Hình 4.27: Kết quả mô phỏng Điện áp Uabc; dòng điện Iabcđầu vào bộ chỉnh lưu
Hình 4.28: Kết quả mô phỏng phíachỉnh lưu: Đồ thị điện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển, góc tắt.
Khi tiến hành thay đổi tần số từ 60Hz xuống 50Hz trong khoảng thời gian từ 0s đến 0,6s quan sát những thay đổi ở (hình 4.27) và (4.28) ta thấy:
Trạng thái ban đầu của bộ chỉnh lưu là góc điều khiển Thysistor α = 900 để đảm bảo điện áp 1 chiều và dòng 1 chiều đều bằng 0 tại thời điểm đầu của đồ thị. Khi chưa có lệnh điều khiển góc mở Thysistor thì điện áp và dòng điện vẫn là 0.
82
Ngay khi có lệnh điều khiển góc mở Thysistor tại t = 0.025s thì điện áp bắt đầu tăng vọt lên trên 1pu sau đó giảm nhanh, dòng điện cũng tăng vọt lên đến 1,5pu. Trong khoảng t = 0,025s đến t = 0,07s do góc điều khiển α thay đổi theo chiều tăng từ α = 90đến 1660 nên điện áp và dòng điện lại giảm nhanh về 0pu.
Từ t = 0,07s đến 0,46s góc điều khiển α giảm từ 166đến 910 lớn hơn 900
nên dòng điện vẫn có giá trị là 0 pu, từ t = 0,27s đến t=0,46 điện áp có xu hướng tăng nhẹ từ 0pu đến 0,5pu.
Từ t = 0,46s đến t = 0,6s góc điều khiển α giảm từ 900 đến 500 quan sát đồ thị (hình 4.28) ta thấy điện áp tăng từ 0,5pu đến 0,75pu trong khi đó dòng điện bắt đầu tăng từ 0pu đến 0,2pu.
83
Hình 4.30: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển, góc tắt
Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu ở (hình 4.29) và (hình 4.30) khi thay đổi tần số cho thấy các thông số nghịch lưu cấp năng lượng lên lưới AC như sau: Trạng thái ban đầu của bộ nghịch lưu góc điều khiển Thysistor α = 920. để đảm bảo điện áp một chiều và dòng điện một chiều đều bằng 0 tại điểm đầu của đồ thị. Trước khi có lệnh điều khiển điện áp và dòng điện có giá trị 0 pu.
Ngay khi có lệnh điều khiển góc mở Thysistor vẫn giữ là 920 điện áp và dòng điện bắt đầu tăng. Điện áp tăng từ 0 đến 1,2pu còn dòng điện tăng đến 1,5pu.
Với t = 0,04s đến 0,08s góc mở thysistor tăng từ α = 920 đến α = 1660 lúc này điện áp và dòng điện giảm về 0
Từ t= 0,08s đến t = 0,46s góc điều khiển α giữ nguyên 1660 dòng điện vẫn có giá trị là 0 pu, điện áp có xu hướng tăng nhẹ từ 0pu đến 0,5pu.
Từ t = 0,46s đến t = 0,6s góc điều khiển α giảm từ 1480đến 1230 quan sát đồ thị (hình 4.30) ta thấy điện áp tăng từ 0,5pu đến 0,75pu trong khi đó dòng điện bắt đầu tăng từ 0pu đến 0,5pu.
Quan sát hình 4.7; hình 4.9 và hình 4.24; hình 4.26 cho thấy sóng hài bậc cao khi thay đổi tần số xuất hiện ít hơn, hệ số méo dạng dòng điện THD thấp hơn so với khi chưa thay đổi thông số hệ thống.
84
Khi thay đổi tần số chu kỳ của dòng điện kéo dài hơn ta quan sát trong hình 4.7a và hình 4.24a. Ở hình 4.7a 1 chu kỳ dòng điện pha a phía chỉnh lưu (màu đỏ) bắt đầu từ t = 0,5s và kết thúc tại t = 0,518s còn hình 4.24a chu kỳ của dòng điện pha a phía chỉnh lưu (màu đỏ) bắt đầu từ t = 0,5s và kết thúc tại t = 0,523s.
Quan sát hình 4.9a và hình 4.26a ta thấy dòng điện pha a phía nghịch lưu (màu đỏ) bắt đầu từ t = 0,5s và kết thúc tại t = 0,519s còn hình 4.26a chu kỳ của dòng điện pha a phía nghịch lưu (màu đỏ) bắt đầu từ t = 0,5s và kết thúc tại t = 0,52s.
Hệ số THD khi chưa thay đổi thông số của bộ chỉnh lưu là 68,64%, của bộ nghịch lưu là 75%.
Hệ số THD khi thay đổi tần số của bộ chỉnh lưu 50 Hz là 73.79%, của bộ nghịch lưu là 51.05%.
