

xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản; (b) giản đồ pha (c) đường

công suất – góc 6

Hình 2.2: Minh họa ổn định của hệ cơ học 8

Hình 2.3: Phân loại ổn định điện áp trong hệ thống điện 9

Hình 2.4: Sử dung STATCOM bù công suất trong trạm biến áp 14

Hình 2.5: Mô hình STATCOM 15

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM 16

Hình 2.7: Cấu trúc căn bản của bộ nghịch lưu 17

Hình 2.8: hệ thống điều khiển STATCOM 19

Hình 2.9: Đường cong Q-V phân tích ổn định điện áp 20

Hình 2.10: Đường cong Q-V phân tích ổn định điện áp trong phần mềm PowerWorld 21

Hình 2.11: Góc rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua 22

Hình 2.12: Đặc tính V-I của STATCOM 23

Hình 2.13: Đặc tính V-Q của STATCOM 25

Hình 2.14: Các thành phần cơ bản trong Power World Simulation: (a) Bus, (b) tụ điện, (c) cuộn cảm, (d) máy phát, (e) máy biến áp 26

Hình 2.15: Sơ đồ mạch tương đương của STATCOM mô phỏng trong Power World 26

Hình 3.1: Nhà máy điện gió Bạc Liêu 28

Hình 3.2: Nhà máy điện gió ở Thụy Điện có sử dụng STATCOM để ổn định điện áp khi công suất máy phát dao động 28

Hình 3.3: Mô phỏng sơ đồ đơn tuyến lưới điện điện gió Bạc Liêu trên phần mềm PowerWolrd 29

xiii

Hình 3.4: Mô hình kết nối STATCOM vào hệ thống lưới điện Bạc Liêu 30

Hình 4.1: Đồ thị dao động điện áp 43

Hình 4.2: Đặc tuyến QV của bus khi chưa có STATCOM 44

Hình 4.3: Đặc tuyến QV của bus khi đóng STATCOM 43

Hình 4.4: Dao động góc roto máy phát điện gió Bạc Liêu (50 MW) và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú 47

Hình 4.5: Điện áp phát của máy phát điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú 48

Hình 4.6: Tốc độ phát tần số (Hz) của máy phát điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú 48

Hình 4.7: Công suất phát P của máy phát điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú 49

Hình 4.8: Công suất phát Q của máy phát điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú 49

Hình 4.9: Dao động góc pha của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê 50

Hình 4.10: Dao động tần số của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê 51

Hình 4.11: Dao động điện áp của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê 51

Hình 4.12: Dao động góc pha của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê khi cắt máy biến áp STATCOM 52

Hình 4.13: Dao động tần số của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê khi cắt máy biến áp STATCOM 53

Hình 4.14: Dao động điện áp của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê khi cắt máy biến áp STATCOM 53

Hình 4.15: Dao động điện áp của nhà máy điện gió và STATCOM khi đường dây bị ngắn mạch 3 pha ở bus KCN Hưng Phú 55

Hình 4.16: Dao động điện áp của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê khi STATCOM bị ngắn mạch 3 pha 56

Hình 4.22: Công suất Q (MVAr) của bus KCN Hưng Phú và bus Trần Đê khi máy

biến áp STATCOM bị ngắn mạch 3 pha 60

Hình 4.23: Đặc tuyến V-Q của STATCOM khi mô phỏng 63

xv

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Dữ liệu công suất phát của máy phát 29

Bảng 4.2: Dữ liệu điện áp và tải lấy theo thực tế của sơ đồ 30

Bảng 4.3 : Dữ liệu hệ thống khi mô phỏng trong Power World Simulation Sắp xếp theo giá trị điện áp (pu) từ cao đến thấp ở các bus khi chưa đóng STATCOM 32

Bảng 4.4: Dữ liệu hệ thống khi mô phỏng trong Power World Simulation Sắp xếp theo giá trị điện áp (pu) từ cao đến thấp ở các bus khi đóng STATCOM 34

Bảng 4.5: Bảng dữ liệu so sánh điện áp giữa các bus khi không có và khi có STATCOM 36

Bảng 4.6: Thông số điện áp của bus khi máy biến áp STATCOM bị cắt đột ngột

41

Bảng 4.7: Thông số điện áp của bus khi máy biến áp STATCOM bị cắt đột ngột khỏi hệ thống bù 49

Bảng 4.8: Thông số điện áp của các bus khi tổ máy điện gió bị ngắn mạch 3 pha

54

Bảng 4.9: Phân tích các thông số điện áp của các bus khi hệ thống bị sự cố 56

Bảng 4.10: Kết quả kiểm tra điện áp tại bus KCN Hưng Phú khi tăng giảm giá trị công suất phản kháng STATCOM 58

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

sự giới hạn công suất trên đường dây truyền tải

Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng Điện áp dọc đường dây có thể được điều khiển bằng việc lắp cuộn kháng bù (ngang) song song, tụ điện bù (dọc) nối tiếp vào đường dây Góc truyền tải của đường dây có thể điều khiển bằng việc thay đổi góc pha

Do nhu cầu phụ tải ngày càng tăng, thường đặt đường dây truyền tải cao áp vào những giới hạn vật lý của chúng (như: quá nhiệt, ngắn mạch đường dây, máy phát và đường dây bị cắt ra khỏi hệ thống,…) và những nhiễu động trên hệ thống có thể làm mất ổn định điện áp… Sự phục hồi trạng thái làm việc sau những nhiễu động này hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng dự trữ của hệ thống, nếu hệ thống có độ dự trữ yếu thì dễ dẫn đến mất ổn định hệ thống, gây ra tan giã hệ thống Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đảy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện kết hợp với các thiết bị bù công suất phản kháng là một trong

- 2 -

các công nghệ phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện Các thiết bị bù công suất phản kháng này là thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) FACTS là những thiết bị mới nhằm cải thiện điện áp khu vực và hệ thống lưới điện truyền tải FACTS là thiết bị điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp FACST cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới điện truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng đáp ứng nhanh hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao và các lợi ích về môi trường

Qua phân tích từ những nguyên nhân trên, hệ thống điện rất rễ mất ổn định Để tăng cường độ ổn định điện áp, ổn định quá độ cho hệ thống đòi hỏi hệ thống lưới điện phải hoạt động linh hoạt hơn, đáp ứng nhanh ngay cả trong những trường hợp bất ngờ

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

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

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

Ở cách thứ 1: việc xây dựng mới các nhà máy hay đường dây sẽ gặp khó khăn nhiều hơn vì các lý do về tài chính, sự hạn chế về môi trường, luật pháp và các yếu tố

xã hội

Ở cách thứ 2: sẽ dễ ràng thực hiện hơn bởi cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ sẽ cho ra đời các linh kiện bán dẫn hay các linh kiện điện tử công suất lớn, cung cấp các phương tiện điều khiển nhanh hơn, mềm hơn các thông số của hệ thống

Mặt khác, sự quá áp hoặc thấp áp so với điện áp vận hành cho phép, dẫn đến hệ

số công suất không đạt yêu cầu, mạch không cân bằng Vì vậy, để tránh những vấn đề này, việc kiểm soát điện áp là rất quan trọng để đảm bảo rằng điện áp đầu nhận nằm trong phạm vi chấp nhận được [1]

Xuất phát từ những thực tế trên, chúng tôi tiến hành thực hiện: “Nghiên cứu bộ

điều khiển bù công suất phản kháng STATCOM ổn định hệ thống điện” trong hệ

thống thiết bị FACTS là cần thiết, có tính thực tiễn cao, làm cơ sở tham khảo cho việc hoạch định, xây dựng các bộ điều khiển bù công suất phản kháng kết hợp

