Ứng dụng thiết bị FACTS trong điều khiển điện áp hệ thống điện

Sựthay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trịđiện áp tại điểm kết nối với hệ thống điện.Nút điện áp cao SVC Isvc Y Máy biến ápghép bộPlsvc Nút điện áp

With the widespread application of FACTS (Flexible Alternating Current

Transmission System) devices and secondary voltage control in power system at

present In this paper proposes a new coordinated secondary voltage control scheme forpower systems have SVC (Static Var Compensator) and STATCOM (Static

Synchronous Compensator), based on synchronised voltage measurements for allnodes by phasor measurement units (PMUs) and extensive communication networks.The objective is to enhance the quality of voltage for power systems

The secondary voltage control scheme developed in the paper is based on thelinearisation of the power system load-flow equations about the current operating pointdefined by nodal voltages obtained from phasor measurement units (PMUs)

iv

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Giới thiệu:

Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặcbiệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điệnnhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống [1] Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọnthiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ởchế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc

Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điệnxoay chiều Hệ thống điện xoa y chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có cácmáy phát đồng bộ, đường dây truyền tải , máy biến áp, các thiết bị bù và các phụtải…và được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối

Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu sau:

-Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ

Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định

Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định

Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ

Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quátải

Trong hệ thống điện, c ông suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vàotổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối củađường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây Vìvậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việctăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song

song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khi ển điện áp dọc theochiều dài đường dây.

Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện ViệtNam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bùcông suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêucầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu côngsuất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible

AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạycũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc

FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năngtruyền tải công suất trên đường dây

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là : “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tửcông suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệthống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khảnăng truyền tải công suất”[2]

Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệthống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật

Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, chonên trình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau,

có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khicác đường dây khác thì non tải và ngược lại

Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải đểđáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luônđặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như là quá tải đườngdây, những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp….Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục nhữngnhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng các thiết bị FACTS Cácthiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường

dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện nhữnglợi ích sau đây:

-Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS

Giảm chi phí đầu tư

Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải

Tăng độ ổn định quá độ của lưới

Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và cácngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao

- Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh

1.2 Đặt vấn đề:

Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cốnghiêm trọng nhất , thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lư ợng trong hệ thốngđiện Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp,theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến

sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sựsụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng, dotăng mạnh bất t hường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp (cáccông ty luyện sắt, thép…)

Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điệnnăng Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệthống ở trong một phạm vi cho phép (tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vidao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) Trong điều kiện vận hành không bìnhthường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khixuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệthống Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất

có thể rơi vào trình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp.Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến s ự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do khôngđáp ứng đủ các nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường

và đột biến

Trước đây, khi mà ngành công ngh điện tử công suất cao chưa phát triểnmạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thờigian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa

cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biếnáp…để ổn định điện áp trên hệ thống

Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suấtlớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thựchiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linhhoạt và nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạngtruyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụngcông nghệ FACTS Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là:

- SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh

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

- STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.-TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiểnthyristor

- SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộtĩnh

- HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao

ệ

1.3 Ứng dụng của thiết bị FACTS trong hệ thống điện:

1.3.1 Bộ bù công suất VAr tĩnh SVC (Static VAr Compensator):

Nút điện áp cao

Máy biến ápghép bộ

Nút điện áp thấp

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện.

Hình 1.1 Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC [3] BộSVC được áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau.Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng là để điều khiển điện áp tại điểm yếunhất trong hệ thống điện Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyềntải liên kết giữa các vùng tải Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và đáp ứngnhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện ápquá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVCcũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ

và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng

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

Hình 1.2: Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện

Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang , nó chuyển đổi nguồn điện áp mộtchiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn đểcung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp Một lợi thế khác

là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp

1.3.3 Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC (Static Synchronous Series

Compensator):

Hệ thốngđiện

Vdc

SSSC

Hình 1.3: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện

Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượng

điện áp được yêu cầu của hệ thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ

AC sang điện áp DC Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suất

Bộ TCSC là một thiết bị bù dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năngổn

định của hệ thống điện, đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố.1.3.5 Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified Power FlowController)

Hình 1.5: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống

Bộ UPFC là một thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất trên đường dâytruyền tải điện UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòngcông suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối

Qua phân tích những ứng dụng của các thiết bị FACTS được nêu trên, tôinhận thấy giải pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện bằng bộ STATCOM(Static Synchronous Compensator) và bộ SVC (Sta tic VAr Compensator) có ưuđiểm tốt nhất, đây là hai thiết bị bù được sử dụng để điều khiển điện áp trên đườngdây truyền tải, hai thiết bị này hoạt động với độ chính xác cao, đáp ứng nhanh cácdao động khi hệ thống bị nhiễu, có thể đạt được trạng thái ổn định và điều khiểnđiện áp với chất lượng cao và linh hoạt nhất Đó cũng là lý do để tôi chọn hai thiết

bị FACTS là SVC và STATCOM nối song song , đồng thời sử dụng bộ điều khiển

điện áp cấp 2 phối hợp với bộ đo lường đại lượng phức (PMUs) và mạng truyềnthông diện rộng để điều khiển biên độ điện áp ở tất cả các nút trong hệ thống điện.

Mục đích chính của luận văn là xây dựng chiến lược điều khiển điện áp trong

hệ thống điện có các thiết bị FACTS thuộc loại SVC và STATCOM Chiến lượcđiều khiển sẽ phối hợp việc điều khiển điện áp tai các máy phát với chức năng điềukhiển điện áp của các thiết bị SVC và STATCOM Chiến lược điều khiển được xâydựng dựa trên cơ sở cực tiểu độ lệch điện áp so với giá trị định mức tại các nút tải.Điện áp tại các nút tải được đo lường thông qua bộ đo lường đại lượng phức, trong

đó đo cả biên độ và góc pha của điện áp nút, và mạng truyền thông diện rộng

Chiến lược điều khiển được xây dựng trong luận văn đã được ứng dụng chomột mạng điện tiêu biểu Các kết quả mô phỏng cho thấy tính hiệu quả và khả năng

áp dụng chiến lược điều khiển cho mạng điện thực tế

CHƯƠNG 2:

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ

FACTS NỐI SONG SONG

Để làm cơ sở cho việc xây dựng chiến lược điều khiển điện áp cho hệ thốngđiện có các thiết bị SVC và STATCOM Trong chương này sẽ trình bày cấu tạo vànguyên lý làm việc của hai loại thiết bị FACTS được nêu trên

2.1 Bộ SVC (Static VAr Compensator): Bộ bù công suất VAr tĩnh.

2.1.1 Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ SVC:

Thành phần chính và cấu tạo điển hình của bộ SVC [3,4], gồm có:

Nút điện áp cao

Máy biến áp ghép bộ Nút điện áp thấp SVC

Filters TSCs TCR

Hình 2.1: Bộ SVC kết nối với hệ thống điện

Hầu hết các bộ SVC luôn luôn được kết nối đến mạng lưới tải điện thông quamột máy biến áp tăng áp ghép bộ Ở phía nút điện áp thấp của máy biến áp, nóichung có 3 phần tử được sử dụng: cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (TCR), bộ

tụ chuyển mạch bằng thyristor (TSCs) và bộ lọc sóng hài ổn định

2.1.1.1 TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển mộtcách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiểngóc kích của thyristor và được nối vào thanh cái điện áp thấp.

Sơ đồ mạch một pha của bộ TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song,ngược chiều nhau và nối vào cuộn điện kháng tuyến tính

Trong đó:

X tcr (〈 ) = X L

− 2〈 − sin〈 (2.1)

α : là góc trể, được đo từ đỉnh của điện áp đặt của TCR, 0 ≤ α ≤ π/2

X tcr : là điện kháng hiệu dụng của bộ TCR ở tần số cơ bản

X L : là điện kháng của cuộn kháng ở tần số cơ bản

2.1.1.2 TSC (Thyristor Switched Capacitor): Là thiết bị bù công suất phảnkháng được điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện bằngcách kích đóng ngắt các thyristor Bộ TSC kết hợp với bộ TCR sẽ cho phép điệnkháng tương đương của chúng có thể thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng

Sơ đồ mạch một pha của bộ TSC, bao gồm cặp thyristor mắc song song,ngược chiều nhau và nối vào bộ tụ điện

- T : Thyristor có chức năng đóng hoặc ngắt bộ tụ điện

- Van thyristor được đóng mở phụ thuộc vào tí n hiệu xung điều khiểnvào cực G của thyristor

Bộ TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng hai thyristor nối song song

và ngược chiều nhau, khi thay đổi tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung Ctrong mạch

2.1.1.3 Fixed Filters: Là thiết bị dùng để lọc sóng hài Mục đích là lọc cácsóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuấthiện do chế độ làm việc của TCR gây ra (khi thyristor dẫn không hoàn toàn, dòngđiện qua TCR sẽ không có dạng hình sin).

Sơ đồ mạch một pha của bộ lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng X L nốitiếp với bộ tụ điện C

là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậccao xuất hiện và ảnh hưởng chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13, riêng sóng h ài bậc bathường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ hình thức đấu dây của máy biến áp hoặc giảithuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất Các mạch lọc cộng hưởngđược điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần đượckhử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho cácsóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lướiđiện

Khi thay đổi góc kích α của thyristor, điện kháng hiệu dụng c ủa bộ TCR sẽthay đổi th eo phương trình 2.1 Sự thay đổi điện kháng của TCR sẽ thay đổi điện

kháng hiệu dụng của SVC Với nguyên lý làm việc như trên , cho nên bộ SVC có thểcung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng cho một hệ thống truyền tải điện Sựthay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trịđiện áp tại điểm kết nối với hệ thống điện.

Nút điện áp cao SVC

Isvc

Y Máy biến ápghép bộPlsvc

Nút điện áp thấp SVC

SVC

Hình 2.2: Sơ đồ bộ SVC

I svc : Dòng điện của SVC với điện áp ở nút điện áp cao

P lsvc : Công suất tác dụng bơm vào bên trong máy biến áp ghép

bộ từ nút điện áp thấp SVC

2.1.2 Chế độ xác lập bộ SVC:

Theo hình 2.3 biểu diễn m ột đường bao làm việc điển hình và đường đặctuyến ở trạng thái xác lập của bộ SVC với đầu ra làm việc liên tục trong chế độ điềukhiển sụt áp [4] Trong miền điều chỉnh, dòng điện phản kháng được cho bởi:

Hình 2.3 biểu diễn một đường bao là m việc điển hình và đường đặc tuyến ở

trạng thái xác lập của bộ SVC:

Điện áp cao

Giới hạn điệncảm (Bmin)Giới hạn điện

dung (Bmax)

IC (dòng điện dung)

Đường đặc tuyến đặc trưng ởtrạng thái xác lập trong chế độđiều khiển điện áp

IL (dòng điện cảm)

Hình 2.3: Đường đặc tính đặc trưng của SVC

Một mô hình xác lập đều được mô tả mục đích của đường đặc tính ở trạng

thái xác lập Tuy nhiên, trong nhiều chương trình phân bố công suất, dạng đường

đặc tính này thì không thực hiện chính xác Một mô hình được sử dụng rộng rãi mà

có thể ứng dụng hầu hết cho các chương trình phân bố công suất là mô hình trong

đó SVC được biểu diễn bằng một nút PV đặt sau điện kháng như được trình bày ở

hình 2.4 Nút PV có điện áp bằng với điện áp đặt của SVC và điện kháng, trong hệ

đơn vị tương đối được cho bởi công thức:

X SL = slope

Hình 2.4 biểu diễn mô hình tải rút gọn của SVC:

Các nhánh nối đến phầncòn lại của hệ thống

Nút P,Q của hệ thống

XSL

Trạng thái nút P,V

P=0V= VREF

QMIN = BMINQMAX = BMAX

Hình 2.4: Mô hình tải rút gọn của SVC

Như vậy, khi đưa ra đường đặc tính điều chỉnh vượt q uá giới hạn làm việccủa bộ điều khiển Quá giới hạn này, bộ SVC sẽ làm việc như một điện nạp khôngđổi Hình 2.5 so sánh kết quả của những đường đặc tuyến, nhận thấy:

Đáp ứng tốt ở những điện áp thấp và quá giới hạn làm việc của bộ điều khiểnthì vẫn được đáp ứng, nhưng với điện áp cao thì khả năng đáp ứng của bộ SVC bịgiảm

Hình 2.5 biểu diễn kết quả của những đường đặc tuyến:

0.80.60.4

0.2

0

Công suất phản kháng lúc điện áp cao (pu) Dòng điện phản kháng (pu)

Hình 2.5: Đường đặc tuyến điển hình: Định mức +1/0.5pu lúc V=1pu; Mục tiêu

Hình 2.6 biểu diễn mô hình 2 cho dòng tải SVC (ứng với điện áp thấp):

Các nhánh nối đến phần còn lại của hệ thống

Q MIN = B MIN - B MAX

Q MAX = 0

Hình 2.6: Mô hình 2 cho dòng tải SVC (ứng với điện áp thấp)

Hình 2.7 biểu diễn mô hình mở rộng của tải 1, trong đó nút điện áp thấp của

bộ SVC và điện kháng máy biến áp ghép bộ thì được mô tả Trong mô hình này, nútđiện áp thấp bộ SVC thì được yêu cầu để điều chỉnh điện áp của một nút giả định

mà nó được xác định bên trong điện kháng máy biến áp Chú ý, mức phản kháng lúcđiện áp thấp thì khác với mức phản kháng lúc điện áp cao, bởi do ảnh hưởng củamáy biến áp ghép bộ, với điện nạp tương đương và được liên hệ bởi:

1 1

Hình 2.7 biểu diễn mô hình 3 cho dòng ảt i SVC ( biểu diễn nút điện ápthấp):

Các nhánh nối đến phần còn lại của hệ thống

Nút P,Q hệ thống

X SL

Hình thức nút P,V P=O, V=V REF

X T -X SL Điều chỉnh

điện áp

Nút LV SVC P=0

Q MIN =B MIN /(1-B MIN X T)

Q MAX =B MAX /(1-B MAX X T )

Hình 2.7: Mô hình 3 cho dòng tải SVC (biểu diễn nút điện áp thấp)

Điều này giống như việc sử dụng nút điện áp thấp LV của bộ SVC để điềuchỉnh điện áp cho một nút giả định, có thể mở rộng đường bao giới hạn bộ SVCsnối đến cuộn dây thứ 3 của máy biến áp Sử dụng nối hình sao các cuộn dây máybiến áp, với hình thức điều chỉnh điện áp nút đã được lắp đặt bên trong nhánh điện

áp cao và được nối hình sao

Nếu bộ SVC làm việc trong chế độ MVAr không đổi, vậy thì khi khảo sát ởtrạng thái xác lập, nó có thể được biểu diễn bằng một nguồn MVAr không đổi Đểkhảo sát những vị trí làm việc ngẫu nhiên, yêu cầu điện áp nên thay đổi cho đến khiđầu ra MVAr lặp lại ngẫu nhiên đáp ứng theo yêu cầu đạt được

Giải thích ký hiệu:

X T : Điện kháng của máy biến áp ghép bộ

B LV : Điện dung ở điện áp thấp

B HV: Điện dung ở điện áp cao

B: Điện nạp bộ SVC tương đương từ thanh cái hệ thống

B MIN: Điện nạp bộ SVC nhỏ nhất từ thanh cái hệ thống

B MAX: Điện nạp bộ SVC lớn nhất từ thanh cái hệ thống

I: Dòng điện phản kháng được lấy từ bộ SVC

I RAT: Dòng điện định mức bộ SVC = B MAX

Slope : Hệ số góc điều khiển đường dốc nghiêng điện áp

Slope= ΔV/(I/I RAT)

Q: Công suất phản kháng lấy ra từ bộ SVC ở thanh cái hệ thống

Q MIN: Công suất phản kháng ở nút nhỏ nhất

Q MAX: Công suất phản kháng ở nút lớn nhất

X SL: Điện kháng dốc cho mô hình nhánh

V: Điện áp thanh cái hệ thống

Tóm lại:

SVC là một bộ được thiết kế tổng hợp các phần tử như là tụ điện, biến điệnthế, cuộn kháng, các thiết bị đóng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả cùnghoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn phát hoặc hấp thu công suất phảnkháng có thể điều khiển được nhanh chóng

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

2.2.1 Mô tả cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ STATCOM:

VT

Ista

Máy biến ápghép bộPlsta

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

- Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộnkháng sẽ mang tính dung, bộ STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống

Hình 2.9 Mô tả cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC):

Đầu ra

V 0,a

V 0,b

+ -

V 0,c

Hình 2.9: Cấu trúc cơ bản bộ VSC

Hình 2.9 biểu diễn cấu trúc cơ bản của một bộ biến đổi toàn sóng 3 pha có 6

bộ chuyển mạch, mổi bộ gồm có một GTO(gate-turn-off) thyristor nối đối song vớimột diode Với mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra gần như dạng sónghình sin có thể, bộ chuyển mạch của thyristor GTO riêng lẽ trong bộ VSC t hì đượcđiều khiển bằng khối chương trình điều khiển chuyển mạch, được thiết kế để giảmđến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc bộ VSC làm việc và nhu cầu cho việc lọcsóng hài

Hầu hết các phương pháp thường được sử dụng cho việc điều khiển điện ápxoay chiều bằng các phương pháp biến đổi như là:

- Thay đổi điện áp một chiều với một bộ biến đổi sóng đầy đủ, đôi khi cònđược gọi là bộ điều biến biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM)

- Điện áp một chiều không đổi với bộ điều biến độ rộng xung (Pulse WidthModulated - PWM)

Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp(VSC) dựa trên kỹ thuật các phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitorlưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả năng ngắt dòng điện khi có xung ngắtgửi đến cổng điều khiển Điều này cho phép cho bộ STATCOM phát ra một nguồn

điện áp xoay chiều AC ở đầu cực bộ biến đổi lúc tần số cơ bản yêu cầu với biên độđiều chỉnh được, sơ đồ khối của một bộ STATCOM được thể hiện ở hình 2.10.

Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện thì đạt được bởi điều

khiển biên độ điện áp V và sự chuyển đổi công suất tác dụng do điều khiển dịchchuyển pha ψ Sự thay đổi công suất tác dụng thì chỉ thường điều khiển điện áp mộtchiều

Máy biến ápghép bộ

Iq

Bộ biến đổinguồn điện áp

Dựa vào đường đặc tuyến V-I trong hình 2.11 và theo sơ đồ mạch của bộSTATCOM trong hình 2.10, chế độ xác lập của bộ STATCOM được rút ra như sau:

Giống như bộ SVC, phương trình thứ nhất mô tả ch ế đ ộ l àm việc của bộSTATCOM nó mô tả chức năng điều khiển điện áp Trong giới hạn điều khiển được

biểu diễn bằng dòng điện nhỏ nhất (I stamin) và dòng điện lớn nhất (I stamax), biên độđiện áp ở nút nhánh điện áp cao thì được điều khiển theo hàm tuyến tính như sau:

ІV hstaІ = V staref + a staIsta (2.5)

Từ đường đặc tuyến được cho trong hình 2.11, có thể nhận thấy rằng giới

hạn làm việc của một bộ STATCOM thì có liên quan ếđn dòng điện của bộ

STATCOM:

I stamin≤ I sta≤ I stamax (2.6)Nếu dòng điện của bộ STATCOM mà vượt phạm vi giới hạn cho phép trongphương trình (2.6) thì dòngđiệ n STATCOM lúc bấy giờ sẽ được gán bằng dòng

điện giới hạn thích ứng (nếu I stamin≥ I sta thì nó sẽ gán I sta= I stamin; nếu I sta≥ I stamax

thì nó sẽ gán I sta= I stamax) và lúc này dòng điện STATCOM nó hoạt động giống nhưnguồn dòng không đổi

Phương trình thứ 2 mô tả chế độ xác lập của bộ STATCOM được kết hợp

với công suất tác dụng bơm vào ở nút điện áp thấp của bộ STATCOM Do tổn hao

công suất tác dụng trong bộ STATCOM quá nhỏ nên cho phép bỏ qua [9]

Istamax Ista

Hình số 2.11: Đặc tính V-I của bộ STATCOM

Giải thích ký hiệu:

V T: Điện áp đầu cuối

V: Điện áp bộ biến đổi

V DC: Điện áp một chiều của bộ tụ điện

X S : Điện kháng

Ψ: Góc pha (điều biến độ rộng xung)

I stamax: Giới hạn dòng điện lớn nhất

I stamin: giới hạn dòng điện nhỏ nhất

V hsta: biên độ điện áp ở nút điện áp cao

V refsta: biên độ điện áp đặt

a sta: độ dốc điện kháng của bộ STATCOM

I sta: dòng điện bộ STATCOM

Tóm lại:

STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp (VSI - Voltage SourceInverter), nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bùcông suất tác dụng hoặc công suất phản kháng cho hệ thống STATCOM là mộtthiết bị bù ngang, nó điều khiển điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (V ref)thông qua việc đ iều chỉnh điện áp và góc pha từ STATCOM, bằng cách khống chếđiện áp của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống, nhưng có biên độ lớn hơn,dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống để nâng điện

áp lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp của hệthống, dòng điện và dòng công suất phản kháng chạy từ lưới vào STATCOM, chonên hạn chế quá điện áp trên lưới điện

CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN

ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Trước khi xây dựng chiến lược điều khiển điện áp, các vấn đề liên quan đếnđiều khiển điện áp trong hệ thống điện cần phải được tìm hiểu Trong chương sauđây sẽ trình bày các yêu cầu về điều khiển điện áp, cấu trúc điều khiển điện áp vàcác phương pháp điều khiển điện áp cấp 2

3.1 Yêu cầu về điều khiển điện áp:

Yêu cầu điều khiển điện áp trong hệ thống điện được phân loại dựa trên thờigian đáp ứng của hệ thống và mức an toàn về điện áp liên quan đến các khoảng thờigian khác nhau (thời gian càng ngắn thì yêu cầu điện áp khác với thời gian dài)

Trong chế độ vận hành xác lập bình thường, các Công ty Điện lực xác địnhcác tiêu chuẩn điện áp bắt buộc phải tuân theo, các tiêu chuẩn này thường được biểudiễn dưới dạng độ lệch điện áp cho phép lớn nhất so với giá trị điện áp định mức,các tiêu chuẩn này thường được xem xét trong quy hoạch và thiết kế mà ở đó dunglượng và nếu có thể là vị trí của các bộ điều khiển công suất phản kháng được xácđịnh

Sau khi hệ thống chịu tác động của các nhiễu loạn thì đáp ứng điện áp của hệthống được phân chia thành các quá trình (đáp ứng) theo các khoảng thời gian khácnhau, nhằm mục đích xây dựng các yêu cầu điều khiển và thiết kế các yêu cầu điềukhiển thích hợp Phụ thuộc vào bản chất của nhiễu loạn, quá độ ( đứt dây, ngắnmạch…) điện áp rất nhanh có thể xãy ra trong khoảng thời gian đầu tiên sau khi có

sự cố, nhiễu loạn Ở đây, các yêu cầu về điều khiển điện áp được thỏa mãn bởi các

bộ bảo vệ trong hệ thống, bao gồm bảo vệ quá điện áp và bảo vệ dưới điện áp màcác bộ bảo vệ này sẽ ngăn ngừa biên độ của quá độ điện áp và khoảng thời gianvượt quá giới hạn vận hành an toàn của nó

Theo sau khoảng thời gian ban đầu của đáp ứng quá độ các yêu cầu về điềukhiển điện áp liên quan đến khoảng thời gian xác lập hoặc tựa xác lập, trong khoảngthời gian này người ta quan tâm đến mức an toàn điện áp tĩnh và độ ổn định điện áptĩnh Các yêu cầu về mức an toàn tĩnh được cho dưới dạng độ lệch biên độ điện ápcho phép so với giá trị định mức mà nói chung độ lệch này lớn hơn độ lệch trongchế độ vận hành bình thường Liên quan đến độ ổn định điện áp, yêu cầu về điềukhiển điện áp được xác định dưới dạng độ dự trữ ổn định điện áp cùng với khoảngthời gian thích ứng.

Chi phí vận hành được xem xét trong việc thỏa mãn các yêu cầu về điềukhiển điện áp trong chế độ vận hành bình thường và hoạch định trước, cực tiểu hóahàm chi phí thỏa mãn các điều kiện ràng buộc vận hành bao gồm các điều kiện liênquan đến điện áp hệ thống được thực hiện trong thực tiễn cho mỗi lần phân bố côngsuất kinh tế giữa các nhà máy điện

Thừa nhận rằng có nhiều yêu cầu về điều khiển điện áp cùng với khoảng thờigian của nó, việc điều khiển điện áp của toàn hệ thống đã được thiết kế và sử dụngtheo một cấu trúc phân cấp [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20] Phần tiếp theo sẽ

mô tả cấu trúc điều khiển điện áp hoàn chỉnh mà nó bao gồm có 3 cấp điều khiểnsau đây:

-Điều khiển điện áp cấp 1 (sơ cấp)

Điều khiển điện áp cấp 2 ( thứ cấp)

Điều khiển điện áp cấp 3

3.2 Cấu trúc điều khiển điện áp đa cấp:

3.2.1 Tổng quát:

Tương tự như điều khiển tần số trong hệ thống điện, việc điều khiển điện ápcũng có cấu trúc phân cấp Tuy nhiên, có các điểm khác biệt quan trọng giữa điềukhiển điện áp và điều khiển tần số Trong điều khiển tần số chỉ có một tín chung chotoàn bộ hệ thống và đó cũng chính là tần số vận hành của hệ thống mà nó đáp ứngnhư nhau theo sự khác biệt giữa tổng công suất tác dụng phát ra giữa các nhà máyđiện và công suất tiêu thụ giữa các tải Mặc khác, trong điều khiển điện áp có nhiều

điện áp riêng biệt được điều khiển tại tất cả các vị trí trong hệ thống và đáp ứng điện

áp không đồng nhất theo từng vị trí đối với sự phân bố nhu cầu công suất phảnkháng và mức cung cấp công suất phản kháng cho trước

Do sự khác biệt nội tại giữa điều khiển điện áp và điều khiển tần số nói trên,chiến lược để điều khiển điện áp đã được phát triển riêng biệt so với chiến lược điềukhiển tần số Đối với điều khiển điện áp , ngoài các máy phát điện tại các nhà máyđiện, chiến lược điều khiển còn dựa trên nhiều bộ điều khiển được lắp đặt trong lướiđiện

Cấu trúc phân cấp của điều khiển điện áp được áp dụng cho các bộ điềukhiển phân bố sẽ được trình bày cho phần sau đây:

3.2.2 Điều khiển điện áp cấp 1(sơ cấp):

Điều khiển điện áp cấp 1 liên quan đến các nhiễu loạn khu vực nhanh và cóquan hệ đến tác động tự động trong các bộ điều khiển riêng biệt trên cơ sở các bộ đolường khu vực, sao cho khoảng thời gian từ một vài chu kỳ tần số công nghiệp (ứngvới tần số nguồn cung cấp, T = 1/f ) cho đến vài giây Chức năng chủ yếu của bộđiều khiển điện áp cấp 1 là nhằm đảm bảo các giá trị đo lường của các biến điềukhiển (chẳng hạn như biên độ điện áp tại đầu cực máy phát, công suất phản

kháng…) bằng với giá trị đặt, mà giá trị đặt thì được xác định từ mức điều khiểncao hơn (mức điều khiển cấp 2)

Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp cấp 1 áp dụng cho bộ điều khiển điện

áp như là hệ thống kích thích máy phát SVC hoặc STATCOM được cho hình 3.1

Hình 3.1 biểu diễn Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp với điều khiển điện ápcấp 1:

Hệ thống điện

Thiết bị đo lườngkhu vực

Biến điềukhiển đo được

_

Bộ điều khiển (kích thích máyphát, SVC, STATCOM)

Đầu ra tín hiệuđiều khiển

Giá trị đặt của

biến điều khiển

+

∑ Bộ điều khiển điệnáp cấp 1

Hình 3.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp với điều khiển điện áp cấp 1

Các bộ điều khiển điện áp cấp 1 được sử dụng trong các bộ điều khiển sauđây:

- Máy phát hoặc máy bù đồng bộ lắp đặt bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR

- Tụ điện hoặc cuộn kháng liên quan đến bộ điều khiển tự động và được

đóng, cắt bằng cơ khí (công tắc tơ, máy cắt…) dựa trên độ lệch điện áp

- Bộ tự động điều chỉnh nấc phân áp trong máy biến áp

- Bộ bù công suất phản kháng tỉnh (SVCs) hoặc những thiết bị FACTS khác

- Bộ thay đổi cấu trúc lưới một cách tự động nhằm mục đích cải thiện ổn

định dựa trên cơ sở các chỉ tiêu khu vực

3.2.3 Điều khiển điện áp cấp 2 (thứ cấp):

Đáp ứng điện áp hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào sự phối hợp của các bộ

điều khiển có dạng được cho trong hình 3.1 Đối với một cấu trúc lưới điện cho

trước và nhu cầu công suất của các phụ tải cũng như nhu cầu phát của hệ thống chotrước, có một tập tối ưu các giá trị đầu vào đặt của các bộ điều khiển mà nó sẽ đạt

được yêu cầu điều khiển điện áp trong chế độ vận hành (xác lập) Trước đây, sựphối hợp này được nghiên cứu giả lặp (off-line) mà kết quả của nó tạo cơ sở cho sựđiều chỉnh giá trị đặt của bộ điều khiển Gần đây hơn, với sự tiến bộ trong côngnghệ máy tính với chức năng phối hợp đã được tự động và thực hiện on-line vớikhoảng thời gian từ 1 phút đến vài phút Bộ điều khiển đó được gọi là bộ điều khiểnđiện áp cấp 2 mà trong đó nhiều chiến lược điều khiển khác nhau đã được xây dựng

và đề nghị Với đáp ứng tốc độ tương đối nhanh, điều khiển cấp 2 được áp dụngtrong khoảng thời gian giữa 2 lần phân bố công suất kinh tế liên tiếp, chức năngđiều khiển tương tự như điều khiển tần số mà ở đây giá trị đặt cho công suất tácdụng của các tổ máy được điều chỉnh để giảm sai số tần số hệ thống về 0 trong chế

độ xác lập (lúc này công suất tác dụng của máy phát bằng công suất tác dụng củaphụ tải) Trong cả điều khiển tần số và điều khiển điện áp, yêu cầu chủ yếu là táchrời thời gian đáp ứng của bộ điều khiển cấp 1 và bộ điều khiển cấp 2, sao cho sựtrùng lấp hoặc sự tương tác giữa chúng là nhỏ nhất Đối với bộ điều khiển điện á pcấp 2 nhiều sơ đồ điều khiển khác nhau được thành lập để đạt được sự tách rời nóitrên

3.2.4 Điều khiển điện áp cấp 3:

Điều khiển điện áp cấp 3 là mức điều khiển điện áp cao nhất, mục tiêu của

nó liên quan đế n việc tối ưu hóa về mặt kinh tế và / hoặc (cả hai hoặc một trong haicái) mức an toàn (điện áp và dòng công công suất) Mức điều kh iển này tương đốichậm dựa trên việc đo lường trong thời gian thực và thời gian đáp ứng khoảng 10phút hoặc lâu hơn Dựa trên mục đích điều khiển, tín hiệu đầu ra của bộ điều khiểncấp 3 là các giá trị đặt được sử dụng trong vòng điểu khiển điện áp cấp 2

Trên quan điểm điều khiển phối hợp và thời gian thự c, điều khiển điện ápcấp 2 là mức điều khiển quan trọng nhất mà nó phối hợp tác động các bộ điều khiển

ở mức thứ 1 để đạt được các mục tiêu điều khiển để xác định được các mục tiêuđiều khiển được xác định ở mức điều khiển cấp 3

3.3 Những phương pháp điều khiển điện áp cấp 2:

Xuất phát từ sơ đồ điều khiển ban đầu mà dựa trên bộ điều khiển tỷ lệ tíchphân (PI), bộ điều khiển cấp 2 đã được cải tiến để trở thành bộ điều khiển điện ápcấp 2 phối hợp ( trước đây chỉ dùng bộ điều khiển PI) mà ở đó luật điều khiển đượchình thành từ bài toán tối ưu hóa có ràng buộc on-line sử dụng bộ xử lý tốc độ cao.3.3.1 Điều khiển điện áp cấp 2 nguyên thủy:

Nguyên lý cơ bản của điều khiển điện áp cấp 2 trước đây là phân chia toàn

bộ hệ thống thành những khu vực địa lý riêng biệt bằng cách điều chỉnh một cách tựđộng biên độ điện áp đặt của các bộ điều khiển như là máy phát điện đặt trong vùngđó

Sơ đồ khối được cho trong hình 3.2 được áp dụng cho mộ t vùng điều khiểncủa mạng điện đã được đề nghị và sử dụng tại Điện lực Pháp (EDF) năm 1985 Tạithời điểm đó, toàn bộ Điện lực Pháp được tách thành 27 vùng với khoảng 100 nhàmáy nhiệt điện và 150 nhà máy thủy điện

Hình 3.2 biểu diễn s ơ đồ khối điều chỉnh điện áp cấ p 2 nguyên thủy cho một

tự động (AVR)

Những hệ thống điềukhiển kích thích máyphát khác

Bộ kích từ

Iexi

Máy phát i

Những máyphát khác

Hình 3.2: Sơ đồ khối điều chỉnh điện áp cấp 2 nguyên thủy cho một khu

vựcTrong đó:

lV pll và V plsp : là biên độ điện áp đo được ở nút tải chính của bộ điều khiển

khu vực và giá trị đặt của nó

Q geni và Q genspi : là công suất phản kháng đo được của máy phát i và giá trị

đặt của nó mà nó được xác định bằng bộ điều chỉnh điện áp cấp 2

lV genil và V refgeni : là biên độ điện áp đo được của máy phát i và giá trị đặt

Điều chỉnh điện áp

Vrefgeni ∑

ΔV refgeni : độ thay đổi giá trị đặt của điện áp đầu cực máy phát mà nó đượctạo ra từ sự chênh lệch giữa Q geni và Q genspi.

I exi: Dòng kích từ của máy phát thứ i

N : Là tín hiệu của bộ điều khiển

Mặc dù có sự khác nhau giữa những giá trị đặt và giá trị đo được của điện ápnút tải chính ở thời điểm tức thời, bộ điều khiển PI thỏa mãn giới hạn đầu ra nhậnđược từ một tín hiệu điều khiển N, nó biểu diễn nhu cầu công suất phản kháng củavùng, dùng luật điều khiển tỷ lệ- tích phân, được cho dưới đây [21]:

|V pl|: Biên độ điện áp đo được ở nút tải chính

V plsp: Biên độ điện áp đặt ở nút tải chính

V n : Biên độ điện áp định mức ở nút tải chính

V’ pl : là giá trị đo được nhận được bởi sự lọc số dựa trên 3 giá trị nốitiếp V pl

Tín hiệu điều khiển N được gọi là mức điều khiển khu vực được tính toánbởi một máy vi tính, được đặt ở trung tâm điều độ khu vực, sau đó được truyền đếnmỗi máy phát trong khu vực thông qua các thông tin đến mỗi máy phát tham giađiều khiển trong khu vực [21]

Tại mỗi máy phát, công suất phản kháng đặt, được xác định bởi các hệ sốtham gia sau đây:

suất phản kháng của nó Đây là một sự phối hợp đơn giản của các công suất phảnkháng đầu ra của các máy phát tham gia điều khiển khác nhau.

Điện áp tại nút chính được đo lường trong mỗi 10 giây Thông số α và βđược chọn trên cơ sở các nghiên cứu giả định (off-line) nhằm đạt được các chế độlàm việc tốt của bộ điều khiển điện áp cấp 2 (SVR) được trình bày trong [21]:

10 ≤ 1/α ≤ 20β/α = 40

(3.3)(3.4)Trong vòng điều khiển công suất phản kháng ở máy phát điều khiển, độ thayđổi giá trị đặt của máy phát được hình thành trên cơ sở sự khác biệt giữa công suấtphản kháng của máy phát đo được và giá trị đặt của nó Đầu ra của vòng điều khiểncông suất phản kháng hiệu chỉnh giá trị đặt điện áp của máy phát mà nó là đầu vàocủa bộ AVR của máy phát

Tại AVR, sự khác biệt giữa điện áp đo lường tại đầu cực máy phát và giá trịđặt điện áp hiệu chỉnh được sử dụng như là thông số đầu vào của vòng điều khiển

mà vòng điều khiển này sẽ hình thành cho dòng điện bộ kích thích, đến lượt dòngđiện bộ kích thích này sẽ điều chỉnh điện áp ở đầu cực máy phát và công suất phảnkháng đầu ra máy phát

Ở bộ điều chỉnh điện áp tự động, sự chênh lệch giữa điện áp đo được ở đầucực máy phát và sự thay đổi điện áp đặt thì được dùng để đưa vào vòng lặp điềukhiển nó hình thành từ dòng điện của bộ kích từ, nó lần lượt điều chỉnh điện áp đầucực máy phát và đầu ra công suất phản kháng

Để lợi dụng nguồn công suất phản kháng tỉnh như là trụ điện điện áp cao(HV) được lắp đặt trên hệ thống truyền tải Bộ điều chỉnh điện áp cấp 2(SVR) đãđược tích hợp điều khiển với tụ điện cao áp Sự phối hợp giữa điều khiển tụ điệncao áp và bộ điều chỉnh điện áp cấp 2 (SVR) được dựa trên cơ sở nguyên lý sauđây: Khi mà nhu cầu công suất phản kháng gia tăng thì bộ tụ điện cao áp sẽ đượcđóng vào trước khi hiệu chỉnh c ông suất phản kháng của các máy phát tham giađiều khiển Điều này cho phép giữ được mức dự trữ công suất phản kháng của cácmáy phát lớn, mà nó được sử dụng cho các trình huống sự cố tiếp theo

Mặc dù bộ điều khiển điện áp cấp 2 (SVR) đã được ứng dụng sớm ở Điệnlực Pháp (EDF) vào thập niên 80 và đã được đáp ứng tố t Tuy nhiên, nó cũng có vàihạn chế liên quan đến cấu trúc và thiết kế [22] được bàn sau đây:

· Những hạn chế liên quan đến cấu trúc của bộ SVR :

- Giả thiết rằng mạng điện được phân chia thành những vùng điều khiển độclập cho điều khiển cấp 2 là không luôn luôn đúng (tức là có khi liên hệ với nhau chứkhông phải là lúc nào cũng độc lập) Sự phát triển của mạng điện sau khi ứng dụng

bộ điều khiển điện áp cấp 2 (SVR) có thể dẫn đến sự liên quan giữa các vùng có thểgia tăng

Sự làm việc của bộ điều khiển điện áp cấp 2 có thể sẽ bị hạn chế trừ phi việcphân chia các vùng được điều chỉnh lại

- Kế hoạch phân phối công suất phản kháng của các máy phát trong biểuthức (3.1), không xét đến mức độ ưu tiên trong điều khiển, mà mức độ ưu tiên trongđiều khiển này được biểu diễn dưới dạng các khoảng cách điện tương đối của cácmáy phát tham gia đến vị trí nhiễu loạn mà nhiễu loạn này nó gây nên sự sai lệchđiện áp của nút chính Tính hiệu quả của chiến lược này trong trường hợp tổng quát

có thể đạt đư ợc, cụ thể là khi các máy phát được phân bố không đồng nhất đối vớinút chính

- Vòng điều khiển công suất phản kháng cho mỗi máy phát tham gia trong sơ

đồ điều khiển điện áp cấp 2(SVR) trong hình (3.2) là một phần của sơ đồ điềukhiển Vòng điều khiển tạo ra đáp ứng quá độ riêng của nó, mà nó có ảnh hưởngđến tính ổn định của toàn bộ việc điều khiển điện áp Vòng điều khiển có thông số

cố định có thể dẫn đến mất ổn định và / hoặc dao động, phụ thuộc vào cấu hình của

hệ thống sau khi có sự cố

· Những hạn chế liên quan đến thiết kế bộ điều chỉnh điện áp cấp 2:

- Các giới hạn về mặt vận hành, ví dụ như là giới hạn cho phép cực tiểu, cựcđại của biên độ điện áp hệ thống không được xét đến trong sơ đồ điều khiển

- Vì thông số vòng điều khiển là cố định, nên chiến lược điều khiển tổng thể

có thể không phải là chiến lược tối ưu trong một vài chế độ vận hành

- Đặc tính động học của sự thay đổi về giá trị chỉnh định cung cấp cho các bộđiều khiển điện áp tự động (AVR) của má y phát trong sơ đồ điều khiển điện áp cấp2(SVR) trong hình (3.2) có thể là nhanh và không tương thích với thời gian đáp ứngcủa máy phát tham gia điều khiển.

Kết luận: Do các giới hạn nêu trê n Bộ điều khiển điện áp cấp 2(SVR)nguyên thủy đã được thay thế bởi 1 sơ đồ điều khiển cấ p 2 mới và được trình bàytrong phần tiếp theo dưới đây

3.3.2 Điều khiển điện áp cấp 2 phối hợp (CSVR):

Sơ đồ điều khiển điện áp cấp 2 mới mà nó thay thế cho bộ điều chỉnh điện ápcấp 2 nguyên thủy (SVR), phối hợp điều khiển điện áp của các bộ điều khiển trongcác vùng khác nhau để điều khiển điện áp của toàn bộ khu vự c mà bao gồm nhiềuvùng Nó đã được ứng dụng ở miền Tây nước Pháp từ năm 1998 và được gọi là làđiều khiển điện á p cấp 2 phối hợp [22] Khác với bộ điều kh iển điện áp cấp 2nguyên thủy (SVR) mà ở đ ó điện áp tại 1 nút chính được điều khiển bởi các má yphát trong vùng, trong bộ điều khiển điện áp cấp 2 phối hợp (CSVR) điện áp tại mộttập ở nhiều điểm các nút chính được điều khiển bằng với các giá trị đặt tương ứ ng

để đạt được biên dạng điện áp thỏa mản của toàn bộ khu vực

3.3.2.1 Sơ đồ khối điều khiển điện áp cấp 2 phối hợp:

Sơ đồ khối tiêu biểu của bộ điều chỉnh điện áp cấp 2 phối hợp(CSVR), ứng dụng cho toàn bộ mạng điện được cho trong hình 3.3

Những nút máy phát điệnNút k

Đo lường

lVplkl

Xác định vectơ /ma trậnliên quan giới hạn và

điện áp tựđộng (AVR) Iexi

phát khác

Những hệ thống điều khiểnkích thích máy phát khác

Hình 3.3: Sơ đồ khối bộ điều chỉnh điện áp cấp 2 phối hợp (CSVR)

Trong hình 3.3 có:

V plsp: Vectơ biên độ điện áp đặt ở những nút tải chính

Q gensp:Vectơ công suất phản kháng đặt của các máy phát tham gia điều khiển

V0 refgen :Vectơ điện áp đặt xác định trước cho các máy phát tham gia điềukhiển

ІV plkl : Biên độ điện áp đo được ở nút tải chính thứ k

ІV genil: Biên độ điện áp đo được của máy phát tham gia điều khiển thứ i

Q geni: Công suất phản kháng đo được của máy phát tham gia điều khiển thứ i

V refgeni: Điện áp đặt đầu vào đến bộ điều chỉnh điện áp tự động của máy pháttham gia điều khiển thứ i

I exi: Dòng điện kích từ của máy phát thứ i

k = 1,2,….,n pl, trong đó n pl : Là số của các nút tải chính

i = 1,2,….,n gen, trong đó n gen : Là số của những máy phát tham gia điềukhiển

Trọng tâm của bộ điều chỉnh điện áp cấp 2 phối hợp(CSVR) là bộ điều khiểndựa trên cơ sở tối ưu hóa, các đầu vào của bộ điều khiển bao gồm các biên độ điệ n

áp tại các nút chính đo được, công suất phản kháng và biên độ điện áp đo được củacác máy phát tham gia điều khiển và các ma trận độ nhạy cùng với ma trận vectơliên quan đến giới hạn vận hành Để đạt được mục tiêu xác định trước mà được địnhnghĩa bởi luật điều khiển, bộ điều khiển này sẽ tính toán giá trị điện áp đặt mới cungcấp cho bộ điều khiển điện áp tự động (AVR) của các máy phát điều khiển

Phụ thuộc vào sự khác biệt giữa biên độ điện áp đo lường tại đầu cực cácmáy phát điều khiển, |V geni| và giá trị đặt mới của nó, V refgeni bộ điều khiển điện áp

tự động (AVR) sẽ hình thành dòng điện của máy kích thích mà nó sẽ điều chỉnhđiện áp đầu cực máy phát

Luật điều khiển trên cơ sở tối ưu hóa được sử dụng trong bộ điề u khiển điện

áp cấp 2 phối hợp (CSVR) được xây dựng dựa trên cơ sở mục tiêu cụ thể cần đạt

được Phần sau đây sẽ trình bày chiến lược điều khiển này mà được ứng d ụng ởĐiện lực Pháp.

3.3.2.2 Chiến lược điều khiển điện áp cấp 2 phối hợp:

Giá trị điện áp đặt mới cho các máy phát tham gia điều khiển nhận được từchiến lược điều khiển được xây dựng trên bài toán tối ưu hóa có ràng buộc Đối vớiứng dụng trong thời gian thực chiến lược điều khiển đã được xây dựng sử dụng môhình hệ thống tuyến tính hóa mà nó có thể dẫn đến nghiệm của các biến điều khiểnkhông đúng Nếu như sự khác biệt cần được cực tiểu giữa giá trị đo lường và giá trịđặt của các đại lượng được điều khiển là quá lớn Để mô hình tuyến tính hóa của hệthống được áp dụng, toàn bộ quá trình tuyến tính hóa được phân ra thành một số cácbài toán cực tiểu con, mà trong đó sự khác biệt giữa các giá trị đo lường và giá trịđặt của các đại lượng được điều khiển được giảm nhỏ bởi một hệ số nhỏ hơn 1 Do

đó, toàn bộ chu kỳ điều khiển sẽ đạt được sau một số các bước điều khiển mà mỗibước tương ứng với bà i toán con cực tiểu hóa Mỗi bài toán con cực tiể u hóa cóhàm mục tiêu được cho như sau:

f = {λ V║α C(V plsp-│Vpl p│)- C VplΔV refgen p+1║2+ λ Q║α C(Q gensp-Q gen p)-C QΔV refgen p+1║2 (3.5)+ λ U║α C(V refgen 0- V refgen p) - ΔV refgen p+1║2}

Theo 3.5 ta có:

α C : Độ lệch điều khiển và chọn nhỏ hơn 1;

chỉ số p và (p+1): Đề cập đến bước hiện hữu và bước tiếp theo của quá trìnhđiều khiển;

ký hiệu ║.║: Biểu diễn chuẩn của một véctơ;

V plsp: Véctơ biên độ điện áp đặt tại những nút tải chính;

│V pl p│: Véctơ biên độ điện áp đo được tại những nút tải chính;

Q gensp : Véctơ công suất phản kháng đặt của các máy phát tham gia điềukhiển;

Q gen p : Véctơ công suất phản kháng đo được của các máy phát tham gia điềukhiển;