Hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt viết tắt FACTS (flexible AC transmission system)

1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày giới xây dựng nhiều hệ thống điện hợp nhất, hệ thống điện mà tất phần tử sản xuất điện năng, truyền tải điện nhiều khu vực phạm vi quốc gia liên quốc gia nối chung với qua đường dây liên lạc điện áp siêu cao áp Khi xây dựng hệ thống điện hợp có ưu điểm bật mặt kinh tế - kỹ thuật Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất đường dây truyền tải điện, giải pháp áp dụng cơng nghệ điện tử cơng suất vào hệ thống truyền tải điện gọi hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt viết tắt: FACTS (Flexible AC Transmission System) đề tài khoa học nhiều nhà khoa học-kỹ thụât quan tâm Ưu điểm hệ thống là: • Cải thiện tính linh hoạt thay đổi cấu hình lưới điện cách nhanh chóng, cho phép phân phối lượng tốt • Tối ưu hố sơ đồ sản xuất Đặc biệt ngày công nghệ sản xuất thiết bị điện tử công suất lớn (Thyristor) đạt trình độ hồn thiện giúp cho hệ thống FACTS trở thành thực phát huy tác dụng đem lại hiệu kinh tế cao 3-1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FACTS 3.1.1 Đặt vấn đề Hầu hết hệ thống cung cấp điện giới liên kết với cách rộng rãi, nhằm giải toán kinh tế kỹ thuật Hệ thống điện nước tiên tiến nhiều công ty cung cấp, cơng ty có nhiều nhà máy đặt nơi thuận lợi việc khai thác nguyên liệu, cần phải nối kết nhà máy lại với nhau,để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện đồng thời khai thác hiệu nhà máy phát điện, dẫn đến nối kết khu vực, vùng Ngày có nhiều quốc gia bán điện sang nước lân cận, dẫn đến nối kết khu vực, châu lục Tuy xã hội không ngừng phát triển, ngành công nghiệp đa dạng, phát triển nhanh chóng rộng khắp, cộng với chất lượng sống người ngày cao nên phụ tải điện tăng nhanh Mặc dầu hệ thống điện xây dựng dựa dự báo phụ tải lúc đảm bảo cân cung cầu, mà hệ thống điện vận hành bị tải Đường dây truyền tải bị giới hạn yếu tố nhiệt độ, điện dung, độ ổn định Vì khơng có điều chỉnh thích hợp, đường dây tải điện bị hạn chế định, không tận dụng hết khả tải điện nó, điều kiện môi trường, hành lang đường dây ,nên không dễ dàng xây dựng hệ thống điện cách tuỳ ý thay hệ thống điện cũ cách dễ dàng Đứng trước thực tế địi hỏi nhà kỹ thuật tìm giải pháp nâng cao hiệu đường dây tải điện có, điều khiển vận hành khoa học nhằm nâng cao khả tải điện đáp ứng yêu cầu thực tế đặt Giải pháp dự án FACTS 3-1.2 Mục tiêu dự án FACTS Mục tiêu dự án mong muốn điều khiển việc chuyển tải điện mạng lưới tăng khả chuyển tải giới hạn nhiệt độ cho phép Viện nghiên cứu lượng điện (EPRI) sau nhiều năm ủng hộ, khuyến khích ngành điện tử cơng suất phát triển, áp dụng vào hệ thống điện truyền tải chiều điện áp cao (HVDC), bù phản kháng đường dây xoay chiều, đến cuối thập niên 80 khái niệm hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System- FACTS) thức cơng nhận Bước đầu FACTS đóng góp đáng kể vào việc giải hạn chế truyền tải đường dây cấu trúc vật lý dây dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất nhập điện phát triển Để khẳng định ý tưởng này, khảo sát vài ví dụ đơn giản sau 3-1.2.1 Công suất chuyển tải đường dây Hình 3-1a thể trường hợp đơn giản dịng lượng truyền tải đường dây Vị trí trạm truyền tải nối với Những trạm có tải, máy phát điểm nối hệ thống E 1, E2 biên độ điện áp góp, δ góc lệch pha sức điện động Đường dây thay cảm kháng X, điện trở điện dung bỏ qua Hình 3-1b hình 3-1c đồ thị pha thể quan hệ dòng điện tác dụng, dòng điện phản kháng với điện áp hai điểm Thành phần tác dụng dòng điện E1 : Ip1 = E sin δ X Thành phần phản kháng dòng điện E1 là: Iq1 = (E1-E2 cos δ)/X Công suất tác dụng E1 là: P1 = (E1(E2sin δ)/X Công suất phản kháng E1 là: Q1 = E1 (E1-E2 cos δ)/X Tương tự Thành phần tác dụng dòng điện E2: Ip2 = (E1sin δ)/X Thành phần phản kháng dòng điện E2: Iq2 = (E2-E1 cos δ)/X (3-1) Công suất tác dụng E2: P2 = E2(E1 sin δ)/X Công suất phản kháng E2: Q2 = E2 (E2-E1 cos δ)/X (3-2) Như giả thiết đường dây không tổn hao nên P1= P2= P P =E1(E2 sin δ)/X (3-3) Như thay đổi trị số X thay đổi P,Q Q2 theo (3-1), (3-2) (3-3) Giả sử E1 E2 biên độ điện áp máy thay hệ thống , tổng trở X bao gồm tổng trở tương đương hai máy Hình 3-1d cho thấy nửa sóng hình sin dạng sóng cơng suất tác dụng, tăng đến giá trị đỉnh tăng góc δ đến 900 Cơng suất tác dụng giảm góc δ>900 khơng δ=1800 Nó cho ta dễ dàng đánh giá không điều chỉnh độ cao thông số E 1,E2, E1-E2, X δ, đường dây truyền tải có δ thể tận dụng đến mức tốt ứng với δ=90 E1 δ1 EL E2 E1 EL I E2 δ2 (a) δ2 (b) E1-E2cosδ E1sinδ E1 E2cosδ E1sinδ IP1=E2sinδ/x δ Pmax E2sinδ E2 IP2=E1sinδ/x E1cosδ Iq1=(E1- E2cosδ)/X Iq2=(E2- E2cosδ)/X E1 E2-E1cosδ (c) Điện áp bù pha P= E1 E sin δ X 900 (d) E1 Điện áp bù thẳng góc E1 1800 I I E1-E2 I E2 (e) E1-E2 E2 E1-E2 I I (f) E2 (g) Hình 3-1 Điều khiển dịng lượng xoay chiều đường dây truyền tải a Mơ hình hệ thống đơn giản b Dịng điện thẳng góc với điện áp đầu vào c Đồ thị pha dòng lượng tác dụng phản kháng d Đường cong cơng suất theo góc δ ứng với giá trị khác e Điều chỉnh biên độ điện áp thay đổi phần lớn công suất phản kháng f Điện áp bù nối tiếp với đường dây g Điện áp bù thẳng góc với dịng điện thay đổi phần lớn công suất tác dụng Đây điều cần thiết để trì độ dự trữ cho trình ổn định, đảm bảo hệ thống không tan rã thiếu hụt điện áp máy phát đường dây.Tăng giảm trị số X tăng giảm chiều cao đường cong tương ứng (hình 3-1d) Với dịng lượng cho trước, thay đổi trị số X tương ứng với thay đổi góc δ hai điểm cuối Cơng suất (dịng điện) điều khiển cách hiệu chỉnh biên độ vectơ điện áp E1 E2 Tuy nhiên từ hình 3-1e cho thấy thay biên độ E1 biên độ véctơ hiệu (E1-E2) khơng thay đổi bao nhiêu, góc lệch pha chúng thay đổi Bằng cách hiệu chỉnh biên độ vectơ E1 E2 tận dụng công suất phản kháng cơng suất tác dụng Dịng điện cơng suất truyền thay đổi cách nối tiếp nguồn điện áp với đường dây Hình 3-1f, điện áp nối tiếp thẳng góc với dịng điện pha Nó ảnh hưởng trực tiếp biên độ dịng điện góc δ cơng suất tác dụng Như mắc nối tiếp điện áp thay đổi biên độ góc pha theo điện áp dây (hình 3-1g) Nó coi thay đổi biên độ góc pha điện áp nối tiếp, dịng điện tác dụng phản kháng bị ảnh hưởng Phương pháp mắc nối tiếp điện áp hình thức quan trọng thiết bị điều khiển FACTS đề cập đến phần sau 3-1.2.2 Trường hợp dòng lượng lưới hệ thống Xét trường hợp đơn giản gồm hai máy phát điện hai vị trí khác chuyển lượng đến tải qua lưới gồm ba đường dây nối theo mạch lưới hình 3-2 Giả sử đường dây AB, BC, AC có cơng suất định mức dài hạn 1000MW, 1250MW 2000MW Máy phát thứ phát 2000MW, máy lại phát 1000MW, tổng 3000MW cung cấp cho tải Với tổng trở hình vẽ ba dây mang 600, 1600, 1400MW tương ứng (hình 3-2a) Như tải đường dây BC dĩ nhiên phải giảm công suất phát B tăng công suất phát A Nếu có tụ điện có dung kháng -5 Ω mắc vào dây (hình 3-2b) làm giảm tổng trở dây từ 10 Ω xuống Ω dịng lượng qua dây AB, BC AC 250, 1250 1750 MW Rõ ràng thay đổi giá trị tụ điện làm thay đổi dòng lượng tương ứng, giới hạn nhiệt, tổn thất truyền tải, phạm vi truyền tải đường dây công suất phát máy thay đổi Dùng thiết bị khí để đóng cắt tụ cuộn kháng có nhiều nhược điểm dễ bị mài mòn, điều khiển rời rạc, không tức thời nên ảnh hưởng đến độ tin cậy.Sự phức tạp gia tăng tụ điện mắc nối tiếp điều khiển khí; đóng cắt dẫn đến cộng hưởng bất đồng Nếu tu điện nối tiếp điều khiển Thyristor, đáp ứng yêu cầu, giảm nhanh điều kiện cộng hưởng không đồng dập tắt dao động tần số thấp dòng lượng Tương tự kết nhận cách tăng tổng trở dây lưới (hình 3-2c) Một lý khác, điều khiển Thyristor để hiệu chỉnh góc pha lắp đặt để thay tụ điện nối tiếp tổng trở nối tiếp vào ba dây để thực mục đích tương tự (hình 3-2d), đặt vào đường dây thứ ba để giảm góc pha dọc đường dây từ 8.5 đến 4.260 Như trình bày phần trước, kết hợp khí Thyristor điều khiển để hiệu chỉnh góc pha chi phí thấp Ta nối vào đường dây thiết bị điều khiển FACTS nguồn điện áp nối tiếp cho ta kết tương tự Tóm lại cách sử dụng thiết bị điều khiển FACTS nêu ta thay đổi dịng lượng lưới A 1400M W 10Ω 2000M 3000M 10Ω W 600MW W Ω 1600M W B 1000M W (a) A 1750M W 10Ω A C C 3000M 250MW10Ω Ω 1250M W W 2000M Ω B W 1000M W (c) -5Ω C 1750M W 10Ω 2000M 3000M 10Ω W 250MW W Ω 1250M W B 1000M (b) W A -4.210 1750M W 10Ω C 2000M 3000M 10Ω W 250MW W 1250M Ω W B 1000M W (d) Hình 3-2 Dòng lượng mạch lưới a Sơ đồ hệ thống b Sơ đồ hệ thống với tụ bù nối tiếp điều khiển Thyristor c Sơ đồ hệ thống với Thyristor điều khiển cuộn kháng nối tiếp d Sơ đồ hệ thống với Thyristor điều khiển góc pha 3-1.2.3 Các giải pháp kỹ thuật FACTS Một cách tổng quát, thiết bị điều khiển FACTS chia làm loại: Điều khiển nối tiếp (hình 3-3b):Có thể thay đổi tổng trở tụ điện,cuộn kháng v.v… điện tử cơng suất biến đổi nguồn có tần số số lưới Về nguyên lý, tất thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp đường dây, máy biến áp nối tiếp vào đường dây Điều khiển nối tiếp cung cấp tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi Điều khiển song song (hình 3-3c): Như trường hợp thiết bị bù nối tiếp, thiết bị bù song song thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn kết hợp hai Về nguyên lý, tất thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống điểm nối Khi tổng trở song song biến đổi mắc vào dây nguồn tạo dịng điện biến đổi, thay nguồn dòng bù vào dây dẫn Dịng điện bù thẳng góc với điện áp dây, thiết bị bù song song cung cấp công suất phản kháng biến đổi Những thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp kết hợp (hình 3-3d) Đây kết hợp thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cách thức điều khiển sử dụng hệ thống nhiều dây dẫn thiết bị điều khiển hợp nhất, thiết bị điều khiển nối tiếp cung cấp có bù cơng suất phản kháng nối tiếp độc lập cho đường dây chuyển công suất thực đường dây qua nguồn liên kết Khả chuyển công suất thực thiết bị điều khiển nối tiếp-nối tiếp, hợp coi điều khiển dòng lượng bên tạo cân dịng cơng suất thực cơng suất phản kháng dây dẫn, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải Những thiết bị điều khiển nối tiếp-song song kết hợp (hình 3-3e,f) Đây kết hợp thiết bị điều khiển song song nối tiếp riêng biệt điều khiển kết hợp (hình 3-3e) điều khiển hợp dịng lượng với phần tử nối tiếp song song (hình 3-3f) Về nguyên lý thiết bị điều khiển song song nối tiếp kết hợp bù dòng điện vào hệ thống với phần tử điều khiển song song bù điện áp đường dây với phần tử điều khiển nối tiếp Tuy thiết bị điều khiển song song nối tiếp hợp nhất, có trao đổi cơng suất thực thiết bị điều khiển song song nối tiếp qua đường liên kết a b c d e f g h i Hình 3-3 Các thiết bị điều chỉnh FACTS Ký hiệu chung cho thiết bị FACTS Thiết bị điều khiển nối tiếp Thiết bị điều khiển song song Thiết bị điều khiển nối tiếp hợp Thiết bị điều khiển nối tiếp song song kết hợp Thiết bị điều khiển nối tiếp song song hợp Thiết bị điều khiển hợp cho nhiều dây dẫn Thiết bị điều khiển nối tiếp có tích lũy lượng Thiết bị điều khiển song song có tích lũy lượng 10 j Thiết bị điều khiển song song hợp có tích lũy lượng e Đường dây Đường dây i (a) (c) (b) e Đường dây xoay chiều Đường dây i Liên kết nguồn chiều Điều khiển Đường dây xoay chiều kết hợp (d) (e) e Đường dây Đường dây i xoay chiều Liên kết nguồn chiều Liên kết nguồn chiều (f) (g) Đường dây Tích trữ Năng lượng Đường dây Đường dây (i) (h) Tích trữ Năng lượng Tích trữ Năng lượng (j) 46 Khi Ud = khâu so sánh tạo xung điều khiển Như vậy, cách làm biến đổi điện áp điều khiển, ta điều chỉnh thời điểm xuất hiên xung ra, tức điều chỉnh góc mở α Giữa α Uđk có quan hệ sau đây: α =π U dk U rc Ta lấy Uđkmax = Ucmax 3-5.2.2 Nguyên tắc điêù khiển thẳng đứng “arcoss” Theo nguyên tắc này, khâu so sánh có hai điện áp đặt vào: - Điện áp đồng sin, sau khỏi khâu ĐB tạo thành tín hiệu cos - Điện áp điều khiển áp chiều biến đổi Điện áp uđb= Um sinωt Uc = Um cosωt Giá trị α tính theo phương trình sau: Uđk = Umcosα Do α = arccos(Udk/Um) Uc Udb Udk Udb Uc Л Udk 2Л α Hình 3-31 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arcoss” - Udk = Um α = - Udk = α =Л/2 ωt 47 - Udk = -Um α = Л Như vậy, điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um , ta điều chỉnh góc α từ đến Л V2 Vp+ U - - U + + U- S Vp- Ud V1- U - + Ud + V2 V1+ M Vsat ▪ S M ▪ -Vsat Hình 3.32 Khâu so sánh tín hiệu 3-5.3 Khâu so sánh sử dụng khuếch đại thuật toán OA Khuếch đại thuật toán ( Operational Amplifier) , ký hiệu OA có hai cổng vào: U+ cổng không đảo dấu; U- cổng đảo dấu; cổng S M điểm “ nối đất” sơ đồ, điểm chuẩn zero để đo điện điểm khác V p+ , V p− nguồn nuôi OA Khâu so sánh có hai chế độ làm việc * Chế độ tuyến tính: Điện áp OA: V2 = A.ud Với A hệ số khuếch đại điện áp A = 104 – 105 Để thực chế độ này, phải có * Chế độ bão hịa: Vsat , v = Vsat A V u d < − sat , v = −Vsat A ud > Ud ≤ Vsat A 48 Do giá trị ud nhỏ nên ta kết luận: - ud>0 v2= Vsat - ud0 uC uA uc 53 uA uC Hình 3-41 Dạng xung đo C Udk 900 - Khi điện áp Udk> 0, ta nhận góc mở α < 900 - Tín hiệu xung khâu khuếch đại có giá trị tăng đáng kể góc mở α không thay đổi.Tuỳ theo thông số Thyristor , ta thiết kế tầng khuếch đại xung phù hợp đủ để mở Thyristor - Tầng khuếch đại sử dụng BAX để cách ly mạch động lực với mạch điều khiển, đồng thời tránh việc ngắn mạch cặp Thyristor nối song song ngược KẾT LUẬN Sơ đồ phát xung điều khiển cho cặp Thyristor nối song song ngược có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, dễ thực Sơ đồ thực 55 điều khiển đóng cắt cuộn kháng TCR, đóng cắt tụ điện TSC, đóng cắt tụ nối tiếp TSSC SSSC… Tuỳ theo số lượng thiết bị cần điều chỉnh đóng cắt, ta thực số lượng mạch điều khiển tương ứng ... hệ thống điện truyền tải chiều điện áp cao (HVDC), bù phản kháng đường dây xoay chiều, đến cuối thập niên 80 khái niệm hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission. .. nên phụ tải điện tăng nhanh Mặc dầu hệ thống điện xây dựng dựa dự báo phụ tải lúc đảm bảo cân cung cầu, mà hệ thống điện vận hành bị tải Đường dây truyền tải bị giới hạn yếu tố nhiệt độ, điện dung,... thiết bị bù lý tưởng hệ thống lượng để tăng khả truyền tải công suất với lưới truyền tải từ máy phát đến tải Khi thiết bị bù lý tưởng phát tiêu thụ công suất thật, hệ thống truyền tải lượng gián tiếp