2.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Cũng nhƣ công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q trong hệ thống điện cũng cần luôn luôn phải điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng. Việc phân bố cùng công suất trong hệ thống điện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lƣợng điện năng cung cấp cho các phụ tải và đảm bảo điều kiện vận hành các thiết bị và đƣờng dây an toàn, tránh hiện tƣợng quá áp và một số hiện tƣợng khác do công suất phản kháng gây nên. Hơn nữa, nó cũng làm tổn thất kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện. Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng có tính chất phân bố theo khu vực và điện áp của các nút trong hệ thống điện là khác nhau nên ngoài nguồn cung cấp điện công suất phản kháng từ các nhà máy điện thì cần phải có những nguồn phát công suất phản kháng
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 28
khác nhƣ: máy bù đồng bộ, tụ bù, kháng điện … Ngoài ra, việc đặt các thiết bị bù công suất phản kháng cũng có tác dụng cải thiện đáng kể thông số chế độ, đặc biệt đối với đƣờng dây siêu cao áp.
Trƣớc đây, các thiết bị bù công suất phản kháng thông thƣờng không có tự động điều chỉnh hoặc có điều chỉnh nhƣng rất chậm, nhảy bậc. Ngày nay với sự ra đời của các thiết bị Thyristor công suất lớn và cùng với nó là các thiết bị FACTS ( Fleaxible AC Transmission line System), trong đó có SVC, nó khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm nêu trên và mang lại hiệu quả rất cao trong vận hành hệ thống điện. Do tính ƣu việt của SVC ( khả năng điều chỉnh nhanh), biên độ thay đổi nhỏ nên nó đƣợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới để cải thiện chế độ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thông số chế độ đƣờng dây và nâng cao ổn định HTĐ.
SVC đƣợc lắp đặt trong hệ thống điện có tác dụng đến tính linh hoạt của hệ thống trên nhiều khía cạnh nhƣ: điều chỉnh điện áp tại vị trí SVC mắc vào lƣới, làm tăng ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền tải công suất, hạn chế khả năng cộng hƣởng tần số và giảm dao động công suất …
Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. Nó hoạt động trong hệ thống nhƣ một phần tử thụ động nhƣng lại phản ứng của đối tƣợng tự thích nghi với thông số chế độ.
2.1.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SVC
2.1.2.1 ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ TRÀO LƢU CÔNG SUẤT
Chức năng bình thƣờng nhất của một SVC là điều chỉnh điện áp và trào lƣu công suất phản kháng tại điểm nó đƣợc nối vào mạng lƣới. Điều này cũng dễ hiểu vì công suất phản kháng có tác dụng rất lớn đối với cƣờng độ điện áp, mà SVC là một thiết bị có khả năng tạo hoặc thu hút công suất phản kháng ảnh hƣởng bởi sự biển đổi của công suất tải nhƣ việc đóng cắt các phần tử của hệ thống điện: các đƣờng dây, các nhóm tụ bù, kháng bù, các máy biến áp.
Với công suất tải lớn thì điện áp sẽ bị giảm đáng kể thậm chí bị sụt mạnh. Điều đó là nguyên nhân dẫn đến sự tác động của Relay điện áp thấp. Quá điện áp là nguyên nhân gây lên hiện tƣợng bão hòa mạch từ trong máy biến áp, mà cũng là nguyên nhân làm tăng
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 29
vọt các thành phần sóng hài trong các máy phát điện. Điều đó, dẫn đến hiện tƣợng cộng hƣởng các thành phần sóng hài và có thể là sự cộng hƣởng trong các tụ bù, trên đƣờng dây truyền tải và trong các đƣờng cáp. Điều này có thể dẫn đến sự tác động của chống sét van và có thể là nguyên nhân phá hỏng các chống sét van này.
Sự cộng hƣởng về nhiệt của các tụ điện và các động cơ có thể pháp hỏng các thiết bị điện của hộ tiêu thụ. Sự thay đổi điện áp tại nút phụ tải cuối cúng của hệ thống thiếu hụt công suất là một hàm phụ thuộc vào công suất tải của toàn hệ thống và có thể minh họa bằng , ví dụ đơn giản nhƣ hình 2.1.
Hình 2.1 Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC
Trong đó:
Xe : là điện kháng của hệ thống điện tính đến thanh cái của phụ tải.
Điện áp tại thanh cái phụ tải của hệ thống sẽ có xu hƣớng giảm theo chiều tăng của công suất tải nếu không có phần tử bù công suất phản kháng và đƣợc thể hiện trên đƣờng đặc tính (a) của hình 2.2. Sự cung cấp công suất phản kháng của thiết bị SVC với dải thông số định mức tại điểm đấu phụ tải sẽ giữ cho điện áp phụ tải ít biến đổi hơn và thể hiện trên đƣờng đặc tính (b) của hình 2.2. Tuy nhiên, nếu thiết bị SVC không có giới hạn về công suất phát thì điện áp trên thanh cái của phụ tải có thể đƣợc giữ giá trị không đổi và đƣợc thể hiện trên đƣờng đặc tính (c) của hình 2.2
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 30
Hình 2.2 Sự thay đổi của điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC
2.1.2.2 GIỚI HẠN THỜI GIAN VÀ CƢỜNG ĐỘ QUÁ ÁP KHI XẢY RA SỰ CỐ
Chức năng quan trọng nhất là giới hạn thời gian và cƣờng độ quá áp khi xảy ra sự cố khi mất tải đột ngột tại một điểm trên đƣờng dây hoặc ngắn mạch. Vì SVC có thể phản ứng trong vòng 10ms, nên thời gian quá áp sẽ đƣợc giảm xuống thấp hơn thời gian chỉnh định bảo vệ của hệ thống rơle. Do đó các rơle không cần tác động cắt sự cố và tính chất tải điện sẽ đƣợc nâng cao. Quan hệ quá áp với thời gian đƣợc thể hiện ở hình 2.3
Hình 2.3 Quan hệ thời gian và điện áp quá áp
Đặc điểm này rất quan trọng đối với đƣờng dây siêu cao áp nhƣ đƣờng dây 500kV Bắc- Nam của nƣớc ta bởi vì nó có chiều dài rất lớn (1487km) nhiều tình huống cắt ngắn mạch một phía các đoạn đƣờng dây có thể dẫn đến hiện tƣợng quá áp.Trong hệ thống điện hợp nhất của nƣớc ta, quá điện áp xảy ra trong những trƣờng hợp sau:
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 31 Loại bỏ phụ tải chính của hệ thống điện Miền Nam.
Loại bỏ phụ tải ở hệ thống điện Miền Nam khi bộ tụ bù tại Phú Lâm vẫn tác động. Hòa đồng bộ.
Sửa chữa định kì tụ bù dọc. Khi tự đóng lại một pha.
Đƣờng dây 500kV bị cắt trọng mọi trƣờng hợp. Các sự cố khác.
2.1.2.3 ÔN HÕA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT HỮU CÔNG
Dao động công suất là một hiện tƣợng có thể xảy ra sau một quá trình quá độ, ví dụ nhƣ mất tải hoặc thình lình giảm công suất phát tại nguồn hoặc tự động đóng lại sau khi xảy sự cố v.v…. Hệ thống tải điện càng yếu thì hiện tƣợng này càng rễ xảy ra. Và đây là một vấn đề lớn đối với đƣờng dây siêu cao áp 500kV của nƣớc ta.
Trong hệ thống điện hợp nhất của nƣớc ta, dao động công suất có thể xảy ra trong các trƣờng hợp sau:
Sự cố tại nhà máy thủy điện Hòa Bình. Sự cố ngắn mạch 3 pha.
Loại bỏ phụ tải Đà Nẵng. Loại bỏ phụ tải Phú Lâm.
Sửa chữa định kì các máy phát điện Miền Bắc. Sửa chữa định kì các máy phát điện Miền Nam.
Khi có dao động công suất, SVC sẽ đƣợc điều khiển nhằm kìm hãm bằng cách thay đổi góc mở của thyristor của SVC một cách gần nhƣ tức thời.
2.1.2.4 GIẢM CƢỜNG ĐỘ DÕNG ĐIỆN VÔ CÔNG
Giảm cƣờng độ dòng điện vô công và nhƣ thế sẽ giảm bớt đi tổn thất gây ra bởi dòng điện này trên đƣờng dây mà các nhà máy phát điện phải cung cấp. Nói chung là tiết kiệm năng lƣợng và tăng năng suất của hệ thống điện.
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 32
Tăng khả năng tải của đƣờng dây, và tăng độ dự trữ ổn định của đƣờng dây. Sử dụng thiết bị bù có điều khiển cho phép biển đổi các đặc tính của đƣờng dây, công suất tự nhiên của đƣờng dây và có thể đạt đƣợc chế độ làm việc của đƣờng dây, trong đó công suất truyền tải luôn luôn bằng công suất tự nhiên của đƣờng dây. Khi có đặt SVC ở giữa đƣờng dây với công suất đủ lớn thì việc kiểm tra khả năng tải của đƣờng dây không phải giữa các véc tơ điện áp ở đầu và cuối đƣờng dây mà chỉ giữa các điểm có khả năng giữ điện áp không đổi (điểm có đặt SVC). Công suất truyền tải của hệ thống điện thƣờng đƣợc giới hạn bởi cấp điện áp vận hành và điện kháng trong các máy biến áp của hệ thống.
Với việc sử dụng các thiết bị SVC tại các điểm trên đƣờng dây truyền tải sẽ có xu hƣớng làm tăng khả năng tải của đƣờng dây truyền tải bởi vì điện áp đƣợc cung cấp thêm bởi các SVC tại điểm đấu SVC. Và khi có thiết bị SVC có công suất đủ lớn đƣợc nối tại một điểm của đƣờng dây sao cho điện kháng của hệ thống điện về 2 phía của SVC bằng nhau. Việc tăng khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện có thể thực hiện đƣợc trong hệ thống điện thực tế với các thiết bị SVC nối tại các vị trí chiến lƣợc
mà có thể tìm ra bằng việc nghiên cứu dòng điện phụ tải.
2.1.2.6 CÂN BẰNG CÁC PHỤ TẢI KHÔNG ĐỐI XỨNG
Cân bằng các phụ tải không đối xứng do SVC có khả năng giữ điện áp ổn định theo từng pha riêng rẽ nên nó làm cho độ không đối xứng của phụ tải giảm xuống.
Sự không đối xứng và sự xuất hiện của các tải một pha đều có ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện áp trong hệ thống điện. Nó là nguyên nhân của sự không đối xứng điện áp và sự quá tải trong các phần tử hệ thống nhƣ máy phát… và có thể làm hỏng các máy điện quay. Bằng việc bổ sung các kháng điện bù ngang có thể đạt đƣợc sự cân bằng phụ tải, sự cân bằng điện áp và hiệu chỉnh đƣợc hệ số công suất.
Để cân bằng các phụ tải không đối xứng nhƣ các lò điện, xe lửa… thì giải pháp đƣợc đề ra là mắc các phần tử kháng điện vào giữa các pha của hệ thống.
2.1.2.7 CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH SAU SỰ CỐ
Để cho hệ thống điện giữ đƣợc trạng thái ổn định sau các nhiễu loạn lớn do việc loại trừ các sự cố bằng tác động của các phần tử bảo vệ. Hệ thống phải giữ công suất
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 33
truyền tải trên đƣờng dây nhỏ hơn giá trị công suất giới hạn ổn định. Mức công suất lớn nhất hệ thống có thể truyền tải sau những sự cố mà vẫn đảm bảo trạng thái ổn định của hệ thống (đƣợc giữ nhỏ hơn giá trị công suất truyền tải thực tế trong điều kiện bình thƣờng) đƣợc gọi là giới hạn ổn định quá độ. Xét hệ thống điện đơn giản nhƣ hình 2.4 Công suất truyền tải trƣớc sự cố là P1 và đƣờng đặc tính (1). Trong khoảng thời gian tồn tại sự cố, công suất truyền tải giảm đi so với lúc trƣớc sự cố và đƣợc minh họa bằng đƣờng đặc tính (2).
Hình 2.4 Đặc tính công suất có và không có SVC
Công suất máy phát giảm đột ngột nhƣng do quán tính rotor máy phát sẽ gia tốc cho tới khi sự cố đƣợc xóa bỏ tại góc δc bằng việc ngắt đƣờng dây sự cố và công suất truyền tải tăng dần trên đƣờng đặc tính (3). Năng lƣợng tích lũy đƣợc trong quá trình gia tốc của rotor đƣợc đặc trƣng bằng diện tích hình (A1). Lúc này rotor vẫn tiếp tục quay và động năng tích lũy của rotor sẽ hãm chuyển động của nó. Công suất truyền tải của hệ thống sẽ vƣợt quá giá trị P1. Giá trị lớn nhất của góc quay đạt đƣợc khi năng lƣợng hãm tốc (đƣợc định nghĩa bằng diện tích hình A2) bằng năng lƣợng tăng tốc diện tích hình A1).
Nếu sau sự cố góc quay lớn nhất của rotor đạt đƣợc δmax nhỏ hơn góc giới hạn của rotor δcr thì hệ thống giữ đƣợc trạng thái ổn định. Nếu δmax< δcr thì năng lƣợng hãm tốc có tác dụng giữ cho rotor ở trạng thái ổn định. Điều này cho phép định chế độ vận hành ổn định cho hệ thống điện sau các kích động lớn, nhỏ. Khi thiết bị SVC đƣợc ứng dụng tại
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 34
điểm giữa của đƣờng dây làm tăng khả năng tải của hệ thống và đƣợc minh họa nhƣ hình 2.5. Đối với cùng một hệ thống truyền tải nhƣng khi có ứng dụng thiết bị SVC thì diện tích hãm tốc của rotor lớn hơn chính vì thế làm tăng khả năng tải của hệ thống sau các kích động lớn, nhỏ.
2.2. THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC. 2.2.1. CẤU TẠO TỪNG PHẦN TỬ CỦA SVC. 2.2.1. CẤU TẠO TỪNG PHẦN TỬ CỦA SVC.
2.2.1.1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BỘ THYRISTOR MẮC SONG SONG NGƢỢC.
Trên hình 2.5 mô tả nguyên lý làm việc của bộ thyristor trong mạch.
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor
a. Trƣờng hợp tải thuần trở:
Khi T1 mở thì một phần nửa chu kì dƣơng điện áp nguồn điện đặt lên mạch tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kì âm của điện áp nguồn đƣợc đặt lên mạch tải. Góc mở α đƣợc tính từ điểm đi qua trị không của điện áp nguồn.
Dòng điện tải không có dạng của một hình sin. Ta khai triển Fourier của nó gồm thành phần sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao. Thành phần sóng cơ bản của dòng điện tải i(1) lệch chậm sau điện áp nguồn một góc φ đƣợc thể hiện trên đồ thị hình 2.7. Điều đó nói lên rằng, ngay cả trƣờng hợp tải thuần trở, lƣới điện xoay chiều vẫn cung cấp một lƣợng công suất phản kháng.
Trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
2 2 sin 2 2 sin 2 1 2 0 U d U Ut (2.1)
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong Trang 35 2 2 sin 2 2 R U It (2.2) b. Trƣờng hợp tải thuần cảm:
Khi θ = α xung cho điều khiển mở T1 . Dòng điện tải tăng dần lên và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị zêzo khi θ = β. Khi thyristor T1 mở, ta có phƣơng trình: U t dt di L 2 sin (2.3) 0 cos 2 I L U it (2.4) Dòng điện tải cos cos 2 L U it (2.5)
Trị hiệu dụng của dòng điện tải
2 2 2 2 ) cos (cos 1 2 1 d L U d i It 2 sin 3 ) 2 cos 2 )( ( 2 L U It (2.6)
Công suất mạch tải tiêu thụ là công suất phản kháng. Nếu ta thay đổi đột ngột giá trị góc điều khiển từ α = 00 sang α = 1800 thì tƣơng ứng với trạng thái đóng hoặc mở mạch.
2.2.1.2 KHÁNG ĐIỀU CHỈNH BẰNG THYRISTOR TCR (THYRISTOR CONTROLLED REACTOR).
a. Sơ đồ nguyên lý hoạt động:
Kháng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) đƣợc cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngƣợc chiều nhau. Nhờ có khả năng khống chế đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liên tục
GVHD: PGS TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: Trần Thanh Phong
Trang 36
thông qua việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát xung điều khiển vào cực G mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh.
Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR