Báo cáo: Các biện pháp nâng cao khả năng truyền tải điện năng pdf

NDT 4.1 Khái niệm chung • Ngành CN điện đang trải qua những thay đổi sâu sắc trên bình diện thế giới – Áp lực thị trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, mối lo về ảnh hưởng môi trư

NDT

FLEXIBLE AC TRANSMISSION SYSTEM

NDT

4.1 Khái niệm chung

• Ngành CN điện đang trải qua những thay đổi sâu sắc trên bình diện thế giới

– Áp lực thị trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, mối lo về

ảnh hưởng môi trường sinh thái, và sự tăng quá nhanh của nhu cầu phụ tải là những yếu tố chính cho sự thay đổi đó

• Để đáp ứng nhu cầu thực tế đó, các chương trình mở rộng htđ đang được tiến hành tuy nhiên có nhiều lý do:

– Môi trường, đất sử dụng cho các công trình,

– Áp lực về pháp lý, sự huy động vốn với các nước đang phát triển – Những yếu tố này đã ngăn cản việc xây mới các đường dây tải

điện mới

• Những nghiên cứu và phân tích sâu về vấn đề làm tăng lên khả năng mang tải của các đường dây hiện tại với những yêu cầu vê độ tin cậy và ổn định đã chỉ ra rằng, các thiết bị điện tử công suất cao áp có một tiềm năng và vai trò rất to lớn

NDT

4.1 Khái niệm chung

• Thiết bị điện tử công suất kỹ thuật mới là sự lựa chọn thay thế cho những giải pháp truyền thống (dựa trên công nghệ điện-cơ với thời gian đáp ứng chậm và chi phí vận hành cao)

• Dòng công suất chạy trong ht được coi như là một hàm số của tổng trở đường dây Một đường dây với tổng trở thấp hơn sẽ cho phép truyền tải lượng công suất lớn hơn Điều này không phải lúc nào cũng được mong muốn vì nó đối mặt với các vấn đề về điều khiển HTĐ

• Ví dụ những người vận hành thường phải can thiệp để nhận được các chiều công suất khác nhau, nhưng lại ít khi thành công Có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như: mất ổn định, dòng công suất chạy không theo mong muốn, tăng tổn thất, vi phạm các giới hạn về điện áp, thậm chí còn dẫn đến tan rã hệ thống

NDT

4.1 Khái niệm chung

• Về dài hạn, những vấn đề đó thông thường được giải quyết bằng cách xây dựng những nhà máy điện và đường dây mới:

– Giải pháp tốn kém (vốn đầu tư, khả năng huy động

vốn, vấn đề môi trường )

– Mất nhiều thời gian xây dựng (giải phóng mặt bằng,

thời gian xây dựng lâu)

• Một lựa chọn khác là nâng cấp các đường dây truyền tải hiện tại bằng các thiết bị điện tử công suất dùng cho hệ thống điện cao áp

– Các thiết bị hiện đại công suất lớn

– Những công nghệ mới.

• Hay dùng thuật ngữ: Flexible AC Transmission Systems-FACTS

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• Các thiết bị điện tử công suất cơ bản

– Diode:

– Thyristor thường:

– Thyristor đóng cổng (GTO

(Gate Turn Off):

– Transistor lưỡng cực với cổng cách điện

(IGBT=Insulated Gate Bipolar Transistor)

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• Diot là thiết bị bán dẫn đơn giản nhất của họ thiết bị bán dẫn,

bao gồm một lớp tiếp giáp hai vật liệu bán dẫn p-n

• Diot cho phép dòng điện chạy qua từ cực anode đến cathode

khi có một điện áp giữa hai cực

• Diot khóa dòng điện khi có một điện áp ngược giữa hai cực

• Diot là một thiết bị không điều khiển, khả năng đóng mở hoàn

toàn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài của mạch

• Đặc tính lý tưởng và thực tế được vẽ ở hình bên

• Hoạt động chủ yếu như một công tắc

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• Thyristor là một thiết bị bán dẫn gốm 4 lớp (p-n-p-n) và

có ba mặt tiếp giáp Và do đó có 3 điện cực là Anode,

Cathode và Gate ( cổng điều khiển)

• Khi có một điện áp ngược giữa Anode và Cathode thì

không có dòng điện chạy qua cực cổng, và thyristor hoạt

động như một diot thông thường

• Không giống như diode, khi một điện áp dương nối giữa

2 cực, thì thyristor không dẫn điện ngay Nó cần một điện

áp đủ lớn để thay đổi trạng thái mở cổng

• Thyristor được coi là một thiết bị bán dẫn bán điều khiển

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• Các thiết bị biến đổi công suất ứng dụng vào HTĐ đang nhắm tới việc dùng công nghệ IGBT vì những lợi ích như tăng công suất của bộ, giảm đáng kể tổn thất

