chuyên đề nâng cao về hệ thống truyền tải điện

0 GS TS Lã Văn Út Bài giảng chuyên đề nâng cao HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN (Các vấn đề cốt lõi, cập nhật công nghệ) Hà Nội - 2012 NỘI DUNG Chương I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN - XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA HTĐ HIỆN ĐẠI 1.1 CẤU TRÚC VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.1 Công nghệ lượng vai trò truyền tải lượng 1.1.2 Các phần tử đặc điểm cấu trúc HTĐ lớn 1.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HTĐ TRONG ĐIỀU KIỆN BÌNH THƯỜNG, VẤN ĐỀ QUẢN LÍ CƠNG SUẤT TRUYỀN TẢI VÀ ĐẢM BẢO ĐIỆN ÁP CÁC NÚT 1.2.1 Điều kiện cần đủ để HTĐ làm việc bình thường 1.2.2 Điều chỉnh công suất tác dụng HTĐ yêu cầu đảm bảo trao đổi công suất khu vực 1.2.3 Ảnh hưởng tự động điều chỉnh CSTD đến trao đổi công suất khu vực lưới truyền tải 1.2.4 Điều chỉnh điện áp công suất phản kháng HTĐ 1.3 HỆ THỐNG ĐIỆN LIÊN KẾT KHU VỰC VÀ ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN TẢI ĐIỆN TRÊN KHOẢNG CÁCH LỚN 1.3.1 Các yêu cầu kỹ thuật HTĐ liên kết 1.3.2 Một số phương án giả liên kết hệ thống Chương II ĐẶC ĐIỂM VẬN HÀNH HTTTĐ CÓ CẤU TRÚC PHỨC TẠP 2.1 GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH VÀ VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO DỰ TRỮ ÔN ĐỊNH CHO HTĐ CÓ CẤU TRÚC PHỨC TẠP 2.1.1 Trạng thái cân ổn định, trạng thái giới hạn ổn định, dự trữ ổn định 2.2.2 Xác định trạng thái giới hạn dự trữ ổn định HTĐ phức tạp 2.2 NGHẼN MẠCH VÀ VẤN ĐỀ XỬ LÝ NGHẼN MẠCH TRONG LTTĐ 2.2.1 Nghẽn mạch hệ thống tải điện xoay chiều 2.2.2 Các giải pháp xử lí nghẽn mạch 2.3 ĐẶC ĐIỂM VẬN HÀNH CÁC ĐDSCA 2.3.1 Hiện tượng áp thấp áp dọc theo chiều dài đường dây 2.3.2 Hiện tượng tràn công suất phản kháng sang lưới cao trung áp (kể máy phát) gần đường dây 2.3.3 Mất ổn định hệ thống kịch truyền tải công suất tăng cao 2.4 HẠN CHẾ DÒNG ĐIỆN NGẮN MẠCH 2.4.1 Áp dụng giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch giai đoạn thiết kế 2.4.2 Áp dụng giải pháp hạn chế dòng điện ngắn mạch giai đoạn vận hành Chương III CÁC PHƯƠNG TIỆN THIÊT BỊ MỚI VÀ HIỆU QUẢ ỨNG DỤNG 3.1 NHU CẦU NÂNG CAO KHẢ NĂNG ĐIỀU CHỈNH ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN 3.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ THIẾT BỊ FACTS 3.2.1 Các thiết bị điện tử công suất lớn 3.2.2 Cuộn kháng điều khiển thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor) 3.3 MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS ĐƯỢC CẤU TẠO TRÊN CƠ SỞ TCR 3.3.1 Thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC - Static Var Compensator) 3.3.2 Thiết bị bù dọc có điều khiển 3.3.3 Thiết bị điều chỉnh pha (TCPAR-Thyristor Controlled Phase Angle Regulation) TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương I KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN - XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA HTĐ HIỆN ĐẠI 1.1 CẤU TRÚC VÀ CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.1 Công nghệ lượng vai trò truyền tải lượng Năng lượng (NL) loại sản phẩm thuộc nhu cầu thiết yếu xã hội loài người Xã hội đại nhu cầu tiêu thụ lượng cao đa dạng Để có lượng, từ xưa loài người biết khai thác dạng lượng sẵn có thiên nhiên (gọi NL sơ cấp) biến đổi dạng cần thiết (còn gọi NL cuối) NL sơ cấp Biến đổi NL cuối Nhiệt (than, dầu, khí đốt ) NMNĐ → Điện Cơ (dòng chảy) NMTĐ → Điện → NL cuối NL hạt nhân NMĐHN→ Điện (cơ, nhiệt, quang ) NL mới, tái tạo TBNLM→ Điện Tất biến đổi thành điện trước sử dụng (tại ?) Đó điện có đặc điểm ưu việt: dễ biến đổi (từ dạng thành dạng), dễ truyền tải xa (đi khoảng cách lớn với tốc độ cực nhanh, hiệu suất cao, tổn thất nhỏ) Chính điện sử dụng dạng lượng trung gian trình sản xuất, truyền tải tiêu thụ lượng → hình thành HTĐ Cấu trúc HTĐ cơng nghệ NL nói chung quen biết hình 1.1 HỆ THỐNG ĐIỆN PHỤ TẢI NMĐ Năng lượng tự nhiên ~ sản xuất LƯỚI truyền tải Năng lượng sử dụng sử dụng Điện Hình 1.1 Hệ thống điện công nghệ lượng - Nhà máy điện có nhiệm vụ chủ yếu sản suất điện năng, biến dạng lượng có sẵn tự nhiên (như nhiệt năng, năng, lượng nguyên tử, ) thành điện - Mạng lưới truyền tải điện làm nhiệm vụ đưa điện từ nguồn (các nhà máy điện) đến nơi tiêu thụ Khoảng cách truyền tải thường lớn (hàng nghìn km) - Phụ tải điện bao gồm tập hợp lớn thiết bị dùng điện, hoạt động theo yêu cầu người Với vai trò tự nhiên quan trọng điện nêu, HTĐ hình thành liên tục phát triển quốc gia khu vực Trong đó, phát triển phần truyền tải mang ý nghĩa quan trọng (tạo hệ thống) Lịch sử truyền tải điện xa hình thành HTĐ gắn liền với hàng loạt phát minh quan trọng việc sử dụng dòng điện xoay chiều pha, chế tạo máy biến áp điện lực công suất lớn, điện áp cao ngày thiết bị cho phép tạo hệ thống tải điện xoay chiều linh hoạt Hệ thống điện có quy mơ lớn hiệu sản xuất, truyền tải sử dụng điện cao Các lý là: - Có độ tin cậy cung cấp điện cao; - Có khả khai thác tối đa dạng nguồn lượng tự nhiên; - Nâng cao tính kinh tế linh hoạt vận hành; - Giảm tỉ lệ dự phịng (cơng suất điện năng); - Áp dụng tổ máy cơng suất lớn hiệu suất cao Chính ưu điểm mà HTĐ phát triển liên kết với ngày lớn, hợp thành HTĐ quốc gia mà liên kết ngày rộng theo khu vực (liên quốc gia) Tuy nhiên, HTĐ có quy mơ lớn địi hỏi cao trình độ quản lý vận hành Nhiều đặc điểm phức tạp kĩ thuật phát sinh kèm theo với phát triển cao quy mô công suất lãnh thổ: - Ảnh hưởng lan rộng cố dẫn đến ổn định - Đòi hỏi phối hợp nhiều thơng tin diện rộng để xử lí vận hành - Nhiều yêu cầu đề quản lí vận hành hệ thống (quản lí theo khu vực, đảm bảo hợp đồng trao đổi công suất ) 1.1.2 Các phần tử đặc điểm cấu trúc HTĐ lớn Cấu trúc chung HTĐ khu vực mơ tả qua sơ đồ ví dụ hình vẽ 1.2 Một số đặc điểm cấu trúc tên gọi: - HTĐ ku vực: quy mơ lãnh thổ : bán kính < 500km, thường quan quản lí - HTĐ hợp nhất: nhiều HTĐ khu vực liên kết qua đường dây dài điện áp siêu cao, phạm vi: thường quốc gia - HTĐ liên kết: HTĐ nhiều quốc gia kết nối qua trạm đường dây liên kết (thường sử dụng phương án kết nối qua biến đổi chiều - xoay chiều, bao gồm đường dây tải điện chiều) Trong phạm vi khu vực lại chia loại: lưới truyền tải, lưới phân phối - Lưới điện truyền tải (LĐTT) thường sử dụng điện áp (110 kV - 330kV) Sơ đồ thường có kết cấu phức tạp (có mạch vịng kín để nâng cao độ tin cậy đầu tư tối ưu kể vận hành kinh tế) - Lưới điện phân phối (LĐPP) có điện áp 35 kV trở xuống Nhiều nước dùng cấp 22kV với trạm biến áp (BA) phân phối 22/0,4 kV cung cấp cho thiết bị dùng điện LĐPP thường có cấu trúc kín vận hành hở Mục đích dễ dàng quản lí, vận hành LĐPP Việt Nam lịch sử để lại có số cấp điện áp nhiều (35, 22, 15, 10, 6kV) Liên kết khu vực, thường đường dây siêu cao áp (ĐDSCA) phải tải công suất lớn qua khoảng cách xa Các cấp điện áp siêu cao: 400 kV, 500kV, 750kV, 1100kV Tất nhiên, việc chọn cấp điện áp sơ đồ cho lưới truyển khơng có khn mẫu mà phụ thuộc vào đặc điểm địa hình, vị trí phân bố nguồn lớn trung tâm phụ tải (HTĐ Anh quốc sử dụng mạng lưới 400kV cho lưới truyền tải, địa hình phân bố tương đối nguồn phụ tải với khoảng cách không xa) 35 kV 22 kV 110 kV ~ ~ 10,5 kV 220 kV 22 kV 500 kV 220 kV 10,5 kV ~ 110 kV 15,75 kV ~ ~ ~ ~ 22kV Nút phụ tải 22kV 22 kV 0,4 kV 0,4 kV 35 kV 110 kV 0,4 kV 0,4 kV Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện (khu vực) Tải điện chiều kinh tế dây dẫn cột lại phải có thêm trạm biến đổi (chỉnh lưu phản chỉnh lưu) nên thường không hợp lý cần nhận điện nhiều vị trí trung gian dọc đường dây Một ưu điểm khác liên kết hệ thống dòng điện chiều đảm bảo tính độc lập tần số, nâng cao tính ổn định cho HTĐ hợp HTĐ liên kết (giữa quốc gia) Chính ưu điểm này, HTĐ khu vực nối với (để trao đổi lượng) thơng qua dịng điện chiều khơng có khoảng cách truyền tải (hình 1.4,a) + + A DC AC B C - a) b) Hình 1.3 Chỉnh lưu pha kết nối lưới điện AC/DC AC AC a) AC AC +Ud b) +Ud AC AC -Ud c) Hình 1.4 Cấu trúc hệ thống tải điện chiều Toàn phần tử vừa nêu sơ đồ nối điện, phần thiết bị động lực (có cơng suất lớn), gọi thiết bị sơ cấp Hệ thống điện bao gồm số lớn phần tử thứ cấp Đó thiết bị đo lường, bảo vệ, điều chỉnh điều khiển, thông tin Thiếu phần tử HTĐ khơng thể làm việc bình thường đảm bảo độ tin cậy sản suất cung cấp điện Tại thời điểm tất các phần tử HTĐ (sơ cấp thứ cấp) có quan hệ chặt chẽ với Cũng tính tốn phân tích chế độ HTĐ phải xét đến đồng thời tác động cuả phần tử 1.2 HOẠT ĐỘNG CỦA HTĐ TRONG ĐIỀU KIỆN BÌNH THƯỜNG, VẤN ĐỀ QUẢN LÍ CƠNG SUẤT TRUYỀN TẢI VÀ ĐẢM BẢO ĐIỆN ÁP CÁC NÚT 1.2.1 Điều kiện cần đủ để HTĐ làm việc bình thường Điều kiện cần: cân cơng suất a Cân công suất tác dụng (CSTD): ∑PF = ∑Pt + ΔP∑ - Để đảm bảo điều kiện điều chỉnh nguồn - Khi không đảm bảo cân bằng, tần số hệ thống thay đổi b Cân công suất phản kháng (CSPK) : ∑QF = Qt + ΔQ∑ ; ∑Qv = ∑Qr (cho nút) - Biểu thức đầu cho toàn hệ thống, QF cơng suất nguồn CSPK (máy phát, máy bù, tụ bù tĩnh, CSPK tự nhiên đường dây) - Biểu thức sau đòi hỏi cân CSPK đưa vào với CSPK lấy cho nút - Khi điều kiện không đảm bảo, điện áp nút thay đổi Thực điều chỉnh CSPK theo u cầu riêng biệt cho nút (khơng có ý nghĩa chung cho toàn hệ thống) Điều kiện đủ: đảm bảo trạng thái cân ổn định với độ dự trữ đủ lớn Khi ổn định không đảm bảo cân CSTD máy phát đồng góc quay, thiếu CSPK cung cấp đến nút, điện áp nút ổn định (sụp đổ điện áp) 1.2.2 Điều chỉnh công suất tác dụng HTĐ yêu cầu đảm bảo trao đổi công suất khu vực Khi xảy cân CSTD (do phu tải biến động) tần số hệ thống bị thay đổi, cần có tác động điều chỉnh để giữ độ lệch phạm vi cho phép Hơn điều chỉnh trường hợp tác động làm thay đổi nguồn lượng sơ cấp đưa vào máy phát (lượng lượng nước chạy qua tuabin) Hình 1.5 mơ tả cấu trúc nguyên lý thực điều chỉnh tần số CSTD tổ máy phát điện Có phận điều chỉnh sau a Thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ quay tua bin (ĐTĐ) Thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ quay tua bin trang bị cho tất máy phát Đặc điểm cấp điều chỉnh diễn nhanh (do hoạt động theo nguyên lý văng ly tâm, tác động trực tiếp vào cửa hơi/cửa nước tua-bin, với quán tính khâu cấu nhỏ) Trung tâm ĐCS ĐTĐ điều độ SVM ĐTS SVM ω T F ~ μ ~ LƯỚI ĐIỆN ~ ~ Hình 1.5 Điều chỉnh TS CSTD máy phát Ở chế độ xác lập cuối cùng, sau (1-3) sec quan hệ độ lệch tần số với độ mở cửa cơng suất tua-bin có dạng : ΔPT∗ = ΔμT∗ = - 1/σ Δf∗ ; 51 B L1/2 L1/2 C L2/2 L' L2/2 TCR TSR lọc TSC LC Hình 3.9 Các thành phần cấu tạo SVC Việc phối hợp thành phần cho phép tạo thiết bị bù có phạm vị thay đổi liện tục đủ rộng (từ âm sang dương) theo mục đích sử dụng b Điều khiển hoạt động SVC Để điều khiển SVC cần sử dụng điều khiển thơng qua tín hiệu đo Hình 3.10 thể cấu trúc điều khiển cho SVC điển hình (bao gồm TCR tụ cố định) làm việc theo mục tiêu trì điện áp nút Tín hiệu điều khiển nhận từ BU đặt điện áp cao B BU TCR Từ hệ thống FC lọc LC Phần điều khiển Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển SVC có tụ cố định 52 Bộ điều khiển thường cấu tạo theo nguyên lý khuếch đại phản hồi âm tín hiệu độ lệch điện áp Để nâng cao hiệu điều chỉnh người ta đưa thêm tín hiệu độ lệch dịng điện độ lệch cơng suất chạy SVC Trong trường hợp phạm vi điều chỉnh lựa chọn cách phối hợp trị số XC tụ cố định điện kháng cực đại XL TCR Nếu chọn XC = XL (lấy trị tuyệt đối) ta có SVC ln phát công suất phản kháng vào lưới (bù CSPK) Công suất thay đổi liên tục từ -U2/XL đến (lấy dấu dương theo công suất tiêu thụ) Nếu XC = 2XL ta có SVC phát tiêu thụ CSPK (thay đổi từ -U2/2XL đến U2/2XL) Ngoài ra, thay tụ cố định TSC với trị số XC = XL phạm vi điều chỉnh nhận từ -U2/XL đến U2/XL Trong trường hợp chung đặc tính làm việc SVC hình 3.11, U U U0 U0 Bmin= BC - BL I = Imax QSVC BSVC Bmax= BC Qmin Qmax Hình 3.11 Đặc tính cho thấy, có biến động hệ thống (kể phụ tải nút) dẫn đến cân CSPK SVC hoạt động (phát hay thu CSPK) để giữ cân điện áp U0 Đương nhiên hết phạm vi điều chỉnh điện áp nút lại bị thay đổi Hết giới hạn điều chỉnh phát SVC làm việc tụ cố định, hết giới hạn điều chỉnh thu điện kháng Do có sai số điều chỉnh tĩnh điều khiển theo độ lệch, phạm vi điều chỉnh điện áp có độ lệch nhỏ so với U0 (đường nét đứt) 53 Để phục vụ mục đích khác (nâng cao ổn định động, cực tiểu hóa tổn thất cần tạo quy luật điều khiển phức tạp Khi cần sử dụng tín hiệu đo khác nhận từ nút nhánh hệ thống c Hiệu ứng dụng - Điều chỉnh giữ điện áp nút Nguyên tắc hoạt động điều khiển nêu Trong chức SVC thường đặt nút trung tâm phụ tải lớn nút cuối đường dây có truyền tải công suất lớn theo hướng - Giảm tổn thất điện Ưu điểm SVC thay đổi công suất phản kháng theo thông số chế độ Vì đảm bảo minimum tổn thất cơng suất truyền tải theo biểu đồ Nói khác đi, giảm thiểu tối đa tổn thất điện Hãy xét chế độ làm việc đường dây cao áp có đặt SVC cuối (hình 3.12) Đường dây có nhiệm vụ tải cơng suất theo biểu đồ Giả thiết SVC điều khiển cơng suất theo quy luật độc lập nhằm tối thiểu hóa tổng thất điện truyền tải qua đường dây cho phụ tải với biểu đồ biết P,Q P(t) Z=R+jX U1 Q b1 / jB Q(t) SΣ jB I U S(t)=P(t)+jQ(t) t QSVC ( t ) Qb2 / BSVC(t) b) Q Q(t) QSVC(t a) Qb2/2(t) Hình 3.12 c) t 54 Tổn thất công suất đường dây phụ thuộc điện trở R dòng điện I chạy đường dây : ΔP = RI2 = R(Ir2+Ix2) = ΔPr + ΔPx Dịng điện I tính theo công suất tổng chạy đến cuối đường dây điện áp U, với: SΣ = P + j(Q-Qb2/2-QSVC) = P +j QΣ Ta có: Ir = Q P ; Ix = Σ 3U 3U Biểu đồ P(t) không thay đổi nên để giảm tổn thất giảm thiểu trị số dòng điện phản kháng Ix Nếu SVC có phạm vi cơng suất đủ lớn ta điều khiển để Ix luôn thời điểm t, tương ứng làm cho tổn thất điện nhỏ Ta có cơng suất thay đổi tối ưu cho SVC trường hợp này: QSVC ( t ) = Q( t ) − Q b / ( t ) = Q( t ) − B.( U( t )) Đo trực tiếp Q(t) U(t), theo biểu thức tính QSVC tối ưu thời điểm Đối với đường dây dài điện áp siêu cao biểu thức tính tốn có phức tạp (khi xét xác đến phân bố dòng áp dọc đường dây) Hơn nữa, nguyên tắc khơng thể làm triệt tiêu dịng CSPK đoạn đường dây (trừ chế độ tải CSTD công suất tự nhiên) Tuy nhiên, phương án giữ cosφ =1 cuối đường dây cho kết gần với điều khiển tối ưu, CSPK truyền tải đường dây Trong HTĐ với sơ đồ phức tạp, tốn tối ưu hóa giảm tổn thất SVC đặt với quy luật điều khiển tối ưu Thực chất toán điều khiển phân bố tối ưu CSPK (theo mục tiêu giảm tổn thất) Khi cần phối hợp với nguồn CSPK từ máy phát tụ bù tĩnh nút đặt - Nâng cao ổn định điện áp nút Các "nút yếu" phương diện ổn định điện áp, phụ tải tăng cao bị sụp đổ điện áp (Voltage Collapse) ảnh hưởng đến giới hạn vận hành ổn định chung toàn hệ thống Khi gần đến giới hạn ổn định, điện áp nút dao động mạnh ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, cần có biện pháp nâng cao hệ số dự trữ ổn định Đặt SVC vào nút yếu biện pháp hữu hiệu cải thiện ổn định hệ thống trường hợp 55 Về lý thuyết giới hạn ổn định điện áp nút tải nâng cao tùy ý đặt SVC đủ lớn với phạm vi điều chỉnh rộng Tuy nhiên điều khơng đồng nghĩa với nâng cao ổn định hệ thống nói chung Đó hệ thống ổn định nút yếu khác ổn định máy phát góc lệch Điều đặt ra: phải có chiến lược lựa chọn vị trí dung lượng bù tối ưu theo mục đích cải thiện ổn định hệ thống Cũng cần xét hiệu phối hợp SVC (giữ điện áp, giảm tổn thất ) Hình 3.13 thể đường cong biến thiên điện áp (quá trình làm nặng chế độ đến ổn định) HTĐ có đặt SVC với giới hạn khác U Nút yếu bị sụp đổ điện áp Nút bình thường (khơng U0 có SVC) Nút yếu có đặt SVC dung lượng nhỏ k k=1 kgh Nút yếu có đặt SVC dung lượng lớn Hình 3.13 - Nâng cao giới hạn truyền tải đường dây siêu cao áp Ví dụ hiệu đặt SVC vào vị trí ĐDSCA xét chương (hình 2.6 2.7) Kết cho thấy nâng cao giới hạn truyền tải lên gấp đôi Tổng quát đặt nhiều SVC chia đường dây thành n khoảng giữ điện áp nút không đổi đặc tính cơng suất đoạn: cơng suất cực đại truyền qua là: Pmax = nV2/X Tăng lên n lần so với đường dây ban đầu (không đặt SVC) 56 3.3.2 Thiết bị bù dọc có điều khiển a Cấu tạo chung TCSC Một thiết bị TCSC bao gồm (hình 3.14): - Tụ điện bù dọc cố định C; - Cuộn kháng điều khiển thyristor (TCR) ; - Điện trở phi tuyến bảo vệ áp cho tụ (MOV); - Khe phóng bảo vệ (G); - Máy cắt bảo vệ (CB) Tùy thuộc yêu cầu bù dọc (trong CĐXL) điều khiển QTQĐ TCSC ứng dụng thực tế bao gồm số mơđun (nhằm đảm bảo dòng điện áp làm việc) Tín hiệu điều khiển TCR Iline C MOV G CB Hình 3.14 Cấu tạo TCSC b Đặc tính điều chỉnh TCSC Có thể hiểu TCSC điện kháng đẳng trị tụ điện C ghép song song với TCR Các phần tử lại tổ hợp làm nhiệm vụ bảo vệ, không hoạt động điều kiện bình thường 57 Nếu gọi dung kháng tụ -jXC cảm kháng TCR jXL điện kháng TCSC tính theo công thức: X TCSC = − XLXC XL − XC Với thiết kế điện kháng XLmin TCR lớn XC ta ln có trị số điện kháng đẳng trị TCSC mang dấu âm, nghĩa tương ứng với tụ bù dọc Khi góc trễ TCR thay đổi từ 90o đến 180o, dung kháng TCSC thay đổi liên tục (trong phạm vi từ -XC đến giá trị âm đủ lớn) Trên hình 3.15 thể quan hệ XTCSC với XL TCR trường hợp chọn XLmin = 1,2 XC Trong phạm vi thay đổi trị số từ -1,2XC đến 6XC điện kháng TCSC thay đổi đồng Đây điều kiện để người ta lựa chọn chế tạo nên TCSC có trị số thích hợp XTCSC XC XLmin=1,2XC XL -XC -1,2XC X0 -6XC Hình 3.15 Đặc tính điều chỉnh TCSC c Điều khiển TCSC Khi làm việc HTĐ TCSC có chế độ hoạt động Trong chế độ làm việc bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt X0 Điểm đặt thay đổi theo thông số 58 CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Steady State Control Loop) Trong CĐQĐ TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop) Đặc trưng động TCSC phụ thuộc hàm truyền kênh Trên hình 3.16 thể cấu trúc chung phần điều khiển TCSC [3] Hình 3.16 Cấu trúc điều khiển TCSC Reference Set Point Hình 3.17 Hàm truyền khâu kênh ổn định Hàm truyền phần điều khiển CĐQĐ thể hình 3.17 Các phận gồm: Khuếch đại lọc cách ly (kiểu tụ điện, biến áp) Các dịch pha; Quán tính thay đổi điện kháng đẳng trị có giới hạn trị số Tín hiệu đầu vào kênh ổn định thường lựa chọn đại lượng đo mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle Control) giảm dao động công suất (Constant Power Control) đường dây truyền tải Thực chất thuật toán điều khiển tạo tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo 59 hàm đại lượng đo Thật bỏ qua qn tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị toàn kênh ổn định TCSC: G (s) ≈ k w sTw ΔX C = Khi đó: 1 = k Cs + sT + sT k Cs Δq + sT Trong đó, q - ký hiệu chung tín hiệu đo đầu vào, s - toán tử đạo hàm Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có: ΔX C = k C s Δq Nghĩa điện kháng TCSC thay đổi tỉ lệ với đạo hàm tín hiệu đo Nếu tín hiệu đo cơng suất truyển tải nhánh có ý nghĩa giảm dao động cơng suất Trong nhiều cơng trình nghiên cứu tình cố nặng nề việc sử dụng tín hiệu cơng suất khơng hiệu góc lệch dao động lớn Trong trường hợp sử dụng tín hiệu dịng điện, góc lệch đầu đường dây có hiệu cao (xem thêm [2]) d Các ứng dụng vấn đề lựa chọn tác động hiệu cho TCSC Các hiệu ứng dụng TCSC: - Giảm dao động công suất - Nâng cao ổn định động (đặt đường dây dài liên kết hệ thống) - Tối ưu hóa phân bố cơng suất (theo giới hạn tải công suất, giảm tổn thất) - Nâng cao giới hạn truyền tải ổn định điện áp (tương tự bù dọc cố định) Hai hiệu đầu tương ứng với điều khiển chế độ độ (chức TCSC) Các hiệu sau tương ứng với hoạt động CĐXL Đối với TCSC để có hiệu điều khiển theo mục tiêu đặt ra, nói chung cần lựa chọn vị trí đặt dung lượng tối ưu, cần nghiên cứu áp dụng tín hiệu đo quy luật điều khiển thích hợp, mục tiêu nâng cao ổn định động Lựa chọn khơng đúng, dẫn đến hiệu Các nội dung nghiên cứu nằm ngồi phạm vi mơn học 60 3.3.3 Thiết bị điều chỉnh pha (TCPAR-Thyristor Controlled Phase Angle Regulation) Trong phần trước (chống nghẽn mạch) nhắc đến máy biến áp bù góc pha khí MBA bù pha tạo điện áp chèn nối tiếp vào đường dây, pha hay vng góc với điện áp nút (hình 3.18) Trường hợp sau thực chất bù góc pha điện áp đầu đường dây Khi tạo thiết bị bù pha điện tử với tác động điều khiển nhanh cịn có tác dụng cao nâng cao ổn định động cho hệ thống 3.3.3.1 Cấu tạo Thực chất cấu tạo, TCPAR chuyển đổi từ điều chỉnh khí sang điều chỉnh điện tử điện áp cuộn dây thứ cấp máy biến áp bù pha (điện áp đặt nối tiếp vào đường dây) Có phương án: điều chỉnh số vịng dây điều chỉnh trực tiếp điện áp đầu cuộn dây Hình 3.18 a Điều chỉnh số vịng dây Bằng việc điều khiển đóng cắt cặp thyristor đưa phần cuộn dây vào làm việc hướng hay ngược hướng chọn Tổng đại số vòng dây xác định điện áp thứ cấp Hình 3.19,a phương án chia số vịng, hình 3.19,b phương án chia theo tỉ lệ 1, 3, 9, Phương án sau tiết kiệm số phân đoạn điều khiển phức tạp 61 Hình 3.19 Điều khiển số vịng dây MBA bù pha Hình 3.20 sơ đồ đấu nối pha máy biến áp có điều chỉnh pha rời rạc (dạng 1,3,9) vào đường dây Hình 3.20 62 b Điều chỉnh trực tiếp điện áp Cuộn thứ cấp lấy cực tương ứng với điện áp cực đại cực tiểu phạm vi điều chỉnh Phối hợp khoảng đóng cắt điện áp ta có điện áp lấy dạng khơng sin (hình 3.21,b), sóng hài bậc (thành phần làm việc) có biên độ thay đổi liên tục (từ Umin đến Umax) Hình 3.21 Dạng sóng điện áp có (b) khơng (a) điều khiển Khai triển Fourier ta nhận mơ đun góc pha thành phần bản: với: 63 Hình 3.22 biến thiên biên độ góc pha thành phần theo góc điều khiển α đặt vào thyristor Hình 3.22 Thay đổi biên độ góc pha thành phần Tính tốn cho thấy, thành phần bậc cao chiểm tỉ lệ nhỏ Thành phần bậc xuất lớn 4% điện áp trung bình V0 = (V0fmax+V0fmin)/2 Tuy nhiên cần có lọc 3.3.3 Hiệu nâng cao ổn định động Khi việc bù pha bù điện áp nối tiếp thực tự động, nhanh mềm déo hiệu ứng dụng cao nhiều đặc biệt nâng cao ổn định động Đó ý tưởng áp dụng điều khiển thyristor cho MBA điều chỉnh nối tiếp trở thành TCVR TCPAR Xét hệ thống đơn giản gồm máy phát làm việc với điện áp không đổi Như biết đặc tính cơng suất truyền tải có dạng hình 3.23 với: P= V2 sin δ X Trong đó: V- mơ điện áp đầu đường dây; X - điện kháng tổng mạch 64 Hình 3.23 Khi có điều chỉnh góc pha (trong phạm vi ± σ ) đặc tính dịch chuyển hình 3.23,c nói riêng chuyển gần tức thời sang vị trí (nếu sử dụng mạch điều khiển thyristor) Khả cho phép nâng cao ổn định động P σ P0 δ δ0 δ'0 δC δt δmax δgh1 Hình 3.24 δgh2 65 Hình 3.24 minh họa trình điều khiển để nâng cao ổn định ngắn mạch Theo phương pháp diện tích nhận thấy hệ thống ổn định khơng có tác động điều khiển Đó diện tích hãm (tính đến δgh1) nhỏ diện tích gia tốc Nếu có tác động giảm góc lệch giá trị σ (vào thời điểm tương ứng với góc δt), đường đặc tính cơng suất tức thời dịch sang phải, làm mở rộng diện tích hãm đến δgh2 Năng lượng cân δmax, góc lệch giảm sau thời điểm này: hệ thống ổn định Để giảm mức độ dao động cho chu kỳ tác động khử góc bù để đặc tính vị trí ban đầu (phải vào thời điểm δmax) Có thể thực nhiều tác động (đúng lúc) để dao động tắt nhanh theo thời gian Tác động dịch chuyển đường đặc tính hai phía vị trí ban đầu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lã Văn Út Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện Tái lần thứ Nhà xuất Khoa học & Kỹ thuật Hà Nội - 2011 [2] Lã Văn Út, Thạch Lễ Khiêm Hiệu thiết bị bù dọc có điều khiển nhằm nâng cao ổn định động hệ thống điện Tạp chí Khoa học Cơng ngệ No48-49/ 2004 [3] Narain G Hingorani, Laszlo Gyugyi Understanding FACTS - Concept and Technology of Flexible AC Transmission Systems IEEE Press New York - 1999