Hình 3.14 Sơđồ cấu trúc hệ thống HVDC gồm hai đầu
61
Hình 3.13 sẽ biểu diễn một sơđồ nối kết HVDC chuẩn thường được xét đến trong các bài toán điều khiển, đó là dạng cấu trúc đơn cực (hay một cực của đôi cực)
Mạch tương đương và đặc tính điện áp được vẽ trên hình 3.13 và 3.14. Dòng một chiều chảy trên đường dây từ chỉnh lưu đến nghịch lưu sẽ là ci L cr i d r d d R R R V V I − + − = 0 cosα 0 cosγ (3-50) Pdr = Vdr Id (3-51) Pdi = Vdi Id = Pdr – RL Id2 (3-52) Các ý nghĩa cơ bản của việc điều khiển
Điện áp một chiều tại một địa điểm trên đường dây cũng như dòng điện (hay công suất) có thể được điều khiển bằng việc điều khiển các điện áp bên trong nguồn DC (Vd0r cosα) và (Vd0i cosγ). Điều này được thực hiện bằng cách điều khiển góc kích cực gate của các van hay điều khiển điện áp AC thông qua bộđổi nấc của máy biến áp.
Điều khiển cực gate có tốc độ rất nhanh từ 1 đến 10 ms và đổi nấc máy biến áp với tốc
độ chậm hơn (5 đến 6s cho mỗi nấc) sẽđược sử dụng kết hợp để bổ sung cho nhau. Trong đó điều khiển cực gate được tác động trước tiên nhằm đáp ứng kịp thời với những biến động nhanh của hệ thống sau đó đổi nấc sẽ tác động để giữ các biến
điều khiển (góc kích α và góc tắt γ) nằm trong tầm hoạt động bình thường của nó. Để đổi chiều truyền tải công suất thì đổi chiều cực tính của điện áp một chiều.
Một số yêu cầu cho đặc tính điều khiển như sau:
- Tránh những dao động bất thường của dòng điện DC trên dây quá nhiều do biến
động của điện áp hệ thống AC.
- Giữđiện áp DC gần với định mức.
- Giữ cho hệ số công suất tại đầu gởi và nhận công suất càng cao càng tốt.
- Tránh sự cố đảo mạch tại đầu nghịch lưu và dòng ngược lại đầu chỉnh lưu với trạm biến đổi dùng van thủy ngân.
Như vậy tác động điều khiển nhanh chóng của các bộ biến đổi bằng cách thay
đổi góc kích α mục đích để tránh những dao động lớn của dòng một chiều. Xem công thức quan hệ của dòng DC trên dây (3-50), do điện trở của đường dây và các bộ biến
62
đổi có giá trị bé nên chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của điện áp hệ thống hoặc Vd0r hoặc Vd0i cũng làm cho dòng Id thay đổi rất lớn. Chẳng hạn như, chỉ cần điện áp Vd0r hoặc Vd0i thay đổi một lượng 25% và vẫn giữ các góc α, γ không đổi thì dòng Id sẽ thay đổi
đến 100%. Những thay đổi như vậy là không thể chấp nhận được trong hệ thống điện, và chúng còn có nguy cơ phá hỏng van và các thiết bịđộng lực khác.
Đối với đường dây truyền tải công suất thì đặc tính điện áp dọc theo đường dây nên chọn gần giá trị định mức. Điều này làm dòng điện DC luôn ở mức nhỏ nhất có thể được nhằm giảm tổn thất trên đường dây và nâng cao hệ số công suất. Việc nâng cao hệ số công suất của hệ thống có ý nghĩa cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế do giảm
được lượng công suất phản kháng phải phù hợp cho trạm.
Theo công thức (3-45) hệ số công suất được xác định là cosΦ≈ 0.5[cos α + cos(α + µ)]
≈ 0.5[cos γ + cos(γ + µ)]
Ta thấy như công thức trên muốn hệ số công suất cao thì góc kích α và góc tắt γ
phải càng bé càng tốt. Tuy nhiên tại bộ chỉnh lưu góc α có một giới hạn nhỏ nhất khoảng 50 để chắc chắn là các điện áp đã cắt nhau trước khi kích van. Điều này có lý do của nó vì giao điểm của điện áp dương xuất hiện trên mỗi thyristor trước khi kích
được dùng để cấp nguồn cho mạch xung kích. Do vậy thời điểm kích không thể nào sớm hơn 50. Thông thường trong chế độ vận hành bình thường thì góc kích α trong khoảng giá trị từ 150đến 250đểđiện áp tại đầu chỉnh lưu khá cao và có khả năng thay
đổi một lượng phù hợp nhằm điều chỉnh trào lưu công suất DC.
Còn tại bộ nghịch lưu thì góc tắt γ phải lớn hơn giá trị góc tắt tối thiểu để tránh sự cố đảo mạch. Điều này rất quan trọng để đảm bảo cho quá trình khử ion (de- ionization) kết thúc trước khi điện áp đảo mạch đổi chiều tại α = 1800 hay γ = 00. Góc tắt γ phụ thuộc vào góc chồng do đảo mạch µ, dòng điện Id và điện áp đảo chiều. Giá trị góc tắt tối thểu tiêu biểu γ = 150 cho nguồn 50Hz và γ = 180 cho 60Hz thường được sử dụng.
Đứng trên quan điểm vận hành, việc sử dụng điều khiển bằng hằng sốđem lại sự an toàn cao chống lại các nhiễu loạn của hệ thống. Vậy nên nếu có điều kiện kinh tế
63
thì dòng hằng số nên được dùng như là nguyên lý điều khiển cơ bản. Tuy nhiên, nó lại không có khả năng giữ điện áp là hằng số tại những đầu nút của hệ thống AC như
thông thường (tại các nút AC). Tuy nhiên điều đó chẳng ảnh hưởng gì trong các sơđồ
hiện đại bởi vì chúng gồm các liên kết point to point (nối trực tiếp hai trạm với nhau) và tính chất bất biến của các mức điện áp DC không là mối quan tâm chính cho người vận hành trạm do nó không ảnh hưởng trực tiếp đến khách hàng. Nhưng lại nảy sinh những vấn đề mới ảnh hưởng lên nguyên lý điều khiển, trong số đó đặc biệt nổi lên vấn đề quá áp gây ra do hở mạch hay sa thải phụ tải cũng như là tổn thất điện trở cao do truyền tải dòng hằng tại các mức công suất bị giảm thấp. Điều đó có nghĩa là khi mức công suất giảm xuống thấp mà ta vẫn giữ dòng điện không đổi như cũ (ở mức cao) thì điện áp DC bắt buộc phải giảm xuống, điều này làm cho tổn thất điện trở trong mạch Ploss = R I2 vẫn cao.