Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Ứng dụng UPFC điều khiển công suất trong hệ thống điện

2.2 LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS Công nghệ FACTS ra đời đã thực sự thu hút đối với nhừng nhà hoạch định truyền tải, mở ra cơ hội mới trong việc điều khiển dòng công suất và nâng c

NGUYỄN THỊ THU ANH

ỨNG DỤNG UPFC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Thu Anh MSHV:10180069

Ngày, tháng, năm sinh: 13/04/1985 Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện Mã số : 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG UPFC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Ứng dụng UPFC điều khiển công suất trong hệ thống điện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 21/01/2013

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 21/06/2013

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): Tiến Sĩ Hồ Văn Hiến

Phòng Đào tạo Sau đại học Khoa Điện – Điện tử Tôi chân thành cảm ơn sâu sắc đến: TS Hồ Văn Hiến

Đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong việc hoàn thành luận văn này Chân thành cảm ơn thầy cô của khoa Điện – Điện tử đã tận tình giảng dạy trong suốt thời gian vừa qua Cảm ơn các bạn cùng khóa đã hỗ trợ cho tôi những đóng góp, kinh nghiệm quý giá, tài liệu liên quan Xin chân thành cảm ơn!

Ngày nay việc ứng dụng các thiết bị FACTS điều khiển hệ thống điện đã trở nên phổ biến Do đó, nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động, vai trò của các thiết bị FACTS, đặc biệt UPFC trong điều khiển hệ thống Từ đó xây dựng mô hình tính toán UPFC sử dụng cho bài toán giải tích mạng điện ở chế độ xác lập Xây dựng chương trình tính toán công suất trong hệ thống điện trước và sau khi lắp đặt thiết bị UPFC Đề tài tiến hành tính toán với 2 mô hình: Mô hình 1 với hệ thống gồm 5 nút lắp đặt 1 UPFC, Mô hình 2 với hệ thống 6 nút lắp đặt 2 UPFC Từ kết quả thu được đưa ra kết luận, kiến nghị và hướng phát triển tiếp theo của đề tài Nội dung cụ thể của luận văn được trình bày trong 5 chương cụ thể như sau:

Chương 1 Mở đầu: Giới thiệu về đề tài, mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài;

Chương 2 Giới thiệu thiết bị FACTS: Tìm hiều mô hình cầu tạo và chức năng của các thiết bị FACTS, lợi ích khi áp dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện

Chương 3 Mô hình thiết bị UPFC: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động UPFC Mô hình toán, các trạng thái làm việc và khả năng điều khiển của thiết bị UPFC đối với hệ thống truyền tải

Chương 4 Ứng dụng UPFC điều khiển công suất hệ thống điện: Giới thiệu các phương pháp phân bố công suất Tính toán phân bố công suất trước và sau khi lắp thiết bị UPFC So sánh kết quả thu được đưa ra nhận xét

Chương 5 Kết luận và kiến nghị: Tổng kết các kết quả đạt được, đưa ra hướng phát triển và ứng dụng thực tế của đề tài

MỤC LỤC

MỤC LỤC IDANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT IIIDANH SÁCH HÌNH VẼ VDANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU VI

CHƯƠNG 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 2 3

GIỚI THIỆU THIẾT BỊ FACTS 3

2.1 TỔNG QUAN 3

2.2 LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS 4

2.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS 4

2.4 MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS 6

2.4.1 Thiết bị bù VAR tĩnh (SVC) 6

2.4.2 Thiết bị bù tĩnh đồng bộ (STATCOM) 8

2.4.3 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor TCPS 10

2.4.4 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) 11

3.2 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG 16

3.2.1 Sơ đồ cấu tạo 16

3.2.2 Chức năng 17

3.3 MÔ HÌNH TOÁN UPFC 21

3.4 CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU CỦA UPFC 26

3.4.1 Điều kiện ban đầu 26

3.4.2 Giới hạn các biến điều khiển UPFC 27

3.5 GIỚI HẠN HOẠT ĐỘNG CỦA UPFC 28

4.2 PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 31

4.2.1 Giới thiệu 31

4.2.2 Các phương trình cơ bản 32

4.2.3 Các phương pháp tính phân bố công suất 34

4.2.4 So sánh các phương pháp phân bố công suất 41

4.2.5 Kết luận 42

4.3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP N-R TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 43

4.3.1 Tính toán dòng công suất thống không có UPFC 43

4.3.2 Tính toán công suất hệ thống có UPFC 47

4.4 MÔ HÌNH 1 49

4.4.1 Mô hình 1trước khi lắp UPFC 49

4.4.2 Mô hình 1 sau khi lắp UPFC 52

4.5 MÔ HÌNH 2 56

4.5.1 Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 56

4.5.2 Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 59

CHƯƠNG 5 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

5.1 KẾT LUẬN 63

5.2 KIẾN NGHỊ 63

5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC A 67

PHỤ LỤC B 70

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STATCOM Static Synchronous Compensator

FD Fast Decoupled

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của UPFC 17

Hình 3.2 Chức năng cơ bản UPFC 18

Hình 3.3 Mạch tương đương UPFC 21

Hình 4.1 Mạch π tương đương của đường dây truyền tải 33

Hình 4.2 Sơ đồ mạng 2 nút 43

Hình 4.3 Cân bằng công suất tại nút k 45

Hình 4.4 Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 49

Hình 4.5 Mô hình 1 sau khi lắp UPFC 52

Hình 4.6 Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 56

Hình 4.7 Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 59

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Phân loại thiết bị FACTS 5

Bảng 4.1 Điện áp nút ban đầu Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 50

Bảng 4.2 Công suất phát và tải ở các nút Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 50

Bảng 4.3 Thông số đường dây Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 50

Bảng 4.4 Điện áp tại các nút sau tính toán phân bố công suất Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 51

Bảng 4.5 Dòng công suất và tổn thất trên các nhánh Mô hình 1 trước khi lắp UPFC 51

Bảng 4.6 Điện áp các nút Mô hình 1sau khi lắp UPFC 53

Bảng 4.7 Thông số đường dây Mô hình 1sau khi lắp UPFC 53

Bảng 4.8 Thông số ban đầu của Mô hình 1sau khi lắp UPFC 53

Bảng 4.9 Điện áp tại các nút Mô hình 1sau khi lắp UPFC 54

Bảng 4.10 Dòng công suất và tổn thất công suất trên các nhánh Mô hình 1sau khi lắp UPFC 54

Bảng 4.11 Thông số cơ bản của bộ UPFC trong Mô hình 1 55

Bảng 4.12 Điện áp nút ban đầu Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 56

Bảng 4.13 Công suất phát và công suất tải ban đầu Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 57

Bảng 4.14 Thông số đường dây Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 57

Bảng 4.15 Điện áp tại các nút Mô hình 2 trước khi lắp UPFC 58Bảng 4.16 Dòng công suất và tổn thất trên các nhánh Mô hình 2 trước khi

lắp UPFC 58

Bảng 4.17 Điện áp tại các nút Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 60

Bảng 4.18 Thông số ban đầu Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 60

Bảng 4.19 Điện áp các nút Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 60

Bảng 4.20 Kết quả phân bố công suất Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 61

Bảng 4.21 Thông số cơ bản của Mô hình 2 sau khi lắp UPFC 62

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Hệ thống điện là sự kết nối của các máy phát đến các trung tâm tải thông qua đường dây truyền tải cao áp Nó được chia thành 3 hệ thống con: hệ thống phát, hệ thống truyền tải và hệ thống phân phối Tuy nhiên cả 3 hệ thống này đều có đặc điểm và vị trí địa lý khác nhau

Với đặc điểm địa lý tự nhiên, có thể chia hệ thống điện nước ta thành 3 hệ thống điện miền:

- Hệ thống Điện miền Bắc: bao gồm các tỉnh miền Bắc từ Hà Tĩnh trở ra;

- Hệ thống điện miền Trung: bao gồm các tỉnh duyên hải miền Trung từ Quảng Bình đến Khánh Hoà và bốn tỉnh Tây Nguyên Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Đắc Nông;

Thuận, Ninh Thuận, Lâm Đồng Nguồn phát chủ yếu của là nước ta là thủy điện, tập trung ở những khu vực nhất định Do đó, sẽ dẫn đến các khu vực này thừa công suất vào mùa mưa và thiếu hụt công suất vào mùa nắng, để đảm bảo cung cấp công suất cho các vùng phụ tải lớn ta cần xây dựng hệ thống truyền tải công suất cao, ổn định và tin cậy

Thiết bị điều khiển FACTS ra đời vào cuối những năm 1980 với chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải và giữ dòng công suất trong giới hạn quy định trên đường dây truyền tải [13] Nên việc nghiên cứu lựa chọn thiết FACTS ứng dụng vào hệ thống điện Việt Nam là rất cần thiết và cũng là mục tiêu đề tài hướng tới

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Nghiên cứu và tìm hiểu vai trò của các thiệt bị UPFC trong việc điều khiển hệ thống điện, xây dựng mô hình tính toán của thiết bị sử dụng cho bài toán giải tích mạng điện Xây dựng chương trình Matlab và thực hiện tính toán, mô phỏng hệ thống điện trước và sau khi lắp đặt thiết bị để đánh giá tác động của thiết bị đến dòng công suất trên đường dây truyền tải

1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị FACTS, đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động và mô hình toán của thiết bị UPFC Tính toán hệ thống điện ở chế độ xác lập khi sử dụng UPFC, xem xét ảnh hưởng của UPFC đền việc điều khiển dòng công suất trong hệ thống điện

1.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Các kết quả thu được từ đề tài nhầm tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của UPFC trong hệ thống điện Nghiên cứu sử dụng UPFC nâng cao khả nâng truyền tải công suất trên đường dây, tăng độ tin cậy, ổn định và cân bằng dòng công suất trong hệ thống điện

R) và sụt áp trong mức cho phép đối đòi hỏi cấp điện áp phải cao đối với những hệ thống truyền tải dài Đến năm 1980 có cuộc cạnh đấu tranh lợi ít khi tiêu chuẩn hóa hệ thống điện công nghiệp theo AC hay DC Sau gần thế kỉ thì hệ thống AC đã được lựa chọn

FACTS hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt Khái niệm FACTS được đề xuất bởi Viện Nghiên cứu Năng lượng Mỹ (EPRI) năm 1980 [11], [16] với hai chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải của hệ thống và giữ dòng công suất trong mức quy định

Hiện nay, để nâng cao khả năng truyền tải trên đường dây một số biện pháp thường sử dụng là bù ngang và bù dọc bằng điện kháng hoặc điện dung cố định hoặc điều khiển theo cấp Công nghệ FACTS ra đời cuối thập niên 80 đã giúp quá trình điều khiển dòng công suất linh hoạt hơn Các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCR, TCSC, STATCOM và UPFC…

Các thiết bị FACTS ngày càng được phổ biến như: Thiết bị FACTS đầu tiên được lắp đặt tại Mỹ là bộ STATCOM công suất  100MVAR của Công ty điện lực Mỹ (TVA) [3], tiếp theo bộ UPFC đầu tiên công suất 160MVA được lắp đặt tại

trạm Inez bang Kentucky của Mỹ vào năm 1997 [1]-[2], và UPFC công suất 80MVA được lắp ở trạm Kangjin Hàn Quốc năm 2003 [7], ngoài ra còn có SSSC công suất 100MVA được lắp được lắp ở trạm Marcy trung tâm New York [14]…

Qua những dự án trên cho thấy thiết bị FACTS các thiết bị đã được sử dụng điều khiển dòng công suất trên hệ thống điện từ lâu, đồng thời với sự phát triển của ngành điện tử công suất chế tạo thiết bị điện tử công suất lớn 4500V6000V, 4000A6000A [3] đáp ứng cho đường dây công suất lớn

2.2 LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS

Công nghệ FACTS ra đời đã thực sự thu hút đối với nhừng nhà hoạch định truyền tải, mở ra cơ hội mới trong việc điều khiển dòng công suất và nâng cao khả năng vốn có của đường dây hiện tại, cũng như đường dây cải tạo và đường dây mới Các thiết bị FACTS có thể điều khiển các thông số có ảnh hưởng đến đường dây truyền tải bao gồm: trở kháng nối tiếp, trở kháng song song, dòng điện, điện áp, góc pha và giảm dao động ở tần số thấp dưới tần số định mức [8],[12],[16] Thiết bị FACTS làm cho đường dây truyền tải mang công suất gần giới hạn phát nóng của nó

Các thiết bị điều khiển FACTS có thể áp dụng riêng lẻ hay kết hợp với nhau để điều khiển một hay nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như đã trình bày ở trên bởi vì chúng áp dụng kỹ thuật cơ bản như nhau

2.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS

Cùng với sự phát triển kỹ thuật điện tử công suất lớn ngày càng có nhiều thiết bị FACTS được thiết kế và áp dụng Các thiết bị FACTS khác nhau có mô hình vật lý và thông số điều khiển khác nhau, và điều khiển công suất khác nhau [11] Nhìn chung các mô hình trạng thái xác lập của FACTS có thể phân thành 2 loại [11]: Mô hình tách rời và mô hình kết hợp

Mô hình tách rời những thiết bị FACTS thường được thay thế bằng nút ảo PV hoặc nút PQ, thường làm thay đổi cấu trúc ma trận J

Mô hình kết hợp bao gồm 2 mô hình chính [11]: mô hình nguồn áp/dòng (VSM) và mô hình bơm công suất (PIM) Mô hình VSM được xây dựng như nguồn áp/dòng bơm vào nối tiếp hoặc song song theo nguyên tắc hoạt động của thiết bị; do đó nó có thể đại diện cho thiết bị tương ứng cách trực quan Tuy nhiên mô hình SVM làm mất đặc tính đối xứng ma trận nạp Mô hình PIM được phát triển từ mô hình SVM bởi Han năm 1982 [11] Với việc chuyển đổi nguồn áp/dòng bơm vào thành công suất bờm vào thanh cái liên quan, PIM giữ được đặc tính đối xứng ma trận nạp với ưu thế này nên mô hình PIM được mở rộng đến tất cả các thiết bị FACTS Dựa vào đặc tính trạng thái xác lập có thể chia FACTS thành 3 loại như trong Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Phân loại thiết bị FACTS

Nhóm

Chức năng trạng thái

xác lập

Mục tiêu điều khiển

Công suất bơm vào

Thiết bị FACTS

Biến điều khiển Biến

kiểm soát

Bơm công suất không

kiểm soát

Bộ điều khiển

song song

Điều chỉnh điện

áp

VI QII(inj)

SVC

ISSTATCOM

Bộ điều khiển nối

tiếp

Điều khiển dòng công

hợp

Điều khiển công suất

thực, kháng và

điện áp

PL, QL, VI

PI(inj), QIL(inj),

QII(inj)

Iq

Để phát triển phương pháp điều khiển linh hoạt dòng công suất cho các thiết bị FACTS, đầu tiên dựa vào mô hình PIM, mô hình thiết bị FACTS dùng trong việc điều khiển dòng công suất xây dựng dựa trên phân loại của chúng

2.4 MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS 2.4.1 Thiết bị bù VAR tĩnh (SVC)

2.4.1.1 Giới thiệu

Thiết bị SVC lần đầu tiên được dùng bù cho những tải thay đổi nhanh như các nhà máy luyện thép, hồ hồ quang Ở đây SVC được dùng cải thiện hệ số công suất và cân bằng dòng điện phía nguồn bắt cứ khi có yêu cầu Việc ứng dụng bù trên đường dây truyền trải được thực hiện vào cuối những năm 70 [14] Với mục tiêu chính là:

- Tăng công suất truyền tải trên đường dây dài;

- Tăng ổn định bằng cách điều chỉnh điện áp tác dụng nhanh;

- Giảm dao động tần số thấp do chế độ quay (rotor);

- Giảm dao động tần số không đồng bộ do chế độ xoắn;

- Điều khiển qua điện áp động SVC là thiết bị điều khiển điện áp đường dây truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy Với thời gian đáp ứng trung bình nhanh hơn rất nhiều so với thiết bị dùng cơ Ngoài ra, nó cũng có thể được dùng để giảm dao động công suất trong hệ thống Khi điện áp hệ thống giảm xuống thấp, SVC phát công suất kháng bù vào Khi điện áp lên cao, SVC lại hút bớt phần công suất kháng này Công suất kháng được điều chỉnh thay đổi bằng cách đóng cắt các tụ điện và điện kháng kết nối vào thứ cấp máy biến áp Mỗi tụ điện được đóng/cắt bằng van Thyristor (TSC) Các điện kháng cũng có thể được đóng/cắt hoặc điều khiển bằng thyristor (TSR) Các thành phần chính của SVC được thể hiện trong Hình 2.1

2.4.1.2 Cấu tạo

Một SVC được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: Thành phần cảm kháng có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa đóng mở (GTO) Mô hình SVC có 2 hoại:

- Tụ cố định – Bộ kháng điều khiển Thyristor (FC-TCR);

- Tụ đóng mở bằng Thyristor – Bộ kháng điều khiển Thyristor TCR)

(TSC-Loại thứ hai linh hoạt hơn loại đầu và yêu cầu phạm vi hoạt động bộ kháng nhỏ hơn, phát sinh hồ quang ít

Hình 2.1 Sơ đồ SVC Các thành phần chính của SVC:

 Bộ kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

 Bộ kháng đóng mở bằng thyristor (TSR): Có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

 Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC): Có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành

- Giảm dao động công suất thực;

- Tăng khả năng truyền tải công suất;

2.4.2.2 Cấu tạo

Bộ STATCOM ban đầu được cải tiến dựa trên SVC do có thành phần cấu tạo như SVC Mô hình cụ thể của STATCOM 3 pha 6 xung được trịnh bày trong hình 2.3

Hình 2.2 Sơ đồ STATCOM 3 pha 6 xung

2.4.2.3 Chức năng

Các tính năng của STATCOM cũng như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp

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

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

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

Ngoài ra, STATCOM cũng có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

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

- Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

2.4.3 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor TCPS

2.4.3.1 Giới thiệu

Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPS) là một trong những thiết bị FACTS được thiết kế để khắc phục những hạn chế của hệ thống điện điều khiển máy móc hiện nay và nâng cao tính ổn định của hệ thống bằng cách sử dụng các thiết bị điện tử tốc độ cao đáng tin cậy Sơ đồ cụ thể của TCPS được trình bày trong Hình 2.3

2.4.3.2 Cấu tạo

TCPS bao gồm bộ biến đổi nguồn áp được điều khiển bắng các thyristor và máy biến áp như Hình 2.3:

Hình 2.3 Sơ đồ TCPS

Điện áp hệ thống v được cung cấp từ bộ biến đổi qua máy biến áp kích thích

ET Điện áp ngõ ra bộ biến đổi TCPS được bơm vào hệ thống qua máy biến áp giảm áp (BT)

2.4.3.3 Chức năng

Thiết bị điều chỉnh góc pha TCPS có chức năng chính sau:

- Thay đổi quan hệ giữa góc pha và điện áp hệ thống;

- Điều chỉnh dòng công suất thực để giảm dao động tần số thấp trong hệ thống;

- Tăng tính ổn định tạm thời trong hệ thống

2.4.4 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)

2.4.4.1 Giới thiệu

Bù dọc trên đường dây dài có thế đạt theo hai phương thức sau:

- Điều khiển rời rạc sử dụng tụ bù dọc đóng mở bằng thyristor TSSC;

- Điều khiển liên tục: + Sử dụng tụ bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC; + Sử dụng tụ bù dọc điều khiển bằng GTO

Do còn nhiều hạn chế nên cấu hình TSSC không được sử dụng phổ biến như TCSC Cấu tạo TCSC được thể hiện Hình 2.4

2.4.4.2 Cấu tạo

Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện, nó được tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyristor

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như các van thyristor, các khoá đóng mở GTO

Hình 2.4 Sơ đồ một sợi của TCSC

2.4.4.3 Chức năng

Các chức năng chính của TCSC bao gồm [14]:

- Có thể dùng để điều khiển dòng công suất;

- Giảm dao động công suất (PSDC);

- Loại bỏ các thành phần thụ động như: tụ và cuộn kháng;

- Cải thiện đặc tính kỹ thuật;

- Đối xứng khi vận hành ở 2 chế độ điện cảm và điện dung;

- Có thể kết nối với nguồn năng lượng bên phía DC để trao đổi công suất thực với hệ thống AC

- SSSC sử dụng năng lượng dự trữ làm tăng hiệu quả giảm dao động công suất bằng cách điều chỉnh bù kháng nối tiếp để làm tăng hoặc giảm công suất truyền vào

2.4.6 Thiết bị điều khiển đa năng UPFC

2.4.6.1 Giới thiệu

UPFC là thiết bị FACTS linh hoạt nhất [8],[12] nó có khả năng điều khiển các thông số ảnh hưởng đến công suất trên đường dây truyền tải [16] Mô hình UPFC được xem là sự kết hợp của thiết bị SSSC ở phía nối tiếp và thiết bị STATCOM ở phía song song [14],[15]

2.4.6.2 Cấu tạo

UPFC bao gồm 2 bộ biến đổi, một bộ mắc song song và một bộ mắc nối tiếp nối với hệ thống qua máy biến áp [3]-[13] Hia bộ biến đổi đấu với nhau theo kiểu lưng tựa lưng qua tụ DC Khi kết hợp hai hay nhiều bộ bộ đổi có thể làm tăng tính linh hoạt UPFC Mô hình UPFC được trình bày trong Hình 2.6

I

DCDC

DC Link

ACAC

GTOGTO

Inverter 2Inverter 1

Tranmission lineSupply Transformer

SeriesTransformer

VZ0QMeasured

VariablesParameterSettings

RefRefRefRef

- Điều khiển công suất kháng (Var);

- Điều khiển điện áp tại vị tri kết nối;

- Đưa trực tiếp điện áp vào đường dây;

Thiết bị FACTS sử dụng các thiết bị điều khiển công suất cao, hoạt động ở chế độ tự động cho phép điều khiển nhanh các thông số hệ thống Ngoài ra thiết bị FACTS đa dạng tính năng tùy theo mục đích điều khiển ta có thể lựa chọn thiết bị phù hợp

Thiết bị UPFC đầu tiên trên thế giới do Công ty điện lực Mỹ (AEP) được lặp đặt ở trạm Inez miền Tây Nam bang Kentucky [1], [2] cho đường dây 138kV nối giữa trạm Big Sandy và Inez Dự án bao gồm 2 bộ chuyển đổi 3 pha công suất ±160MVA cung cấp cho hai bộ SVS song song và nối tiếp của UPFC vận hành UPFC được lắp đặt nhằm nâng cao khả năng truyền tải và giảm điện áp thấp, tổn thất điện áp và đáp ứng cho phát triển phụ tải tương lai trong của khu vực

Thiết bị UPFC công suất ±80MVA cũng được Công ty điện lực Hàn Quốc (KEPCO) lắp đặt tại trạm Kangjin khu vực phí nam bán đảo Koran vào năm 2003[17] Dự án là sự kết hợp của Tập đoàn Hyosung và Siemens, áp dụng cho đường dây truyền tải 154kV UPFC bao gồm 2 bộ chuyển đổi đóng cắt cho STATCOM và SSSC, dãy hoạt động của mỗi bộ biến đổi 1 pha là 40MVA

3.2 CẤU TẠO VÀ CHỨC NĂNG 3.2.1 Sơ đồ cấu tạo

Theo sơ đồ cấu UPFC được trình bày trong [4], [6]-[8], mỗi UPFC gồm 2 bộ biến đổi nguồn áp (VSC), một bộ được mắc nối tiếp với hệ thống qua máy biến áp nối tiếp và một bộ được mắc song song với hệ thống qua máy biến áp song song Hai bộ biến đổi được ghép lại với nhau theo kiểu lưng tựa lưng bằng liên kết DC Sơ đồ cấu tạo thiết bị UPFC được trình bày trong Hình 3.1:

Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo của UPFC

Cách kết nối này có chức năng tương tự như bộ biến đổi AC-AC lý tưởng, nhờ đó mà dòng công suất có thể di chuyển tự do theo bất cứ chiều nào giữa 2 đầu cực AC của 2 bộ biến đổi và mỗi bộ biến đổi cũng có thể phát hoặc thu công sức kháng tại cực AC ngõ ra của nó Mặc khác, trên cơ sở ý tưởng ta có thể kết hợp hai hay nhiều bộ điều khiển để đạt được cấp độ điều khiển cao và linh hoạt hơn [15] Bộ UPFC được dùng phổ biến hiện nay là GUPFC gồm 3 bộ biến đổi trở lên, 1 bộ được mắc song song, các bộ biến đổi còn lại được mắc nối tiếp Bộ điều khiển dòng công suất đường dây IPFC gồm hai bộ biến đổi được mắc nối tiếp chia sẻ với nhau qua một thanh cái DC

3.2.2 Chức năng

Thiết bị UPFC có chức năng chính: điều chỉnh điện áp, bù trở kháng đường dây, chuyển dịch góc pha, điều khiển đồng thời điện áp, góc pha và trở kháng [7], [16] Các chức năng UPFC bao gồm:

- Điều chỉnh điện áp đầu cực (Hình 3.2 a) tương tự như bộ chuyển nấc máy biến áp, lượng công suất bơm vào VcRcùng pha hoặc trái pha với điện áp Vm;

- Bù nối tiếp (Hình 3.2b) điện áp '

 sao cho điện áp Vm

lệch góc cR so với ban đầu Vm mà không làm thay đổi độ lớn

- Điều dòng công suất (Hình 3.2d) điều khiển đồng thời cả 3 thông số:

Hình 3.2 Chức năng cơ bản UPFC

3.2.2.1 Chức năng bộ biến đổi song song

Bộ biến đổi song song chức năng chính là phát hoặc thu nhu cầu công suất thực của bộ biến đổi nối tiếp thông qua liên kết DC [6]-[8] Ngoài ra bộ biến đổi song song còn có chức năng điều khiển điện áp, hoạt động như nguồn áp song song được tạo ra tại đầu cuối bộ biến đổi Nó giữ ổn điện áp tại nơi có bộ biến đổi song

song kết nối vào, phát hoặc thu công suất kháng khi có nhu cầu, do đó nó có khả năng bù độc lập cho đường dây

Bộ biến đổi song song được dùng hấp thu dòng điệntừ đường dây Một phần của dòng điện này được xác định tự động từ yêu cầu công suất thực của bộ biến đổi nối tiếp Thành phần còn lại là thành phần kháng được cài đặt với mức tham chiếu trong khả năng của nó Chế độ điều khiển bù kháng của bộ biến đổi song song tương tự như các thiết bị được dùng phổ biến trong STATCOM và các bộ bù Var tĩnh thông dụng Bộ biến đổi song song có 2 chế độ điều khiển: chế độ điều khiển công suất kháng và chế độ điều khiển điện áp [8], [15]

1) Chế độ điều khiển công suất kháng (Var) Trong chế độ này giá trị tham chiếu đầu vào là công suất kháng yêu cầu tại thanh cái bộ biến đổi song song được lắp vào Trong chế độ điều khiển này bộ biến đổi song song chuyển công suất kháng yêu cầu thành dòng điện kháng tương ứng sau đó đưa vào bộ điều khiển để tạo dòng điện mong muốn

2) Chế độ điều khiển điện áp Trong chế độ điều khiển điện áp thường dùng trong ứng dụng thực tế, dòng điện kháng bộ biến đổi song song được điều chỉnh tự động để duy trì điện áp truyền tải đường dây ở điểm kết nối đạt giá trị đặt, theo đặc tính giảm dần Hệ số giảm dần xác định sai số điện áp của dòng điện kháng bộ biến đổi trong phạm vi hoạt động

3.2.2.2 Chức năng bộ biến đổi nối tiếp

Bộ biến đổi nối tiếp có chức năng chính là bù nối tiếp bằng cách bơm vào đường dây nguồn áp có biên độ VcR nằm trong khoản VcRminVcR VcRmax và góc pha cR trong khoản 0cR 2thông qua máy biến áp [6]-[8] Bộ biến đổi nối tiếp còn có khả năng phát hoặc thu công suất thực và công suất kháng

Bộ biến đổi nối tiếp điều khiển biên độ và góc của vector điện áp VcR nối tiếp với đường dây Điện áp này ảnh hưởng đến công suất đường dây Tuy nhiên VcR

phụ thuộc vào chế độ hoạt động được chọn để điều khiển dòng công suất của UPFC Các chức năng chính được giới thiệu trong các phần sau [15]:

1) Đưa trực tiếp điện áp vào đường dây Bộ biến đổi nối tiếp chỉ đơn giản là tạo ra vector điện áp có biên độ và góc pha đáp ứng giá trị tham chiếu đầu vào Chế độ hoạt động này có thể có lợi khi điều khiển tối ưu từng hệ thống riêng rẽ có sự phối hợp giữa UPFC và các thiết bị FACTS khác trên đường dây Trong các trường hợp đặc biệt khi đưa trực tiếp điện áp vào đường dây thường vì là vì các mục đích riêng

2) Điều chỉnh điện áp nút Vector điện áp đưa vào được giữ cùng pha với điện áp và biên độ của nó được điều khiển để duy trì biện độ vector điện áp ngõ ra đạt giá trị đặt

3) Bù tổng trở đường dây Biên độ vector điện áp vào đường dây được điều khiển tỉ lệ với biên độ dòng điện đường dây nên ta có thể xem như có một tổng trở nối tiếp nhìn từ phía đường dây được chèn thêm vào Giá trị tổng trở mong muốn được xác định theo giá trị tham khảo đầu vào và nhìn chung thì tổng trở có thể là đại lượng phức với các thành phần trở và kháng Trường hợp đặc biệt của việc bù tổng trở xuất hiện khi điện áp đặt vào được giữ vuông góc với dòng điện đường dây để giả lập việc bù kháng (cảm hoặc dung) Chế độ hoạt động này có thể được chọn để phù hợp với việc bù nối tiếp dung kháng đag tồn tại trong hệ thống

4) Điều chỉnh góc pha Vector điện áp đặt vào đường dây được điều khiển theo vector điện áp nút ngõ vào để chuyển dịch pha vector điện áp ngõ ra mà không thay đổi biên độ Chế độ điều khiển này được sử dụng chủ yếu để kiểm soát dòng công suất tác dụng trên đường dây truyền tải

5) Điều khiển dòng công suất tự động Trong tất cả các thiết bị FACTS thì chỉ duy nhất UPFC có khả năng điều khiển công suất tự động [3],[8] Trong chế độ điều khiển này công suất thực và công suất phản kháng được điều khiển bằng cách điều chỉnh biên độ và góc của điện áp đưa vào Điện áp đặt nối tiếp được xác định tự động và liên tục bằng hệ thống điều khiển vòng kín để đảm bảo duy trì các giá trị P và Q như mong muốn bất chấp các thay đổi của hệ thống Chế độ hoạt động này còn có thể quản lý được dòng công suất truyền tải Hơn nữa, nó cũng có thể rất hiệu quả trong việc xử lý các nhiễu động của hệ thống

3.3 MÔ HÌNH TOÁN UPFC

Mạch tương đương của UPFC được dùng để giải các mô hình ở trạng thái xác lập được đề xuất trong [4]

Im

ZvRIvR

VvR

Re{-VvRIvR +VcRIm}=0ZcR

Vk

+-

-Hình 3.3 Mạch tương đương UPFC

Mạch tương đương gồm hai nguồn áp lý tưởng tượng trưng cho thành phần Fourier mắc nối tiếp của sóng điện áp đóng cắt ở đầu cực bộ biến đổi AC Các tổng trở nguồn trong mô hình tượng trưng cho thành phần điện cảm rò thứ tự thuận và điện trở của máy biến áp kết nối UPFC

Áp dụng định luật Kirchhoff Hình 3.2 ta có: Dòng điện tại nút k:

Công suất của bộ biến đổi nối tiếp:

Trong đó: Im là liên hợp phức cửa dòng điện tại nút m

Thay các phương trình (3.1), (3.2) và phương trình (3.6)-(3.8) vào phương trình (3.14) ta có được phương trình tính toán công suất thực và công suất kháng bộ biến đổi nối tiếp như sau:

0

Công suất tại nút m được xác định như sau:

Với giả thiết máy biến áp vận hành không có tổn thất, công suất thực tại nút

k, Pk sẽ bằng với công suất thực tại nút m, Pm Khi đó, phương trình chuyển đổi sẽ thỏa mãn điện áp Vdc là hằng số với ràng buộc [4]:

3.4 CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU CỦA UPFC 3.4.1 Điều kiện ban đầu

Các điều kiện đầu rất quan trọng với bất kỳ quá trình lặp Các phương trình tính dòng công suất không đổi với bất kỳ điều kiện đầu nào Các đánh giá kỹ thuật chỉ ra rằng, trong các trường hợp đơn giản khi không có nút hay nhánh được điều khiển, biện độ áp là 1 pu cho tất cả các nút PQ và góc điện áp 00

tại tất cả các nút là các điều kiện đầu lý tưởng [4] Tuy nhiên, nếu có xét đến các thiết bị điều khiển khi phân tích thì không thể đơn giản hóa như cách ở trên Với thiết bị UPFC, hệ các phương trình với các ước lượng ban đầu tốt có thể rút ra từ các phương trình dòng công suất và các ràng buộc của bộ UPFC khi bỏ qua tổn thất đóng cắt bộ biến đổi, tổn thất vận hành MBA và bỏ qua góc pha các nút

3.4.1.1 Điều kiện đầu bộ nguồn nối tiếp

Với công suất nút m đã biết Pmref và Qmref, biên độ áp và góc điện áp được xác định theo các phương trình sau:

0arctan

cR

mref

PCI

   

0

cR

cRmrefm

3.4.1.2 Điều kiện đầu bộ nguồn mắc song song

Phương trình xác định góc pha ban đầu bộ nguồn song song được tính bằng cách giải (3.17) và ta có kết quả:

3.4.2 Giới hạn các biến điều khiển UPFC

Việc kiểm tra giới hạn của các biến điều khiển của bộ UPFC được thực hiện bằng phương trình tổn thất công suất thực bộ biến đổi:

3.5 GIỚI HẠN HOẠT ĐỘNG CỦA UPFC

Trong quá trình điều khiển UPFC ở chế độ xác lập, cần thỏa mãn 6 ràng buộc cơ bản và quan trọng sau [15]:

- Giới hạn trên của biên độ dòng điện bộ biến đổi song song:

max

I I

(3.33) Dòng điện qua bộ biến đổi song song gồm 2 thành phần: Thành phần tác dụng và thành phần phản kháng Thành phần tác dụng được điều khiển bởi bộ điều khiển của bộ biến đổi song song để điện áp ở liên kết DC là hằng số trong khi vận hành ở chế độ xác lập Thành phần kháng được cung cấp hoặc hấp thu từ hệ thống truyền tải để giữ ổn định điện áp tại thanh cái phía cao áp của máy biến áp bộ biến đổi song song

- Giới hạn trên của biên độ điện áp do bộ biến đổi song song đưa vào