Chương 1. Vai trò của các bộ biến đi bán dẫn công suất trong hệ thống điện

Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Chương Vai trò bi n đ i bán dẫn công suất h th ng n 1.1 Đảm bảo tính ổn định hệ thống lượng Tính n định hệ thống lượng định nghĩa kh hệ thống tr ng thái cân điều kiện làm việc bình thư ng quay tr ng thái cân chấp nhận sau biến động nhiễu tác động Khi mức độ phức t p hệ thống lượng ngày tăng lên ngày có nhiều lo i ngu n phát tham gia vào hệ thống nhiều lo i phụ t i kiểu điện tử cơng suất tác động nhanh hệ thống lượng ph i làm việc gần đến giới h n độ n định Độ n định hệ thống lượng chia làm hai d ng chính: n định góc phụ t i máy phát n định điện áp Vấn đề thứ liên quan chủ yếu đến lưới truyền t i, vấn đề thứ hai có tính cục hơn, liên quan đến lưới phân phối n định góc phụ t i n định tần số hay đ m b o tính đ ng n định điện áp đ m b o mức độ dao động ph m vi cho phép, không +/- 10% quanh giá trị định mức điều kiện bình thư ng kh quay ph m vi sau có biến động s y ra, tránh trư ng hợp điện áp sụt gi m dẫn đến hiệu ứng dây chuyền Đ m b o điện áp cần đáp ứng công suất ph n kháng cho lưới điều khiển mức điện áp phù hợp cấp cuộn dây máy biến áp n định góc phụ t i rotor l i chia thành n định với biến động lớn (sự cố x y t i lộ đó) n định với biến động nhỏ (sự thay đ i phụ t i) Về b n chất vật lý c hai trư ng hợp liên quan đến vấn đề n định dao động điện tương tác trình điện hệ thống biến đ i thành điện Quá trình biến đ i đặc trưng b i phương trình động học cho máy đ ng (1.1) Tm  Te  2H d 2 d D dt dt (1.1) Với Te  K  , V  Trong Tm Te mômen mômen điện từ, H mômen quán tính quy trục máy điện, D hệ số dập dao động, K số Ł góc rotor Với biến động nhỏ phương trình (1.1) tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng, dẫn đến: Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Tm  Te  2H d 2 d D  K cos   dt dt (1.2)  D    t Tm  4H   1  e   sin t     K cos    (1.3) Gi i phương trình (1.β) tìm góc rotor (1.γ), tần số dao động xác định (1.4):  K cos   D    2H  4H  (1.4) Từ phương trình (4), thay tham số tiêu biểu t máy vào, thấy tần số dao động kho ng 0,1 – 2,5 Hz Những dao động phát sinh biến động nhỏ tiếp diễn liên tục hệ thống Những dao động vùng tần số cao, kho ng 0,7 – β Hz, thư ng diễn cục t i t máy, không nh hư ng đến toàn lưới điện, gọi dao động cục Những dao động vùng tần số thấp, 0,2 – 0,8 Hz, diễn t máy với khó bị dập tắt Chúng sinh q trình trao đ i cơng suất thơng qua lưới truyền t i nhà máy t máy với nhau, vùng với vùng lưới điện Các dao động xuất nhiều lưới điện, t i nhiều nơi giới Hậu qu dao động liên vùng xung động lên rotor t máy, làm mỏi cấu khí, dẫn đến hỏng hóc phận điều khiển, đưa đến chi phí khó lư ng Dao động liên vùng làm gi m kh truyền t i lưới điện, dẫn đến giã lưới số trư ng hợp Để dập tắt dao động cần dùng điều khiển Các điều khiển cục n định công suất hệ thống (Power System Stabilizer – PSS) kết hợp hệ thống điều khiển kích từ máy phát PSS phát tín hiệu pha với thay đ i tốc độ rotor cho dao động bị dập tắt Trên hình cấu trúc điều chỉnh PSS, g m bốn khâu nối tiếp: khâu khuyếch đ i, khâu lọc thông thấp để phát thay đ i với tần số thấp, hai khâu lead/lag t o độ sớm pha cần thiết cho tín hiệu đưa vào m ch kích từ Chương Vai trị biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Hình 1.1 Bộ điều chỉnh PSS chống dao động hệ thống Đầu vào tín hiệu biến động tần số