Nghiên cứu hiệu quả của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC trong hệ thống điện

MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệpchế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thốngđiện, nên các thiết bị

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệpchế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thốngđiện, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin trongtoàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng tại một số nước có trình độ công nghệtiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristorhay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn địnhchất lượng điện áp của hệ thống điện Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh cóđiều khiển thyristor hay triắc (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC) Các thiết

bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cảtrong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suấtphản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng

Hệ thống điện càng ngày càng phát triển với những đường dây truyền tải điệnnăng đi xa như đường dây siêu cao áp 500kV Bắc – Nam Để đáp ứng nhu cầu sử dụngchúng ta cần phải làm cho hệ thống điện truyền tải điện năng ổn định và chất lượngđiện năng càng ngày càng được cải thiện Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khảnăng điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chấtlượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết,góp phần mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều

khiển hoạt động của hệ thống điện Luận văn “Nghiên cứu hiệu quả của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC trong hệ thống điện” sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu

ảnh hưởng và hiệu quả của thiết bị bù có điều khiển SVC đối với việc ổn định điện

áp và dự trữ ổn định tĩnh trong chế độ vận hành hệ thống điện

Nội dung của luận văn:

- Chương 1: Tổng quan về FACTS

- Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động SVC

- Chương 3: Ứng dụng phần mềm CONUS khảo sát hiệu quả của SVC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ FACTS1.1 HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH NHANH CÔNG SUẤT

1.1.1 Đặc điểm

Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng cácđường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắpthế giới Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nângcao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên + Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả năng huyđộng công suất từ nhiều nguồn phát

+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào cáccông trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ

+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát cógiá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành

rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử

+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các nguồnđiện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn

+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thốngriêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên

+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụtải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múigiờ

+ Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửachữa, 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 cấpđiện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn

Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép

dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên gópphần thúc đẩy nền kinh tế phát triển Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho việchình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu củacác hệ thống điện hiện đại và sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.

1.1.2 Yêu cầu đối với hệ thống truyền tải điện [1]

Hệ thống truyền tải điện phải đảm bảo được hai yêu cầu cơ bản, đó là:

+ Đảm bảo đồng bộ: yêu cầu về đảm bảo tần số

+ Đảm bảo biên dạng điện áp

Đảm bảo đồng bộ là yêu cầu các máy phát đều đưa ra tần số chính xác, ví dụ50Hz, với độ sai lệch cho phép trong phạm vi +/- 0,1 Hz Điều này chỉ có thể đạt đượcnếu mỗi máy phát đều hoạt động trong giới hạn ổn định ở chế độ xác lập Khi có thêmbiến động hệ thống điều khiển phải có tác động đúng để đưa hệ thống về lại trạng tháicân bằng mới Các biến động lại chia ra làm biến động nhỏ và biến động lớn

Đảm bảo biên dạng điện áp là giữ đúng điện áp tại mọi điểm kết nối trên hệtruyền tải trong phạm vi cho phép Có thể thấy rằng biến động điện áp liên quan đếndòng công suất phản kháng, thay đổi theo diễn biến của phụ tải và chế độ hoạt độngcủa hệ thống như kết nối nguồn, sa thải phụ tải hoặc chuyển hướng đường truyền, …Mọi diễn biến quá điện áp hoặc thấp điện áp đều dẫn đến những hậu quả về kinh tế, kỹthuật

Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dâysiêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra

là rất lớn Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản khángphát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây Để hạn chế hiện tượngnay, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:

+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điệnkháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây

kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tínhtoán rút ngắn lại.

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạmtrung gian trên đường dây Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữacác trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km

+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạmcuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này

1.2 HỆ THỐNG BÙ TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

Bù trong hệ thống truyền tải nhằm đảm bảo các yêu cầu:

+ Giữ biên dạng điện áp phẳng với mọi công suất truyền

+ Đảm bảo độ ổn định để tăng dung lượng đường truyền

+ Cung cấp công suất phản kháng theo một mục tiêu kinh tế - kỹ thuật nhất định

Các hệ thống bù có thể là bù thụ động và bù tích cực Các hệ thống và thiết bị

bù phổ biến bao gồm:

+ Bù bằng kháng hoặc tụ song song Kháng song song có tác dụng bù dung khángđường dây khi tải nhẹ để điện áp không tăng quá mức Tụ song song có tác dụng bùphản kháng cho tải khi tải nặng

+ Hệ thống bù nối tiếp: bù cho độ dài đường dây

Hình 1.2 Biên dạng điện áp và dòng điện trong bù kháng song song

r s

V E

o

P P

Hình 1.3 Nguyên lý điều chỉnh điện áp bằng bù song song

1.2.2 Bù giữa đường dây

Bình thường khi chưa bù: r s sin

L

E E P

Gi i n n đ nh (đ )

Hình 1.5 Đặc tính đường truyền có mạch bù giữa đường dây

1.2.3 Bù tĩnh nối tiếp

Tụ bù nối tiếp có thể trung hòa phần cảm kháng của đường dây, giảm góc tải δ, do

đó giảm dòng nạp cho đường dây, dẫn đến có thể tăng được công suất tải tự nhiên Bùnối tiếp thường dùng cho đường dây rất dài nhưng cũng có thể dùng cho mạch nhánhsong song của đường truyền để hiệu chỉnh dòng công suất.

bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao động côngsuất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn Đây làbiện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt lảnhững đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500KV Bắc – Nam.

1.2.4.1 Bù dọc [2]

Trị số cảm kháng lớn của các đường dây tải điện xoay chiều siêu cao áp làmảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật quan trọng của đường dây:+ Góc lệch pha giữa điện áp ở đầu và cuối đường dây thay đổi trong phạm vi rộng.+ Tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao

Bù dọc là giải pháp mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây để giảm bớt (bù) cảm

kháng X L của đường dây bằng dung kháng X C của tụ điện

Thiết bị bù dọc thường được sử dụng để giảm tổng trở của đường dây làm giảmgóc lệch pha giữa các vectơ điện áp ở đầu và cuối đường dây, tăng khả năng tải củađường dây, cải thiện điều kiện phân bố điện áp dọc đường dây, giảm tổn thất trênđường dây qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.

Một tác dụng quan trọng nữa của các bộ tụ bù dọc là dòng điện tải chạy qua tụđiện sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm khángcủa đường dây, do đó giảm tổn thất công suất và điện năng trong các chế độ tải đầy Đối với những đường dây có chiều dài lớn, các thiết bị bù dọc thường được tínhtoán và đặt cho từng đoạn có chiều dài 250 ÷ 500 Km Khi chọn vị trí đặt thiết bị bùdọc người ta thường xét đến 3 tiêu chuẩn sau:

 Mức độ phân bố điện áp dọc đường dây

 Trị số dòng điện ngắn mạch qua bộ tụ

 Thuận lợi cho việc quản lý vận hành bộ tụ

Hình 1.8 Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp

1.2.4.2 Bù ngang

Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay cáckháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp Kháng bù ngangnày có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp Khi đặt ở phía cao áp thì

có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiểnbằng khe hở phóng điện

Dòng điện I L của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện I C của điện dung đường dâyphát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dâyphát ra sẽ tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp

ở cuối đường dây

Việc lựa chọn dung lượng và và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rấtquan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thốngđiện như chế độ vận hành non tải, không tải… của đường dây

Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồnphát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đườngdây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bùngang tại một số điểm trên đường dây

Trong chế độ non tải (P Tải < P o), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa

và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị số cos φ cho phép của máy phát,

ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

Trong chế độ tải cực tiểu thì công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn(đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) ta phải đặt các kháng bùngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này Thôngthường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 – 500 Km Đối với các đườngdây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dâythường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra [2]

1.3 TỔNG QUAN VỀ FACTS [5]

Hệ thống điện phát triển ngày càng nhanh đòi hỏi phải mở rộng và xây dựngthêm các tuyến truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện, tuy nhiên điều này dẫnđến tốn kém về vốn xây dựng, thời gian thi công và mất quĩ đất cho các hành lang antoàn của tuyến đường dây Vì thế đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt đểcác khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệthống Để đáp ứng nhu cầu này, các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệthống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission System) đã đượctiến hành vào cuối năm 1980 nhằm giải quyết hai vấn đề chính đó là nâng cao khả năngtruyền tải của hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn định trước Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, cùng với sự pháttriển nhanh chóng của các phần tử bán dẫn công suất lớn đã tạo ra các bộ biến đổi bándẫn điện tử công suất lớn cho phép điều khiển, khống chế các dòng năng lượng gầnnhư tức thời, giúp cho quá trình điều khiển hệ thống điện có thể thực hiện được theocác cách thức mà các phần tử cơ khí, điện từ trước đó không thể đảm bảo được Côngnghệ FACTS có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng

và phản kháng của hệ thống điện Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điềukhiển và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất

1.3.1 Phân loại các thiết bị FACTS

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều có kết hợp với các thiết bị điện tử công suất hoặc các thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng điều khiển (linh hoạt) và tăng khả năng truyền tải công suất.

Các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia ra làm 4 loại sau :

o Thiết bị điều khiển nối tiếp (điều khiển dọc)

o Thiết bị điều khiển song song (điều khiển ngang)

o Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp – nối tiếp

o Thiết bị điều khiển nối tiếp – song song

* Thiết bị điều khiển khiển nối tiếp: Thiết bị điều khiển nối tiếp hay điều khiển dọc có

thể là 1 điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng điện,…hoặc 1 nguồn có thểthay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất (hình 1.9) Về nguyên lý, tất cả các thiết

bị điều khiển nối tiếp đưa vào một điện áp nối tiếp vào nhánh (đường dây ) Điện áp

có thể điều khiển được mô đun hoặc góc pha (hoặc cả hai) Thiết bị điều khiển nối tiếpchỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Hình 1.9 Bộ điều khiển nối tiếp

* Thiết bị điều khiển song song: Giống như trường hợp thiết bị điều khiển dọc, thiết bị

điều khiển song song có thể là 1 điện kháng, 1 nguồn có thể thay đổi giá trị hoặc sự kếthợp các thiết bị này Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển song song đưa thêmmột nguồn công suất phản kháng vào nút kết nối Giống như thiết bị điều khiển nốitiếp, thiết bị điều khiển song song cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phảnkháng

Hình 1.10 Bộ điều khiển song song

* Các thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp: Là sự kết hợp các bộ điều khiển nối

tiếp riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ thống nhiều đường dây truyền tải.Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều khiển nối tiếp bù côngsuất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây đồng thời có khả năng truyềncông suất tác dụng giữa các đường dây đang truyền công suất Khả năng truyền côngsuất tác dụng của bộ điều khiển nối tiếp-nối tiếp khối, làm cho nó có khả năng cânbằng cả công suất phản kháng lẫn tác dụng chạy trên đường dây và do đó cực đại hóakhả năng sử dụng của đường dây

Hình 1.11 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp

*Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp-song song: Là sự kết hợp của các bộ điều khiển

nối tiếp và song song, được điều khiển theo 1 cách thức phối hợp Về nguyên lý, bộđiều khiển kết hợp nối tiếp song song đưa dòng điện vào hệ thống nhờ các phần tửsong song của bộ điều khiển, tuy nhiên khi các bộ điều khiển nối tiếp và song songđược kết hợp, sẽ có sự trao đổi công suất tác dụng giữa bộ điều khiển nối tiếp và songsong thông qua đường dẫn công suất

Hình 1.12 Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-song song

1.3.2 Một số thiết bị FACTS [6]

1.3.2.1 SVC (Static Var Compensator)

SVC là thiết bị bù ngang dùng để 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 cơbản:

+ Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát haytiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

+ Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có cựcđiều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC16f877, VAR

SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chứcnăng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chứcnăng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chứcnăng 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 vậnhành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

+ 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 hệ thống điện

+ Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

+ Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch,mất tải đột ngột

Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trìnhvận hành hệ thống điện như:

+ 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

Hình 1.13 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC 1.3.2.2 STATCOM (Static Synchronous Compensator)

STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điềuchỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyristor có cửa đóng mở GTO So với SVC, nó

có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là

nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.

Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năngđiều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

+ Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM 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 hệ thống điện

+ Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

+ Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch,mất tải đột ngột

Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

+ Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sựcố

+ Khi trang bị thêm nguồn công suất tác dụng hoặc các thiết bị dự trữ năng lượng ởphía một chiều, STATCOM có thể trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụngvới hệ thống, do đó nâng cao khả năng ổn định động và chống dao động công suất.+ Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới

Hình 1.14 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM

1.3.2.3 UPFC (Unified Power Flow Controller)

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiểnđiện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên cácđường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây siêu cao áp nối giữa các HTĐnhỏ UPFC la thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả

Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thayđổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngangSTATCOM Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor cócửa đóng mở GTO Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBAtrung gian điện áp thấp

Hình 1.15 Nguyên lý cấu tạo của UPFC

Về chức năng, UPFC có các chức năng của STATCOM và SSSC, đó là:

 Điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng tại nút bù

 Tăng cường tính ổn định tĩnh và ổn định động của hệ thống

 Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống

 Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi đã loại trừ được sự cố

1.3.2.4 TCPAR ( Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góclệch pha của điện áp pha của đường dây Nó có tác dụng điều khiển công suấttruyền tải trên đường dây

Về mặt cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song vớiđường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trênđường dây

Hình 1.16 Nguyên lý cấu tạo của TCPAR

Các tính năng của TCPAR bao gồm:

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút bù

- Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định động của hệ thống điện

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch,mất tải đột ngột

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sựcố

1.3.2.5 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh củađường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Nó được tổ hợp từmột hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh

Hình 1.17 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC

Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

1.3.2.6 Nhận xét

Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có những

đặc điểm chung là khả năng nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện Tuynhiên, giữa các thiết bị vẫn có sự khác biệt tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện

cụ thể, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị hợp lý

Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất,nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây mà ta lựa chọn cácthiết bị hợp lý dựa trên khả năng của chúng

chỉnh tràolưu côngsuất

Điềuchỉnh điệnáp

Ổn địnhtĩnh Ổn địnhđộng dao độngChống

ổn định điện áp và giảm các dao động trong hệ thống điện

Các thiết bị FACTS đã được thiết kế và chế tạo với nhiều loại khác nhau tươngứng với các loại điều khiển và các thông số điều khiển trong hệ thống điện Nhìn chungcác thiết bị FACTS được chia thành các thiết bị điều khiển dọc, ngang và tổ hợp giữachúng Các thiết bị bù dọc có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển dòng điện cũngnhư dòng công suất trong hệ thống truyền tải Ngoài ra chúng còn được sử dụng đểtăng cường mức độ ổn định và giảm dao động của hệ thống điện Các thiết bị bù ngang

có điều khiển chủ yếu sử dụng để điều khiển và giữ điện áp tại các điểm nút của hệ

thống điện, ngoài ra còn có tác dụng bù công suất phản kháng, nâng cao ổn định tĩnh

và ổn định động, giảm các dao động trong hệ thống điện

Trong điều kiện địa lý như ở Việt Nam, đường dây truyền tải 500 kV rất dài,các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải thì với những ưu điểm như giá thành rẻ, đảmbảo các yêu cầu kỹ thuật, khả năng ứng dụng thiết bị SVC sẽ mang lại hiệu quả trongvận hành và tăng ổn định chất lượng điện năng của HTĐ Việt Nam

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

SVC là một loại thiết bị bù tĩnh có dung lượng bù thay đổi được nối song songvới lưới điện, công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để trao đổi dòng điệnđiện cảm hoặc điện dung để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thốngđiện (điển hình là điện áp nút)

2.1 CHỨC NĂNG CỦA SVC [5]

Hình 2.1 Các chức năng cơ bản của SVC.

2.1.1 Điều khiển điện áp và trào lưu công suất phản kháng tại điểm kết nối với lưới điện

Công suất phản kháng ảnh hưởng lớn tới điện áp, mà SVC là thiết bị có khảnăng tạo ra hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Trong hệ thống điện đối với các sự cốngắn mạch và đường dây tải điện khoảng cách lớn chất lượng điện áp bị ảnh hưởngmạnh bởi sự thay đổi công suất tải Với công suất tải lớn thì điện áp bị giảm đáng kể.Quá áp cũng gây nên các hậu quả nghiêm trọng cần phải được kiểm soát Quá áp gâynên hiện tượng bão hòa mạch từ của máy biến áp, và làm tăng vọt các thành phần sónghài của máy phát điện Các thành phần sóng hài này cộng hưởng với tụ điện và điệncảm kí sinh trên đường dây dẫn đến có thể phá hỏng các thiết bị điện

2.1.2 Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố bình thường như mất tải đột ngột trên một đường dây và ngắn mạch yếu

Vì SVC có thể tác động trong khoảng 10ms, do đó thời gian quá áp sẽ giảm thấphơn cả thời gian chỉnh định Rơ le Do đó các Rơ le không cần tác động và tính chất tảiliên tục được nâng cao Đặc điểm này rất quan trọng đối với đường dây cao áp và siêucao áp ở nước ta vì nó có chiều dài lớn nên nhiều trường hợp phải ngắn mạch một phíacác đoạn đường dây nên có thể dẫn đến hiện tượng quá áp

2.1.3 Ổn định dao động công suất hữu công

Dao động công suất hữu công là một hiện tượng có thể xảy ra sau quá trình quá

độ, ví dụ: mất tải thình lình, giảm bớt công suất phát điện tại nguồn hoặc tự động đónglại sau sự cố… Hệ thống điện càng yếu thì hiện tượng này càng dễ xảy ra

Khi có dao động công suất hữu công xảy ra, SVC gần như điều khiển góc mởthyristor tức thời để ổn định dao động công suất hữu công

2.1.4 Giảm cường độ dòng điện vô công

Giảm dòng vô công sẽ giảm bớt tổn thất gây bởi dòng điện này mà các nhà máyđiện phải cung cấp Nói chung là ta sẽ tiết kiệm được năng lượng và tăng năng suất của

hệ thống điện

2.1.5 Tăng khả năng tải của đường dây và tăng độ dự trữ ổn định

Công suất truyền tải của hệ thống điện thường được giới hạn bởi cấp điện áp vàđiện kháng của máy biến áp trong hệ thống Ta sẽ hiểu rõ điều này qua bài toán bù giữađường dây như sau:

jBγ

Hình 2.2 Mạch bù có SVC ở giữa đường dây.

Bình thường khi chưa bù: r s sin

L

E E P

Gi i n n đ nh (đ )

Hình 2.3 Đặc tính đường truyền có SVC giữa đường dây Công suất truyền tải lớn gấp đôi so với khi không bù.

2.1.6 Cân bằng các phụ tải không đối xứng

Do SVC có khả năng ổn định điện áp tại từng pha riêng rẽ do đó nó làm cho sựkhông đối xứng của phụ tải giảm xuống Sự không đối xứng và sự xuất hiện của các tải

1 phả làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp của hệ thống điện Vì vậy cân bằng phụ tảicũng là một nhiệm vụ quan trọng

2.1.7 Cải thiện ổn định sau sự cố

Để cho hệ thống điện giữ được trạng thái ổn định sau nhiễu loạn lớn do việc loạitrừ các sự cố bằng tác động của các phần tử bảo vệ Hệ thống phải giữ công suất truyềntải nhỏ hơn giá trị công suất giới hạn ổn định Khi thiết bị SVC được ứng dụng thì khảnăng tải của đường dây được tăng lên, và theo đó giá trị công suất giới hạn ổn địnhtăng lên Mặt khác, thông qua SVC ta có thể giữ công suất truyền tải bằng cách thayđổi góc mở Thyristor của TCR

2.2 CẤU TẠO CỦA SVC

2.2.1 Các phần tử cơ bản trong cấu tạo của SVC [3]

Để hiểu rõ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của SVC trước hết ta đi tìm hiểunguyên lý cấu tạo của một số phần tử cơ bản tạo nên SVC Các thiết bị này được tạo ra

là nhờ sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điện tử công suất

2.2.1.1 Diode

Đi ốt cho dòng điện chạy qua như van một chiều Thực tế, do đặc điểm của nơitiếp xúc 2 lớp bán dẫn, khi điện áp xuôi chiều điện dẫn tiếp xúc rất lớn (cho dòng điệnchạy qua) còn khi điện áp đặt theo chiều ngược lại điện dẫn rất nhỏ (gần như ngắtmạch)

Hình 2.4 Cấu tạo Diode

Mạch chỉnh lưu thuần trở và thuần cảm dòng xoay chiều 1 pha như trên hình 2.5

Hình 2.5 Mạch chỉnh lưu thuần trở và thuần cảm dòng xoay chiều

u

i

R

u i

t

u i

t u

i

L

2.2.1.2 Thyristor (diode có điều khiển)

Hình 2.6 Cấu tạo thyristor

So với diode, thyristor cũng chỉ cho dòng điện chạy qua 1 chiều, tuy nhiên ngoàiđiều kiện thuận chiều của điện áp (đặt lên 2 cực anode - cathode) , thyristor chỉ chodòng điện qua (trạng thái mở) khi có điện áp đặt vào cổng điều khiển Với điện áp đặtvào cổng điều khiển dạng xung hẹp thyristor vẫn mở liện tục cho đến khi điện áp đặtvào 2 cực thyristor đổi chiều

Trên hình 2.6 biểu thị dòng chạy qua mạch thuần trở và thuần cảm có thyristor,khi đặt vào điện áp xoay chiều hình sin Xung điều khiển xuất hiện vào thời điểm trễ sovới điểm bắt đầu của chu kỳ điện áp một góc α Nếu xét thành phần cơ bản của dòngđiện trong mạch, nó có biên độ thay đổi liên tục theo góc α, khả năng này là cơ sở đểtạo ra cuộn kháng có điều khiển nhanh bằng thyristor (TCR)

t

uđkα

u i

t

Hình 2.7 Biểu thị dòng chạy qua thuần trở và thuần cảm có thyristor

2.2.1.3 Thyristor đóng ngắt (Gate turn-of thyristor - GTO)

Hình 2.8.Thyristor đóng ngắt

Thyristor đóng cắt có cấu tạo và hoạt động gần giống như thyristor thường (hình2.7), sự khác biệt chủ yếu nằm trong khả năng ngắt mạch bằng tín hiệu đặt vào cổngđiều khiển Khi đóng (turn-on), tương tự như thyristor thường chỉ cần cho một xungđiện áp dương đủ lớn so với cathode (sau đó giữ một trị số nhỏ) Khi thyristor đang mở

có thể thực hiện ngắt ngay bằng cách đặt vào cổng điều khiển một xung âm đủ lớn (sau

đó duy trì trị số nhỏ) mặc dù điện áp đặt lên 2 cực cùng chiều (hình 2.8) Khác với

thyristor thường, phải đợi đến khi điện áp ngược chiều mạch mới bị ngắt.

Hình 2.9 a) Van điều khiển b) Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi nguồn áp một chiều – xoay chiều dùng van điều khiển

Các thyristor turn-off thường được sử dụng phối hợp với đi-ốt (hình 2.9a) tạothành một tổ hợp gọi là van điều khiển Trên hình 2.9b là sơ đồ nguyên lý bộ biến đổinguồn áp một chiều-xoay chiều dùng van điều khiển Khi thyristor turn-off mở, điện ápđiểm A cũng bằng điện áp Vd đặt sang mạch xoay chiều phía sau Phụ thuộc tươngquan nguồn 2 phía DC và AC dòng có thể xuất hiện theo 2 hướng Nếu dòng điện chạy

từ phía Vd sang A thì nó chạy qua thyristor turn-off, công suất truyền từ phía DC sang

AC (phản chỉnh lưu), ngược lại nếu từ A sang Vd thì nó chạy qua đi-ốt kể cả khithyristor turn-off đang mở, công suất truyền từ phía AC sang DC (chỉnh lưu)

2.2.2 Cấu tạo của SVC [5]

SVC bao gồm bộ điện cảm và tụ điện (reactor hoặc capacitor) đóng mở hoặcđiều khiển bằng thyristor SVC dùng các thyristor điều khiển không hoàn toàn thôngthường, nghĩa là có thể điều khiển mở bằng cực điều khiển nhưng khóa lại một cách tựnhiên khi dòng qua nó bằng không Điện kháng được đóng mở hoặc điều khiển bằngthyristor dùng để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng mở bằng thyristor đểcung cấp công suất phản kháng SVC được tạo nên bởi các 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): cóchức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): cóchức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Một hay nhiều bộ lọc LC được hiệu chỉnh cho các sóng hài bậc 3, 5, 7…

+ Hệ thống điều khiển các van

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 2.10

Hình 2.10 Cấu tạo chung của SVC 2.2.2.1 Kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor) [6]

a Nguyên lý hoạt động

Kháng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên lýhoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngược chiềunhau Nhờ có khả năng khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristorliên tục thông qua việc thay đổi góc mở  bằng thời điểm phát xung điều khiển vàocực G mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ công suất phản kháng rấtnhanh

0 0

Hình 2.11 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR

Như vậy ta thấy TCR thực chất là cuộn kháng được điều khiển bằng 2 thyristornối song ngược Góc mở thay đổi liên tục từ 00 đến 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tụcgiá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển Khi góc mở  thay đổi từ 900 đến 1800thì dòng điện hiệu dung qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ giá trị cực đại đến 0, TCRđược cấu tạo từ 4 phần tử chính:

- L: cuộn điện kháng chính

- LH: cuộn điện kháng hãm, có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor vàchống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện

- Thyristor: có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR

- Hệ thống điều khiển tín hiệu xung đến cực điều khiển của thyristor, hệ thốngnày là một khâu quan trọng để điều chỉnh liên tục giá trị XL hay thay đổi trị số côngsuất phản kháng phát ra hay tiêu thụ

b Đặc tính làm việc của TCR

TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ việc thayđổi góc cắt (góc mở)  bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào bộ vanthyristor Việc thay đổi góc cắt này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCRđược thể hiện trên hình sau:

t

t 0

0 I u

t 0

Hình 2.12 Ảnh hưởng của giá trị góc cắt  đến dòng điện của TCR

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Idđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ 900đến 1800 Tín hiệu này không phải là hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm chu kỳ vớitần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50 Hz) Giá trị của dòng điện chạy quaTCR là một hàm biến thiên có dạng:

ITCR = I0.I() Trong đó:

0 n

Kmin

UI

X

 là dòng điện chạy qua TCR khi  = 900;

XKmin là điện kháng của TCR khi khi  = 900 (thyristor dẫn hoàn toàn)

Khi đó:

n TCR

0u

t

Ic 0

0 u

C

t

Hình 2.14 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC

Tụ đóng mở bằng thyristor TSC được cấu tạo từ 3 phần chính sau:

- Tụ điện C là tụ điện chính trong mạch

- LH là cuộn kháng hãm có chức năng giới hạn dòng điện đi qua thyristor vàchống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện

- Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng mở phụ thuộc vào tín hiệu xungđiều khiển vào cực G của thyristor

Ta thấy TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng 2 thyristor song songnối ngược chiều nhau Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C.

2.2.2.3 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (Thyristor Switch Reactor) [6]

00

Udk

Iu

U

Thyristor

Hình 2.15 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR

Kháng đóng mở bằng thyristor TSR được cấu tạo từ 3 phần chính sau:

2.2.2.4 Hệ thống điều khiển các van trong SVC [6]

- Định dạng điện áp hệ thống có chức năng lấy tín hiệu điện áp từ lưới điện

- So sánh tín hiệu có chức năng, so sánh tín hiệu đặt (tín hiệu ngưỡng) và tínhiệu định dạng

- Điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển tín hiệu từ tượng tự ra tín hiệu

số và số ra tượng tự phù hợp với điều kiện tăng hay giảm góc mở  Thiết bị điềukhiển trung tâm sử dụng bộ vi điều khiển

- Đưa tín hiệu điều khiển góc mở  cho TCR, TSR, TSC có chức năngkhuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển đến các van của SVC

Hình 2.16 Hệ điều khiển các van của SVC 2.2.2.5 Các đặc tính của SVC

a Đặc tính điều chỉnh của SVC

Nguyên lý làm việc của SVC được đặc trưng bởi nguyên lý làm việc củaphần tử TCR Theo sơ đồ nguyên lý của TCR, TSC, TSR ta thấy khi thay đổi góccắt  dẫn đến việc thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC Do

SVC vẫn điều chỉnh liên tục trong quá trình điều khiển Các phần tử của SVC đượcnối vào mạng điện thông qua các van thyristor mà không dùng máy cắt Nhờ vậy màSVC có tốc độ điều chỉnh rất cao (< 40 ms), gần như không có thời gian quá độ.Đặc tính hoạt động của SVC được thể hiện trên hình 2.17.

hệ thống tăng thêm, SVC tự điều chỉnh đến điểm cân bằng A2 vẫn giữ nguyên được

điện áp Đến điểm A3, SVC phải điều chỉnh tối đa công suất mới giữ được cân bằng ởđiện áp Vref Sau giới hạn này nếu công suất hệ thống tiếp tục tăng điểm cân bằng đượcthiết lập ở điện áp cao hơn (trên đoạn đường chéo hoặc thẳng đứng)

Hình 2.18 Đặc tính làm việc của SVC

Có thể thấy rõ hơn quá trình này nếu thiết lập đặc tính làm việc của SVC theoquan hệ QSVC(U) (hình 2.19) Sau giới hạn điều chỉnh, công suất của SVC vẫn tăngnhưng chỉ do điện áp đặt vào nó tăng cao Thực tế khi QSVC = Qmax góc trễ α=90 o, ứngvới trạng thái thyristor dẫn hoàn toàn TCR giống như một cuộn cảm cố định

U

Uref

giới hạn ISVCQ=Bmax.U 2

Hình 2.19 Đặc tính làm việc của SVC theo quan hệ Q SVC (U)

Đặc tính làm việc vẽ trên các hình 2.18 và 2.19 tương ứng với SVC đơn giảnnhất chỉ có TCR Với sự phối hợp khác nhau các phần tử, có thể chế tạo được các SVCphạm vi điều chỉnh công suất tùy ý Nói riêng có thể có dấu công suất thay đổi từ âm(phát CSPK) sang dương (tiêu thụ CSPK) Trên hình 2.20 là đặc tính làm việc của SVC

có TCR nối song song với 1 tụ cố định FC đủ lớn, phạm vi điều chỉnh công suất có giátrị thay đổi từ âm qua dương

Hình 2.20 Đặc tính tổng dẫn (a) và đặc tính công suất (b) của SVC có tụ cố định FC

Thực tế, trong phạm vi điều chỉnh được công suất của SVC, điện áp U khônghoàn toàn giữ không đổi, có sai số điều chỉnh dao động trong phạm vi ΔU nào đó,U nào đó,đường đặc tính có độ dốc trong phạm vi từ Qmin đến Qmax (hình 2.21) Sai số này đôi khiđược cố ý tạo ra (với độ dốc khác nhau) do có ý nghĩa ứng dụng, đặc biệt cần có khi hệthống có nhiều SVC gần nhau Trong trường hợp này, khi điện áp nút thay đổi cácSVC có độ dốc nhỏ sẽ tham gia điều chỉnh công suất nhiều hơn để giữ điện áp nút(chung)

Như vậy chúng ta thấy rằng trong các phần tử cơ bản của SVC thì chỉ có TCR

có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới nên đây được coi là thành phầnchính và quan trọng của SVC Tùy theo đặc điểm lưới mà ta sử dụng kết hợp với TSChay TSR hoặc cả hai mà SVC có đặc tính điều chỉnh điện áp hay điều chỉnh công suấtphản kháng