2.3.1. Giữ ổn định điện áp tại nút đặt SVC
Xét một sơ đồ hệ thốngđơn giản với điện kháng nguồn X và tổng trở tải là Z nhƣ trên hình 2.15 cùng với đồ thị điện áp danh định Vr – công suất P ứng với các hệ số công suất khác nhau, từ 0.8 (lag) đến 0.9 (lead). Giới hạn ổn định điện áp giảm khi tải mang tính cảm và tăng khi tải mang tính dung.
.
Hình 2.15. Đồ thị biến thiên giới hạn ổn định điện áp khi tải và hệ số công suất tải thay đổi khi chưa bù (a) và khi có bù (b).
Đặc tính mạch điện có cấu trúc đơn giản, cùng với mối quan hệ Vr-P cho thấy là bù ngang công suất phản kháng có tác dụng làm tăng một cách hiệu quả giới hạn ổn định điện áp bằng cách cung cấp tải phản kháng và điều chỉnh điện áp phía đầu (V – Vr = 0) nhƣ minh họa trên hình 2.15b. Rõ ràng với đƣờng dây, tại điểm cuối đƣờng dây, nơi có sự thay đổi điện áp lớn, là nơi tốt nhất để đặt bộ bù.
tải, hoặc để nâng cao điện áp cho tải khi công suất của phía đầu phát bị giảm do việc phát hoặc do mất điện. Khi một nguồn bị mất có thể có thể làm tăng đột ngột nhu cầu phụ tải đối với phần còn lại của hệ thống, gây ra sự sụt giảm điện áp, nếu nặng nề có thể làm sụp đổ điện áp.
2.3.2. Nâng cao khả năng truyền tải trong hệ thống điện
Xét mô hình truyền tải gồm 1 máy phát và 1 nút cố định
Hình 2.16. Hệ thống truyền tải 1máy phát và nút cố định (a)Khi không có SVC và (b) Khi có SVC
Điện áp của máy phát và nút cố định lần lƣợt là và
Công suất truyền từ máy phát tới nút khi không có SVC là: (2.12) Trong trƣờng hợp đơn giản, nếu có V1=V2, khi đó :
2
v
P sin
x (2. 13)
Và công suất truyền tải lớn nhất khi góc truyền tải δ = 900 Sự thay đổi công suất tác dụng của đƣờng dây và công suất phản kháng của SVC đƣợc minh họa ở hình 2.17:
Hình 2.17. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống
Khi đặt một SVC lý tƣởng (công suất phản kháng của SVC không bị giới hạn để có thể duy trì điện áp tại điểm giữa là không đổi) tại điểm giữa đƣờng dây. Khi đó công suất chảy qua phần nửa của đƣờng dây nối giữa máy phát với SVC và phần nửa của đƣờng dây nối SVC với nút cố định là:
1 2 C
v v
P sin
x / 2 2 (2.14)
Giả thiết rằng Vm=V1=V2=V. Khi đó:
2 max
v P
x (2.15)
Ta thấy giá trị PCmax có thể lớn gấp 2 lần giá trị Pm, điều này xảy ra khi . Nói cách khác, việc đặt SVC lý tƣởng tại điểm giữa của đƣờng dây đã làm tăng giới hạn truyền tải của đƣờng dây lên gấp 2 lần.
Nếu đƣờng dây truyền tải đƣợc chia ra thành n đoạn bằng nhau, đặt một SVC lý đƣờng tại điểm nối của mỗi đoạn để duy trì độ lớn của điện áp là V. Khi đó công suất truyền tải của đƣờng dây có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
(2.16)
Giá trị công suất điện lớn nhất có thể truyền tải trên đƣờng dây là nV2/X. Nói cách khác, nếu phân chia đƣờng dây truyền tải ra n đoạn để đặt SVC thì công suất truyền tải khi có SVC có thể lớn gấp n lần khi chƣa đặt SVC. Nhƣ vậy theo cách này thì giới hạn truyền tải của đƣờng dây chỉ bị hạn chế bởi giới hạn về nhiệt.
2.4. CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TCSC 2.4.1. Cấu tạo 2.4.1. Cấu tạo (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
song song với 1 phần tử TCR. Giá trị XC của tụ điện là không đổi nhƣng nhờ có sự thay đổi điện kháng XL của TCR nên ta vẫn có đƣợc giá trị XĐT của TCSC thay đổi trong phạm vi từ Xmin đến Xmax. Mỗi modul TCSC bao gồm các thiết bị sau:
- Tụ điện C: là thiết bị chính trong các chế độ làm việc của TCSC.
- Bộ van thyristor: là thiết bị điều khiển trị số của kháng điện L cho phù hợp với từng điều kiện vận hành.
- Điện cảm L: là thiết bị giới hạn tốc độ tăng của dòng điện đi qua van thyristor và phối hợp với tụ điện C trong việc điều chỉnh điện kháng của TCSC.
- Biến trở MOV (Metal Oxidi Varistor): có chức năng bảo vệ TCSC trong các chế độ sự cố và quá dòng.
Ngoài ra còn có một số thiết bị bảo vệ, đóng cắt TCSC trong các chế độ làm việc trong hệ thống điện.
Hình 2.18. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý họat động của TCSC.
Mov C L i2(t) i(t) i1(t) 0 U(t) t t t t 0 0 0 i1(t) i(t) i2(t)
2.4.2. Chế độ làm việc và đặc tính làm việc
TCSC có 3 chế độ làm việc bao gồm:
- Chế độ thyristor blocked: Đây là chế độ mà các thyristor khóa không cho dòng điện chạy qua. Khi đó, dòng điện chạy qua thyristor bằng không I=0.
- Chế độ Capacitor passed: Đây là chế độ mà các thyristor cho dòng chạy qua hoàn toàn, khi đó thyristor mở hoàn toàn.
- Chế độ Vernier: Đây là chế độ mà các thyristor điều chỉnh góc mở thay đổi nhờ các tín hiệu xung điều khiển để thay đổi dòng điện đi qua chúng (chế độ thyristor mở từng phần).
Nhƣ trên đã nêu, TCSC có thể đƣợc hiểu nhƣ sự kết hợp của 1 phần tử là TCR và 1 phần tử là tụ điện C. Việc phối hợp điều chỉnh giữa 2 phần tử nêu trên có thể cho ta giá trị thay đổi của XTCSC phù hợp với từng chế độ vận hành của chúng trong hệ thống điện.
Dựa trên nguyên lý cấu tạo của TCSC, ta có:
(2.17)
Trong đó: + XL điện kháng tƣơng ứng của TCR (phụ thuộc vào góc mở α) + XC điện kháng của tụ điện (XC=const)
Để thiết bị bù dọc có thông số điều khiển trơn và ổn định, thƣờng chọn các phạm vi điều chỉnh TCR từ XL0 đến ∞ với XL0>XC, điện kháng của TCR:
XL0≤XL ≤∞
Hình 2.19. Đặc tính điều chỉnh của TCSC
Với XL0= k.XC, khi thyristor mở hoàn toàn ( =900) thì ta có:
XL= XL0=k. XC (2.18)
XTCSC = (2.19)
Khi thyristor đóng hoàn toàn ( =1800
) thì ta có XL0=∞
Vậy TCSC có khả năng điều chỉnh gấp lần giá trị -XC của tụ điện C. Trong trƣờng hợp k=1.2; nghĩa là XL0=1.2XC ta có
(2.20)
Nhƣ vậy, với k=1.2 thì TCSC có khả năng điều chỉnh gấp 6 lần giá trị XC của tụ điện C. L X L0=kXc XTCSC Xc Xc -kXc/k-1 0
Trong trƣờng hợp tổng quát, ta có TCR phụ thuộc vào góc và theo công thức (2. 2) ta có
– (2.21) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Và do đó ta có giá trị của TCSC là :
– (2.22)
2.5. MÔ HÌNH TCSC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Xuất phát từ nguyên lý làm việc và nguyên tắc điều khiển tổng trở của TCSC đã nêu trên, có thể đề xuất mô hình tính toán của TCSC nhƣ sau.
