điều khiển thiết bị bù tĩnh ( svc ) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm THÁI NGUYÊN 2007 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu. 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n MUC LỤC Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt 6 Danh mục các báng biểu 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 9 Lời nói đầu 11 Chương 1: Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện 13 1.1. Hệ thống điện hợp nhất và những yêu cầu điều chỉnh nhanh công suất trong các điều kiện làm việc bình thường và sự cố 13 1.1.1. Đặc điểm 13 1.1.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện hợp nhất 14 1.1.3. Bù công suất phản kháng 14 11.4. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp 16 1.1.4.1. Bù dọc 16 1.1.4.2. Bù ngang 18 1.1.4.3. Nhận xét 20 1.2. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện 20 1.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC - Static Var Compensator) 20 1.2.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) 22 1.2.3. Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator) 23 1.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller) 24 1.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n (TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) 26 1.2.6. Nhận xét 27 Kết luận 27 Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện 29 2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện 29 2.1.1. Đặt vấn đề 29 2.1.2. Một số ứng dụng của SVC 30 2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất 30 2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố 32 2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công 33 2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công 33 2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây 33 2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng 36 2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố 36 2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC 37 2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của SVC 37 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược 37 2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) 40 2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) 49 2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) 49 2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC 50 2.2.2. Các đặc tính của SVC 51 2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC 51 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n 2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC 52 2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện 53 2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi 53 2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng 55 Kết luận 58 Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng SVC 59 3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng 59 3.1.1. Chức năng hệ điều khiển 60 3.1.2. Nguyên tắc điều khiển 60 3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của SVC 61 3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK 61 3.1.3.2. Khâu phản hồi 62 3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung 63 3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877 64 3.1.4. Thuật toán PID dùng cho bộ vi điều khiển PIC16f877 69 3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương tự 69 3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng số 70 3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng cao 70 3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC 71 3.2. Phần mềm ISIS mô phỏng hệ thống điều khiển SVC 71 3.3. Mô phỏng hệ điều khiển van thyristor hoặc triắc của bộ TCR 72 3.3.1. Mô phỏng các phần tử của hệ điều khiển 72 3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp 72 3.3.1.2. Khâu lấy tín hiệu phản hồi 72 3.3.1.3. Khâu tạo xung đồng bộ 73 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n 3.3.1.4. Khâu khuếch đại xung 74 3.3.1.5. Khâu điều khiển xung 75 3.3.2. Các phần tử khác trong mô phỏng 76 3.3.2.1. Nguồn điện 76 3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển TCR 77 Kết luận 78 Chương 4: ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều khiển 79 4.1. Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng SVC có điều khiển 79 4.2. Kết quả mô phỏng 79 4.2.1. Đồ thị điều khiển xung theo chế độ điện áp thay đổi 80 4.2.2. Đặc tính dòng qua thyristor điện khi điều khiển điện áp tại nút 83 4.3. Đặc tính hệ thống điều khiển các van SVC 89 Kết luận 92 Kết luận chung và hướng phát triển 93 Tài liệu tham khảo Phụ lục 1 Phụ lục 2 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Ý nghĩa Chú thích 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 HTĐ SVC TCSC STATCOM UPFC TCPAR FACTS ISIS PCB VĐK SS-TX Hệ thống điện Static Var Compensator Thyristor Controlled Series Capacitor Static Synchronous Compensator Unified Power Flow Controller Thyristor Controlled Phase Angle Regulator Flexible Alternating Current Transmission Systems Proteus 6 Professional Printed Circuit Board Bộ vi điều khiển Khâu so sánh và tạo xung Phần mềm mô phỏng mạch điện- điện tử 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển 27 Bảng 2-1: Giá trị của I 3 khi thay đổi góc điều khiển α 47 Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo 72 Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi 73 Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ 74 Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung 75 Bảng 3-5: Các dạng nguồn được ISIS mô phỏng 77 Bảng 3-6: Các phần tử tạo thành bộ TCR 78 Bảng 4-1: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 1 90 Bảng 4-2: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 2 92 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp 17 Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC 21 Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC 22 Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM 23 Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC 24 Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR 26 Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC 31 Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC 32 Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp 32 Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC 35 Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC 37 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor 38 Hình 2.7: Đồ thị dòng điện tải 38 Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR 40 Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR 41 Hình 2.10: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua TCR 41 Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR 42 Hình 2.12: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt 46 Hình 2.13: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR 46 Hình 2.14: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC 49 Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR 50 Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC 51 Hình 2.17: Đặc tính U-I của SVC 51 Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 52 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản 55 Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải 55 Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC 56 Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng 57 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC 59 Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng 61 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ 62 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi 63 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung 64 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877 66 Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi 73 Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản hồi 73 Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ 74 Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng bộ 74 Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại xung 75 Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung 75 Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung 76 Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển xung 76 Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn 77 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR 78 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR 79 Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 10 0 80 Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 30 0 80 Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 45 0 81 Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 90 0 81 [...]... gi cho in ỏp ph ti ớt bin i hn v th hin trờn ng c tớnh (b) ca hỡnh 2.2 Tuy nhiờn, nờu thit b SVC khụng cú gii hn v cụng sut phỏt thỡ in ỏp trờn thanh cỏi ca ph ti cú th c gi giỏ tr khụng i v c th hin trờn ng c tớnh (c) ca hỡnh 2.2 S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 31 U (c) (a) (b) 0 P Hình 2.2: Sự thay đổi của điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC. .. THIT B B SVC TRONG VIC NNG CAO N NH H THNG IN Nhng thit b bự ngang cú iu khin (SVC - Static Var Cojmpensator) u tiờn c cho ra i vo khong gia thp k 70 nh ng dng cỏc cụng ngh mi ca ngnh sn xut cht bỏn dn S xut hin ca SVC ó m ra mt k nguyờn mi cho vic phỏt trin cỏc thit b thuc H thng truyn ti in xoay chiu linh hot (FACTS- Flexible Alternating Current Transmission Systems) c s dng t hng chc nm nay, SVC ó... gin nh hỡnh 2.1 Hệ thống điện jXe p,q EUsvcLoad Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC Trong ú: E: l in ỏp ca h thng Xe: l in khỏng ca h thng in tớnh n thanh cỏi ca ph ti in ỏp ti thanh cỏi ph ti ca h thng s cú xu hng gim thieo chiu tng ca cụng sut ti nu khụng cú phn t bự cụng sut phn khỏng v c th hin trờn ng c tớnh (a) ca hỡnh 2.2 S cung cp cụng sut phn khỏng ca thit b SVC vi di thụng... trung gian v trm cui nõng cao n nh in ỏp ti cỏc trm ny 1.1.3 B CễNG SUT PHN KHNG Khỏc vi cỏc ng dõy cao ỏp (in ỏp nh hn 330kV), quỏ trỡnh truyn ti in xoay chiu trờn ng dõy siờu cao ỏp liờn quan n quỏ trỡnh truyn súng in t dc theo ng dõy in trng ca ng dõy ớt thay i trong quỏ trỡnh vn hnh vỡ in ỏp trờn ng dõy c khng ch trong gii hn cho phộp (thng l 10 %), song t trng li thay i trong di khỏ rng theo s thay... i vi ýng dừy siu cao p Trýc ừy, cc thit b b cng sut phn khng thýng khng cỳ t ng iu chnh hoc cỳ iu chnh nhýng rt chm, nhy bc Ngy nay vi s ra i ca cc thit b Thyristor cng sut ln v cng vi nỳ l cc thit b FACTS ( Fleaxible AC Transmission line System), trong ỳ cỳ SVC, ú khc phc ýc cc nhýc im nu trn v mang li hiu qu rt cao trong vn hnh h thng in Do tnh ýu vit ca SVC ( kh núng iu chnh nhanh), bin thay i kh... thp trong h thng in Tuy nhiờn, TCSC cũn cú nhiu chc nng khỏc cú th tng tớnh linh hot trong vn hnh cỏc ng dõy siờu cao ỏp núi riờng v HT núi chung Tu theo yờu cu ca tng ng dõy siờu cao ỏp c th v chc nng ca chỳng trong tng HT c th m ta cú th ỏp dng cỏc phng phỏp, mch iu khin TCSC cho phự hp vi cỏc ch vn hnh trong HT 1.2.3 THIT B B TNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR) STATCOM l s hon thin ca SVC, ... thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): cú chc nng phỏt cụng sut phn khỏng, úng ct nhanh bng thyristor Cu to v nguyờn lý hot ng ca SVC nh trờn hỡnh 1.2 S dng SVC cho phộp nõng cao kh nng ti ca ng dõy mt cỏch ỏng k m khụng cn dựng n nhng phng tin iu khin c bit v phc tp trong vn hnh Cỏc chc nng chớnh ca SVC bao gm: Hỡnh 1.2: Cu to vnguyờn lý lm vic ca SVC - iu khin in ỏp ti nỳt cú t SVC cú th c nh... b bự dc lm thay i gúc pha (Static Synchoronous Series Compensator) vi thit b bự ngang STATCOM Nú c cu to t 2 b chuyn i (converter) iu khin thyristor cú ca úng m GTO Mi mt b chuyn i gm cú van úng m (GTO) v MBA trung gian in ỏp thp (xem hỡnh 1. 5) Hỡnh 1.5: Nguyờn lý cu to ca UPFC Mỏy bin ỏp ni vi b chuyn i qua thanh cỏi lm vic (Buswork) v mỏy ct c mụ t trờn hỡnh Mi mt b chuyn i cú th ngng hot ng vỡ bt... hn ch 1 vỡ cú th iu khin dũng cụng sut tỏc dng P ngay c khi gúc pha rt nh Trong ch 1, nu dũng trong thnh phn bự dc (series compensator) gim thỡ kh nng iu khin ca UPFC cng gim theo Hn na, trong ch 1 v ch 2, cụng sut ca thnh phn bự ngang (shunt compensator) cú th gim ti thiu vỡ dũng cụng sut i qua liờn kt 1 chiu (DC link) gn nh bng 0 Ngoi ra, thnh phn bự ngang cú th iu khin ng thi c dũng cụng sut... khin (TCSC) Cỏc thit b ny cho phộp chỳng ta vn hnh h thng in mt cỏch linh hot, hiu qu c trong ch bỡnh thng hay s c nh kh nng iu chnh nhanh cụng sut phn khỏng v cỏc thụng s khỏc (tr khỏng, gúc pha) ca chỳng Vic nghiờn cu thit b bự ngang cú kh nng iu chnh nhanh bng thyristor hay tric i vi vic nõng cao n nh v cht lng in ỏp ca h thng in Vit Nam trong tng lai v nhim v rt cn thit Nhm m ra mt hng mi trong . THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Học viên: Nguyễn Thế. được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor hay triắc (SVC) , thiết. Regulator) 26 1.2.6. Nhận xét 27 Kết luận 27 Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện 29 2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện 29 2.1.1.