1.2 Mục tiêu và yêu cầu

- 4 -

1.2.2 Yêu cầu

- Giới thiệu các thiết bị FACTS nâng cao ổn định điện áp

- Xây dựng mô hình STATCOM nối vào lưới điện khu vực Bạc Liêu có kết hợp với nhà máy điện gió Bạc Liêu trên phần mềm PowerWorld tăng đô dự trữ công suất

- Phân tích, xây dựng và so sánh lưu đồ mô phỏng khi có và không STATCOM

- Dùng phần mềm PowerWorld để mô phỏng, tính toán và phân tích đường cong Q-V, ổn định quá độ ở chế độ vận hành bình thường, chế độ sự cố khi có và không có

sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng STATCOM

- Đưa ra lưu đồ phân tích, đánh giá hiệu quả hoạt động sử dụng STATCOM khi nối vào lưới điện khu vực Bạc Liêu có kết hợp với nhà máy điện gió Bạc Liệu

- 5 -

Chương 2

CƠ SỞ LÝ LUẬN

2.1 Sơ lược tình hình nghiên cứu liên quan đến FACTS

Các công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt sử dụng thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm gia tăng độ ổn định điện áp, ổn định quá độ để đưa hệ thống vận hành trở lại bình thường

Thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đi vào hoạt động hơn 20 năm Đến tháng 1 năm

2000, tổng dung lượng các thiết bị FACTS được lắp đặt trên toàn thế giới là hơn 40.000 (MWAr) với hàng trăm công trình Mặc dù các thiết bị FACTS chủ yếu được sử dụng trong ngành điện, song chúng cũng được sử dụng trong các ngành sản xuất phần cứng máy tính và thép (SVC để giảm những hiện tượng nhấp nháy) cũng như cho điều khiển điện áp trong các hệ thống truyền tải ở ngành đường sắc và các trung tâm nghiên cứu [1]

Ngày nay với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS đã giúp cho quá trình điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cánh linh hoạt và nhanh chóng Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải Ở Việt Nam, việc sử dụng thiết bị FACTS đã được lắp vận hành trên đường dây 220kV Tuy nhiên công suất còn hạn chế

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

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

- 6 -

hoạt động của chúng Phát triển công nghệ bán dẫn sẽ mở cửa để phát triển cho các thiết bị mới như: bộ hạn chế dòng siêu dẫn và lưu điện từ siêu dẫn

2.2 Nguyên lý vận hành điều khiển hệ thống điện

Mô hình đơn giản của hệ thống truyền tải điện Hai lưới điện được kết nối bằng một đường dây truyền tải được thể hiện như hình 2.1a

Giã sử rằng có tổn thất và được thể hiện bằng điện kháng XL Điện áp của hai bus

V1 và V2 Góc lệch pha giữa hai bus là:

δ = δ1 – δ2Giản đồ tương ứng được trình bày trong hình 2.1b

Hình 2.1: Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản; (b) giản đồ pha

(c) đường công suất – góc [4]

(b)

(c)

d

L

V I

sin

L

V V P

sin

d

L

V I

sin

L

V V P

Các kích động đối với hệ thống điện được chia làm 2 loại: ổn định tĩnh và ổn định động

Ổn định tĩnh: là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ (nhiễu nhỏ) phụ

hồi được chế độ ban đầu

- 8 -

Liên tưởng đến hệ sau ta có thể hiểu về khái niện ổn định tĩnh

Hình 2.2: Minh họa ổn định của hệ cơ học

Giả sử nếu như có những nhiễu nhỏ thì con lắc sẽ dao động (Hình 2.2a) Tuy nhiên do lực cản của không khí, dao động tắt dần và con lắc sẽ trở lại vị trí ban đầu Tương tự như vậy, tại vị trí A hệ sẽ ổn định (Hình 2.2b) Tuy nhiên vị trí B giả sử cân bằng nhưng không ổn định Lý do là chỉ cần nhiễu nhỏ thì hòn bi sẽ rời vị trí B Như đã nói trên, hệ thống điện ở chế độ xác lập khi có điều kiện cân bằng công suất sẽ có các thông số không thay đổi hoặc chỉ biến thiên nhỏ xung quanh giá trị ban đầu Tuy nhiên, khi hệ thống vận hành có rất nhiều tác động nhỏ, ngẫu nhiên, ví dụ như

sự thay đổi công suất phụ tải Hệ thống khi ấy vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ hoặc trở về vị trí ban đầu của các thông số chế độ

