Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC ứng dụng trong ổn

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các thiết bị điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, nên các thiết b

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập tại lớp Cao học Kỹ thuật điện - Thiết bị điện khóa 2013-2015, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi đã được đào tạo và tích lũy nhiều kiến thức cho bản thân cũng như phục vụ công việc Đặc biệt là khoảng thời

gian thực hiện đề tài: ‘‘Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC ứng dụng trong ổn định hệ thống điện’’

Tôi xin bày tỏ lòng tri ân tới các thầy, cô Bộ môn Thiết bị điện – Điện tử - Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm luận văn

Đặc biệt tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS.Trần Văn Thịnh đã dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành

luận văn này

Mặc dù bản thân cũng đã cố gắng, song với kiến thức còn hạn chế và thời gian có hạn, luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy, cô, sự góp ý của bạn bè và đồng nghiệp nhằm

bổ sung hoàn thiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2015

Học viên

Hoàng Thị Mỹ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, những nội dung đƣợc trình bày trong luận văn do chính bản thân tôi thực hiện Các số liệu, kết quả tính toán là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2015

Tác giả luận văn

Hoàng Thị Mỹ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN……… 13

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ……… 13

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI SIÊU CAO ÁP ………… 15

1.3 PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY……… 17

1.4 CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ……… 19

1.4.1 CUỘN KHÁNG BÙ NGANG ……… 20

1.4.2 TỤ BÙ DỌC……… 20

1.4.3 TỤ BÙ TĨNH……… 21

1.4.4 MÁY BÙ ĐỒNG BỘ……… 21

1.5 MỘT SỐ THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG FACTS……… 22

1.5.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC ……… 22

1.5.2 THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN TCSC……… 24

1.5.3 THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN STATCOM ……….……… 26

1.5.4 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA BẰNG THYRISTOR TCPAR…… 28

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1……… 30

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN……… 31

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC……… 31

2.1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THYRISTOR……… 32

2.1.2 KHÁNG ĐIỀU CHỈNH BẰNG THYRISTOR - TCR ……… …… 34

2.1.3 TỤ ĐÓNG MỞ BẰNG THYRISTOR - TSC……… 41

2.1.4 KHÁNG ĐÓNG MỞ BẰNG THYRISTOR - TSR ……… 42

2.2 ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHỈNH CỦA SVC……… 44

2.3 ĐẶC TÍNH CÔNG SUẤT CỦA SVC TRONG SƠ ĐỒ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ……… ………

45 2.4 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ SVC……… 47

2.4.1 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR……… 47

2.4.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVC ……… 50

2.5 MÔ HÌNH HÓA PHẦN TỬ SVC ĐỐI VỚI CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ……… 59

2.5.1 ĐẶC ĐIỂM CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN……… 59

2.5.2 MÔ HÌNH HÓA PHẦN TỬ SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN………… 59

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2……… 64

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA SVC TRONG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK……… 65

3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SVC 65 3.1.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB SIMULINK……… 65

3.1.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THYRISTOR……… 70

3.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC PHẦN TỬ TCR VÀ TSC TRONG SVC……… 72

3.2.1 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG PHẦN TỬ TCR……… 72

3.2.2 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG PHẦN TỬ TSC……… 74

3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ SVC……… 75

3.4 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG KHỐI ĐIỀU KHIỂN SVC……… 77

3.4.1 KHỐI ĐO LƯỜNG ……… 78

3.4.2 KHỐI ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP ……… 78

3.4.3 KHỐI PHÂN PHỐI ……… 79

3.4.4 KHỐI PHÁT XUNG……….……… 80

3.5 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC TRÊN LƯỚI

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Đồ thị véc tơ U và I của đường dây khi có tụ bù dọc 17

Hình 1.2 Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp 18

Hình 1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC 23

Hình 1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC 25

Hình 1.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM 28

Hình 1.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCPAR 29

Hình 2.3 Điều khiển xoay chiều mạch thuần trở dùng thyristor 33

Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR 34

Hình 2.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR khi thay đổi góc mở α 36

Hình 2.6 Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR khi α0=90 0

và khi

Hình 2.7 Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt 40

Hình 2.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 42

Hình 2.9 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSR 43

Hình 2.11 Đặc tính điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng của SVC 46

Hình 2.12 Nguyên tắc điều khiển thắng đứng “arccos” 48

Hình 2.13 Sơ đồ khối của hệ điều khiển Thyristor 49

Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển các van SVC 50

Hình 2.15 Sơ đồ khối đo lường trong hệ thống điều khiển 51

Hình 2.16 Phương pháp tìm giá trị điện áp bằng đổi hệ quy chiếu 52

Hình 2.17 Phương pháp tìm giá trị điện áp bằng phân tích Fourier 53

Hình 2.18 Sơ đồ khối bộ lọc của khối đo điện áp 54

Hình 2.20 Mô hình số 1 hệ thống điều khiển theo IEEE 56

Hình 2.21 Mô hình số 2 hệ thống điều khiểntheo IEEE 57

Hình 3.6 Khối đo dòng điện và khối đo điên áp 68

Hình 3.8 Khối Thư viện conPower Electronics 69

Hình 3.9 Các khối trong thư viện của Simulink 69

Hình 3.10 Mô hình mạch điều khiển Thyristor 70

Hình 3.11 Đồ thị điện áp, dòng điện sau chỉnh lưu 71

Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện sử dụng SVC 75

Hình 3.15 Cấu trúc bên trong của tổ hợp TCR 75

Hình 3.16 Cấu trúc bên trong của một tổ hợp TSC 76

Hình 3.20 Cấu trúc bên trong của khối phân phối 79

Hình 3.21 Cấu trúc bên trong khối phát xung 80

Hình 3.22 Cấu trúc một khối phát xung nhỏ(khối AB) 81

Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện- chưa có SVC 86

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng khi điện áp nguồn thay đổi- chưa có SVC 87

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng đáp ứng động của SVC khi điện áp nguồn thayđổi

89

Hình 3.26.: Đáp ứng của nhóm van TCR AB 91

Hình 3.27 Đồ thị khảo sát hiện tượng phát xung mở lỗi trong các khối TSC 92

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, trong vận chuyển và sử dụng

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và khoa học kỹ thuật, Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu trước sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội Nguồn điện phải đáp ứng được những yêu cầu về công suất và chất lượng điện năng Vấn đề công suất phát ra phải được đưa đến và tận dụng một cách hiệu quả nhất, ít lãng phí về mặt kinh tế là một vấn đề quan trọng trong vận hành hệ thống điện Tổn hao công suất làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn điện và kinh tế, để giảm tổn hao ổn định hệ thống điện thì một trong những biện pháp khá hữu hiệu là bù công suất phản kháng cho hệ thống điện

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các thiết bị điện tử công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, nên các thiết bị bù dùng thyristor được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong toàn hệ thống điện Các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng

Vì vậy, việc nghiên cứu thiết bị bù dọc và bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thiristorhay triac (SVC) đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện là nhiệm vụ rất cần thiết Vì vậy, tác giả chọn đề tài

‘‘Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC ứng dụng trong ổn định hệ thống điện’’

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

Mục đích nghiên cứu: Trong khuôn khổ của Luận văn, tác giả sẽ đi vào tìm hiểu phương pháp bù công suất phản kháng trong hệ thống điện bằng thiết bị bù SVC, hướng tới đề xuất giải pháp ổn định lưới điện bằng phương pháp tự động bù

công suất phản kháng

Đối tượng nghiên cứu: thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensators) Phạm vi nghiên cứu gồm: Tìm hiểu lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc tính điều chỉnh của thiết bị SVC Khảo sát hoạt động của thiết bị SVC bằng các phần mềm mô phỏng mạch điện

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các tài liệu sách kỹ thuật và trên mạng internet về các vấn đề có liên quan tới đề tài

- Phương pháp Mô phỏng: Ứng dụng phần mềm Matkab- Simulink nhằm củng cố lý thuyết, tính chính xác, đúng đắn của đề tài

4 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 các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện

- Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các lợi ích khi sử dụng thiết bị bù SVC

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển SVC

- Ứng dụng phần mềm Matlab simulink để mô phỏng, phân tích và khảo sát

sự hoạt động của thiết bị bù SVC trong lưới truyền tải xoay chiều

5 CẤU TRÖC LUẬN VĂN

Chương 1: Tổng quan về các thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

1.1 Đặt vấn đề

1.2 Đặc điểm của đường dây truyền tải siêu cao áp

1.3 Phương pháp bù công suất phản kháng trên đường dây

1.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng

1.5 Một số thiết bị bù công suất phản kháng trong FACTS

Chương 2: Nguyên lý hoạt động của SVC và mô hình hệ thống điều khiển SVC trong hệ thống điện

