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 phản kháng điện dung dư thừa.
Sơ đồ này có thể xem như một tổ hợp đặt biệt: tụ cố định, cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (FC-TCR) trong đó công suất cuộn kháng được giữ tương đối nhỏ (bằng 1/n công suất điện dung cực đại đầu ra) và công suất của tụ thay đổi theo các bước gián đoạn để giữ sự vận hành của TCR nằm trong khoảng điều kiện bình thường.
35
CHƯƠNG II
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CÁC KHỐI ĐIỀU KHIỂN CỦA THIẾT BỊ SVC
2.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC
Bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC về mặt nguyên lý dùng để điều chỉnh góc mở của thyristor sao cho các thành phần chấp hành sinh ra hay tiêu thụ một lượng công suất phản kháng phù hợp với yêu cầu được đặt ra tức thời nhằm giữ ổn định điện áp. Một bộ SVC thường bao gồm các thành phần : Khối đo lường, khối điều chỉnh điện áp, bộ tạo xung cửa, hệ thống đồng bộ thông số, các khối điều khiển phụ trợ và bảo vệ.
Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC
2.2 Khối đo lường
Mục đích của khối này là do điện áp thứ cấp và dòng điện thứ cấp. Thông qua khối này, bộ điều khiển sẽ nhận được các giá trị điện áp, dòng điện, công suất tương ứng.
36
Hình 2.2 Sơ đồ mạch đo lường cho bộ điều khiển của thiết bị bù tĩnh SVC
2.2.1 Đo điện áp
Mục đích của khối đo điện áp:
Tạo một điện áp một chiều tỉ lệ với giá trị điện áp hiệu dụng của lưới điện ba pha tại tần số cơ bản. Quá trình đo lường điện áp của khối được miêu tả như sau. Điện áp trên đường dẫn của SVC được giảm xuống khi sử dụng biến áp hạ áp. Sau đó nó sẽ được xử lí qua một trong ba cách:
- Chỉnh lưu một chiều: AC – DC - Biến đổi trục tọa độ.
- Phân tích fourier.
a) Chỉnh lưu một chiều AC-DC
Việc chỉnh lưu sử dụng phương pháp chỉnh lưu hai nửa chu kì của điện áp xoay chiều ba pha sử dụng một mạch cầu diode sáu xung hoặc hai mạch cầu diode
37
sáu xung được cấp điện bởi điện áp xoay chiều lệch pha 300, tạo thành mạch chỉnh lưu 12 diode. Một mạch cầu sáu diode, khi n=1,2,…, thì cầu này sẽ sinh ra các hàm điều hoà với bậc 6nf0 ở phía DC, tương ứng với tần số hệ thống f0Hz. Một bộ lọc thông thấp thường được thiết kế ở phía DC để loại bỏ sóng tần số cao này.
b) Biến đổi trục tọa độ
Phương pháp này dựa vào sự chuyển đổi vô hướng ba pha (a,b,c) – hai pha (α,β), được định nghĩa theo công thức:
( ) ( ) 1 2 1 1 ( ) ( ) 3 0 3 3 ( ) a b c v t v t v t v t v t (2.1) Trong đó a,b,c, α và β là các giá trị tức thời của các thành phần trục điện áp tương ứng. Giá trị đỉnh của điện áp bus Vrms được tính toán theo công thức
Hình 2.3 Phướng pháp biến đổi tức thời đo giá trị tức thời của điện ba pha.
2 2
s
rm
V v v (2.2)
Sự mô phỏng kỹ thuật đo này được đưa ra ở hình 2.3. Với giả thiết không có thành phần nối tiếp điểm 0 nào tồn tại ở điện áp ba pha.
38
c) Phân tích Fourier
Một phương pháp khác cho việc tính toán độ lớn của điện áp cơ bản được dựa vào kỹ thuật phân tích Fourier. Phương pháp này không nhạy với hàm điều hoà và có thể được tiến hành trong các hệ thống điều khiển số một cách mềm dẻo. Nguyên tắc tính toán cho hệ thống đo một pha được miêu tả như hình 2. 4 (a).
Hình 2.4 Nguyên tắc hoạt động của hệ thống đo Fourier một pha (a) và hệ thống đo Fourier 3 pha (b)
Độ lớn của điên áp hiệu dụngVmeas(τ) tại thời điểm tức thời t được mô tả theo công thức :
2 2
meas
V (τ)= a +b (2.3)
Trong đó a và b là hệ số bậc nhất của chuỗi Fourier.
0 τ 0 τ-T 0 2 a(τ)= v(t)sin(2πf t)dt T (2.4) 0 τ 0 τ-T 0 2 a(τ)= v(t)cos(2πf t)dt T (2.5) Hệ thống đo ba pha được thực hiện bởi việc nối liền ba hệ thống đo một pha. Đầu ra của hệ thống đo ba pha phụ thuộc vào sự liên kết giữa các thành phần cơ bản
39
của ba điện áp một pha. Nói chung, điện áp mỗi pha được tạo nên từ cả ba thành phần : thành phần điện áp dương, âm và 0. Thành phần điện áp 0 thường được loại bỏ trong hệ thống đo thông qua việc lọc hoặc bằng việc chọn điện áp dây thay vì điện áp dây pha làm điện áp đầu vào.
2.2.2 Đo dòng điện
Đo dòng điện trong SVC là rất cần thiết để thực hiện các chức năng khác nhau, bao gồm các chức năng theo đây:
- Xác định độ dốc của đặc tuyến của SVC tại trạng thái ổn định. - Giới hạn dòng điện.
- Bảo vệ cho các linh kiện, thiết bị.
- Phối hợp đảm bảo cân bằng với các thành phần khác.
Dòng điện của SVC được giảm xuống và được xử lí bằng các bộ chuyển đổi giống với hệ thống đo lường điện áp.
Mặc dù một bộ biến dòng AC thông thường có thể được xem là một sự lựa chọn phù hợp cho việc làm giảm dòng điện và còn có thể cách li giữa hệ công suất và hệ thống điều khiển, nhưng điều này lại không đúng. Lí do đó là các biến áp này sẽ xả ra hiện tượng bão hòa một cách nhanh chóng khi đóng mở các van Thyristor không đối xứng trong trường hợp hệ thống bị rối loạn lớn. Vì vậy người ta sử dụng biến dòng Zero-Flux, tuy nhiên giá của nó thì rất đắt.
Một phương pháp đơn giản hơn có thể sử dụng đó là đo dòng bằng biến dòng vi sai. Một biến dòng như vậy được miêu tả trên hình (2.16)
40
2.2.3 Đo công suất
Các PTs và CTs truyền thống được sử dụng để có được tín hiệu dòng và điện áp thẳng.Sau đó những tín hiệu này được nhân lên sử dụng mạch nhân để tính toán công suất thực và công suất phản kháng xem hình (2.8). Một trong những phương pháp thông thường được áp dụng để đo công suất phản kháng Qa trong pha a là:
a a b c
Q =i (v -v ) (2.6)
Trong đó dòng ia bằngdòng trong pha a và vb, vclần lượt bằng điện áp chéo giữa pha b và c.
Một xung tương tự điều chế tỉ lệ dùng để đo điện năng thực và phản kháng dựa trên Bonneville Power Administration (BPA). Được miêu tả như hình (2.6).
Hình 2.6 Cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi PRM Megawat
Độ rộng của sóng điện áp đầu vào Vin điều chỉnh một chuỗi chung sử dụng một tạo xung tam giác. Độ rộng xung của tín hiệu này được điều chỉnh theo phương pháp điều biên (AM) bởi tín hiệu dòng. Quá trình xử lí PWM được theo dõi bởi kết quả điều biên, kết quả trong nhân tương tự và sinh ra tín hiệu PRM. Sau đó tín hiệu được lọc để đưa ra năng lượng trung bình Prms. Thực tế, tín hiệu PRM của ba pha được thêm vào đồng thời trước giai đoạn lọc, làm giảm tối thiểu nhu cầu lọc.
Trong hệ thống điều khiển số, Các tín hiệu tương tự sẽ được nhanh chóng kết hợp lại, sau đó quá trình biến đổi tín hiệu tương tự thành số (ADC) diễn ra . Sau đó các tín hiệu số này được xứ lí thêm lần nữa bằng các bộ lọc số chuyên dụng hoặccác bộ lọc bằng phần mềm.
41
2.2.4 Các yêu cầu của khối đo lường
Sự tối ưu của bộ điều chỉnh SVC và tính chính xác trong điều khiển thô, tinh của nó phụ thuộc nhiều vào độ trung thực của tín hiệu được đo. Tuy nhiên, khối đo lường, cùng với bộ chuyển đổi, hoạt động trong môi trường mà không thể dự đoán được từ việc nghiên cứu mô phỏng các hệ thống điện điện nhưng có thể chỉ được thấy trong môi trường. Điện áp, dòng điện, công suất có thể cho ta đầu ra không xác thực từ tác động của các nhiễu ngoại vi thể hiện ở tín hiệu đầu ra. Các cảm biến có nhiệm vụ quan trọng trong việc thu thập lại thông tin được yêu cầu từ sự kết hợp của những của phương pháp điều biên (AM) và điều tần (FM):
-Điều chế sóng hài 50/60 hz
-Tần số dòng điện ngoại vi có thể không phải là 50/60 hz. -Điều chế sóng mang ngoại vi.
-Các quá trình quá độ.
2.3 Điều khiển điện áp hệ thống 2.3.1 Cơ sở điều chỉnh 2.3.1 Cơ sở điều chỉnh
Bộ điều chỉnh điện áp SVC xử lý các biến hệ thống đo lường và tạo ra một tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với công suất phản kháng bù mong muốn. Các biến điều khiển khác nhau và các chức năng chuyển đổi của bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng phụ thuộc vào đặc tính của các ứng dụng SVC. Các biến điều khiển được so sánh với các tín hiệu mẫu, thường là Vref , và tín hiệu sai số sẽ được làm đầu vào cho bộ điều khiển chức năng chuyển đổi. Đầu ra của bộ điều khiển là một tín hiệu điện dẫn chuẩn Bref , nó được phát ra để giảm tín hiệu sai số tới không trong trạng