Ổn định động: là khả năng của hệ phục hồi được trạng thái ban đầu hoặc gần với

trạng thái ban đầu sau những kích động lớn (nhiễu lớn)

Nếu có thể chuyển sang chế độ xác lập mới thì hệ sẽ có những ổn định động Các kích động lớn ở đây được hiểu như:

- Ngắn mạch trên các phần tử của lưới điện

A

B

A

- 9 -

- Đóng cắt các phần tử của lưới điện

- Tăng giảm tải đột ngột [2]

2.4 Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện

Ổn định điện áp là một vấn đề quan trọng trong quy hoạch và trong vận hành hệ thống điện Vấn đề này đã và đang được nghiên cứu ở nhiều nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới, đặc biệt là trong cơ chế thị trường điện

Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc rotor, điện áp và tần số Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong

sơ đồ sau:

Hình 2.3: Phân loại ổn định điện áp trong hệ thống điện [14]

Hệ thống điện

Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn

Dài hạn Ngắn hạn

Đặc trưng của sụp đổ điện áp [2]

- Tăng tải, nhiễu lớn là những hiện tượng ban đầu Hệ thống điện không có khả năng đáp ứng nhu cầu Q Sụp đổ điện áp được thể hiện qua sự giảm dần điện áp Thời gian sụp đổ có thể vài phút

- Sụp đổ điện áp chịu ảnh hưởng lớn của tình trạng và đặc tuyến của hệ, ví

dụ như: khoảng cách lớn về điện giữa tải và nguồn phát; điều chỉnh phân áp dưới tải do điện áp hạ thấp; các đặc tuyến bất lợi của tải; phối hợp không tốt giữa điều khiển và hệ thống bảo vệ

- Sụp đổ điện áp có thể do ảnh hưởng của tụ mắc shunt

Từ những yếu tố trên, việc bù công suất phản kháng Q là cần thiết và vấn đề quan

trọng để hệ thống vận hành ổn định Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện

thường dẫn tới khảo sát hai khía cạnh:

- Chỉ số gần tới mất ổn định điện áp: hệ còn cách xa bao nhiêu tới giới hạn

về ổn định điện áp ?

- Cơ cấu mất ổn định điện áp:

Nguyên nhân và cách thức mất ổn định Vùng yếu nhất về điện áp ở đâu? Biện

- 11 -

pháp nào để cải thiện ổn định điện áp?

Ổn định điện áp thường được xem sét như bài toán ổn định tĩnh cho các phần tử tĩnh trong hệ thống Khả năng truyền tải Q từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ trong vận hành tĩnh là khía cạnh chính của ổn định điện áp

Mất ổn định điện áp tạo ra sự giảm (tăng) áp một cách không ngừng và thường xảy ra dưới dạng không chu kỳ

Mất ổn định điện áp có thể xảy ra trong khoảng vài giây cho tới hàng chục phút

Có thể chia làm 2 loại: ổn định quá độ (thời gian khoảng 10 giây) và ổn định lâu dài (tới vài phút) Những năm gần đây loại thứ hai gây chú ý hơn cả trong lưới điện phân phối Do vậy, ồn định điện áp thường liên quan đến tải và còn gọi là ổn định phụ tải [2]

2.5 Hậu quả của việc mất ổn định điện áp

Khi hệ thống mất ổn định có thể phải cắt hạng loạt các tổ máy, các phụ tải, có thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng cho nền kinh tế Do đó cần nghiên cứu ổn định trong khi thiết kế và vận hành hệ thống nhằm đảm bảo:

- Ổn định trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố

- Có thể vận hành bình thường trong mọi tình huống thao tác vận hành và kích động của sự cố [2]

2.6 Tổng quan về công suất phản kháng

Để đánh giá vấn đề sử dụng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không người ta đánh giá thông qua hệ số công suất P Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng

Biểu thức tính toán hệ số công suất (công thức 2.6):

P Cos

S

 Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất

bị sinh CSPK như SVC, STATCOM …để cung cấp trực tiếp cho tải Việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK [4]

2.7 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng

- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải trên

đường dây

- Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần kháng do

CSPK gây ra

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp Khả năng truyền tải của

đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính theo công thức (2.7):

2 2

P Q S

I



- 13 -

Biểu thức này chứng tỏ rằng, cùng một trạng phát nóng nhất định của đường dây

và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi Vì thế khi giữ nguyên đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức là giảm được lượng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải của chúng được nâng cao [4]

2.8 Các thiết bị bù công suất phản kháng

Tụ điện tĩnh: Khi có điện áp đặt vào tụ thì có dòng điện chạy qua tụ, dòng này

vượt trước điện áp một góc 900 do đó phát ra CSPK Để đóng cắt tụ điện vào đường dây người ta sử dụng các thyristor, thông qua việc điều chỉnh đóng cắt các thyristor sẽ

điều chỉnh được dung lượng CSPK cần bù

Máy bù động bộ: Thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích

thích Máy bù đồng bộ thường chỉ được dùng ở những nơi yêu cầu khắt khe về chế độ

bù và thường được dùng ở lưới trung áp

Một số thiết bị bù trong Flexible Alternating Current Transmission Syster (FACTS): Hiện nay ở nhiều nước phát triển trên thế giới sử dụng hệ thống truyền tải

điện linh hoạt FACTS, trong đó các thiết bị bù của hệ thống dựa trên các linh kiện điện

tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT để cung cấp năng lượng khi cần thiết để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện FACTS là tập hợp nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn như [1]

- Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh

- Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng bộ tĩnh

- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiển

Thyristor

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

- Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

- High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây một chiều cao áp [11]

- 14 -

2.9 Giới thiệu chung về STATCOM

Thiết bị STATCOM là thiết bị đầu tiên trên thế giới sử dụng bộ nghịch lưu Thysitor có định mức 20 (MWAr), được phát triển và đưa vào vận hành từ tháng 1 năm

1980 bởi Kansai Electric Power Co., Inc (KEPCO) và Mitsubishi Motors, Inc Vào tháng 10 năm 1986, STATCOM đầu tiên sử dụng bộ nghịch lưu GTO (High-power Gate turn-off Thysitor) được phát triển bởi EPRI và Westinhous Electric company với định mức ± 1(MWAr) đã được đưa vào vận hành Kể từ đó, các STATCOM đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện phục vụ cho việc bù động, từ

đó hổ trợ ổn định điện áp và ổn định quá độ [1]

Hinh 2.4: Sử dung STATCOM bù công suất trong trạm biến áp (Electricity and New

Energy, 2014 Static Synchronous Compensator (STATCOM)

- 15 -

2.9.1 Mô hình cơ bản của STATCOM

Thiết bị STATCOM đầu tiên trên thế giới sử dụng bộ nghịch lưu Thysitor có định mức 20MVAr, được phát triển và đưa vào vận hành từ tháng 1 năm 1980 bởi Kansai Electric Power Co Vào tháng 10 năm 1986, STATCOM sử dụng bộ nghịch lưu GTO (High-power Gare turn-off Thysitor) được phát triển bởi EPRI và Westinghouse Electric Company Kể từ đó, các STATCOM đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện phục vụ cho việc bù động, từ đó ổn định điện áp và ổn định quá độ [1]

Hình 2.5: Mô hình STATCOM

2.9.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM

Việc thay đổi công suất phản kháng được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến áp VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để điều chế điện áp xoay chiều ba pha VS từ nguồn một chiều Nguồn một chiều này được lấy từ tụ điện Nguyên lý hoạt động của STATCOM được chỉ rõ trong Hình 2.6

Bộ nghịch lưu áp

Vdc

Máy biến áp ghép nối

- 16 -

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM

Bộ STATCOM được mắc sóng song với đường dây và hoạt động không cần nguồn năng lượng dự trữ có tác dụng như một máy bù công suất phản kháng Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển ngõ ra VS cùng pha với điện áp hệ thống (hình 2.6)

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

- Nếu VS nhỏ hơn điện áp hệ thống V thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn

V r V

S S

V V V Q

- 17 -

kháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống [13]

Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng kỹ thuật nghịch lưu áp (Voltage Source Converter – VSC) dựa vào các thiết bị điện tử công suất (GTO hoặc IBGT) có khả năng ngắt dòng điện theo lệnh đóng mở Điều này cho phép STATCOM phát nguồn AC tại đầu bộ nghịch lưu với một tần số cơ bản như mong muốn và biên độ điện

áp có thể điều khiển được [13]

Có vài cấu trúc bộ nghịch lưu áp hiện được sử dụng trong vận hành hệ thống điện thực tế Hình 2.7 cho thấy cấu trúc căn bản của một bộ nghịch lưu ba pha toàn kỳ

có 6 khóa, mỗi khóa gồm 1 GTO mắc đối song với một Diode

Hình 2.7: Cấu trúc căn bản của bộ nghịch lưu Với mục tiêu ngõ ra có dạng sóng điện áp càng gần với dạng sóng sin càng tốt, việc đóng ngắt GTO trong bộ nghịch lưu áp được điều khiển bằng các mô đun điều khiển đóng cắt được thiết kế để giảm thiểu sóng hài sinh ra và giảm nhu cầu về các bộ lọc sóng hài Có 3 giải pháp cho việc điều khiển đóng cắt: đóng cắt ở tần số cơ bản, điều chế độ rộng xung và bộ nghịch lưu đa bậc:

- Đóng cắt ở tần số cơ bản: đóng và mở các khóa GTO/IGBT một lần trên mỗi

chu kỳ Ứng dụng việc đóng cắt này, trên hình 2.7 cho ra dạng sóng ngõ ra gần vuông

Va

Vc

Vb

+ _

- 18 -

Với mô hình đóng cắt này, sẽ có 6 xung trên một chu kỳ Nhược điểm chính của việc đóng cắt này là sinh ra quá nhiều sóng hài ở tần số cao Nhằm đạt được chất lượng dạng sóng tốt hơn và định mức công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu áp 6 xung được cấp từ cuộn dây thứ cấp của máy biến áp với độ dịch pha thích hợp đã được ứng dụng Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự bố trí phức tạp của các máy biến áp

- Điều chế độ rộng xung (PWM): kỹ thuật điều chế này đóng cắt các khóa với tốc

độ tương đối cao hơn so với đóng cắt ở tần số cơ bản Dạng sóng điện áp ngõ ra bao gồm một chuỗi các xung chữ nhật với chiều rộng được điều chế qua điều khiển đóng cắt Các sóng hài không mong muốn trong dạng sóng ngõ ra được dịch về phía tần số cao hơn, do đó yêu cầu lọc sóng hài được giảm đáng kể Mặc dù nhiều kỹ thuật điều khiển PWM đã được đề nghị, mô hình điều chế PWM sin vẫn là phương pháp phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả của nó

- Bộ nghịch lưu đa bậc: trong cấu hình này, tụ DC được chia thành nhiều đơn vị

có điện áp giống nhau Thông qua việc đóng cắt các khóa điện tử công suất (GTO, IGBT), ngõ ra điện áp AC có thể được đặt ở bất kỳ mức nào của các mức điện áp tụ này, do đó dạng sóng ngõ ra có dạng bậc thang và gần với dạng sóng sin hơn Phương pháp này đòi hỏi một lượng lớn các khóa và hệ thống điều khiển phức tạp trong việc bố trí các máy biến áp Cấu hình đa bậc có thể áp dụng đóng cắt ở tần số cơ bản và điều chế độ rộng xung để tăng cường hiệu quả về mặt sóng hài

2.9.3 Hệ thống điều khiển của STATCOM

Hình 2.8 thể hiện sơ đồ đơn tuyến của STATCOM và sơ đồ khối hệ thống điều khiển của nó Hệ thống điều khiển bao gồm:

Một vòng khóa pha (PLL) đồng bộ hóa trên các thành phần thứ tự dương của điện áp ba pha sơ cấp V1 Đầu ra của PLL (góc θ = ωt) được sử dụng để tính toán các thành phần dọc trục và ngang trục của điện áp và dòng điện ba pha AC (được ghi nhãn

là Vd, Vq hoặc Id, Iq trên sơ đồ)

Các hệ thống đo lường đo các thành phần d và q của điện áp và dòng điện thứ tự

- 19 -

dương AC được điều khiển cũng như điện áp DC, Vdc

Một vòng lặp điều chỉnh bên ngoài bao gồm một bộ điều chỉnh điện áp AC và

bộ điều chỉnh điện áp DC Các đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp AC là dòng điện quy chiếu Iqref cho điều chỉnh dòng điện (Iq = dòng điện vuông góc với điện áp mà điều khiển dòng chảy công suất phản kháng) Các đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp DC là dòng điện quy chiếu Idref cho điều chỉnh dòng điện (Id = dòng điện cùng pha với điện

áp mà điều khiển dòng công suất tác dụng)

Hình 2.8: hệ thống điều khiển STATCOM

Đo lường điện

áp AC

Hiệu chỉnh điện áp AC

PPL vòng khóa pha

Điều chế PWM

Hiệu chỉnh dòng điện

Hình 2.9: Đường cong Q-V phân tích ổn định điện áp

Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến Q-V

Hệ thống không ổn định

0

Q max (Var)

V(pu)

Hệ thống ổn định

0

dV

dQ  Điểm giới hạn

Q

- 21 -

Đường đặc tuyến Q-V mô phỏng trên PowerWorld

Hình 2.10: Đường cong Q-V phân tích ổn định điện áp trong phần mềm PowerWolrd

Để biểu diễn đường cong Q - V, một máy phát tưởng tượng được đặt tại nút phân tích Trục tung biểu diễn đầu ra của máy phát ảo (MVAr) Trục hoành biểu diễn điện

áp tương ứng trong đơn vị tương đối (pu) Đường cong Q - V xác định tải MVAr lớn nhất trước khi sụp đổ điện áp Điểm vận hành cơ bản được xác định tại giao điểm giữa trục hoành và đường cong Đây là điểm mà máy phát ảo phát công suất phản kháng OMVAr Khi vạch đường cong đi xuống, nó thể hiện máy phát ảo phát công suất phản kháng MVAr giảm Sự giảm này thể hiện sự tăng tải MVAr Tại một điểm, giá trị

áp

- 22 -

MVAr của máy phát ảo sẽ ngừng giảm và chạm tới đáy của đường cong Điểm này thể hiện sự tăng lớn nhất của tải MVAr tại nút này Bất kì tải MVAr nào cao hơn sẽ gây ra sụp đổ điện áp [5]

Đặc tuyến ổn định quá độ

Ổn định qúa độ (transient stability) là khả năng của hệ thống điện vẫn còn duy trì được sự đồng bộ hóa khi trải qua kich động lớn như ngắn mạch trên đường dây truyền tải, mất nguồn, hoặc mất tải…Ổn định quá độ thường liên quan đến ổn định góc rotor của các máy phát điện đồng bộ trong một hệ thống điện liên kết vẫn càn giữ được sự đồng bộ hóa khi trải qua kích động có thể xảy ra trên hệ thống điện [3]

Hình 2.11: góc rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua

Khi một sự cố xảy ra ở một mạng điện, dòng ngắn mạch được xác định bởi sức điện động của máy trong mạng điện, bởi các tổng trở của chúng và bởi các tổng trở trong mạng giữa các máy phát và chỗ sự cố Dòng điện trong máy đồng bộ sau khi xảy