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

Điện áp bù thẳng góc với dòng điện thay đổi phần lớn công suất tác dụng Đây là điều cần thiết để duy trì độ dự trữ cho quá trình ổn định, đảm bảo hệ thống sẽ không tan rã khi thiếu hụt đ

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trên thế giới đã xây dựng nhiều hệ thống điện hợp nhất, đó là các

hệ thống điện mà trong đó tất cả các phần tử sản xuất điện năng, truyền tảiđiện năng của nhiều khu vực trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc giađược nối chung với nhau qua các đường dây liên lạc điện áp hoặc siêu cao

áp Khi xây dựng các hệ thống điện hợp nhất sẽ có những ưu điểm nổi bật vềmặt kinh tế - kỹ thuật

Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất đường dây truyền tải điện, mộttrong những giải pháp đó là áp dụng công nghệ điện tử công suất vào trong

hệ thống truyền tải điện gọi là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linhhoạt viết tắt: FACTS (Flexible AC Transmission System) là một đề tài khoahọc được nhiều nhà khoa học-kỹ thụât quan tâm Ưu điểm của hệ thống nàylà:

 Cải thiện tính linh hoạt vì có thể thay đổi cấu hình của lưới điệnmột cách nhanh chóng, cho phép phân phối năng lượng tốt hơn

 Tối ưu hoá sơ đồ sản xuất

Đặc biệt ngày nay công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất lớn(Thyristor) đạt trình độ hoàn thiện giúp cho hệ thống FACTS trở thành hiệnthực và phát huy tác dụng đem lại hiệu quả kinh tế cao

3-1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FACTS

3.1.1 Đặt vấn đề

Hầu hết các hệ thống cung cấp điện trên thế giới được liên kết với nhaumột cách rộng rãi, nó nhằm giải quyết bài toán kinh tế và kỹ thuật

Hệ thống điện ở các nước tiên tiến do nhiều công ty cung cấp, mỗi công ty

có nhiều nhà máy đặt ở những nơi thuận lợi trong việc khai thác nguyên liệu,

do vậy cần phải nối kết các nhà máy ấy lại với nhau,để đảm bảo độ tin cậycung cấp điện đồng thời khai thác hiệu quả nhất các nhà máy phát điện, dẫn

1

đến sự nối kết từng khu vực, từng vùng Ngày nay có nhiều quốc gia đã bánđiện sang các nước lân cận, dẫn đến sự nối kết cả khu vực, châu lục Tuyvậy do xã hội không ngừng phát triển, ngành công nghiệp đa dạng, phát triểnnhanh chóng và rộng khắp, cộng với chất lượng cuộc sống của con ngườingày càng cao nên phụ tải điện năng tăng nhanh.

Mặc dầu hệ thống điện xây dựng dựa trên dự báo phụ tải nhưng khôngphải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng giữa cung và cầu, vì vậy mà hệ thốngđiện đang vận hành bị quá tải Đường dây truyền tải bị giới hạn bởi các yếu

tố nhiệt độ, điện dung, và độ ổn định Vì vậy nếu không có sự điều chỉnhthích hợp, đường dây tải điện bị hạn chế nhất định, không tận dụng hết khảnăng tải điện của nó, hơn nữa do điều kiện môi trường, hành lang đường dây,nên không dễ dàng xây dựng hệ thống điện mới một cách tuỳ ý và thay thế

hệ thống điện cũ một cách dễ dàng

Đứng trước thực tế đó đòi hỏi các nhà kỹ thuật tìm giải pháp nâng caohiệu quả đường dây tải điện hiện có, điều khiển nó vận hành khoa học nhằmnâng cao khả năng tải điện đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra

Giải pháp đó là dự án FACTS

3-1.2 Mục tiêu của dự án FACTS

Mục tiêu của dự án này là mong muốn có thể điều khiển được việcchuyển tải điện trên các mạng lưới và tăng khả năng chuyển tải cho đến giớihạn nhiệt độ cho phép Viện nghiên cứu năng lượng điện (EPRI) sau nhiềunăm ủng hộ, khuyến khích ngành điện tử công suất phát triển, áp dụng vào

hệ thống điện như truyền tải một chiều điện áp cao (HVDC), bù phản khángđường dây xoay chiều, đến cuối thập niên 80 khái niệm hệ thống truyền tảidòng điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System- FACTS)mới được chính thức công nhận Bước đầu FACTS đã đóng góp đáng kể vào

việc giải quyết những hạn chế truyền tải trên đường dây do cấu trúc vật lýcủa dây dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất nhập khẩu điện năngphát triển

Để khẳng định ý tưởng này, chúng ta có thể khảo sát vài ví dụ đơn giảnsau đây

3-1.2.1 Công suất chuyển tải trên đường dây.

Hình 3-1a thể hiện trường hợp đơn giản nhất của dòng năng lượng truyềntải trên đường dây Vị trí 1 và 2 là các trạm truyền tải được nối với nhau.Những trạm này có thể có tải, máy phát hoặc là điểm nối hệ thống E1, E2 làbiên độ điện áp thanh góp,  là góc lệch pha của sức điện động 1 và 2.Đường dây được thay thế bởi cảm kháng X, điện trở và điện dung bỏ qua Hình 3-1b và hình 3-1c là đồ thị pha thể hiện quan hệ dòng điện tác dụng,dòng điện phản kháng với điện áp giữa hai điểm 1 và 2

Thành phần tác dụng của dòng điện tại E1 :

Thành phần tác dụng của dòng điện tại E2:

Ip2 = (E1sin )/X

Thành phần phản kháng của dòng điện tại E2:

Iq2 = (E2-E1 cos )/X

3

Công suất tác dụng tại E2:



sin

2 1

X

E E

P 

Hình 3-1 Điều khiển dòng năng lượng xoay chiều của đường dây truyền tải

a Mô hình hệ thống đơn giản

b Dòng điện thẳng góc với điện áp đầu vào

c Đồ thị pha dòng năng lượng tác dụng và phản kháng

d Đường cong công suất theo góc δ ứng với những giá trị khác nhau

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 dòng điện thay đổi phần lớn công suất tác dụng

Đây là điều cần thiết để duy trì độ dự trữ cho quá trình ổn định, đảm bảo

hệ thống sẽ không tan rã khi thiếu hụt điện áp của máy phát hoặc đườngdây.Tăng và giảm trị số của X sẽ tăng và giảm chiều cao của đường congtương ứng (hình 3-1d) Với dòng năng lượng cho trước, thay đổi trị số Xtương ứng với sự thay đổi góc δ giữa hai điểm cuối

Công suất (dòng điện) cũng có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnhbiên độ của vectơ điện áp E1 hoặc E2 Tuy nhiên từ hình 3-1e cho thấy rằngkhi thay biên độ E1 thì biên độ của véctơ hiệu (E1-E2) không thay đổi baonhiêu, nhưng góc lệch pha giữa chúng thay đổi Bằng cách hiệu chỉnh biên

độ vectơ E1 hoặc E2 sẽ tận dụng được công suất phản kháng hơn là công suấttác dụng

Dòng điện và công suất truyền cũng có thể thay đổi bằng cách nối tiếpmột nguồn điện áp với đường dây Hình 3-1f, điện áp nối tiếp này thẳng góc

với dòng điện pha Nó ảnh hưởng trực tiếp biên độ của dòng điện và góc δcủa công suất tác dụng Như vậy mắc nối tiếp điện áp có thể thay đổi biên độ

và góc pha theo điện áp dây (hình 3-1g) Nó được coi như thay đổi biên độ

và góc pha của điện áp nối tiếp, cả dòng điện tác dụng và phản kháng đều bịảnh hưởng Phương pháp mắc nối tiếp điện áp là hình thức quan trọng củathiết bị điều khiển FACTS sẽ đề cập đến phần sau

3-1.2.2 Trường hợp dòng năng lượng trong lưới hệ thống

Xét trường hợp đơn giản gồm hai máy phát điện ở hai vị trí khác nhauđang chuyển năng lượng đến một tải qua lưới gồm ba đường dây nối theomạch lưới như hình 3-2 Giả sử đường dây AB, BC, AC có công suất địnhmức dài hạn là 1000MW, 1250MW và 2000MW

Máy phát thứ nhất phát 2000MW, máy còn lại phát 1000MW, tổng là3000MW cung cấp cho tải Với tổng trở như hình vẽ ba dây sẽ mang 600,

1600, 1400MW tương ứng (hình 3-2a) Như vậy sẽ quá tải trên đường dây

BC và dĩ nhiên phải giảm công suất phát tại B và tăng công suất phát tại A Nếu có một tụ điện có dung kháng là -5 Ω mắc vào một dây (hình 3-2b)làm giảm tổng trở dây này từ 10 Ω xuống còn 5 Ω thì dòng năng lượng điqua các dây AB, BC và AC sẽ là 250, 1250 và 1750 MW Rõ ràng nếu thayđổi giá trị của tụ điện này sẽ làm thay đổi dòng năng lượng tương ứng, giớihạn nhiệt, tổn thất truyền tải, phạm vi truyền tải trên mỗi đường dây và côngsuất phát của máy thay đổi Dùng các thiết bị cơ khí để đóng cắt các tụ vàcác cuộn kháng có nhiều nhược điểm như dễ bị mài mòn, điều khiển rời rạc,không tức thời nên ảnh hưởng đến độ tin cậy.Sự phức tạp sẽ gia tăng nếu tụđiện được mắc nối tiếp được điều khiển bằng cơ khí; khi đóng cắt có thể dẫnđến cộng hưởng bất đồng bộ Nếu các tu điện nối tiếp được điều khiển bằngcác Thyristor, nó có thể đáp ứng được yêu cầu, có thể giảm nhanh mọi điều

kiện cộng hưởng không đồng bộ cũng như dập tắt dao động tần số thấp trongdòng năng lượng Tương tự kết quả nhận được bằng cách tăng tổng trở củamột dây trong cùng một lưới (hình 3-2c).

Một lý do khác, điều khiển Thyristor để hiệu chỉnh góc pha có thể được lắpđặt để thay thế tụ điện nối tiếp hoặc tổng trở nối tiếp vào một trong ba dâybất kỳ để thực hiện mục đích tương tự (hình 3-2d), đặt vào đường dây thứ ba

để giảm góc pha dọc đường dây từ 8.50 đến 4.260 Như đã trình bày ở phầntrước, kết hợp cơ khí và Thyristor điều khiển để hiệu chỉnh góc pha có thểchi phí thấp nhất

Ta nối vào đường dây một thiết bị điều khiển FACTS như một nguồn điện

áp nối tiếp cũng cho ta kết quả tương tự Tóm lại bằng cách sử dụng mộttrong các thiết bị điều khiển của FACTS đã nêu ở trên ta có thể thay đổidòng năng lượng trong lưới

7

B

1600M W

(a)

1000M W

3000M W

5 Ω 10Ω

10Ω

1400M W 2000M

B

1250M W

(b)

1000M W

3000M W

5 Ω 10Ω

10Ω

1750M W 2000M

-5Ω

10Ω 250MW

B

1250M W

(c)

1000M W

3000M W

5 Ω

10Ω

1750M W

2000M

W

7 Ω

1750M W

B

1250M W

(d)

1000M W

3000M W

5 Ω 10Ω

10Ω 2000M

-4.21 0

Hình 3-2 Dòng năng lượng trong mạch lưới

a Sơ đồ hệ thống

b Sơ đồ hệ thống với tụ bù nối tiếp điều khiển bằng 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 của FACTS

Một cách tổng quát, các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia làm 4 loại:

1 Điều khiển nối tiếp (hình 3-3b):Có thể thay đổi tổng trở bằng tụ

điện,cuộn kháng v.v… hoặc điện tử công suất biến đổi nguồn có tần

số bằng tấn số lưới

Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp trên đườngdây, ngay cả máy biến áp nối tiếp vào đường dây Điều khiển nối tiếp chỉcung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi

2 Điều khiển song song (hình 3-3c): Như trong trường hợp thiết bị bù

nối tiếp, thiết bị bù song song có thể thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặckết hợp cả hai Về nguyên lý, tất cả những thiết bị điều khiển song song bùdòng điện vào trong hệ thống tại điểm nối Khi một tổng trở song song biếnđổi được mắc vào dây nguồn tạo ra dòng điện biến đổi, khi đó nó được thaythế như một nguồn dòng bù vào dây dẫn Dòng điện bù thẳng góc với điện

áp dây, thiết bị bù song song chỉ cung cấp công suất phản kháng biến đổi

3 Những thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp kết hợp (hình 3-3d) Đây

có thể là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, nó có cùng cáchthức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc nó có thể

là thiết bị điều khiển hợp nhất, trong những thiết bị điều khiển nối tiếp cungcấp có bù công suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây nhưngcũng chuyển công suất thực giữa đường dây đó qua nguồn liên kết Khảnăng chuyển công suất thực của thiết bị điều khiển nối tiếp-nối tiếp, hợpnhất được coi như điều khiển dòng năng lượng bên trong tạo ra sự cân bằng

cả dòng công suất thực và công suất phản kháng trong những dây dẫn, tậndụng tối đa hệ thống truyền tải.

4 Những thiết bị điều khiển nối tiếp-song song kết hợp (hình 3-3e,f).

Đây có thể là sự kết hợp những thiết bị điều khiển song song và nối tiếpriêng biệt được điều khiển kết hợp (hình 3-3e) hoặc điều khiển hợp nhấtdòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song (hình 3-3f) Vềnguyên lý những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòngđiện vào hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áptrong đường dây với những phần tử điều khiển nối tiếp Tuy vậy khi nhữngthiết bị điều khiển song song và nối tiếp được hợp nhất, có sự trao đổi côngsuất thực giữa những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp qua đườngliên kết

Hình 3-3 Các thiết bị điều chỉnh FACTS cơ bản

a Ký hiệu chung cho thiết bị FACTS

b Thiết bị điều khiển nối tiếp

c Thiết bị điều khiển song song

d Thiết bị điều khiển nối tiếp hợp nhất

e Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song kết hợp

f Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song hợp nhất

g Thiết bị điều khiển hợp nhất cho nhiều dây dẫn

h Thiết bị điều khiển nối tiếp có tích lũy năng lượng

i Thiết bị điều khiển song song có tích lũy năng lượng

9

j Thiết bị điều khiển song song hợp nhất có tích lũy năng lượng

Đường dây Đường dây

Tích trữ

Năng lượng

xoay chiều Đường dây

Đường dây xoay chiều

Đường dây xoay chiều

Liên kết nguồn 1

i

e Đường dây

(j)

(b)

3-2 NHỮNG THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH – SVC VÀ STATCOM

3-2.1 Mục đích của sự bù ngang

Chúng ta đã biết khả năng truyền tải năng lượng ở trạng thái xác lập

có thể tăng và sự phân bố điện áp dọc đường dây được điều chỉnh bằng bùngang công suất phản kháng thích hợp Mục đích của việc bù phản kháng lànhằm thay đổi đặc tính tự nhiên của đường dây truyền tải làm cho nó thíchứng hơn với phụ tải yêu cầu Như vậy, mắc song song cuộn kháng cố địnhhoặc đóng cắt bằng thiết bị cơ khí được áp dụng để giảm thiểu điện ápđường dây trên không trong điều kiện tải nhẹ, và mắc song song tụ điện cốđịnh hoặc đóng cắt bằng thiết bị cơ khí được áp dụng để giữ điện áp đườngdây trên không trong trường hợp tải nặng

Trong chương này ta xem xét việc tăng khả năng truyền tải công suấtbằng cách mắc song song các thiết bị bù công suất phản kháng lý tưởng.Mục đích của việc bù ngang này là:

- Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây.

- Nâng cao điện áp cuối đường dây để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp

- Cải thiện quá trình ổn định

- Làm tắt dao động công suất

Chức năng cần thiết của thiết bị bù phản kháng ngang được dùng để tăngcông suất truyền tải, cải thiện điện áp, cải thiện quá trình ổn định và dập tắtdao động công suất theo các điểm chính sau đây:

Thiết bị bù phải duy trì vận hành đồng bộ với hệ thống xoay chiều tạithanh cái bù, trong điều kiện vận hành bao gồm vấn đề cân bằng điện ápthanh cái, thiết bị bù phải có thể đồng bộ hóa ngay tức thời sau khi trạng tháingắn mạch được giải tỏa

11

Thiết bị bù phải có khả năng hiệu chỉnh điện thế thanh cái và cải thiệnquá trình ổn đinh hoặc hiệu chỉnh nó để dập tắt dao động công suất và nângcao quá trình ổn định.

Với hệ thống hai đường dây, vị trí tốt nhất là đặt thiết bị bù tại điểm giữa,đường dây hình tia đến tải tốt nhất là điểm cuối đường dây

3-2.2 Phương pháp điều chỉnh công suất phản kháng

Người ta dùng các thiết bị đóng cắt cơ khí để điều chỉnh công suất phảnkháng phát (tụ điện) hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (cuộn dây) trongnhững ngày đầu của truyền tải xoay chiều Sau đó bằng cách thay đổi kích từcủa máy điện đồng bộ , dùng cuộn kháng bảo hòa nối tiếp với tụ cố địnhđược coi là một giải pháp tiến bộ để thay đổi công suất phản kháng trênđường dây truyền tải trong giai đoạn tiếp theo

Từ thập kỷ 70, đường dây công suất lớn đã sử dụng những tụ điện vàcuộn kháng vào việc thay đổi dòng điện để tạo công suất phản kháng thayđổi trên đường dây Việc này có tác dụng thay đổi tổng trở ngang bằng cáchđóng cắt đồng bộ những tụ điện, cuộn kháng vào hệ thống

Ngày nay người ta dùng linh kiện điện tử công suất lớn GTO) để đóng cắt hoặc điều chỉnh liên tục những bộ tụ điện, cuộn khángtrong hệ thống, tạo ra khả năng điều chỉnh linh hoạt đáp ứng nhanh khi phụtải thay đổi, nâng cao được tính ổn định của hệ thống Để hiệu chỉnh tổngtrở phản kháng theo những đặc tính đã định một cách thích hợp người tadùng Thyristor : Thyristor đóng cắt cuộn kháng và Thyristor đóng cắt tụđiện

(Thyristor-a-Thyristor điều chỉnh và Thyristor đóng cắt cuộn kháng (TCR và TSR)

Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor một pha được trình bày trênhình 3-4a Nó gồm có một cuộn kháng cố định , thường là lõi có khe hở

không khí, có điện cảm là L và hai Thyristor mắc song song ngược chiều.Thyristor có dòng điện định mức lớn 300-600A, làm việc với điện thế 4000đến 9000V; trong thực tế nhiều van Thyristor được mắc nối tiếp để đạt đượcđiện thế ngược và công suất định mức theo yêu cầu.

Thyristor dẫn khi được phân cực thuận nghĩa là điện áp dương đặt vàoAnốt, đồng thời có xung dương kích vào cực điều khiển và sẽ ngưng dẫnkhi dòng qua Thyristor

giảm về bé hơn giá trị duy trì Idt hoặc bị phân cực ngược nghĩa là điện áp âmđặt lên Anôt của nó (h.3-4b)

13

Tại góc mở α =0 ( tương ứng lúc điện áp nguồn đạt giá trị cực đại), kíchxung dương vào cực điều khiển Thyristor để nó dẫn, dòng điện trong cuộnkháng đạt giá trị xác lập Khi cổng của Thyristor được kích xung có góc mở

iL(α)

iL(α=0) V

α= α2α= α1

(c)

iL(α)

iL(α=0) V

α (0≤ α ≤ Л/2) tương ứng với đỉnh của điện áp (chọn đỉnh của điện áp làmgốc), dòng điện trong cuộn kháng được xác định theo biểu thức:

iL(t) =   

t

t L

V dt t v L

( 1

đó sẽ tỷ lệ với biên độ điện áp như đồ thị V-I (Hình 3-6b)





2 1

1

2 1(

Thường TSR có thể cung cấp tổng dẫn phản kháng có thể điều chỉnhđược Nếu TSR được vận hành với α =0 thì dòng điện xác lập sẽ là hình sin.Việc xác định nửa chu kỳ dương và âm chỉ tạo ra các hài lẻ, biên độ củachúng là một hàm theo góc α, xác định theo biểu thức:

) sin(

cos )

cos(

sin 4

2

n n

n n

n L

VLmax= Điện áp giới hạn

ILmax= Dòng điện giới hạn

BLmax= Tổng dẫn cực đại giới hạn

Trong hệ thống ba pha ba cuộn kháng điều khiển Thyristor đơn lẻ từng phađược sử dụng thường nối theo kiểu tam giác Trong điều kiện cân bằng, cácsóng hài của dòng điện lưu hành trong cách nối tam giác và không vào hệ

cyclecs

▪ 1

I L3

sw 4

I L4

theo trình tự để triệt tiêu sóng hài

▪ 3

▪ 4

▪ 5

thống, từ trường của các hài này tạo bởi các cuộn kháng đóng ngắt bằngThyristor có thể làm bằng giảm nhiều phương pháp

Phương pháp thứ nhất đặc biệt có lợi cho hệ thống công suất cao bằngcách sử dụng m (m≥2) TCR mắc song song, mỗi phần tử (1/m) là tổng định

mức yêu cầu Các cuộn kháng thường hiệu chỉnh từng cái một

Một phương pháp khác là sử dụng mười hai xung TCR trong đó từng cặpnối theo kiểu tam giác TCR có thể tạo ra các hài có thể được giảm mộtcách thích đáng bằng cách sắp xếp mạch điện như hệ thống 4 cuộn khángtrong hình 3-8 hoặc cấu trúc 12 xung như hình 3-9 Thông thường người ta

sử dụng các bộ lọc đó là các nhánh LC và LCR song song với TCR

19

I Ldemand [p.u]

Y i

∆ I 3∆

I 2∆

I L12∆

I1Y

I 3Y

I2Y

IL23Y

I L12Y I

L31Y

Y

Hình 3-9.Sự sắp xếp 12 xung của hai bộ Thyristor điều khiển cuộn kháng(TCR).

0.0 0.5 1.0 1.5 p.u

-1.5

0.0 0.5 1.0 1.5

Q= R/ ωtnL= 5 (a )

(b )

Hình 3-11 Dạng sóng minh họa quá trình quá độ tự do thực hiện đóng cắt tụ

điện bằng Thyristor

Khi đó dòng qua tụ bằng không tương ứng với dòng điều khiển Thyristorbằng không Lúc đó nhánh TSC không nối vào lưới, trị số điện áp đỉnh củađiện áp đặt vào tụ lúc này là Vc,i=0= Vn2/(n2-1) Nếu điện thế đặt lên tụlúc không nối vào lưới được duy trì không phóng, TSC sẽ được nối trở lại

mà không có quá trình quá độ, ở biên độ đỉnh của điện thế xoay chiều đặtlên tụ điện ở bán kỳ dương và âm được thể hiện trên hình 3-11a và 3-11b.Bình thường khi nhánh tụ điện được cắt ra thì nó phóng điện, như vậy khiđược nối lại nó phải thực hiện một quá trình nạp điện giữa điện áp 0 và

Vn2/(n2-1), nó có thể hoàn thành thời gian quá độ khi Thyristor dẫn ở thờiđiểm tức thời khi điện áp trên tụ đạt giá trị trên Khi điện thế trên tụ có giá trịbằng 0, quá trình quá độ diễn ra trong cả thời gian tụ phóng điện Như vậyquá trình quá độ xảy ra khi dv/dt tại thời điểm tức thời đóng công tắc vớiviệc không mắc nối tiếp cuộn kháng Dòng điện tức thời trong tụ điện là

ic=Cdv/dt Sự tác động giữa tụ điện và dòng điện được giới hạn bởi cuộnkháng và làm tắt quá trình dao động

c-Tụ cố định, Thyristor điều khiển cuộn kháng

i

Q

iC

sw V

Thiết bị phát phản kháng căn bản sử dụng với tụ cố định, cuộn kháng đượcđiều chỉnh bằng Thyristor (FC-TCR) (hình 3-12a) Dòng điện qua cuộnkháng được biến đổi như phương pháp đã trình bày ở phần trước bằng cáchđiều khiển góc mở Thyristor Tụ điện cố định trong thực tế thì được thay thếtoàn bộ hoặc một phần bởi mạch lọc, tổng trở tụ điện cần thiết để phát racông suất phản kháng theo yêu cầu ở tần số căn bản nhưng cung cấp tổng trở

có gía trị thấp ở tần số được lựa chọn để lọc các hài do TCR tạo ra

Thiết bị phát phản kháng với tụ cố định, cuộn kháng được điều chỉnh bởiThyristor về cơ bản gồm có một cuộn kháng thay đổi được và một tụ cốđịnh, đặc tính ngõ ra của nó được thể hiện trên hình 3-12b Hằng số điệndung QC ngược với sự hấp thu phản kháng biến đổi QL của cuộn kháng đượcđiều chỉnh bởi Thyristor để có kết quả phản kháng Q ngõ ra theo yêu cầu.Khi dung kháng ngõ Thyristor cực đại, Thyristor điều khiển cuộn khángtăng bằng cách giảm góc mở α Khi phản kháng ngõ ra là 0, dòng điện dung

và cảm bằng nhau; như vậy dung kháng và cảm kháng ngõ ra cân bằng.Khi góc mở α = 0 Thyristor điều chỉnh cuộn kháng dẫn dòng điện trongkhoảng 1800, kết quả cảm kháng ngõ ra cực đại

d- Thyristor đóng cắt tụ điện, Thyristor đóng cắt cuộn kháng

Thyristor đóng cắt tụ điện, Thyristor điều chỉnh cuộn kháng (TSC-TCR)được phát triển trước đây để bù động công suất truyền tải với mục đích giảmthiểu tổn thất và tạo sự vận hành linh hoạt Mạch TSC-TCR căn bản nhưhình 3-13a, với phạm vi điện dung đầu ra loại này bao gồm n nhánh TSC vàmột nhánh TCR, số nhánh n được xác định bởi điều kiện thực tiễn bao gồmmức điện áp làm việc phản kháng cực đại đầu ra, dòng điện định mức củavan và chi phí lắp đặt v.v…Dĩ nhiên ngưỡng cảm kháng cũng có thể mởrộng bằng cách sử dụng thêm các nhánh TCR

23

Sự làm việc căn bản của thiết bị phát phản kháng TSC-TCR thể hiện ởhình 3-13a có thể mô tả như sau: tổng điện dung ngõ ra được chia cho nnhánh; trong nhánh thứ nhất ngõ ra của thiết bị phát phản kháng được điềuchỉnh zero để có ngưỡng QCmax/n, ở đây QCmax là tổng của tất cả các nhánhTSC Trong khoảng thời gian này một nhánh tụ điện được đóng vào cùng lúcdòng điện trong TCR được tính góc mở sao cho tổng phản kháng ngõ ra củaTSC là âm và của TCR là dương, bằng điện dung ngõ ra yêu cầu; trong cácnhánh thứ 2, 3,….,n ngõ ra được điều chỉnh từ QCmax/n đến 2QCmax/n, đến3QCmax/n… (n-1)QCmax/n đến QCmax bằng cách đóng tụ thứ 2, thứ 3 đến tụ thứ

n của TCR để hấp thụ điện dung phản kháng thừa

Có thể đóng các tụ vào hoặc ngắt ra trong một chu kỳ của nguồn xoaychiều, dung kháng thừa cực đại ngõ ra có thể hạn chế và như vậy theo lýthuyết TCR sẽ có cùng phản kháng định mức giống như TSC Tuy nhiên đểđảm điều kiện đóng ngắt tại những điểm cuối của khoảng thời gian khôngxác định, phản kháng định mức của TCR phải có giá trị ở một mức độ nào

đó để cung cấp đủ mức phản kháng giữa lúc đóng và ngắt, phản kháng yêucầu và đặc tính phản kháng ngõ ra của TSC-TCR thể hiện trên hình 3-13b

Ta thấy rằng dung kháng ngõ ra QC biến đổi từng bước xấp xỉ với TSCSphản kháng yêu cầu

Hình 3-13 TSC-TSR căn bản, loại phát phản kháng và đặc tính phản kháng đầu ra

2 vào

(b)

3-2.3 Thiết bị bù lý tưởng phản kháng SVC và STATCOM

Thiết bị bù phản kháng lý tưởng (SVC:Static Var Compensator) và thiết

bị bù đồng bộ lý tưởng (STATCOM : Static Synchronous Compensator) lànhững thiết bị phát phản kháng, ngõ ra của nó được biến đổi để duy trì hoặckiểm soát những thông số đặc biệt của hệ thống điện Như đã khảo sát ởphần trước, thiết bị phát phản kháng lý tưởng có thể là loại điều chỉnh tổngtrở phản kháng lý tưởng, sử dụng Thyristor điều chỉnh và đóng ngắt cáccuộn kháng và tụ điện hoặc loại nguồn điện thế đồng bộ sử dụng bộ biến đổicông suất, nó sử dụng tổng hợp những phần tử này Mặc dầu nguyên lý làmviệc của những máy phát phản kháng này là khác nhau và đặc tính phảnkháng ngõ ra V-I, tốc độ đáp ứng và băng thông tần số có thể đạt được củachúng là như nhau, chúng có thể cung cấp kháng ngang điều chỉnh được,toàn bộ chức năng của nó có thể thực hiện trong phạm vi vận hành tuyếntính

Mục đích thứ nhất của việc áp dụng thiết bị bù lý tưởng trong hệ thốngnăng lượng là để tăng khả năng truyền tải công suất với lưới truyền tải từnhững máy phát đến tải Khi những thiết bị bù lý tưởng không thể phát hoặctiêu thụ công suất thật, hệ thống truyền tải năng lượng được gián tiếp tácdụng bởi việc điều chỉnh điện áp, điều đó làm cho công suất phản kháng ngõ

ra của những thiết bị bù được biến đổi để điều chỉnh điện áp tại các cực củalưới truyền tải sao cho duy trì dòng năng lượng khi hệ thống bị nhiễu loạnbất ngờ Những yêu cầu hiệu chỉnh với thiết bị bù đã được đề cập từ nhữngchức năng của chúng

25

3-3.NHỮNG BỘ BÙ TĨNH NỐI TIẾP : GCSC, TSSC, TCSC VÀ SSSC

3-3.1 Mục đích của bù nối tiếp

Chúng ta biết rằng truyền tải công suất xoay chiều với đường dây dài trênkhông chủ yếu bị giới hạn bởi tổng trở phản kháng nối tiếp của đường dây

Bù tụ nối tiếp được áp dụng có hiệu quả trong việc nâng cao tính ổn định,khả năng truyền tải của lưới điện cao áp Điện áp trên tụ nối tiếp tỷ lệ vàthẳng góc với dòng điện trong dây dẫn, công suất bù phản kháng do nó phát

ra cũng tỷ lệ và thẳng góc với dòng điện Do vậy tụ bù nối tiếp có tác động

tự hiệu chỉnh

Bù nối tiếp có thể điều chỉnh được dựa trên cơ sở kỹ thuật FACTS Nóđược áp dụng để thực hiện việc tận dụng khả năng truyền tải bằng cách điềukhiển dòng năng lượng trong đường dây, với việc điều khiển nhanh, giảmthiểu tác động của sự biến động trong hệ thống, giảm yêu cầu dự trữ độ ổnđịnh

Trong chương này vấn đề căn bản của bù phản kháng nối tiếp được đềcập, làm cơ sở cần thiết cho việc giải quyết vấn đề bởi các bộ bù dùng điện

tử công suất Mục đích của bù nối tiếp là:

- Ổn định điện áp

- Cải thiên quá trình ổn định

- Dao động công suất.

- Dập tắt dao động đồng bộ phụ.

3-3.2 Thay đổi tổng trở bằng thiết bị bù nối tiếp

Giống như thiết bị bù ngang, loại thiết bị bù nối tiếp thay đổi đượctổng trở bao gồm :Thyristor đóng ngắt điều chỉnh tụ điện hoặc Thyristorđiều chỉnh các cuộn cảm với tụ cố định

3-3.2.1 GTO Thyristor điều chỉnh tụ điện nối tiếp (GCSC)

Sơ đồ thiết bị bù đang được sử dụng phổ biến, nó kết hợp với TCR đểthay đổi trực tiếp điện áp tụ bằng cách điều khiển góc mở

Mục đích của sơ đồ GCSC hình 3-14a là điều chỉnh điện áp xoay chiềutrên tụ điện theo dòng điện Khi GTO dẫn, điện thế trên tụ điện là zero, vanngưng dẫn điện thế trên tụ là cực đại Để điều chỉnh điện áp trên tụ điện, vanGTO Thyristor dẫn và ngưng dẫn trong mỗi chu kỳ, đồng bộ với tần số hệthống xoay chiều Van GTO được qui định tự động đóng bất cứ khi nào điện

áp rơi trên tụ điện bằng không Tuy nhiên ngắt tức thời trong mỗi nửa chu kỳđược điều khiển bằng góc mở α (0≤α ≤Л/2), theo đỉnh của dòng điện dây(lấy góc đỉnh dòng điện dây làm chuẩn) Theo hình 3-14b thể hiện dòng điện

I và điện áp trên tụ vc(α) ứng với α =0 Khi van dẫn tại đỉnh của dòng điệndây (α =0), điện áp trên tụ C nhận được giá trị xác lập Khi van dẫn theo góc

mở α, điện áp trên tụ được xác định theo dòng điện dây như sau:

Điện thế trên tụ có thể xác định theo dòng điện dây i(t) =Icosωtt

Để GCSC và tụ bù nối tiếp thiết lập biên độ điện áp VCF(α) của điện áp cơ

vc(α)

vc(α=0) i

α= α2α= α1

vc(α) V

Trên hình 3-15 điện thế căn bản của tụ điện ứng với giá trị dòng điện dây

cố định, có thể xem xét như dung kháng thay đổi

Thay vào dung kháng tác dụng có thể tìm theo góc hoặc nói một cáchkhác dung kháng tác dụng XC là hàm của α với GCSC Tổng trở này có thểviết:

điện là VCF(α) Trong thực tế áp dụng GCSC có thể vận hành hoặc để điềuchỉnh điện thế bù VCF(α) hoặc phản kháng bù XC(α), trong cách bù điện ápGCSC duy trì điện áp bù định mức trong khi đó giảm dòng điện dây trongkhoảng thời gian xác định Imin≤ I ≤ Imax (hình 3-16a)





2 1

1

2 1(

Trong cách bù dung kháng XC thì chọn sao cho điện áp bù định mức với

I = Imin và VCmax = XC.Imin Khi dòng điện Imin tăng về phía Imax , góc mở α tăng

để giảm thời gian đưa điện dung vào lưới điện và dĩ nhiên duy trì điện thế bùvới dòng điện dây tăng Phần trăm tổn thất phản kháng ngõ ra theo dòngđiện dây được thay thể hiện trên hình 3-16c với điện thế đưa vào zero và vớitrị số cực đại điện thế đưa vào VC1(α) = VCmax

Trong cách bù tổng trở GCSC duy trì trị số bù phản kháng với mọi dòngđiện dây đạt đến trị số cực đại như hình 3-16b Trong cách bù này tổng trởđiện dung được chọn để cho bù nối tiếp đạt cực đại tại dòng điện định mức,

XC = VCmax/Imax Như vậy GCSC có thể thay đổi trong khoảng 0≤ XC(α) ≤XC

bằng cách điều chỉnh điện thế hiệu dụng tụ điện VCT(α) với XC(α) = Vcf(α)/I Đặc tính dòng điện tổn thất của GCSC với cách vận hành này thể hiện ởhình 3-16d với tổng trở bù zero (tụ điện bị nối tắt bởi GTO) và tổng trở bùcực đại khi GTO dẫn, điện dung được nối vào lưới Tổng trở và điện thế bùvới cách này có thể chọn bằng cách hiệu chỉnh không giới hạn trị số điệndung nối tiếp

Có thể đánh giá gần đúng quan hệ về mặt lý thuyết xác định vùng V-Inhư hình 3-16a, 3-16b Công suất trong GCSC phải tương ứng với điện thế

và trị số dòng điện Trong thực tế áp dụng bù nối tiếp thường yêu cầu phảităng trong một khoảng thời gian ngắn và chúng có thể cần giá trị tiêu thụdòng điện cực đại trong suốt thời gian đường dây ngắn mạch Cả dòng điệnngắn mạch sẽ thường tăng cao trong van GTO; mặt khác nếu van ngắt khimạch đo lường bảo vệ, điện thế đặt lên tụ điện GCSC có thể thừa trong cảtrường hợp tụ điện nối tiếp và van mắc song song Như vậy trong thực tế nóluôn luôn cần bảo vệ GCSC bằng bộ phận giới hạn dòng điện

(a )

(b )

Imax i

Hình 3-16 Đặc tính V-I có thể đạt được của GCSC khi vân hành với điều khiển điện

áp (a), điều chỉnh phản kháng (b), kết hợp tổn thất với dòng điện (c),(d)

VC(α)=0 Tổn thất [%]

▪

0 5 ▪

▪

i