• Người ta đang hi vọng những tiến bộ hơn nữa về công nghệ và ứng dụng của IGBT và GTO

• Trong các bộ biến đổi DC-AC mà dùng thiết bị bán dẫn có điều khiển, Các tín hiệu điều khiển một chiều có thể là một nguồn áp (thông thường là một tụ điện),hoặc một nguồn dòng (thông thường là một nguồn áp nối tiếp với một điện cảm)

• Vì vậy, các bộ biến đổi có thể được phân loại thành hai loại: bộ nguồn áp (VSC) và bộ nguồn dòng (CSC).

• Vì những lý do kinh tế và kỹ thuật, phần lớn các thiết bị điều khiển công suất phản kháng đều dựa trên công nghệ VSC

• Sự sẵn có của các chất bán dẫn hiện đại cùng với giá trị định mức cao về dòng và áp như là GTO hoặc IGBT đã làm cho khái niệm về bù công suất phản kháng dựa trên các bộ đóng cắt trở nên thực tế

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• Các thiết bị điều khiển HTĐ hiện đại dựa trên các bộ biến đổi điện tử công suất cho phép tạo ra công suất phản kháng với ít các phần tử chứa năng lượng phản kháng, ví dụ như hệ thống SVC

• Các thiết bị bán dẫn ứng dụng trong các thế hệ thiết bị biến đổi điện tử công suất là các loại điều khiển hoàn toàn như IGBT và GTO.

• Thiết bị GTO là một phiên bản hiện đại hơn của các thyristor thông thường với, với một thiết bị

mở van đặc tính nhưng có khả năng đóng van cùng tại một thời điểm khác khi mà dòng điện giảm xuông dưới một giá trị ngưỡng

• Có nhiều những sự phát triển và thiết kế các thiết bị GTO, trong đó cần những xung âm lớn để

mà đóng van Hiện tại, tần số đóng mở lớn nhất có thể vào khoảng 1 kHz

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• GTO cũng giống như thyristor thông thường nhưng nó có thể

đóng van bằng một tín hiệu âm

• Mạch gồm các lớp và sơ đồ tương đương, Đặc tính lý tưởng

và không lý tưởng được vẽ ở hình bên

• Thiết bị này đã được đưa ra thị trường từ cuối những năm

1980 Nó đã trải qua rất nhiều sự cải thiện và thay thế các

thyristor thông thường trong HTĐ công suất lớn

• Kỹ thuật điều khiển GTO dùng công nghệ điều khiên độ rộng

xung (PWM) khác hẳn với kỹ thuật điều khiên góc pha của

các thyristor thông thường

NDT

4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển

• IGBT phổ biến trong các động cơ AC và DC công suất đến

hàng trăm kW Nó cũng mở ra một hướng mới trong việc

ứng dụng các bộ biến đổi điện áp cao trong hệ thống điện

• Mạch điên, và các đặc tính lý V-I được vẽ ở hình bên

• Tương tự như GTO, kỹ thuật dùng để điều khiển IGBT là

kỹ thuật PWM = Pulse Width Modulation

• IGBT các thiết bị đóng mở nhanh hơn GTO (bị giới hạn

NDT

4.1.2 Thiết bị VSC

• Có một số cấu hình VSC chủ yếu là:

– Tối thiểu tổn hao đóng mở

– Tạo ra dạng sóng sin với chất lượng cao với số lượng bộ lọc là ít

nhất

• Một cấu hình 2-mức thông thường của VSC dùng thiết bị đóng mở như hình vẽ

Va Vb

VDC+

NDT

4.1.2 Thiết bị VSC

• VSC ở hình trên gồm 6 IGBT, với 2 IGBT trên mỗi nhánh Với mỗi IGBT được tạo bởi một diot nối đầu-cuối

để tạo đường cho điện áp ngược bởi điều kiện mạch ngoài

• Hai tụ điện giống nhau được đặt ở phía DC để tạo ra hai nguồn công suất phản kháng

• Mặc dù không được vẽ ra ở hình vẽ, nhưng modul điều khiển sự đóng mở là một thiết bị tích phân của SVC Nhiệm vụ của nó là điều khiển thứ tự đóng mỏ của các thiết bị bán dẫn khác nhau trong bộ VSC với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra mà càng gần với dạng hình sin càng tốt, khả năng điều khiển cao và ít tổn thất đóng cắt

