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 thái ổn định. Các tín hiệu điện dẫn sau đó được truyền tới mạch phát xung.
Một độ dốc nhỏ (3-5%) thường được đưa vào đường đặc tính trạng thái ổn định của SVC để đạt được các lợi thế riêng. Triển khai thay thế độ dốc này trong mô hình điều chỉnh điện áp được minh họa trong hình 2.7. Độ dốc dòng điện phản hồi được mô tả trong hình 2.7(a). Dòng điện SVC được đo lường rõ ràng và nhân với một hệ số KSL đại diện cho độ dốc dòng điện trước khi nạp vào tương đương với một tín hiệu VSL tới bộ cộng tổng. Tín hiệu VSL này tương ứng như sự tăng lên của
42
điện áp tham chiếu với dòng điện tính cảm SVC và là một sự giảm đi của điện áp tham chiếu vơí dòng điện tính dung SVC. Khâu tích phân điều khiển là khá phổ biến trong các bộ điều khiển điện áp. RR được gọi là mức độ đáp ứng (response rate), nó biểu thị thời gian mà một bộ SVC thực hiện trọn vẹn dải công suất vô công, từ khi hoàn toàn tính dung cho tới hoàn toàn tính kháng, để đáp ứng một sai số điện áp lớn (1-pu).
Trong một số trường hợp khó có thể thu được tín hiệu dòng điện một cách trung thực. Điều này xảy ra khi SVC hoạt động gần với trạng thái nổi của nó, đó là công suất phản kháng đạt giá trị 0 MVA. Tín hiệu dòng điện bao gồm thành phần hài (thành phần hài chiếm ưu thế trong các thành phần hài) và một thành phần điện trở nền tương ứng với tổn thất thực tế trong SVC. Để khắc phục vấn đề này, trong một số bộ điều khiển SVC công suất phản kháng được tính toán và phản hồi trở lại thay vì sử dụng dòng điện SVC. Tín hiệu công suất phản kháng được tính toán bằng cách nhân dòng điện pha của SVC với điện áp tần số cơ bản trễ sau điện áp pha thực tế một góc 900.
43
Hình 2. 7 Thực hiện thay thế độ dốc dòng điện trong khâu điều chỉnh điện áp: (a) Một khâu tích phân với tín hiệu độ dốc dòng điện phản hồi; (b) Một khâu tích phân với
phản hồi điện dẫn rơi; (c) khuếch đại hằng số thời gian.
Một lựa chọn đơn giản để thực hiện đó là phản hồi điện dẫn rơi được thể hiện trong hình 2.7(a). Mặc định rằng điện áp trên thanh cái SVC vẫn xấp xỉ 1 pu; Do đó dòng điện SVC đúng bằng Bref.VSVC có thể diễn tả một cách đơn giản là Bref. Hệ
44
thống điều khiển vòng kín trong hình 2.7(b) có thể đơn giản hóa bằng bộ khuếch đại thời gian cố định của bộ điều khiển thể hiện trong hình 2.7(c). Hệ số khuếch đại KR được gọi là khuếch đại tĩnh, được định nghĩa là nghịch đảo của độ dốc dòng điện:
1 R SL K K (2.7) Cũng như vậy: R R SL R T K (2.8)
Trong điều kiện nói trên, thành phần khuếch đại dao động KT đại diện cho bản chất động của khối điều chỉnh điện áp, được định nghĩa như sau :
R T R K K T (2.9)
Dạng độ dốc dòng điện của khâu điều chỉnh điện áp đảm bảo tính tuyến tính giữa điện áp đầu cuối SVC và dòng điện trong dải điều khiển của SVC. Trong khi đó phản hồi điện dẫn rơi tạo ra sự tuyến tính giữa điện dẫn SVC và điện áp chuyển đổi thực. Tuy nhiên sự khác biệt giữa hai phương pháp này là không đáng kể vì độ dốc thường rất nhỏ và các biến thiên điện áp đầu cuối thường không lớn. Hiệu suất động của bộ SVC vì thế có thể được mô hình thông qua một trong hai phương pháp ở trên.
