Có một loại trễ khác nguyên nhân là bởi độ lớn của góc mở van tại điểm hoạt động TCR. Đó là do tính chất tuần tự tự nhiên của xung mở van 3 pha TCR và tương ứng với sự trễ giữa thời điểm lấy mẫu và thời điểm khi thyristor bắt đầu dẫn. Nếu như có một sự thay đổi αorder ngay trước khi điện áp đạt đỉnh (ví dụ như tại một thời điểm lấy mẫu), thì dòng điện TCR sẽ đạt được trạng thái ổn định sau khi xung mở mới được làm mẫu cho cả 3 pha. Góc mở van TCR sẽ thay đổi trong khoảng giá trị từ 900 tới 1800, có nghĩa là trễ sẽ biến thiên từ 0 cho tới 1/4 chu kỳ, và được đo lường từ đỉnh điện áp của một pha. Góc mở van của các thyristor ở các pha khác sẽ trễ 600 và 1200 tương ứng. hàm truyền của trễ góc mở van được diễn tả như sau:
3 1 2 1 ( ) ( ) 3 sT sT sT Y G s e e e (3.52)
Khi α gần tới 900, thì hằng số thời gian là: 0 < T1 < T/6 T/6 < T2 < 2T/6 2T/6 < T3 < 3T/6 (3.53) Trong đó: 0 1 T f (3.54)
Những hằng số thời gian có thể dùng những xấp xỉ ban đầu như sau: T1 = T/3
T2 = T/2
T3 = 2T/3 (3.55)
Trong hầu hết các nghiên cứu trạng thái ổn định, thời gian chết thyristor Td, và thời gian trễ góc mở van TY, được biểu diễn với nhau bởi hàm truyền như sau:
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 101 ( ) 1 d sT Y Y e G s sT (3.36) Trong đó: 2 d T T p (3.37) Và: 4 Y T T (3.38)
Tương ứng với trễ lớn nhất tại 1800. Khi đó Td nhỏ, GY(s) có thể xấp xỉ bởi biểu thức sau: 1 ( ) (1 )(1 ) Y d Y G s sT sT (3.39) 3.4. 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:
1. Không nhạy với các biến dạng của điện áp nguồn cấp; 2. Tối thiểu hóa việc phát ra các sóng hài không có đặc tính; 3. Hoạt động không bị cản trở bởi lỗi hệ thống nghiêm trọng; 4. Theo dõi chính xác tần số hệ thống và góc pha;
5. Khả năng đồng bộ hóa trở lại nhanh của điện áp hệ thống sau khi sự cố được khắc phục.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 102 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 số 4 và số 5 trong danh sách các tiêu chí phía trên, nhưng tiêu chí 1 - 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 3 pha và cân bằng các xung ở nửa dương và nửa âm.
CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ BÙ SVC
4.1. GIỚI THIỆU VỀ MATLAB SIMULINK
Một bước tiến mới trong việc xây dựng các mô hình trực quan hướng đối tượng của phần mềm Matlab đó là SIMULINK. Simulink là chương trình mở rộng của Matlab, cho phép mô tả hệ tuyến tính, phi tuyến trong miền thời gian liên tục, gián đoạn hay lai ghép giữa cả liên tục và gián đoạn. Để mô hình hóa các mô hình, Simulink cung cấp một thư viện với các khối đồ họa trực quan, người dùng chỉ cần thực hiện thao tác “kéo, thả, ghép nối” các khối lại với nhau. Ưu điểm là rất thân thiện, trực quan với người dùng, giống như đang thiết lập hệ thống trên giấy vậy. Điều này khác với cách thông thường trước đây, cần làm việc với ngôn ngữ lập trình và các phương trình toán học, không gian ma trận…
Trên Simulink đã cung cấp sẵn một số các khối cơ bản lập trình sẵn bằng đồ họa, nó xây dựng trên cơ sở lập trình hướng đối tượng, tạo điều kiện cho người dùng chỉ việc thay đổi các thông số thuộc tính thông qua giao diện trực quan của các khối.
Thư viện Simulink gồm có các khối nguồn, các khối đầu vào, đầu ra, phần tử phi tuyến, tuyến tính, các đầu nối,… Ta cũng có thể tạo ra các khối riêng. Các bài toán trong Simulink được xây dựng có thứ bậc còn gọi là mô hình phân cấp, do đó có thể xây dựng, đồng thời quan sát theo hướng từ chi tiết đến tổng quan, hay từ tổng quan tới chi tiết. Muốn xem chi tiết có thể kích đúp vào các khối để thấy chi tiết mô hình phần tử.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 103 Simulink còn cung cấp các bộ Scope là các khối hiển thị tương tự như bộ Osilloscope để hiển thị cho phép người dùng có thể xem kết quả trong khi chạy mô phỏng. Đồng thời có thể thay đổi thông số để quan sát ảnh hưởng của việc thay đổi đó tới khối đã xây dựng.
Với ngành điện nói chung và luân văn này nói riêng, chúng ta sẽ quan tâm tới thư viện SimPowerSystem của Simulink:
Bên đây là giao diện Simulink với khối thư viện SimPowerSytem đang đánh dấu.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 104
Hình 4. 2 Khối nguồn trong thư viện SimpowerSystems
Khối nguồn-Electrical Sources Các thiết bị-Elements
Thư viện mở rộng-Extra Library Mô hình các loại động cơ-Machines
Các khối đo lường-Measurements và các khối điện tử công suất-Power electronics
4.2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH LỰC TRONG MATLAB
Lấy một ví dụ cụ thể để tính toán:
Dựa theo cấu hình một bộ SVC Việt Trì đang lắp đặt (phụ lục kèm theo); Trạm Việt Trì sử dụng cấu hình FC-TCR_SVC để điều khiển, tuy nhiên tác giả sẽ đề xuất một cấu hình khác đó là TSC-TCR_SVC để điều khiển.
Cấu hình SVC Việt Trì: FC-TCR_SVC
3 bộ tụ bù FC với dung lượng lần lượt là 24 Mvar (triệt tiêu thành phần hài bậc 3); 16 Mvar (hài bậc 5); 10 Mvar (hài bậc 7). Như vậy tổng dung lượng tụ là 50 Mvar; Dung lượng TCR là 100 Mvar.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 105
Như vậy ta xây dựng với cấu hình TSC-TCR_SVC:
3 bộ tụ bù TSC mỗi bộ dung lượng 20 Mvar; và một bộ TCR dung lượng 20 Mvar.
Các thông số khác
+ Máy biến áp 220/110 kV truyền tải tại điểm cuối của đường dây có công suất mỗi máy là 125 MVA .
+ Máy biến áp 115/23 kV, dung lượng 63 MVA
+ Phụ tải Max của đường dây phía thanh cái hạ áp là 50 MW, công suất phản kháng biến thiên trong khoảng 0-40 MVAr.
+ Đường dây với khả năng chịu ngắn mạch 1145MVA và dự kiến xây dựng trong tương lai 4200 MVA.
Điện áp đầu nguồn (trên thanh cái đầu nguồn) điện áp sẽ là U=230 kV.
Thông số mạch lực:
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 106
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 107 Ta xây dựng cấu hình SVC-TCR-TSC với một bộ TCR và 3 bộ TSC như trên hình 4.3. Trên thực tế các bộ SVC không đấu trực tiếp vào nguồn cao áp 110 kV mà chúng sẽ được đấu qua máy biến áp hạ áp 110/22 kV, hạ điện áp xuống giúp cho cấp cách điện của tụ và kháng, cùng các thiết bị điều khiển công suất chịu điện áp thấp. Và thêm vào đó người ta còn mắc nhiều tụ và cuộn kháng nối tiếp với nhau để giảm điện áp đặt trên mỗi thành phần. Trong cấu hình máy biến áp 115/23KV dung lượng 63 MVA.
Công suất bù của SVC sẽ thay đổi từ - Qb đến Qmax nhờ góc mở α của van thyristor, trong đó : -Qb = -jB.U12 và Qmax = QTCR.
Dung lượng bù vào khoảng 20 MVAr với bộ TCR. + Với bộ TCR: 2 3 2 3 6 (23.10 ) 84,2.10 ( ) 84,2( ) 2 .50.20.10 L U L H mH Q (4.9) +Với bộ TSC: 6 6 2 3 2 20.10 12,34.10 ( ) 120,34( ) . bdm 2. .50.(23.10 ) Q C F F U (4.10) Tần số định mức là 50 Hz.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải: PT = 50 MW; QT = 10 MVAr.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 108
Hình 4. 5 Mô hình mô phỏng bộ SVC trên Simulink
4.3. MÔ HÌNH MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Điều khiển bộ SVC chính là điều khiển điện dẫn B của bộ SVC trao đổi với lưới, thông qua việc phản hồi các thông số hệ thống vào bộ điều khiển và đem so sánh với điện dẫn chuẩn Bref và đưa ra quyết định mở góc α trên Thyristor thông qua bộ phát xung. Công suất bù tính toán được như phần trên đã trình bày, bộ SVC sẽ được cài đặt cấu hình phần cứng mạch lực từ trước, trong dải điều khiển cho phép SVC sẽ đưa ra thông số Q cần thiết:
2 2
[ ( )]U ( )
b C L
Q nB B B U (4.12) Trong đó: n: số TSC; BL(α) là hàm phụ thuốc góc mở alpha
.
C
B C (4.13)
Từ công thức (2.110) ta được mối quan hệ của BL(α) như sau:
2 2 sin2 L B (4.14) Từ công thức (4.12) ta có: 2 ( ) Qb ( ) B f U (4.15)
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 109 Mô hình bộ điều khiển trong mô phỏng SVC như sau:
Hình 4. 6 Mô hình bộ điều khiển TSC-TCR-SVC trong Simulink
4.3.1. HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG
Trên hệ thống điều khiển bộ đo lường được đặt ngay đầu tiên để nhận các tín hiệu đo lường điện áp, dòng điện và các thông số điều khiển:
Hình 4. 7 Khối đo lường hệ thống
Cấu tạo khối đo lường hệ thống:
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 110
Như trong phần lý thuyết về bộ PLL phần 3.2.2 đã trình bày, trong Matlab ta xây dựng cấu hình một bộ khóa pha dao động-3 pha và đầu ra đưa ra tín hiệu đồng bộ với tín hiệu lấy từ lưới điện: Tần số f, và dạng sóng dòng điện và điện áp (dạng sóng sin_cos để thể hiện trong phân tích góc pha của dòng điện và điện áp.
Hình 4. 9 Cấu tạo bộ dao động khóa pha- 3 pha
Tín hiệu điện áp Va, Vb, Vc được đưa tới khối chức năng phân tích thành phần điện áp nguồn thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không.
Hình 4. 10 Khối chức năng tách các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không
Sau khối PLL 3 pha ta thu được thành phần tần số f của lưới, dạng sóng điện áp, dòng điện của lưới. Khối PLL Driven sẽ lấy các tín hiệu tần số vừa thu được, dạng sóng Sin_Cos và tín hiệu điện áp đo để thực hiện việc đổi trục tọa độ từ tạo
Pierre Giroux, Gilbert Sybille Power System Laboratory, IREQ
Hydro-Quebec (August 2007) SPS Discre te 3-phase PLL 3 Sin_Cos 2 wt 1 Freq abc sin_cos dq0 abc_to_dq0 T ransformation Freq In Mean Variable Frequency Mean value 1/z cos sin mod 1/2/pi K T s z-1 Discrete Rate Limiter Discrete Rate Limiter PID Controller 2*pi AGC Freq Sin_Cos Vabc Gain Automatic Gain Control Fo=25Hz 2nd-Order Filter 1 Vabc(pu) Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq Vq W W W W W W W W W W W W W W W W W W W
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 111 độ Đềcác sang dạng tọa độ cực để nhận được giá trị độ lớn điện áp đo Vmes và giá trị góc pha.
4.3.2. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP
Hình 4. 11 Khối điều chỉnh điện áp
Cấu tạo bộ điều chỉnh điện áp:
Yêu cầu đầu tiên mà ta có thể nhận thấy ngay đó là các đầu vào phải có đó là : điện áp đo lường hệ thống, điện áp mẫu để so sánh; Việc so sánh điện áp đo lường và điện áp mẫu sẽ là căn cứ để thực hiện việc tính toán ra công suất cần bù lên hệ thống và thông qua mối quan hệ giữa Qb và B(α) theo công thức (4.15) ta sẽ đem so sánh với điện dẫn mẫu Bref để nhận được giá trị BSVC cần cho hệ thống (đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp).
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 112 Trong hình 4.12: Điện áp đo lường hệ thống được đưa vào bộ tổng cùng với điện áp đặt Vref, sai số nhận được sẽ thông qua bộ khuếch đại và tích phân, đồng thời qua khâu thực hiện chức năng tuyến tính hóa đường đặc tính điện dẫn sẽ cho đầu ra là giá trị BS là giá trị điện dẫn hệ thống. Giá trị điện dẫn hệ thống sẽ được đem so sanh với điện dẫn đặt Bref để tính ra điện dẫn BSVC cần đẩy lên hệ thống. trên đây có vòng phản hồi để tạo ra độ nghiêng của đường đặc tính như đã trình bày trong phần 3.2 ở trên. Trong khối điều chỉnh điện áp này đã tích hợp bộ chọn chế độ, chính là thành phần bảo vệ của bộ điều khiển. Khi điện áp xuống quá thấp hay dâng lên sẽ gây nguy hiểm cho các thiết bị điện tử công suất, vì vậy cần bộ bảo vệ “cô lập” SVC ra khỏi hệ thống.
4.3.3. KHỐI PHÁT TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN
Khối phát tín hiệu điêu khiển lấy đầu vào là BSVC vừa nhận được từ bộ điều chỉnh điện áp, khối này sẽ có tác dụng phân tích và đưa ra quyết định phát tín hiệu điều khiển bộ TCR, TSC1, TSC2, và TSC3. Hình 4.13 thể hiện cấu hình tổng quan của khối này, Hình 4.14 thể hiện cấu tạo chi tiết của khối phát tín hiệu điều khiển.
Trong lập trình người ta tạo ra sẵn các chương trình để thực hiện lựa chọn thông số đáp ứng của hệ thống theo một hướng định sẵn, và các trường hợp gặp phải cũng được dự đoán và lập thành chương trình con.
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 113
Hình 4. 14 Cấu hình chi tiết khối phát tín hiệu điều khiển
Tương tự như vậy, với các bộ TSC, ta cũng dự đoán và tính toán trước các trường hợp đáp ứng của 3 bộ Tụ. Trên đây thể hiện 3 trường hợp: Trường hợp đóng 1 bộ TSC, đóng 2 bộ tụ TSC và đóng cả 3 bộ tụ TSC, và trường hợp loại bỏ tụ cũng tuần tự theo thứ tự ngược lại. Thông số điện dẫn hệ thống được tính toán thông qua khối hàm f(U) như trên hình, đây là hàm biến đổi giữa điện dẫn phía sơ cấp quy đổi sang điện dẫn phía thứ cấp. Đầu vào của bộ Sum sẽ là các tín hiệu: điện dẫn hệ thống, và điện dẫn của các bộ TSC với các trường hợp tương ứng (đóng 1, 2, 3 bộ tụ). Tín hiệu vào của khối biến đổi từ giá trị điện dẫn sang giá trị góc mở α chính là Bsec (là giá trị điện dẫn sơ cấp) cần cung cấp. Đây cũng chính là khâu làm cho đường đặc tính của SVC liên tục, không nhảy cấp, nhờ vào sự thay đổi của góc mở α mà điện dẫn BL (α) thay đổi một cách trơn và liên tục. Mối quan hệ giữa điện dẫn và góc mở α đã được biểu diễn qua biểu thức (4.14).
4.3.4. KHỐI PHÁT XUNG ĐIỀU KHIỂN
Học viên: Nguyễn Xuân Thắng Trang 114
Hình 4. 16 Cấu tạo chi tiết bộ phát xung điều khiển
Sau khối phát tín hiệu điều khiển, cần có một bộ chấp hành thực hiện việc mở xung điều khiển ở các thiết bị công suất. Cấu tạo chi tiết của khối phát xung này được thể hiện trong hình 4.16 trên. Bộ Phát xung Điều khiển hiện giờ thường nằm trong các thiết bị số, nó được mã hóa trong các vi xử lý. Hình 4.16 mô tả chi tiết một bộ phát xung, nó bao gồm có các hàm toán học và các khối logic thực hiện mô tả việc đưa ra tín phát xung gửi tới các thyristor. Lưu ý rằng đây chỉ một trong các cách thực hiện phát tín hiệu