Do SVC có khả năng ổn định điện ỏp tại từng pha riờng rẽ do đú nú làm cho sƣ̣ khụng đụ́i xƣ́ng của phu ̣ tải giảm xuụ́ng . Sƣ̣ khụng đụ́i xƣ́ng và sƣ̣ x uṍt hiờ ̣n của cỏc tải 1 pha làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện ỏp của hệ thống điện . Vì vậy cõn bằng phu ̣ tải cũng là mụ ̣t nhiờ ̣m vu ̣ quan tro ̣ng.
44
2.1.7. Cải thiện ổn định sau sự cố
Đờ̉ cho hờ ̣ thụ́ng điờ ̣n giƣ̃ đƣợc tra ̣ng thái ụ̉n đi ̣nh sau nhiờ̃u loa ̣n lớn do viờ ̣c loại trừ cỏc sự cố bằng tỏc động của cỏc phần t ử bảo vệ . Hờ ̣ thụ́ng phải giƣ̃ cụng suṍt truyờ̀n tải nhỏ hơn giá tri ̣ cụng suṍt giới ha ̣n ụ̉n đi ̣nh . Khi thiờ́t bị SVC đƣơ ̣c ứng dụng thì khả năng tải của đƣờng dõy đƣợc tăng lờn , và theo đú giỏ trị cụng suất giới ha ̣n ụ̉n đi ̣nh tă ng lờn. Mă ̣t khác, thụng qua SVC ta có thờ̉ giƣ̃ cụng suṍt truyờ̀n tải bằng cỏch thay đổi gúc mở Thyristor của TCR .
2.2. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của SVC
SVC bao gồm bộ điện cảm và tụ điện (reactor hoặc capacitor) đúng mở hoặc điều khiển bằng thyristor. Điện khỏng đƣợc đúng mở hoặc điều khiển bằng thyristor dựng để tiờu thụ cụng suất phản khỏng và tụ điện đúng mở bằng thyristor để cung cấp cụng suất phản khỏng.
Trong trƣờng hợp chung, một SVC thƣờng đƣợc tạo nờn bởi cỏc phần tử chớnh bao gồm:
+ Khỏng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): cú chức năng điều chỉnh liờn tục cụng suất phản khỏng tiờu thụ.
+ Khỏng đúng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): cú chức năng tiờu thụ cụng suất phản khỏng, đúng cắt nhanh bằng thyristor.
+ Bộ tụ đúng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): cú chức năng phỏt cụng suất phản khỏng, đúng cắt nhanh bằng thyristor.
45
Hỡnh 0.4. Cấu tạo chung của SVC.
2.2.1. TCR, TSR (Thyristor Controlled Reactor, Thyristor Switched Reactor )
2.2.1.1. Cấu tạo:
Khỏng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) đƣợc cấu tạo dựa trờn nguyờn lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngƣợc chiều nhau. Nhờ cú khả năng khống chế đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liờn tục thụng qua việc thay đổi gúc mở bằng thời điểm phỏt xung điều khiển vào cực G mà TCR cú khả năng điều chỉnh cụng suất phản khỏng rất nhanh. Cấu tạo, dạng súng vận hành chỳng ta cú thể quan sỏt trong sơ đồ hình 2.5:
MBA bự
TCR
46
Hỡnh 0.5. a. Cấu tạo TCR, b. dạng sóng vận hành
- L: cuộn điện khỏng chớnh.
- Thyristor: cú chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.
- Hệ thống điều khiển tớn hiệu xung đến cực điều khiển của thyristor, hệ thống này là một khõu quan trọng để điều chỉnh liờn tục giỏ trị XL hay thay đổi trị số cụng suất phản khỏng phỏt ra hay tiờu thụ.
2.2.1.1 Nguyờn lý hoạt động và đặc tớnh điều chỉnh:
TCR thực chất là cuộn khỏng đƣợc điều khiển bằng 2 thyristor mắc song ngƣợc. Gúc mở thay đổi thì TCR sẽ thay đổi liờn tục giỏ trị cụng suất phản khỏng nhờ cỏc tớn hiệu điều khiển. Để duy trì sự cõn bằng giữa cỏc cực thuận nghịch của Thyristor, trỏnh cỏc dòng điều hòa bậc chẵn và một chiều, cỏc xung mở đƣợc hạn chế trực tiếp trong khoảng 90o180o theo điện ỏp.
Điện ỏp và dòng điện trong điện khỏng cú thể biểu diễn nhƣ sau: Với v(t) = Vm sint t 1 v(t) iL( iL(1 (Vm/Lcos (b) TSR L iL ( T1 T2 V(t) (a)
47
Ở nửa chu kỳ dƣơng của điện ỏp, tại thời điểm 𝜔𝑡 = cho xung điều khiển mở T1, ta cú phƣơng trình:
𝐿𝑑𝑖
𝑑𝑡 = 𝑉𝑚𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡 𝑖𝑡 = − 𝑉𝑚
𝜔𝐿𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 + 𝐴
Hằng số tớch phõn đƣợc xỏc định theo sơ kiện 𝜔𝑡 = thì dòng điện it = 0, cuối cựng ta nhận đƣợc biểu thức của dòng điện tải
𝑖𝑡1 =𝑉𝑚
𝜔𝐿(− 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 + 𝑐𝑜𝑠) (2.1) Dòng điện (hỡnh 2.5) bằng khụng tại thời điểm ωt = và tăng dần đạt giỏ trị cực đại sau đú giảm xuống và đạt giỏ trị khụng tại thời điểm ωt = 2π −
Ở nửa chu kỳ õm của điện ỏp, tại thời điểm 𝜔𝑡 = 𝜋 + cho xung điều khiển mở T2, ta cú biểu thức của dòng điện tải:
𝑖𝑡2 =𝑉𝑚
𝜔𝐿(− 𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡 − 𝑐𝑜𝑠) (2.2) Dòng điện tải là giỏn đoạn do it1vàit2 tạo nờn, Trong cụng thức (2.1), (2.2) thành phần (V/L)cos là thành phần khụng đổi, phụ thuộc vào giỏ trị , dòng điện hỡnh sin khi = /2, dạng súng của dòng điện chạy qua TCR theo gúc mở đƣợc biểu diễn nhƣ hình vẽ (2.5b). Từ dạng súng vận hành ta cú biểu thức của dòng điện:
𝑖 𝑡 = − 𝑐𝑜𝑠𝑡 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 . 𝐼𝑚 𝑣ớ𝑖 0 ≤𝑡 ≤ 𝜋 − 𝛼 0 𝑣ớ𝑖 𝜋 − 𝛼 ≤ 𝑡 ≤ 𝛼 −𝑐𝑜𝑠𝑡 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 . 𝐼𝑚 𝑣ớ𝑖 𝛼 ≤𝑡 ≤ 𝜋 (2.3) Trongđú: 𝐼𝑚 = 𝑉𝑚 𝜔𝐿
Rừ ràng khi thay đổi giỏ trị gúc mở thì dòng điện chạy trong TCR cũng thay đổi. Dạng súng của dòng điện và điện ỏp của cuộn cảm L khi thay đổi gúc mở đƣợc miờu tả trong hình (2.6)
48
Hỡnh 0.6. Dạng sóng dũng điện và điện ỏp cuộn cảm L a. với góc mở 1; b. với góc mở 2 >1
Dòng điện qua TCR gồm thành phần dòng điện cơ bản và cỏc thành phần súng hài bậc cao. Biờn độ của dòng điện cơ bản ILF() cú thể biểu thị là hàm của gúc nhƣ sau: [4]
𝐼𝐿𝐹() = 𝑉𝑚
𝜔𝐿(2− 2 + 𝑠𝑖𝑛2) (2.4) Trong đú V là biờn độ của điện ỏp nguồn, L là điện cảm của điện khỏng điều khiển bằng thyristor, là tần số gúc của điện ỏp nguồn.
𝐼𝐿𝐹 thay đổi liờn tục giỏ trị từ 1 tới 0 khi gúc mở thay đổi từ 900 đến 1800. Đặc tớnh điều chỉnh biờn độ dòng điện cơ bản theo gúc cắt đƣợc thể hiện trong hỡnh 2.7 t 1 iL(1 L 1 t 21 iL(21 VL(21 (a) (b)
49
Hỡnh 0.7. Đặc tính điờ̀u chỉnh dũng điện TCR theo góc mở
TCR cú thể điều chỉnh dòng điện cơ bản liờn tục từ 0 đến giỏ trị lớn nhất nhƣ thể nú là 1 điện dẫn cảm khỏng cú thể thay đổi giỏ trị. Vì thế, điện dẫn cảm khỏng hiệu dụng của TCR đƣợc xỏc định từ cụng thức (2.5), đú là hàm của gúc nhƣ sau:
𝐵𝐿 = 1
𝜔𝐿 2− 2 + 𝑠𝑖𝑛2 (2.5) í nghĩa của (2.5) là với mỗi gúc mở , điện dẫn BL() đƣợc xỏc định bởi biờn độ của thành phần dòng điện cơ bản ILF() trong TCR ở 1 điện ỏp nguồn cho trƣớc. Trong ứng dụng thực tế, biờn độ lớn nhất của điện ỏp nguồn và dòng điện bị giới hạn bởi giỏ trị định mức của cụng suất mà cỏc thành phần (điện khỏng, van thyristor) đó sử dụng. Vì thế, TCR trong thực tế cú thể vận hành ở bất kỳ điểm nào trong vựng V- I xỏc định, đƣờng biờn của nú xỏc định bằng điện dẫn lớn nhất cú thể đạt đƣợc, điện ỏp và dòng điện định mức, nhƣ minh họa trờn hình 2.8. Giới hạn của TCR đƣợc thiết lập khi thiết kế từ yờu cầu vận hành thực tế.
Bờn cạnh thành phần cơ bản (k=1), tớn hiệu dòng điện I chạy trong TCR bao gồm cả cỏc thành phần súng hài bậc cao (3, 5, 7…). Trờn thực tế cỏc súng hài bậc
100 110 120 130 140 150 160 170 180 90 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ILF() (pu) độ) 0
50
cao ảnh hƣởng xấu tới hoạt động của hệ thống điện và chỳng đƣợc loại bỏ nhờ cỏc thiết bị lọc mắc song song với thiết bị bự. Thụng thƣờng, cỏc bộ lọc này là cỏc nhỏnh LC và LCR nối tiếp với nhau và song song với TCR. Khi cú thành phần dòng điện bậc cao xuất hiện trong cỏc nhỏnh TCR thì do cỏc mạch lọc cụng hƣởng với tần số 3f, 5f…nờn trở khỏng của nú đối với cỏc dòng điện tần số cao này chỉ còn là điện trở thuần của cỏc thiết bị R mà cỏc điện trở thuần này rất nhỏ nờn dòng điện bậc cao đi qua bộ lọc xuống đất hết, dĩ nhiờn phải lựa chọn trị số của L và C sao cho trở khỏng của mạch lọc đối với tần số cơ bản rất lớn để trỏnh tổn hao. Khi đú dòng điện hệ thống chỉ còn thành phần cơ bản
Nếu mở van điều khiển TCR bị giới hạn ở gúc cố định, thƣờng =/2 thỡ nú sẽ trở thành TSR – Thyristor Switched Reactor. TSR tạo ra một điện dẫn cảm khỏng cố định và do đú, khi đƣợc nối với hệ thống AC, dòng điện xoay chiều chạy qua nú sẽ tỉ lệ nghịch với điện ỏp nguồn. Một vài TSR cú thể tạo ra điện dẫn điều chỉnh đƣợc giỏn đoạn theo bậc. Nếu TSR vận hành ở = /2, dòng điện xỏc lập cú dạng hỡnh sin. BLmax VT ILmax 0 (a) BL ILmax 0 (b) VLmax VT IL IL
VLmax = giới hạn điện ỏp ILmax = giới hạn dũng điện BLmax = tổng d n cực đại của TCR BL = tổng d n của cuộn cảm
Hỡnh 0.8. Đặc tính V-I của TCR và TSR
2.2.2. TSC
2.2.2.1. Cấu tạo
TSC 1 pha bao gồm một tụ điện, 1 bộ valve 2 thyristor mắc song song ngƣợc và 1 điện khỏng tƣơng đối nhỏ để chặn dòng điện xung kớch trong cỏc điều kiện vận
51
hành khụng bình thƣờng (VD: trục trặc điều khiển gõy ra đúng mở tụ điện ở sai thời điểm khi tình trạng đúng mà khụng cú quỏ độ khụng thỏa món), nú cũng cú thể đƣợc sử dụng để trỏnh hiện tƣợng cộng hƣởng với điện khỏng hệ thống xoay chiều ở tần số cụ thể nào đú.
Hỡnh 0.9. Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành
2.2.2.2. Đặc tớnh điều chỉnh
Trong chế độ xỏc lập, khi thyristor đúng và TSC đƣợc nối tiếp với nguồn xoay chiều, v = Vsint thì dòng điện trong nhỏnh sẽ là
2 2 ( ) cos 1 n i t V C t n (2.6) trong đú 2 1 L C X n X LC (2.7)
Biờn độ của điện ỏp tụ là:
2 2 1 c n V V n (2.8)
Nhỏnh TCR cú thể khụng đƣợc nối vào HT (bị ngắt ra) lỳc dòng điện bằng 0. Khi dòng điện qua giỏ trị 0, điện ỏp tụ điện đạt giỏ trị cực đại thì ta cú:
2 , 0 2 1 C i n v V n (2.8)
52
Tụ điện khụng đƣợc nối sẽ giữ điện ỏp ở mức này và dẫn đến điện ỏp qua thyristor khụng dẫn dòng thay đổi từ 0 lờn đến giỏ trị biờn độ dao động kộp (peak to peak) của điện ỏp nguồn.
Nếu điện ỏp của tụ khi bị ngắt vẫn khụng đổi, TSC cú thể đúng lại mà khụng cú quỏ trình quỏ độ, tại giỏ trị đỉnh phự hợp của điện ỏp nguồn.
Hình 2.10(a) và (b) miờu tả tu ̣ đƣơ ̣c na ̣p lõ̀n lƣơ ̣t ở nƣ̉a chu kỳ õm và dƣơng.
Hỡnh 0.10. Dạng sóng minh họa quỏ trỡnh đóng cắt khụng có quỏ trỡnh quỏ độ của TSC
Thụng thƣờng, cỏc bản tụ điện bị phúng điện sau khi bị ngắt ra khỏi nguồn, vì thế việc nối lại cỏc tụ điện này sẽ phải thực hiện với phần điện ỏp dƣ trờn tụ nằm trong khoảng giữa giỏ trị 0 và giỏ trị lớn nhất của tụ , 0 2 2
1 C i n v V n . Điều này cú thể đi kốm với nhiễu quỏ độ nhỏ nhất trờn valve thyristor đúng ở những thời điểm điện ỏp dƣ trờn tụ và điện ỏp nguồn bằng nhau, nghĩa là khi điện ỏp qua thyristor bằng 0.
Cỏc quỏ trình quỏ độ này gõy ra bởi thành phần dv/dt khỏc 0 ở thời điểm đúng, nếu nhƣ khụng cú điện khỏng nối tiếp sẽ tạo ra dòng điện tức thời ic Cdv
dt
53
thởi điểm đúng khúa). Tỏc động qua lại giữa tụ điện và điện khỏng hạn chế dòng điện, cựng với điện trở, sinh ra dao động quỏ độ, cú thể thấy trờn dạng súng của điện ỏp và dòng điện. (chỳ ý là quỏ trình quỏ độ khi đúng tụ điện đó phúng điện hoàn toàn thì phức tạp hơn so với khi tụ điện mới phúng điện 1 phần vì thành phần dv/dt
của điện ỏp nguồn đạt giỏ trị lớn nhất ở thời điểm qua giỏ trị 0 đú). Những điều kiện để đúng tụ điện “ khụng quỏ độ ” :
Nếu điện ỏp dƣ trờn tụ điện thấp hơn đỉnh điện ỏp AC (Vc< V) thì thời điểm tốt để đúng là khi điện ỏp AC tức thời cõn bằng với điện ỏp của tụ điện.
Nếu điện ỏp dƣ trờn tụ điện bằng hoặc lớn hơn giỏ trị cực đại của điện ỏp nguồn (Vc< V) thì thời điểm đúng sẽ là khi điện ỏp nguồn đạt cực đại, khi đú điện ỏp valve thyristor là nhỏ nhất.
BC
0
VCmax
V
IL ICmax
VCmax = giới hạn điện ỏp ICmax = giới hạn dũng điện BC = tổng d n của TSC
Hỡnh 0.11. Đặc tính V-I của TSC
Từ cỏc phõn tớch trờn ta thấy, gúc trễ lớn nhất để đúng cỏc bản tụ điện là cả chu kỳ của điện ỏp nguồn, nghĩa là khoảng thời gian từ đỉnh dƣơng (hoặc õm) đến đỉnh dƣơng (hoặc õm) tiếp theo. Và cũng cú thể thấy rằng điều khiển gúc trễ kớch mở khụng ỏp dụng đối với tụ điện, việc đúng tụ điện chỉ cú thể diễn ra ở thời điểm cụ thể trong mỗi chu kỳ mà cỏc điều kiện để quỏ trình quỏ độ diễn ra đỡ phức tạp nhất. Vì lý do này mà TSC chỉ cú thể cung cấp sự thay đổi theo bậc dòng điện cảm (giỏ trị lớn nhất hoặc 0). Núi cỏch khỏc, nhỏnh TSC biểu thị cho 1 điện dung hoặc là
54
nối đất hoặc là ngắt ra khỏi hệ thống. Dòng điện trong nhỏnh TSC thay đổi tuyến tớnh với điện ỏp nguồn tựy thuộc vào điện dung của tụ điện. Điện ỏp nguồn lớn nhất và dòng điện tƣơng ứng bị giới hạn bởi định mức của cỏc thành phần TSC (tụ điện và valve thyristor). Để xấp xỉ sự thay đổi dòng điện, ngƣời ta sử dụng một vài TSC song song nhau (làm tăng điện dung bậc), hoặc phối hợp với 1 nhỏnh TCR.
2.2.3. Hệ thống điều khiển SVC
Một hệ thống điều khiển SVC núi chung bao gồm cỏc thành phần khỏc nhau nhƣ hệ thống đo lƣờng, điều khiển điện ỏp, phỏt xung, đồng bộ, điều khiển và bảo vệ bổ sung. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển SVC cú thể đƣợc mụ tả nhƣ hình (2.12)
Hỡnh 0.12. Sơ đồ khối hệ thống điờ̀u khiển SVC
2.2.3.1. Hệ thống đo lƣờng
Hệ thống này cung cấp cỏc đầu vào cần thiết để bộ điều khiển SVC thực hiện cỏc hoạt động điều khiển của nú. Cỏc yếu tố đầu vào khỏc nhau tựy thuộc vào chức năng của SVC. Cỏc đầu vào cần thiết tƣơng ứng với ba chế độ điều khiển cơ bản của SVC:
- Điều khiển điện ỏp dựa trờn điều khiển cõn bằng ba pha của SVC: + Giỏ trị điện ỏp hiệu dụng ba pha điện ỏp/ điện ỏp trung bình + Điện ỏp thứ tự thuận
55
+ Dòng điện trung bình ba pha / dòng điện hiệu dụng + Bình phƣơng điện ỏp
- Điều khiển điện ỏp từng pha/ điều khiển cụng suất phản khỏng + Điện ỏp từng pha
+ Điện ỏp thứ tự thuận và điện ỏp thứ tự nghịch + Bình phƣơng điện ỏp
+ Cụng suất phản khỏng từng pha
- Tớn hiệu phụ trợ tăng cƣờng khả năng chống dao động điện sử dụng cỏc tớn hiệu bổ sung chủ yếu sau:
+ Dòng điện truyền tải
+ Cụng suất tỏc dụng/ cụng suất phản khỏng + Gúc pha
+ Tần số
+ Tần số gúc hoặc gia tốc cụng suất của mỏy phỏt đồng bộ
Hỡnh 0.13. Mạch đo cho một modul điờ̀u khiển SVC nói chung
Một số tớn hiệu cú thể đo trực tiếp, một số tớn hiệu khỏc cú thể đƣợc lấy từ tớn hiệu dòng điện và điện ỏp
56
Sơ đồ khối của một hệ thống đo lƣờng tổng thể kết hợp đo lƣờng điện ỏp và đo lƣờng dòng điện kết hợp với tớnh toỏn cụng suất phản khỏng nhƣ hình (2.13)
Chất lƣợng bộ điều khiển SVC phụ thuộc vào tớnh chớnh xỏc của cỏc tớn hiệu đo. Tuy nhiờn cỏc bộ phận đo lƣờng cựng với cỏc bộ chuyển đổi của nú hoạt động trong cỏc mụi trƣờng mà khụng thể dự đoỏn trƣớc trong cỏc phần tử mụ phỏng mà chỉ cú thể kiểm chứng từ thực tế.
Cỏc bộ chuyển đổi điện ỏp, dòng điện, cụng suất, tần sú cú khả năng tạo ra kết