5. Bố cục của đề tài
2.1.2. Lựa chọn thiết bị bù:
Thiết bị bù được chọn và kiểm tra theo các điều kiện sau:
- Đảm bảo giá trị điện áp ở mọi điểm trên đường dây và trong mọi chế độ nằm trong giới hạn cho phép.
- Điều kiện tự kích thích máy phát. - Điều kiện hịa đồng bộ.
- Điều kiện ổn định.
Trong trường hợp khả năng tải của đường dây tải điện thấp hơn Ptn thì sử dụng thiết bị bù để nâng cao khả năng tải.
Bài tốn lựa chọn thiết bị bù rất phức tạp, vì thế khi lựa chọn phải tính tốn kinh tế kỹ thuật tỉ mỉ để cĩ thể lựa chọn được phương án hợp lý.
2.2. Các giải pháp giảm quá điện áp hệ thống
2.2.1. Tụ điện bù dọc
Bù nối tiếp thường thấy ở các đường dây truyền tải dài được mắc nối tiếp ở đầu đường dây và các vị trí trên đường dây.. Mục đích là để:
- Cải thiện tình trạng điện áp, nhất là các thay đổi lớn do sụt áp đường dây, máy biến áp và máy phát.
- Nâng cao khả năng truyền tải. - Giảm gĩc truyền tải.
- Gia tăng mức tải tự nhiên của đường dây.
Đối với đường dây tải điện cao áp đi xa thì áp dụng tụ bù dọc là một giải pháp để tăng khả năng tải và tính ổn định của đường dây. Đồng thời để hấp thụ bớt cơng suất phản kháng, cần mắc thêm các cuộn kháng bù ngang trong trường hợp non tải hoặc khơng tải.
So với bù ngang tạo ra độ tăng điện áp gần như độc lập với dịng điện phụ tải thì độ tăng điện áp do tụ điện bù dọc lại tỉ lệ với dịng điện tải. Như vậy, khi phụ tải bằng 0, tụ điện nối tiếp sẽ khơng cho một độ tăng điện áp nào và khi phụ tải cực đại thì độ tăng điện áp là lớn nhất.
Tuy nhiên, bù nối tiếp cũng cĩ một số nhược điểm như sau :
-Khi mất một đường dây song song, điện áp trên mạch cịn lại cĩ thể tăng cao quá giới hạn cho phép.
-Cần phải thiết lập hệ thống bảo vệ đặc biệt cho tụ bù dọc nhằm tránh dịng điện lớn khi sự cố ngắn mạch.
-Tụ bù dọc cĩ thể gây dao động cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số truyền tải (50Hz) khi cĩ kích từ nhiễu loạn trong hệ thống. Cộng hưởng tần số thấp này cĩ thể gây nên những tác hại nghiêm trọng đối với máy phát, đặc biệt là máy phát nhiệt điện.
Đối với đường dây truyền tải, tụ bù dọc và kháng bù ngang được tính tốn và lựa chọn dựa trên các nguyên tắc sau:
-Đảm bảo điện áp tại mọi điểm trên đường dây trong mọi chế độ vận hành khác nhau (phụ tải cực đại, cực tiểu, chế độ sự cố,…) phải nằm trong giới hạn cho phép (10%Uđm).
-Tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng tần số thấp cũng như tác động sai của bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch do mức độ bù dọc gần bằng hoặc lớn hơn 100% tổng trở đường dây.
-Tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp khi tự động đĩng lại một pha do mức độ bù ngang gần bằng hoặc lớn hơn 100% cơng suất phản kháng đường dây sinh ra.
Ổn định điện áp khi cĩ bù dọc: Tụ bù nối tiếp cĩ khả năng bù điện áp rơi trên đường dây bằng việc thay đổi tổng trở của đường dây. Bù nối tiếp cũng mở rộng vùng ổn định điện áp bằng việc giảm kháng trở của đường dây và vì vậy rất hữu ích cho việc ngăn ngừa sụt áp. Hình 2.1. dưới đây cho thấy giới hạn ổn định điện áp được gia tăng từ P1 đến cấp độ cao hơn P2.
Hình 2.1.Giới hạn ổn định điện áp khi cĩ tụ bù dọc
2.2.2. Trở kháng bù ngang
Như đã nĩi ở trên, lượng cơng suất phản kháng sinh ra khi hệ thống vận hành ở chế độ non tải hay khơng tải là rất lớn. Do đĩ cần mắc thêm các kháng bù ngang để hấp thụ bớt cơng suất phản kháng này. Mức độ bù kháng yêu cầu để duy trì điện áp đầu nhận ở một trị số quy định cĩ thể tính được như sau [6]:
Không có tụ Có tụ 1 p.u Vmin P P1 P2 V Bus 3 Bus 4 Bus 2 Bus 1
G
Load V
Hình 2.2.Mạch điện thay thế sử dụng trở kháng bù ngang Dịng điện đầu nhận: bu L, N . N . jX U I (2.1) Điện áp đầu phát: U (cos sin ) , . P . vl X Z vl U bu L C N (2.2)
Để ý là UP và UN cùng pha do khơng cĩ cơng suất tác dụng tải trên đường dây. Suy ra XL bù: C N P Z vl U U vl cos sin XL,bu (2.3) 2.2.3. Tụ điện bù ngang tĩnh
Tụ điện bù ngang thường được đặt giữa đường dây hoặc đặt tại trạm biến áp. Bù ngang rất hữu ích cho ổn định điện áp. Mục đích chính của bù ngang là điều khiển và ổn định điện áp tại điểm đấu dây chung hoặc vùng lân cận của nĩ. Tuy nhiên nếu cĩ nhiều tụ bù ngang sẽ gây khĩ khăn trong việc điều chỉnh điện áp.
Ip IN
Hình 2.3.Mạch tương đương đơn giản của một phát tuyến hình tia với tụ bù ngang Độ tăng điện áp tính gần đúng: 2 2 2 C C C X R X X R (2.4) Ảnh hưởng chính của tụ điện bù ngang tĩnh:
- Tăng khả năng tải điện của đường dây: Sụt áp là điều kiện giới hạn để xác định khả năng tải điện của đường dây. Giả sử sụt áp cho phép dọc đường dây là 10% thì độ tăng tương đối của điện áp do việc mắc thêm tụ điện sẽ cho phép tăng tải trên đường dây theo tỉ lệ:
1 . 0 1 . 0 C V R p (2.5)
- Giảm tổn thất cơng suất trên đường dây: Tụ điện tĩnh sẽ cung cấp tại chỗ một phần cơng suất phản kháng của phụ tải yêu cầu, do đĩ làm giảm lượng cơng suất phản kháng trên đường dây. Điều này làm giảm tổn thất cơng suất tác dụng và tổn thất cơng suất phản kháng.
2.2.4. Tụ điện bù ngang cĩ thể điều khiển (SVC, STATCOM)
Tụ điện bù ngang điều khiển được hay cịn gọi là bù nhuyễn thơng thường như SVC, STATCOM hoạt động như một cuộn cảm với cơng suất phản kháng dương và hoạt động như một tụ điện nếu cơng suất phản kháng âm. jX R IC UN Up -jXC
- SVC (Static Var Compensator): là máy phát cơng suất bù với cơng suất ngõ ra thay đổi nhằm mục đích duy trì hoặc điều khiển thơng số cho trước của lưới điện.
- STATCOM (Static compensation): hoạt động khơng cần nguồn năng lượng dự trữ và điều kiện vận hành song song với đường dây, tác dụng như một máy bù cơng suất phản kháng.
Về cơ bản, trong phạm vi điều khiển tuyến tính của thiết bị bù, khả năng bù cơng suất phản kháng của SVC và STATCOM là như nhau. Tuy nhiên, về nguyên lý hoạt động, hai bộ biến đổi tác dụng khác nhau. Bộ STATCOM làm việc trên nguyên tắc mạch nghịch lưu với khả năng cung cấp điện áp ngõ ra và từ chênh lệch với điện áp hệ thống, dịng bù được điều khiển. SVC làm việc trên cơ sở thay đổi trở kháng shunt của hệ thống qua việc điều khiển đĩng ngắt TSC hoặc thay đổi gĩc kích của TRC.
Bảng 2.1. So sánh các cơng nghệ thiết bị bù ngang
TT Thơng số Kháng
bù cứng VSR TCR SVC STACOM
1 Điều khiển điện áp
trong CĐ xác lập Tốt Tốt Tốt Tốt Tốt
2 Điều khiển điện áp
trong CĐ quá độ Yếu TB Tốt Tốt Tốt
3 Giảm dao động
cơng suất Yếu TB Tốt Tốt Tốt
4 Ổn định quá độ Yếu Yếu Yếu TB Tốt
5 Điều khiển trào lưu
2.3. Thiết bị bù tĩnh SVC
SVC là thiết bị FACTS thế hệ đầu tiên, cĩ thể điều khiển điện áp tại nút yêu cầu, do đĩ cải thiện hiện trạng điện áp của hệ thống. Nhiệm vụ chính của SVC là duy trì điện áp tại nút xác định bằng cách bù cơng suất phản kháng (cĩ được bằng cách thay đổi gĩc mở của các thyristor). SVC được sử dụng để điều khiển điện áp trạng thái tĩnh và quá độ để ngăn chặn mất ổn định điện áp cĩ hiệu quả hơn so với bù ngang truyền thống. Cũng cĩ thể sử dụng SVC để tăng các giới hạn ổn định quá độ (dao động đầu tiên) cĩ thể nâng cao đáng kể ổn định quá độ và tắt dần hiệu quả các dao động cơng suất (ổn định động), và giảm tổn thất hệ thống bởi điều khiển cơng suất phản kháng tối ưu hĩa.
2.3.1. Cấu tạo
Một bộ bù tĩnh SVC bao gồm các phần tử: tụ điện, cuộn kháng, biến điện áp, các thiết bị đĩng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả hoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn bù cơng suất phản kháng cĩ thể điều chỉnh được nhanh chĩng.
SVC cung cấp hai giải pháp cho bài tốn bù:
-Bù phụ tải tại những nơi cĩ yêu cầu giảm bớt sự cung cấp cơng suất phản kháng từ hệ thống của các phụ tải lớn cĩ tính dao động trong cơng nghiệp như: lị hồ quang, máy cán và để cân bằng cơng suất tác dụng trên ba pha của đường dây cung cấp.
-Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng các biến động ở cả hai đầu phát và nhận. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiên qua việc điều khiển nhanh trở kháng của SVC và do đĩ dẫn đến điều khiển nhanh cơng suất phản kháng ở đầu ra của SVC.
Mục đích chính của bù SVC là làm tăng giới hạn ổn định của hệ thống điện xoay chiều, làm giảm dao động điện áp khi cĩ biến động phụ tải cũng
như giới hạn định mức quá điện áp khi cĩ biến động lớn. SVC về cơ bản là thiết bị cĩ cơng suất kháng điều khiển bằng thyristor.
SVC được xây dựng với nhiều mơ hình thiết kế khác nhau, tuy nhiên, các sơ đồ điều khiển được sử dụng trong hầu hết các hệ thống là giống nhau.
SVC gồm 3 phần tử cơ bản như trên Hình 2.4, đĩ là:
- Cuộn kháng điều khiển TCR (Thyristor Controlled Reactor): TCR cĩ thể điều chỉnh liên tục dung lượng bù bằng cách thay đổi gĩc đĩng mở củaThyristor một cách liên tục từ 900 – 1800.
- Cuộn kháng đĩng cắt TSR (Thyristor Switched Reactor): TSR chỉ cĩ thể đĩng hoặc mở dùng thyristor, khi đĩ XK chỉ nhận một trong hai giá trị (XK = 0 hoặc XK = XKmax)
- Tụ điện đĩng cắt TSC (Thyristor Switched Capacitor): điện dung của tụ chỉ cĩ thể thay đổi là 0 hoặc XCmax
Hình 2.4.Thiết bị bù tĩnh SVC
2.3.1.1.Thyristor điều chỉnh và Thyristor đĩng cắt cuộn kháng (TCR và TSR):
Các cuộn kháng mắc song song với nhau, mỗi cuộn kháng nối tiếp với hai van thyristor mắc song song ngược. Thành phần dịng điện ở tần số cơ bản đi qua cuộn kháng được điều khiển pha trong việc kích thyristor, do đĩ phát sinh dịng điện họa tần. Gĩc kích của thyristor được điều khiển trễ so với thời
điểm mà dịng điện qua trị số khơng khi cuộn kháng mắc trực tiếp khơng qua thyristor (số khơng tự nhiên).
Biên độ ILF(α) của dịng phản kháng cơ bản ILF(α) cĩ thể xác định theo gĩc α (tính từ lúc biên độ điện áp là lớn nhất (Max)).
2 1 (1 sin 2 ) LF V I L (2.6) Tổng dẫn phản kháng tác dụng BL(α) của TCR cĩ thể xác định. Tổng dẫn này là một hàm theo gĩc α: 1 2 1 ( ) (1 sin 2 ) L B L (2.7)
Nếu TCR đĩng cắt với một gĩc α cố định, thường α=0 thì nĩ sẽ trở thành một cuộn kháng đĩng cắt Thyristor (TSR). TSR cũng là một phần tử của SVC, gồm một số cuộn kháng đấu song song, chúng được đĩng vào lưới hoặc cắt ra bằng cách kích dẫn hồn tồn hoặc ngắt hồn tồn thơng qua các van Thyristor.