quay rotor, đầu tín hiệu phụ tác động vào m ch điều chỉnh kích từ máy phát Để dập dao động liên vùng cần hệ thống FACT, SVC, STATCOε SVC hay STATCOM thiết bị bù song song, có tác động điều chỉnh điện áp t i điểm kết nối theo hướng bù làm tắt dao động Bộ điều chỉnh SVC có thêm đầu vào Additional input ph n ánh dao động lưới (tần số ∆), đầu tác động thay đ i độ dẫn B SVC biểu diễn hình 1.2 Hình 1.2 Bộ điều chỉnh cho SVC có tác dụng dập dao động lưới Trên hình 1.3 cấu trúc điều chỉnh STATCOε, có thêm đầu vào ph n ánh dao động lưới (tần số ∆), đầu tác động thay đ i góc lệch pha α điện áp STATCOM so với điểm kết nối Từ đưa vào hay lấy cơng suất, bù l i dao động lưới điện Chương Vai trò biến đ i bán dẫn cơng suất hệ thống điện Hình 1.3 Bộ điều chỉnh cho STATCOM có tác dụng dập dao động lưới Ngoài thiết bị FACTS khác TCSC, TCPS, UPFC, … chỉnh định để có tác dụng chống dao động 1.2 Điều khiển chất lượng điện Những vấn đề liên quan đến chất lượng điện là: - Độ n định điện áp; Sóng hài; δõm điện áp; Quá độ điện áp; Điện áp nhấp nháy, … Tuy nhiên ngày khái niệm chất lượng điện mang ý nghĩa rộng Chất lượng điện bao hàm toàn quan hệ phức t p nhà s n xuất ngư i tiêu dùng điện, từ nhà máy đến khách hàng cuối Trong s n xuất đ i sống hàng ngày xuất nhiều lo i thiết bị, máy móc có yêu cầu cao độ n định, tính liên tục ngu n điện cung cấp Các hệ thống dịch vụ s n xuất thay đ i mối quan hệ ho t động s n xuất, kh cung cấp dịch vụ đáp ứng nhu cầu khách hàng mối quan tâm hàng đầu Tóm l i trục trặc nhỏ hệ thống cung cấp lượng dẫn tới t n thất lớn kinh tế Chính ngày khách hàng đặt tiêu chuẩn mà nhà s n xuất phân phối điện ph i đáp ứng Khách hàng thư ng có liên hệ với nhà cung cấp điện từ khâu trình thiết kế, xây dựng, lắp đặt sử dụng hàng ngày để đ m b o cung cấp điện phù hợp Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Ngư i sử dụng chịu nh hư ng m nh tượng: lõm điện áp, ngu n ngắn h n sóng hài - - - δõm điện áp: tượng điện áp sụt gi m xuống tới 0,1 đến 0,9 p.u th i gian 0,5 chu kỳ điện áp lưới (10 ms 50 Hz) đến phút δõm điện áp thư ng xuất có cố đư ng truyền t i đư ng phân phối làm thiết bị b o vệ tác động, động công suất lớn kh i động Do lõm điện áp nhiều thiết bị bị ngừng ho t động, công tắc tơ, biến tần, thiết bị điều khiển điện tử, dẫn đến c dây chuyền ph i dừng l i Điều gây nên hậu qu nghiêm trọng Mất điện ngắn h n x y điện áp gi m đến 1s đến phút Các hậu qu s y giống lõm điện áp, nhiên việc khắc phục phức t p nhiều Vấn đề sóng hài tr nên nghiêm trọng ngày có nhiều lo i phụ t i phi tuyến sử dụng biến đ i bán dẫn, phụ t i pha trình phụ t i biến động nhanh Sóng hài đặc trưng b i hệ số méo phi tuyến t ng thể: M hmax THDM  h2 h (1.5) M1 Trong h bậc sóng hài, số nguyên lần tần số b n Độ méo phi tuyến sóng hài dịng điện thể rõ tác động méo phi tuyến thiết bị hệ thống dịng điện ph n ánh công suất I hmax TDDI  h2 h (1.6) IL Trong IL dòng t i lớn 12 tháng cuối tần số b n, lấy giá trị trung bình cho phụ t i Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện 1.2.1 Kiểm soát lõm n áp Để gi m thiểu t n thất kinh tế lõm điện áp mang l i cần thực số biện pháp Lõm điện áp phát sinh chủ yếu cố x y m ng điện, biện pháp lo i trừ nguyên nhân dẫn đến cố Trong lưới truyền t i cần đ m b o vững cột đỡ đư ng dây, làm s ch sứ đỡ, lắp đặt máy cắt tác động nhanh cuộn chặn tiếp đất Trong lưới phân phối cần cắt tỉa gần đư ng dây, lắp đặt bẫy động