2.1 Nguyên lý hoạt động của SVC

2.2 Đặc tính điều chỉnh của SVC

2.3 Đặc tính công suất của SVC trong sơ đồ điều chỉnh điện áp

2.4 Hệ thống điều khiển thiết bị bù SVC

2.5 Mô hình hóa phần tử SVC đối với chế độ xác lập của hệ thống điện Chương 3: Khảo sát hoạt động của SVC trong ổn định hệ thống điện bằng các phần mềm Matlab Simulink

3.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng hệ thống điều khiển SVC

3.2 Mô phỏng hoạt động của các phần tử TCR và TSC trong SVC

3.3 Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù SVC

3.4 Sơ đồ mô phỏng khối điều khiển SVC

3.5 Mô phỏng hoạt động của thiết bị bù SVC trên lưới truyền tải

Sau đây là nội dung luận văn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế nhu cầu năng lượng cũng ngày càng gia tăng, trong đó năng lượng điện năng đóng vai trò cực kì quan trọng Trong những năm gần đây, hệ thống điện nước ta đã có những bước phát triển mạnh về hệ thống các đường dây truyền tải cũng như các nguồn điện Ở nước ta đã hình thành

hệ thống điện (HTĐ) hợp nhất từ khi đường dây 500kV bắt đầu đưa vào vận hành năm 1994 Từ đó đến nay HTĐ Việt Nam liên tục phát triển cả về qui mô lẫn công nghệ, trong quá trình vận hành đã xuất hiện nhiều vấn đề cấp thiết cần được giải quyết Trong đó vấn đề truyền tải điện năng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc liên kết điện giữa các vùng miền, kết nối các nhà máy điện và các trung tâm phụ tải, cung cấp điện cho khắp mọi miền đất nước

Việc mở rộng quy mô, đồng thời hợp nhất các HTĐ nhỏ bằng các đường dây siêu cao áp vẫn đang tiếp tục được phát triểntại nhiều quốc gia, đây là một xu thế phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại, nhằm nâng cao độ tin cậy, độ linh hoạt trong vận hành, giảm chi phí vận hành và giảm giá thành điện năng, đáp ứng yêu cầu kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện Cụ thể:

+ 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

+ 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 đỉnh chung của toàn HTĐ lớn

+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn HTĐ do hệ thống lớn có khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát

+ Giảm 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

+ Giảm 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

Tuy vậy, việc mở rộng quy mô của hệ thống truyền tải điện cũng đặt ra các yêu cầu kỹ thuật cần phải giải quyết: đảm bảo ổn định hệ thống, vấn đề thông tin liên lạc, và đảm bảo chất lượng điện năng, trong đó chỉ tiêu quan trọng là chất lượng điện áp

Để đảm bảo sự vận hành bình thường của hệ thống điện, một trong những yêu cầu cơ bản là phải đạt được sự cân bằng giữa lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng phát ra với lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng thu

vào, kể cả tổn thất điện năng trong lưới

Yêu cầu về công suất tác dụng trong hệ thống điện, cung cấp cho các phụ tải

và bù lượng công suất tổn thất trong quá trình truyền tải, được đáp ứng bằng công suất tác dụng phát ra ở các nhà máy điện, mất cân bằng công suất tác dụng dẫn tới

sự thay đổi tần số của hệ thống Sự cân bằng công suất tác dụng mang tính chất toàn

hệ thống, nghĩa là yêu cầu công suất một phụ tải tại một địa điểm có thể được đáp ứng bằng cách tăng thêm ở máy phát điện tại một địa điểm khác Nói khác đi công suất tác dụng trong hệ thống điện có thể được điều khiển thống nhất

Nếu như cân bằng công suất tác dụng có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống thì sự cân bằng công suất phản kháng có liên hệ chặt chẽ với điện áp tại các nút của

hệ thống điện Tại nơi nào có sự dư thừa công suất phản kháng, điện áp tại nơi đó sẽ tăng lên, và ngược lại, khi thiếu công suất phản kháng, điện áp tại nơi đó sẽ bị sụt thấp Việc truyền tải công suất phản kháng nhằm đáp ứng nhu cầu sẽ làm tăng tổn thất trên đường dây Vì vậy, việc điều chỉnh nhằm đảm bảo sự cân bằng công suất phản kháng thường được giải quyết một cách cục bộ Đó là lý do tại sao ngoài các máy phát điện cần phải có các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suât phản kháng, đặt phân bố trong lưới điện, thường gọi là các thiết bị bù vô công hay thiết bị bù công suất phản kháng Công suất phản kháng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, mất cân bằng công suât phản kháng sẽ dẫn tới chất lượng điện áp không đảm bảo, làm tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định…

1.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI SIÊU CAO ÁP

Trước hết, ta xét xem dòng công suất phản kháng do bản thân đường dây sinh ra Khác với các đường dây cao áp, quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường ±10% V), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường

dây

+ Năng lượng điện trường trung bình trong một chu kỳ, tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là:

trong đó: - C: điện dung của đường dây (F); -

- Uf : điện áp pha củađường dây (V)

+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:

trong đó: - L: Điện cảm của đường dây (H);

- I: Dòng điện trên đường dây (A)

+ Công suất từ trường của đường dây ba pha có chiều dài l là:

2 2

Z

Khi tính toán các chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là khá lớn Đặc biệt, khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn, gây nên hiện tượng quá điện áp ở cuối đường dây Để hạn chế hiện tượng này, người ta thường dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:

+ Tăng số lượng dây phân pha, để giảm điện kháng và tổng trở sóng của đường dây, tăng khả năng tải của đường dây

+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang để giảm bớt cảm kháng và dung kháng của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây

+ Đặt các thiết bị bù tĩnh ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này

Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp

1.3 PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN ĐƯỜNG DÂY

Bù công suất phản kháng trên lưới hệ thống điện gắn liền với điều chỉnh điện

a, BÙ DỌC (Series compensation)là hệ thống các bộ tụ được đặt nối tiếp trên các

dây dẫn của đường dây truyền tải Bù dọc làm giảm tổng trở tương đương của đường dây, là nguyên nhân chính gây nên sụt áp trên đường dây truyền tải, đặc biệt trong chế độ nặng tải Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải sẽ giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải

I 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 đáng kể (tương ứng với vec tơ U’1 và ’

trên hình 1.1)

Hình 1.1 Đồ thị véc tơ U và I của đường dây khi có tụ bù dọc

Hình 1.2 Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp

Tụ bù dọc còn giúp làm tăng độ dự trữ ổn định tĩnh cho HTĐ, làm tăng khả năng truyền tải của đường dây

Công suất truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc được xác định theo biểu thức:

 sin 21 '

C

X

U U P

L

C C

b, BÙ NGANG (shunt compensation hay paralleel compensation) là việc đặt các

kháng điện đấu từ đường dây xuống đất, có tác dụng làm giảm sự tăng điện áp trên đường dây đặc biệt trong chế độ tải nhẹ, hoặc chế độ mất tải

Dòng điện IL của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC 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

Một tác dụng khác của kháng bù ngang là nó làm giảm dòng điện nạp của đường dây Khi đường dây ở chế độ không tải hoặc non tải, một vấn đề cần quan tâm là dòng điện điện dung do dung kháng của đường dây sinh ra Dòng điện này không được vượt quá dòng điện định mức của đường dây Đối với những đường dây siêu cao áp, đường dây dài, dòng điện dung này là tương đối lớn

Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số bù ngang KL:

% 100

% 100

C L C

L L

Q

Q I

I

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

Bằng cách sử dụng hiệu quả cả tụ bù dọc và kháng bù ngang ta có thể làm tăng lượng công suất truyền tải mà vẫn đảm bảo được các ràng buộc về điện áp Các

tụ bù dọc và kháng bù ngang cần được đặt phân bố trên từng đoạn của đường dây dài Tụ bù dọc phải có khả năng nối tắt, kháng bù ngang phải có khả năng cắt ra được khi cần

1.4 CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Trong thực tế, người ta đã thiết kế và chế tạo ra các thiết bị bù chuyên dụng khác nhau như các thiết bị bù ngang (cuộn kháng bù ngang, tụ điện bù dọc, máy

bù đồng bộ và các bộ bù bằng tụ điện tĩnh điện) nhằm giải quyết các vấn đề nêu ra

Tuy nhiên công suất phản kháng phát ra của đường dây (nguồn công suất phản kháng) rất có lợi nên trong tính toán thiết kế thường người ta bù không hoàn toàn (khoảng 70%) Phần còn lại có thể cân bằng với một phần công suất phản kháng tiêu thụ

Cuộn kháng bù ngang thường được chế tạo có trị số cố định, khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng cuộn kháng bù ngang đóng cắt được theo từng cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất để tiêu thụ bớt công suất phản kháng và điều chỉnh được Đa

số các cuộn kháng bù ngang được dùng cho các đường dây dài siêu cao áp trên không, dùng cho các đường cáp ngầm cao áp và siêu cao áp trong các khu vực thành phố lớn

1.4.2 TỤ BÙ DỌC

Khi tiến hành bù dọc cho đường dây bằng các tụ bù tĩnh, thì các thiết bị bù công suất phản kháng có tác dụng rất tốt đến khả năng truyền tải điện năng của đường dây Việc dùng tụ bù dọc nâng cao khả năng giữ ổn định của hệ thống do việc ta có thể làm thay đổi được góc truyền tải, dẫn tới khả năng dự trữ ổn định động rất cao Khi có sự thao tác nào đó trong lưới như: cắt ra hoặc đóng vào một phụ tải lớn thì trong lưới sẽ có một sự dao động công suất, nhưng nhờ có sự tác động của các thiết bị bù công suất phản kháng mà dao động công suất này nhanh chóng bị dập tắt

1.4.3 TỤ BÙ TĨNH

Tụ bù tĩnh là một hoặc một dãy tụ điện nối với nhau và nối song song với phụ tải với mục đích sản xuất ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành) Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra công suất phản kháng Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như:

hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cư và nông thôn, một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải

Tính ưu việt của tụ bù tĩnh là chi phí thấp đặc biệt không gây tổn thất phụ

và việc áp dụng rất linh hoạt, khuyết điểm chủ yếu của chúng là cung cấp ít công suất phản kháng khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phương với điện áp Tuy nhiên nếu dùng chúng kết hợp nguồn công suất phản kháng thì không có trở ngại gì tới việc dùng rộng rãi các tụ

bù ngang

1.4.4 MÁY BÙ ĐỒNG BỘ

Máy bù đồng bộ là một máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục công suất phản kháng Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong

hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp

Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích từ nhanh,

có bộ kích từ chỉnh lưu, có nhiều phương pháp khởi động khác nhau nhưng phương pháp hay dùng là khởi động đảo chiều

Có thể coi máy bù đồng bộ là thiết bị bù có thể điều chỉnh trơn duy nhất trước khi có kỹ thuật điều khiển công suất lớn bằng thyristor Ưu điểm của loại này

là phạm vi điều chỉnh rộng từ phát đến tiêu thụ công suất phản kháng, điều chỉnh

bằng cách thay đổi kích từ Nhược điểm của loại này là giá thành cao và gây tổn thất phụ, tốc độ điều chỉnh chậm

1.5 MỘT SỐ THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG FACTS

Các thiết bị bù trên thường không có hệ thống tự động điều chỉnh, hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm (máy bù đồng bộ), việc điều chỉnh công suất phản kháng của các thiết bị bù được thực hiện đơn giản: thay đổi từng nấc (điều chỉnh số lượng các bộ tụ, đóng cắt kháng điện…)

Trong những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển

tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất, các thiết bị điện tử công suất lớn đã tạo

ra các thiết bị bù có khả năng điều chỉnh nhanh bằng việc đóng mở Thyristor trong phạm vi rộng Đó là các thiết bị bù ngang có điều khiển SVC (Static Var Compensator), cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor), thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator)… cho phép điều chỉnh trơn với tốc độ nhanh luồng công suất phản kháng Các thiết bị điện tử công suất lớn còn giúp tạo ra trong hệ thống điện những thiết bị điều chỉnh nhanh công suất tác dụng và công suất phản kháng, mang đến khái niệm: FACTS (Flexible AC Transmission Systems) - hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động ổn định điện áp, tăng cường độ ổn định của hệ thống điện, cải thiện chất lượng điện năng [6,8]

1.5.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂNSVC

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 SVC được xây dựng với nhiều mô hình thiết kế khác nhau, tuy nhiên các sơ đồ điều khiển được sử dụng trong hầu hết các hệ thống là giống nhau SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm [8]:

+ Kháng điện điều chỉnh bằng thyristor TCR: có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

Hình 1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

a) Cấu tạo của SVC b) Nguyên lý hoạt động của SVC

MB

A Lưới điện

+ Kháng điện đóng mở bằng thyristor - TSR: có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

+ Bộ tụ điện đóng mở bằng thyristor - TSC: có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Ngoài ra các thiết bị bù ngang có điều khiển còn được thiết kế thêm bộ phận lọc sóng hài bậc cao

Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi có yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác Việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển có phản hồi (closed-loop) Việc điều chỉnh điện áp được tiến hành từ xa bằng hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đặt

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù SVC như trên hình 1.3

b)

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 vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm [6,8]:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC 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, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận 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

1.5.2 THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂNTCSC

Như đã nêu trong phần 1.1, các thiết bị bù dọc có điều khiển dùng để cải tạo thông số của đường dây dài Những đường dây dài, bị hạn chế khả năng tải theo điều kiện ổn định hoặc tổn thất điện áp sẽ được cải thiện đáng kể nhờ áp dụng tụ bù dọc

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 [6,8]:

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

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor; thyristor điều khiển cực khóa (GTO)

Hình 1.4 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC a)Cấu tạo của TCSC

b) Nguyên lý hoạt động của TCSC

Vùng không hoạt động

Cảm kháng

Dung kháng

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của TCSC như hình 1.4

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 [4]:

C

td

I L C

Z

)

1 (

 sin 2



Khi điều chỉnh ZTCSC cho phép điều chỉnh được công suất:

TCSC dd

gh

X X

U U P



(1.15)

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

Chức năng của TSCS 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 đường 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

Cũng giống như SVC, các tụ bù dọc có điều khiển bằng TCSC có tốc độ điều chỉnh rất nhanh, điều chỉnh trơn TCSC còn có tác dụng làm cân bằng phụ tải, đối xứng hóa hệ thống do TCR có thể được điều chỉnh độc lập trên từng pha

1.5.3 THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN STATCOM [8]

STATCOM (Static Synchronous Compensator)sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSI- Voltage Source Inverter), nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều

để bù công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng cho hệ thống, nó điều khiển điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref thông qua việc điều chỉnh điện

áp và góc pha từ STATCOM)

Bằng cách khống chế điện áp của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp hệ thống thì dòng đuện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế được quá điện áp trên lưới điện

Khác với SVC, sử dụng thyistor để điều khiển điện kháng nối với các nút đặt

bù, STATCOM có thể được coi như một nguồn điện, cung cấp dòng điện phản kháng cho lưới trong một dải rất rộng mà không phụ thuộc vài điện áp đặt Đặc điểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế độ, ví dụ như các thyristor điều khiển cực khóa (GTO) hoặc transistor lưỡng cực có cách điện(IGBT)

có khả năng điều khiển dẫn dòng cũng như cắt mạch Dạng sóng đầu ra đơn giản nhất từ bộ biến đổi điện nguồn điện áp là điện áp có dạng sóng vuông Tuy nhiên, dạng sóng mong muốn và tối ưu nhất phải là dạng 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 chỉnh lưu và biến đổi điện Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài và nhờ đó điện áp tạo

ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số cơ bản Chức năng của STATCOM thì tương tự như một tụ bù đồng bộ nhưng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh và hiệu quả 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 năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm [6,7,8]:

- Phản ứng nhanh khi điều chỉnh điện có thể phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng

- Điều chỉnh điện áp tại nút có đặt STATCOM

- 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

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

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện, tăng khả năng truyền tải công suất

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cốnhư: ngắn mạch, mất tải đột ngột…

a) b) Hình 1.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM

a) Cấu tạo của SVC b) Nguyên lý hoạt động của SVC

MBA liên kết

L C

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của STATCOM như hình 1.5

1.5.4 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA BẰNG THYRISTOR TCPAR

TCPAR (Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)là một thiết bị mới ứng dụng thyristor dùng để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây

Về mặt cấu tạo, nó giống như một máy biến áp ba cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp pha Uf truyền tải trên đường dây

a) b) Hình 1.6.Cấu tạovà nguyên lý hoạt động của TCPAR a) Cấu tạo của TCPAR

b) Nguyên lý hoạt động của TCPAR

b) b)

U

U’ U

α

MBA

kích thích

MBA nối tiếp

Cấu tạo và đặc tính hoạt động của TCPAR như hình 1.6

Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao [6,8]

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 sự cố

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Công suất phản kháng đóng vai trò hết sức quan trọng trong hệ thống điện, mất cân bằng công suất phản kháng sẽ dẫn tới chất lượng điện áp không đảm bảo, làm tăng tổn thất trên đường dây truyền tải, hệ thống điện mất ổn định…vì vậy để

cải thiện chất lượng điện năng thì cần phải bù công suất phản kháng

Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang Việc lắp đặt các thiết bị bù dọc và bù ngang điều khiển nhờ thyristor trên đường dây truyền tải điện xoay chiều nhằm nâng cao

độ ổn định và khả năng truyền tải điện năng là xu hướng rất được quan tâm trên thế giới hiện nay

Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh: điện áp, công suất, ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây và tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị bù hợp lý sao cho đáp ứng yêu cầu đặt ra

Từ các vấn đề đã nêu trên ta thấy hiện naycông nghệ truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS không những có thể giúp điều khiển luồng công suất trong

hệ thống, nâng cao chất lượng điện áp, mà còn có ảnh hưởng đáng kể đến việc cải thiện độ ổn định của hệ thống điện Một trong các thiết bị đóng vai trò rất quan trọng trong FACTS là hệ thống bù công suất phản kháng dùng thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC nhằm ổn định hệ thống điện Như vậy, việc nghiên cứu thiết bị này

là rất cần thiết, chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu thiết bị này trong chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển SVC đầu tiên được cho ra đời vào khoảng giữa thập kỷ70 của thế kỉ trước, sự xuất hiện của SVC đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc phát triển Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS, nền tảng cho sự ra đời của các thiết bị về sau như STATCOM, TCSC, TCPAR SVC đã được sử dụng từ hàng chục năm nay, nó đã khẳng định được các ưu điểm của mình trong việc vận hành an toàn lưới điện và mang lại những lợi ích kinh tế to lớn cho

hệ thống

Trước đây, các thiết bị bù công suất phản kháng thường không có tự động điều chỉnh hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm, nhảy bậc Ngày nay với sự ra đời của các thiết bị Thyristor công suất lớn và cùng với nó là các thiết bị FACTS, trong

đó có SVC, đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên Do tính ưu việt của SVC như là: khả năng điều khiển nhanh, điều chỉnh liên tục, biên độ thay đổi khá lớn, mang lại hiệu quả rất cao trong vận hành hệ thống điện nên nó đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để cải thiện chế độ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thông số chế độ đường dây và nâng cao ổn định của hệ thống điện

SVC được lắp đặt trong hệ thống điện có tác dụng tăng tính linh hoạt của hệ thống trên nhiều khía cạnh như: tăng khả năng ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền tải công suất, điều chỉnh điện áp tại vị trí SVC mắc vào lưới, giảm tức thời quá điện áp, hạn chế khả năng cộng hưởng tần số và giảm dao động công suất…

2.1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC [6,7,8]

Trong trường hợp chung, một thiết bị SVC bao gồm các phần tử như TCR, TSC, TSR, MSR, bộ lọc sóng hài (hình 2.1)…

Trong đó, các phần tử TCR, TSC là những phần tử quan trọng nhất, đặc trưng cho cấu tạo và hoạt động của thiết bị bù SVC TSR và TSC thực chất là các

bộ kháng và tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor, đáng chú ý hơn cả là TCR là thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn (từ 0 đến giá trị cực đại) Khi tổ hợp

Hình 2.1.Cấu tạo của SVC

MB

A Lưới điện

các phần tử nói trên, nói chung có thể tạo ra thiết bị bù ngang thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi giới hạn bất kỳ [7,8]

2.1.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA THYRISTOR [3]

Thyristor là một thiết bị điện tử dùng để chỉnh lưu dòng điện được dùng phổ biến trong điện tử công nghiệp Về nguyên lý, cấu tạo của một thyristor được ghép

từ các transistor NPN và PNP

Thyristor hoạt động tương tự như một diode, tuy nhiên ngoài điều kiện về điện áp thuận chiều, thyristor còn yêu cầu cần có một xung điện áp điều khiển tác động vào cực điều khiển của thyristor

Nguyên tắc điều khiển thyristor trong thực tế thường dùng hai nguyên tắc: nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng “arccos” để thực hiện điều chỉnh vị trí đặt xung kích mở trong những chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor

A K

Id Xung điều khiển

Hình 2.2 Nguyên lý cấu tạo của thyristor

Hình 2.3 Điều khiển xoay chiều mạch thuần trở dùng thyristor

a) Sơ đồ b) Đường cong điện áp, xung điều khiển và dòng điện

Nếu ghép 2 thyristor song song và ngƣợc chiều nhau, ta có thể khống chế đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor một cách liên tục nhờ việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát xung điều khiển vào cực G (firing pulse)

2.1.2 KHÁNG ĐIỀU CHỈNH BẰNG THYRISTOR - TCR

* Sơ đồ nguyên lý hoạt động

TCR: là cuộn kháng có điều khiển đƣợc cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động

và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngƣợc chiều nhau Nhờ

có khả năng khống chế đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liên tục thông qua việc thay đổi góc mở  bằng thời điểm phát xung điều khiển vào cực G

mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh Qua đó, ta thấy TCR thực chất là cuộn kháng đƣợc điều khiển bằng 2 thyristor nối ngƣợc chiều nhau Góc mở thay đổi liên tục từ 900

đến 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tục giá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển Khi góc mở  thay đổi từ (900-1800) thì dòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ cực đại đến 0 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của TCR đƣợc thể hiện trên hình 2.4

t

I T1 , I T2

t

t

Cấu tạo của TCR gồm các phần tử nhƣ sau:

Ƣu điểm của TCR khi tham gia vào các thiết bị bù dọc và bù ngang trong hệ thống điện là:

- Điều chỉnh liên tục giátrị dòng điện I nên giá trị XL hay trị số công suất phản kháng phát ra hay tiêu thụ của các thiết bị bù trong hệ thống điện cũng đƣợc điều chỉnh liên tục.Đây là đặc điểm rất quan trọng của TCR mà khi kết hợp với các thiết

bị khác nhƣ TCR, TSC (điều chỉnh nhảy cấp) thì các thiết bị này vẫn điều khiển đƣợc giá trị liên tục

- Có khả năng cân bằng phụ tải, do TCR cho phép điều khiển độc lập trên từng pha

- Có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh, hầu nhƣ không

có giai đoạn quá độ nhờ bộ thyristor

* Đặc tính làm việc của TCR

TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ việc thay đổigóc mở bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào bộ thyristor Việc thay đổi góc mở này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCR đƣợc thể hiện trên hình 2.5

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Idđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ

900 đến 1800 Tin hiệu này không phải là tín hiệu hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50Hz)

TCR I

t

t U



1

>

Hình 2.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR khi thay đổi góc mở α

Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc cắt  đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

ITCR = I0.I() (2.1) trong đó:

-

min 0

K

dm

X

U

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

- XKmin là điện kháng của TCR khi  = 900 (thyristor dẫn hoàn toàn) Gọi góc cắt 0 xác định tại thời điểm t0 xuất hiện tín hiệu điều khiển xung vào cực điều khiển của thyristor, ta có: 0 2 .t0

T



Sóng của dạng tín hiệu dòng điện đƣợc thể hiện nhƣ hình 2.6

Từ dạng tín hiệu của dòng điện chạy qua TCR, ta xây dựng hàm I() nhƣ sau:

α 0 =900

IU

I t

I

).

cos cos ( 0

).

cos (cos

0

0 0

0 0

1

0

sin cos

T

k

 2 cos

T

k

 2 sin

T

k

 2 sin

T

k

 2 cos

Vì hàm I() là hàm số chẵn vì đồ thị của chúng đối xứng qua trục tung nên theo tính chất của khai triển Fuorier ta có:

 t dt I

cos sin

2

0 0

0

cos cos cos

cos cos cos

2 cos 2

sin 4

1 2

1 sin

cos 2

sin 4

1 2

1 2

0 0

t t

cos 2

sin 4

1 2

2

0 0

0 0

0 0

cos cos cos

cos cos cos

2 cos 2

0 cos cos cos cos cos cos

cos cos

0 0

0

sin

1 cos 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2

sin

1 cos 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2

1 2

0 kt k t

k k

t k k

1 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2

sin

cos sin

cos 2 sin

1 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2

0 cos sin cos sin 1

sin 1 2

1 1

sin 1 2 1

1 1

sin 1 2 1

sin 1

1

90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8

1 I(pu)

900 đến 1800 Đây cũng là quan hệ của biên độ thành phần cơ bản của dòng điện

chạy qua TCR theo góc cắt 0

Đặc tính điều chỉnh dòng điện theo góc cắt được thể hiện như hình 2.7

Bên cạnh thành phần cơ bản (k = 1), tín hiệu của dòng điện I chạy trong TCR

bao gồm cả các thành phần bậc cao (sóng hài) như 3, 5, 7…

Trên thực tế, các sóng hài bậc cao có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ

thống điện và chúng được loại bỏ nhờ các thiết bị lọc Filter mắc song song với thiết

bị bù Khi đó dòng điện trên hệ thống chỉ còn thành phần cơ bản

   

min 1

K

dm m

X

U I

Hình 2.7 Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt