SVC sẽ kết nối thanh cái qua biến áp hạ áp. Nên tất cả các thành phần của SVC sẽ nối trực tiếp với điện áp 23 kV.
Các bộ lọc hài sẽ gồm 3 bộ chính là các bộ lọc hài bậc 3, bậc 5, bậc 7. Bộ lọc bậc 3 và bậc 5 là bộ lọc loại Single tuned.
Bộ lọc bậc 7 là bộ lọc thông cao. Thông số của thiết bị bù tĩnh SVC:
Điện áp hệ thống: 23kV Điện áp làm việc: 824.3kV
Tần số: 50Hz Công suất phản kháng: -60MVAr +48MVAr (QL: 0→108MVAr, QC:60MVAr)
52
Hình 3.1: Sơ đồ SVC của trạm biến áp 220kV Thái Nguyên
Khi bộ SVC hoạt động trong dải công suất như vậy, thì bộ lọc vừa đóng vai trò lọc các hài bậc cao, vừa có tác dụng bù công suất phản kháng với tổng công suất được thiết kế là 60 MVAr. Phương pháp ghép kết hợp bộ lọc với bộ bù công suất phản kháng này sẽ tối ưu hiệu ứng cho các bộ lọc, vừa đảm bảo được sự an toàn và hoạt động đúng theo thiết kế ban đầu.
Bên dưới đây là bảng các thông số chính của các bộ lọc mà ta sẽ thiết kế. Bao gồm điện áp hoạt động, công suất sinh gốc của các bộ lọc.
Bảng 3.1 Thông số chính của các bộ lọc
Bộ lọc chính Bậc 3 Bậc 5 Bậc 7 Tổng cộng
Dải điện áp (kV) 17.7 16 16
Công suất thiết kế (MVAr) 20.8 15.2 12 48
53 3.1.1 Xây dựng TCR Ta có: 2 2 L L U U Q X X Q Trong đó: XL là điện kháng của mỗi pha TCR
U là điện áp dây
Q là công suất phản kháng mỗi pha của TCR
Ta có công suất phản kháng tối đa của SVC là 85MVAr. Hệ thống SVC được thiết kế công suất phản kháng tối đa của bộ TCR mà ta lựa chọn là 108 MVAr, nên công suất trên mỗi pha của bộ TCR là:
108 36(MVAr) 3 3 L Lpha Q Q
Với điện áp thiết kế tối thiểu có thể chấp nhận là 200 kV, vì vậy điện áp thấp nhất đặt vào bộ SVC sẽ là: 200.23 20,5 225 U kV 6 2 3 2 36.10 0,0536( ) (20.5.10 ) Lpha L Q B S U 2 2 sin 2 . L L X B
Với góc mở tối đa của TCR là 110o hay α = 1, 92 XL = 14,69 (Ω)
Giá trị của cuộn kháng L là:
14,59 46,7739( ) 2 100. L L X X L mH f
TCR gồm hai cuộn kháng nối tiếp nhau, vì vậy giá trị mỗi cuộng kháng là:
L1 = L2 = 𝐿
2= 23.4 (mH) 1 2 23, 4( ) 2
L
54
3.1.2 Xây dựng bộ lọc hài
* Xây dựng bộ lọc bậc 3:
Ta có điện áp tác dụng lên bụ điện bộ lọc:
3 1 1 1 1 . . . 1, 2.23. . 17,9( ) 1 11,1% 3 1 11,1% 3 C L U k U kV (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với k là hệ số an toàn điện áp cho tụ điện chọn k = 1,2. UL là điện áp đặt lên bộ lọc khi hoạt động (kV).
Với thiết kế của bộ lọc bậc 3 với công suất bù theo lý thuyết là 26 MVAr và công suất thực tế là 20,8 MVAr, điện áp đặt lên hai đầu tụ điện là 17,9 kV.
Ta có dung dẫn của bộ lọc bậc 3: 2 3 3 2 2 3 1 . 43,68( S) C C Q n B m U n 3 3 BC 139( ) C F XC3 = 22.9 (Ω) Điện kháng của bộ lọc bậc 3: 3 3 C2 2,54( ) L X X n 3 3 XL 8( ) L mH
Dòng điện chạy qua bộ lọc bậc 3:
3 3 C3 Q 26 I = = =484(A) 3.U 3.17.9 * Xây dựng bộ lọc bậc 5:
Ta có điện áp tác dụng lên bụ điện bộ lọc:
C5 L
1 1 1 1
U =k.U . . =1,2.23. . =16(kV)
1-11,1% 3 1-20% 3
Với k là hệ số an toàn điện áp cho tụ điện chọn k = 1.2 UL là điện áp đặt lên bộ lọc khi hoạt động (kV)
55
suất bù thực tế là 15,2 MVAr, điện áp đặt lên hai đầu tụ điện là 16 kV. Ta có dung dẫn của bộ lọc bậc 5: 2 5 C5 2 2 C5 Q n -1 B = . =34,48(mS) U n C5 5 B C = =109,7(μF) ω 5 XC 29( ) Điện kháng của bộ lọc bậc 5: C5 L5 2 X X = =1,16(Ω) n L5 5 X L = =3,69(mH) ω
Dòng điện chạy qua bộ lọc bậc 5:
5 5 C5 Q 19 I = = =396(A) 3.U 3.16 * Xây dựng bộ lọc bậc 7:
Ta có điện áp tác dụng lên bụ điện bộ lọc:
C5 L
1 1 1 1
U =k.U . . =1,2.23. . =16(kV)
1-11,1% 3 1-20% 3
Với k là hệ số an toàn điện áp cho tụ điện chọn k = 1.2. UL là điện áp đặt lên bộ lọc khi hoạt động (kV).
Với thiết kế của bộ lọc bậc 7 với công suất bù lý thuyết là 15 MVAr và công suất bù thực tế là 12 MVAr, điện áp đặt lên hai đầu tụ điện là 16 kV.
Ta có dung dẫn của bộ lọc bậc 7: 2 7 C7 2 2 C7 Q n -1 B = . =27,8(mS) U n C7 7 B C = =88,416(μF) ω 7 XC 35,97( )
56 Điện kháng của bộ lọc bậc 7: C7 L7 2 X X = =0,734(Ω) n L7 7 X L = =2,33(mH) ω
Dòng điện chạy qua bộ lọc bậc 3:
7 7 C7 Q 12 I = = =250(A) 3.U 3.16
Sau khi tính toán các bậc lọc, ta thu được bảng thông số các bậc của bộ lọc SVC cho trạm Thái Nguyên như sau:
Bảng 3.2 Thông số các bộ lọc SVC cho trạm Thái Nguyên
Bộ lọc Bậc 3 Bậc 5 Bậc 7
Dải điện áp hoạt động (kV) 17.7 16 16 Dải dòng điện hoạt động (A) 484 396 250 Giá trị điện dung (uF) 139 109.7 88.416 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giá trị điện cảm (mH) 8 3.69 2.33
3.2 Xây dựng mô phỏng bằng Matlab – Simulink.
Để đơn giản hóa việc mô phỏng sự làm việc của hệ thống SVC, tác giả sẽ đơn giản hóa số lượng cũng như tải mô phỏng. Mô hình mô phỏng được xây dựng như hình (3.2).Hệ thống mô phỏng bao gồm một nhóm tải cố định luôn đấu vào thanh cái. Một nhóm phụ tải đóng ngắt ra khỏi thanh cái, tác giả sẽ khảo sát sự làm việc của SVC trong các trường hợp đóng, cắt tải 2 cũng như khi tải cố định nhưng có các sự cố về nguồn điện.
57
Hình 3.2 Mô hình hóa hệ thống mô phỏng tại trạm 220k Thái Nguyên
Các thông số của hệ thống mô phỏng được thể hiện trên hình vẽ. Bao gồm: - Nguồn điện 3 pha: Điện áp định mức 225 kV, Vmax = 250 kV, Vmin = 205kV Công suất: 300MVA
Tần số 50 ± 0.3 Hz
- Tải 1: là nhóm tải luôn đóng vào thanh cái (tải cố định) công suất 50MW- 20MVAr
- Tải 2: là nhóm tải giả lập đóng cắt vào thanh cái, công suất 30MW- 10MVAr.
- Breaker: 3 pha, điện trở mở: 0.001 Ω
- Điện áp thanh cái: 225 kV, công suất: 200MVA - Biến áp hạ áp: Uin = 225 kV, Uout = 23 kV Hai cuộn sơ và thứ cấp đều nối theo kiểu tam giác Công suất 120 MVA, tần số 50 Hz
- Thiết bị bù tĩnh SVC: Thông số như tính toán phần trên.
Sau khi xây dựng mô hình để mô phỏng, ta sẽ thiết lập mô hình mô phỏng trên bằng phần mềm Matlab – Simulink.
3.2.1 Giới thiệu về Matlab - Simulink
MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao.
58
MATLAB cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát. MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn.Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể.
Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng lệnh help).
Simulink là một phần mềm đồ họa, định hướng sơ đồ khối dùng để mô phỏng các hệ động lực. Đây là sản phẩm nằm bên trong Matlab và sử dụng nhiều hàm của Matlab và có thể trao đổi qua lại với môi trường Matlab để tăng thêm khả năng mềm dẻo của nó. Với Simulink chúng ta có thể xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống giống như khi chúng ta vẽ sơ đồ khối. Simulink có một thư viện với số luợng khối khổng lồ với rất nhiều chức năng khác nhau.
Để có thể sử dụng Simulink, chúng ta phải khởi động Matlab, và sau đó khởi tạo Simulink. Sau đó ta chọn các khối chức năng trong các nhóm thích hợp của thư viện. Có 8 nhóm cơ bản trong thư viện của Simulink:
- Nhóm Continuous và Discrete: Chứa các khối cơ bản để xử lí tín hiệu liên tục và rời rạc.
- Nhóm Function và Table: Chứa các khối thực hiện gọi hàm từ Matlab, khối nội suy và khối hàm truyền.
- Nhóm Math: Chứa các khối thực thi các hàm toán học. - Nhóm Nonlinear: Chứa các khối phi tuyến.
- Nhóm Sinks and Systems: Chứa các khối công cụ xử lí tiến hiệu. - Nhóm Sinks: Chứa các khối thực hiện chức năng xuất kết quả. - Nhóm Source: Chứa các khối phát tín hiệu.
3.2.2 Xây dựng mô hình mô phỏng
Để thực hiện quá trình mô phỏng, chúng ta cần thực hiện các bước: xây dựng mô hình mô phỏng, xác lập giá trị các thông số của mô hình, xác lập điều kiện đầu, lựa chọn cách thức xuất kết quả, điều khiển việc thực thi quá trình mô phỏng.
Các thiết bị mô phỏng chủ yếu được lấy trong thư viện SimPowerSystems. Các khối, hình ảnh, chức năng, thư viện theo bảng (3.1) dưới đây.
59
Bảng 3.3 Các khối chức năng trong hệ thống mô phỏng
stt Khối chức năng, hình ảnh Thư viện Tham số mô phỏng. 1 Nguồn 3 pha SimPower (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
System/El ectrical Sources
-Điện áp: 1.004*225kV -Pha ban đầu: 0
-Tần số: 50Hz
Biên độ giữ ổn định trong toàn bộ quá trình mô phỏng.
2 Thanh cái ba pha SimPower System/El ements
Dạng RL nối tiếp, tham số:
R = 4.4 Ω L = 140mH
3 Máy biến áp SimPower System/El ements
Công suất: 120MVA Tần số 50 Hz Cuộn sơ cấp: 225kV Cuộn thứ cấp: 23kV Từ trở: 500 pu Từ cảm: 500 pu 4 Nhóm tải cố định L1 SimPower System/El ements Áp định mức: 225kV Tần số: 50 Hz P = 50 MW Q= 20 MVAr
5 Khóa chuyển mạch SimPower System/El ements
Ron = 0.001 Ω
Thời gian chuyển tiếp: t= 1s – thay đổi được
a) Khối TCR:
Trên lí thuyết thì cuộn kháng của TCR không có điện trở, nhưng trong thực tế và mô hình mô phỏng TCR bao gồm 3 cuộn RL nối tiếp được mắc hình tam giác.
60
Mỗi cuộn RL được điều khiển bởi một cặp Thyristor mắc ngược nhau. Các thyristor này được đóng mở bởi tín hiệu cấp từ bộ điều khiển của thiết bị SVC thông qua các xung điều khiển Ap, Am, Bp, Bm, Cp, Cm. Tham số của các khối như dưới bảng (3.2):
Hình 3.3 Cấu tạo của TCR
Bảng 3.4 Thông số của các thành phần trong TCR
Tên Tham số Thyristor - Ron = 0.001 Ω - Vf = 15V - Rsnubber = 460 Ω - Csnubber = 130 nF Cuộn kháng RL: L = 30.2 mH R = 0.19 Ω C = 0 Q = 50
61
b)Bộ điều khiển của thiết bị SVC
Bộ điều khiển sẽ đo đạc, kiểm soát mọi thứ xảy ra trong thiết bị SVC. Cấu tạo của thiết bị SVC rất phức tạp, và bản thân bộ điều khiển cũng bao gồm rất nhiều những khối chức năng nhỏ khác.Cấu tạo của bộ điều khiển như hình (3.3). Ở trong hình vẽ chúng ta có thể thấy các khối chức năng chính của thiết bị SVC bao gồm hệ thống đo lường, khối điều chỉnh điện áp, khối tính toán góc mở α, và khối tạo xung điều khiển.
Hình 3.4 Sơ đồ của bộ điều khiển
Khối đo lường:
Khối đo lường (measurement systems): là khối lấy dữ liệu trực tiếp từ thanh cái, biến đổi sau đó cung cấp các đại lượng đầu vào cần thiết cho bộ điều khiển của thiết bị SVC.
62
Tùy vào mục đích sử dụng của thiết bị SVC, khối này có thể nhận tín hiệu đo lường khác nhau như điện áp thanh cái SVC (Vmeas), dòng điện chảy vào SVC(Imeas), các thông số dòng điện công suất chạy trên đường dây, góc pha điện áp giữa các thanh cái, tần số quay máy phát…Một vài tín hiệu có thể đo trực tiếp, một vài tín hiệu có thể tính toán thông qua các trị số của dòng điện và điện áp
Bảng 3.5 Các thành phần cấu tạo nên khối đo lường
Tên Tham số
3 phase Phase Locked Loop (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dùng để đồng bộ khi tần số thay đổi với giá trị tiêu chuẩn. Nếu bộ AGC được kích hoạt thì tín hiệu của PLL sẽ được điều chỉnh theo tỉ lệ của tín hiệu đầu vào.
Fmin = 45Hz Pha ban đầu: 0
Tần số ban đầu: 50Hz
Điều khiển PLL
fmin = 45Hz Pha ban đầu: 0
63
Khối điều chỉnh điện áp:
Hình 3.6 Khối điều chỉnh điện áp
Khối điều chỉnh điện áp là khối đo xử lý các tín hiệu đo và đưa ra xung tín hiệu tỷ lệ với công suất bù mong muốn. Các tín hiệu đo lường và các hàm truyền trong khối điều chỉnh điện áp được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể của các thiết bị SVC. Các biến tín hiệu đo được so sánh với tín hiệu chuẩn thường là điện áp mẫu Vref, và tín hiệu sai số Ve = Vmeas- Vref được đặt vào bộ biến đổi. Tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh là dung dẫn Bref được tạo ra để giảm sự sai số,tỉ lệ với trị số dung dẫn cần hiệu chỉnh cho SVC để giữ điện áp. Tín hiệu này đặt vào cổng của bộ phát xung, tạo góc trễ α thích hợp cho điều chỉnh van thyristor.
Khối tính góc mở α:
Dựa vào giá trị đầu vào là điện dẫn của hệ thống, qua các thuật toán và mạch chức năng, khối sẽ đưa ra giá trị góc mở α của TCR.
64
Bảng 3.6 Cấu tạo của thành phần tạo góc mở α
Tên Tham số
Hàm truyền: Hàm biểu diễn chung theo áp:
𝑈(1)
1+𝑈(1)𝑋𝑛%𝑆𝐵𝑎𝑠𝑒
100.𝑆𝑛𝑜𝑟𝑚
U(1): tín hiệu vào
Giới hạn và khuếch đại: Giới hạn: Bmin = 0
Bmax = 0.137 µS Khuếch đại:: k = 1/BTCR
Look up: Chứa giá trị đầu ra của α Chưa giá trị đầu vào BTCR:
TCR
TCR 2π-2α+sin(2α)
B =
πωL
Khối tạo xung điều khiển:
65
Đây chính là khối thực hiện các chức năng của SVC. Dung dẫn tại đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp được truyền tới khối phát xung, để tạo ra góc mở α cho tất cả các phần tử TCR và TSC của SVC sao cho đạt được dung dẫn yêu cầu tại vị trí lắp đặt SVC. Các chức năng chính của khối phát xung bao gồm:
- Xác định số lượng nhánh TSC được đóng vào để đạt được dung dẫn yêu cầu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Tính toán độ lớn dung dẫn cảm kháng của TSR để bù dung dẫn của tụ thừa khi đóng các nhánh TSC.
- Xác định thứ tự nhánh TSC được đóng ( điều này phụ thuộc vào sự phân cực điện tích tồn tại trên các tụ) để đảm bảo giảm quá trình quá độ.
- Tính toán góc mở α cho các van thyristor để có được dung dẫn cảm kháng của TCR như mong muốn.
Điều này thực hiện bằng cách chia dung dẫn Bref có được từ đầu ra của khối điều chỉnh điện áp cho dung điện dẫn của một nhánh, Bc. Thương số của phép chia được làm tròn đến số tự nhiên tiếp theo xác định số nhánh TSC cần đóng vào, nc. Sự khác nhau giữa dung dẫn tổng của nc nhánh TSC này với Bref xác định dung dẫn cảm kháng yêu cầu của TCR thông qua góc điều khiển α.