Ưu điểm của mô hình độ dốc dòng điện đó là đặc điểm của trạng thái ổn định (biểu đạt bởi hệ số KR) và đặc tính động (biểu đạt bởi hệ số RR) có thể xác định một cách độc lập. Trong mô hình khuếch đại thời gian cố định, các dao động và các đặc tính trạng thái ổn định được kết nối với nhau thông qua các thông số KR và TR. Mô hình thời gian hằng được sử dụng rộng rãi trong mô mình SVC dành cho nghiên cứu, mặc dù bộ tích phân cùng với mô hình độ dốc dòng điện đại diện thực hiện về mặt vật lý cho hầu hết các mô hình SVC.
2.2.2 Điều chỉnh điện dẫn
Bộ SVC yêu cầu một công suất phản kháng dự phòng đáng kể để cải thiện độ ổn định của hệ thống. Trong trường hợp có một sự xáo trộn, điều khiển nhanh bộ điều chỉnh điện áp sử dụng phần lớn dải công suất phản kháng của bộ SVC để duy
45
trì điện áp đầu cuối được xác định từ trước. Nếu như SVC tiếp tục giữ ở trạng thái này, thì sẽ không đủ khả năng cung cấp công suất phản kháng để đáp ứng một cách hiệu quả cho sự xáo trộn tiếp theo. Điều chỉnh điện dẫn chậm sẽ được cung cấp trong bộ điều khiển hệ thống, bộ điều khiển hệ thống này sẽ thay đổi điện áp tham chiếu để trả lại cho SVC giá trị cài đặt ban đầu của đầu ra công suất phản kháng, đầu ra này thường khá nhỏ. Các thiết bị bù lân cận khác, như là các tụ chuyển mạch cơ hoặc là các cuộn kháng có thể được đưa lên đảm nhận vai trò giữ trạng thái ổn định công suất phản kháng tải.
Hình 2.8 Bộ điều chỉnh điện dẫn và các thiết bị chuyển mạch cơ: (a) Cấu trúc chung; (b) bộ diều chỉnh điện dẫn; và (c) thiết bị chuyển mạch cơ khí.
46
Điện dẫn điều chỉnh so sánh với đầu ra bộ điều chỉnh điện áp là điện dẫn Bref với một điểm đặt Bset. Bset thường được lựa chọn là sự đóng góp công suất phản kháng tại tần số cơ bản của các bộ lọc sóng hài kết nối vĩnh viễn của SVC. Trong các trường hợp này, Bset tương ứng gần với trạng thái hoạt động nổi của SVC. Tín hiệu sai số được truyền thông qua một bộ điều khiển tích phân, và phần điện áp điều chỉnh đóng góp vào được sử dụng tại bộ tổng điện áp tham chiếu. Bộ điều khiển này hoạt động trong khoảng thời gian vài chục giây hoặc vài phút. Do đó nó không cản trở việc điều chỉnh nhanh điện áp hoặc là bộ điều khiển phụ của bộ SVC. Điện dẫn điều chỉnh có thể được hạn chế trong quá trình xảy ra rối loạn lớn trên hệ thống đủ thời gian để điện áp điều chỉnh khôi phục lại hệ thống.
2.2.3. Thực hiện số hóa bộ điều chỉnh điện áp
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý trong thời gian gần đây, cùng với sự có sẵn của các công cụ phần mềm mạnh, đã mở ra chiều hướng mới trong điều khiển số của hệ thống điều khiển công suất hệ thống, như là các thiết bị FACT. Hầu hết các mô hình FACT lắp đặt đều được trang bị các bộ điều khiển số. Chi tiết về các ứng dụng của bộ điều khiển số SVC trong lắp đặt thực tế sẽ không trình bày ở luận văn này. Các chức năng tốc độ cao, như là điều chỉnh và mở van được thực hiện trong bộ xử lý tín hiệu số, trong khi các đặc tính điều chỉnh khác như là giao diện hoạt động, được cung cấp trong vi xử lý trung tâm của máy tính. Các đặc tính điều khiển khác của SVC được thực hiện trong computer chính như sau:
1. Mạch vòng kín PI điều chỉnh điện áp với biến khuếch đại, đáp ứng với thành phần thứ tự thuận của điện áp đo lường;
2. Điện áp đo lường; 3. Khuếch đại giám sát; 4. Phát xung cổng;
5. Giảm dao động công suất;
47
7. Phương pháp điều khiển thấp áp; 8. Điều khiển tuần tự các bộ ngắt;
9. Điều khiển dòng điện một chiều TCR.
2.3 Phát xung điều khiển [5]
Đầu ra điện dẫn tham chiếu từ bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới cổng phát xung, chúng cung cấp các xung mở van tương ứng cho tất cả bộ điều khiển thyristor và thiết bị chuyển mạch thyristor của bộ SVC, do đó điện dẫn mong muốn sẽ được cấp tới thanh cái bộ SVC để đạt được các mục tiêu điều khiển cụ thể. Thông thường với cấu hình TSC-TCR của SVC, với GPG sẽ có các chức năng sau đây:
- Điều khiển số lượng TSC được đóng vào đáp ứng nhu cầu điện dẫn tính dung và cũng cho phép để một lượng dư điện dẫn dung xuất hiện trong mạch SVC.
- Tính toán độ lớn của điện dẫn tính cảm TCR để bù vào lượng điện dẫn tính dung còn dư.
- Quyết định thứ tự mà trong đó các kết nối TSC được kích hoạt, phụ thuộc vào sự phân cực hiện có của điện tích trên các tụ khác nhau, và vì vậy đảm bảo mức dộ dao động khi chuyển mạch tụ.
- Tính toán góc mở van cho các thyristor TCR để thực hiện tạo ra điện dẫn tính cảm TCR trên các điểm cấp SVC.
Chức năng một được thực hiện bằng cách chia điện dẫn tham chiếu đầu ra SVC từ bộ điều chỉnh điện áp Bref cho điện dẫn của các khối tụ BC . Thương số được làm tròn đến số nguyên liền kề lớn hơn tương ứng với số khối tụ yêu cầu, gọi đó là nC. Sự khác nhau giữa tổng điện dẫn dung nCBC và Bref là do điện dẫn tính cảm sinh ra do bộ TCR điều khiển thông qua bộ điều khiển góc mở.
Chuyển mạch TSC được thực hiện thông qua mạch logic và tuân thủ theo hai nguyên tắc sau dành cho chuyển mạch tụ: Các khối tụ sẽ được thao tác chuyển mạch khi điện áp qua van TSC hoặc là bằng không hoặc là giá trị nhỏ nhất. Các xung mở van TSC được cấp tương tự như TCR, ngoại trừ là chúng được cấp không ngừng để các thyristor TSC duy trì dẫn liên tục. Trong chương trình chuyển mạch
48
TSC được kết hợp thêm một mạch tạo trễ để ngăn chặn sự chuyển mạch nhanh từ các dao động nhỏ của hệ thống quanh ngưỡng chuyển mạch.
Góc mở pha α của TCR được tính toán tương ứng với điện dẫn đã tính toán của nó được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi điện dẫn - góc mở van (B-to-α) hoặc thông qua một một bảng tra được lưu trong bộ vi xử lý.
Giả định rằng điện dẫn mong muốn ở đầu ra Bref của bộ điều chỉnh điệp áp hoàn toàn được thực hiện thông qua các TCR, có nghĩa là hoàn toàn không có tụ Fixed hoặc tụ dùng chuyển mạch đóng ngắt. Sau đó thực hiện việc đưa điện dẫn đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp Bref thực tế thông qua điện dẫn BSVC qua khâu trung gian của việc tính toán góc mở van, và như thể hiện trong hình 2.9. Bởi vì mối quan hệ giữa các góc mở và điện dẫn BSVC được biểu diễn bởi F1(α) - là phi tuyến, nó đòi hỏi cần có hàm tuyến tính hóa F2(α) để đảm bảo rằng:
2( ) ( ) 11 F F (2.10) Trong đó: 1 2( ) 1( ) F F (2.11)
Trong trường hợp của một TCR duy nhất, F1(α) được biểu diễn như sau:
1 2 2 sin2 ( ) SVC F B (2.12) Do đó: 2( ) 2 2 sin2 F
Về phần vật lý, hàm F2(α) đại diện cho tính toán góc mở, tương ứng với Bref nếu như tất cả Bref đều được thực hiện trên TCR.
Sau đó, khi TCR được mở với một góc α, điện dẫn BSVC trên lưới kết nối với thanh cái SVC sẽ bằng Bref.
49
Hình 2.9 Hàm tuyến tính hóa.
Trong trường hợp thực tế, SVC sẽ không chỉ có một TCR đơn thuần, mà nó được kết hợp với các tụ cố định hoặc các tụ đóng cắt bằng chuyển mạch bên phía thứ cấp máy biến áp ghép. Hơn nữa, số lượng tụ đóng mở bằng chuyển mạch cũng thay đổi theo thời gian, do đó tính phi tuyến của hàm F1(α) cũng được pha trộn trong đó. Hàm tuyến tính F2(α) do đó phải chứa toàn bộ tính phi tuyến của hàm F1(α) và thêm cả các đặc tính phi tuyến của bộ điều chỉnh điện áp, đặc biệt một trong những nguyên nhân gây ra là bởi điện dẫn phản hồi thay vì dòng điện SVC thực tế để thực hiện độ dốc dòng điện. Đôi khi, hàm tuyến tính vốn được nhúng sẵn trong chương trình sử dụng để phát xung mở van, như trong phương pháp “sóng cos qua điểm không”. [4]
Trong các khâu thực hiện tín hiệu tương tự của GPG, hàm tuyến tính được mô hình hóa bằng các mạch tuyến tính từng phần gần giống với hàm tuyến tính hóa. Trong các thành phần thực hiện tín hiệu số, nó thường được thực hiện thông qua bảng tra nằm trong bộ vi xử lý như đã đề cập ở phần trước.
Xung mở van được cung cấp bởi GPG ở mức điện áp thấp so với điện thế đất, nhưng chúng lại cần được truyền đến các thyristor hoạt động ở mức điện thế rất lớn. Công nghệ hiện nay đảm bảo được sự cách ly giữa hai cấp điện áp khác nhau đó là truyền thông tin xung mở van thông qua cáp quang.
2.4 Đồng bộ hóa hệ thống
Mục đích của bộ đồng bộ hóa hệ thống là phát ra xung chuẩn tham chiếu đồng bộ với thành phần điện áp cơ bản của hệ thống. Các xung này sau đó sẽ được máy phát xung cổng GPG sử dụng để phát xung mở van cho các TCR và các TSC. Hệ thống đồng bộ phải có các thuộc tính sau:
- Không nhạy với các biến dạng của điện áp nguồn cấp. - Tối thiểu hóa việc phát ra các sóng hài không có đặc tính. - Hoạt động không bị cản trở bởi lỗi hệ thống nghiêm trọng.
50
- Theo dõi chính xác tần số hệ thống và góc pha.
- Khả năng đồng bộ hóa trở lại nhanh của điện áp hệ thống sau khi sự cố được khắc phục.
Hình 2.10 Mô hình PLL phổ thông diễn tả hệ thống điều khiển số
Một kỹ thuật đồng bộ khác đó là sử dụng điện áp van thực để cung cấp đường dốc tham chiếu góc mở van với góc mở van được đồng bộ hóa. Phương pháp này thỏa mãn được tiêu chí theo dõi chính xác tần số hệ thống và góc pha cũng như khả năng đồng bộ hóa trở lại nhanh của điện áp hệ thống sau khi sự cố được khắc phục trong danh sách các tiêu chí phía trên, nhưng tiêu chí không nhạy với các biến dạng của điện áp nguồn cấp - đặc biệt là trong các sự cố và các rối loạn hệ thống khi điện áp trải qua sự thay đổi và biến dạng đáng kể. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng đến các kỹ thuật cân bằng để cân bằng góc mở van trong ba pha và cân bằng các xung ở nửa dương và nửa âm.
51
CHƯƠNG III
MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA SVC BẰNG PHẦN MỀM MATLAB – SIMULINK
Ở chương hai tác giả đã tìm hiểu về các khối điều điều khiển cơ bản của bộ SVC. Để có thể tìm hiểu rõ hơn phương thức hoạt động của một bộ SVC trên thực tế, tác giả đã đi tìm hiểu và thu thập số liệu từ một trạm biến áp 220kV Thái Nguyên. Ở chương ba này tác giả sẽ xây dựng một bộ SVC cho trạm Thái Nguyên, mô phỏng sự làm việc của bộ SVC đã tính toán bằng phần mềm Matlab – Simulink khi có sự thay đổi về điện áp trên thanh cái.
Các thông số cơ bản của trạm biến áp tại Thái Nguyên như bên dưới đây: - Điện áp yêu cầu: 220kV
- Phản kháng của phụ tải : 100 MVAr - Tần số: 50 ± 0.3 Hz
Thông số của biến áp hạ áp: