Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù công suất phản kháng STATCOM

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một ho c nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay c

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây một số hiện tượng liên quan đến sự cố điện áp trên diện rộng đã xảy ra ở nhiều nước trên thế giới Theo các thông tin tập hợp và phân tích thì hầu hết các sự cố mất điện ở diện rộng xảy ra đều có nguyên nhân do mất ổn định điện áp hệ thống Điều này dẫn đến tình trạng thiệt hại về kinh tế rất lớn nếu không đáp ứng được nhu cầu điện Hiện tại, ở Việt Nam tình trạng này có thể xảy ra khi các phụ tải điện tăng nhanh cả về số lượng và công suất Đây là vấn đề lớn cần giải quyết đưa

ra những giải pháp hỗ trợ, tải nâng cao chất lượng lưới điện để đáp ứng tình hình thực

tế

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển hệ thống Nên các thiết bị bù dùng van bán dẫn Thyristor được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện trong đó có các thiết bị thường được dùng như thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyris-tor SVC, thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor như TCSC, UPFC Thiết bị bù đồng

bộ tĩnh STATCOM các thiết bị này cho phép chúng ta có thể bù linh hoạt trong hệ thống điện giúp ổn định hơn và nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống

Trên cơ sở đó, trong phạm vi luận văn, tác giả tiến hành nghiên cứu thiết bị bù tĩnh đồng bộ STATCOM (điều ch nh nhanh bằng thyristor TO ho c T)

2 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

Đến thời điểm hiện tại đã có nhiều đề tài, bài báo và tài liệu trong nước c ng như thế giới nghiên cứu về thiết bị bù STATCOM như một số công trình sau:

- Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền- Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học

Đà Nẵng – số 3(26).2008: “ Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu

cho lưới điện 500 kV Việt Nam”

- Abhijeet Barua (107EE015), Pradeep Kumar (107EE050) Study Of

Reactive Power Compensation Using STATCOM

John G.Kassakian, Martin F Schkecht, George C Verghese, Principles of

Pow-er Electronic, Addison-Wesley- United States of AmPow-erica, 1999

T.J.E.Miller & Charkes Concordia, Reactive Power Control in Electric System,

Addison- Wesley- United States of America, 1992

2 MỤC ĐÍCH, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

- Mục đích nghiên cứu của đề tài hướng tới là đề xuất giải pháp ổn định lưới bằng tự động điều khiển công suất phản kháng

- Đối tượng nghiên cứu là thiết bị bù STATCOM, tác giả tập trung nghiên cứu

về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị với lưới điện truyền tải

- Phạm vi nghiên cứu gồm: Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động

và đ c tính điều ch nh của thiết bị SVC Khảo sát hoạt động của thiết bị SVC bằng các phần mềm mô phỏng mạch điện

3 CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

Những luận điểm, vấn đề chính tác giả đã nghiên cứu trong phạm vi luận văn:

- Tổng quan về bù công suất và thiết bị điều khiển bù công suất trong hệ thống điện

- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị bù STATCOM

- Nghiên cứu về hệ thống điều khiển của STATCOM

- Ứng dụng phần mềm Matlab để mô phỏng, phân tích hoạt động của thiết bị

bù STATCOM

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên tác giả đã phối hợp các nhóm phương pháp:

- Nhóm phương pháp Nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tư liệu kỹ thuật để phân tích, tổng hợp những vấn đề có liên quan tới đề tài

- Nhóm phương pháp Mô phỏng: Để củng cố tính chính xác, đúng đắn của nội dung nghiên cứu

5 NHỮNG ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

Từ những nghiên cứu, phân tích và đánh giá ở trên, luận văn đã hoàn thành cơ bản các nhiệm vụ đ t ra cho mục đích nghiên cứu của đề tài:

- Tổng hợp, hệ thống hoá những cơ sở lý luận về bù công suất phản kháng

- Phân tích trạng thái làm việc của thiết bị, đ c điểm của thiết bị

- Mô phỏng các thông số hoạt động của thiết bị bằng phần mềm mô phỏng Matlab simulink từ đó đưa ra dữ liệu đánh giá chức năng, điều kiện hoạt động của thiết bị Với năng lực và thời gian nghiên cứu có hạn, tác giả mới ch nghiên cứu được việc bù công suất phản kháng tại 3 thanh cái trên các trạm biến áp miền bắc Việt Nam

Để có cái nhìn khái quát hơn về công tác bù công suất phản kháng linh hoạt , tác giả hy vọng sẽ có những nghiên cứu sâu, rộng hơn nhằm giúp việc cải thiện, nâng cao nhu cầu cung cấp điện cho hệ thống điện đạt hiệu quả hơn

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

1.1 Khái quát chung

Trong các hệ thống điện rất phức tạp và kết nối với nhau ngày nay, bao gồm

hàng ngàn tuyến và hàng trăm máy phát điện nhằm tạo ra một sản lượng điện lớn đáp ứng nhu cầu rất lớn về phụ tải điện Vấn đề cải thiện chất lượng cung cấp và truyền tải, sử dụng năng lượng điện trong khi vẫn duy trì độ tin cậy và ổn định lưới điện là vấn đề khá phức tạp

Do nhu cầu hiện tại, các trung tâm phụ tải ngày càng tăng, để đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng, các ứng dụng công nghệ truyền tải được áp dụng vào nhờ sự tiến

bộ của công nghệ điện tử bán dẫn Thay vì xây dựng đường dây truyền tải mới ta ch cần cải thiện và nâng cao chất lượng lưới điện M t khác, dòng điện trong một số các đường dây này đều nằm dưới giới hạn nhiệt của nó, trong khi một số dòng quá tải gây đến ảnh hưởng chung của suy giảm mức điện áp kéo theo chất lượng hệ thống giảm dẫn đến sự ổn định, độ tin cậy lưới điện c ng bị giảm theo Thực tế thì các hệ thống điện truyền thống hầu như rất ít được thiết kế để xử lý và kiểm soát các sự cố điện Một lý do khác nữa đó là là xu hướng của các hệ thống điện hiện đại sẽ phát triển theo những thay đổi trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay đang dẫn đến sự cạnh tranh về chất lượng c ng như sản lượng cung cấp điện ngày càng đòi hỏi cao hơn

Trong các nghiên cứu các thiết bị truyền tải điện linh hoạt FACTS là một lĩnh vực rộng thường gắn liền với đền bù công suất phản kháng và giúp ổn định hơn các vấn đề liên quan đến truyền tải điện trong thế giới ngày nay Trong luận văn này, tôi nghiên cứu hoạt động của thiết bị trong nhóm các thiết bị FACTS đó là thiết bị STATCOM, thiết bị mà có thể cải thiện mạng lưới điện hoạt động trong điều kiện bình thường và giảm thiểu các sự cố điện

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một ho c nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng

truyền tải công suất”[ ][ ]

Hiện nay, công nghệ truyền tải điện xoay chiều tới 500 kV đã được làm chủ với

25 năm kinh nghiệm, và về nguyên tắc, không còn rào cản kỹ thuật nào

Các nghiên cứu của STATCOM và nguyên tắc hoạt động và điều khiển nó : bao gồm kiểm soát góc pha , kiểm soát biên độ điện áp và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM được thực hiện

Hệ thống điện và truyền tải điện là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự làm việc và tham gia của nhiều thành phần trong hệ thống điện phải ghép nối sao cho sản lượng điện phát ra đạt tối đa nhất Một trong những thành phần chính chiếm phần quan trọng tạo nên trong hệ thống điện là công suất phản kháng trong hệ thống Nó là cần thiết để duy trì điện áp để cung cấp điện năng hoạt động thông qua các đường dây Tải như tải động cơ và tải trọng khác đòi hỏi công suất phản kháng cho hoạt động của chúng Để cải thiện hiệu suất của hệ thống điện xoay chiều, chúng ta cần phải quản lý công suất phản kháng này một cách hiệu quả và điều này được gọi là bù công suất phản kháng

Có hai khía cạnh về vấn đề đền bù công suất phản kháng: bù hỗ trợ tải và điện áp Việc

bù sẽ cải thiện hệ số công suất, cân bằng về năng lượng thực tế rút ra từ việc mong muốn điều ch nh điện áp tốt hơn cung cấp cho phụ tải dao động lớn Hỗ trợ điện áp bao gồm giảm dao động điện áp tại một thiết bị đầu cuối cho các đường dây truyền tải Hai loại bù này có thể được sử dụng là : bù dọc và bù ngang Những thay đổi các thông số của hệ thống để bù công suất phản kháng đáp ứng mong muốn chất lượng điện được nâng cao Do vậy trong những năm gần đây, thiết bị bù tĩnh như STATCOM

đã khá phát triển

Với hệ thống truyền tải điện xoay chiều gồm các thiết bị linh hoạt FACTS đã đáp ứng rất nhanh với hệ thống điện trong việc hấp thu ho c phát ra công suất phản kháng Điều này rõ ràng cho phép tăng sự chuyển giao năng lượng trong hệ thống thông qua một đường truyền, và sự ổn định tốt hơn bằng cách điều ch nh các thông số chi phối của hệ thống điện, tức là dòng điện, điện áp, góc pha, tần số và trở kháng

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật công nghệ điện tử đã tạo ra những linh kiện điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện nên các Thyristor được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực điều khiền trong hệ thống điện

Tuy nhiên, ý tưởng cải tiến sử dụng van bán dẫn GTO và IGBT vào các thiết bị điện đang thực hiện và được thay thế dần càng sớm càng tốt Các ứng dụng mới trong việc sử dụng cải thiện chất bán dẫn là có thể thực hiện được Do đó, mười đến hai mươi năm tiếp theo ta sẽ thấy các thiết kế và sử dụng hệ thống điện điện tử hướng tới 'silicon ch ' với 'không có trở kháng' bù công suất phản kháng và hệ thống điện điện tử điều khiển hoàn toàn như sẽ được trình bày sau đây

Các thiết bị bán dẫn khác nhau có thể được phân thành ba loại đối với cách mà chúng có thể là không điều khiển được, bán điều khiển điều khiển , ho c điều khiển hoàn toàn

- Các thiết bị bán dẫn không điều khiển được (Uncontrolled) : Các diode thuộc về thể loại này Việc đóng, cắt chúng được điều khiển bởi các mạch điện khác

- Các thiết bị bán dẫn bán điều khiển (Semi-controlled) : Các thyristor điều khiển SCR - silicon control rectifier (SCR) được điều khiển bởi một cực cổng để dẫn mở (thông ) Tuy nhiên, một khi nó được dẫn điện, thì tác dụng điều khiển ở những thiết bị

bị mất và các điều khiển kích mở sẽ cần thiết khi mạch điện bị tắt đi và bắt đầu hoạt động lại

- Các thiết bị bán dẫn có thể điều khiển hoàn toàn ( full-controlled) Trong các năm qua một số chất bán dẫn kiểm soát hoàn toàn đã được phát triển Thể loại này bao gồm các loại như TO, T…

1.2 Một số thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

1.2.1 Giới thiệu chung

Công suất phản kháng là sức mạnh của nguồn năng lượng cung cấp điện nó được lưu trữ trong các phần tử tham gia vào mạch điện Công suất điện, như chúng ta đã biết, bao gồm hai thành phần, công suất tác dụng và công suất phản kháng Tổng công suất tác dụng và công suất phản kháng gọi là công suất biểu kiến

Trong mạch điện xoay chiều AC, năng lượng được lưu trữ tạm thời trong các thiết

bị điện mang tính chất điện cảm ho c điện dung, trong quá trình tải hoạt động sẽ dẫn đến sự đảo chiều có chu kỳ của dòng chảy của năng lượng giữa nguồn và tải Công suất trung bình sau khi hoạt động trong toàn bộ một chu kỳ của dạng sóng AC là công suất tác dụng nó tiêu thụ năng lượng điện và chúng sử dụng năng lượng của hệ thống

để làm việc, trong khi các phần của dòng chảy năng lượng được lưu trữ tạm thời trong các thiết bị có tính chất điện cảm ho c điện dung thì chảy qua lại trong đường truyền

do các phần tử mạng điện cảm và điện dung được gọi là công suất phản kháng Đây là lượng công suất không sử dụng mà hệ thống lại rất cần để truyền tải điện năng

Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng ho c nhiệt năng trong các máy dùng điện (công suất hữu công) Công suất phản kháng Q không sinh công (công suất vô công) nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động được, hẳng hạn nó là công suất từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ, cuộn cảm (lò phản ứng) được biết để lưu trữ ho c hấp thụ công suất phản kháng, bởi vì chúng lưu trữ năng lượng dưới dạng của một từ trường Vì vậy, khi có nguồn điện đ t vào cuộn dây, một từ trường được tạo lên, và dòng điện đạt tới giá trị định mức sau một thời gian nhất định Điều này sẽ gây ra sự chậm pha giữa dòng điện và điện áp trong hệ thống Do đó trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường Một vấn đề khác là trong quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện, nhiệt điện…) thì có tổn hao trên đường dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách

xa nguồn bị suy giảm do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù CSPK CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng CSPK lớn ta đ t gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh CSPK như máy bù đồng bộ, tụ bù , SVC, STATCOM …, để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK

1.2.2 Một số thiết bị bù công suất trong truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

FACTS [ ]

1.2.2.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor SVC (STATIC VAR PENSATOR)

SVC là thiết bị bù ngang dùng để phát ra hay hấp thụ công suất phản kháng có thể điều ch nh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về m t công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor ho c triắc có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở có thể dùng các bộ vi điều khiển

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

- Kháng điều ch nh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều ch nh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

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

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo SVC

MB

A Lưới điện

- ộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể

mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đ c biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đ t SVC có thể cố định giá trị điện áp

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

- iới 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

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

1.2.2.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor TCSC (THYRISTOR TROLLED SERIES CAPACITOR)

CON-Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Nó được tổ hợp từ một hay nhiều 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 ch nh van thyistor

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor; các cửa đóng mở TO,

Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc tần số nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của hệ thống điện

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC như hình 1.2 Từ hình 1.2 ta thấy khi dùng thyristor điều khiển dòng điện chạy cuộn cảm L có thể xem như thay đổi giá trị L, khi

đó điện kháng tương đương của TCSC được tính như sau [2]:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC

C

td

I L C

Z

) 1 (

TCSC

dd X X

U U P





(1.14)Khi điều ch nh ZTCSC cho phép điều ch nh được công suất:

TCSC dd

gh

X X

U U P



 1 2

(1.15)

do đó độ ổn định động của hệ thống sẽ tăng lên

* Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- iảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- iảm 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

1.2.2.3 Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATIC SYNCHRONOUS TOR)

COMPENSA-STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều ch nh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở TO So với SVC, nó có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đ c biệt là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

Nguyên lý hoạt động của STATCOM được thể hiện như hình dưới đây

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của STATCOM

Từ hình 1.3 cho thấy công suất phản kháng đã trao đổi với mạng điện được bởi phương trình:

(1.3)

(1.4) Trong đó:

- V1: là điện áp tại nguồn

- V2: là điện áp tại nơi đ t thiết bị

- X: là điện kháng của đường dây

-  : là góc lệch giữa điện áp V1 và V2

ù đồng bộ tĩnh hay còn gọi STATCOM là một trong các thiết bị bù tiên tiến và hiện đại Nó được kết nối song song với lưới điện và có khả năng ứng biến với các nguồn điện có nhiều biến động Cấu hình cơ bản của STATCOM gồm bộ nguồn chuyển đổi VSC ( Voltage Soure Convert) trong đó gồm các mạch cầu ba pha được điều khiển bởi các van bán dẫn TO ho c T có chức năng chuyển đổi nguồn áp từ

AC sang DC và ngược lại ằng cách điều ch nh biên độ của điện áp ho c góc pha đầu

ra phía AC mà STATCOM có thể điều ch nh hấp thu hay phát ra công suất phản kháng cho lưới điện

Các tính năng của STATCOM c ng giống như của SVC nhưng khả năng điều

ch nh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đ t STATCOM có thể cố định giá trị điện áp

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

- iới 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

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

Thông thường để bù công suất, người ta đấu song song các cuộn kháng ho c tụ điện vào đường dây Công suất mà cuộn kháng nhận vào t lệ với điện kháng của nó

và t lệ với bình phương điện áp:

Q = U2/X ( 1.5) Trong đó:

- Q : Công suất phản kháng (VAR)

- U : Điện áp lưới (V)

- X : Điện kháng đường dây (Ω ) Các thiết bị bù cổ truyền là các tụ điện và kháng điện cố định, không có điều khiển Công suất mà thiết bị bù tiêu thụ hay phát ra phụ thuộc vào điện áp Thiết bị bù này không thích hợp lắm với những nơi có phụ tải biến động lớn Chẳng hạn như một

kháng điện đ t ở cuối đường dây có tác dụng giữ điện áp tại đây trong phạm vi cho phép ở chế độ không tải không tăng quá cao, thì trong chế độ n ng tải, nó lại làm điện

áp cuối đường dây sụt xuống SVC là bước phát triển của các thiết bị bù cổ truyền, bằng cách sử dụng một kháng điện mắc nối tiếp với một thyristor TCR Khi thay đổi góc mở của Thyristor, ta thay đổi đuợc điện kháng tương đương của cuộn kháng điện Như vậy, ta có thể điều khiển được điện kháng X trong các chế độ khác nhau sao cho phù hợp Khi kết hợp TCR với các tụ điện (mắc song song), người ta tạo ra được thiết

bị bù có thể làm việc như một tụ bù khi đầy tải, và làm việc như một kháng bù khi non tải Khả năng ổn định điện áp của SVC tốt hơn nhiều so với thiết bị bù cổ truyền Tuy nhiên, SVC vẫn dựa trên nền tảng các tụ điện và kháng điện, nên vẫn chịu ảnh hưởng của công thức ở trên: khi điện áp thay đổi thì công suất bù bị thay đổi STATCOM c ng là một thiết bị bù ngang nhưng không hề sử dụng một kháng hay tụ nào, mà sử dụng một hệ thống sơ đồ cầu 6 xung (pulse) ho c 12 xung điều khiển (pulse) và nối thêm với tụ điện lưu trữ nguồn một chiều ằng cách thay đổi góc mở của các Thyristor trong sơ đồ cầu này, người ta điều ch nh được công suất mà STATCOM tiêu thụ: dòng qua STATCOM có thể chậm pha ho c nhanh pha hơn áp đầu nguồn, nghĩa là STATCOM có thể làm việc như một tụ bù, c ng có thể như một kháng bù Ưu điểm của STATCOM so với SVC là khả năng điều ch nh của STAT-COM tốt hơn: Nó có thể đảm bảo một lượng công suất bù không đổi trong phạm vi rất rộng của điện áp đ t vào Cho nên STATCOM được biết đến như một thiết bị cải thiện chất lượng điện áp STATCOM được khẳng định trước hết là một thiết bị bù công suất, là bước tiếp theo của SVC trong hệ thống các thiết bị FACTS ứng dụng trong HTĐ Do khả năng làm việc linh hoạt, nên STATCOM còn được sử dụng như một thiết bị nâng cao chất lượng điện năng, loại bỏ các sóng hài bậc cao trong hệ thống Về m t này thì STATCOM hơn hẳn SVC - thiết bị gây nên thành phần hài bậc

ba khá lớn

Trong số các thiết bị FACTS đôi khi STATCOM còn được biết đến với một tên

khác là D - STATCOM (Distribution - static synchronous compensator - thiết bị

phân phối bù đồng bộ tĩnh ) D-STATCOM được áp dụng như điều khiển điện áp cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống phân phối đáng kể và các vấn đề về chất lượng điện năng như điều ch nh điện áp, cân bằng tải và dòng điện Nó làm việc như STAT-COM nhưng phạm vi điện áp thấp hơn

1.2.2.4 Thiết bị điều khiển dòng công suất UPFC (UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER)

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải, đ c biệt là trên các đường dây cao áp nối giữa các HTĐ nhỏ UPFC là 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 thay đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang STAT-COM Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi dùng TO Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở ( TO) và M A trung gian điện áp thấp (xem hình 1.4)

Thiết bị UPFC có cấu tạo gồm hai bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu áp mắc theo kiểu lưng tựa lưng nối với tụ DC để dự trữ công suất

Hình 1.4 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của UPFC; a) Sơ đồ nguyên lý;b) Đồ

thị véc tơ điện áp

Công suất tác dụng có thể trao đổi theo cả hai chiều tại điểm đấu nối vào HTĐ

xo-ay chiều của mỗi bộ chuyển đổi và mỗi bộ chuyển đổi còn có khả năng cung cấp ho c hấp thụ công suất phản kháng ộ nghịch lưu thứ hai (NL2) thực hiện nhiệm vụ chính của UPFC là đ t nối tiếp vào đường dây một điện áp UT có biên độ và góc pha điều

ch nh được Theo giản đồ véctơ hình 1.4 cho thấy UPFC có thể điều khiển được giá trị

B

U và góc lệch  giữa UA và UB , như vậy có thể điều khiển được dòng công suất truyền tải trên đường dây ộ nghịch lưu thứ nhất (NL1) hỗ trợ hoạt động cho bộ nghịch lưu thứ hai bằng cách thực hiện đưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng yêu cầu cho quá trình thiết lập điện áp nối tiếp trên đường dây của bộ nghịch lưu thứ hai

1.2.2.5 Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR - THYRISTOR CONTROLLED PHASE ANGLE REGULATOR)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều ch nh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền tải trên đường dây

Về m t cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều ch nh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây

Cấu tạo của TCPAR và đ c tính hoạt động của nó như sau: các tính năng của TCPAR c ng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều ch nh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao

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

- iảm 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 sự cố

a) b) Hình 1.5 Nguyên lý cấu tạo của TCPAR;a) Sơ đồ nguyên lý ; b) Đồ thị véc tơ điện áp

1 3 Lợi ích của việc bù công suất phản kháng

- iảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải trên đường dây Do đó giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do

hệ thống lớn nhờ khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát

- iảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tốn thất điện áp do CSPK gây ra

- iảm dự phòng chung của cả HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn điện – giảm một gánh n ng lớn trong việc phát triển HTĐ

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công

suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi Vì thế khi giữ nguyên đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức

là giảm được lượng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải được nâng cao

- Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát

có giá 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 nguồn điện kinh tế và giảm công suất đ nh chung của toàn HTĐ lớn

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

- iảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múi giờ

- iảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa chữa, 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 cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn

- Duy trì điện áp tại ho c gần một mức độ liên tục trong điều kiện biến đổi chậm do tải thay đổi

- Sửa chữa thay đổi điện áp gây ra bởi sự kiện bất ngờ (ví dụ như từ chối tải, máy phát điện và cắt điện) để giảm hiện tượng rung điện áp gây ra bởi tải trọng dao động nhanh chóng (ví dụ như lò hồ quang)

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 góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển

1.4 Các thế hệ bù công suất phản kháng

1.4.1.Thế hệ đầu tiên là các thiết bị bù đóng ngắt bằng cơ học

- Kháng bù ngang cố định

- Tụ bù ngang cố định

- Kháng bù ngang đóng ngắt bằng cơ học

- Tụ bù ngang đóng ngắt bằng cơ học

1.4.2 Thế hệ thứ hai là các thiết bị bù đóng ngắt dựa trên Thyristor

- Kháng điều khiển bằng thyristor

- Tụ đóng mở bằng thyristor

- Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor

- Tụ (kháng) bù dọc chuyển đổi bằng thyristor

- Tụ (kháng) bù dọc điều khiển bằng thyristor

- Điện trở hãm điều khiển bằng thyristor

- Máy biến áp chuyển pha điều khiển bằng thyristor

- Thiết bị bù chuyển đổi mạch đường dây

1.4.3 Thế hệ thứ ba là các thiết bị bù dựa trên bộ chuyển đổi

- Thiết bị bù đồng bộ tĩnh

- Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh

- Thiết bị điều khiển dòng công suất lưới điện [ ]

1.5 Nguyên tắc bù trong hệ thống điện [ ][ ]:

Hình 1.6 Tam giác công suất

Từ hình 1.6 ta thấy rất rõ việc bù và không bù công suất có sự khác biệt lớn

Hình vẽ 1.7 mô tả hệ thống truyền tải hai nguồn điện được kết nối bằng một đường dây truyền tải

Hình 1.7 Mô hình hệ thống truyền tải đơn giản

Hình 1.8 Giản đồ véc tơ

Hình 1.9 Đường công suất – góc pha

iả định rằng có tổn thất và được thể hiện bằng cảm kháng XL

Điện áp của hai thanh cái là và

Góc lệch pha giữa hai điện áp thanh cái là ( 1.4)

- V1: là biên độ điện áp tại thanh cái 1 , tương ứng có góc pha là

- V2: là biên độ điện áp tại thanh cái 2 , tương ứng có góc pha là

Từ giản đồ pha trình bày trong hình 1.8 ta có :

= | | (1.5)

Trong đó:

- I: iên độ dòng điện chạy trên lưới

- VL: Sụt áp trên đường dây

- XL: cảm kháng trên đường dây

Khi đó ta có thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện tại thanh cái B1 là: =

= (1.7)

Trong đó:

- Id1: Dòng điện tác dụng trên thanh cái 1

- Iq1: Dòng điện phản kháng trên thanh cái 1

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thanh cái 1 là:

= ( 1.8)

= ( 1.9 ) Trong đó:

- P1: Công suất tác dụng trên thanh cái 1

- Q1: Công suất phản kháng trên thanh cái 1

Tương tự, thành phần tác dụng và phản kháng tại thanh cái 2 là :

= = ( 1.11) Trong đó:

- Id2: Dòng điện tác dụng trên thanh cái 2

- Iq2: Dòng điện phản kháng trên thanh cái 2

Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại thanh cái 2 là:

= ( 1.12)

= ( 1.13) Trong đó:

- P2 : Công suất tác dụng trên thanh cái 2

- Q2: Công suất phản kháng trên thanh cái 2

Từ các phương trình trên ta thấy công suất tác dụng và công suất phản kháng

có thể điều ch nh được thông qua các góc pha, biên độ điện áp và tổng trở của hệ thống truyền tải Thông thường bù công trong hệ thống truyền tải có thể chia làm hai nhóm chính : ù dọc và bù ngang

1.5.1 Bù dọc

Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt ch tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện

áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… ù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng XL của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện iải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn ổn định động c ng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC) iả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:

* Ổn định điện áp:

+ iảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

+ Điểm sự cố điện áp được dịch chuyển xa hơn (hình 1.10 a)

* Ổn định về góc lệch :

+ Làm giảm góc lệch  trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ

ổn định tĩnh của hệ thống điện (hình 1.10 b)

+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây

+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

1. 2 sin 

L

X

U U

P  ( 1.14)

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

L gh

X

U U

 ( 1.15) + Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

' 1. 2 sin 

C

L X X

U U P

X X

U U P

- U1, U2 ; lần lượt là điện áp đầu đường dây và cuối đường dây truyền tải

-  ; là góc lệch giữa điện áp U1 và U2

- XL; là điện kháng đường dây, XC là dung kháng của tụ điện

* Giảm tổn thất công suất và điện năng:

+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây

Hình 1.10 Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp

+ Đ c trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

% 100

L

C C

X

X

K  ( 1.19) Thông thường, đối với các đường dây cao áp thì hệ số bù dọc KC là 40 - 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây

1.5 2 Bù ngang

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

có thể nối trực tiếp song song với đường dây ho c nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện

Dòng điện l của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện C của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị 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 vị trí đ t của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áp trong hệ thống điện 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 nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đ t kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

+ Trong chế độ non tải (PTải < PTN), ( PTN; công suất tự nhiên )thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị số cos cho phép của máy phát, ta phải đ t kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) nên ta phải đ t các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km

+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau:

Q C U dd2 .b o.l ( 1 20)

Trong đó:

Udd: Điện áp danh định của đường dây

l: chiều dài của đường dây

+ Đối với các đường dây cao áp có điện áp 330  750kV thì ta có thể sử dụng các quan hệ gần đúng như sau:

Xo.bo 1,15.10-6

o

o C

Z b

3 10 07 ,



Như vậy công suất phản kháng của đường dây cao áp 500kV phát ra là:

TN C

% 100

C L C

L L

Q

Q I

I

K   (1.21) Trong đó:

QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang

QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra

Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra

1.6 Lợi ích khi sử dụng thiết bị STATCOM

STATCOM có các chức năng ứng dụng sau đây trong điều khiển linh hoạt hệ thống điện:

- Phản ứng nhanh khi điều ch nh công suất có thể phát ra ho c hấp thụ công suất phản kháng

- Tăng khả năng truyền tải công suất

- iảm thiểu tổn thất đường dây

- Bù công suất phản kháng

- Ngăn ch n sự chập chờn của lưới điện

- Điều ch nh điện áp

- Cân bằng điện áp ba pha

- Lọc sóng hài bậc cao, cải thiện chất lượng tín hiệu điện áp

- Nâng cao ổn định quá độ

- Nâng cao sự ổn định trạng thái ổn định

- iảm dao động công suất

- Thiết bị STATCOM cải thiện quá trình khôi phục điện áp trên lưới điện từ trạng thái thăng giáng điện áp

Ưu điểm chính của STATCOM so với SVC truyền thống là khả năng phát ra dòng điện hoàn toàn điện dung ở điện áp cực thấp, điều mà SVC không thể làm nổi Một ưu thế khác giúp STATCOM có lợi thế trong cuộc cạnh tranh để được lựa chọn là kích thước gọn, tính năng sóng hài tốt, ít cần ho c không cần phải lọc, đáp ứng động tốt hơn, chế độ quá độ tốt hơn, phát ít nhiễu hơn, và từ trường c ng thấp hơn Nhằm tiết kiệm chi phí, người ta chọn bộ STATCOM động với thông số danh định thấp hơn

vì đó là thành phần đắt tiền kết hợp với ba bộ tụ điện cố định Các bộ chuyên đổi điện

áp sử dụng TO nhằm giảm thiểu sóng hài dư và tạo ra điện áp xoay chiều có dạng sóng chấp nhận được ngoài ra còn sử dụng việc ghép nối M A để giảm thiểu sóng hài Các bộ ch nh lưu đa xung kiểu truyền thống sử dụng máy biến áp có cuộn thứ cấp lệch pha để tạo ra các hệ thống 12 xung, 24 xung và đôi khi là 48 xung, nhờ đó triệt tiêu một cách hiệu quả các dòng sóng hài bậc thấp trong điều kiện hệ thống cân bằng Cách

bố trí tương ứng máy biến áp lệch pha này có thể được sử dụng để kết hợp các đầu ra của một số lượng lớn các bộ biến đổi điện nguồn điện áp đơn giản, nhỏ, nhằm tạo thành dạng sóng chấp nhận được khi hệ thống nguồn cân bằng Tất nhiên trong điều kiện không cân bằng ho c chạm đất, dạng sóng sẽ kém hơn nhiều

Ngoài những tính năng kể trên STATCOM còn có thể tham gia lắp đ t trong các nhà máy điện dùng sức gió nhằm ổn định điện áp lưới, điều ch nh hằng số công suất, giảm nhấp nháy điện áp

Nó còn được ứng dụng hạn chế sóng hài trong công nghệ luyện kim trong các

lò hồ quang, lò cao tần ho c các dây truyền sản xuất tự động

Rất nhiều các thiết bị điện như đèn huỳnh quang, máy tính, thang máy, thiết bị điện tử…có thể tạo sóng hài và làm méo tín hiệu điện, làm giảm chất lượng điện vì thể STATCOM có thể tham gia lắp đ t ở những tòa nhà thông minh nhằm tăng cường độ tin cậy hoạt động của các thiết bị

KẾT LUẬN CHƯƠNG I:

- Thiếu công suất phản kháng có tác hại lớn trong hệ thống điện gây ra nhiều tổn thất trong đường truyền Như vậy, để cải thiện chất lượng điện năng thì cần phải bù công suất phản kháng Đây c ng là xu hướng phát triển, hợp nhất giữa các khu vực trên thế giới là xu thế tất yếu trong lĩnh vực truyền tải điện thế giới Trong đó, vấn đề

bù công suất phản kháng và điều khiển có ý nghĩa quyết định trong việc giữ ổn định điện áp và nâng cao giới hạn truyền tải

- Đường dây truyền tải điện ở Việt Nam đ c biệt là đường dây truyền tải 500 kV rất dài, các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải, việc trao đổi các nguồn điện thương mại với các nước trong khu vực nằm trong lộ trình phát triển, do đó việc tìm hiểu, nghiên cứu các thiết bị bù công suất phản kháng là điều rất cần thiết đó là tiền đề cho những ứng dụng thiết bị bù để mang lại hiệu quả tốt hơn trong quá trình vận hành và quản lý lưới điện Đây c ng là một trong những phương pháp tăng ổn định chất lượng điện năng của HTĐ Việt Nam

CHƯƠNG II : NGHIÊN CỨU CHI TIẾT VỀ THIẾT BỊ STATCOM

2.1.Tổng quan về thiết bị STATCOM

Bộ bù công suất phản kháng trong hệ thống điện năng là rất quan trọng như được giải thích trong chương trước Trong chương này, chúng ta xem xét kỹ hơn phương pháp bù được thực hiện trong thực tế khi sử dụng các linh kiện bán dẫn và công nghệ liên quan

Static Synchronous Compensator là thiết bị được định nghĩa là một bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp hoạt động tạo ra điện áp nhiều pha, thiết bị này được dùng nhiều ở lưới điện xoay chiều để thực hiện có điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng thông qua việc điều khiển bù công suất phản kháng Trong hệ thống điện, thường thì STATCOM đã được định nghĩa với ba chức năng hoạt động; đầu tiên là tĩnh: dựa trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, thứ hai là : thiết bị đồng bộ tương tự một máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha là hình sin với tần số cơ bản, thứ ba là bù công suất phản kháng

Thiết bị STATCOM được sử dụng trong công nghệ truyền tải điện linh hoạt (FACTS)

và phân phối các hệ thống ứng dụng có khả năng bù công suất phản kháng và điều

ch nh điện áp tại các điểm kết nối

Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng bộ biến đổi tạo nguồn điện áp, để tạo ra điện áp đầu ra AC từ nguồn điện áp một chiều DC Điện áp xoay chiều AC của bộ biến đổi được đấu nối với hệ thống điện (được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc Từ nhiều năm nay, Thyiristo trong SVC có thể được sử dụng để đóng mạch nhưng không thể khóa mạch điện Đ c điểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế độ, ví dụ như các linh kiện điện tử như TO ho c IGTB có khả năng đóng c ng như khóa mạch điện `

Dạng sóng đầu ra đơn giản nhất từ bộ biến đổi nguồn điện áp là điện áp có dạng sóng vuông Tuy nhiên dạng sóng mong muốn lại là hình sin STATCOM thực hiện

được dạng sóng với chất lượng yêu cầu bằng cách tổng hợp dạng sóng hình sin theo một chuỗi các bậc, với việc sử dụng kỹ thuật nhân xung được áp dụng từ nhiều năm nay để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều của các bộ ch nh lưu và chuyển đổi điện Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài, nhờ đó điện áp tạo ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số ở cơ bản [ ]

STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều ch nh điện áp tại vị trí nó lắp đ t Nó điều

ch nh giá trị điện áp tham chiếu Vref thông qua việc điều ch nh biên độ và góc pha giữa điện áp rơi trên STATCOM và điện áp trên hệ thống điện

Chức năng của STATCOM tương tự như của một tụ bù đồng bộ nhưng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả Ngoài ra, STATCOM cung cấp bù công suất phản kháng để giải quyết một loạt những vấn đề để nâng cao chất lượng nguồn điện trong hệ thống như ổn định điện áp, tần số lưới điện công nghiệp mà vốn dĩ bản thân lưới điện luôn biến động và nhiều nguy cơ mất ổn định

2.2 Cấu tạo thiết bị STATCOM

* Cấu tạo cơ bản của STATCOM

Hình 2.1 Cấu tạo STATCOM

Cấu tạo cơ bản được thể hiện trong hình 2.1 Cấu hình cơ bản nhất của STATCOM gồm một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) hai cấp được nối về phía thứ cấp máy biến áp (M A) và bộ VSC này được nối với một thiết bị lưu trữ năng lượng DC

ộ VSC được ghép nối với hệ thống AC bằng máy biến áp ( M A) Ngoài ra còn có

hệ thống điều khiển các van bán dẫn nằm trong VSC Các thiết bị lưu trữ năng lượng

DC có thể là một pin, ho c ắc qui, ho c nó có thể là một tụ điện có điện áp đầu ra là không đổi

Cấu trúc STATCOM được thể hiện trong hình 2.1 Nếu độ lớn của VVSC là lớn hơn so với VBUS thì STATCOM cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống AC, và

nó hút một lượng công suất phản kháng từ hệ thống AC vào nếu độ lớn của VBUS là lớn hơn so với VVSC việc điều khiển này được tác động dưới sự biến đổi phù hợp của các góc pha giữa điện áp đầu ra STATCOM và hệ thống điện áp AC Do vậy các STATCOM có thể trao đổi điện năng rất linh hoạt với hệ thống AC

Ngoài những bộ phận rất cơ bản của STATCOM thì còn có các thiết bị khác nối với STATCOM như dao cách ly, máy cắt hàng loạt những kháng điện, mạch khởi động, điều khiển Các Mô đun liên kết và hệ thống bảo vệ, màn hình giám sát Toàn bộ hệ thống được chia thành các tủ điện riêng biệt từng chức năng riêng như tủ điều khiển, tủ biến tần, tủ bảo vệ như hình 2.2 [ ]

Hình 2.2 Hình ảnh các bộ bù tĩnh STATCOM

2.3 Nguyên lý hoạt động của STATCOM:

Việc điều ch nh bù công suất phản kháng được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến áp ộ biến đổi dã sử dụng các linh kiện điện tử công suất như

TO, T, ho c CT… để điều khiển biến đổi thành điện áp xoay chiều ba pha từ nguồn điện một chiều Nguồn điện một chiều này được lấy từ bộ lưu điện Ho c biến đổi ngược lại Và việc điều khiển sự trao đổi qua lại này có thể điều khiển bằng góc pha giữa điện áp của bộ chuyển đổi và điện áp tại điểm kết nối (hình 2.3)

Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của STATCOM

Với hình 2.4 là kết quả đáp ứng của STATCOM khi có sự thay đổi điện áp của nguồn điện tại điểm nút có sử dụng STATCOM điện áp thứ cấp Vasec (pu) (dạng sóng màu vàng) được tạo ra bởi bộ chuyển đổi VSC ( tương ứng điện áp V2 của hình 2.3) cao hơn điện áp sơ cấp Vaprim (pu) (dạng sóng màu tím) (tương ứng điện áp V1 của hình 2.3)

và cùng pha với điện áp chính (tại hình 2.4 a) Khi đó dòng điện sơ cấp aprim (màu xanh) ( tương ứng dòng điện q trong hình 2.3) đang ở trạng thái sớm pha hơn điện áp một góc

90 ° do đó STATCOM là tạo ra công suất phản kháng hay hoạt động ở chế độ điện dung Ngược lại, khi STATCOM đang hoạt động ở chế độ điện cảm (hình 2.4b), điện áp

thứ cấp Vasec ( màu vàng) là thấp hơn so với điện áp chính Vaprim ( màu tím) Dòng điện

sơ cấp lúc này chậm pha hơn so với điện áp một góc 90 ° ; do đó STATCOM được hấp thụ công suất phản kháng

Hình 2.4 Dạng sóng điện áp, dòng điện của STATCOM; a) STATCOM hoạt động ở

chế độ điện dung; b) STATCOM hoạt động ở chế độ điện cảm

* Kiểm soát bằng góc pha[ ].:

Trong trường hợp này, đại lượng điều khiển là góc pha Các ch số điều chế "m" được giữ ổn định và các thành phần điện áp cơ bản của STATCOM được điều khiển bằng cách thay đổi điện áp nguồn DC ằng cách nạp thêm nguồn điện một chiều trên tụ điện

DC làm điện áp DC sẽ được tăng lên, do đó làm tăng lượng công suất phản kháng được chuyển giao ho c công suất phản kháng được hấp thụ bởi STATCOM M t khác, bằng cách xả điện từ nguồn một chiều trên tụ điện DC sang phía AC, công suất phản kháng được chuyển sang hoạt động ở chế độ điện dung Hay công suất phản kháng sẽ được phát

ra bởi STATCOM trong một chế độ năng lượng điện cảm của hệ thống điện tăng lên Đối với cả hai hoạt động điện dung và điện cảm trong trạng thái ổn định, điện áp STATCOM chậm pha hơn so với điện áp đường dây AC ( > 0)

a) b)

Hình 2.5 Các chế độ hoạt động của STATCOM ; a)Chế độ điện dung; b) Chế độ điện cảm

ằng cách làm góc pha âm, năng lượng có thể được lấy ra từ nguồn điện một chiều

DC Nếu STATCOM có ít hơn năng lượng được lấy ra, khi đó công suất trở nên âm

và STATCOM bắt đầu cung cấp năng lượng hoạt động với nguồn Trong thời gian hoạt động ở trạng thái này, VDC giảm dần

iản đồ pha hình 2.5 minh họa dòng công suất giữa nguồn điện một chiều DC vận hành trao đổi năng lượng với nguồn AC ở chế độ điện dung và điện cảm

Đối với một hệ thống điều khiển góc pha, thời gian đáp ứng vòng l p hở được quyết định bởi giá trị tụ điện DC và điện cảm ở đầu vào bộ lọc Các điện cảm được sử dụng

để lọc ra các sóng hài âm và chuyển đổi bằng cách sử dụng các giá trị tự cảm cao hơn

để dòng điện hài trong STATCOM được giảm thiểu mức nhỏ nhất

iá trị công suất phản kháng tham chiếu (Qref) được so sánh với công suất phản kháng trong hệ thống đo lường (Qmeas) Sự chênh lệch công suất phản kháng đó sẽ được đưa vào bộ điều khiển và xác định góc pha của điện áp cơ bản STATCOM đối với điện áp nguồn

* Kiểm soát bằng biên độ điện áp[ ][ ]

Trong chế độ hoạt động ổn định, điện áp phát ra bởi STATCOM là V2 ( hình 2.8) cùng pha với V1 (φ = 0), do đó ch có công suất phản kháng truyền tải ằng cách điều khiển điện áp V2 tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp V1 của hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến công suất phản kháng chảy vào hệ thống để nâng điện áp lên, thời điểm này dòng điện q hoạt động như một tải điện dung Ngược lại, nếu điện áp V2 thấp hơn điện áp hệ thống V1, thì dòng điện và dòng công suất chạy

từ lưới điện vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện

Hình 2.6 Thể hiện sự trao đổi CSPK và CSTD giữa nguồn điện bộ bù

Nếu điện áp V2 của STATCOM bằng điện áp V1 của hệ thống thì không có sự trao đổi

công suất phản kháng Do vậy hệ thống ổn định hơn

(2.1)

Q = (2.2) Trong đó:

- và là điện áp điều ch nh và góc lệch pha

- và : là điện áp của VSC và góc lệch pha

- là điện kháng giữa lưới điện và bộ bù

- : là góc lệch pha giữa lưới điện và bộ bù

Trong chế độ hoạt động bù công suất phản kháng thì = 0, nên ta có:

Q = (2.3)

Từ công thức trên ta thấy được Q tỷ lệ với

- Nếu thì Q = 0 , VSC không hấp thu hay phát ra công suất phản kháng

- Nếu Thì Q ˃ 0 tồn tại thành phần điện áp tương ứng dòng cảm kháng chậm pha so với một góc lưới sẽ truyền công suất phản kháng vào

bộ bù Lúc này STATCOM hấp thu công suất phản kháng

- Nếu Thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp tương ứng dòng điện dung sớm pha so với một góc lưới sẽ nhận công suất phản kháng từ bộ

bù vào Lúc này STATCOM phát ra công suất phản kháng đưa lên lưới

Hình 2.8.Trạng thái hấp thu công suất phản kháng

Hình 2.9.Trạng thái phát ra công suất phản kháng

Từ những yếu tố trên ta thấy, muốn giữ góc lệch pha giữa lưới điện và thiết bị bù

là không đổi = 0, ta ch cần điều khiển biên độ điện áp đầu ra của bộ bù thì có thể điều khiển bù công suất phản kháng lên lưới một cách thích hợp

Từ những phân tích nêu trên có thể thấy rằng STATCOM có thể kiểm soát chủ yếu bởi một tham số duy nhất "góc pha giữa điện áp đầu ra VSC và hệ thống điện áp

AC Hơn nữa, việc chuyển đổi sẽ được giới hạn để công suất phản kháng trao đổi năng lượng, sau đó điện áp đầu ra AC được điều ch nh bởi sự điều khiển bởi biên độ của điện áp DC Do đó biên độ của điện áp đầu ra AC là tỷ lệ thuận với điện áp DC trên các tụ điện

2.4 Bộ chuyển đổi nguồn điện áp VSC[ ]

Chức năng chính của bộ VSC là biến đổi điện áp DC thành điện áp AC có chất lượng tốt như mong muốn Ngoài ra giá trị nguồn điện AC đó có thể được giữ cố định hay thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống Mục đích chung trong bộ biến đổi bán dẫn là giảm thiểu những tín hiệu tần số không mong muốn và tạo ra tín hiệu sin với tần số cơ bản

Một trong những linh kiện điện tử công suất quan trọng nhất của bộ VSC là linh kiện điện tử TO ho c transistor T Do công nghệ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển nên công suất chịu đựng, giới hạn làm việc của các van bán dẫn tăng nên đáng kể Có thể đáp ứng công suất truyền tải lớn lên tới hàng MW T ra đời ở thế

hệ sau là sự kết hợp của 2 loại Transistor bipolab và Mossfet nên được cải tiến tốt hơn

với nhiều tính năng vượt trội; tần số đóng cắt cao, công suất tiêu thụ nhỏ dẫn đến tổn hao trên các van bán dẫn bé Công suất làm việc lớn, chịu được dòng điện, điện áp đánh thủng cao

Trong bộ chuyển đổi DC – AC có sử dụng các van bán dẫn TO và T là các linh kiện điều khiển hoàn toàn chứ không phản bán điều khiển như SCR ho c không điều khiển như Điốt Thường các đầu vào DC là nguồn điện áp ( Thường là tụ điện có điện dung lớn mục đích lọc tín hiệu DC bằng phẳng) ho c nguồn dòng điện ( thường là cuộn cảm) nên nguyên tắc cơ bản thì bộ VSC có thể phân làm hai loại : ộ chuyển đổi nguồn dòng điện ho c nguồn điện áp Với nhiều ưu điểm sẵn có của các van bán dẫn

TO ho c T thì VSC hợp thành khối cơ bản được xây dựng bù công suất phản kháng có độ tin cậy khá cao và linh hoạt được sử dụng rộng rãi trên thế giới

Trong phần này chúng ta sẽ xem xét chi tiết mạch điện cầu 1 pha VSC Mạch điện của

nó được thể hiện trong hình 2.10 Nó bao gồm bốn công tắc chuyển mạch bán dẫn (S1,

S2, S3, S4) bốn công tắc này có thể là các van bán dẫn TO ho c T nó tùy thuộc vào thế hệ của VSC và tùy thuộc vào công nghệ điều khiển đóng mở các van.:

Hình vẽ 2.10 Nguyên lý hoạt động của mạch cầu 1 pha VSC

Ngoài ra mạch điện còn có bốn điốt (D1, D2, D3, D4) được mắc song song với từng chuyển mạch S và một nguồn điện áp một chiều DC với giá trị điện áp là Vdc,

đó có thể là một tụ điện iả sử ở thời điểm này ở đầu ra DC không cần phải để kết nối tải Điện áp đầu ra Vo sẽ xuất hiện ở hai điểm A và như trong hình 2.10

Nguyên tắc điều khiển các thiết bị chuyển mạch (S1, S4) và (S2, S3) sẽ được điều khiển theo từng c p một Điều này có nghĩa rằng chúng đóng và cắt mạch điện cùng một thời gian Khi công tắc S1 và S4 dẫn sẽ có dòng điện i0 đi từ nguồn DC chảy qua 2 công tắc này có chiều như trong hình vẽ 2.10 tạo ra nửa chu kỳ sóng vuông như hình 2.11

Sau đó điều khiển tiếp c p công tắc S2, S3 được đóng lại lúc này dòng điện có hướng chảy từ về A tạo ra nửa chu kỳ sóng vuông có góc pha ngược lại lệch 1800

(hình 2.11a)

Khi hai công tắc S1 và S4 dẫn điện, điện áp tại đầu ra trên hai điểm A, bằng điện áp nguồn DC = Vdc Tương tự như vậy, khi thiết bị chuyển mạch S2 và S3 được bật điện áp đầu ra A, bằng -Vdc Mạch hoạt động như vậy được minh họa trong hình 2.11a Trong trường hợp đầu tiên, khi io mang giá trị dương như thể hiện trong hình 2.10 dòng điện chảy qua công tắc chuyển mạch S1 và S4 và năng lượng được chuyển giao từ phía DC đến AC Khi dòng này đạt giá trị âm, m c dù các công tắc S1 và S4được bật lên, nhưng các điốt D1 và D4 có nhiệm vụ dẫn dòng điện và trả lại năng lượng trở lại nguồn điện DC từ phía AC Tương tự như vậy, với một nửa còn lại ở thời điểm này, khi các công tắc S2 và S3 được bật và dòng điện mang giá trị dương thì các điốt D2 và D3 dẫn dòng điện trong trường hợp này

Trong quá trình điều khiển đóng mở các công tắc chuyển mạch ho c các van bán dẫn phải tuân thủ qui tắc điều khiển theo từng c p, c p này đang đóng mạch điện thì c p kia phải làm việc ở trạng thái khóa ho c ngược lại nếu không sẽ tạo ra sự xung đột năng lượng sẽ phá hỏng mạch cầu

Hình 2.11 Dạng sóng thể hiện nguyên lý hoạt động trong mạch điện cầu 1pha VSC a) Dạng sóng vuông đầu ra v o = v AB ;b)Dạng sóng dòng điện i 0 ; c) Dạng sóng dòng điện đầu vào i d ; d) Phổ hài tín hiệu điện áp v o = v AB ; e) Phổ hài tín hiệu dòng điện i o ; f) Phổ hài tín hiệu dòng điện i d.

ộ chuyển đổi VSC ở đây hoạt động có hai chế độ khác nhau liên quan đến việc chuyển giao năng lượng từ DC sang bên AC Khi dòng chảy năng lượng chảy từ nguồn

DC sang phía nguồn AC, bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ nghịch lưu hay biến tần Các thiết bị chuyển mạch S1 và S2 thực hiện chức năng này Trong trường hợp đó, công suất âm, có nghĩa là năng lượng được trả lại cho nguồn DC từ phía AC, bộ chuyển đổi hoạt động như một bộ ch nh lưu Các diode D1 và D2 thực hiện chức năng này

Khả năng của bộ chuyển đổi để hoạt động trong tất cả bốn góc phần tư (Hình

2.11a) có nghĩa là không có giới hạn trong mối quan hệ pha giữa điện áp đầu ra AC và dòng điện AC đầu ra ộ chuyển đổi do đó có thể được sử dụng để trao đổi năng lượng công suất phản kháng Nếu tải hoàn toàn là điện trở và không có bộ lọc được gắn vào đầu ra các điốt không tham gia vào các hoạt động của bộ chuyển đổi và ch có công suất tác dụng được chuyển giao từ phía DC tới AC

Với những nguyên tắc cơ bản được trình bày ở phần trên, ta tiếp tục tìm hiểu thêm cấu trúc mạch cầu chuyển đổi 3 pha trong các bộ VSC cụ thể trong hình 2.12

Hình 2.12 Cấu trúc bộ VSC cầu ba pha

Mạch điện hình 2.12 bao gồm: 6 van T với 2 van đ t trên một pha Hơn nữa trên mỗi T được đ t một điốt mắc song song để thực hiện ch nh lưu ở mạch ngoài khi nguồn AC trả về phía DC Ngoài ra còn có hai tụ điện có điện dung như nhau đ t ở đầu

DC để làm nguồn cung cấp công suất phản kháng Trong hình 2.12 trên không thể hiện mạch điện điều khiển các van bán dẫn nhưng hệ thống đó rất quan trọng nó dùng để điều khiển sự đóng mở của các van bán dẫn nhằm tạo ra tín hiệu điện áp hình sin như mong muốn

Với khả năng điều khiển dòng công suất lớn nhưng tiêu hao năng lượng trên các mạch điện đó lại rất nhỏ Một tụ điện phía DC trên VSC được xem như một nguồn DC bằng phẳng Ở trạng thái xác lập điện áp V2 (điện áp đầu ra của VSC) phải đảo pha trễ hơn điện áp V1 để bù cho máy biến áp và tổn thất trên VSC và giữ cho tụ điện nạp