• Các chiến lược đóng cắt VSC hiện nay đều nhắm đến sự áp dụng thực tiễn được phân chia thành hai loại:

– Đóng cắt các tần số cơ bản: Việc đóng mở mỗi thiết bị bán dẫn

bị giới hạn ở một mở và một đóng trên một chu kỳ công suât

– Điều chỉnh độ rộng xung (PWM): kỹ thuật điều khiển này cho

phép việc đóng mở được mở và đóng ở một giá trị cao hơn tần

số cơ bản

– Vì vậy thường dùng 6 xung VSC bố trí dưới dạng đa xung để có

được một dạng sóng tốt hơn và công suất lớn hơn

– Kỹ thuật đóng cắt với tần số cơ bản yêu cầu một hệ thống MBA

phức tap để nhận được dạng sóng với ít biến dạng sóng Nhược điẻm đó bị thay thế bởi ứng dụng thiết bị bán dẫn đóng mở cao

và ít tổn thất.Hiện nay dùng với điện áp vào hệ thống truyền tải công suất lớn

• Với bộ điều khiển PWM, dạng sóng đầu ra bị cắt và độ rộng của xung được điều chỉnh Những sóng hài trong sóng đầu ra được dịch chuyên lên tần số cao hơn, và các bộ lọc sóng hài cần ít hơn

– Kỹ thuật PWM tập trung vào giàm tổn thất đóng mở, và được ưa

chuộng hơn thậm chí là ở điện áp cao và hệ thống truyền tải

công suất lớn

• Từ quan điểm ứng dụng thực tế, cả hai ký thuật đóng mở đều khá hoàn chính.

NDT

4.1.3 PWM

• Đây là cách điều khiển tuyến tính điện áp với ma<1,nhưng không phải là cách duy nhất Hai dạng điều khiển điện áp

là quá điều chỉnh 1< ma<3.24 và xung vuông với ma>3.24

• Để xác định biên độ và tần số của sóng ra cơ bản và các sóng hai, người ta dùng khái niệm về tỉ số điều biến biên

độ ma và tỉ số điều biến tần số, mf

• Với gốc là một nhánh của bộ biến đổi ba pha, thiết bị đóng mở Ta+ và Ta- được điều khiển bằng cách so sánh trực tiếp với điện áp điều khiển Vcontrol và điện áp Vtri với kết quả điện áp đẩu ra là

•

NDT

4.1.3 PWM- Điều chế độ rộng xung

• PWM là một phương pháp một tín hiệu sin với tấn số

cơ bản được so sánh với tín hiệu xung tam giác tần

sô cao, để tạo ra một tín hiệu xung chữ nhật dùng để

điều khiển góc mở của van thyristor

• Tín hiệu sin và tam giác và các tần số tương ứng là

các tín hiệu gốc và tín hiệu tần sô sóng mang

• Bằng việc thay đổi biên độ của tín hiệu xung với biên

độ có định của tín hiệu sóng mang Sóng mang thông

thường được giữ ở 1pu biên độ của thành phần tần

số cơ bản của sóng ra thay đổi tuyến tính

• Sóng hài chỉ suất hiện đối với các giá trị lẻ của β và giá trị chẵn của κ Hoặc ngược lại với giá trị chẵn của β kết hợp với giá trị lẻ của κ Hơn nữa, giá trị sóng hài mf phản là giá trị số nguyên dương ẻ để ngăn chặn sự xuât hiện của thành phần sóng hài bậc chẵn trong giá trị Vao

NDT

4.2 Các định nghĩa về FACTS

• Khái niệm FACTS được dựa trên sự phối hợp giữa các thiết bị điện tử công suất và các phương pháp bù ở phía cao

áp của htđ để làm cho HTĐ dễ dàng điều khiểu được

• Nhiều ý tưởng về về sự hình thành FACTS đã phát triển từ nhiều thập kỷ, tuy nhiên FACTS -một thiết bị tích hợp tinh

vi - là một khái niệm mới và được để xuất trong thập kỷ 80 của thế kỷ trước ở EPRI (Electrical Power Research Institute -US)

• FACTS chủ yếu tập trung vào các thiết bị điện tử công suất với điện áp và dòng điện cao để nhằm mục đích là tăng khả năng điều khiển dòng công suất ở htđ cao áp trong cả điều kiện xác lập và quá độ