vật, thiết kế hệ thống theo m ch vịng khơng ph i hình sao, lắp đặt thiết bị b o vệ nhanh, … Tuy biện pháp áp dụng đ m b o lo i trừ hết cố Các biện pháp cần áp dụng sử dụng thiết bị giúp vượt qua lõm điện áp Các thiết bị FACTS (SVC, DVR, STATCOM) dùng cho mục đích Tuy nhiên thiết bị tương đối đắt tiền V l i không ph i hộ tiêu thụ cần mức độ b o vệ dịch vụ với giá thành cao cho phụ t i không yêu cầu khắc nghiệt chất lượng điện áp bị ph n đối Vì thiết bị tương tự FACTS thiết kế phù hợp cho luới phân phối, áp dụng riêng cho phụ t i quan trọng, với công suất nhỏ hơn, giá thành thấp có tiềm ứng dụng nhiều Ngồi biện pháp với cơng suất vừa ph i dùng lo i thiết bị khác, thiết bị tích trữ lượng điện Thiết bị tích trữ lượng ho t động theo nguyên tắc tích lượng lúc t i nhỏ đưa lượng lúc cần thiết, đáp ứng đỉnh phụ t i, th i gian ngắn Các thiết bị là: - Hệ thống tích trữ lượng acquy (BESS); Hệ thống dùng bánh đà vĩnh cửu (Flying Wheel); Hệ thống tích trữ lượng dùng cuộn c m siêu dẫn (SMESS); Hệ thống cấp điện liên tục (UPS) Đặc điểm hệ thống tích trữ lượng kh phát huy công suất th i gian ngắn, cỡ 0,1ms đến 1s, phù hợp với th i gian xẩy lõm điện áp hay nháy điện 1.2.2 Kiểm sốt thành phần sóng hài Sóng hài xuất lưới điện nhiều nguyên nhân, t i phi tuyến biến đ i bán dẫn, số lượng lớn phụ t i pha, q trình đóng cắt ngẫu nhiên lo i phụ t i, … Sóng hài qua nhiều khâu suy gi m trước đến Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện phụ t i Ví dụ qua phối hợp cách đấu dây máy biến áp, tam giác sao, qua cuộn c m chặn phía đầu vào Cách suy gi m sóng hài tốt t i chỗ phát sinh sóng hài thiết kế phù hợp Kỹ thuật gi m sóng hài ph biến biến đ i phương pháp biến điệu bề rộng xung PWM Khi sóng hài phát sinh với công suất lớn cần thiết bị lọc Thiết bị lọc thụ động thích hợp với lưới phân phối (trung thế), vừa để lọc vừa có tác dụng bù công suất ph n kháng Lọc thụ động chủ yếu dùng m ch song song, nối t i điểm ngăn chặn xâm nhập sóng hài vào t i Do có tác dụng bù công suất ph n kháng nên thiết kế ban đầu cần chọn dung lượng tụ cần thiết tần số b n Sau tính tốn điện c m mắc nối tiếp với tụ để t o thành m ch cộng hư ng tần số sóng hài cần ph i dập, tiêu biểu tần số bậc β, 4, 5, 7, … Cuối thành phần điện tr cần đưa vào m ch để t o đặc tính suy gi m dao động độ chọn lọc tần số lọc Thông thư ng với cơng suất lớn mắt lọc sóng hài bậc β, 4, 5, 7, … thiết kế lắp đặt riêng, t i điểm nút nối với lưới Mặc dù lọc thụ động áp dụng tương đối rộng rãi nhược điểm hệ thống gây dao động lưới có biến động m nh x y Các m ch lọc tích cực s biến đ i bán dẫn cơng suất có kh lọc hết sóng hài Thơng thư ng lọc tích cực có cơng suất nhỏ nhiều so với lọc thụ động thư ng lắp đặt t i điểm có phát sinh sóng hài Do chỉnh định với thành phần sóng hài nên cơng suất lọc tích cực nhỏ 1.3 Bù điều chỉnh điện áp Để thấy nguyên lý bù điều chỉnh điện áp ta xét m ng điện có m ch tương đương đơn gi n hình 1.4 Trên hình 1.4 ngu n điện có s.đ.đ E truyền theo đư ng dây có t ng tr kháng R s + jXs Trên điện áp V có t i P + jQ, m ch bù có cơng suất Q Đ thị vector cho hình 1.5 Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Hình 1.4 Mạch điện tương đương Hình 1.5 Đồ thị vector mạch điện hình 1.4 Theo đ thị vector tính sụt áp đư ng dây bằng: ∆V=E – V =Zs I (1.7) δưu ý ký hiệu chữ in đậm, không nghiêng, thể vector, chữ nghiêng thể giá trị thơng thư ng Dịng t i bằng: I P  jQ V (1.8) Các thành phần sụt áp xác định bằng: Chương Vai trị biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện X P  Rs Q  P  jQ  Rs P  Xs Q V   Rs  jXs   j s  VR  jVX  V V  V  (1.9) Như sụt áp g m hai thành phần, ∆VR đ ng pha với V ∆Vx vuông pha với V Sụt áp phụ thuộc c vào phần công suất thực công suất ph n kháng Sự phụ thuộc điện áp vào dòng điện gọi đường đặc tính tải, thể hình 1.6 Mặc dù sụt áp phụ thuộc vào dòng điện thực tế mức điện áp phép thay đ i giới h n cho phép nên trục hoành đặc tính t i ngư i ta hay dùng cơng suất ph n kháng Q thay cho dịng điện I Như đặc tính t i thể phụ thuộc điện áp vào công suất ph n kháng, tiêu thụ công suất ph n kháng (Q > 0, t i c m) điện áp gi m so với không t i E, phát công suất ph n kháng (Q < 0, t i dung) điện áp dâng lên cao E Hình 1.6 Đường đặc tính tải 1.3.1 Bù giữ n áp khơng đ i Bằng cách nối song song với t i tr kháng bù đ t biên độ điện áp điện áp không t i, |V| = |E| (1.10) Từ đ thị vector thấy rằng: R P  Xs Qs   Xs P  Rs Qs   E  V  s    V V     2 (1.11) Chương Vai trò biến đ i bán dẫn công suất hệ thống điện Gi i hệ hai phương trình luôn xác định nghiệm Q cần thiết m ch bù để biên độ điện áp giá trị lúc không t i, |V| = |E| Điều thể đ thị vector hình 1.7 Như vậy, m ch bù thay đ i cách liên tục ph m vi định ln đ m b o điện áp không đ i t i thay đ i 1.3.2 Bù giữ h s công suất Nếu Q = Q m ch có hệ số cơng suất Từ thấy dùng m ch bù để n định điện áp hiệu chỉnh hệ số công suất lúc 1.3.3 Đường đặc tính t i Có thể thấy hệ truyền t i phần điện tr đư ng dây nhỏ so với c m kháng, coi Rs ~ Mặt khác bỏ qua phần sụt áp ∆VX phần làm thay đ i góc pha điện áp Vì ta có: V  VR hay V XsQ Q   V V S (1.12)  Q V  E 1    S (1.13) Như điện áp V tỷ lệ nghịch với công suất ph n kháng Q thể đư ng đặc tính t i hình 1.6 Hình 1.7 Bù để giữ điện áp không đổi 10 Chương 3.T ng quan hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) khiển Rất hợp lý xếp module có điều khiển thyristor, module khác đóng cắt thyristor 3.3.5 TCSR (Thyristor- Controlled Series Reactor) – Đi n kháng n i ti p u khiển thyristor: TCSR bù c m kháng có chứa kháng nối tiếp mắc song song với điện kháng điều khiển thyristor nhằm điều chỉnh c m kháng cách liên tục, minh họa hình 3.8 Khi góc pha TCR 90 0, khơng dẫn điện, điện kháng không điều khiển ho t động h n chế dòng cố Khi góc pha gi m xuống 90 0, điện kháng t ng gi m góc pha 0, điện kháng t ng hai điện kháng song song với Cũng giống TCSC, TCSR khối lớn riêng lẻ vài khối nhỏ 3.3.6 TSSR (Thyristor- Switched Series Reactor) – kháng n n i ti p đóng mở thyristor) TSSR bù c m kháng có chứa kháng nối tiếp mắc song song với điện kháng đóng cắt thyristor nhằm điều chỉnh c m kháng theo bậc Giống TCSR, khóa thyristor đóng cắt (khơng có điều khiển góc pha), sơ đ minh họa hình 3.8 Hình 3.8 Cấu tạo chung TCSR TSSR Các điều khiển nối tiếp nói chung có chức tương tự nhau, nhiên mức độ điều khiển điều chỉnh điện áp, dịng cơng suất, n định động, n định tĩnh khác tùy thuộc vào lo i điều khiển khác Các chức là: - Điều chỉnh dịng điện Giới h n dòng điện cố 51 Chương 3.T ng quan hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) - 3.4 Gi m dao động công suất Nâng cao n định động n định độ n định điện áp Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp- song song 3.4.1 UPFC (Unified Power Flow Controller) UPFC kết hợp STATCOM SSSC với phần chiều chung, cho phép dịng cơng suất tác dụng theo c hai chiều đầu nối tiếp SSSC đầu song song STATCOε, điều khiển để cung cấp bù công suất ph n kháng tác dụng cách đ ng th i mà không cần ngu n điện bên UPFC, cách đưa thêm vào điện áp nối tiếp cách tự nhiên, có kh điều khiển, đ ng th i có lựa chọn, điện áp đư ng dây truyền t i, điện kháng, góc pha, dịng cơng suất tác dụng, ph n kháng ch y đư ng dây UPFC cung cấp bù ph n kháng ngang có điều khiển cách độc lập Trong UPFC bao g m STATCOM SSSC, công suất tác dụng cho khối nối tiếp (SSSC) lấy từ lưới thông qua khối song song STATCOε SSSC dùng để điều chỉnh điện áp cách điều chỉnh công suất ph n kháng Đây điều khiển đầy đủ, điều chỉnh c dịng công suất ph n kháng tác dụng, điện áp đư ng dây Hình 3.9 Cấu tạo chung UPFC Bộ dự trữ lượng b sung BESS SMES nối với chiều thông qua giao diện điện tử cung cấp cách thức để tăng cư ng thêm hiệu qu UPFC Như nhắc đến phần trên, trao đ i dịng cơng suất tác dụng có điều khiển với ngu n bên ngoài, chẳng h n dự trữ, hiệu qu nhiều 52 Chương 3.T ng quan hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) việc điều khiển động hệ thống điều biến trao đ i công suất hệ thống Về chức năng, UPFC có chức STATCOε SSSC, là: - Điều khiển dịn cơng suất tác dụng ph n kháng t i nút bù Tăng cư ng tính n định tĩnh n định động hệ thống Gi m dao động công suất x y cố hệ thống Có kh vận hành chế độ cố tiếp tục điều khiển lo i trừ cố 3.4.2 TCPST (Thyristor- Controlled Phase Shifting Transformer) TCPST - biến áp dịch pha điều khiển thyristor, biến áp dịch pha điều chỉnh khóa thyristor để thay đ i góc pha cách nhanh chóng, biểu diễn hình 3.10 Hình 3.10 Cấu tạo chung TCPST Nói chung, dịch pha đ t cách thêm vector điện áp vng góc nối tiếp với pha Vector lấy từ hai pha l i thông qua biến áp mắc ngang song song Điện áp nối tiếp vng pha t o thay đ i nhiều lo i cấu trúc điện tử cơng suất Bộ điều khiển cịn gọi TCPAR (Thyristor- Controlled Phase Angle Regulator) TCPST có chức giống điều khiển FACTS khác, nhiên, chức điều chỉnh góc lệch pha điện áp pha đư ng dây, có kh điều khiển dịng công suất cao 53 Chương 3.T ng quan hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) 3.4.3 TCVL (Thyristor- Controlled Voltage Limiter) – Bộ giới h n n áp u chỉnh thyristor TCVL biến tr oxit kim lo i (εOV) sử dụng để giới h n điện áp hai đầu q trình q độ Hình 3.11 TVCR Khóa đóng m thyristor nối nối tiếp với chống sét van khơng khe h , hình 3.11, phần chống sét van khơng có khe h (10-20%) nối vịng qua khóa thyristor để làm gi m mức độ giới h n điện áp Nói chung, εOV có ý nghĩa quan trọng so với chống sét van Như hình γ.11, TCVL thông thư ng dùng để h n chế q điện áp động, khơng có ngăn c n q điện áp động diễn hàng chục chu kỳ 3.4.4 TCVR (Thyristor- Controlled Voltage Regulator) – u chỉnh n áp u chỉnh thyristor TCVR biến áp cung cấp điện áp pha với kh điều chỉnh trơn Trong thực tế, thiết bị biến áp thơng thư ng với đầu điều chỉnh điều khiển thyristor với biến đ i điện áp xoay chiều sang xoay chiều điều khiển thyristor để đưa thêm vào điện áp xoay chiều thay đ i pha nối tiếp với đư ng dây, biểu diễn hình 3.12 54 Chương 3.T ng quan hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Hình 3.12 TCVR loại dựa đầu phân áp loại dựa đưa thêm điện áp vào đường dây 3.5 Kết luận Hệ thống truyền t i điện xoay chiều linh ho t FACTS có ứng dụng rộng rãi việc nâng cao kh truyền t i, nâng cao mức độ n định tĩnh, n định động, n định điện áp gi m dao động hệ thống điện Các thiết bị FACTS thiết kế chế t o với nhiều lo i khác tương ứng với lo i điều khiển thơng số điều khiển hệ thống điện Nhìn chung thiết bị FACTS chia thành thiết bị điều khiển dọc, ngang t hợp chúng Các thiết bị bù dọc có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển dịng điện dịng cơng suất hệ thống truyền t i Ngồi chúng cịn sử dụng để tăng cư ng mức độ n định gi m dao động hệ thống điện Các thiết bị bù ngang có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển giữ điện áp t i điểm nút hệ thống điện, cịn có tác dụng bù cơng suất ph n kháng, nâng cao n định tĩnh n định động, gi m dao dộng hệ thống điện Các thiết bị FACTS thiết kế, chế t o lắp đặt ph biến giới với nhiều chủng lo i tương ứng với thông số điều khiển hệ thống điện Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển, tr ng liên kết lưới điện tính tốn chi phí đ ầu tư xây dựng lợi ích kinh tế mà thiết bị FACTS mang l i Nói chung thiết bị FACTS đắt tiền, thiết bị điều khiển hỗn hợp, bù dọc lẫn bù ngang Chính thiết bị điều khiển hỗn hợp UPFC, TCPST, ứng dụng thực tế Trên giới nay, có lo i thiết bị FACTS lắp đặt nhiều chứng tỏ hiệu qu ho t động chúng, TCSC để bù dọc SVC để bù ngang 55 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Chương Cấu t o nguyên lý làm vi c thi t bị bù tĩnh STATIC VAR COMPENSTATOR (SVC) SVC (Static Var Compensator)- Là thiết bị bù tĩnh có dung lượng bù thay đ i được, nối song song với lưới điện, cơng suất đầu điều chỉnh để trao đ i dòng điện điện c m điện dung để trì điều khiển thông số cụ thể hệ thống điện (điển hình điện áp nút) 4.1 Vai trị SVC Một số ứng dụng SVC: Hình 1:một só chức SVC a Chức SVC điều khiển điện áp trào lưu cơng suất phản kháng điểm mà nối vào lưới điện Cơng suất ph n kháng có nh hư ng lớn tới điện áp, mà SVC thiết bị có kh t o tiêu thụ công suất ph n kháng Trong thống điện với cố ngắn m ch hay đư ng dây dài có kho ng cách lớn chất lượng điện áp bị nh hư ng b i thay đ i công suất t i.Với công suất t i lớn điện áp bị gi m đáng kể Quá áp nguyên 56 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC nhân gây nên tượng bão hòa m ch từ máy biến áp,và làm tăng vọt thành phần sóng hài máy phát điện Các thành sóng hài cộng hư ng với tụ điện c m kí sinh đư ng dây dẫn đến ph hỏng thiết bị điện b Chức quan trọng giới hạn thời gian cường độ áp xảy cố bình thuờng tải đột ngột điểm đường dây ngắn mạch yếu.Vì SVC ph n ứng vòng 10ms,nên th i gian áp gi m xuống thấp th i gian chỉnh định b o vệ hệ thống Rơ le.Do Rơ le khơng cần tác động tính chất t i điện liên tục đuợc nâng cao Đặc điểm quan trọng đối vơi đư ng dây cáo áp siêu cao áp nước ta có chiều dài lớn nên nhiều trư ng hợp ph i ngắn m ch phía đo n đư ng dây nên dẫn đến tượng áp c n đinh dao đ ộng công suất hữu công Dao đông công suất hữu công hiên tượng xay sau q trình q độ,ví dụ t i thình lình, gi m bớt cơng suất phát điện t i ngu n tự động đóng l i sau cố…Hệ thống t i điện yếu tượng dễ x y Khi có dao động cống suất hữu công, SVC điều khiển n định cách m góc m Thyristor TCR gần tức th i để n đinh công suất hữu công d Giảm cường độ dịng điện vơ cơng gi m bớt t n thất gây b i dòng điện đư ng dây mà nhà máy phát điện ph i cung cấp.Nói chung tiết kiệm lượng tăng suất của hệ thống điện e Tăng khả tải đường dâỔ tăng độ dự trữ n định.Công suất truyền t i hệ thống điện thư ng giới h n b i cấp điện áp điện kháng máy biến áp hệ thống.Gi sử bù đư ng dây: 57 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Bình thư ng chưa bù: P  Sau bù Es Er Sin XL đư ng dây: P  Es Er  Sin XL Như cơng suất max tăng gấp lần bình thư ng, kh truyền t i độ giữ trữ n đinh tăng gấp đôi g Cân phụ tải khơng đối xứng SVC có kh giữ điện áp n định theo pha riêng rẽ nên làm cho khơng đối xứng phụ t i gi m xuống Sự không đôi xứng xuất t i pha có nh hư ng đến chất lượng điện áp hệ thống điện Vì cân phụ t i nhiệm vụ quan trọng h Cải thiện n định sau cố Để cho hệ thống điện giữ đuợc tr ng thái n định sau nhiễu lo n lớn việc lo i trừ cố tác động phần tử b o vệ Hệ thống ph i giữ công suất truyền t i nhỏ giá trị công suất giới h n n định Khi thiết bị 58 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC SVC đuợc ứng dụng kh t i đuợc dây tăng lên,và theo giá trị cơng suất giới h n n định tăng lên Mặt khác, thông qua SVC ta giữ cơng suất truyền t i cách thay đ i góc m Thyristor TCR 4.2 Cấu tạo SVC -Về mặt cấu t o SVC có d ng cấu hình là: TCR/FC TCR/TSC Cấu hình TCR/FC Cấu hình TCR/TSC Hình 2:Các cấu hình SVC -TCR bao g m cuộn kháng van Thyristor Nhánh TCR điều khiển cách liên tục công suất ph n kháng cách thay đ i biên độ dòng điện ch y qua cuộn kháng -TSC bao g m van thyristor, tụ điện cuộn kháng h n chế tăng dòng qua van (surge current) TSC điều khiển để đóng ngắt tụ khỏi hệ thống -Bộ lọc FC dùng để phát lượng cố định công suất ph n kháng lọc sóng hài dịng điện t o b i TCR 4.3 Nguyên lý hoạt động TCR 59 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Dòng điện điện kháng điều khiển từ giá trị lớn tới cách điều khiển góc m  Hình 3: d ng sóng vận hành với góc m  Biên độ IL(α) thành phần dòng điện b n iL(α) biểu thị hàm góc α sau: I L ( )  V (1    sin 2 ) (4.1) L   Trong V biên độ điện áp ngu n, δ điện c m điện kháng điều khiển thyristor, ω tần số góc điện áp ngu n 60 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Hình 4: Biến thiên biên độ dịng điện thành phần b n qua TCR phụ thuộc góc m α TCR điều chỉnh dịng điện b n ch y qua điện kháng, nhìn từ phía lưới TCR coi điện dẫn c m kháng thay đ i giá trị Vì thế, điện dẫn c m kháng hiệu dụng TCR xác định từ công thức (β.β), hàm góc α sau: B L ( )  1 (1    sin 2) (4.2) L   Ý nghĩa (2.3) với góc điều khiển α, điện dẫn BL(α) xác định, xác định biên độ thành phần dòng điện b n ILF(α) TCR điện áp ngu n cho trước Trong ứng dụng thực tế, biên độ lớn điện áp ngu n dòng điện bị giới h n b i giá trị định mức công suất mà thành phần (điện kháng, van thyristor) sử dụng Vì thế, TCR thực tế vận hành điểm vùng V-I xác định, đư ng biên xác định điện dẫn lớn đ t được, điện áp dịng điện định mức, minh họa hình Giới h n TCR thiết lập thiết kế từ u cầu vận hành thực tế Hình 4: Đặc tính V-I 61 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC góc điều khiển cố định, thư ng α = tr thành Nếu khóa TCR bị giới h n TSR-Thyristor-Switched Reactor (Điện kháng đóng cắt thyristor) TSR t o điện dẫn c m kháng cố định đó, nối với hệ thống lưới xoay chiều, dịng điện ch y qua tỉ lệ với điện áp ngu n Một vài TSR t o điện dẫn điều chỉnh gián đo n theo bậc Nếu TSR vận hành α = 0, dòng điện xác lập có d ng hình sin -Sóng hài: Điều khiển góc dẫn dịng (đặc tính vận hành TCR) dẫn đến kết qu d ng sóng dịng điện khơng cịn hình sin Nói cách khác, ngồi thành phần b n, TCR cịn sinh sóng hài Trong nửa chu kỳ dịng điện dương, âm xác định, có sóng hài bậc lẻ t o Biên độ sóng hàm góc điều khiển α, thể công thức: I Ln ()  V  sin  cos(n)  n cos  sin(n)    (4.3) L   n (n  1)  với n = 2k+1, k = 1, 2, 3, Hình 5: Biên độ thành phần dịng điện bậc cao TCR so với α Trong hệ thống γ pha, ngư i ta sử dụng TCR pha nối tam giác Trong điều kiện cân bằng, dòng điện hài với bậc bội ch y quẩn TCR nối tam giác không vào hệ thống điện 62 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Ngoài để đ t yêu cầu kỹ thuật kinh tế lý thực tế khác, ngư i ta sử dụng lọc sóng hài Thơng thư ng, lọc nhanh LC LCR nối tiếp với song song với TCR hịa hợp với sóng hài chiếm ưu lớn, bậc 3, 5, 7, bậc 11,13 4.4 Nguyên lý hoạt động TSC Trong chế độ xác lập, thyristor dẫn TSC nối với ngu n áp xoay chiều, v = Vsinωt dịng điện nhánh i(t )  V n  LC  n2 C cos t n 1 XL XC Biên độ điện áp tụ VC  n2 V n 1 (3.4) Nhánh TSC không nối vào HT (bị ngắt ra) lúc dòng điện Khi dòng điện qua giá trị 0, điện áp tụ điện đ t giá trị cực đ i ta có: v C ,i   Tụ điện không nối giữ điện áp n2 V n 1 mức dẫn đến điện áp ngược đặt lên thyristor thay đ i từ lên đến giá trị biên độ dao động kép (peak to peak) điện áp ngu n Nếu điện áp tụ bị ngắt không đ i, TSC đóng l i mà khơng có q trình độ, t i giá trị đỉnh phù hợp điện áp ngu n Hình 6: D ng sóng minh họa q trình đóng cắt khơng có q trình độ TSC 63 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Thông thư ng, b n tụ điện bị phóng điện sau bị ngắt khỏi ngu n, việc nối l i tụ điện ph i thực với phần điện áp dư tụ nằm kho ng giá trị giá trị lớn tụ v C,i 0  độ nhỏ thyristor đóng n2 V Điều kèm với nhiễu n 1 th i điểm điện áp dư tụ điện áp ngu n nhau, nghĩa điện áp qua thyristor Các trình độ gây b i thành phần dv/dt khác th i điểm đóng, khơng có điện kháng nối tiếp t o dòng điện tức th i ic=Cdv/dt (Dòng điện biểu thị cho giá trị tức th i dòng điện qua tụ chế độ xác lập t i th i điểm đóng khóa) Tác động qua l i tụ điện điện kháng h n chế dòng điện, với điện tr , sinh dao động độ, thấy d ng sóng điện áp dịng điện (Chú ý q trình q độ đóng tụ điện phóng điện hồn tồn phức t p so với tụ điện phóng điện phần thành phần dv/dt điện áp ngu n đ t giá trị lớn điểm qua giá trị đó) Những điều kiện để đóng tụ điện “khơng q độ”: Nếu điện áp dư tụ điện thấp đỉnh điện áp ngu n (Vc V) th i điểm đóng điện áp ngu n đ t cực đ i, điện áp đặt lên thyristor nhỏ Từ phân tích ta thấy, góc điều khiển lớn để đóng b n tụ c chu kỳ điện áp ngu n, nghĩa kho ng th i gian từ đỉnh dương (hoặc âm) đến đỉnh dương (hoặc âm) Và thấy điều khiển góc m α khơng áp dụng tụ điện, việc đóng tụ điện diễn th i điểm cụ thể chu kỳ mà điều kiện để trình độ diễn đỡ phức t p Vì lý mà TSC cung cấp thay đ i theo bậc dòng điện dung (giá trị lớn 0) Nói cách khác, nhánh TSC biểu thị cho điện dung nối ngắt khỏi hệ thống Dòng điện nhánh TSC thay đ i tuyến tính với điện áp ngu n tùy thuộc vào điện dung tụ điện Điện áp ngu n lớn dòng điện tương ứng bị giới h n b i định mức thành phần TSC (tụ điện thyristor) 64 Chương 4.Cấu tạo nguyên lý làm việc thiết bị bù tĩnh SVC Để xấp xỉ thay đ i dòng điện, ngư i ta thư ng sử dụng vài TSC song song (làm tăng điện dung bậc), phối hợp với nhánh TCR 4.5 Nguyên lý hoạt động FC Nhánh FC (Fixed Capacitors) SVC bao g m tụ điện cuộn kháng ho t động lọc xoay chiều FC lọc thành thành sóng hài dịng điện ho t động TCR t o Ngồi nhành FC cịn có kh phát lượng công suất ph n kháng định lên lưới 65