1 .2.4 Thiết bị điều khiển dòng công suất
2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện
2.1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
Cũng nhý cụng suất tỏc dụng P, cụng suất phản khỏng Q trong hệ thống điện cũng cần luụn luụn phải điều chỉnh để giữ trạng thỏi cõn bằng. Việc phõn bố dũng cụng suất trong hệ thống điện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lýợng điện nóng cung cấp cho cỏc phụ tải và đảm bảo điều kiện vận hành cỏc thiết bị và đýờng dõy an toàn, trỏnh hiện týợng quỏ ỏp và một số hiện týợng khỏc do cụng suất phản khỏng gõy nờn. Hừn nữa, nú cũn làm tóng tớnh kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống điện. Khỏc với cụng suất tỏc dụng, cụng suất phản khỏng cú tớnh chất phõn bố theo khu vực vỡ điện ỏp của cỏc nỳt trong hệ thống điện là khỏc nhau nờn ngoài nguồn cung cấp điện cụng suất phản khỏng từ cỏc nhà mỏy
điện thỡ cần phải cú những nguồn phỏt cụng suất phản khỏng khỏc nhý: Mỏy bự đồng bộ, tụ bự, khỏng điện Ầ Ngoài ra, việc đặt cỏc thiết bị bự cụng suất phản khỏng cũn cú tỏc dụng cải thiện đỏng kể thụng số chế độ, đặc biệt đối với đýờng dõy siờu cao ỏp.
Trýớc đõy, cỏc thiết bị bự cụng suất phản khỏng thýờng khụng cú tự động điều chỉnh hoặc cú điều chỉnh nhýng rất chậm, nhảy bậc. Ngày nay với sự ra đời của cỏc thiết bị Thyristor cụng suất lớn và cựng với nú là cỏc thiết bị FACTS ( Fleaxible AC Transmission line System), trong đú cú SVC, đó khắc phục đýợc cỏc nhýợc điểm nờu trờn và mang lại hiệu quả rất cao trong vận hành hệ thống điện. Do tớnh ýu việt của SVC ( khả nóng điều chỉnh nhanh), biờn độ thay đổi khỏ lớn nờn nú đó đýợc sử dụng rộng rói trờn toàn thế giới để cải thiện chế độ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thụng số chế độ đýờng dõy và nõng cao ổn định của hệ thống điện.
SVC đýợc lắp đặt trong hệ thống điện cú tỏc dụng tóng tớnh linh hoạt của hệ thống trờn nhiều khớa cạnh nhý: điều chỉnh điện ỏp tại vị trớ SVC mắc vào lýới, làm tóng ổn định hệ thống, tóng khả nóng truyền tải cụng suất, giảm tức thời quỏ điện ỏp, hạn chế khả nóng cộng hýởng tần sú và giảm dao động cụng suất Ầ
Thiết bị bự ngang cú điều khiển SVC đúng một vai trũ quan trọng trong việc điều chỉnh điện ỏp trong hệ thống điện. Nú hoạt động trong hệ thống nhý một phần tử thụ động nhýng lại phản ứng của đối týợng tự thớch nghi với thụng số chế độ.
2.1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SVC.
2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất.
Chức năng bình thường nhất của một SVC là điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất phản kháng tại điểm nó được nối vào mạng lưới. Điều này cũng dễ hiểu vì công suất phản kháng có tác dụng rất lớn đối với cường độ điện áp, mà SVC là một thiết bị có khả năng tạo hoặc thu hút công suất phản kháng ảnh hưởng bởi sự biển đổi của công suất tải như việc đóng cắt các phần tử của hệ thống điện: các đường 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 chắ 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 tượng bão hòa mạch từ trong máy biến áp, mà cũng là nguyên nhân làm tăng vọt các thành phần sóng hài trong các máy phát điện. Điều đó, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng các thành phần sóng hài và có thể là sự cộng hưởng trong các tụ bù, trên đường dây truyền tải và trong các đường 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 hưởng 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 vắ dụ đơn giản như hình 2.1.
U
E svc Load
p,q
jXe
Hỷ thèng ệiỷn
Hừnh 2.1: ậiÒu chửnh ệiỷn ịp tỰi nót phô tời bỪng SVC
Trong đó:
E: là điện áp của hệ thống.
Xe: là điện kháng của hệ thống điện tắnh đến thanh cái của phụ tải. Điện áp tại thanh cái phụ tải của hệ thống sẽ có xu hướng giảm thieo chiều tăng của công suất tải nếu không có phần tử bù công suất phản kháng và được thể hiện trên đường đặc tắnh (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 ắt biến đổi hơn và thể hiện trên đường đặc tắnh (b) của hình 2.2.
Tuy nhiên, nêu thiết bị SVC không có giới hạn về công suất phát thì điện áp trên thanh cái của phụ tải có thể được giữ giá trị không đổi và được thể hiện trên đường đặc tắnh (c) của hình 2.2.
U (a) (b) (c) P 0
Hừnh 2.2: Sù thay ệữi cựa ệiỷn ịp tỰi thanh cịi phô tời khi cã vộ khềng cã SVC
2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố.
Chức năng quan trọng nhất là giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố bình thường khi mất tải đột ngột tại một điểm trên đường dây hoặc ngắn mạch yếu. Vì SVC có thể phản ứng trong vòng 10ms, nên thời gian quá áp sẽ được giảm xuống thấp hơn thời gian chỉnh định bảo vệ của hệ thống rơ le. Do đó cac rơ le không cần tác động cắt sự cố và tắnh chất tải điện sẽ được nâng cao. Quan hệ quá áp với thời gian được thể hiện ở hình 2.3.
100
10s Voltage
0
Hừnh 2.3: Quan hỷ thêi gian vộ ệiỷn ịp quị ịp
Đặc điểm này rất quan trọng đối với đường dây siêu cao áp như đường dây 500kV Bắc- Nam của nước ta bởi vì nó có chiều dài rất lớn (1487km) nhiều tình huống
cắt ngắn mạch một phắa các đoạn đường dây có thể dẫn đến hiện tượng quá áp. Trong hệ thống điện hợp nhất của nước ta, quá điện áp xảy ra trong những trường hợp sau:
- Cắt đường dây Phú Lâm- Hóc Môn.
- 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 kháng bù ngang tại Đà Nẵng.
- Sửa chữa định kì kháng bù ngang tại Phú Lâm.
- Sửa chữa định kì tụ bù dọc.
- Khi tự đóng lại một pha.
- Đường dây 500kV bị cắt trọng mọi trường hợp.
- Các sự cố khác.
2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công.
Dao động công suất là một hiện tượng có thể xảy ra sau một quá trình quá độ, vắ dụ như mất tải hoặc thình lình giảm công suất phát tại nguồn hoặc tự động đóng lại sau khi xảy sự cố v.vẦ. Hệ thống tải điện càng yếu thì hiện tượng này càng rễ xảy ra. Và đây là một vấn đề lớn đối với đường dây siêu cao áp 500kV của nước ta.
Trong hệ thống điện hợp nhất của nước ta, dao động công suất có thể xảy ra trong các trường hợp sau:
- Loại bỏ phụ tải Phú Lâm.
- Loại bỏ phụ tải Đà Nẵng.
- Sự cố ngắn mạch 3 pha.
- Sự cố tại nhà máy thủy điện Hòa Bình.
- 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 được điều khiển nhằm kìm hãm bằng cách thay đổi góc mở của thyristor của SVC một cách gần như tức thời.
2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công.
Giảm cường độ dòng điện vô công và như thế sẽ giảm bớt đi tổn thất gây ra bởi dòng điện này trên đường dây mà các nhà máy phát điện phải cung cấp. Nói chung là tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất của hệ thống điện.
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây.
Tăng khả năng tải của đường dây, và tăng độ dự trữ ổn định của đường dây. Sử dụng thiết bị bù có điều khiển cho phép biển đổi các đặc tắnh của đường dây, công suất tự nhiên của đường dây và có thể đạt được chế độ làm việc của đường dây, trong đó công suất truyền tải luôn luôn bằng công suất tự nhiên của đường dây. Khi có đặt SVC ở giữa đường dây với công suất đủ lớn thì việc kiểm tra khả năng tải của đường dây không phải giữa các véc tơ điện áp ở đầu và cuối đường 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 thường được giới hạn bởi cấp điện áp vận hành và điện kháng trong các máy biến áp của hệ thống.
Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được cho bởi công thức sau:
sin m P P , X E Pm 2 Trong đó:
- E là suất điện động của máy phát điện và bằng điện áp có tại thanh cái máy phát.
- X: là điện kháng toàn bộ hệ thống điện. - P: công suất truyền tải trên đường dây.
- Pm: công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được. - : góc giữa điện áp đầu cực máy phát và điện áp tại điểm xét.
Công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được hay chắnh là công suất truyền tải lớn nhất của hệ thống mà vẫn đảm bảo được tắnh ổn định Pm đạt được với góc
= 900 và có giá trị bằng:
X E Pm 2
Đây chắnh là giới hạn ổn định của công suất truyền tải của hệ thống.
Với việc sử dụng các thiết bị SVC tại các điểm trên đường dây truyền tải sẽ có xu hướng làm tăng khả năng tải của đường dây truyền tải bởi vì điện áp được cung cấp thêm bởi các SVC tại điểm đấu SVC. Và khi có thiết bị SVC có công suất
đủ lớn được nối tại một điểm của đường dây sao cho điện kháng của hệ thống điện về 2 phắa của SVC bằng nhau (hình vẽ 2.4) thì khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện sẽ bằng : 2 sin 2 m P P và điện áp U = E 1.4 1 0.6 0.2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.4 0.8 1.2 1.6 2 1.8 ệ E', X X/2 X/2 SVC Hỷ thèng ệiỷn ~ cã SVC khềng giắi hỰn cềng suÊt cã SVC giắi hỰn cềng suÊt Qc= Qcmax = 4Pmax khềng cã SVC
Hừnh 2.4: ậẳc tÝnh cềng suÊt truyÒn tời cựa hỷ thèng khi cã vộ khềng cã SVC
Điều đó có nghĩa là giới hạn của trạng thái ổn định bây giơ tại góc = 1800, và giá trị công suất max của đường dây truyền tải tăng 2 lần.
Nếu đường dây truyền tải với lượng công suất nhỏ hơn giá trị công suất max và để giữ trạng thái ổn định thì thiết bị SVC cần phải có lượng công suất max là Qcmax= 4Pm. Trên thực tế công suất các thiết bị bù thường nhỏ hơn cũng được chấp nhận vì lắ do kinh tế. Nếu một thiết bị bù có công suất giới hạn được vận hành lớn hơn công suất của nó thì nó sẽ hoạt động như một kháng bù ngang có công suất không đổi. Điều đó có nghĩa rằng điện áp tại điểm giữa không đổi và bằng giá trị E. Khi đó công suất tác dụng truyền tải giảm và được tắnh theo công thức sau:
sin 4 1 1 m C m P Q P P
Việc tăng khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện có thể thực hiện được trong hệ thống điện thực tế với các thiết bị SVC nối tại các vị trắ chiến lược 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 hưởng đến chất lượng 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 như máy phátẦ và có thể làm hỏng các máy điện quay. Bằng việc bổ sung các kháng điện bù ngang có thể đạt được sự cân bằng phụ tải, sự cân bằng điện áp và hiệu chỉnh được hệ số công suất.
Để cân bằng các phụ tải không đối xứng như các lò điện, xe lửaẦ thì giải pháp được 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 được 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 truyền tải trên đường 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 (được giữ nhỏ hơn giá trị công suất truyền tải thực tế trong điều kiện bình thường) được gọi là giới hạn ổn định quá độ. Xét hệ thống điện đơn giản như hình 2.5. Công suất truyền tải trước sự cố là P1 và đường đặc tắnh (1). Trong khoảng thời gian tồn tại sự cố, công suất truyền tải giảm đi so với lúc trước sự cố và được minh họa bằng đường đặc tắnh (2).
Công suất máy phát giảm đột ngột nhưng do quán tắnh rotor máy phát sẽ gia tốc cho tới khi sự cố được xóa bỏ tại góc c bằng việc ngắt đường dây sự cố và công suất truyền tải tăng dần trên đường đặc tắnh (3). Năng lượng tắch lũy được trong quá trình gia tốc của rotor được đặc trưng bằng diện tắch hình (A1). Lúc này rotor vẫn tiếp tục quay và động năng tắch lũy của rotor sẽ hãm chuyển động của nó. Công suất
truyền tải của hệ thống sẽ vượt quá giá trị P1. Giá trị lớn nhất của góc quay đạt được khi năng lượng hãm tốc (được định nghĩa bằng diện tắch hình A2) bằng năng lượng tăng tốc (diện tắch hình A1). ~ Hỷ thèng ệiỷn SVC jXL L jX L jX L jX e jX b a R X E', Xệ (b) khềng cã SVC (a) cã dỉng SVC 0 d i d c d maxd cr 180 max P Pt 2Pmax A1 2 A A (1) (3) (2) (2) (3) (1) A A2 1 A t P Pmax d max d cr d c i d 180 0 max 2P (1): Lóc tr-ắc sù cè (20: Lóc sù cè (3): Lóc sau sù cè Hừnh 2.5: ậẳc tÝnh cềng suÊt khi cã vộ khềng cã SVC
Nếu sau sự cố góc quay lớn nhất của rotor đạt được max nhỏ hơn góc giới hạn của rotor cr thì hệ thống giữ được trạng thái ổn định. Nếu max< cr thì năng lượng 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 kắch động lớn, nhỏ.
Khi thiết bị SVC được ứng dụng tại điểm giữa của đường dây làm tăng khả năng tải của hệ thống và được minh họa như hình 2.5. Đối với cùng một hệ thống truyền tải nhưng khi có ứng dụng thiết bị SVC thì diện tắch hãm tốc của rotor lớn hơn chắnh vì thế làm tăng khả năng tải của hệ thống sau các kắch động lớn, nhỏ.
2.2. THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC.
Cấu tạo chung của SVC đã được trình bầy ở chương 1.
2.2.1. CẤU TẠO TỪNG PHẦN TỬ CỦA SVC.
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược.
* Trường hợp tải thuần trở: