Sơđồ khối điều khiển chức năng của SVC được chỉ trên Hình 2.20.
Hình 2.20: Sơđồđiều khiển chức năng của SVC.
Nó cung cấp 3 chức năng chính sau:
1. Xác định số lượng nhánh TSC cần dùng để xấp xỉ dòng điện đầu ra cảm kháng theo yêu cầu (độ dư thừa dương), và tính toán biên độ của dòng điện cảm cần
để triệt tiêu dòng điện dung dư thừa.
2. Điều khiển đóng cắt các nhánh TSC mà không có quá độ.
3. Thay đổi dòng điện trong TCR bằng cách điều khiển góc trễđánh lửa.
Để thực hiện các chức năng này người ta sử dụng các khối đo lường và điều khiển, như trên Hình 2.21:
50
Hình 2.21: Sơđồ khối hệ thống điều khiển của SVC.
Ta sẽ lần lượt xét các khối cơ bản trong sơđồ khối của HT điều khiển SVC.
2.3.2.1. Khối đo lường (Measurement System):
Hệ thống đo lường cung cấp các đầu vào cần thiết cho bộ điều khiển SVC. Các đầu vào khác nhau phụ thuộc vào các chức năng và mục đích khi sử dụng SVC. Chúng tương ứng với 3 chếđộđiều khiển cơ bản SVC là:
• Điều khiển điện áp dựa trên điều khiển cân bằng 3 pha của SVC. a. Điện áp trung bình/hiệu dụng 3 pha chỉnh lưu.
b. Điện áp thứ tự thuận.
c. Dòng điện trung bình/hiệu dụng 3 pha. d. Điện áp bình phương V2.
• Điều khiển công suất phản kháng/ điện áp pha. a. Các điện áp pha.
b. Điện áp thứ tự thuận và nghịch. c. Điện áp bình phương V2. d. Các dòng điện pha.
e. Công suất phản kháng pha.
• Điều khiển phụ để tăng cường khả năng chống rung của hệ thống, sử dụng các tín hiệu sau:
a. Dòng điện trên đường dây truyền tải. b. Góc pha của nút.
51 c. Tần số nút.
d. Vận tốc góc hoặc năng lượng tăng tốc của máy phát đồng bộ.
Các tín hiệu này có thể được đo trực tiếp hoặc được rút ra từ hệ thống điều khiển sử dụng các tín hiệu dòng và áp cơ bản. Sơ đồ khối của hệ thống đo lường trên Hình 2.22.
Hình 2.22: Mạch đo của module điều khiển cho SVC.
2.3.2.2. Khối điều chỉnh điện áp:
Khối điều chỉnh điện áp SVC xử lý các biến hệ thống và tạo ra các tín hiệu
đầu ra tỉ lệ với công suất phản kháng cần bù theo yêu cầu ổn định điện áp. Các biến
điều khiển và các hàm truyền khác nhau của bộ điều chỉnh điện áp tùy thuộc vào
ứng dụng SVC cụ thể.
Các biến điều khiển được so sánh với tín hiệu chuẩn Vref và tín hiệu độ lệch sẽ
là đầu vào của các hàm truyền. Đầu ra của bộ điều khiển là tín hiệu điện dẫn BRef làm giảm tín hiệu độ lệch đến giá trị 0 ở chế độ xác lập. Tín hiệu điện dẫn này sẽ được truyền tới mạch phát xung.
Tùy thuộc cấu tạo và các tín hiệu điều khiển, SVC có thể được mô tả như 2 khâu tích phân theo dòng và áp (hình 2.23a), khâu tích phân có phản hồi âm (hình 2.23b), một khâu quán tính cấp 1 (hình 2.23c).
Trên hình 2.23a, dòng điện SVC được đo và nhân với hệ số KSL tạo thành VSL
52
SVC là dòng điện cảm và giảm điện áp so sánh khi dòng điện dung. RR là tốc độ đáp ứng, biểu thị cho thời gian mà SVC cần để chuyển từ trạng thái dung kháng sang cảm kháng, tương ứng khi độ lệch điện áp là 1pu.
Trong một số trường hợp, rất khó để có được tín hiệu dòng điện. Điều này xảy ra khi SVC hoạt động gần trạng thái “floating”, là trạng thái mà công suất phản kháng bằng 0. Tín hiệu dòng điện khi đó sẽ chủ yếu chứa các thành phần sóng hài và thành phần cơ bản của dòng điện tác dụng tương ứng với tổn thất công suất tác dụng trong SVC. Để giải quyết khó khăn này, trong 1 số bộ điều khiển SVC người ta tính toán công suất phản kháng và dùng nó làm tín hiệu hồi tiếp thay vì sử dụng dòng điện SVC. Bằng cách nhân dòng điện pha trong SVC với điện áp tần số cơ bản chậm pha so với điện áp thực tế 900.
Hình 2.23b, người ta sử dụng phản hồi điện dẫn. Với giả thiết là điện áp nút SVC giữ gần 1pu, vì thế dòng điện SVC bằng BRef.VSVCđược tính như BRef.
Hình 2.23: Các cách thức điều chỉnh điện áp:
a) Bộ tích phân với phản hồi lấy từđiện dẫn. b) Bộ tích phân với phản hồi dòng điện.
53
Hệ thống điều khiển vòng lặp kín có thểđơn giản hóa dưới dạng hằng số thời gian khuếch đại như trên hình 2.23c. Hệ số khuếch đại tĩnh 1
R SL K K = , hằng số thời gian R R SL R T K = . Hệ số khuếch đại động, KT đặc trưng cho bản chất động của bộ điều chỉnh điện áp, được xác định như sau: T R R K K T = . Dạng sử dụng dòng điện đảm bảo mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu cực SVC và dòng điện trong dải điều khiển của SVC. Trong khi đó, dạng phản hồi điện dẫn cung cấp quan hệ tuyến tính giữa điện dẫn SVC và điện áp, do đó mối quan hệ
giữa dòng điện và điện áp là phi tuyến khi có sự biến thiên điện áp.
Ưu điểm của mô hình sử dụng dòng điện là đặc tính tĩnh (được mô tả bởi KR) và đặc tính động có thể xác định độc lập. Trong mô hình 2.23c, đặc tính trạng thái xác lập và quá độ có liên quan đến nhau thông qua các thông số KR và TR, mô hình này thường được sử dụng khi mô hình SVC trong các nghiên cứu về SVC. Bảng 2.1
đưa ra một số ví dụ cụ thể về mối quan hệ giữa các thông số khác nhau và dải biên
độđiển hình của chúng.
Dạng hằng số thời gian khuếch đại Dạng tích phân Điều chỉnh Tốc độ
KR (pu) TR (s) KT (pu/s) DR (%) RR (ms/pu)
Chặt Chậm 100 2,0 50 1 20
Chặt Nhanh 100 0,2 500 1 2
Trung bình Chậm 20 0,4 50 5 20
Trung bình Nhanh 20 0,04 500 5 2
Bảng 2.1: Các thông số bộđiều chỉnh điện áp SVC điển hình.
IEEE đưa ra 2 mô hình cơ bản cho SVC: mô hình SVC cơ bản 1 tương ứng với dạng hằng số thời gian và mô hình SVC cơ bản 2 tương ứng với bộ tích phân với dạng phản hồi dòng điện.
54
Hình 2.24: Mô hình cơ bản 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và mô hình bộđiều chỉnh điện áp (b).
Hình 2.24 là mô hình cơ bản 1, bộ điều chỉnh điện áp thuộc loại tỉ lệ và khuếch đại, với hệ số khuếch đại KR (bằng nghịch đảo của độ dốc dòng điện) thường nhận giá trị trong khoảng 20pu (độ dốc 5%) đến 100pu (độ dốc 1%). Mô hình này thường được sử dụng trong các nghiên cứu sơ bộ. Hằng số thời gian TR
thường nằm trong khoảng 20-150ms, T1 và T2 bằng 0 trong hầu hết các trường hợp. Hàm truyền của bộđiều chỉnh trong mô hình này là:
1 2 1 1 1 R S R K sT G sT sT + = × + + (2.18)
Hình 2.25: Mô hình cơ bản 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và mô hình bộđiều chỉnh điện áp (b).
55
Hình 2.25 là mô hình cơ bản 2, bộđiều chỉnh điện áp thuộc loại tích phân hoặc tỉ lệ kết hợp với tích phân và độ dốc KSL có được qua phản hồi dòng điện. Việc cài
đặt độ dốc và hệ số khuếch đại là độc lập. Hằng số thời gian TS (0,01-0,05s) để
nâng cao khả năng điều khiển SVC. Hệ số tỉ lệ KP sử dụng để tăng tốc độđáp ứng. Hàm truyền của bộđiều chỉnh trong mô hình này là:
1 1 ( ) 1 Q p sT K G s s sT + = × + (2.19) Với: 1 p Q Q K T T K = + (2.20)
TP thường được giữở giá trị 0, vì thế bộđiều khiển thuộc loại PI đơn giản.
2.3.2.3. Khối đồng bộ hóa:
Mục đích của khối đồng bộ là phát ra các xung chuẩn để so sánh đồng bộ với thành phần cơ bản của điện áp hệ thống. Các xung này được sử dụng ở khối phát xung để tính thời gian phát xung cho TCR và TSC. Hệ thống đồng bộ phải có các thuộc tính sau:
- Nhạy cảm khi điện áp nguồn bị méo. - Phát sóng hài ít nhất có thể.
- Không bị cản trở vận hành khi có sự cố trầm trọng. - Theo đúng tần số và góc pha của hệ thống.
- Khả năng tái đồng bộ nhanh chóng khi có sự xuất hiện lại của điện áp hệ
thống sau khi sự cố bị loại trừ.
Hiện nay thường sử dụng hệ thống đồng bộ dựa trên PLL (Phase-Locked Loop) như trên Hình 2.26.
56
PLL không chỉ cung cấp tín hiệu tại thời điểm qua 0 của điện áp cơ bản mà còn phát tín hiệu đếm thời gian cần thiết cung cấp cho bộ đếm số để tính góc đánh lửa.
Ngoài ra có thể dùng ngay điện áp AC để đếm thời gian. Tuy nhiên, khi hệ
thống gặp sự cố hoặc các nhiễu loạn lớn thì điện áp dao động và bị méo nhiều do đó rất khó giải quyết nếu dùng phương pháp này.
2.3.2.4. Khối phát xung :
Đây chính là khối thực hiện các chức năng của SVC. Điện dẫn tại đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới khối phát xung, để tạo ra các xung đánh lửa phù hợp cho các thiết bịđóng mở và điều khiển bằng thyristor của SVC sao cho đạt
được điện dẫn yêu cầu tại vị trí lắp đặt SVC. Ta lấy tín hiệu đầu vào dùng làm chuẩn so sánh IQRef - đặc trưng cho biên độ của dòng điện ra yêu cầu chia cho IC
(hoặc BQref chia cho BC – điện dẫn của 1 tụđiện). Kết quảđược làm tròn cho bộ tích hợp ở cấp cao hơn và đưa ra được giá trị về số lượng tụđiện cần dùng, giả sử là nC. Khác biệt về biên độ giữa tổng các dòng điện trong các tụđiện∑ICn và dòng điện chuẩn dùng để so sánh IQref (hoặc khác biệt về nC,BC và BQRef) cho ra 1 giá trị biên
độ ILF của dòng điện thành phần cơ bản theo yêu cầu.
Việc đóng cắt TSC cũng theo 2 quy tắc đơn giản để đóng cắt không quá độ.
Đó là, khóa tụ khi điện áp thyristor về 0 hoặc khi giá trị này nhỏ nhất (điều kiện thứ
nhất có thểđạt được nếu điện áp trên tụ nhỏ hơn giá trị cực đại của điện áp nguồn AC và trường hợp sau sẽ thỏa mãn ở các giá trị cực đại điện áp nguồn có cùng dấu với điện áp trên tụ). Việc phát xung đánh lửa thực tế cho thyristor trong TSC tương tự nhưđối với TCR ngoại trừ việc phải duy trì tính liên tục trong dẫn dòng khi dòng
điện được chuyển từ 1 nhánh thyristor đang mang dòng theo 1 chiều (VD: dương) sang nhánh khác mang dòng theo chiều ngược lại (VD: âm).
57
Việc điều khiển góc đánh lửa cho TCR được thực hiện như sau:
Hình 2.27: Sơđồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR.
Bộ phận thứ nhất là đồng bộ thời gian nhờ mạch vòng khóa pha chạy đồng bộ
với điện áp hệ thống và phát ra xung thời gian thích hợp tương ứng với đỉnh của
điện áp đó.
Bộ phận thứ 2 là chuyển đổi dòng điện sang góc đánh lửa. Thực hiện mạch thời gian thực về mối quan hệ toán học giữa biên độ của dòng điện thành phần cơ
bản ILF(α) của TCR và góc trễ α theo công thức 2.2. Ngoài ra có thể có 1 vài phương pháp tiếp cận mạch điện khác. Một là 1 máy phát hàm tương tự sinh ra trong mỗi nửa chu kỳ 1 tín hiệu điện đặc trưng cho mối quan hệ ILF(α) và góc trễα. Hai là có thể dùng “bảng tra số” cho hàm ILF(α), với các khoảng cách đều nhau (chẳng hạn 10), bắt đầu từ α =0 (tại đỉnh của điện áp) cho đến khi giá trị yêu cầu
được tìm thấy, tại đó xung đánh lửa được khởi động. Ba là sử dụng bộ vi xử lý và tính toán trước các góc trễ tương ứng với ILF(α). Góc đánh lửa thực được xác định
đơn giản bằng mạch thời gian (vd: mạch đếm) đo α từ thời điểm đỉnh của điện áp. Bộ phận thứ 3 là tính toán dòng điện cảm cơ bản yêu cầu ILF, từ dòng điện tổng IQ (tổng của IC và IL) xác định bởi biên độ dòng điện đầu vào chuẩn dùng để so sánh (IQref) tới điều khiển máy phát. Việc này được thực hiện đơn giản bằng cách lấy IQRef trừ biên độ của dòng điện qua tụ IC.
Bộ phận thứ 4 là phát xung đánh lửa cho thyristor. Nhờ mạch phát xung đánh lửa để phát xung cần thiết cho thyristor đóng phản ứng lại với các tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi dòng điện cảm sang góc đánh lửa. Mạch phát xung này đôi khi có điện thế đất, tuy nhiên, phổ biến hơn là chúng ở mức điện thế cao của các
58
thyristor. Trong trường hợp sau, để cung cấp đủ cách điện giữa điều khiển mức đất và mạch phát xung, thông tin cửa van thường được truyền qua sợi quang.
SVC được xem như là một điện dẫn phản kháng có thể điều chỉnh, mà khi nối với hệ thống AC, sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra có dạng hoàn toàn giống với tín hiệu đầu vào dùng làm tín hiệu chuẩn (tín hiệu này có thể là dòng điện hoặc điện dẫn phản kháng).