• Những thực tế về việc làm cho HTĐ có thể điều khiển điện tử đã bắt đầu thay đổi cách xây dựng và thiết kế các thiết

bị của Nhà máy điện, cũng như là xây dựng các qui chế để mà qui hoạch và vận hành các đường dây truyền tải và

hệ thống phân phối

• Những sự phát triển này cũng có thể ảnh hưởng đến sự thực hiện các giao dịch về năng lượng giữa các công ty, vì

từ nay chúng ta có khả năng điều khiển nhanh dòng chảy của năng lượng

• Có hai loại ứng dụng chính của các thiết bị điện tử công suất:

– Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng-FACTS

– Nâng cao chất lượng điện năng – D-FACTS

• Lĩnh vực ứng dụng đầu tiên là FACTS: trong đó những thiết bị điện tử công suất hiện đại nhất được dùng

để điều khiển phía cao áp của HTĐ

• Lĩnh vực ứng dụng thứ hai là về phía khách hành, tập trung ở phía hạ áp và mục đích là nâng cao chất lượng và độ tin cậy đối với các nhà máy, văn phòng, gia đình…

• Người ta tin rằng, với sự lắp đặt ngày càng nhiều các thiết bị mới, người dùng sẽ ngày càng có chất lượng điện năng tốt hơn, giảm thời gian mất điện, điện áp với ít sóng hài, và ít chịu sự ảnh hưởng của biến thiên phụ tải ở các vùng lân cận

NDT

4.2 Các định nghĩa về FACTS

• Loại FACTS phổ biến nhất là

– Loại dựa trên Thyristor

• Đầu phân áp của máy biến áp

• Bộ điều chỉnh góc pha

• Thiết bị ngang bù tĩnh (SVC)

• Thiết bị bù dọc tĩnh (TCSC)

• Thiết bị cản cho cộng hưởng tần số thấp

• Thiết bị bù pha công suất (IPC)

– Loại dựa trên công nghệ GTO(Switched at the fundamental frequency:

60/50 Hz)

• Thiết bị bù tĩnh (STATCOM)

• Thiết bị điều khiển bù dọc tĩnh (SSSC)

• Thiết bị điều khiền dòng công suất tich hợp (UPFC)

– Loại dựa trên công nghệ IGBT (Switched at higher frequencies)

• STATCOM (shunt and series connected)

• HVDC – VSC (HVDC- light, hoặc HVDC-Plus)

– Điều khiển dòng công suất thứ tự thuận

– Điều khiển dòng công suất 3 pha

– Tối ưu hóa dòng công suất

– Giám quá độ điện cơ

– Giảm quá độ điện từ

– Nâng cao khả năng ổn đinh

• Dao động công suất

• Điện áp…

– Chât lượng điện năng

– Đo lường và xác định trạng thái

• Đó là những lý do để chúng ta nâng cấp các đường dây hiện tại với các thiết bị FACTS nhằm nâng cao khả năng truyền tải điện năng

NDT

4.3 Đặc tính của hệ thống truyền tải

• Khả năng truyền tải của đường dây truyền tải bị giới hạn bởi các chế độ xác lập và chế độ động như sau:

NDT

4.3.1 Nguyên tắc bù trên đường dây truyền tải

Vr Vs

2

cos 2

2

sin 2

cos

2

sin 2

cos

2/

2/

δ

δ δ

δ

δ δ

δδ

X

V jX

Vr Vs

I

V Vr Vs

Vm j

V Ve

Vr

j V

Ve Vs

j j

NDT

4.3.1Nguyên tắc bù trên đường dây truyền tải

• Mối liên hệ giữa công suất tác dụng và phản kháng

2 / sin 2

/ cos

22

*

δ δ

δ

δ δ

δ

j X

V S

X

V j

V I V

S

s

s s

max

02

max

180 khi

2 Q

0 9 khi

NDT

4.3.1Nguyên tắc bù trên đường dây truyền tải

• 1 Góc của đường dây sẽ điều khiển dòng công suất chạy trên đường dây bằng việc thay đổi

điện áp dọc theo được dây khi Vr và X cố định

• 2 Điện áp dọc theo đường dây giảm từ các dầu đường dây về phia giữa đường dây khi góc của

đường dây tăng lên Điện áp ở giữa đường dây đạt giá trị max tại 0 và 180 độ

• 3 Dòng điện của đường dây tăng lên khi góc đường dây tăng lên Pm xác định công suất tác

dụng truyền tải đối với bất cứ góc nào cùa đường dây Pm bằng 0 tại 0 và 180 độ, và lớn nhất

khi 90 độ

• 4 Sự thay đổi của góc đường dây không chỉ thay đổi dòng điện trên đường dây mà còn thay đổi

góc pha giữa Vr và I Do đó với việc tăng góc đường dây, dòng công suất phản kháng trên

đường dây sẽ tăng lên rất nhanh Nó bằng 0 khi góc đường dây bằng 0 độ, và max khi 180 độ

• 5 Việc điều chỉnh công suất tác dụng bởi điều khiển góc luôn liên quan đên việc xác định sự thay

đổi dòng chảy công suất phản kháng trên đường dây

• 6 Công suất phản kháng được cung cấp bởi các MPĐ

• 7 Công suất có thể truyền tải được với một cấp điện áp cho trước là một hàm số của điện kháng

của đường dây.

NDT

4.3.2 Nguyên tắc bù ngang (shunt compensation)

Mối liên hệ giữa dòng và áp

cos 1

( 2

/ sin

2 2

/ 2

sin 2

cos2

/

δ δ

δ δ

δ

j X

V jX

Vm Vs

I Vm

Vr

j V

Ve

Vs

Sm j

Vr Vs

NDT

4.3.2 Nguyên tắc bù ngang (shunt compensation)

• Mối liên hệ giữa công suất tác dụng và phản kháng

( 2 / sin

2 2 / sin 2

/ cos

2

*

δ δ

δ δ

δ δ

− +

=

−

− +

=

=

j X

V

j X

V j

V I

V

Ssm sm sm

( 1 cos / 2 )

2 Q

2

X V

2 / sin

max

02

max

360 khi

4 Q

180 khi

2 P

2

NDT

4.3.2 Nguyên tắc bù ngang (shunt compensation)

• Khái niệm các phần đường dây được hiểu với việc dùng

nhiều bộ bù ngang như hình vẽ

• Về mặt lý thuyết, công suất truyền tải được có thể tăng

lên gấp đôi với việc chia đôi cả hai phần đường dây

• Hơn nữa, với sự tăng lên của các phần đường dây thì

điện áp tổn thất dọc theo đường dây sẽ giảm rất nhanh,

gần đến trường hợp lý tưởng là là điện áp không đổi

• Với một số lượng các phần đường dây đủ lớn, thì một hệ

thống bù phân bố rải lý tưởng có thể được thiết lập và có

đặc tải giống như giới hạn truyền tải tự nhiên, và có thể

không bị giới hạn về truyền tải và giữ được điện áp là

hằng số ở tất cả các mức tải khác nhau

NDT

4.3.2 Kết luận về nguyên tắc bù ngang

• 1 Việc bù công suất phản kháng có thể giữ điện áp ở giữa đường dây không đổi với các giá trị góc pha thay đổi, do đó có tác dụng đến hai nửa đường dây và do đó nâng cao khả năng truyền tải công suất

• 2 Với nhiều bộ bù ngang, (bù ở nhiều nơi trên đường dây,) thì về mặt lý thuyết cũng sẽ tăng công suất truyền tải lên nhiều lần tỉ lệ với số bộ bù ngang

• 3 Việc bù ngang cũng có hiệu quả trong việc giữ hoặc điều chỉnh điện áp ở cuối các đường dây mạch nhánh

• 4 Trong điều kiện xác lập, các bộ bù ngang dùng để điều chỉnh hoặc điều khiển điện áp không trao đổi công suất tác dụng với hệ thống AC ( Bỏ quả những tổn thất bên trong của các bộ bù ngang)

NDT

4.3.3 Nguyên tắc bù dọc (series compensation)

Mối liên hệ giữa dòng và áp

Vc Vr

Vs I

j V

Ve

V

j V

Ve

V

j V

Ve

V

j c

j r

j s

2 / cos

2 / sin

2 / cos

2 / sin

2 / cos

2 /

2 /

2 /

σ σ

δ δ

δ δ

σ δ δ

Vc

NDT

4.3.3 Nguyên tắc bù dọc (series compensation)

• Nếu điện áp của bộ bù dọc Vc vuông góc với dòng điện dây, thì bộ bù dọc không thể cung cấp hay hấp thụ công suất tác dụng do đó nguồn bù dọc có thể thay thế bằng một điện kháng

Xeq=X-Xc = X(1-k)

Trong đó k=Xc/X là tỉ số bù

• Quan hệ dòng, công suất tác dụng và phản kháng

( ) ( ) ( δ )

δ δ

cos 1

1

2

sin 1

2 /

sin )

1 (

2

2

22

V X

I Q

X k

V I

V re P

X k

V I

c c

c c