PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐƯỜNG DÂY DÀI SIÊU CAO ÁP

phân tích chế độ làm việc đờng dây dài siêu cao áp Đ3.1 Tổng quát chung đờng dây dài siêu cao áp Hệ thống tảI điện 3.1.1 Khái quát chung Trên giới sử dụng đờng dây tải điện với cấp điện áp siêu cao xoay chiÒu : 220, 330, 380, 400, 500, 750 1150 kV, gọi tắt đờng dây siêu cao áp (DSCA) Các DSCA có khả tải công suất lớn xa Công suất độ dài tải điện lớn điện áp sử dụng cao, giá thành tải điện thấp độ che phủ mặt đất nhỏ hơn, mang lại hiệu kinh tế lớn Đối với đờng dây tải điện có chiều dài nhỏ 250 km điện áp không cao ( dới 220 kV) sơ đồ thay dùng tính toán sử dụng tham sè tËp trung vµ bá qua tÝnh chÊt sãng trình truyền tải lợng Đối với đờng dây tải điện dài hơn, điện áp cao tính toán ta phải xét đến tính chất sóng trình truyền tải lợng đờng dây nên sơ đồ thay thông số trở, kháng, dung dẫn ngang phải xét rải phân bố dọc theo đờng dây, đợc gọi phơng pháp thông số rải Trong tính toán gần sử dụng sơ đồ thay với tham số tập trung đờng dây dài đợc chặt nhỏ đoạn ngắn ( khoảng chừng 100-200 km), mà đoạn ngăng đợc thay tham số tập trung, gọi phơng pháp sơ đồ thay tập trung Mức độ chặt ngắn tuỳ thuộc vào mức độ yêu cầu sai số Một số đặc điểm DSCA nh sau: Dùng dây dẫn phân pha Đờng 220 kV pha có hai sợi, 500 kV có hay sợi Có hai lý để áp dụng đờng dây phân pha : - Dòng điện DSCA rÊt lín ( 500 kV cã dßng chõng 1000A tÝnh theo công suất tự nhiên 900MW, 220 kV 300A, 120MW) Điều dẫn đến thiết diện dây dẫn lớn, thi công lắp đặt khó khăn Dùng dây phân pha khắc phục đợc nhợc điểm ; - DSCA tạo điện trờng với cờng độ cao, dẫn đến tổn thất vầng quang lớn, gây nhiễu vô tuyến cao Với dây dẫn phân pha ta có bán kính đẳng trị [1] : 102 R td  n n.r.R npp (3.1) ®ã : r - bán kính sợi; Rpp- bán kính vòng tròng qua đỉnh khung định vị; n - số dây pha Bán kính đẳng trị lớn nhiều bán kính dây, làm cho cờng độ điện trờng mặt dây dẫn giảm thấp Bán kính làm giảm thấp điện kháng đơn vị tăng điện dung đơn vị dây Khoảng cách cách điện chiều dài chuỗi sứ lớn ảnh hởng đến môi trờng xung quanh DSCA chiếm nhiều đất đai để xây dựng trạm móng cột, tiếng ồn hồ quang, nhiễu vô tuyến, ảnh hởng đến cảnh quan ảnh hởng cờng độ điện trờng đến khoảng không dới đờng dây mặt đất, ảnh hởng không tốt đến sức khoẻ ngời gia súc Độ tin cậy Đối với DSCA đòi hỏi độ tin cao, cố đờng dây ảnh hởng lớn cho phụ tải Để đảm bảo độ tin cậy cao phải tăng cờng cách điện đờng dây, tăng sức chịu lực cột móng, tăng số mạch song song Đặc điểm quan trọng kỹ thuật DSCA : Tổn thất điện vầng quan điện cao Để giảm tổn thất giải pháp dùng dây dẫn phân pha hiệu Sự sản công suất phản kháng lớn Đờng dây phân pha nh giới thiệu làm tăng đáng kể điện dung ngang, kéo theo công suất phản kháng dó chúng sinh ra, gây vấn đề kỹ thuật cần giải chế độ non tải không tải : - Sự tăng cao điện áp cuối đờng dây vợt khả chịu đựng thiết bị phân phối ( đờng dây 220 kV điện áp không đợc cao 252 kV; đờng dây 500 kV 525 kV); - Nguy tự kích tự dao động tăng dần lớn Trong chế độ max, tổn thất điện áp lớn, gây sụt áp cuối đởng dây mạnh, ảnh hởng lớn đến chất lợng điện áp 3.1.2 Hệ thống tải điện 103 Một DSCA hiển nhiên phải có máy biến áp (MBA) tăng áp đầu nguồn MBA hạ áp cuối đờng dây để cấp điện cho phụ tải Không có để đảm bảo chất lợng điện áp chế độ mang tải khác (không tải, phụ tải min, phụ tải trung bình, phụ tải max) toàn tuyến DSCA có thiết bị bù : tụ bù dọc, tụ kháng bù ngang, thiết bị điều khiển Phân túch công dụng loại thiết bị đợc xem xét chơng sau Tập hợp nguồn, MBA , đoạn DSCA, thiết bị bù thiết bị ®iỊu khiĨn thµnh mét hƯ thèng gäi lµ hƯ thèng tải điện siêu cao áp Trên hình 3.1 giới thiệu hệ thống truyền tải điện siêu cao áp Hệ thống truyền tải bao gồm hai hệ thống điện (nguồn) đợc nối với DSCA Một hai hệ thống điện nguồn phát, hệ thống có d thừa công suất để tải công suất cho hệ thống kia; Hệ thống điện lại phụ tải, hệ thống thiếu công suất cần có hỗ trợ công suất Từ hai hệ thống điện tồn trạm biến áp tăng áp phía hệ thống nguồn trạm biến áp hạ áp phía hệ thống tải, mà hai phía cao trạm biến áp có điện áp định mức; Còn điện áp phía hai cuả chúng có điện áp định mức tuỳ thuộc vào điện áp hệ thống điện Hình 3.1 Hệ thống truyền tải điện siêuthống cao áp Trên hệ truyền tải điện siêu cao áp hình 3.1 tồn đoạn DSCA, thiết bị tụ bù dọc, thiết tụ bù ngang điện kháng bù ngang Các thiết bị bù điều chỉnh dung lợng bù tuỳ theo chế độ vận hành công suất hay nhiều nhằm đảm bảo chất lợng điện áp Vân đề đợc xem xét kỹ chơng sau Để nhìn nhận tốt hơn, trớc hết xét đờng dây dài nhất, đờng dây thiết bị bù không tính đến thiết bị phân phối hai đầu nh máy biến áp, tức xét đờng dây thuận tuý Đ3.2 hệ phơng trình mô tả chế độ làm việc đờng dây dài nhât 3.2.1 Hệ phơng trình tổng quát Ta giả thiết đờng dây tải điện xa đồng với thông số rải toàn đờng dây mang tải ba pha Các thông số sở đờng dây dài km bao gồm : - Điện trở đơn vị r0 [ /km], điện trở toàn đờng dây R=r0.l [ ] - Điện kháng đơn vị x0 [ /km], điện kháng toàn đờng dây X=x0.l [ ] 104 - Điện dẫn đơn vị g0 [1/ km], điện dẫn toàn đờng dây G=g0.l [1/ ] - Điện dẫn phản kháng đơn vị b 0= .C [1/ km], điện dẫn phản kháng toàn đờng dây B=b0.l [1/ ], C0 điện dung đơn vị [F/km], =2 f với f tân số dòng điện, Việt nam f=50 HZ - Tổng trở đơn vị đơng dây z r0 jx o , tổng trở đờng dây Z z l - Tổng dẫn đơn vị ®êng d©y y  g  jb0 , tổng dẫn đờng dây Y y l Giá trị tham số đơn vị DSCA có cấu trúc phân pha đợc xác định theo công thức sau : r0 Điện trở đơn vị r0 : r0 n (3.2a) đó: n- số dây pha; r0-điện trở đơn vị dây [ / km ] Điện kháng đơn vị x0 [1]  D   4,6 lg tb .10  ;[H / km] ; R td   2n - Điện cảm đơn vị : L (3.2b) : Dtb- khoảng cách trung bình pha; [mm] Rtd- bán kính tơng đơng, tính theo công thức (1.1a); [mm] - Điện kháng đơn vị : x .L 2f L (3.2c) ®ã f - tần số ( Việt nam f=50HZ) Dung dẫn đơn vị b0 [1] - Điện dung đơn vị : C0 0,024 10 ; [F / km] D tb lg R td (3.2d) - Dung dẫn đơn vị : b .C 2f C ; [1 / km] (3.2e) Ta xÐt mét phần tử nhỏ đờng dây có độ dài dx cách điểm cuối đờng dây, tức điểm tiếp nhận điện năng, độ dài x ( hình 3.2) Nếu điện áp pha dong điện cuối phần tử u i đầu phần tử điện áp dòng điện : u u dx; x i i dx x Tõ h×nh 3.2 thÊy rằng, có biến đổi điện áp nh có giáng áp điện trở ir0dx điện kháng L0dx i / t , biến 105 thiên dòng điện chạy qua điện dẫn tác dụng u.g 0dx dung dẫn C0dx u / t Theo dịnh luật Kirchoff II cho mạch vòng nh hình 3.2, ta viết : u u i dx  u  r0 idx  L0 dx x t Giản ớc phơng trình ta cã : u i r0i  L x t i u u dx x i dx x x0dx (3.3) i r0dx b0dx g0dx u dx Hình 3.2- Sơ đồ phần tử đ ờng dây Theo dịnh luật Kirchoff I cho điểm nút cuối phần từ ta có : i i u dx  i  u.g dx  C dx 0 x t Sau gi¶n íc ta cã : i u g u  C x t (3.4) BiĨu thøc (3.3) vµ (3.4) phơng trình vi phân xác định biến đổi điện áp dòng điện đờng dây tải điện xa 3.2.2 Hệ phơng trình mạch dòng hình sin Đối với mạch dòng hình sin điện áp biểu diễn U , dòng I đạo hàm đợc biĨu diƠn : dU  jU ; dt dI  jI dt (3.3) (3.4) : 106   dU r0 I  jL I  r0  jL  I z I  dx  dI   j C U   g  jC  U   y U  g U 0 0  dx (3.5) Lần lợt đạo hàm bậc áp dòng theo x, ta có : d2U dI  y z    2U  z U 0  dx dx   d I dU  I   y Iy z   dx dx (3.6) Trong biĨu thøc trªn :   y z   g  jC  r0  jL    j e j (3.7) đợc gọi hệ số truyền sóng Hệ phơng trình (3.6) viết chuyển đổi hết bên trái ta có : d2U    U   dx  d I 2  I 0    dx (3.8) Hệ phơng trình (3.8) hệ phơng trình vi phân đơng dây tải điện xoay chiều sin ba pha 3.2.3 Giải hệ phơng trình đờng dây dài tải điện xoay chiều sin pha Phơng trình (3.8) có nghiệm tổng quát cho điện ¸p ë ®iĨm x:  K  e  x  K  e   x U x (3.9) đó: x - khoảng cách tính từ cuối đờng dây; K , K - hệ số, đợc xác định theo điều kiện hai đầu đờng dây Lấy đạo hàm (3.9) theo x ta cã : dU x K 1e x  K e x dx Thay giá trị đạo hàm vào (3.5) thêm ký hiệu x để dòng điện x ta đợc : 107 dU  x   x I x   K 1e  K e  z dx z    g  jC  r0  jL0   K e r0  jL0 x   K e  x  g  jC  x   x  x   x K 1e  K e  K 1e  K e ; r0  jL0 Z S     VËy ta cã : I  K  e  x  K  e   x x  Z S   (3.10)   r0  jL  z  Z e j  Z  ®ã Z S S S g  jC y (3.11) , gäi lµ tỉng trë sãng HƯ sè trun sãng  vµ tỉng trở sóng Z S hai thống số đặc trng đờng dây tải điện xa Bây ta xác định hệ số K , K theo ®iỊu kiƯn cho tríc nh sau : Thùc vËy, ta tính điện áp dòng điện điểm cuối đờng dây cách thay x=0 vào (3.9), (3.10) đợc: U  K  K    K  K I   Z S Giải hệ phơng trình ta đợc: K  U  I Z S K  U  I Z S       Thay giá trị hệ số tìm đợc vào (3.9), (3.10) ta đợc : e x  e  x   e x  e  x x  x       U x  U  I Z S e  U  I Z S e U  I2ZS 2 2 x  x x  x        U  I Z S x U  I Z S  x  e  e U e e I x  e  e I  2 2 Z S 2Z S Z S         Trong to¸n häc sè phøc ta có hàm lợng giác hypebol nh sau : Chx  e x  e  jx ; Shx  e x  e  jx Víi quan hệ toán học nêu trên, điện áp dòng điện toạ độ x tính từ cuối đờng dây dµi sÏ lµ : 108  U  Ch  x  I Z SSh  x U x    U I I Ch x  x  Sh x Z S  (3.12) Giá trị điện áp dòng đầu đờng dây tải điện nhận đợc từ (3.12) tahy x độ dài đờng dây tải điện l :  U  Ch  l  I Z SSh  l U    U I I Ch l  l  Sh Z S (3.13) Nếu mô tả theo mốc đầu đờng dây, x khoảng cách tính từ đầu đờng dây điện áp dòng điện toạ độ tính theo điện áp, dòng đầu đờng dây U , I sÏ lµ : 1  U  Ch  x  I1 Z SSh  x U x    U I I Ch x  x  Sh x Z S (3.14) Và điện áp, dòng điện cuối đờng tính theo điện áp dòng điện đầu đờng dây là:  U  Ch  l  I1 Z SSh  l U    U I I Ch  l  Sh l   Z S  (3.14a) Tương tự :  U  Ch  l  Z SSh  l U    U I I Ch l  l  Sh Z S (3.14b) Các biểu thức (3.12), (3.14) dùng để tính chế độ vận hành đờng dây tải điện Các công thức sử dụng cho điện áp pha Khi cần tính điện áp dây phải nhân thêm vào số hạng hàm điện áp; Ví dụ, công thức (3.14) viết theo điện áp dây phải là: U Ch x U x I I Ch x  x  Sh  x 3I1 Z S    U x  Sh  3Z S  3.2.4 Ph©n tÝch trình sóng đờng dây dài 109 Các thông sè K , K vµ tỉng trë Z S số phức, viết dới dạng mooddun argumen : K  ; K  K   ; Z  Z  K 1 2 S S (3.15) Thay (3.15) vào (3.9) (3.10) đợc : U x  K 1e x  K e  x  K1e x e j  x1   K e  x e  j  x   K I x   K 1ex  K e  x   e x e j  x 1     ZS ZS   K  x  j  x      e e ZS Từ hàm phức đây, theo quy tắc chuyển biểu diễn dạng phức sang dạng tức thời lý thuyết mạch, dễ dàng lập đợc hàm thực điện áp dòng điện, hàm biến thiên theo thời gian t độ dài đờng dây x: u x , t  2K 1e x sin  t  x     2K e  x sin  t  x    i x ,t  K x e sin  t  x      ZS    K  x e sin  t  x      ZS (3.16) Trớc hết ta khảo sát hàm ux,t §Ĩ thn tiƯn ta gi¶ thiÕt   , nh hàm ux,t gồm hai thành phần chøa sin t  x  vµ sin t  x Xét thành phần chứa sin t x  , ký hiƯu lµ uth víi : u th  K1e x sin t  x  Tại thời điểm bất kỳ, ví dụ t = 0, điện áp u th phân bố theo dạng sóng hình sin đờng dây tải điện có biên độ tăng dần theo chiều tăng x (hình 3.3a, đờng 1) Sóng hình sin có bớc sóng, tức khoảng cách hai điểm đờng dây mà điện áp uth ë hai ®iĨm ®ã trïng pha víi nhau, ta ký hiệu góc biến thiên hai điểm cách độ dài sóng lµ 1 2   , cã nghÜa lµ   2 Mµ T  f  , (3.17) Bây lấy thời gian tăng lên lợng t , ta nhận thấy sóng hình sin giữ nguyên dạng nhng dịch chuyển phía trái theo chiều giảm x góc .t (hình 3.3a, đờng 2) Nh vËy sau thêi gian t , sãng 110 dÞch chuyển đợc góc .t , góc tính theo độ dài đờng dây x x , nh vËy : .t  x Tõ d©y tính đợc tốc độ truyền sóng : x  t  (3.18) u 0  /2  3/ / a) u /2 3 /  x t x 2 x e  x b) Hình 3.3 Quá trình truyền sóng đ ờng dây a)sóng thuận ; b) sóng ngợc 111 Thay đổi trào lưu cơng suất diễn tả đường dây khơng có điện dung nối tiếp với công suất bơm thêm đầu nhận S jC gửi S hình 4.16b Cơng suất tác iC dụng bơm vào điện kháng nối tiếp nút i (P iC) nút j (PjC) sử dụng phương trình từ (4.12),(4.13) sau : PiC Pij  PijC  U i2 G ij  U i U j  G ij cos  ij  B ij sin  ij    PjC Pji  PjiC  U 2j G ij  U i U j  G ij cos  ij  B ij sin  ij  (4.17) Tương tự công suất phản kháng bơm tải nút i (QiC) nút j (QjC) : Q iC U i2 B ij  U i U j  G ij sin  ij  B ij cos  ij    Q jC  U 2j B ij  U i U j  G ij sin  ij  B ij cos  ij  (4.18) đó: G ij  B ij  R X C R ij  X C  2X ij  ij   X R   X ij  X C  ij  ij  X C R ij2  X ij2  X C X ij R ij   X ij2 R ij2   X ij  X C           (4.19) §4.5 THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐỒNG BỘ TĨNH SSSC (Static Synchronous Series Compensator) Thiết bị bù dọc đồng tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator) máy bù đồng tĩnh nguồn điện bên ngồi, hoạt động máy bù dọc mà véc tơ điện áp đầu vng góc điều khiển đọc lập với dòng điện đường dây để tăng giảm điện áp dọc theo đường dây vây mà điều khiển công suất truyền tả SSSC bao gồm nguồn lượng tạm thời thiết bị tiêu thụ lượng để làm tăng cường tính động hệ thống điện việc thêm vào tạm thời công suất tác dụng để làm tăng giảm tức thời thành phần tổn thất điện áp tác dụng (trên điện trở) dọc theo đường dây SSSC thiết bị điều khiển FACTS quan trọng Nó giống STATCOM, ngoại trừ điện áp xoay chiều đầu nối dọc theo đường dây Nó dựa chuyển đổi nguồn điện áp (hình 4.17a) chuyển đổi nguồn dòng điện Ngồi nguồn lượng bổ sung, SSSC cung cấp điện áp thích hợp, mà véc tơ vượt trước chậm sau dòng điện đường dây góc 90 Cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp 168 máy biến áp chuyển đổi phải dẫn hoàn toàn dòng điện đường dây trừ chuyển đổi nối tắt số cố đường dây nghiêm trọng Nguồn ắc qui nguồn nam châm từ siêu dẫn nối tiếp đến điều khiển (hình 4.17b) để cung cấp véc tơ điện áp có góc biến đổi dọc theo đường dây Người ta tổ hợp hai hay nhiều máy bù dọc tĩnh nối theo đường liên kết chiều theo hai hướng dòng cơng suất tác dụng nối xoay chiều SSSC điều khiển để tạo máy bù công suất phản kháng độc lập để điều chỉnh dòng cơng suất tác dụng đường dây trì phân phối dòng cơng suất phản kháng đường dây Sự tổ hợp tạo thành thiết bị điều khiển FACTS, gọi IPFC (Interline Power Flow Controller) Cấu trúc IPFC bao gồm STATCOM, liên kết chiều với IPFC để tạo nên máy bù ngang công suất phản kháng cung cấp tiêu thụ toàn cơng suất tác dụng tổ hợp SSSC §4.6 THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH GÓC PHA ĐIỀU KHIỂN BẰ NG Đường dây + a) Đường dây + - GIAO DIỆN b) NGUỒN Hình 4.17 Máy bù dọc đồng tĩnh SSSC THYRISTOR TCPAR (Thyristor-Controlled Phase Argument Regulator) 4.6.1 Nguyên lý cấu tạo chức Máy biến áp chuyển pha điều chỉnh thyristor đóng cắt TCPST (Thyristor-Controlled Phase Shifting Transformer) dùng để tạo góc lệch pha thay đổi nhanh Việc chuyển pha để tạo thêm véc tơ điện áp vng góc dọc theo pha Véc tơ lấy từ hai pha khác theo máy biến áp dọc (hình 4.18) Điện áp dọc vng góc tạo biến đổi theo biến thiên điện tử cơng suất Mạch sử dụng để đảo ngược điện áp nhằm tạo chuyển đổi pha theo hai hướng Thiết bị điều khiển xem Thiết 169 bị điều chỉnh góc pha điều khiển băng thyristor TCPAR (Thyristor-Controlled Phase Argument Regulator) Đường dây pha Hình 4.18 Thiết bị chuyển pha điều khiển thyrristor Từ hình 4.18 mơ hình hố thành sơ đồ mạch hình 4.19a Trong hình TCPAR lắp đặt đường dây E-P: khoảng E-B, : - Máy biến áp kích thích ET - Máy biến áp tăng áp BT - Bộ chuyển đổi (Converter) Hệ thống điện bên ngồi thiết bị điều khiển góc pha mô tả điện áp pha U E ,U P tổng trở tương ứng Z , Z S R Máy biến áp kích thích cung cấp điện áp vào thiết bị điều khiển góc pha Máy biến áp tăng áp bơm điện áp điều khiển U nối tiếp vào hệ thống Biên độ và/hoặc góc pha điện áp B bơm vào điều khiển chuyển đổi Hình 4.19b cho thấy, phụ thuộc vào biên độ góc pha điện áp điều khiển bơm U làm thay đổi biên độ và/hoặc góc pha điện áp hệ B thống U P Trong hình vòng tròn xác định vùng mà xác định đầu mút U U P B 170 E Z S U S U B U E P BT ET Bộ chuyển đổi U P Z R U R a)  U U P E P b) U B  U E Hình 4.19 Mơ hình mạch TCPAR lưới biểu đồ véc tơ Biên độ và/hoặc góc pha tương ứng điện áp bơm vào U B ,  P dùng để điều khiển điện áp nút P chuyển đổi công suất tác dụng P đường dây: P U S U R sin   S   R  P  X eq (4.20) Trong đó, Xeq điện kháng tương đương đường dây,  S ,  R góc pha điện áp pha U S ,U R tương ứng Góc  P biến thiên góc việc điều khiển dòng cơng suất Phạm vi góc  P thiết bị chuyển dịch góc pha tạo ban đầu phụ thuộc vào đặc tính mạch chuyển đổi Vào nhiều năm trước người ta sử dụng thiết bị chuyển dịch góc pha khí bao gồm cơng tắc khí gắn vào bên máy biến áp kích thích Một thiết bị chuyển dịch góc pha thơng tường thay đổi góc  P xấp xỉ khoảng ±100 theo bước rời rạc vào khoảng 10 đến 20 Hình 4.20 giới thiệu só đồ đơn giản thiết bị chuyển dịch góc pha thơng thường Góc pha biên độ điện áp bơm vào U hình 4.20 B điều chỉnh cơng tắc khí SW1 SW2 171 BT UE I U P I E UP B SW1, U1 SW2, U2 UP U1 UB U2 UE Hình 4.20 Sơ đồ thiết bị chuyển dịch góc pha thông thuờng Các hạn chế công nghệ chuyển dịch góc pha nêu là: - Phản ứng chậm quan tính cơng tắc khí; - Tuổi thọ bị giới hạn dùng thường xuyên cấu khí cạn dầu Do có hạn chế nên thiết bị chuyển dịch góc pha thơng thường để điều chỉnh dòng cơng suất xác lập điều chỉnh điện áp Các hạn chế cơng nghệ thiết bị điều khiển góc pha thông thường giới hạn chuyển đổi khí chúng thay chuyển bán dẫn tĩnh SPS (Static Phase Shift) 4.6.2 Mơ hình trạng thái xác lập thiết bị điều khiển góc pha tĩnh SPS Hình 4.19 thể mơ hình mạch pha SPS thể cho sơ đồ sợi mạch pha đối xứng Để đơn giản, bỏ qua tổn thất phát sinh bên thiết bị Z B=0, ZE=0 (do khơng thể chúng hình vẽ) , tức ET BT máy biến áp lý tưởng Ngồi gỉa thiết chuyển đổi có tổn thất khơng trao đổi cơng suất phản kháng với hệ thống Bởi vậy, chuyển đổi thiết bị lý tưởng mà cung cấp chuyển đổi biên độ và/hoặc góc pha theo yêu cầu cuộn dây tương ứng ET BT Dựa giả thiết ta biểu diễn giá trị điện áp U B sau:  kU  e j U B E (4.21) Trong : k=UB/UE  góc lệch U B U E Các giả thiết cho thấy cấu hình SPS khơng phải hấp thụ bơm công suất vào hệ thống:  ˆI U  ˆI  Q Q , P P S E  S B 0  U B B E E B E B E (4.22) Thế U B từ (4.21) vào (4.22) được: 172 Ua Ua+∆Ubc Ub Ub+∆Ubc Uc Uc+∆Ubc Hình 3.28 TCPAR sử dụng đầu thay đổi thyristor máy biến áp ba pha cho điều chỉnh điện áp rời rạc  e j ˆI U  ˆI  I k.I e  j k.U E B E E E B (4.23) Thực tế, chuyển đổi có khả trao đổi công suất phản kháng với hệ thống thông qua ET và/hoặc BT, không sử dụng Các cơng thức từ (4.21) đến (4.23) thấy thiết bị SPS hình dung hai nguồn điện áp phụ thuộc lẫn Từ hình 4.19 khái qt hình 4.21 có tính đến tổn thất chuyển đổi điện kháng ZB ZE Thiết bị SPS lắp đặt điểm đường dây Các cơng thức có liên quan đến hệ thống hình 4.21 I S Z S U S E  U E I B I E  U B  P  U P I R Z R S E S B U R Hình 4.21 Mạch tương đương SPS đường dây Như phân tích trên, ta có cơng thức mơ tả chế độ xác lập hệ thống hình 4.21 sau : 173  kU  e j U B E I kI e  j    E B  I I  I  S B E  I I  R B    jX I  U  0 U S S S E  U  U   jX I  U  0 E B R R R  (4.24) Trên hình 4.22 biểu diễn đường cong thay đổi thông số thông số k biến đổi từ   1 0 ) đến 0,3 ( với XS=XR=0,4pu;  90 , U S 140 ; U R Từ đường cong ta thấy: Công suúat tác dụng 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 UE PR -0,5 PE 0,0 -0,5 0,1 PS -1.0 UB 0,2 0,3 0,4 0,2 -1,5 -1,0 Dòng điện Cơng suất phản kháng Điện áp pu - Điên áp pha bơm vào vng góc UB thay đổi từ tới 0,26pu UE giảm từ 0,94 xuống 0,87pu; - Điện áp bơm làm tắng công suất truyền tải từ 0,8 lên tới 1,05 pu; - Việc tăng công suất truyền tải đồng hành với tăng đáng kể nhu cầu công suất phản kháng điểm đầu, QS từ -0,29 tới -0,62pu, mà thay đổi nhu cầu công suất phản kháng điểm cuối không nhiều Nếu điểm đầu cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu thết bị điều khiển góc pha khơng thể tăng truyền tải cơng suất tác dụng; - Quá trình dịch chuyển pha làm tăng đáng kể dòng điện đường dây, đặc biệt dòng điện điểm đầu, dòng điện nhánh kích thích thiết bị điều khiển góc pha -1,5 0,1 QB -0,2 1,0 IS 0,8 IR -0,4 QR 0,6 -0,6 QS 0,4 0,3 IE 0,2 -0,8 0,1 0,2 1,2 QE 0,0 PB 0,2 0,3 0,1 0,2 Hình 4.22 Ảnh hưởng điện áp pha vng góc bơm ( hệ số k) đến dòng điện cơng suất phản kháng 0,3 174 Các cơng thức (4.24) sử dụng để xác định ảnh hưởng thông số hệ thống khác (X R,XS) ảnh hưởng lẫn thông số hệ thống thiết bị điều khiển góc pha; Và xét ảnh hưởng thay đổi vị trí đặt thiết bị điều khiển góc pha việc truyền tải công suất 4.6.3 Cấu trúc điều khiển TCPAR Cấu trúc điều khiển bên chuyển đổi nấc thyristor điều khiển liên tục thể hình 4.23 Đường dây U i U UReg Bộ đo dòng điện áp không UBộ khuếch đại sai số (Điểu kh PI) URef Máy phát góc pha trễ 1 2 Máy phát xung đ/k mở thyristor Hình 4.23 Mạch điều khiển bên TCPAR Việc điều khiển dựa dò điểm điện áp dòng tới zêro, xác định đổi cực thyristor định rõ khoảng thời gian điều khiển góc trễ  ,  tất hệ số tải Góc trễ thường điều khiển bới vòng kín điều chỉnh để trì điện áp điều chỉnh giá trị đưa vào Sơ đồ điều khiển đưa khái niệm chức điều khiển, việc thực chúng đòi hỏi sơ đồ mạch phức tạp với chức hỗ trợ không mô tả sơ đồ Ví dụ việc nhận cách xác, tin cậy giá trị zêro điện áp dòng điện với diện sóng hài, dao động đóng cắt thành phần thứ tự nghịch điện áp tạo nhiễu loạn yêu cầu TCPAR có lọc phức tạp quy trình đánh giá q trình điều khiển Hinh 4.24 mơ tả sơ đồ khối TCPAR Tổng góc pha yêu cầu order mơ hình tổng hợp góc tham chiếu ref tín hiệu điều khiển mod ulation order đưa vào mạch trễ với thời gian không đổi TTCPAR 15 micro giây trễ mạch thyristor Bộ giới hạn sử dụng để giới hạn góc pha điều chỉnh Tín hiệu đưa rời rạc thể ảnh hưởng đầu điều chỉnh TCPAR thực Tín hiệu rời rạc góc pha u cầu delivered hệ thống [5] 175 max mod ulation  + order + delivered 1  sTTCPAR ref min Hình 4.24 Sơ đồ khối TCPAR 4.6.4 Mơ hình hố TCPAR chế độ xác lập mơ hình bơm cơng suất Như phân tích mục 4.6.2 ta khẳng định: chế độ xác lập TCPAR coi nguồn điện áp U B   với khả điều khiển biên độ góc pha Xét trường hợp TCPAR đặt đầu đường dây ij, tức nút i ( Hình 4.25a) Khi tương ứng với hình 4.19 điện áp U E U i điện áp đầu TCPAR U , mà quan hệ chúng với U thể hình 4.25b; xét U vng góc P B B với U i nên gọi bơm thành phần góc phần tư vào điện áp nút i (  90 ) Vậy ta có:  U  U  ; U  U  U ; Cos  U i U P i B P i B UP U i U B  U P rij  jx ij U j U P IT a) U i 1 U rij  jx ij j b) U B U i S jS S iS c) Hình 4.25 Mơ hình cơng suất bơm TCPAR Khi lắp đặt thiết bị TCPAR đường dây công suất tác dụng truyền tải đường dây có tổn thất viết sau :  PijS U P2 Gij  U PU j Gij cos ij  1   Bij sin  ij  1   góc  ij  i   j góc lệch điện áp nút i nút j Đặt T  , phương trình viết thành: cos 1 176  PijS U i2 T G ij  U i U j T G ij cos ij  1   B ij sin   ij  1   (4.25a) Bằng cách lập luận tương tự ta có phương trình công suất tác dụng, phản kháng đầu cuối đường dây có TCPAR sau:  PjiS U 2j G ij  U i U j T G ij cos ij  1   Bij sin  ij  1     Q Sij  U i2 T B ij  U i U jT G ij sin  ij  1   Bij cos ij  1   (4.25b)  Q Sji  U 2j Bij  U i U j T G ij sin  ij  1   Bij cos ij  1       Tổn thất cơng suất tác dụng đường dây có TCPAR : PijS PijS  PjiS  U i2 T G ij  U i U j TG ij cos ij  1  (4.26) S Sự khác cơng suất tác dụng Pij có TCPAR ( cơng thức 4.23a) Pij khơng có TCPAR (công thức 4.20) mô tả công suất truyền tải thêm vào đường dây thể công suất bơm vào nút i lượng công suất PiS hình 4.23c Ta có : PiS  Pij  PijS     U i2 Gij  U iU j Gij cos  ij  Bij sin  ij  U i  T Gij  U iU j T Gij cos ij  1   Bij sin  ij  1         U i2 Gij  T  U iU j  Gij cos  ij  T cos ij  1   Bij sin  ij  T sin  ij  1       U i2 Gij 1   cos 1    cos  ij cos 1  sin  ij sin 1     Gij  cos  ij  cos 1     U iU j  sin  ij cos 1  cos  ij sin 1    Bij  sin  ij      cos 1    cos  ij cos 1  cos  ij cos 1  sin  ij sin 1 Gij cos 1 2  U i Gij tg 1  U iU j   sin  ij cos 1  sin  ij cos 1  cos  ij sin 1  Bij cos 1         U i2 Gij tg 21  U iU j tg1 Gij sin  ij  Bij cos  ij  Đặt K tg1 ta được: PiS  U i2 G ij K  U i U j K G ij sin  ij  B ij cos  ij  (4.27a) Tính tốn biến đổi công thức tương tự ta công thức công suất bơm tác dụng, phản kháng nút i j sau: 177  PjS  U i U j K G ij sin  ij  B ij cos  ij    Q iS  U i2 K G ij  U i U j K G ij cos  ij  B ij sin  ij   Q jS  U i U j K G ij cos  ij  B ij sin  ij     (4.27b)  §4.7 CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN KHÁC 4.7.1 Thiết bị điều khiển công suất hợp UPFC (Unified Power Flow Controller) Thiết bị diều khiển công suất hợp UPFC (Unified Power Flow Controller) tổ hợp máy bù đồng tĩnh STATCOM máy bù dọc đồng tĩnh SSSC liên kết với đường dẫn chiều ( hình 4.26), cho phép dòng cơng suất tác dụng chuyển đổi đầu SSSC đầu STATCOM điều khiển để tạo thiết bị bù dọc đồng thời công suất tác dụng phản kháng đường dây mà khơng có nguồn điện bên ngồi UPFC xem nguồn điện áp dọc khơng khống chế góc, điều khiển đồng thời có chọn lọc điện áp, điện kháng góc đường dây truyền tải công suất tác dụng phản kháng đường dây UPFC tạo máy bù ngang điện kháng có khả điều khiển độc lập Đường dây SSSC STATCOM Liên kết DC Hình 4.26 Thiết bị điều khiển tổ hợp dọc ngang UPFC Thiết bị SSSC tự thu nhận công suất phản kháng từ đường dây qua STATCOM để điều khiển điện áp với việc điều khiển cơng suất phản kháng qua Đây điều khiển hoàn chỉnh để điều khiển công suất tác dụng phản kháng đường dây điều khiển điện áp đường dây 4.7.2 Máy bù dọc tụ điện TSSC(Thyristor-Switched Series) TSSC máy bù dọc tụ điện, bao gồm dãy tụ điện nối tiếp mắc song song với điện kháng đóng cắt thyristor để tạo nên điều khiển theo bước điện kháng tụ điện nối tiếp Trở kháng tụ điện điều khiển liên tục việc đóng cắt kháng điện với góc mở 900 1800 mà khơng điều khiển góc mở để giảm chi phí điều khiển ( hình 4.27) Đường dây 178 Hình 4.27 Máy bù dọc bẳng tụ điện TSSC 4.7.3 Máy bù dọc điều khiển điện kháng TCSR (Thyristor Controlled Series Reactor) TCSR máy bù dọc điện kháng bao gồm cuộn kháng dọc mắc song song với kháng điện có điều khiển thyristor để tạo điện kháng kháng điện dọc biến đổi trơn (hình 4.28) Đường dây Hình 4.28 Máy bù dọc điều khiển điện kháng CSR Khi góc mở thyristor để điều khiển điện kháng 180 0, kháng điện không dẫn điện cuộn kháng không điều chỉnh hoạt động thiét bị giới hạn dòng điện cố Khi góc giảm xuống 1800, điện kháng mạch giảm đến góc mở 90 0, điện kháng mạch tổ hợp hai kháng điện mắc song song Như TCSC, TCSR thiết bị đơn cơng suất lớn vài thiết bị công suất nhỏ nối tiếp với 4.7.4 Máy bù dọc kháng điện TSSR (Thyristor-Switched Series Reactor) TSSR máy bù dọc kháng điện bao gồm cuộn kháng dọc mắc song song với cuộn kháng điều khiển đóng cắt thyrristor để tạo điều khiển theo bước điện kháng cuộn kháng dọc Khác với TCSR, thyristor TSSR đóng cắt hồn tồn ( khơng có điều khiển góc mở ) để tạo thành tổ hợp điện kháng dọc thay đổi theo bước (hình 4.28) 4.7.5 Máy giới hạn điện áp điều khiển thyristor TCVL (Thyristor Controlled Voatage Limiter) TCVL thiết bị chống sét van xít kim loại đóng cắt thyristor (MOV) sử dụng để giới hạn điện áp điểm nối điều kiện truyền tải Công tắc thyristor nối tiếp với chống sét khe hở, phần chống sét van khe hở (1020%) nối mạch vòng cơng tắc thyristor để hạ thấp mức độ giới hạn điện 179 Đường dây Hình 4.29 Bộ giới hạn điện áp điều khiển thyrristor TCVL áp (hình 4.29) Nói chung MOV phải thiết bị hữu ích nhiều so với chống sét khe hở thơng thường để TCVL triệt tiêu điện áp động 4.7.6 Máy điều chỉnh điện áp đièu khiển thyristorTCVR (Thyristor- Controlled Voltage Regulator) TCVR, máy biến áp điều khiển thyristor tạo điện áp pha biến đổi điều khiển liên tục Trong trường hợp cụ thể, máy biến áp điều chỉnh với thay đổi nấc điều chỉnh thyristor (hình 4.30a) với chuyển đổi điện áp DC sang AC điều khiển thyristor để cung cấp điện áp xoay chiều biến đổi pha dọc theo đường dây (hinh 4.30b) Bộ điều khiển hiệu việc điều khiển công suất phản kháng hai hệ thống xoay chiều Đườngdây a) b) Hình 4.30 Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển thyristor dựa thay đổi nấc biến áp; dựa nguồn bơm điện áp §4.8 KẾT LUẬN CHUNG VỀ FACTS Cùng với phát triển nhanh hệ thống điện, đòi hỏi cơng nghệ để khai thác triệt để khả chúng mà không ảnh hưởng đến an toàn hệ thống Để đáp ứng nhu cầu này, nghiên cứu thiết bị FACTS bắt đầu nghiên cứu vào năm 80 Sử dụng FACTS nhằm giải hai vấn đề : nâng cao khả truyền tải hệ thống truyền tải điện giữ công suất khoảng giới hạn định trước Để thực yêu cầu đòi hỏi phải có phương pháp điều khiển hiệu dòng cơng suất Với sử dụng cuộn kháng để điểu khiển biên độ góc pha điện áp, cơng nghệ FACTS có đủ khả điều khiển nhanh cách linh hoạt công suất tác dụng phản kháng hệ thống điện 180 Với phát triển mạnh mẽ công nghệ điện tử công suất, ngày có nhiều thiết bị FACTS thiết kế ứng dụng Với thiết bị FACTS khác có thơng số điều khiển khác có mơ hình vật lý khác để điều khiển công suất Trên bảng 4.2 liệt kê dạng khác theo thông số điều khiển tương ứng [2] Bảng 4.2 Các dạng thiết bị FACTS TT Thiết bị FACTS Máy bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) Bù đồng tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator) Tụ bù dọc điều khiển Thyristor TCSC ( Thyristor Controlled Series Capacitor) Thiết bị bù dọc đồng tĩnh SSSC ( Static Synchronous Series Compensator) Thiết bị chuyển pha điều khiển Thyristor TCPS ( Thyristor Controlled Phase Shifter) Điều khiển công suất hợp UPFC (Unified Power Flow Controller) Chức điều khiển Thông số điều khiển Điều chỉnh điện áp U IS XC Điều khiển công suất tác dụng P VC δ Điều khiển công suất tác dụng, phản kháng điện áp PQ,U VT, φT , Iq Nhìn chung, thiết bị điều khiển FACTS chia thành loại :  Các thiết bị điều khiển dọc ( hình 4.31a)  Các thiết bị điều khiển ngang ( hình 4.31b)  Các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc-dọc (hình 4.31c)  Các thiết bị điều khiển tổ hợp dọc-ngang (hình 4.31d) Đường dây a) Đường dây b) Đường dây Đường dây Kết nối công suất DC Điều khiển tổ hợp c) d) Hình 4.31 Một số dạng thiết bị điều khiển FACTS 181 Trên bảng 4.3 mô tả lợi ích kỹ thuật thiết bị FACTS, bao gồm ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào vấn đề giới hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh dòng cơng suất vòng, mức ngắn mạch cộng hưởng đồng Bảng 4.3 Những lợi ích thiết bị FACTS Điều khiển trào lưu công suất Điều khiển điện áp Ổn định độ Ổn định động SVC * *** * ** STATCOM * *** ** ** TCSC ** * *** ** UPFC *** *** ** ** (Ghi : Thứ tự tốt ***, **, *) Các ứng dụng trạng thái động FACTS tập trung giải vấn đề ổn định độ, làm giảm, điều khiển điện áp cách ngẫu nhiên ổn định điện áp Các thiết bị FACTS u cầu có đòi hỏi đáp ứng liên quan điều kiện trạng thái động ( thay đổi nhanh) Những giải pháp truyền thống có chi phí thấp FACTS bị hạn chế khả đáp ứng trạng thái Tóm lại: 1) Việc lắp đặt thiết bị FACTS xu hướng quan tâm giới nhờ chúng mà độ tin cậy tính kinh tế vận hành HTĐ tăng lên nhiều 2) Các thiết bị FACTS sử dụng thyristor có khả điều chỉnh gần tức thời thông số chúng Việc ứng dụng thiết bị làm nâng cao khả giữ ổn định điện áp giảm dao động công suất, đặc biệt HTĐ lớn có đường dây truyền tải siêu cao áp 3) Các thiết bị FACTS có điều khiển thyristor đem ại hiệu cao có tác động điều khiển thơng số chúng thời điểm giá trị thông số điều khiển hợp lý cho chế độ vận hành khác HTĐ 4) Đối với HTĐ Việt nam, đường dây truyền tải 500 kV dài, nguồn phát xa trung tâm phụ tải nên cần có nghiên cứu nghiêm túc để có đưa vào áp dụng thiết bị FACTS, SVC ưu tiên trước hết để đảm bảo ổn định điện áp ổn định động 182 ... %  P2 135 100  100 90% P1 150 Đ3.3 phân tích chế độ làm việc đờng dây dài 117 3.3.1 Công suất tự nhiên Chế độ làm việc đờng dây dài với phụ tải cuối đờng dây có tổng trë b»ng ®óng tỉng trë sãng... hạn theo độ dài đường dây, độ dài sóng P*gh P*gh=1 1500 900 125 3000 1800 4500 2700 Hình 3.9-Quan hệ công suất gới hạn với độ dài đường dây, độ dài sóng L(km) Từ hình 3.9 thấy đường dây dài 1500... điện áp hai đầu đường dây tăng lên theo tăng công suất tác dụng tải đường dây Cường độ độ tăng góc phụ thuộc vào độ dài đường dây Độ lớn hướng ( tính chất) cơng suất phản kháng cuối đường dây