5. í nghĩa thực tiễn của đề tài
4.3.1. Cấu trỳc thư viện Simpowersystems
Simpowersystem là một trong nh ng thư viện đ c biệt nhằm mụ phỏng thiết bị cụ thể. Simpowersystem bao gồm cỏc khối dựng để mụ phỏng thiết bị kỹ thuật điện như mụ hỡnh cỏc nguồn điện, động c , mỏy biến ỏp, đường dõy truyền tải,…… và cú phần riờng để mụ phỏng thiết bị điện t cụng suất và hệ thống điều khiển chỳng.
S dụng cỏc khả năng ứng dụng của Simulink và Simpowersystem ta cú thể mụ phỏng khụng chỉ quỏ trỡnh làm việc của thiết bị mà c n phõn tớch cỏc dạng khỏc nhau của thiết bị đú. Ngoài ra ta c n cú thể tớnh toỏn chế độ ổn định của hệ thống xoay chiều, tớnh điện trở của từng đoạn mạch, quan sỏt dạng súng, xỏc định đ c tớnh tần số, phõn tớch ổn định của d ng điện và điện ỏp.
Mạch động lực của bộ biến đổi cụng suất được mụ phỏng bằng cỏc khối trong Simpowersystem c n mạch điều khiển thỡ cú thể s dụng cỏc khối của Simulink. Điều đú giỳp cho s đồ đ n giản đi rất nhiều. H n n a, cú thể kết hợp s dụng cỏc thư viện của MATLAB tạo điều kiện thuận lợi trong viec mụ phỏng hệ thống điện. Hiện nay Simpowersystem được coi là một trong cỏc thư viện tốt nhất để mụ phỏng thiết bị và hệ thống điện.
Thư viện Simpowersystem bao gồm cỏc hạng mục chớnh như sau: - Extras Library - Thư viện mở rộng
- Aplication Libraries – Thư viện ứng dụng - Electrical Sources – Cỏc nguồn điện - Machines – Mỏy điện
- Elements – Cỏc thiết bị điện - Measurements – Thiết bị đo lường
- Power Electronics – Cỏc linh kiện điện t cụng suất - Powergui – Khối phõn tớch
75
Khối nguồn điện -Electrical Source
Hỡnh 4.5. Thư viện khối nguồn điện
Khối AC Voltage source: Nguồn điện ỏp xoay chiều l tưởng, cho phộp nhập điện ỏp cú giỏ trị õm. Trường hợp tần bằng 0 thỡ nguồn AC trở thành nguồn DC. Tần số khụng thể nhập giỏ trị õm, trong trường hợp này chư ng trỡnh sẽ bỏo lỗi. Cỏc giỏ trị cần nhập bao gồm: biờn độ, gúc pha, tần số và thời gian lấy mẫu. Thời gian lấy mẫu m c định là 0 với trường hợp nguồn liờn tục, trường hợp c n lại là nguồn rời rạc.
Khối AC current source: Cho một nguồn điện xoay chiều l tưởng, hướng mũi tờn là hướng của d ng điện. Cho phộp nhập d ng điện cú giỏ trị õm. Trường hợp tần bằng 0 thỡ nguồn d ng AC trở thành nguồn DC. Tần số khụng thể nhập giỏ trị õm, trong trường hợp này chư ng trỡnh sẽ bỏo lỗi. Cỏc tham số cần nhập bao gồm: biờn độ d ng điện, gúc pha, tần số và thời gian lấy mẫu.
Khối Three-phase source: Nguồn điện xoay chiều ba pha với nội trở R/L cho phộp nhập vào một nguồn xoay chiều với điện ỏp định mức được thành lập tựy theo
76
khai bỏo của người dựng. Cỏc tham số bao gồm: điện ỏp, gúc pha ban đầu, tần số, kiểu nối đất, cụng suất ngắn mạch và tỉ số X/R
Khối Controlled Voltage Source: Chuyển tớn hiệu đầu vào thành một nguồn điện ỏp tư ng đư ng, điện ỏp ra được điều khiển bởi tớn hiệu đầu vào của khối. Tớn hiệu điện ỏp cú thể là xoay chiều hay một chiều.
Khối Controlled Curent Source: Chuyển tớn hiệu đầu vào thành một nguồn d ng tư ng đư ng, tớn hiệu ra được điều khiển bởi tớn hiệu đầu vào của khối.
Khối thiết bị điện- Elements
Cỏc phần t chớnh của khối thiết bị điện bao gồm: cỏc loại tải điện một pha hay ba pha là cỏc mạch RLC, đường dõy, mỏy biến ỏp, mỏy cắt và hệ thống tiếp đất.
Khối Ground: nối đất
Mỏy biến ỏp 3 pha 2 cuộn dõy: được tổ hợp từ 3 mỏy biến ỏp một pha cho phộp thành lập một mỏy biến ỏp 3 pha với cỏc thụng số tựy người s dụng khai bỏo bao gồm: cụng suất, tần số, tổ nối dõy, cấp điện ỏp, điện trở điện khỏng cuộn s cấp và thứ cấp, điện trở điện khỏng mạch từ.
Tải cụng suất 3 pha RLC song song (Three-Phase Parallel RLC Load): bao gồm cỏc thụng số kiểu nối dõy, điện ỏp định mức, tần số, cụng suất tỏc dụng và phản khỏng. Với tải cụng suất 3 pha RLC nối tiếp cũng cú cỏc thụng số tư ng tự.
Ngoài ra, thư viện này c n cú tải RLC nối tiếp và song song với cỏc tham số cần xỏc định là giỏ trị điện trở, điện cảm và điện dung.
Khối đo lường:
Khối đo lường bao gồm cỏc phần t đo d ng điện, điện ỏp một pha hay ba pha, khối đo điện trở và đồng hồ vạn năng.
Current Measurement – thiết bị đo d ng điện dựng để đo d ng điện tức thời trong một thiết bị ho c dõy dẫn. Ngừ ra của nú là tớn hiệu Simulink vỡ vậy cú thể s dụng cho bất cứ khối Simulink nào.
Voltage Measurement – thiết bị đo điện ỏp dựng để đo điện ỏp tức thời gi a hai điểm, hai nỳt của s đồ . Ngừ ra của nú là tớn hiệu Simulink, vỡ vậy cú thể s dụng cho bất cứ khối Simulink nào.
77
4.4. Mụ phỏng hiện tượng nhấp nhỏy điện ỏp do l hồ quang gõy ra
Mạch điện tư ng đư ng của l hồ quang bao gồm ba pha một mỏy biến ỏp ba pha, điện trở và điện khỏng cỏp nối từ mỏy biến ỏp đến cỏc điện cực và điện dẫn phi tuyến của l . S đồ được thể hiện trờn hỡnh 4.6
R1 L1 R2 L2 R3 L3 Ea Eb Ec g1 g2 g3
Hỡnh 4.6. Sơ đồ mạch điện tương đương lũ hồ quang ba pha
Phư ng trỡnh điện dẫn của l hồ quang ba pha viết cho từng pha như sau:
2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 min 2 2 2 a 0 0 1 1 0 if if if if dg g g [1 exp( )] [ exp( )] P dt I g E I 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 min 2 2 2 b 0 0 2 2 0 if if if if dg g g [1 exp( )] [ exp( )] P dt I g E I 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 min 2 2 2 c 0 0 3 3 0 if if if if dg g g [1 exp( )] [ exp( )] P dt I g E I
S dụng cỏc khối s n cú trong Matlab/simulink và SimpowerSystems mụ phỏng phư ng trỡnh điện dẫn cỏc pha, ta cú được mụ s đồ mụ phỏng như hỡnh 4.7.
Việc xỏc định cỏc tham số cho mụ hỡnh mụ phỏng là rất quan trọng, lựa chọn tham số phải phự hợp với quỏ trỡnh diễn biến phức tạp của l hồ quang. Cỏc tham số cần lựa chọn bao gồm đ c tớnh tĩnh và động, tựy thuộc vào thụng số mỗi loại l để lựa chọn cỏc tham số thớch hợp sao cho việc mụ phỏng càng gần thực tế sẽ giỳp ớch cho việc lựa chọn phư ng phỏp thớch hợp nhằm giảm nhẹ ảnh hưởng của l hồ quang đến chất lượng điện năng.
78
Hỡnh 4.7. Mụ hỡnh điện dẫn pha của lũ hồ quang ba pha
Để mụ phỏng cỏc hiện tượng chất lượng điện của l hồ quang ta xõy dựng mụ hỡnh hệ thống như hỡnh 4.8. Một l hồ quang ba pha được cung cấp điện từ một nguồn hệ thống điện ỏp 110kV, cụng suất ngắn mạch 500MVA qua một đường dõy dài 1km và mỏy biến ỏp trung gian T1-110/22kV. Một tải ba pha cụng suất 10MVA được nối vào thanh cỏi 22kV. S đồ nguyờn l như hỡnh 4.8
79 V(t) RL PCC T1 XL Load EAF Hỡnh 4.8. Sơ đồ nguyờn lý hệ thống S đồ tổng thể mụ hỡnh hệ thống hỡnh 4.9: Hỡnh 4.9. Sơ đồ mụ phỏng hệ thống Cỏc thụng số mụ phỏng: TT Mụ tả Thụng số 1 Nguồn cung cấp Điện ỏp: 110kV Tần số: 50Hz Cụng suất ngắn mạch: 500MVA Tỉ số X/R: 9
2 Mỏy biến ỏp trung gian
Cụng suất: 40MVA Điện ỏp: 110kV/22kV Tần số: 50Hz
Điện trở, điện cảm cuộn dõy cao ỏp, hạ ỏp: RHV = 0,002pu; LHV = 0,04pu; RLV = 0,002pu; LLV = 0,04pu 3 Lũ hồ quang Mỏy biến ỏp lũ: Cụng suất S = 10MVA Cấp điện ỏp: 22kV/0,4kV; tần số 50Hz
80
Điện trở, điện cảm cuộn cao thế, hạ thế: RHV = 0,002pu; LHV = 0,04pu; RLV = 0,002pu; LLV = 0,04pu
Điện trở điện cảm cảm cỏp tử mỏy biến ỏp đến l : RA = RB = RC = 0,0004; LA = LB = LC = 1,6.10-5H Cỏc thụng số đặc tớnh tĩnh: 0 = 100.10-6; 1 = 110.10-6; Po=100; Io=10; Gmin=0.008; = 0,05 4 Đường dõy 110kV RL = 0,1; L = 1.10-3(H) Kết quả mụ phỏng:
Dạng súng điện ỏp và d ng điện hồ quang pha A (hỡnh 4.10)
Hỡnh 4.1 . a) Điện ỏp hồ quang; b)Dũng điện hồ quang
Điện ỏp và dũng điện tại PCC
Hỡnh 4.11. Dạng súng điện ỏp tại PCC.
81
Hỡnh 4.13. Dũng điện tại PCC
Kết quả mụ phỏng thấy điện ỏp tại thanh cỏi PCC xuất hiện nh ng xung nhọn làm biến dạng dạng súng điện ỏp, dao động điện ỏp xảy ra mạnh và liờn tục, trị số d = V/V lờn tới 3,83% vượt quỏ giỏ trị cho phộp quy định tại bảng 2.4.
Độ dao động điện ỏp được tớnh theo cụng thức sau: peak.max peak.min peak.n V V V d V V Trong đú:
- Vpeak.max là giỏ trị biờn độ điện ỏp lớn nhất trong một chu k dao động - Vpeak.min là giỏ trị biờn độ điện ỏp nhỏ nhất trong một chu k dao động
- Vpeak.n là giỏ trị biờn độ điện ỏp định mức
Căn cứ số liệu mụ phỏng ta cú kết quả tớnh toỏn độ dao động điện ỏp như sau: peak.max peak.min peak.n V V V 155, 65 149, 69 d .100% 3,83% V V 110. 2
Dao động điện ỏp dẫn đến nhấp nhỏy điện ỏp làm ảnh hưởng đến cỏc phụ tải khỏc nối chung. Vỡ vậy cần phải cú cỏc biện phỏp để khắc phục dao động và chớp nhỏy điện ỏp. Cỏc biện phỏp khắc phục sẽ được nờu ở chư ng 5 của luận văn.
82
CHƯƠNG 5: M T SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC NHẤP NHÁY ĐIỆN ÁP
Hiện tượng nhấp nhỏy điện ỏp xảy ra do hiện tượng dao động điện ỏp gõy ra. Vỡ vậy để giảm nhẹ được ảnh hưởng của nhấp nhỏy điện ỏp điện ỏp phải dựa trờn c sở hạn chế dao động điện ỏp. Cú hai phư ng phỏp được đưa ra để ứng dụng trong trường hợp này:
- Giảm dao động cụng suất (chủ yếu là cụng suất phản khỏng) của phụ tải - Tăng cụng suất ngắn mạch của nguồn hệ thống cấp điện.
5.1. Cỏc phư ng phỏp giảm dao động cụng suất phản khỏng
5.1.1.
Static Var Compensator (SVC) được ứng dụng từ nh ng năm 1970 để nõng cao chất lượng điện năng và hiện nay vẫn đang được ứng dụng và phỏt triển để hạn chế cỏc tỏc hại đến hệ thống điện do phụ tải l hồ quang gõy ra. SVC là thiết bị bự ngang cú thể điều chỉnh cụng suất phản khỏng bằng cỏch tăng hay giảm gúc mở của Thyristor. Nếu hệ thống thừa cụng suất phản khỏng hay điện ỏp tại nỳt cao h n giỏ trị cho phộp SVC sẽ tiờu thụ cụng suất phản khỏng từ hệ thống và hạ thấp điện ỏp tại nỳt điều chỉnh. Ngược lại, nếu hệ thống thiếu cụng suất phản khỏng, cỏc tụ bự ngang sẽ được tự động đúng vào. Do đú, cụng suất phản khỏng được b m thờm vào hệ thống, điện ỏp của nỳt được cải thiện.
Một SVC điển hỡnh gồm cỏc tụ bự ngang được điều khiển bằng đúng cắt, kết nối với cuộn dõy điện cảm được điều chỉnh bằng thyristor. Nhờ việc thay đổi gúc dẫn của thyristor mà điện khỏng đẳng trị của SVC cú thể thay đổi liờn tục được. Do đú, cụng suất phản khỏng của lưới điện cú thể được b m vào hay hỳt đi một cỏch liờn tục. Theo cấu trỳc này, cỏc tụ điện sẽ điều chỉnh thụ, sau đú, cỏc TCR (thyristor-controlled reactor) sẽ điều chỉnh giỏ trị cảm khỏng, kết quả là giỏ trị điện khỏng đẳng trị là một giỏ trị liờn tục. Điều chỉnh tr n h n và linh hoạt h n cú thể thực hiện được bằng cỏch s dụng bộ tụ điện được đúng cắt nhanh bằng thyristor hay TSR (Thyristor Switched Reactor). Cỏc tải cảm khỏng thay đổi nhanh trong mạch (như cỏc l điện) cú thể làm biến đổi dạng súng điều h a của điện ỏp. Và do đú, cỏc bộ lọc điện t cụng suất lớn được s dụng để làm tr n súng điện ỏp. Bản
83
thõn cỏc bộ lọc súng điều h a này lại cú tớnh dung, do đú, chỳng cung cấp cụng suất phản khỏng cho lưới điện.
SVC được tổ hợp từ cỏc thành phần c bản sau:
- Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn khỏng được điều khiển bằng thyristor. Khỏng điện được mắc nối tiếp với 2 van thyristor lắp ngược chiều nhau. Mỗi bộ thyristor điều khiển một pha. Điện khỏng đẳng trị là một giỏ trị liờn tục.
- Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn khỏng được đúng cắt bằng thyristor. Thiết bị cú cấu tạo tư ng tự như TCR nhưng thyristor chỉ cú hai trạng thỏi đúng ho c mở hoàn toàn. Điện khỏng đẳng trị là một giỏ trị nhảy cấp.
- Thyristor Switched Capacitor (TSC): Tụ điện được đúng cắt bằng thyristor. Do đú, điện dung đẳng trị là một giỏ trị nhảy cấp.
Cấu tạo của SVC được thể hiện trờn hỡnh 5.1.
Nguyờn l điều khiển của SVC dựa trờn c sở đo lường d ng điện tải và quyết định gúc mở của Thyristor để điều khiển cụng suất phản khỏng. Nguyờn l điều khiển được thể hiện trờn hỡnh 5.2.
Như vậy một SVC nối song song với tải l hồ quang sẽ điều chỉnh trào lưu cụng suất phản khỏng tại nỳt tải và gi cho điện ỏp ổn định. Với thời gian đỏp ứng nhanh (khoảng 5ms) sẽ làm giảm dao động điện ỏp và khắc phục được hiện tượng nhấp nhỏy điện ỏp.
TCR
TSR TSC
84
Hỡnh 5.2. guyờn lý đi u khi n của TCR
Cỏc chức năng chớnh của SVC bao gồm: - Điều khiển điện ỏp tại nỳt đ t SVC
- Điều khiển trào lưu cụng suất phản khỏng tại nỳt được bự
- Giới hạn thời gian và cường độ quỏ điện ỏp khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện
- Tăng cường tớnh ổn định của hệ thống điện
- Giảm dao động cụng suất phản khỏng khi cú sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột
Ngoài ra SVC c n cú cỏc tỏc dụng khỏc mang lại lợi ớch cho quỏ trỡnh vận hành hệ thống điện như:
- Làm giảm nguy c sụt ỏp trong ổn định tĩnh - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dõy
- Giảm gúc làm việc làm tăng khả năng vận hành của đường dõy - Giảm tổn thất cụng suất và điện năng
Tuy nhiờn SVC c n hạn chế do thời gian đỏp ứng với cỏc dao động nhanh điện ỏp c n độ trễ nhất định. Cú một khoảng thời gian trễ gi a việc ghi nhận giỏ trị d ng điện điều khiển với việc kớch hoạt Thyristor đúng mở (khoảng chu k ). M t khỏc SVC s dụng cỏc thiết bị điều khiển điện t cụng suất nờn cũng là nguồn phỏt
85
sinh súng hài. Để khắc phục hiện tượng này cú thể đ t cỏc bộ lọc súng hài để trỏnh phỏt sinh d ng điện súng hài vào hệ thống.
5.1.2. Phư ng phỏp sử dụng thiết bị bự đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Syncronnous Compensator)
STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn ỏp (Voltage Source Converter- VSC), nú chuyển đổi điện ỏp một chiều thành điện ỏp xoay chiều để bự cụng suất phản khỏng cho hệ thống. STATCOM là thiết bị bự ngang, nú điều chỉnh điện ỏp tại vị trớ lắp đ t lờn giỏ trị điện ỏp đó được cài đ t trước thụng qua việc điều chỉnh biờn độ và gúc pha của điện ỏp r i gi a STATCOM và hệ thống. Bằng cỏch điều khiển điện ỏp của STATCOM cựng pha với điện ỏp hệ thống nhưng cú biờn độ lớn h n khiến d ng cụng suất phản khỏng chảy từ STATCOM vào hệ thống qua đú nõng cao điện ỏp hệ thống và ngược lại nếu biờn độ điện ỏp của STATCOM nhỏ h n hệ thống thỡ cụng suất phản khỏng sẽ chạy từ hệ thống vào STATCOM hạn chế được hiện tượng quỏ điện ỏp hệ thống.
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm cỏc bộ tụ điện được điều chỉnh bằng cỏc thiết bị điện t như thyistor cú c a đúng mở GTO. So với SVC, nú