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

Điều khiển thiết bị bù tĩnh 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 (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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 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 . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Ý nghĩa Chú thích 1 HTĐ Hệ thống điện 2 SVC Static Var Compensator 3 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor 4 STATCOM Static Synchronous Compensator 5 UPFC Unified Power Flow Controller 6 TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle Regulator 7 FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems 8 ISIS Proteus 6 Professional Phần mềm mô phỏng mạch điện- điện tử 9 PCB Printed Circuit Board 10 VĐK Bộ vi điều khiển 11 SS-TX Khâu so sánh và tạo xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 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  . 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 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 [...]... 15 Vic bự thụng s ca ng dõy siờu cao ỏp lm tng kh nng ti ca ng dõy v qua ú nõng cao tớnh n nh Cỏc bin phỏp thng c ỏp dng v em li hiu qu cao l bự dc v bự ngang trờn cỏc ng dõy siờu cao ỏp 1.1.4 B DC V B NGANG TRONG NG DY SIấU CAO P Cỏc ng dõy siờu cao ỏp cú chiu di ln thng c bự thụng s thụng qua cỏc thit b bự dc v bự ngang Mc ớch ch yu ca vic t cỏc thit b bự l nõng cao kh nng ti ca ng dõy v san bng... 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... cung cp cho h thng khỏc nh chờnh lch v mỳi gi + Gim c chi phớ vn hnh, ng thi nõng cao tớnh linh hot trong vic sa cha, i tu cỏc thit b trong ton h thng + Nõng cao d tr n nh tnh ca h thng, qua ú nõng cao tin cy cung cp in do cụng sut d tr chung ca c HT hp nht l rt ln S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 Ngoi cỏc li ớch ó nờu trờn, vic hp nht cỏc h thng in cũn cho phộp... mỡnh trong vic vn hnh li in v kh nng mang li nhng li ớch kinh t to ln cho h thng Trong h thng truyn ti in nng, SVC c s dng vi cỏc mc ớch chớnh sau: - n nh in ỏp trong cỏc h thng yu - Tng kh nng truyn ti ca ng dõy - Gim tn tht in nng truyn ti - Tng cng kh nng iu khin in ỏp - ễn hũa cỏc dao ng cụng sut 2.1 KH NNG NG DNG CA SVC TRONG H THNG IN 2.1.1 T VN Cng nhý cng sut tc dng P, cng sut phn khng Q trong. .. tiờu th S thay i in ỏp ti nỳt ph ti cui cỳng ca h thng thiu ht cụng sut l mt hm ph thuc vo cụng sut ti ca ton h thng v cú th minh ha bng vớ d n gin nh hỡnh 2.1 Hệ thống điện jXe p,q E U svc Load 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... trờn ng dõy hoc ngn mch yu Vỡ SVC cú th phn ng trong vũng 10ms, nờn thi gian quỏ ỏp s c gim xung thp hn thi gian chnh nh bo v ca h thng r le Do ú cac r le khụng cn tỏc ng ct s c v tớnh cht ti in s c nõng cao Quan h quỏ ỏp vi thi gian c th hin hỡnh 2.3 Voltage 100 0 10s Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp c im ny rt quan trng i vi ng dõy siờu cao ỏp nh ng dõy 500kV Bc- Nam ca nc ta bi vỡ nú... in ỏp phõn b dc ng dõy Hn na, bự thụng s cũn nõng cao tớnh n nh tnh, n nh ng, gim s dao dng cụng sut lm cho vic vn hnh h thng in mt cỏch linh hot v hiu qu hn õy l bin phỏp rt cn thit cho cỏc ng dõy siờu cao ỏp cú chiu di ln, c bit l nhng ng dõy cú chiu di gn 1/4 bc súng nh ng dõy 500kV Bc - Nam Vit Nam 1.1.4.1 Bự dc Tr s cm khỏng ln ca ng dõy siờu cao ỏp lm nh hng xu n hng lot ch tiờu kinh t - k thut... b bự dc v ngang trờn ng dõy ti in xoay chiu u cú nhng c im chung l kh nng nõng cao tin cy trong vn hnh h thng in Tuy nhiờn, gia cỏc thit b vn cú s khỏc bit tu theo yờu cu trong tng h thng in c th, ch vn hnh c th m ta cú th la chn cỏc thit b hp lý - Trong thc t vn hnh, tu theo yờu cu iu chnh in ỏp, tro lu cụng sut, nõng cao n nh hay gim dao ng cụng sut trờn ng dõy m ta la chn cỏc thit b hp lý da trờn... siờu cao ỏp em li nhiu hiu qu tng hp Tuy nhiờn, cú nhiu vn k thut cn gii quyt, trong ú, vn bự cụng sut phn khỏng v iu khin cú ý ngha quyt nh trong vic gi n nh in ỏp v nõng cao gii hn truyn ti S húa bi Trung tõm Hc liu i hc Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn 28 - Vic lp t cỏc thit b bự dc v bự ngang iu khin nh thyristor l xu hng rt c quan tõm trờn th gii vỡ nh chỳng m tin cy v tớnh kinh t trong. .. thyristor cú kh nng iu chnh gn nh tc thi thụng s ca chỳng Vic ng dng cỏc thit b núi trờn trong HT lm nõng cao kh nng gi n nh in ỏp v gim dao ng cụng sut, c bit l i vi cỏc HT hp nht cú truyn ti bng cỏc ng dõy siờu cao ỏp - Cỏc thit b bự cú iu khin thyristor ch em li hiu qu rt cao khi thi im tỏc ng v giỏ tr dung lng bự l hp lý cho tng ch vn hnh ca h thng in (trc s c, s c v phc hi) õy l mt vic rt quan trng khi . 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. hoạt trong việc sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống. + Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung cấp điện