Hình 2.20. Mô hình tính toán của TCSC
Ở đây TCSC đƣợc thay thế bằng một điện kháng có thể thay đổi đƣợc bằng cách thay đổi góc mở α của thyristor theo công thức (2.23) nhƣ sau
Phạm vi điều chỉnh của XTCSC(α) phụ thuộc chủ yếu vào việc lựa chọn giá trị XC của tụ điện và XL của điện kháng bộ TCR. Khi XTCSC ≤ 0 thì TCSC hoạt động với tính cảm. Khi XTCSC ≥ 0 thì TCSC hoạt động với tính dung.
2.6. ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ BÙ DỌC TCSC TRONG HTĐ 2.6.1. Thiết bị bù dọc trong việc truyền tải công suất 2.6.1. Thiết bị bù dọc trong việc truyền tải công suất
Cơ sở cho việc áp dụng thiết bị bù dọc công suất phản kháng là để giảm ảnh hƣởng của điện kháng trên đƣờng dây truyền tải từ điểm phát đến điểm nhận. Điện kháng X trong quan hệ P =V2/Xsinδ đặc trƣng cho mối quan hệ truyền tải công suất trên một đƣờng dây đơn. Xem xét mô hình 2 máy phát đơn giản với 1 tụ điện bù dọc trên 1 đƣờng dây đơn. Xem xét mô hình 2 máy phát đơn giản với một tụ điện bù dọc trên đƣờng dây, mà để đơn giản trong việc nghiên cứu, chung ta giả thiết rằng tụ điện đƣợc tạo nên từ 2 phần bằng nhau nhƣ hình 2.20a.
Hình 2.21. (a) Hệ thống 2 máy phát với thiết bị bù dọc công suất phản kháng, (b) đồ thị véc tơ; (c) các đường cong công suất tác dụng và công suất phản kháng qua tụ bù dọc với góc lệch các đường cong công suất tác dụng và công suất phản
kháng qua tụ bù dọc với góc lệch .
Điện áp và dòng điện pha tƣơng ứng đã đƣợc chỉ ra trong hình 2.21 (b). Nhận thấy rằng, khi điện áp ở 2 đầu đƣờng dây nhƣ nhau, biên độ của điện áp tổng dọc theo điện kháng đƣờng dây, Vx = 2Vx/2 tăng lên khi có điện áp ngƣợc chiều Vc dọc theo tụ điện bù dọc.
Điện kháng thực trên đƣờng dây truyền tải Xeff khi có thiết bị bù dọc công suất phản kháng đƣợc xác định bằng:
Xeff = X – XC (2.23)
Hoặc Xeff = (1-k)X (2.24) Trong đó, k là hệ số bù dọc, do đó:
k = Xc/X 0 ≤ k < 1 (2.25)
Giả thiết VS=Vr =V trong hình 2.23b, dòng điện trong đƣờng dây đƣợc bù và công suất tác dụng truyền tải tƣơng ứng có thể lấy đƣợc theo các công thức sau:
(2.26)
Công suất phản kháng phát ra bởi tụ điện bù dọc theo công thức sau: (2.28)
Mối quan hệ giữa công suất tác dụng P, công suất phản kháng của tụ điện bù dọc QC, và góc đã đƣợc vẽ trên đồ thị với các giá trị thay đổi của hệ số bù dọc k trong hình 2.21(c). Có thể thấy độ dốc của công suất truyền tải tăng lên theo hệ số bù dọc k. Công suất phản kháng do tụ điện bù dọc phát ra cũng tăng đột ngột cùng với k và thay đổi cùng với góc giống nhƣ công suất phản kháng của đƣờng dây.
Các mối quan hệ giữa mô tả thiết bị bù dọc công suất phản kháng có thể đƣợc giải thích theo tính chất vật lý. Trở kháng của tụ điện trong máy bù dọc khử một phần điện kháng của bản thân đƣờng dây và vì vậy tổng trở kháng của đƣờng dây truyền tải theo (2.23), đã giảm đi giống nhƣ đƣờng dây bị ngắn lại. Giải thích đúng đắn về mặt vật lý sẽ giúp để hiểu rõ các bộ điều khiển công suất cơ sở chuyển đổi, mà ở đó, để tăng dòng điện (tƣơng ứng với công suất truyền tải) trong một đƣờng dây thực, trở kháng dọc đƣợc đƣa vào trong đƣờng dây làm cho điện áp dọc theo tổng trở kháng tăng lên. Điều đó có thể đƣợc thực hiện bởi các phần tử mạch nối tiếp thích hợp, giống nhƣ một tụ điện, trở kháng của nó sẽ tạo ra điện áp ngƣợc với điện áp dọc theo điện kháng đƣờng dây (nhƣ đồ thị hình 2.21(b) đã chỉ ra), bởi vậy nó đã gây ra điện áp sau cùng đƣợc tăng lên. Bởi vậy, phần tử mạch bù xắp xếp theo thứ tự có thể đƣợc hình dung nhƣ là một nguồn điện áp xoay chiều mà trực tiếp đƣa điện áp bù nhƣ mong muốn vào dọc với đƣờng dây.
2.6.2. Thiết bị bù dọc nâng cao ổn định điện áp
Thiết bị bù dọc công suất phản kháng đƣợc sử dụng để giảm điện kháng đƣờng dây, cực tiêu dao động điện áp ở đầu ra và để giảm khả năng sụp đổ điện áp. Một hệ thống điện đơn giản với điện kháng đƣờng dây X, điện kháng bù dọc Xc, và tổng trở của tải Z đã đƣợc chỉ ra ở hình 2.22 (a). Các đồ thị ở hình 2.22 (b) là mối quan hệ giữa điện áp đầu đƣờng dây V và công suất tác dụng P truyền tải trên đƣờng dây trong trƣờng hợ tải thuần trở bằng 0.5 theo các hệ số bù dọc công suất phản kháng khác nhau. Các đƣờng cong cho thấy sự ổn định điện áp phụ thuộc vào
làm tăng một cách đáng kể giới hạn ổn định điện áp. Thiết bị bù dọc công suất phản kháng làm giảm bớt một phần điện kháng đƣờng dây và do đó cung cấp một nguồn điện áp lớn cho tải. Để tăng đƣợc giới hạn ổn định điện áp của đƣờng dây truyền tải, thiết bị bù dọc công suất phản kháng có hiệu quả hơn nhiều so với thiết bị bù ngang công suất phản kháng mà có cùng công suất định mức.
Hình 2.22. Công suất truyền tải và giới hạn ổn định điện áp của đường dây truyền tải khi có máy bù dọc công suất phản kháng
2.7. KẾT LUẬN
Sau khi tìm hiểu cấu tạo và các đặc tính làm việc của các thiết bị SVC, TCSCcho thấy:
TCR là phần tử chính trong các thiết bị bù SVC và TCSC nhằm tăng cƣờng tính linh hoạt của đƣờng dây truyền tải trong HTĐ. Khi dòng điện đi qua TCR, ngoài thành phần cơ bản nó sinh ra các thành phần song hài bậc cao. Các thành phần này sẽ ảnh hƣởng không tốt đến các chế độ vận hành HTĐ, vì thế ta phải sử dụng thêm các bộ lọc song hài.
Để đánh giá đƣợc khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện để giữ ổn định điện áp, TCSC trong hệ thống điện để nâng cao khả năng truyền tải ta sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán và đánh giá hiệu quả của thiết bị trên lƣới điện mẫu 12 nút.
CHƢƠNG 3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ FACTS (SVC, TCSC) TRONG LƢỚI ĐIỆN MẪU 12NÚT
3.1. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E 3.1.1. Tổng quan về phần mềm PSS/E 3.1.1. Tổng quan về phần mềm PSS/E
PSS/E (Power System Simulator for Engineering) PSS/E là phần mềm mô phỏng HTĐ trên máy tính nhằm mục đích tính toán nghiên cứu phục vụ vận hành cũng nhƣ quy hoạch HTĐ. Phiên bản đầu tiên của PSS/E ra đời vào năm 1976, phiên bản đƣợc sử dụng là PSS/E Version 30.2
Các chức năng chính của PSS/E:
- Tính toán trào lƣu công suất - Tính toán ngắn mạch
- Tính toán tối ƣu hóa trào lƣu công suất - Tính toán ổn định
Giao diện chính của chƣơng trình: nhƣ hình 3.2
Hình 3.2. Giao diện chính của chương trình PSS/E
3.1.2. Mô tả các phần tử trong PSS/E
- Buses (nút): Bus là thành phần quan trọng cần khai báo đầu tiên trong PSS/E, mọi phần tử khác sẽ đƣợc nối vào Bus.
+ Bus Number + Bus Name
+ Base kV: điện áp của Bus (thông thƣờng tại 1 trạm điện mỗi cấp điện áp sẽ là 1 Bus).
+ Area, Zone
+ Code (xác định xem Bus là loại gì: 1 - nút tải (PQ), 2 - nút nguồn (PV), 3 - nút Swing, 4 - nút cô lập).
*Khi nút PV không giữ được điện áp thì code tự động chuyển thành -2.
+ Các Swing Bus hiện tại: Hà Khẩu (7001), Tân Kiều (7052), M_M_TIAO (7101), MA_GUAN (7152), THAMCAU (7201), HBINH_H1 (28610).
- Branches (Nhánh): + From Bus
+ To Bus
+ Id (thứ tự các mạch song song)
+ Line R (RL), line X (XL), Charging (BL). + In-service (đƣờng dây vận hành hay không)
+ RateA, RateB, RateC: các mức mang tải (thƣờng chỉ sử dụng RateA)
+ Line B (From); Line B (To): dùng để mô tả kháng bù ngang trên HTĐ 500kV.
+ Length: chiều dài đƣờng dây (km)
Hình 3.3. Dữ liệu các nhánh trong PSS/E
- Phụ tải đƣợc mô tả gồm các thành phần: + Bus Number/bus name
+ Id (khi có nhiều Load tại 1 Bus) + Area/Zone: Miền phụ tải/vùng phụ tải + In-service
Dùng lệnh Scale để thay đổi Load của cả hệ thống hoặc miền, hoặc một khu vực cụ thể (thông qua các Area/Zone của khu vực đó).
Có thể hiệu chỉnh hệ số Cos(φ) (Power Factor) khi tính các chế độ khác nhau.
Hình 3.4. Dữ liệu các phụ tải trong PSS/E
- Máy phát điện đƣợc mô tả trong 2 Tab: Machines và Plants - Machines: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Bus Number/Bus Name + Id, In-service.
+ Pgen: Công suất phát của tổ máy, giá trị này thƣờng xuyên phải thay đổi tùy thuộc vào cấu hình nguồn tính toán, riêng swing bus (code 3) chƣơng trình sẽ tự tính Pgen.
+ Pmax, Pmin: Công suất tối đa của tổ máy, có thể thay đổi theo cột nƣớc thủy điện hoặc số lò nối vào ST (TBK).
+ Qmax, Qmin: có thể thay đổi. Ví dụ: khi Ialy phát thì Qmin = -40, khi bù thì Qmin = -100 (đối với các tổ máy H1, H3, H4).
Hình 3.5. Dữ liệu các máy phát trong PSS/E
- Một số Machines đặc biệt:
+ Các nút Trung Quốc cấp điện cho Việt Nam đƣợc coi là các Machines đặt tại Swing Bus.
+ SVC - Việt Trì, SVC - Thái Nguyên đƣợc coi là các Machines có P = 0; khai báo Qmax, Qmin.