1.5.1 Đóng tụ điện vào nguồn áp
Mạch điện bao gồm một tụ điện mắc nối tiếp với một cặp thyristor song song ngược chiều nhau. Các phần tử này được cung cấp bởi một nguồn điện lí tưởng có điện kháng và điện trở bằng 0. Tác giả sẽ phân tích dòng điện quá độ khi đóng tụ điện vào nguồn áp trong hai trường hợp:
- Điện áp trong tụ không bằng điện áp nguồn cung cấp khi điều khiển mở van thyristor. Ngay sau khi điều khiển mở van thì dòng điện có cường độ rất lớn chạy qua tụ và nạp cho tụ một điện áp trong thời gian rất ngắn. Các thiết bị đóng cắt bằng
24
thyristor có thể không chịu được quá trình này và dẫn đến các van bị phá thủng.
- Điện áp trên tụ điện bằng điện áp nguồn cung cấp khi van thyristor được mở như miêu tả hình (1.14). Phân tích chỉ ra rằng dòng điện sẽ tăng nhanh ngay lập tức đến chế độ xác lập, chế độ xác lập đạt được chỉ trong một thời gian ngắn. Mặc dù dòng điện không tăng lớn hơn giá trị xác lập nhưng tốc độ tăng dòng di/dt rất nhanh là cho các van thyristor không thể chịu được tốc độ biến thiên đó dẫn đến bị đánh thủng.
Hình 1.14 Đóng tụ điện vào nguồn áp
(a) Sơ đồ mạch điện (b) Dạng điện áp và dòng điện
Qua phân tích cả hai trường hợp trên tụ điện, nếu chỉ sử dụng một tụ điện nối trực tiếp sẽ dẫn đến đánh thủng các thiết bị đóng cắt tụ, vì vậy mạch điện đơn giản của TSC là không phù hợp. Để khắc phục nhược điểm trên, nối thêm ở mỗi nhánh tụ một cuộn kháng nhỏ.
1.5.2 Đóng tụ điện và cuộn cảm nối tiếp vào nguồn áp
Để khắc phục những vấn đề đưa ra trước đó, người ta thường thêm nối tiếp với tụ điện một cuộn kháng như hình (1.15). Điện áp nguồn được mô tả bởi:
25
0 ( ) sin
v t V t
(1.24) Phân tích dòng điện sau khi đóng van thyristor tại t = 0 được kết quả:
2
0 0 2
( ) cos( ) sin sin cos cos
1 AC C C n AC n n i t I t nB V V t I t n (1.25)
Hình 1.15 Một TSC với kháng mắc nối tiếp
Tần số tự nhiên được mô tả:
0 1 n n LC (1.26)
Và trên mỗi đơn vị tần số:
C n L X X (1.27) C L AC C L B B I V B B (1.28)
Ở đây, VC0 là điện áp ban đầu của tụ điện tại thời điểm t = 0
1.5.3 Cấu tạo của TSC
Một TSC một pha cơ bản bao gồm một cặp van thyristor được mắc song song và ngược chiều nhau, nó sẽ hoạt động như một chuyển mạch hai chiều nối tiếp với tụ điện và một cuộn kháng nhỏ hạn dòng, được mô tả như hình 1.16(a). Chuyển mạch thyristor cho phép dẫn hai nửa chu kì. Tụ điện thì không điều khiển được góc
26
pha như TCR.
Van thyristor được mở tức thời khi điện áp tối thiểu được cảm ứng thông qua những van này đều giảm thiểu tối đa sự chuyển mạch tức thời. Ngoại trừ thời điểm chuyển mạch, dòng điện qua TSC có hình sin và không phụ thuộc vào các sóng điều hòa, do vậy hạn chế việc sử dụng các bộ lọc.
Hình 1.16 Sơ đồ cấu tạo của các TSC. (a) TSC một pha. (b) TSC ba pha mắc tam giác. (c) TSC ba pha mắc hình sao kết nối với thứ cấp máy biến áp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cuộn kháng nhỏ nối tiếp được cài đặt để hạn dòng tức thời trong trường hợp quá áp, cũng như khi chuyển mạch tới thời điểm không chính xác hoặc là khi phân cực điện áp không đúng. Độ lớn của cuộn cảm được lựa trọn để đưa một tần số cộng hưởng cho bốn hoặc năm lần tần số cơ bản của hệ thống, điều này đảm bảo cảm kháng không tạo ra một mạch cộng hưởng điều hòa với mạng lưới mà cũng không cản trở hệ thống điều khiển TSC. Một chức năng nữa của cuộn kháng nối tiếp này là hoạt động trong sự kết hợp với tụ điện như một bộ lọc cho sóng hài được tạo ra bởi TCR. Trong một số trường hợp, mạch xả được cung cấp với các tụ điện
27
để nhanh chóng tiêu tán điện nạp trên các tụ điện sau khi ngắt mạch.
Một TSC ba pha bao gồm ba TSC một pha được kết nối hình tam giác, nó thường được cấp điện bởi cuộn thứ cấp mắc tam giác của một máy biến áp hạ áp như hình 1.17(c). Bộ bù thực tế gồm n khối TSC ba pha trên các nhánh có vai trò như nhau. Nhìn chung điện nạp TSC tổng bằng tổng các điện nạp thành phần. Trong một số trường hợp những tiêu chuẩn của các TSC thành phần khác nhau có thể được lựa chọn dựa trên hệ nhị phân. Trong hệ thống này n-1 tụ điện được định mức cho điện nạp B và một tụ điện được định mức cho điện nạp B/2. Do vậy tổng số các bước TSC có thể tăng lên 2n.
Hình 1.17 Sơ đồ một bộ TSC bao gồm n các khối TSC
TSC cung cấp một tín hiệu phản hồi nhanh chóng giữa nửa chu kì tới một chu kì. Tuy nhiên thời gian phản hồi này có thể tăng lên bởi sự trễ trong hệ thống đo đạc và kiểm soát.
1.5.4 Nguyên lý hoạt động của TSC
TSC có một đặc tuyến làm việc là V-A như hình 1.18. Dạng đặc tuyến này là một hàm số của số lượng TSC, với các thông số xác lập, và một điện áp trễ Δv được xây dựng để tránh sự chuyển mạch thường xuyên không mong muốn của tụ điện. Sự hoạt động của điện áp điều khiển trong vòng kín, TSC điều khiển điện áp lưới trong khoảng Vref ± Δv/2
28
Hình 1.18 Đặc tuyến làm việc của TSC
Trong chế độ xác lập, khi thyristor đóng và TSC được nối tiếp với nguồn xoay chiều
v = Vsinωt thì dòng điện trong nhánh sẽ là: 2 2 n i(ωt)=V ωCcosωt n -1 (1.29) Trong đó: L 2 C 1 X n= = X ω LC (1.30)
Biên độ của điện áp tụ là: 2
c 2 n V = V
n -1 (1.31)
Nhánh TCR có thể không được nối nào hệ thống lúc dòng điện bằng 0. Khi dòng điện qua giá trị 0, điện áp đạt giá trị cực đại:
2 c,i=0 2
n
V = V
n -1 (1.32)
Tụ điện không được nối sẽ giữ điện áp ở mức này và dẫn đến điện áp quá thyristor không dẫn dòng thay đổi từ 0 lên đến giá trị biên độ dao động kép của điện áp nguồn. Nếu điện áp của tụ bị ngắt vẫn không đổi, TSC có thể đóng lại mà không có quá trình quá độ, tại giá trị đỉnh của điện áp nguồn.
29
Hình 1.19 Dạng sóng minh họa quá trình đóng cắt không có quá độ của TSC
Thông thường các bản tụ điện bị phóng điện sau khi ngắt ra khỏi nguồn, vì thế việc nối lại các tụ điện này sẽ phải thực hiện với phần điện áp dư trên tụ nằm trong khoảng giữa giá trị 0 và giá trị lớn nhất của tụ vC,i=0 = Vn2/(n2-1). Điều này có thể đi kèm với nhiễu quá độ nhỏ nhất trên van thyristor đóng ở những thời điểm điện áp dư trên tụ và điện áp nguồn bằng nhau, nghĩa là khi điện áp qua thyristor bằng 0.
Các quá trình quá độ này gây ra bởi các thành phần dv/dt khác 0 ở thời điểm đóng, nếu như không có điện kháng nối tiếp sẽ tạo ra dòng điện tức thời iC=Cdv/dt ( dòng điện này biểu thị cho giá trị tức thời của dòng điện qua tụ chế độ xác lập tại thời điểm đóng khóa). Tác động qua lại giữa tụ điện và điện kháng hạn chế dòng điện, cùng với điện trở, sinh ra dao động quá độ, có thể thấy trên dạng sóng của điện áp và dòng điện.
Những điều kiện để đóng tụ điện không quá độ:
- Nếu điện áp dư trên tụ điện thấp hơn đỉnh điện áp AC(VC<V) thì thời điểm tốt để đóng là khi điện áp AC tức thời cân bằng với điện áp của tụ điện.
30
nguồn (VC>V) thì thời điểm đóng sẽ là khi điện áp nguồn đạt cực đại, khi đó điện áp van thyristor là nhỏ nhất.
Hình 1.20 Đặc tính V-I của TSC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ các phân tích trên, góc trễ lớn nhất để đóng các bản tụ điện là cả chu kì của điện áp nguồn, nghĩa là khoảng thời gian từ đỉnh dương (hoặc âm) tới đình dương (hoặc âm) tiếp theo. Và cũng có thể thấy rằng điều khiển góc trễ đánh lửa không áp dụng với tụ điện, việc đóng tụ điện chỉ có thể diễn ra ở thời điểm cụ thể trong mỗi chu kì mà các điều kiển để quá trình quá độ diễn ra đỡ phức tạp nhất. Vì lí do này mà TSC chỉ có thể cung cấp sự thay đổi theo bậc dòng điện cảm (giá trị lớn nhất hoặc 0). Nói cách khác, nhánh TSC biểu thị cho một điện dung hoặc là nối đất hoặc là ngắt ra khỏi hệ thống. Dòng điện trong nhánh TSC thay đổi tuyến tính với điện áp nguồn tùy thuộc vào điện dung của tụ điện. Điện áp nguồn lớn nhất và dòng điện tương ứng bị giới hạn bởi định mức của các thành phần TSC (tụ điện và van thyristor).
1.4 Các cấu hình của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC 1.4.1 Cấu hình của FC-TCR 1.4.1 Cấu hình của FC-TCR
Trong cấu hình này, thiết bị SVC bao gồm bộ TCR và các khối tụ cố định FC mắc song song với nhau. Các TCR được ước lượng lớn hơn các tụ cố định dùng để
31
bù dung kháng trên đường dây và cung cấp điện kháng cho hệ thống có hệ số công suất thấp hoạt động như mong muốn. Các khối tụ thường được nối thành hình sao. Mỗi tụ bao gồm một điện dẫn xoay chiều nối tiếp với tụ và các nhánh xoay đóng vai trò như bộ lọc sóng hài bậc lẻ. Ví dụ, một nhóm tụ được xoay tới tần số của hài bậc 5 và nhóm khác xoay tới hài bậc 7, trong khi đó các nhóm chưa được sử dụng thì thiết kế đóng vai trò làm các bộ lọc thông hài bậc cao.
Hình 1.21 Cấu hình FC-TCR
Ưu điểm của cấu hình này là giá thành rẻ, về mặt kinh tế dễ chấp nhận. Tuy nhiên cấu hình này có một nhược điểm đó là việc duy trì dòng điện lớn trong vòng FC-TCR. Điều này dẫn tới tổn thất điện áp cao, ngay cả khi SVC trao đổi công suất phản kháng với lưới điện. Tổn thất của một thiết bị FC-TCR nằm trong khoảng từ 0,5% đến 0,7% công suất định mức. Tuy nhiên, có thể hạn ché được tổn thất này bằng cách đóng cắt các tụ Fixed thông qua các máy cắt cơ học, đảm bảo tụ chỉ được thêm vào mạch bù khi cần. Vì thế nên các bộ TCR công suất nhỏ được sử dụng và do đó tổn thất hoạt động có thể được giảm thiểu. Trong thực tế, thiết bị SVC có cấu hình FC-TCR có công suất là 300MVA.
1.4.2 Cấu hình MSC-TCR
Trong cấu hình này, thiết bị SVC bao gồm bộ TCR và các bộ tụ điện đóng cắt bằng chuyển mạch cơ khí. Bộ TCR được mắc với thanh cái thông qua một máy
32
biến áp ghép. Tùy theo yêu cầu, các bộ tụ điện có thể được mắc song song với bộ TCR như hình 1.22 (b) hoặc được đặt tại thanh cái cao áp như hình 1.22(a).
Hình 1.22 Cấu hình MSC-TCR
Cấu hình này có ưu điểm vượt trội hơn cấu hình FC-TCR do có tụ đóng cắt chuyển mạch cơ khí. Điều này sẽ làm cho việc đóng cắt tụ vào mạch bù chở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên nhược điểm của MSC-TCR là tốc độ phản ứng chậm. Tốc độ của một khóa chuyển mạch là có thể mở trong khoảng tám chu kỳ và đóng trong hai chu kỳ. Một vấn đề khác liên quan đến cấu hình MSC-TCR là một phần dung lượng sạc luôn để lại trên các tụ sau khi đã khóa lại. Phần dung lượng còn dư này thường được xả qua các điện trở xả trong khoảng năm phút sau khi đã khóa tụ, dung lượng này có thể dẫn tới việc tăng quá độ lúc chuyển mạch. Các MSC chỉ có thể chuyển mạch khi mà các tụ đã được xả hết năng lượng, đây cũng là một nhược điểm của thiết bị SVC sử dụng cấu hình MSC-TCR. Để hỗ trợ việc làm tiêu tán năng lượng với thời gian nhỏ hơn 0,15s là mắc thêm vào một máy biến áp với lõi từ nhỏ ví như một máy biến thế, mắc song song với mỗi pha của các bộ tụ.
Các chuyển mạch cơ có thời gian sử dụng là hữu hạn, điển hình khoảng từ 2000-5000 lần hoạt động. Các MSC thường đóng cắt hai tới năm lần một ngày. Chúng được loại bỏ khi tải nhẹ và đóng vào khi tải nặng. Với các ứng dụng có điện áp trải qua biến động thường xuyên thì thiết bị SVC có cấu hình MSC-TCR là không thích hợp. Tổn hao trong các mạch chuyển tụ bằng cơ khí là khá thấp, chúng
33
nằm trong khoảng 0,02% đến 0,05%. Vì tụ điện rất nhạy cảm với điện áp nên trong trường hợp quá điện áp và quá dòng thì cần ó chế độ bảo vệ thích hợp.
1.4.3 Cấu hình TSC-TCR
Cấu hình này sử dụng loại tụ điện đóng cắt bằng thyristor, cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (TSC-TCR) ban đầu được phát triển để bù động các hệ thống truyền tải điện với ý định giảm thiểu các tổn thất dự phòng và tăng độ linh hoạt vận hành. Cấu hình TSC-TCR một pha cơ bản cho trên hình (1.23). Với một khoảng công suất điện dung đầu ra đã cho, về cơ bản nó gồm n nhánh TSC và một bộ TCR. Số lượng nhánh n được xác định bởi các yêu cầu thực tế kể cả mức điện áp vận hành, công suất phản kháng đầu ra, công suất dòng điện của các van thyristor, nút làm việc và chi phí lắp đặt… Dĩ nhiên, khoảng dẫn điện cũng có thể mở rộng đến công suất cực đại bất kì bằng cách sử dụng thêm các nhánh TCR.
Hình 1.23 Máy phát công suất phản kháng tĩnh loại TSC-TCR và công suất của nó so với công suất phản kháng đầu ra
Sự vận hành máy phát công suất phản kháng loại TSC-TCR cơ bản có thể được mô tả như sau:
34
nhất, công suất đầu ra máy phát công suất phản kháng có thể điều khiển trong khoảng từ 0 đến QCmax/n, ở đây QCmax là tổng công suất tất cả các nhánh TSC. Trong khoảng này, một bộ tụ được đóng, và ngay lập tức dòng điện trong TCR được đặt theo độ trễ góc mở thích hợp để tổng công suất phản kháng đầu ra của TSC (âm) và của TCR (dương) bằng tổng công suất điện dung đầu ra theo yêu cầu. Trong khoảng thứ 2, thứ 3 … công suất đầy ra có thể điều khiển được trong các khoảng QCmax/n đến 2QCmax/2 … đến nQCmax/n bằng cách đóng bộ tụ thứ 2, 3 .. n và sử dụng TCR để hấp thụ công suất phản kháng điện dung dư thừa.
Bằng cách có thể đóng các bộ tụ vào và ra trong vòng một chu kì điện áp AC, công suất phản kháng điện dung dư thừa cực đại trong toàn bộ dải công suất đầu ra có thể bị giới hạn tạo ra bởi một bộ tụ, và vì vậy về lí thuyết TCR có cùng công suất phản kháng với TSC. Tuy nhiên để đảm bảo rằng các điều kiện đóng cắt tại các điểm cuối các khoảng không vô định, công suất phản kháng của TCR phải lớn hơn một ít trong thực tế so với công suất phản kháng của TSC để có đủ sự gối chồng lên nhau (hiện tượng trễ) giữa các mức công suất phản kháng đóng vào và cắt ra.
Nhu cầu công suất phản kháng so với đặc điểm công suất phản kháng đầu ra của máy phát công suất phản kháng loại TSC-TCR. Công suất phản kháng điện dung đầu ra QC thay đổi theo kiểu bậc bởi các TSC để gần bằng nhu cầu công suất phản kháng với sự dư thừa công suất phản kháng điện dung thực, và công suất phản kháng điện điện cảm đầu ra tương đối nhỏ của TCR, QL dùng để khử các công suất