3.2.1 Bù song song
Hình 3.2: (a) Hệ thống bù song song với một bộ bù phản kháng lý tưởng tại điểm giữa;(b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải
30
Bù song song được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện để điều chỉnh biên độ điện áp, cải thiện chất lượng điện áp, và nâng cao độ ổn định hệ thống điện.
Cuộn kháng đầu nối song song thường được sử dụng để giảm quá áp đường dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng.
Trong khi đó, tụ bù kết nối song song thường được sử dụng để duy trì mức điện áp bằng cách bù công suất phản kháng đến đường dây truyền tải.
Mô hình đơn giản của hệ thống truyền tải có bù song song được trình bày trong hình 3.2. Biên độ của điện áp của hai đầu nguồn được giả định bằng V, góc lệch giữa đầu nguồn là δ. Giả định tổn thất trên đường dây truyền tải được thể hiện bằng trở kháng XL. Tại điểm giữa của đường dây truyền tải kết nối một tụ bù có điều khiển. Biên độ điện áp tại điểm kết nối là được duy trì bằng V.
Như đã trình bày ở trên, công suất tác dụng tại 2 đầu nguồn bằng nhau:
2 1 2 2 sin 2 V P P X = = (3.8)
Công suất phản kháng bơm vào tụ điện để điều chỉnh điện áp tại điểm giữa của đường dây truyền tải được tính như sau:
2 4 sin (1 cos ) 4 2 C V Q VI X = = (3.9)
Từ đường cong công suất – góc thể hiện trong hình 3.2c, công suất truyền tải có thể được được gia tăng đáng kể, và điểm chuyển dịch tử δ= 90ođến δ= 180o. Đường biên vận hành và ổn định hệ thống được gia tăng bằng cách bù song song.
Chức năng hỗ trợ điện áp của bù ở chính giữa có thể dễ dàng mở rộng đến hỗ trợ điện áp cuối đường dây truyền tải dạng tia, bù công suất phản kháng ở cuối đường dây dạng tia là đặc biệt có hiệu quả trong việc nâng cao điện áp.
31
3.2.2 Bù nối tiếp
Mục đích của bù nối tiếp để điều khiển trực tiếp tổng trở nối tiếp của cả đường dây truyền tải. Từ phương trình (3.6), công suất xoay chiều AC bị giới hạn bởi tổng trở kháng của đường dây truyền tải. Bù nối tiếp có thể gia tăng điện áp chống lại sụt áp của đường dây truyền tải, vì vậy giảm được tổng trở nối tiếp của đường dây.
Mô hình của đường dây truyền tải có bù nối tiếp được trình bày trong hình 3.3.
Giả định rằng biên độ điện áp của hai nguồn được giả định bằng nhau là V. Góc lệch giữa chúng là δ. Bỏ qua tổn thất trên trở kháng XL. Tụ bù có điều khiển được mắc nối tiếp vào đường dây truyền tải với điện áp bơm vào VC
Tổng trở của toàn bộ đường dây truyền tải khi gắn thêm:
(1 ) L C L X =X X = k X Với C L X k X = 0 k 1 (3.10)
Dòng đện đường dây truyền tải:
2 sin (1 ) L 2 V I k X = (3.11)
Hình 3.3 (a) Hệ thống bù với một bộ bù dung kháng nối tiếp; (b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải
32
Công suất tác dụng đường dây truyền tải:
2 sin (1 ) m L V P V I k X = = (3.12)
Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện được tính như sau:
2 2 2 2 . (1 cos ) (1 ) C C L V k Q I X X k = = (3.13)
Hình 3.3c thể hiện đường công suất – góc cho thấy truyền tải gia tăng theo k.
3.3 Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh và mô hình một pha của SSSC
Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh là một loại chuyển đổi được kết nối nối tiếp của thiết bị FACTS. Nó bơm một điện áp điều khiển được nối tiếp với một đường dây truyền tải ở tần số cơ bản bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi nguồn điện áp liên tục với một biến áp ghép. Điện áp bơm vào này là một điện áp AC gần sin với biên độ và góc pha thay đổi. Các thành phần vuông góc của điện áp bơm vào có thể sớm hoặc trễ hơn so với dòng điện đường dây là 900, nhờ vậy mà công suất phản kháng được hấp thụ hoặc tạo ra, do đó cung cấp cả việc bù dung kháng và cảm kháng. Mặt khác, các thành phần của điện áp bơm vào với các dòng điện đường dây cho phép SSSC trao đổi công suất phản kháng và cung cấp bù trở kháng. Việc cung cấp bù trở kháng là rất có lợi khi nói đến sự giảm dao động công suất. Các bộ bù trở kháng và phản kháng ảnh hưởng đến dòng chảy công suất trong các đường dây truyền tải.
