Giải tích hệ thống điện hệ thống FACTS dùng TCSC

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Trước đây các thiết bị bù thường không có tự động điều chỉnh điện áp, hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm (máy bù đồng bộ) hoặc bù từng nấc. Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất nhờ thyristor công suất lớn đó cho phép thực hiện các thiết bị bù điều khiển nhanh, thực tế các thiết bị bù dùng Thyristor có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức không quá 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp. FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp, hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng. Mặt khác việc định hướng phát triển hệ thống được căn cứ trên cơ sở dự báo phụ tải, tuy nhiên trong quá trình vận hành không phải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng giữa cung và cầu dẫn đến tình trạng hệ thống điện sẽ có thời điểm bị quá tải. Thêm vào đó, do khả năng tải của đường dây bị giới hạn bởi các yếu tố nhiệt độ, điện dung và độ ổn định, nếu không có sự điều khiển hợp lý, sẽ không tận dụng hết khả năng tải của các đường dây. Việc sử dụng thiết bị FACTS sẽ góp phần giải quyết việc vận hành hệ thống điện một cách khoa học, nâng cao hiệu quả đường dây tải điện hiện có, đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra. Đặc biệt ở những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy. 1.1 Lý thuyết về FACTS Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuối đường dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: V s = V r =V. Trong quá trình truyền tải, xuất hiện góc lệch pha delta δ , phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X (1.1) 2 (1.2) (1.3) Vì đường dây không có tổn thất nên công suất tác dụng P bằng nhau ở mọi điểm trên đường dây: (1.4) Công suất phản kháng đầu đường dây bằng nhưng khác dấu với công suất phản kháng cuối đường dây: (1.5) Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vào giá trị δ. Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của điện áp hai đầu. Hình 1.1 Đường dây không có tổn thất 3 1.1.1 Khi bù nối tiếp Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đường dây: X giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây. Tuy nhiên, nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng. (1.6) (1.7) Hình 1.2 Bù nối tiếp 1.1.2 Khi bù song song Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp. Khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cung cấp thêm công suất phản kháng cho đường dây. (1.8) (1.9) 4 Hình 1.3 Bù song song 1.2 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS Các ưu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS: Sử dụng thiết bị FACTS cho phép: + Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn. + Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu + Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt + Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nước ta hiện nay. Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp. 1.3 Phân loại thiết bị FACTS FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc) hoặc bù song song (shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm bốn loại: a. Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers): Loại thiết bị này cho phép 5 thay đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi. Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây; gồm các tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor. Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là thiết bị mắc nối tiếp với nhau; gồm một điện kháng nối song song với một điện kháng khác được điều khiển bằng thyristor. Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC): là thiết bị gồm một bộ tụ được đóng mở bằng khóa thyristor. Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị gồm một bộ kháng được đóng mở bằng khóa thyristor. Hình 1.4 Ứng dụng của FACTS trong các tụ bù nối tiếp (sơ đồ mạch) b. Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers): Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai. Tất cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút. 6 Các đường dây truyền tải điện dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường dây. Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường dây. Để bù các điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây. Trong trường hợp này, FACTS có tác dụng như một nguồn áp. Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS. Trường hợp này, FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng. Bù song song có hai loại: - Bù điện dung Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất. Khi một tải có tính cảm được nối với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng điện. Để bù cảm kháng này, người ta lắp một tụ điện nối song song với tải, việc này sẽ kéo dòng điện lên sớm pha hơn so với điện áp. Và kết quả là hệ số công suất được nâng cao. - Bù điện cảm Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tải hoặc khi non tải cuối đường dây. Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên đường dây. Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệt với các đường dây dài lại có giá trị khá lớn. Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường dây. (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti). Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài). Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây. Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn kháng được điều khiển bằng Thyristor. Nó được mắc nối tiếp với 2 van Thyristor lắp ngược chiều nhau. Mỗi bộ Thyristor điều khiển một pha. Điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục. Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn kháng được đóng cắt bằng Thyristor. Thiết bị có cấu tạo tương tự như TCR nhưng Thyristor chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn. Điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp. 7 Thyristor Switched Capacitor (TSC): Tụ điện được đóng cắt bằng Thyristor. Do đó, điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp. Mechanically Switched Capacitor (MSC): Tụ điện được đóng cắt bằng máy cắt. Thiết bị chỉ được dùng để bù công suất phản kháng, và chỉ được đóng mở vài lần trong ngày khi hệ thống thiếu công suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên đường dây. Hình 1.5 Ứng dụng của FACTS trong các thiết bị bù song song (sơ đồ mạch) c. Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series - series Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất. Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng được bù độc lập cho mỗi đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua nguồn liên kết. Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải. d. Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series - shunt 8 Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song. Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp. 1.4. Một số thiết bị FACTS 1.4.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor (SVC) SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản 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 - Gate turn off) SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm: + Kháng điều chỉnh bằng Thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ. + Kháng đóng mở bằng Thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor): Có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC - Thyristor Switched Capacitor): 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. Các chức năng chính của SVC bao gồm: 9 Hình 1.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC 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 HTĐ. - Tăng cường tính ổn định của HTĐ. - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột Ngoài ra, SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành HTĐ như: 10 - Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây. - Giảm góc làm việc làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. Giảm tổn thất công suất và điện năng. 1.4.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC) Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 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 được 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 Ngoài ra, TCSC cũng có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của HTĐ. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.7 : Các chức năng chính của TCSC bao gồm: - Làm giảm nguy cơ sụt áp trrong ổn định tĩnh. - Giảm sự thay đổi điện áp. - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây [...]... thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có: Hay (2.8) 21 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS DÙNG TCSC 3.1 Thuật toán điều khiển TCSC Hiện nay, thuật toán điều khiển TCSC vẫn còn là vấn đề cần đang cần được nghiên cứu Thuật toán điều khiển TCSC ảnh hưởng lớn đến khả năng giữ được ổn định động của hệ thống điện Sau đây, sẽ giới thiệu hai phương pháp điều khiển TCSC điển hình: 3.1.1 Điều khiển TCSC theo... TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 4.1 Lưu đồ thuật toán Thuật toán newton-raphson có đặt thiết bị TCSC Hình 4.1: Thuật toán Newton-Raphson có đặt thiết bị TCSC 29 4.2 Kết quả từ mô phỏng bằng phần mềm Matlab 4.2.1 Khi chưa dùng thiết bị TCSC TCSC 3 (2) 1 (1) (3) 6 (6) 4 (4) (7 ) 5 (5) 2 Hình 4.2: Hệ thống điện được mô phỏng khi chưa sử dụng TCSC Day la ket qua chuong trinh phan bo cong suat che do ban dau chua co TCSC. .. 2: TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 2.1 Cấu tạo của TCSC TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp ( fixed series capacitor – FC ) có điện dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng Thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR) DCL C U1 U2 L VAR K MC Hình 2.1 Cấu tạo TCSC Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện, máy cắt... TCSC Hình 5.1: Thuật toán Newton-Raphson có đặt thiết bị TCSC 35 5.2 Kết quả từ mô phỏng bằng phần mềm Matlab 5.2.1 Khi chưa dùng thiết bị TCSC Hệ thống điện 5 bus được mô phỏng như hình vẽ Các thông số của từng bus và đường dây được cho trong phụ lục 1 Chương trình code cho trong phụ lục 4 Hình 5.2: Hệ thống điện được mô phỏng khi chưa sử dụng TCSC Kết quả thu được sau khi chạy chương trình Matlab State... 4 5 -0.6000 -0.1000 Qloss 0.011 -0.007 -0.029 -0.026 0.007 -0.018 -0.047 31 4.2.2 Khi dùng thiết bị TCSC TCSC 3 (2) 1 (1) 6 (3) (6) 4 (4) (7 ) 5 (5) 2 Hình 4.3: Hệ thống điện được mô phỏng khi sử dụng TCSC Day la ket qua chuong trinh khao sat TCSC bus 1 2 3 4 5 6 genbus 1 2 branch Nhanh 1 2 3 4 5 6 7 bustype 1 2 3 3 3 3 VM 1.06 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 PGEN 0.000... sending and receiving end of TCSC Ptcsc( 1, 1)= 0.2100 Qtcsc( 1, 1)= 0.0241 Ptcsc( 1, 2)= -0.2100 Qtcsc( 1, 2)= -0.0251 TCSC capacitive reactance X( 1) = -0.0216 Ploss 0.025 0.016 0.004 0.004 0.012 0.000 0.000 Qloss 0.010 -0.006 -0.028 -0.027 0.007 -0.018 -0.046 34 CHƯƠNG 5: KIỂM TRA KẾT QUẢ TRÊN MẠNG ĐIỆN MẪU 5.1 Lưu đồ thuật toán Thuật toán newton-raphson có đặt thiết bị TCSC Hình 5.1: Thuật toán Newton-Raphson... một giá trị âm đủ lớn 2.3 Bảo vệ TCSC Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu hoặc sự cố Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, nên tăng, cần phải có cơ chế chống quá áp cho tụ Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện trở phi tuyến, bình thường... sau 2.2 Lý thuyết TCSC Nếu gọi dung kháng của tụ là -jXC còn cảm kháng của TCR là jXL thì điện kháng đẳng trị của TCSC tính được theo công thức: 18 (2.1) Với: (2.2) (2.3) (2.4) Với Với thiết kế điện kháng gọi là góc dẫn ; với của TCR lớn hơn ta luôn có trị số điện kháng đẳng trị của TCSC mang dấu âm (hình vẽ), nghĩa là tương ứng với tụ bù dọc Khi góc cắt của TCR thay đổi từ kháng của TCSC thay đổi liên... TCSC điển hình: 3.1.1 Điều khiển TCSC theo tín hiệu đóng cắt Xét phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động đóng cắt để nâng cao ổn định động của HTĐ sơ đồ đơn giản đã đẳng trị các máy phát điện của nhà máy: E C U HT NM Hình 3.1 Mô hình hệ thống có sử dụng TCSC Để có thể so sánh các tác động điều khiển khác nhau, ta xuất phát từ hệ phương trình vi phân mô tả QTQĐ sau khi cắt ngắn mạch trên một trong... (3.2) 22 Ở đây coi E và đến thanh cái hệ thống không thay đổi, còn điện dẫn đẳng trị từ sức điện động E Các điều kiện đầu của hệ có thể tính theo CĐXL trước sự cố Biểu thức công suất truyền tải có dạng: (3.3) Hình 3.2 Đồ thị mô tả quá trình quá độ máy phát có điều chỉnh đóng cắt TCSC Đường cong B biểu diễn đặc tính công suất của máy phát ở CĐXL trước khi xảy ra sự cố (TCSC có trị số trung bình) Đường A . 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp. FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép. này, FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng. Bù song song có hai loại: - Bù điện dung Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất. Khi một tải có tính cảm được nối với hệ thống, hệ số. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN BỐ CÔNG SUẤT 2.1. Cấu tạo của TCSC TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp ( fixed series capacitor – FC ) có điện dung C được nối