1- Thiết bị bù nối tiếp
Nguyên lý truyền tải điện năng trên đường dây có thể được trình bày dựa trên trên sơ đồ hình 2.1 và hình 2.2
Hình 2.1. Quá trình truyền tải điện năng trên đường dây
Trong đó:
- VS và S là điện áp và góc pha của nguồn, - Vr và r là điện áp và góc pha của hộ tiêu thụ,
Do đường dây có điện kháng XL nên sau khi truyền tải một khoảng cách thì điện áp Vs và Vr sẽ lệch nhau một góc .
Hình 2.2. Nguyên lý truyền tải điện năng
Việc điều khiển dòng công suất phản kháng Qr và dòng công suất tác dụng Pr được các thiết bị FACTS thực hiện bằng cách thay đổi các thông số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
XL, V, góc lệch . Hay nói một cách khác, Một thiết bị bù nối tiếp đóng vai trò điện khác XL có thể điều khiển được sẽ cho phép điều khiển độ lớn hay hướng dòng công suất qua lại theo hướng mong muốn. Các đại lượng Pr, Qr
trao đổi giữa hai nguồn xác định theo công thức (2.1), (2.2).
Pr = . sin L X Vr Vs (2.1) Qr = . (cos ) Vs Vr X Vr Vs L (2.2) Khi = s – r > 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ nguồn Vs sang tải Vr và ngược lại; khi = s – r < 0 thì dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ tải Vr sang nguồn Vs.
Với công suất phản kháng, khi (Vs - Vr.Cos ) > 0 dòng công suất phản kháng chảy từ nguồn sáng tải và ngược lại.
Như vậy, khi điều chỉnh biên độ điện áp, góc lệch sẽ điều chỉnh được dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa hai nguồn. Trong khi đó, nếu xem nguồn và phụ tải như hai nguồn điện thì giữa chúng còn có sự tác động qua lại với nhau về mặt điện áp và dòng điện, xảy ra hiện tượng tăng cường hoặc triệt tiêu các thành phần thứ tự điện áp, các thành phần sóng hài tương ứng giữa hai nguồn.
Tác dụng của các thiết bị bù nối tiếp:
- Giảm độ sụt áp cả về độ lớn và góc pha;
- Giảm dao động điện áp với việc định rõ giới hạn trong quá trình thay đổi truyền tải công suất;
- Cải thiện biên độ dao động khi sự cố; - Hạn chế dòng ngắn mạch;
- Ngăn chặn dòng chảy quẩn và điều chỉnh dòng công suất. Một số thiết bị bù nối tiếp điển hình:
Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC).
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của TCSC
TCSC gồm các thành phần cơ bản như sau : SVC (Static Var Control), bộ lọc sóng hài bậc cao. Về cấu trúc TCSC giống với SVC đều dựa trên các TCR, tuy nhiên TCSC lại được kết nối nối tiếp vào đường dây. TCSC điều khiển điện kháng X của đường dây thông qua việc sử dụng các thyristor để đóng cắt nối tắt tụ điện của TCSC theo quy luật của điều khiển, nhờ đó làm thay đổi điện dung của tụ điện.
Chức năng chính của TCSC : - Giảm sự dao động điện áp;
- Tăng ổn định cho hệ thống điện;
- Tăng khả năng truyền tải cho đường dây qua việc bù công suất phản kháng;
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện; - Giảm góc làm việc .
Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc nối tiếp ( SSSC).
Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSI, tụ điện một chiều, máy biến áp kết nối. SSSC kết nối nối tiếp vào hệ thống điện như trên hình 2.4.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc của SSSC
Về cấu hình, SSSC khá giống với Statcom nhưng nó phức tạp hơn. Trong SSSC có mạch bảo vệ cho các thyristor, SSSC điều khiển điện kháng X của đường dây thông qua Vq. Nhờ cách đấu nối tiếp nên cho phép tạo ra tổng trở cách ly với các sóng hài giữa nguồn và tải theo ý muốn. Sơ đồ cấu trúc của SSSC chỉ ra trên hình 2.5 và sơ đồ nguyên lý trên hình 2.6
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.6. Nguyên lý hoạt động của SSSC
Nguyên lý điều khiển của SSSC dựa trên biểu thức (2.1) và (2.2) giống như TCSC.
Khi thay đổi góc làm việc , thì các giá trị Pr, Qr xác định theo công thức được điều khiển, từ đó thay đổi được điện áp Vq. Tùy theo giá trị của mà Vq có giá trị âm hay dương hay bằng không - tương ứng với ba chế độ làm việc của SSSC.
2- Các thiết bị bù song song
Những ứng dụng của các thiết bị này trong truyền tải, phân phối và mạng công nghiệp :
- Giảm nhỏ dòng công suất phản kháng không mong muốn và do đó giảm thiểu được tổn thất trong mạng.
- Bù cho tải tiêu thụ và nâng cao chất lượng điện năng đặc biệt là với những phụ tải có yêu cầu cao về độ dao động như máy công nghiệp, nhà máy nung thép, hay hệ thống xe điện ngầm,...
- Tăng khả năng ổn định tĩnh và ổn định động.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
SVC là thiết bị bù song song, sử dụng thyristor để đóng cắt tụ điện tĩnh, cảm kháng kết nối với đường dây như trên hình 2.7
Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của SVC
SVC gồm hai thành phần chính :
+ Thành phần phát hay hấp thu công suất phản kháng (tụ , cuộn cảm) + Khóa đóng cắt không tiếp điểm (GTO, thyristor,...)
Thông qua việc điều khiển đóng cắt các tụ điện và cuộn cảm, SVC sẽ hấp thụ hoặc phát công suất phản kháng tại điểm kết nối lưới.
Các phần tử chính của SVC:
- Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (Thyristor Controller Reactor) - Kháng đóng, cắt bằng thyristor TSR (Thyristor Switch Reator)
- Bộ tụ đóng, cắt bằng thyristor (Thyristor Switch Capacitor) Những ưu điểm của SVC :
- Tăng khả năng truyền tải của đường dây - Điều khiển được điện áp tại điểm kết nối SVC
- Điều khiển được dòng công suất phản kháng tại điểm kết nối SVC - Giảm dao động công suất tác dụng khi có sự cố ngắn mạch, mất tải
đột ngột.
Tuy nhiên, SVC còn một số hạn chế là cồng kềnh, dải điều chỉnh còn hạn chế do sử dụng dãy tụ điện, cuộn cảm, phát sinh nhiều sóng hài gây ô nhiễm lưới.
27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Bộ bù đồng bộ tĩnh Statcom
Statcom là thiết bị bù song song dựa trên nguyên tắc hoạt động của bộ nghịch lưu nguồn áp VSI. Cấu trúc của mạch lực Statcom bao gồm máy biến áp kết nối, bộ nghịch lưu nguồn áp VSI, tụ điện một chiều.
Hình 2.8. Sơ đồ cấu trúc và đặc tính hoạt động của Statcom
Trên thực tế có hai loại Statcom được phân loại theo công nghệ VSI sử dụng trong Statcom. Đó là Statcom thông thường và PWM Statcom.
Nguyên lý hoạt động của Statcom như sau:
Statcom hoạt động ở hai chế độ được thể hiện ở sơ đồ trên hình 2.9
Vs Xs Xr Vr E Iq V Iq E<V : dung kh¸ng XnE E V E V Iq Iq E<V : c¶m kh¸ng (a) (b) (c) STATCOM V-E
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong đó:
- Vs, Xs là điện áp và điện kháng tương đương của nguồn, - Vr , Xr là điện áp và điện kháng tương đương của tải,
- XnE là điện kháng kết nối tương đương giữa Statcom và lưới.
Khi điện áp phát ra từ Statcom là E nhỏ hơn điện áp lưới V thì giữa Statcom và lưới tồn tại dòng điện Iq sớm pha hơn so với hiệu (E-V) một góc 900 tương ứng ta có chế độ dung kháng hay Statcom phát công suất phản kháng lên lưới. Trường hợp ngược lại thì ta có chế độ cảm kháng.
Khác với SVC dựa trên điều khiển trở kháng, Statcom dựa trên việc điều khiển nguồn điện áp. Bởi vậy về kích thước Statcom nhỏ hơn so với SVC do không cần đến những tụ điện và điện cảm lớn. Bên cạnh đó do dòng của Statcom có thể giữ không đổi ngay cả khi điện áp thấp, còn dòng của SVC có thể bị sụt giảm theo điện áp. Do đó, trong những trường hợp điện áp bị sụt giảm thì Statcom có khả năng vận hành tốt hơn.
Với sự phát triển của các lý thuyết và công nghệ ngày nay đã có nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng mới với nhiều khả năng khác nhau nhưng đều dựa trên công nghệ Statcom. Về cơ bản, cấu trúc mạch lực của các thiết bị này là tương tự như Statcom chỉ khác là ở phần điều khiển của chúng tạo tín hiệu đặt cho VSI.
Nói chung Statcom được thiết kế cho việc bù công suất phản kháng và không cần đến thành phần lưu trữ năng lượng. Tuy nhiên, trong một số ứng dụng Statcom còn có thêm thành phần lưu trữ năng lượng như ắc quy thì nó có thêm khả năng bù được cả công suất tác dụng trong một thời gian nhất định. Khi đó, Statcom có thêm chức năng của BESS.
3- Các thiết bị bù hỗn hợp
Thiết bị hợp nhất các luồng công suất UPFC
Khi kết nối giữa Statcom và SSSC, hoặc kết hợp 2 bộ Statcom với nhau ta tạo ra những khả năng mới trong việc điều khiển luồng công suất tác dụng,
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
công suất phản kháng. Một trong những thiết bị tạo ra đó là UPFC, cấu trúc của một bộ UPFC được mô tả như trên hình 1.11:
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc của UPFC
Từ hình 2.10 thấy rõ, UPFC là sự kết hợp của SSSC và Statcom thông qua khâu một chiều trung gian. Bởi vậy UPFC kết hợp được tính năng của cả Statcom và SSSC vừa có thể điều khiển góc lệch , vừa có thể điều khiển điện kháng X của đường dây, điện áp UT. Bên cạnh đó, việc điều khiển công suất phản kháng từ bộ biến đổi nối tiếp hay song song là hoàn toàn có thể độc lập, điều này tạo nên sự linh hoạt trong việc điều khiển dòng công suất.
Nguyên lý hoạt động của UPFC được phân tích dựa trên sơ đồ hình 2.11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Như vậy, UPFC có được ưu điểm và chức năng của cả TCSC và SSSC.
Thiết bị phân luồng công suất IPFC
IPFC được dùng để phân luồng công suất truyền tải từ một hệ thống ra hai hệ thống con. IPFC là sự kết hợp của hai bộ SSSC, sơ đồ cấu trúc được mô tả trên hình 2.12 và sơ đồ nguyên lý trên hình 2.13. Khi điều khiển Vl1, Vl2 sẽ dẫn đến điều khiển hai dòng điện Il1, Il2 ở trên đường dây 1 và 2. Từ đó thực hiện được phân luồng công suất trên mỗi đường dây truyền tải có giá trị công suất theo yêu cầu của kịch bản điều độ. Hoạt động này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi vận hành hệ thống điện trong chế độ không bình thường, nhằm ngăn chặn sớm các trào lưu công xuất ngoài ý muốn.
Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc của IPFC
31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Mở rộng hơn, IPFC có thể ứng dụng cho tới n đường dây với n bộ biến đổi nối tương ứng. Khi đó một số bộ biến đổi có thể phát hoặc thu công suất tác dụng trong khi các bộ biến đổi khác làm nhiệm vụ điều khiển điện áp một chiều trung gian.