3.3.1 Khái niệm về bù điện dung nối tiếp
Mục đích của việc bù điện dung nối tiếp là giảm tổng trở kháng nối tiếp ảnh hưởng giữa hai đầu đường dây truyền tải. Điện kháng của tụ bù nối tiếp triệt tiêu một phần điện kháng cảm ứng của đường dây thực tế, do đó, các điện kháng ảnh hưởng thì giảm và ngược lại cho nên điều này làm tăng sự truyền công suất của đường dây.
33
Hình 3.4 Sơ đồ của một hệ thống điện hai máy đơn giản và sơ đồ vector của nó: (a) không bù nối tiếp, (b) với bù nối tiếp.
Xem xét một mô hình hệ thống điện hai máy đơn giản khi không có và có một tụ bù điện dung nối tiếp và sơ đồ pha tương ứng như trong hình 3.4. Trong mô hình này, giả định cho rằng trở kháng đường dây truyền tải là không đáng kể, và do đó, đường dây được kí hiệu bởi một điện kháng cảm ứng. Hơn nữa, nó được giả định rằngcác máy ở cả hai đầu được biểu diễn bởi điện áp hình sin biên độ không đổi ở tần số đồng bộ. Hình 3.4 (b) cho thấy các tụ điện nối tiếp cung cấp một điện áp vuông góc và trễ đối với các dòng điện đường dây và điện áp này có phản kháng với điện áp đường dây. Có thể quan sát thấy Hình 3.4 (b) rằng dòng điện và dòng công suất tăng trong hệ thống.
Các công suất phản kháng (thực) ở hai nút đầu cuối của hệ thống không được bù trong hình 3.4 (a) được cho bởi
2 sin( ) sin S R S R L L V V V P X X = = (3.14)
34
Với VS và VR là độ lớn của điện áp đầu gửi và đầu nhận tương ứng, (giả định rằng V=VS=VR), δ (được gọi là các góc tải) là góc lệch giữa điện áp đầu gửi và đầu nhận (δ=δS- δR) và XL cảm kháng là đường dây truyền tải.
Đối với hệ thống bù điện dung nối tiếp (hình 3.4 (b))
2 2 2 2
sin sin sin sin
( ) (1 C) (1 ) eff L C L L L V V V V P X X X X X X k X = = = = (3.15)
Với XC là điện kháng tụ điện, Xeff =XL.XC là điện kháng ảnh hưởng, và k=XL/XC là góc bù nối tiếp (0 ≤ k<1).
Hình 3.5 cho thấy công suất phản kháng đang hoạt động bình thường với các góc tải của hệ thống bù dung nối tiếp thể hiện trong hình 3.4 (b) như một hàm tham số của góc bù điện dung nối tiếp. Rõ ràng là bù nối tiếp làm tăng công suất truyền bằng
một tỷ lệ cố định.
Hình 3.5 Công suất được truyền tải so với các góc tải như một hàm tham số của góc bù điện dung nối tiếp.
35
3.3.2 Nguồn điện áp đồng bộ
Một trong những cách để phân loại các bộ điều khiển FACTS là sơ đồ mạch bên trong của chúng tức là loại điều khiển dùng thyristor và mạch chuyển đổi. Các nguyên tắc hoạt động cơ bản của các Thyristor điều khiển trong các thiết bị FACTS là cung cấp một trở kháng phản ứng với những biến đổi trong hệ thống điện, do đó làm thay đổi tính chất các trở kháng của hệ thống. Điều này được thực hiện bởi các tụ điện và cuộn cảm cho nên có thể tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng cần thiết cho việc bù và các thyristor chỉ sử dụng để điều khiển mở và tắt các tụ điện và cuộn cảm. Mặt khác, các loại công cụ chuyển đổi điều khiển FACTS cung cấp và hấp thụ công suất phản kháng bằng cách bơm một điện áp xoay chiều thu được từ một nguồn điện áp đồng bộ(SVS).
SVS có thể được coi tương tự như một mô hình lý tưởng, có thể điều khiển được biên độ và góc pha: tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng để hoạt động như một tụ điện đồng bộ. Thiết bị lý tưởng này không có quán tính, phản ứng của nó là thực tế tức thời, nó không làm thay đổi trở kháng hệ thống hiện hữu và nó có thể tạo ra công suất phản kháng bên trong (cả điện dung và cảm ứng). Theo cách tương tự, SVS có thể hoạt động với một tụ điện lưu trữ điện áp DC nhỏ tương đối đủ để trao đổi công suất phản kháng với hệ thống AC. Hơn nữa, nó có thể trao đổi công suất phản kháng với hệ thống AC nếu nó được nối với một nguồn năng lượng điện hoặc nguồn lưu trữ điện áp DC thích hợp để cung cấp hoặc hấp thụ năng lượng cho nó, hoặc hấp thụ từ hệ thống AC.
Hình 3.6 cho thấy đại diện chức năng của một SVS (kết nối nối tiếp) trong đó bao gồm các bộ chuyển đổi điện áp nguồn (VSC), một biến thế ghép, một nguồn năng lượng tùy chọn và các thiết bị điều khiển. Các tín hiệu tham khảo (các bù công suất phản kháng Qref và công suất tác dụng Pref mong muốn hoặc bù trở kháng Xref và điện kháng Rref mong muốn) xác định biên độ V và góc pha φ của điện áp đầu ra được tạo
36
ra cần thiết để trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng mong muốn tại đầu ra AC . Nếu SVS chỉ hoạt động trao đổi công suất phản kháng (trao đổi công suất tác dụng là không cần thiết) thì Pref (hoặc Rref) được thiết lập đến không và SVS trở thành một nguồn công suất phản kháng như một tụ đồng bộ lý tưởng và nguồn năng lượng bên ngoài tùy chọn hoặc được lấy ra thiết bị lưu trữ.
Tất cả các chế độ hoạt động tiềm năng của SVS ở trạng thái ổn định được thể hiện trong hình 3.7 (a). Nó hoạt động chủ yếu để cung cấp công suất phản kháng đầu ra (bù dung kháng), do đó, các thiết bị nguồn năng lượng bên ngoài tùy chọn được thay thế bằng một tụ điện cố định để bù công suất phản kháng và dòng điện DC bên ngoài trở thành số không như hình 3.7 (b). Ở đây, nó được giả định rằng tất cả các tổn thất SVS đang bị bỏ qua, do đó Vinj là trễ 900 so với dòng điện đường dây. Trong thực tế, nó trễ hơn một chút để bổ sung khoản tổn thất của nó và giữ cho điện áp tụ điện ở mức độ mong muốn. Trong trường hợp đó, SVS hấp thụ một lượng nhỏ năng lượng hoạt động của hệ thống truyền dẫn.
37
Hình 3.7 Chế độ hoạt động ổn định có thể xảy ra và biểu đồ chuyển đổi công suất cho SVS.
3.3.3 Tụ bù đồng bộ tĩnh SSSC
SVS bù nối tiếp cơ bản, được gọi là Bù Đồng Bộ Kiểu Tĩnh (SSSC) đã được đề xuất bởi Gyugyi vào năm 1989 về việc sử dụng công nghệ nền tảng- chuyển đổi một cách thống nhất bù song song và nối tiếp cũng như điều khiển góc truyền tải. Các khái niệm sử dụng các SVS cho bù phản kháng nối tiếp dựa trên thực tế là SVS bơm một điện áp xoay chiều có độ lớn và góc có thể điều khiển vào các đường dây truyền tải bằng cách độc lập với dòng điện để nó có thể nhanh chóng thay đổi điện kháng ảnh hưởng giữa hai đầu của đường dây truyền tải và dòng công suất, trong khi điện áp bù phụ thuộc vào dòng điện đường dây trong trường hợp tụ bù nối tiếp.
Trong các trường hợp bù điện dung nối tiếp, điện áp đầu ra trễ hơn dòng hiện bằng 900. Tuy nhiên, điện áp đầu ra của SVS có thể được đảo ngược bởi một hành động điều khiển đơn giản để làm cho nó sớm hoặc trễ hơn dòng hiện bằng 90 độ.
Một biểu thức tổng quát cho các điện áp bơm vào, VSVS, có thể chỉ đơn giản được viết như:
38 1 ( ) SVS SVS V jV I = (3.16)
Với VSVS (ζ) là độ lớn của điện áp bù được bơm vào bởi SVS (0 ≤ VSVS (ζ) ≤ VSVS-max), ζ là một tham số điều khiển lựa chọn, và I là dòng điện đường dây. Sơ đồ bù phản kháng nối tiếp, bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi năng lượng chuyển mạch(chuyển đổi nguồn điện áp) như một nguồn điện áp đồng bộ để tạo ra một điện áp điều khiển vuông góc với dòng điện đường dây như được cho bởi phương trình (3.16).
Phương trình (3.16) có thể được viết lại cho SSSC như:
1 ( ) SSSC SSSC V jV I = (3.17)
Hình 3.8 Chế độ hoạt động SSSC trong một hệ thống điện hai máy và sơ đồ pha (b) không bù, (c) bù dung, (d) bù kháng.
Định nghĩa được đề xuất cho SSSC là một thiết bị mà trong trạng thái tĩnh, hoạt động không cần nguồn năng lượng điện từ bên ngoài và có thể điều khiển độc lập như là nguồn bù nối tiếp mà đầu ra điện áp vuông góc với các dòng điện đường dây
39
với mục đích tăng hoặc giảm điện áp rơi phản kháng tổng thể trên các đường dây và do đó phân bố công suất điện năng truyền đi. Các SSSC có thể bao gồm thiết bị lưu trữ năng lượng để tăng cường trạng thái động lực học của các hệ thống điện bằng cách bổ sung bù công suất phản kháng tạm thời, để tăng hoặc giảm trong giây lát, điện áp thực(thuần trở) tổng thể rơi ngang trên các đường dây.
Hình 3.8 minh họa các chế độ hoạt động khác nhau ở trạng thái ổn định cho một SSSC được lắp đặt trong mô hình hệ thống điện hai máy đơn giản của hình 3.8(a). Các chế độ hoạt động không bù của SSSC (VSSSC=0) được thể hiện trong hình 3.8 (b). Các chế độ bù dung được thể hiện trong hình 3.8 (c) trong đó, như kết quả điện áp được bơm vào của SSSC là VSSSC jVSSSC( )I
l
= , điện kháng quy nạp ảnh hưởng giữa
hai nút bị giảm và dòng điện đường dây thì bị tăng lên. Điều này dẫn đến việc tăng công suất phát. Hình 3.8(d) cho thấy SSSC hoạt động với các chế độ cảm kháng thì công suất phát để bơm vào bị giảm của SSSC là VSSSC jVSSSC( )I
l
=
Hình 3.9 Công suất được truyền đi so với góc tải được cung cấp bởi các SSSC như một hàm tham số của mức độ điện áp (bơm vào) bù nối tiếp .
Khi SSSC bơm điện áp bù biến đổi nối tiếp bằng cách điều khiển độ lớn của điện áp, bất chấp dòng điện đường dây, công suất được truyền tải P so với góc tải δ sẽ
40
trở thành một hàm tham số của điện áp bơm vào, VSSSC(ζ), và nó có thể được thể hiện trong một hệ thống hai máy như sau:
2 sin ( ) c os 2 SSSC L L V V P V X X = (3.18)
Công suất P bình thường so với góc δ được đồ thị như là hàm tham số của VSSSC(ζ) thể hiện trong hình 3.9. Để so sánh, VSSSC(ζ) được lựa chọn để cung cấp cho công suất tối đa giống như việc bù dung nối tiếp với k tương ứng trong hình 3.6.
Việc so sánh các đồ thị tương ứng trong hình 3.5 và 3.9 cho thấy rõ ràng rằng các tụ điện nối tiếp tăng công suất truyền đi bởi một tỷ lệ cố định của cái mà được truyền đi bằng đường dây không được bù tại một δ và, ngược lại, SSSC có thể tăng nó bằng một phần cố định về công suất tối đa có thể truyền tải bởi đường dây không được bù, độc lập của δ, trong phạm vi hoạt động quan trọng của 0 ≤ δ ≤ π/2. Các SSSC cũng có khả năng làm giảm công suất truyền bằng cách thay đổi điện áp của điện áp bơm vào trong khi việc bù điện dung nối tiếp không có một tính năng như vậy.
3.3.4 Bộ chuyển đổi nguồn điện áp một pha
3.4.1 Chế độ hoạt động của bộ chuyển đổi một pha
Mặc dù bộ chuyển đổi DC - thành - AC chủ yếu được gọi là biến tần bởi vì trong hầu hết các thời gian dòng chảy công suất từ bên DC cho phía AC, chúng đang chuyển đổi một cách thực sự vì dòng công suất có thể đảo ngược. Bộ chuyển đổi DC- thành-AC được sử dụng rất rộng trong các lĩnh vực ứng dụng, từ dân dụng đến các ứng dụng tiện ích mà mục tiêu là để tạo ra một sản lượng đầu ra AC sin từ một nguồn đầu vào DC, trong đó độ lớn, góc pha và tần số có thể điều khiển. Các đầu vào DC có thể