2.3.1.2.Thyristor đĩng ngắt tụ điện (TSC)
Thyristor đĩng ngắt tụ điện một pha bao gồm một hoặc nhiều tụ điện mắc song song với nhau, mỗi tụ điện nối tiếp với hai van thyristor mắc song song ngược và một cuộng kháng để giới hạn dịng điện. Bộ tụ điện được chia làm nhiều nấc nhỏ và đĩng cắt những nấc này bằng thyristor. TSC cung cấp điều khiển cĩ tính nhảy nấc, chỉ là điều khiển on-off, khơng phải là điều khiển pha. Thời điểm đĩng TSC được chọn vào những lúc điện áp đạt trị số cực đại. Do đĩ, TSC khơng tạo ra quá độ và khơng sinh ra họa tần.
2.3.2. Nguyên lý làm việc:
Hình 2.5.Sơ đồ 1 sợi của một SVC điển hình; một cuộn dây điện cảm được điều khiển bằng thyristor (TCR) được nối với ba bộ tụ đĩng cắt bằng
cơ khí
Một SVC điển hình gồm các tụ bù ngang được đĩng cắt riêng biệt, được kết nối với cuộn dây điện cảm (cĩ hoặc khơng cĩ lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor. Nhờ việc thay đổi gĩc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC cĩ thể thay đổi liên tục được. Do đĩ, cơng suất phản kháng của lưới điện cĩ thể được bơm vào hay hút đi một cách liên tục. Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thơ, sau đĩ, các TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục. Điều chỉnh trơn hơn và linh hoạt hơn cĩ thể thực hiện được bằng cách sử dụng bộ tụ điện được đĩng cắt bằng thyristor hay TCCS (thyristor-controlled capacitor switching).
Thyristor là các thiết bị điều chỉnh tĩnh bằng điện. Thyristor, cũng như các thiết bị bán dẫn khác, luơn phát nhiệt, nước đã khử i-on được dùng để làm mát.
Các tải cảm kháng thay đổi nhanh trong mạch (như các lị điện) cĩ thể làm biến đổi dạng sĩng điều hịa của điện áp. Và do đĩ, các bộ lọc sĩng điện
tử cơng suất lớn được sử dụng để làm trơn sĩng điện áp. Bản thân các bộ lọc sĩng điều hịa này lại cĩ tính dung, do đĩ, chúng cung cấp cơng suất phản kháng cho lưới điện.
Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi cĩ yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác. Việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển cĩ phản hồi (closed-loop). Việc điều chỉnh điện áp được tiến hành từ xa bằng hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đặt.
Điều khiển điện áp: Việc điều khiển điện áp được thực hiện qua việc điều khiển nhanh trở kháng của SVC và do đĩ dẫn đến điều khiển nhanh cơng suất phản kháng ở đầu ra của SVC. Nếu cĩ SVC với cơng suất giới hạn sẽ duy trì điện áp trong giới hạn định mức của thiết kế.
Nâng cao cơng suất truyền tải bằng việc đặt bù tại trung điểm đường dây:
Hình 2.6.Sơ đồ thay thế mạch điện với SVC đặt tại trung điểm đường dây
SVC chia thành 2 phần độc lập, phần nguồn với trở kháng X/2 mang cơng suất từ nguồn phát đến tâm đường dây và phần tải với trở kháng X/2 mang cơng suất từ tâm đường dây đến đầu tiêu thụ.
VS: điện áp đầu đường dây VR: điện áp cuối đường dây
VM: điện áp tại điểm giữa đường dây /2 P P 0 V VR SVC VM
Giả thiết bỏ qua cơng suất tổn hao của hệ thống và cơng suất thực bằng nhau ở đầu và cuối đường dây:
4 cos V V VSM MR (2.8) 4 sin 4 X V I ISM MR (2.9) Suy ra cơng suất truyền tải:
4 cos 4 cos VI I V I V I V P SM SM MR MR M SM (2.10) Hay: 𝑃 = 2𝑉2 𝑋 sin𝛿 2 =4𝑉2 𝑋 (1 − cos𝛿 2) (2.11)
Hình 2.7.Khả năng nâng cơng suất truyền tải khi cĩ SVC
Do vậy, bộ bù SVC tại tâm đường dây đã nâng cơng suất truyền tải lên 2 lần.
Nâng cao tính ổn định bằng việc đặt bù cuối đường dây:
Pmax 2Pmax 𝑃 = 𝑉2 𝑋 sin𝛿 2 /2 P
Hình 2.8.Sơ đồ thay thế mạch điện với SVC đặt cuối đường dây
VS: điện áp đầu đường dây X: trở kháng X hệ thống. VR: điện áp cuối đường dây.
VM: điện áp tại điểm giữa đường dây Load: tải cĩ trở kháng Z.
Ta cĩ quan hệ giữa điện áp VR ứng với các hệ số cơng suất tải và giá trị điện áp tới hạn mà ở đĩ cĩ thể xảy ra khả năng mất ổn định điện áp: