Nghiên ứu ứng dụng thiết bị svc trong ổn định hệ thống điện áp dụng ho lưới mẫu ieee 30 nút

- Tiêu chuẩn đánh giá ổn định điện áp tĩnh là tại điều kiện vận hành ban đầu của các nút trong hệ thống, biên độ điện áp nút tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào chính nút đó tăng l

LU Ậ N VĂN TH Ạ C SĨ Ỹ K THU Ậ T

VƯƠNG HOÀNG THANH

vhthanh15789@gmail.com

Ngành Kỹ thuậ ệ t đi n Chuyên ngành H ệ thố ng đi ệ n

Gi ảng viên hướ ng dẫn: TS Trương Ngọc Minh

B môn: ộ H thệ ống điện

Vi ệ n: Điện

HÀ N I, 11/2019 Ộ

LU Ậ N VĂN TH ẠC SĨ KỸ THU Ậ T

VƯƠNG HOÀNG THANH

vhthanh15789@gmail.com

Ngành Kỹ thuậ ệ t đi n Chuyên ngành Hệ ố th ng đi n ệ

Gi ảng viên hướ ng dẫn: TS Trương Ngọc Minh

Vi ệ n: Điện

HÀ N I, 6/2020 Ộ

Chữ ký của GVHD

trường Đại h ọc Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Trương Ngọc Minh đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tác giả luận văn

Vương Hoàng Thanh

Tôi xin cam đoan uận văn này do tôi tổng hợp và thực hiện Các kết quả phân tl ích hoàn toàn trung thực, nội dung bản Thuyết minh chưa được công bố Luận văn có sử dụng tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Vương Hoàng Thanh

MỤC LỤC iii

Danh mục ký hiệu, các chữ viết tắt: iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn 1

3 Nội dung chính và bố cục của luận văn 1

4. Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết luận 2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 3

1.1 Khái niệm chung về ổn định điện áp 3

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp 6

1.3 Hậu quả của mất ổn định điện áp 6

1.4 Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép 8

1.5 Các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu sụp đổ điện áp 9

1.5.1 Các biện pháp quản lý và vận hành 9

1.5.2 Các biện pháp quy hoạch và thiết kế 10

1.6 Kết luận 12

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC 14

2.1 Giới thiệu chung 14

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR 14

2.2.1 Cấu tạo 14

2.2.2 Nguyên lý hoạt động 15

2.2.3 Các hiệu ứng phụ 18

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 19

2.3.1 Cấu tạo 19

2.3.2 Đặc tính điều chỉnh 20

2.4.Thiết bị bù ngang SVC 22

2.4.1.Cấu tạo và nguyên lý vận hành 22

2.4.2 Các thành phần điều khiển của SVC 24

3.1.1 Nhánh chuẩn và sơ đồ tính toán lưới điện 43

3.1.2 Mô hình đường dây trên không và cáp 45

3.1.3 Mô hình các máy biến áp điện lực 48

3.1.4 Mô hình kháng điện và tụ điện 49

3.1.5 Mô hình phụ tải 49

3.1.6 Mô hình phụ tải cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải 51

3.2 Hệ phương trình tính toán trào lưu công suất 53

3.3 Phương pháp Newton-Raphson 55

3.3.1 Cơ sở toán học 55

3.3.2 Hệ phương trình phi tuyến 57

3.3.3 Tính toán trào lưu công suất 58

CHƯƠNG IV: PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 68

4.1 Hệ thống đơn giản 68

4.2 Hệ ố th ng phức tạp bất kỳ 75

CHƯƠNG V:ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA SVC TRONG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ÁP DỤNG TRONG LƯỚI ĐIỆN MẪU IEEE 30 NÚT 79

5.1 Chương trình tính toán 79

5.2 Sơ đồ tính toán IEEE 30 81

5.3 Kết quả mô phỏng 86

5.3.1 Chế độ xác lập khi chưa thay đổi phụ tải hệ thống 86

5.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của SVC 88

5.3.2.1 Điện áp các nút 24, 29, 30 khi chưa đặt SVC 88

5.3.3.2 Đặt SVC tại nút số 30 89

5.3.3.3 Đặt SVC tại nút số 29 90

5.3.3.4 Đặt SVC tại nút số 24 hiện đang sử dụng 1 tụ bù 91

5.3.3.5 Đặt SVC tại nút 30 và thay đổi hệ số phụ tải nút 24 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

- ÔĐĐA : Ổn định điện áp

- SĐĐA : Sụp đổ điện áp

- MBA : Máy biến áp

- CSPK : Công suất phản kháng

- VAR : Volt – Amperes Reactive

- SVC : Static VAR Compensator

- TSC : Thyristor Switched Capacitor

- TCR : Thyristor Controller Reactor

- TSR : Thyristor Switched Reactor

- FACTS : Flexible Alternating Current Transmission Systems

Bảng 4.1: Kết quả tính toán điện áp nút 2 74

Bảng 5 1: Số liệu nút hệ thống IEEE30 82

Bảng 5 2: Số liệu nhánh hệ thống IEEE30 83

Bảng 5 3: Kết quả mô phỏng của hệ thống khi ở chế độ xác lập 86

Hình 1 1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian 5

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC 14

Hình 2.2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR 15

Hình 2.3: Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR phụ thuộc góc mở α 17

Hình 2.4: Đặc tính V I của TCR- 18

Hình 2.5 : Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành 19

Hình 2.6: Dạng sóng minh họa quá trình đóng cắt không có quá trình quá độ của TSC 20

Hình 2 7 Đặc tính V I của TSC- 21

Hình 2.8:Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so với công suất đầu ra 23

Hình 2.9: Đặc tính V-I của SVC 24

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC 24

Hình 2 11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC 25

Hình 2.12: Bộ điều chỉnh điện dẫn và các thiết bị chuyển mạch cơ: 27

Hình 2 13: Mô hình cơ bản 1 của IEEE 28

Hình 2.14: Mô hình cơ bản 2 của IEEE 29

Hình 2.15: Sơ đồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR 31

Hình 2.16: Đặc tính làm việc của SVC 33

Hình 2.17: Đặc tính làm việc mềm của SVC 33

Hình 2.18: Sóng của điện áp đầu ra của mạch thuần trở có thyristor 34

Hình 2.19: Ảnh hưởng của góc cắt α đến dòng điện của thyristor 35

Hình 2.20: Sóng của tín hiệu dòng điện của TCR 36

Hình 2.21: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR theo góc cắt α 38

Hình 2.22: Đặc tính điều chỉnh công suất SVC 39

Hình 2.23: Đường đặc tính của SVC 40

Hình 2.24: Sơ đồ 2 mô hình tương đương của SVC 41

Hình 3.1: Nhánh chuẩn nối giữa nút i và nút j 44

Hình 3.2: Minh họa sơ đồ nhánh chuẩn 44

Hình 3.3: Sơ đồ thay thế đường dây điện áp U > 35kV 45

Hình 3.7: Sơ đồ thay thế MBA 2 cuộn dây 48

Hình 3.8: Sơ đồ thay thế MBA 3 cuộn dây 49

Hình 3.9: Ảnh hưởng điều chỉnh tự động của máy biến áp 51

Hình 3.10: Công suất tại nút i bất kỳ 53

Hình 3.11: Minh họa phương pháp Newton-Raphson 57

Hình 3.12: Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson 66

Hình 3.13: Sơ đồ thuật toán kiểm tra nút PV 67

Hình 4.1: Hệ thống đơn giản 68

Hình 4.2: Đồ thị PV củ a nút 2 71

Hình 4.3: Giá trị iS khi thay đổi công suất tại nút 2 74

Hình 4.4: Sơ đồ khối thuật toán xác định iS của hệ thống 78

Hình 5.1: Giao diện chương trình 79

Hình 5.2: Giao diện nhập thông số hệ thống 80

Hình 5.3: Giao diện nhập số liệu các nhánh 80

Hình 5.4: Sơ đồ hệ thống IEEE30 81

Hình 5.5: Giao diện chính của chương trình với mạng lưới IEEE 30 nút 85

Hình 5.6: Đồ thị điện áp của các nút 24, 29, 30 88

Hình 5.7: Đồ thị so sánh tại nút 30 trước và sau khi lắp SVC 89

Hình 5.8: Đồ thị so sánh tại nút 29 trước và sau khi đặt SVC 90

Hình 5.9: Đồ thị so sánh nút 24 trước và sau khi đặt SVC 91

Hình 5.10: Đồ thị biểu diễn điện áp nút 24, 30 trong trường hợp tăng tải cục bộ 92

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài:

Ngày nay, điện năng đóng vai trò hết sức quan trọng trong nền phát triển kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia Nguồn điện phải đáp ứng được nhiều yêu cầu về công suất và chất lượng điện năng

Điện áp trong hệ thống điện luôn biến đổi là do sự biến đổi không ngừng của phụ tải, trước hết là công suất phản kháng Sự biến đổi điện áp dẫn đến hậu quả là chất lượng điện năng ở các thiết bị dùng điện không đạt yêu cầu làm ảnh huởng việc vận hành hệ thống điện Điện áp ảnh huởng trực tiếp đến tổn thất công suất và điện năng trong hệ thống điện Để giảm tổn thất và ổn định hệ thống điện thì một trong những biện pháp khá hữu hiệu là bù công suất phản kháng cho hệ thống điện

Trong các biện pháp thì bù công suất phản kháng cho hệ thống điện bằng thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Conpesator) là một biện pháp đem lại hiệu quả rõ rệt Vì vậy, tác giả

chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC trong ổn định hệ thống điện Áp dụng cho

lưới mẫu IEEE 30 nút”

2. Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận văn

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu về ổn định điện áp, nghiên cứu chỉ số ổn định điện áp iS

Đối tuợng nghiên cứu: thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp xác định điểm sụp đổ điện áp và trên

cơ sở đó ứng dụng thiết bị bù tĩnh SVC – Static VAR Compensator trên lưới mẫu IEEE

30 nút để nâng cao ổn định điện áp của hệ thống điện

3 Nội dung chính và bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn đuợc trình bày trong 5 chương:

- Chương I: Tổng quan về ổn định điện áp

- Chương II Thiết bị bù tĩnh SVC:

- Chương III: Tính toán phân tích chế độ xác lập của Hệ thống điện

- Chương IV: Phương pháp đánh giá ổn định điện áp

- Chương V: Đánh giá vai trò của SVC trong ổn định điện áp áp dụng trong lưới điện mẫu IEEE 30 nút

4. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn xây dựng một phương pháp tính toán nhanh giới hạn mất ổn định điện áp dựa trên kết quả tính trào lưu công suất và định luật Kirchoff Phương pháp này cho phép xác định các chế độ vận hành tại thời điểm bất kỳ và các khu vực, các nút bất kỳ có nguy

cơ mất ổn định điện áp, giới hạn ổn định và có thể sử dụng để phân tích các nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp

Đặt vị trí SVC ở các điểm trên lưới điện IEEE 30 nút, đánh giá sự ổn định điện áp bằng chương trình tính toán được viết bằng ngôn ngữ VBA (Visual Basics Application)

5 Kết luận

Các kết quả nghiên cứu của luận văn nhằm tìm hiểu sâu về công nghệ FACTS, Đặc biệt chú ý là thiết bị bù tĩnh SVC ứng dụng qua các mạng điện cụ thể, tìm hiểu các lợi ích thu được khi lắp đặt thiết bị này lên lưới điện Đi sâu nghiên cứu bù công suất phản kháng

sử dụng SVC để cải thiện ổn định điện áp trong hệ thống điện

Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến bài toán ứng dụng SVC để cải thiện chất lượng điện năng

Làm tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu bù công suất phản kháng sử dụng SVC trong vận hành hệ thống điện

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Ổn định điện áp ( ĐĐ ) không phải là vấn đề mới của ngành công nghiệp điện năng nhưng vẫn nhận được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong nhiều thập kỷ trở lại đây Các vấn đề liên quan đến điện áp thường xảy ra trong các hệ thống điện yếu và những đường dây dài do sự tăng cao của nhu cầu phụ tải Nhiều công trình nghiên cứu đã và đang trình bày về sự quan trọng của ÔĐĐA, một vài trường hợp mất ÔĐĐA dẫn đến hệ thống điện lớn bị sụp đổ xảy ra trên thế giới cho thấy hậu quả rất nghiêm trọng của loại sự cố này

Các hệ thống điện (HTĐ) lớn ngày nay thường phải vận hành ở những chế độ nặng

nề, nên vấn đề đảm bảo ÔĐĐA và các biện pháp kỹ thuật cải thiện điện áp và điều chỉnh điện áp là rất cần thiết Nếu không có các tác động điều khiển hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục hoặc khi xảy ra sự cố hệ thống có thể mất ổn định

1.1. Khái niệm chung về ổn định điện áp.

Ổn định của HTĐ là khả năng của một HTĐ duy trì được trạng thái cân bằng ở chế

độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng mới khi có kích động nào đó đến hệ thống

Ổn định điện áp tĩnh (Static voltage stability):

- Ổn định điện áp tĩnh là khả năng hệ thống có thể kiểm soát được điện áp tại các nút nếu có các kích động lớn như sự biến thiên (tăng thêm) của hệ thống phụ tải Tình trạng

ổn định này được xác định thông qua đặc tính phụ tải, điều khiển liên tục hay rời rạc trong các khoảng thời gian ngắn Trạng thái ổn định ban đầu khi hệ thống vận hành là yếu tố chính góp phần làm cho hệ thống mất ổn định khi có các kích động bé Vì thế, phương pháp phân tích tĩnh có tác dụng xác định giới hạn ổn định, các yếu tố ảnh hưởng đến mất

ổn định hệ thống trong trạng thái vận hành ban đầu

- Tiêu chuẩn đánh giá ổn định điện áp tĩnh là tại điều kiện vận hành ban đầu của các nút trong hệ thống, biên độ điện áp nút tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào chính nút đó tăng lên Hệ thống là không ổn định nếu biên độ điện áp nút giảm đi khi tăng công suất phản kháng bơm vào nút Nói cách khác, hệ thống ổn định tĩnh nếu độ nhạy 

của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động lớn đến

hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn,…Chỉ tiêu của ổn định động

là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức

Giả sử, một HTĐ đang ở trạng thái ổn định Khi có thay đổi nào đó trong HTĐ thì

hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động Nếu dao động lớn thì HTĐ có thể rời khỏi trạng thái ổn định với điểm vận hành ổn định cũ và xuất hiện quá trình quá độ để thiết lập lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới Nếu sự thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải thay đổi liên tục) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi Đây chính là mục tiêu mong muốn khi vận hành HTĐ Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn đến không

có điểm vận hành ổn định nữa Vì không tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống

sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp Quá trình này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó là giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã

Quá trình mất ĐĐ được chia thành 3 giai đoạn tùy vào mức độ nghiêm trọng mà Ô A diễn ra trong vòng từ vài giây đến vài phút như sau:

a Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất Ví dụ: SV– C, HVDC), quá trình này diễn ra trong vài giây;

b Các thiết bị đóng cắt như các đầu phân áp của MBA điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây;

c Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút;

Khi phân tích ÔĐĐ , giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai đoạn (2) và (3) Ađược gọi là giai đoạn dài hạn Hình 1.1 mô tả hiện tượng ÔĐĐA theo các giai đoạn ở trên:

Hình 1 1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian

Mất ÔĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận hành gần điểm giới hạn tải), hoặc HTĐ có sự cố (ví dụ như sự cố mất đường dây), hoặc HTĐ thiếu hụt CSPK Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống và thông số của các phần tử đó

Từ đó ta có thể thấy, hiện tượng này tuy chỉ liên quan đến một khu vực trong hệ thống nhưng hậu quả của nó làm ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống

Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong giai đoạn dài hạn Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các hậu quả từ giai

Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC,

HVDC, động cơ cảm ứng,…

Tự khôi phục các phụ tải, AGC,

đầu phân áp, bộ giới hạn kích

đoạn quá độ; ví dụ: SĐĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết thúc nếu có sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn quá độ

1.2 Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp

Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là yêu cầu CSPK của phụ tải không được đáp ứng do giới hạn về phát và truyền tải CSPK Các giới hạn về CSPK bao gồm giới hạn của máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt giảm CSPK của các tụ ở điện

áp thấp Các giới hạn về truyền tải CSPK là tổn thất CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây dẫn đến giảm công suất truyền tải

Các nguyên nhân gây mất ổn định điện áp bao gồm:

• Công suất truyền tải trên các đường dây quá lớn

• Điện áp tại nguồn phát quá thấp

• Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa

• Dung lượng bù CSPK không đủ

• Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ

1.3 Hậu quả của mất ổn định điện áp

Mất ĐĐ gây tác động trực tiếp đến các phụ tải Với các nhà máy công nghiệp, Ô A mất ĐĐ ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc và chất lượng sản xuất Tuổi thọ của Ô A các thiết bị và các khâu an toàn trong công nghiệp cũng không đảm bảo Mất ÔĐĐA còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện sinh hoạt,…

SĐĐA là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ, SĐĐA thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy phát, mất đường dây công suất lớn,… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho phép rất nhanh Các biện pháp giữ OĐĐA đã đạt đến giới hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên tiếp trong hệ thống trong thời gian rất ngắn Hậu quả của SĐĐA là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã Dưới đây là một số sự cố SĐĐA trên thế giới và tại Việt Nam:

Sự cố mất điện trên diện rộng tại Mỹ ngày 9/11/1965: do nhân viên bảo trì đặt mức

điện áp ngắt cầu chì trên hệ thống truyền tải đường dây 230kV quá thấp, lại đúng vào thời tiết lạnh, nhu cầu điện sưởi lên cao dẫn đến cầu chì bị ngắt làm mất điện toàn lộ đường dây này Điện năng được khai thác từ nhà máy thủy điện thác Niagra dồn về các lộ đường dây khác lớn làm quá tải hệ thống dẫn đến sụp đổ điện áp gây mất điện trên diện rộng Các vùng bị ảnh hưởng kéo dài từ bang Connecticut, Massachusetts, New Hampshire, Rhode Island, Vermont, New York và New Jersey ở Mỹ sang bang Ontario ở Canada với 30 triệu người dân bị mất điện

Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp: Từ 7 giờ đến 8 giờ phụ tải tăng nhanh

đến 4600MW vượt mức bình thường là 1600MW, trong lúc HTĐ đang phải nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh Điều này khiến điện áp giảm mạnh trong khoảng thời gian từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV) Sau đ khiến điện áp trên lưới truyền ó tải giảm từ 400kV xuống còn khoảng 342kV-374kV, dòng tăng lên khiến bảo vệ quá dòng tác động cắt thêm một số đường dây quan trọng Tổng hợp các yếu tố trên dẫn đến sự cố (tan rã HTĐ) mất điện trên diện rộng Hậu quả là tổng năng lượng không truyền tải được là 100GW, lượng tải bị cắt là 29GW và thiệt hại dự tính khoảng 200-300 triệu USD

đầu là do tải tăng cao đột biến vào thời gian buổi trưa, tăng lên khoảng 1%/phút (400MW/phút) Trung tâm điều độ đã đóng hết các tụ bù, nhưng điện áp vẫn giảm thấp nhanh chóng trên hệ thống truyền tải 500kV xuống còn 370kV, kết quả là hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số thiết bị quan trọng trên hệ thống và sa thải 8000MW Nguyên nhân chính của sự cố này là do dự báo phụ tải không chính xác

Sự cố mất điện tại Italy, ngày 28/09/2003: Lúc 03 giờ 01 phút 42 giây, có một sự cố

xảy ra trên đường dây 380kV mang tải nặng từ Mettlen Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ - Đường dây truyền tải 400kV Sils Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110% Ngay lập - tức, một đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bị quá tải và bị cắt ra làm mất một lượng tải truyền sang Italy là 740MW Sau sự cố này, các đường dây nhập khẩu điện

từ các nước khác như Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị quá tải và lần lượt bị cắt ra Kết quả là HTĐ Italy đã bị mất điện hoàn toàn, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, thời gian mất điện gần một ngày, thiệt hại về kinh tế là hàng chục tỉ đô la

Sự cố mất điện đồng loạt nhiều tỉnh thành miền Nam Việt Nam ngày 22/05/2013:

Đường dây truyền tải 500kV dài 1.487km mạch 1, đang cung cấp cho Miền Nam lượng điện năng khá lớn truyền tải sản lượng khoảng 2.000GWh vào thành phố Hồ Chí Minh mỗi năm với công suất đỉnh là 600MW 800MW Sự cố (blackout) xảy ra khoảng 14h19 - ngày 22/05/2013, là do một cây chạm vào đường dây 500kV Di Linh – Tân Định, ở khoảng cột 1072 1073 gần trạm biến áp Tân Định Trong lúc đường dây đang truyền tải - với công suất cao làm mất liên kết HTĐ 500kV Bắc Nam Gây nhảy tất cả các tổ máy – phát điện trong hệ thống điện miền Nam, sau đó là sự tan rã kế tiếp nhau các mạch truyền tải và phân phối Sự cố dẫn đến phản ứng dây chuyền ở 19 nhà máy phía Nam: 43 tổ máy

bị ngưng hoạt động Tổng công suất bị cắt là 9400MW (tương đương với 9 lò phản ứng hạt nhân) 8 triệu khách hàng (hộ gia đình, công ty, hành chính ), trong đó 1,8 triệu dân thành phố Hồ Chí Minh bị mất điện trong thời gian từ khoảng 1 đến 8 tiếng đồng hồ, ước tính thiệt hại khoảng 14 tỉ đồng

Qua các sự cố trên, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà nguyên nhân của nó có thể vì nhiều lý do khác nhau Các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từ trạng thái vận hành bình thường đến mất ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt

1.4 Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép

Một vấn đề liên quan tới ÔĐĐA là điện áp cho phép Điện áp cho phép là một giá trị nằm trong khoảng lân cận giá trị định mức Ví dụ như điện áp hệ thống truyền tải thường chỉ được phép thay đổi trong phạm vi 5% điện áp định mức Do đó, đảm bảo điện áp trong phạm vi cho phép khi có thay đổi trong hệ thống là rất quan trọng

Điện áp được quyết định bởi sự cân bằng giữa CSPK yêu cầu và CSPK phát Do có tổn thất trên đường dây nên việc truyền tải một lượng lớn CSPK trên đường dây dài thường không hiệu quả Để khắc phục vấn đề này thì phần lớn CSPK phụ tải yêu cầu sẽ

được cung cấp ngay tại đó Bên cạnh đó, các máy phát điện đều có giới hạn CSPK nên đây cũng là nguyên nhân ảnh hưởng tới điện áp trong hệ thống cũng như hiện tượng SĐĐA Các thiết bị thực hiện điều chỉnh điện áp bao gồm:

- Các thiết bị bù tĩnh và có thể đóng/cắt;

- Các thiết bị được điều khiển bằng thyristor;

- Các thiết bị điều áp dưới tải;

- Các máy phát điện

Hiện tượng điện áp thấp xảy ra khi điện áp các thanh cái trong hệ thống ở dưới giá trị cho phép nhưng HTĐ vẫn có thể vận hành Do điểm vận hành ổn định là bền vững và không có sự SĐĐA động nên về bản chất hiện tượng điện áp thấp khác với hiện tượng SĐĐA

Nâng điện áp bằng cách phát thêm CSPK có thể nâng cao giới hạn xảy ra SĐĐA Đặc biệt, các bộ shunt tỏ ra hiệu quả hơn khi cung cấp CSPK tại các thanh cái có điện áp cao Điện áp thấp cũng ảnh hưởng lớn tới chỉ số giới hạn SĐĐA Tuy nhiên, tăng điện áp bằng cách điều chỉnh đầu phân áp của các MBA điều áp dưới tải lại có thể làm giảm giới hạn SĐĐA do nhu cầu CSPK tăng lên

1.5 Các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu sụp đổ điện áp

1.5.1 Các biện pháp quản lý và vận hành

Giới hạn ổn định: Hệ thống nên vận hành với một kế hoạch sử dụng các nguồn

CSPK phù hợp Nếu sự cố SĐĐA không thể ngăn chặn được bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống thì công suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự phòng phải được khởi động Đảm bảo độ tin cậy, tính dự phòng của các thiết bị điều khiển từ xa và thông tin liên lạc

Dự trữ quay: Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để

duy trì điện áp trong phạm vi cho phép Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp, cần thiết lập các yêu cầu về việc dự trữ CSPK được xác định trước

Người vận hành và các trung tâm điều khiển HTĐ: phải nắm vững các hiện tượng

liên quan đến OĐĐA, kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải, và phải có tinh thần trách nhiệm hợp tác để có những quyết định cấp thiết, chính – xác Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng SĐĐA phải được thiết lập ngay

1.5.2 Các biện pháp quy hoạch và thiết kế

Điều khiển điện áp máy phát: Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp

máy phát là điện áp phía cao của MBA tăng áp sẽ được điều chỉnh Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo OĐĐA

Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển: Một trong các nguyên nhân dẫn đến

SĐĐA là thiếu sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ, điều khiển Do vậy, các nghiên cứu

mô phỏng về sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết

Điều khiển đầu phân áp của MBA: Người ta có thể thay đổi đầu phân áp của MBA

để giảm nguy cơ SĐĐA Tuy nhiên, nếu không có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phần áp của MBA thì biện pháp này không sử dụng được khi điện áp phía nguồn giảm Đầu phân áp chỉ được tiếp tục khi thay đổi điện áp phía nguồn hồi phục

Sa thải phụ tải: Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải

phụ tải Về mặt kinh tế đây là biện pháp tối ưu để ngăn chặn hiện tượng SĐĐA lan rộng Điều này đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong hệ thống gây mất OĐĐA thấp Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu quả nghiêm trọng Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần chú ý sử dụng biện pháp này Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự cố, sụt giảm điện áp thoáng qua và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng SĐĐA Tuy nhiên, phương pháp này ít được sử dụng vì nhiều hạn chế

Sử dụng các thiết bị FACTS: Các yêu cầu về cách điện, về nhiệt của các khí cụ điện,

về ổn định của HTĐ sẽ quy định giới hạn công suất tối đa truyền tải trên các đường dây Việc xây dựng thêm các đường dây truyền tải mới là biện pháp hữu hiệu tăng công suất

truyền tải cho HTĐ nhưng khó thực hiện do chi phí đầu tư xây dựng, thời gian thi công tuyến đường dây bị hạn chế

• Mặt khác, khi các thông số của HTĐ như công suất phụ tải thay đổi thì điện áp cũng có thể thay đổi theo Người làm công tác điều độ thực hiện việc điều chỉnh bằng cách điều chỉnh máy phát, máy biến áp, Khi các thiết bị này đều đạt đến giới hạn điều chỉnh thì mọi hoạt động điều chỉnh không thể thực hiện Khi HTĐ phát triển nhanh đòi hỏi cần phải đưa các công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của HTĐ hiện có mà không làm ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống

• Để giải quyết vấn đề này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission Systems) đã được tiến hành nhằm nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và nâng cao khả năng ổn định của HTĐ Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù CSPK gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh chóng Các thiết bị FACTS có khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của HTĐ Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông

số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất Các thiết bị FACTS bao gồm:

- Static Var Compensator (SVC): Thiết bị bù ngang điều khiển bằng Thyristor Công suất đầu ra của SVC có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung nhằm duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của HTĐ (điển hình là điện áp nút);

- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): Thiết bị bù dọc được điều khiển bằng Thyristor TCSC 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;

- Static Synchronous Compensator (STATCOM): Bộ tụ bù đồng bộ tĩnh Với bộ chuyển đổi nguồn điện áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó được điều khiển sao cho chỉ

phù hợp cho dòng CSPK 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;

- Unified Power Flow Control (UPFC): Thiết bị điều khiển dòng công suất, có khả năng điều khiển để cung cấp bù CSPK và tác dụng một cách đồng thời mà không cần nguồn điện bên ngoài

Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào HTĐ là nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS được lắp đặt tại vị trí phù hợp, thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng lên đáng kể và các thiết bị FACTS còn có hiệu quả trong việc ngăn ngừa SĐĐA

Những lợi ích mà thiết bị FACTS mang lại:

• Điều khiển được công suất phản kháng, công suất tác dụng tại nút được đặt thiết bị;

• Giảm quá điện áp, giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố (mất tải đột ngột, ngắn mạch, );

• Điều khiển điện áp tại nút đặt thiết bị FACTS để ổn định điện áp, nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao;

• Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện;

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

• Giảm tổn thất công suất và điện năng

Tùy theo yêu cầu trong từng HTĐ 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 thiết bị một cách hợp lý

1.6. Kết luận

Nội dung của chương I quan tâm tới các vấn đề liên quan tới OĐĐA bao gồm: các khái niệm cơ bản về ổn định, phân tích các nguyên nhân gây ra mất OĐĐA, phân tích hậu

quả của mất OĐĐA trong đó SĐĐA là một trong những sự cố nặng nề nhất Cuối cùng

đưa ra các biện pháp ngăn ngừa SĐĐA

Trong các biện pháp vận hành và thiết kế ngăn ngừa SĐĐA đề cập thì việc vận dụng

các thiết bị truyền tải điện xoay chiều FACTS được xem là phương pháp hiện đại đem lại

hiệu quả cao và nhanh chóng

SVC là một trong những thiết bị FACTS đầu tiên được phát triển với hiệu quả nổi bật

là điều khiển nhanh CSPK Do đó, luận văn tập trung vào nghiên cứu nguyên lý hoạt động

và hiệu quả của SVC để nâng cao OĐĐA của HTĐ Tuy nhiên, giá thành của SVC rất đắt

tiền nên đặt ra vấn đề là phải xác định vị trí đặt phù hợp của SVC trong hệ thống để đạt

được hiệu quả kỹ thuật tốt nhất và không làm chi phí đầu tư tăng quá lớn

CHƯƠNG II: THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC

2.1 Giới thiệu chung

SVC(Static Var Compensator)- Bộ bù tĩnh: là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ CSPK bằng cách điều chỉnh góc mở thyristor

Trong trường hợp chung SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản:

 TCR ( Thyristor Controlled Reactor ) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor:

là thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn Điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor

 TSR ( Thyristor Switched Reactor ): là cuộn kháng đóng cắt nhanh bằng thyristor

 TSC ( Thyristor Switched Capacitor ): là tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR và TSR [1]

2.2.1 Cấu tạ o

TCR bao gồm điện kháng cố định có điện cảm L( thường là lõi không khí ) và van thyristor 2 chiều (hoặc khóa đóng mở) Hiện nay, các thyristor lớn có thể chặn điện áp lên tới 4 9kV và dòng điện lên tới 3 6kA Vì thế, trong các ứng dụng thực tế, rất nhiều các - -

thyristor (thường 10 đến 20) nối tiếp với nhau để đạt được mức điện áp theo yêu cầu với công su cho trất ước

Hình 2.2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR

a Cấu tạo của TCR, b Điều khiển góc đánh lửa, c Dạng sóng vận hành.

2.2.2 Nguyên lý hoạt động

Một va thyristor có thể dẫn dòng bằng cách cho xung điều khiển tới tất cả các n thyristor mắc cùng cực Va sẽ tự động khóa tức thời sau khi dòng n AC qua nó bằng 0, trừ khi tín hiệu mở lại được đưa vào

Dòng điện trong điện kháng có thể được điều khiển từ giá trị lớn nhất (thyristor đóng) tới 0 (thyristor mở) bằng cách điều khiển góc đánh lửa (góc mở) Nghĩa là, việc đóng thyristor bị trễ lại so với đỉnh của điện áp đưa vào trong mỗi nửa chu kỳ và vì thế điều khiển được khoảng thời gian dẫn dòng Phương pháp điều khiển dòng được minh họa riêng cho nửa chu kỳ âm và dương của dòng điện trên hình 2.2, điện áp V và dòng điện cảm iL(α) khi góc trễ là 0 (khóa hoàn toàn đóng) và khi góc trễ α bất kỳ Khi α =0, van sw đóng ở đỉnh của điện áp và kết quả là dòng điện trong điện kháng sẽ giống như ở trạng thái xác lập với khóa đóng vĩnh viễn Khi việc đóng mở van bị trễ góc α

V dt ) t ( v L

1 ) t ( i

kỳ âm thì dấu của các thành phần ngược lại

Trong công thức (2.1), thành phần (V/ωL)sinα là thành phần không đổi, phụ thuộc vào α mà dòng điện hình sin khi α = 0 Vì van tự động cắt khi dòng điện qua giá trị 0 (với điện kháng không có tổn thất, đối xứng trên trục thời gian so với thời điểm mở qua đỉnh của dòng điện), quá trình này điều chỉnh khoảng thời gian dẫn dòng của thyristor Điều đó

có nghĩa là góc trễ α xác định góc dẫn dòng σ: σ = π-2α Vì thế, khi góc trễ α tăng, kết quả

bù tăng tương ứng và góc dẫn σ của thyristor giảm Khi góc trễ α = π/2, khả năng bù đạt giá trị lớn nhất là V/ωL, và khi đó cả góc dẫn dòng và dòng điện qua điện kháng đều bằng

0

Rõ ràng là biên độ của dòng điện trong điện kháng có thể thay đổi liên tục bằng cách điều khiển góc trễ từ giá trị lớn nhất khi α =0 và nhỏ nhất bằng 0 khi α = π/2 Tuy nhiên, việc điều chỉnh dòng điện trong điện kháng chỉ diễn ra 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ, trong khoảng thời gian từ 0 đến π/2 (khoảng thời gian đánh lửa)

Biên độ ILF(α) của thành phần dòng điện cơ bản iLF(α) có thể được biểu thị là hàm của góc α như sau:

) 2 sin 1 2 1 (

V ) (

π

− α π

− ω

=

Trong đó V là biên độ của điện áp nguồn, L là điện cảm của điện kháng điều khiển bằng thyristor, ω là tần số góc của điện áp nguồn

Hình 2.3 : Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR phụ thuộc góc mở α

TCR có thể điều chỉnh dòng điện cơ bản liên tục từ 0 (khi van mở) đến giá trị lớn nhất (khi van đóng) như thể nó là 1 điện dẫn cảm kháng có thể thay đổi giá trị Vì thế, điện dẫn cảm kháng hiệu dụng của TCR được xác định từ công thức (2.2), đó là hàm của góc α như sau:

) 2 sin 1 2

1 ( L

1 ) (

π

− α π

− ω

=

Ý nghĩa của (2.3) là với mỗi góc trễ α, điện dẫn BL(α) được định nghĩa, nó xác định biên độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF(α) trong TCR ở 1 điện áp nguồn cho trước Trong ứng dụng thực tế, biên độ lớn nhất của điện áp nguồn và của dòng điện bị giới hạn bởi giá trị định mức của công suất mà các thành phần (điện kháng, van thyristor) đã sử dụng Vì thế, TCR trong thực tế có thể vận hành ở bất cứ điểm nào trong vùng V-I xác định, đường biên của nó xác định bằng điện dẫn lớn nhất có thể đạt được, điện áp và dòng điện định mức, như minh họa trên hình 2.4

Hình 2.4: Đặc tính V I của TCR Giới hạn của TCR được thiết lập khi thiết kế từ yêu cầu vận hành thực tế Nếu khóa TCR bị giới hạn ở góc trễ cố định, thường α = 0 thì nó sẽ trở thành TSR-Thyristor-Switched Reactor (Điện kháng đóng cắt bằng thyristor) TSR tạo ra 1 điện dẫn cảm kháng

-cố định và do đó, khi được nối với hệ thống AC, dòng điện chạy qua nó sẽ tỉ lệ với điện

áp nguồn Một vài TSR có thể tạo ra điện dẫn điều chỉnh được gián đoạn theo bậc Nếu TSR vận hành ở α = 0, dòng điện xác lập có dạng hình sin

2.2.3 Các hiệu ứng phụ

Điều khiển góc dẫn dòng (đặc tính vận hành của TCR) dẫn đến kết quả là dạng sóng của dòng điện không còn là hình sin Nói cách khác, ngoài thành phần cơ bản, TCR còn sinh ra các sóng hài Trong nửa chu kỳ dòng điện dương, âm xác định, chỉ có các sóng hài

bậc lẻ mới được tạo ra

Trong hệ thống 3 pha, người ta sử dụng 3 bộ TCR 1 pha và nối tam giác Trong điều kiện cân bằng, dòng điện hài với bậc là bội của 3 chạy quẩn trong bộ TCR nối tam giác và không đi vào hệ thống điện

Việc tiêu hủy các sóng hài khác có thể thực hiện bằng cách sử dụng 3 hay nhiều hơn nữa các TCR nối tam giác từ các tổ đấu dây phù hợp Tuy nhiên, trong thực tế, việc sắp xếp mạch 18 xung hoặc nhiều hơn rất phức tạp và đắt Nó cũng khó đáp ứng yêu cầu về

tính đối xứng, vì khó cân bằng điện áp trong hệ thống ac, nhằm giảm biên độ của các thành phần hài bậc cao Vì lý do này, các cấu hình mạch nhiều hơn 12 xung ít được sử dụng Nếu TCR tạo ra các sóng hài không thể giảm đáng kể bằng cách trên, để đạt được yêu cầu kỹ thuật về kinh tế hoặc các lý do thực tế khác, người ta sẽ sử dụng bộ lọc sóng hài

2.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động củ TSCa [1]

2.3.1 Cấu tạo

TSC 1 pha bao gồm 1 tụ điện, 1 bộ van thyristor 2 chiều và 1 điện kháng tương đối nhỏ để chặn dòng điện xung kích trong các điều kiện vận hành không bình thường (Ví dụ: trục trặc điều khiển gây ra đóng mở tụ điện ở sai thời điểm khi tình trạng đóng mà không

có quá độ không thỏa mãn), nó cũng có thể được sử dụng để tránh hiện tượng cộng hưởng với điện kháng hệ thống xoay chiều ở tần số cụ thể nào đó

Hình 2.5 : Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành.

2.3.2 Đặc tính điều ch nh ỉ

Trong chế độ xác lập, khi thyristor đóng và TSC được nối với nguồn áp xoay chiều,

v = Vsinωt thì dòng điện trong nhánh sẽ là Ccos t

1n

nV)t(

2

ωω

n

2 C

n

2 0

i, C

Thông thường, các bản tụ điện bị phóng điện sau khi bị ngắt ra khỏi nguồn, vì thế việc nối lại các tụ điện này sẽ phải thực hiện với phần điện áp dư trên tụ nằm trong

khoảng giữa giá trị 0 và giá trị lớn nhất của tụ V

1n

n

2 0

i, C

−

=

= Điều này có thể đi kèm với nhiễu quá độ nhỏ nhất nếu van thyristor đóng ở những thời điểm điện áp dư trên tụ và điện áp nguồn bằng nhau, nghĩa là khi điện áp qua thyristor bằng 0

Các quá trình quá độ này gây ra bởi thành phần dv/dt khác 0 ở thời điểm đóng, nếu như không có điện kháng nối tiếp sẽ tạo ra dòng điện tức thời ic=Cdv/dt (Dòng điện này biểu thị cho giá trị tức thời của dòng điện qua tụ chế độ xác lập tại thời điểm đóng khóa) Tác động qua lại giữa tụ điện và điện kháng hạn chế dòng điện, cùng với điện trở, sinh ra dao động quá độ, có thể thấy trên dạng sóng của điện áp và dòng điện (Chú ý là quá trình quá độ khi đóng tụ điện đã phóng điện hoàn toàn thì phức tạp hơn so với khi tụ điện mới phóng điện 1 phần vì thành phần dv/dt của điện áp nguồn đạt giá trị lớn nhất ở điểm qua giá trị 0 đó)

Hình 2 7 Đặc tính V I của TSC

-Những điều kiện để đóng tụ điện “không quá độ”:

1 Nếu điện áp dư trên tụ điện thấp hơn đỉnh điện áp ac (Vc<V) thì thời điểm tốt để đóng là khi điện áp ac tức thời cân bằng với điện áp của tụ điện

2 Nếu điện áp dư trên tụ điện bằng hoặc lớn hơn giá trị cực đại của điện áp nguồn (Vc> V) thì thời điểm đóng sẽ là khi điện áp nguồn đạt cực đại, khi đó điện áp van thyristor là nhỏ nhất

Từ các phân tích trên ta thấy, góc trễ lớn nhất để đóng các bản tụ là cả chu kỳ của điện áp nguồn, nghĩa là khoảng thời gian từ đỉnh dương (hoặc âm) đến đỉnh dương (hoặc âm) tiếp theo Và cũng có thể thấy rằng điều khiển góc trế đánh lửa không áp dụng đối với tụ điện, việc đóng tụ điện chỉ có thể diễn ra ở thời điểm cụ thể trong mỗi chu kỳ mà các điều kiện để quá trình quá độ diễn ra đỡ phức tạp nhất Vì lý do này mà TSC chỉ có thể cung cấp sự thay đổi theo bậc dòng điện cảm (giá trị lớn nhất hoặc 0) Nói cách khác, nhánh TSC biểu thị cho 1 điện dung hoặc là nối hoặc là ngắt ra khỏi hệ thống Dòng điện trong nhánh TSC thay đổi tuyến tính với điện áp nguồn tùy thuộc vào điện dung của tụ điện Điện áp nguồn lớn nhất và dòng điện tương ứng bị giới hạn bởi định mức của các

thành phần TSC (tụ điện và van thyristor)

Để xấp xỉ sự thay đổi dòng điện, người ta thường sử dụng một vài TSC song song nhau (làm tăng điện dung bậc), hoặc phối hợp với 1 nhánh TCR

2.4.Thiết bị bù ngang SVC

2.4.1.Cấu tạo và nguyên lý vận hành

Đối với 1 dải công suất dung kháng tính đầu ra cho trước, thông thường SVC bao gồm n nhánh TSC và 1 nhánh TCR Số nhánh TSC xác định dựa vào mức điện áp vận hành, công suất đầu ra lớn nhất, dòng điện định mức của van thyristors, chi phí lắp đặt và vận hành thanh góp, Dải cảm kháng cũng được mở rộng đến 1 giá trị định mức lớn nhất bằng cách thêm các nhánh TCR

Hình 2.8:Cấu tạo SVC và đặc tính công suất theo yêu cầu so với công suất đầu ra.

Hoạt động của SVC được minh họa trên hình 2.8 và được mô tả như sau:

Dải công suất dung kháng tính đầu ra bị chia thành n khoảng Ở khoảng đầu tiên, đầu ra của bộ phát được điều chỉnh từ 0 đến Qcmax/n, với Qcmax là tổng công suất do tất cả các nhánh TSC cung cấp Trong khoảng này, 1 tụ điện được đóng vào (bằng cách đánh lửa, ví dụ van thyristor sw1) và đồng thời dòng điện trong TCR được thiết lập bởi góc trễ đánh lửa phù hợp mà tổng đầu ra của TSC (âm) và đầu ra của TCR (dương) cân bằng với công suất đầu ra dung kháng yêu cầu

Ở các khoảng thứ 2, 3, và thứ n, công suất đầu ra được điều chỉnh trong khoảng

Qcmax/n tới 2Qcmax/n, 2Qcmax/n tới 3Qcmax/n, và (n-1)Qcmax/n tới Qcmax bằng việc đóng khóa tụ thứ 2, 3, và n và sử dụng TCR để tiêu thụ công suất dung kháng thừa

Nhờ khả năng khóa tụ vào hoặc ra khỏi mạch điện trong 1 chu kỳ của điện áp xoay chiều của nguồn, giá trị công suất dung kháng tính dư thừa lớn nhất trong dải công suất đầu ra tổng có thể được giới hạn tới giá trị công suất do 1 tụ sinh ra, và do đó, về mặt lý thuyết, định mức của TCR nên giống như của TSC Tuy nhiên, để đảm bảo rằng tình trạng đóng cắt ở cuối mỗi khoảng không rơi vào trạng thái không xác định thì định mức của TCR cần lớn hơn của TSC để đủ xếp chồng (hiện tượng trễ) giữa mức đóng và cắt

Ta có thể thấy là đầu ra dung kháng, Qc thay đổi bậc thang và công suất đầu ra cảm kháng tương đối nhỏ của TCR, QL, được dùng để tiêu thụ công suất dư thừa trên tụ [2] Đặc tính làm việc: Đặc tính V-I của SVC trên hình 2.9 với 2 TSC.

Hình 2.9: Đặc tính V I của SVC

-2.4.2 Các thành phầ n đi u khiển của SVC ề

Sơ đồ khối điều khiển chức năng của SVC được chỉ trên hình 2.10:

Hình 2.10: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC

Nó cung cấp 3 chức năng chính sau:

1) Xác định số lượng nhánh TSC cần dùng để xấp xỉ dòng điện đầu ra cảm kháng theo yêu cầu (độ dư thừa dương), và tính toán biên độ của dòng điện cảm cần để triệt tiêu dòng điện dung dư thừa

2) Điều khiển đóng cắt các nhánh TSC mà không có quá độ

3) Thay đổi dòng điện trong TCR bằng cách điều khiển góc trễ đánh lửa

Để thực hiện các chức năng này ta sử dụng các khối đo lường và điều khiển, như trên hình 2.11:

Hình 2 11: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC

Ta sẽ lần lượt xem xét các khối cơ bản trong sơ đồ khối của hệ thống điều khiển SVC:

1) Khối đo lường (Measurement System)

Hệ thống đo lường cung cấp các đầu vào cần thiết cho bộ điều khiển SVC Các đầu vào khác nhau phụ thuộc vào các chức năng và mục đích khi sử dụng SVC Chúng tương ứng với 3 chế độ điều khiển cơ bản SVC là :

- Điều khiển điện áp dựa trên điều khiển cân bằng 3 pha của SVC :

a Điện áp trung bình/hiệu dụng 3 pha chỉnh lưu

b Điện áp thứ tự thuận

c Dòng điện trung bình/hiệu dụng 3 pha

e Công suất phản kháng pha

- Điều khiển phụ để tăng cường khả năng chống rung của hệ thống, sử dụng các tín hiệu sau :

a Dòng điện trên đường dây truyền tải

b Góc pha của nút

c Tần số nút

d Vận tốc góc hoặc năng lượng tăng tốc của máy phát đồng bộ

Các tín hiệu này có thể được đo trực tiếp hoặc được rút ra từ hệ thống điều khiển sử dụng các tín hiệu dòng và áp cơ bản

2) Khối điều chỉnh điện áp

Khối điều chỉnh điện áp SVC xử lý các biến hệ thống và tạo ra các tín hiệu đầu ra tỉ

lệ với công suất phản kháng cần bù theo yêu cầu ổn định điện áp Các biến điều khiển và các hàm truyền khác nhau của bộ điều chỉnh điện áp tùy thuộc vào ứng dụng SVC cụ thể Các biến điều khiển được so sánh với tín hiệu chuẩn Vref và tín hiệu độ lệch sẽ là đầu vào của các hàm truyền Đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điện dẫn BRef làm giảm tín hiệu độ lệch đến giá trị 0 ở chế độ xác lập Tín hiệu điện dẫn này sẽ được truyền tới mạch phát xung

Tùy thuộc cấu tạo và các tín hiệu điều khiển, SVC có thể được mô tả như 2 khâu tích phân theo dòng và áp (hình 2.12a), khâu tích phân có phản hồi âm (hình 2.12b), một khâu quán tính cấp 1 (hình 2.12c)

Hình 2.12: Bộ điều chỉnh điện dẫn và các thiết bị chuyển mạch cơ:

a Cấu trúc chung; b Bộ điều chỉnh điện dẫn ; c Thiết bị chuyển mạch cơ khí

Trên hình 2.12a, dòng điện SVC được đo và nhân với hệ số KSL tạo thành VSL đưa vào bộ cộng Dấu của VSL sẽ làm tăng thêm điện áp so sánh khi dòng điện của SVC là dòng điện cảm và giảm điện áp so sánh khi dòng điện dung RR là tốc độ đáp ứng, biểu thị cho thời gian mà SVC cần để chuyển từ trạng thái dung kháng sang cảm kháng, tương ứng khi độ lệch điện áp là 1pu

Trong một số trường hợp, rất khó để có được tín hiệu dòng điện Điều này xảy ra khi SVC hoạt động gần trạng thái “floating”, là trạng thái mà công suất phản kháng bằng 0 Tín hiệu dòng điện khi đó sẽ chủ yếu chứa các thành phần sóng hài và thành phần cơ bản

của dòng điện tác dụng tương ứng với tổn thất công suất tác dụng trong SVC Để giải quyết khó khăn này, trong 1 số bộ điều khiển SVC người ta tính toán công suất phản kháng và dùng nó làm tín hiệu hồi tiếp thay vì sử dụng dòng điện SVC Bằng cách nhân dòng điện pha trong SVC với điện áp tần số cơ bản chậm pha so với điện áp thực tế 900 IEEE đưa ra 2 mô hình cơ bản cho SVC: mô hình SVC cơ bản 1 tương ứng với dạng hằng số thời gian và mô hình SVC cơ bản IEEE 2 tương ứng với bộ tích phân với dạng phản hồi dòng điện.

Hình 2 13: Mô hình cơ bản 1 của IEEE

H(a) ệ thống điều khiển của SVC (b) Mô hình bộ điều chỉnh điện áp

Hình 2.13 là mô hình cơ bản 1, bộ điều chỉnh điện áp thuộc loại tỉ lệ và khuếch đại, với hệ số khuếch đại KR (bằng nghịch đảo của độ dốc dòng điện) thường nhận giá trị trong khoảng 20pu (độ dốc 5%) đến 100pu (độ dốc 1%) Mô hình này thường được sử dụng trong các nghiên cứu sơ bộ Hằng số thời gian TR thường nằm trong khoảng 20 ÷ 150ms, còn T1 và T2bằng 0 trong hầu hết các trường hợp

Hàm truyền của bộ điều chỉnh trong mô hình này là:

K G

R

R S

+

+

× +

Hình2.14: Mô hình cơ bản 2 của IEEE

(a) Hệ thống điều khiển của SVC (b) Mô hình bộ điều chỉnh điện áp

Hình 2.14 là mô hình cơ bản 2, bộ điều chỉnh điện áp thuộc loại tích phân hoặc tỉ lệ kết hợp với tích phân và độ dốc KSL có được qua phản hồi dòng điện Việc cài đặt độ dốc

và hệ số khuếch đại là độc lập Hằng số thời gian TS (0,01-0,05s) để nâng cao khả năng điều khiển SVC Hệ số tỉ lệ Kpđược sử dụng để tăng tốc độ đáp ứng

Hàm truyền của bộ điều chỉnh trong mô hình này là:

p

Q 1

sT1

sT1s

K)s(

K

K T

Thông thường TP được giữ ở giá trị 0, vì thế làm cho bộ điều khiển thuộc loại PI đơn giản

3) Khối đồng bộ hóa

Mục đích của khối đồng bộ là phát ra các xung chuẩn để so sánh đồng bộ với thành phần cơ bản của điện áp hệ thống Các xung này được sử dụng ở khối phát xung để tính thời gian phát xung cho TCR và TSC Hệ thống đồng bộ phải có các thuộc tính sau hạy ncảm khi điện áp nguồn bị méo hát sóng hài ít nhất có thể hông bị cản trở vận hành khi , p , k

có sự cố trầm trọng heo đúng tần số và góc pha của hệ thống, t , khả năng tái đồng bộ nhanh chóng khi có sự xuất hiện lại của điện áp hệ thống sau khi sự cố bị loại trừ

4) Khối phát xung

Đây chính là khối thực hiện các chức năng của SVC Điện dẫn tại đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới khối phát 23 xung, để tạo ra các xung đánh lửa phù hợp cho các thiết bị đóng mở và điều khiển bằng thyristor của SVC sao cho đạt được điện dẫn yêu cầu tại vị trí lắp đặt SVC Ta lấy tín hiệu đầu vào dùng làm chuẩn so sánh IQRef - đặc trưng cho biên độ của dòng điện ra yêu cầu chia cho IC (hoặc BQref chia cho BC – điện dẫn của 1

tụ điện) Kết quả được làm tròn cho bộ tích hợp ở cấp cao hơn và đưa ra được giá trị về số lượng tụ điện cần dùng, giả sử là nC Khác biệt về biên độ giữa tổng các dòng điện trong các tụ điện ∑ICn và dòng điện chuẩn dùng để so sánh IQref (hoặc khác biệt về nCBC và

BQRef) cho ra 1 giá trị biên độ ILFcủa dòng điện thành phần cơ bản theo yêu cầu

Việc đóng cắt TSC cũng theo 2 quy tắc đơn giản để đóng cắt không quá độ Đó là, khóa tụ khi điện áp thyristor về 0 hoặc khi giá trị này nhỏ nhất (điều kiện thứ nhất có thể đạt được nếu điện áp trên tụ nhỏ hơn giá trị cực đại của điện áp nguồn ac và trường hợp sau sẽ thỏa mãn ở các giá trị cực đại điện áp nguồn có cùng dấu với điện áp trên tụ) Việc phát xung đánh lửa thực tế cho thyristor trong TSC tương tự như đối với TCR ngoại trừ việc phải duy trì tính liên tục trong dẫn dòng khi dòng điện được chuyển từ 1 nhánh thyristor đang mang dòng theo 1 chiều (VD là dương) sang nhánh khác mang dòng theo chiều ngược lại (VD: âm)