Khi thay đổi tần số của hệ thống thì hình dạng dòng điện bên phía nghịch lưu méo ít hơn khi chưa thay đổi tần số.
4.3.2. Tăng chiều dài đƣờng dây
Đường dây truyền tải một chiều có ưu thế hơn khi truyền năng lương đi xa với tần số đến hàng nghìn km. Ở đây mô phỏng ví dụ cho chiều dài đường dây 1487 km (bằng chiều dài đường dây truyền tải Hòa Bình TP HCM).
Ta tiến hành mô phỏng hệ thống hình 4.1 với nguồn chỉnh lưu 500kV tần số 60Hz, nguồn nghịch lưu 345kV tần số 50Hz, chiều dài đường dây 1487km.
85
4.3.2.1. Kết quả mô phỏng khi tăng chiều dài đường dây
a, Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu:
a,
b,
c,
Hình 4.32: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: a, Đồ thị điện áp; b.Đồ thị dòng điện;
c, Đồ thị góc mởα của Thysistor.
86
b,
Hình 4.33: Dòng điện phía chỉnh lưu khi đường dài đường dây tăng lên; a, Hình dạng dòng điện, b, Phổhài dòng điện
b, Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu:
a,
87 c,
Hình 4.34: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: a, Đồ thịđiện áp; b.Đồ thị dòng
điện; c, Đồ thị góc mở α của Thysistor.
a,
b,
Hình 4.35: Dòng điện phía nghịch lưu khi đường dài đường dây tăng lên; a, Hình dạng dòng điện, b, Phổhài dòng điện
Quan sát hình 4.32 và hình 4.34 ta thấy khi tiến hành tăng chiều dài đường dây thì góc điều khiển α hầu như không thay đổi còn đồ thị dòng điện, điện áp có thay đổi và sự khác nhau rõ nhất ta thấy trong khoảng 0,4s đầu nên dưới đây ta chỉ xét hệ thống trong khoảng này.
88
Dòng điện xoay chiều của các bộ chỉnh lưu (hình 4.33a) và nghịch lưu có dạng không sin (hình 4.35a), phân tích phổ hài cho dòng điện này thấy rằng các thành phần bậc cao là rất lớn. Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu (hình 4.33b) cho thấy rằng tổng méo hài có thể đạt tới 80,30%. Phía nghịch lưu (hình 4.9b) cho thấy rằng tổng méo hài có thể đạt tới 80,29%
4.3.2.2. Kết quả mô phỏng trong khoảng từ 0s ÷ 0,4s
Hình 4.36: Kết quả mô phỏng Điện áp Uabc; dòng điện Iabcđầu vào bộ chỉnh lưu
Hình 4.37: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
89
Khi tiến hành tăng chiều dài đường dây từ 300km lên tới 1487km trong khoảng thời gian từ 0s đến 0,4s quan sát những thay đổi ở (hình 4.36) và (4.37) ta thấy:
Trạng thái ban đầu của bộ chỉnh lưu là góc điều khiển Thysistor α = 900 để đảm bảo điện áp 1 chiều và dòng 1 chiều đều bằng 0 tại thời điểm đầu của đồ thị. Khi chưa có lệnh điều khiển góc mở Thysistor thì điện áp và dòng điện vẫn là 0. Ngay khi có lệnh điều khiển góc mở Thysistor tại t = 0.025s thì điện áp bắt đầu tăng có tín hiệu, dòng điện vẫn giữ giá trị 0pu.Từ t = 0,1s đến t = 0,4s góc mở Thysistor giảm từ α = 900xuống α = 480. Khi bắt đầu có lệnh điều khiển góc mở Thysistor thì điện áp bắt đầu tăng nhanh từ 0 đến hơn 1pu; dòng điện bắt đầu tăng từ 0pu đến 0,2pu.
90
Hình 4.39: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển, góc tắt
Khi tiến hành tăng chiều dài đường dây từ 300km lên tới 1487km trong khoảng thời gian từ 0s đến 0,4s quan sát những thay đổi ở (hình 4.38) và (4.39) ta thấy:
Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu cho thấy các thông số nghịch lưu cấp năng lượng lên lưới AC như sau: Trạng thái ban đầu của bộ nghịch lưu góc điều khiển Thysistor α = 920. để đảm bảo điện áp một chiều và dòng điện một chiều đều bằng 0 tại điểm đầu của đồ thị. Ngay khi có lệnh điều khiển góc mở Thysistor thay đổi theo chiều tăng góc mở để tăng điện áp nghịch lưu trong mô hình này. Trong khoảng t=0,04s đến t = 0,35s góc mở thysistor tăng từ α = 920đến α = 1660 điện áp cũng tăng từ 0pu đến 1pu.
Với t = 0,35s dến t = 0,4s góc mở thysistor giảm từ α = 1660đến α = 1500điện áp tiếp tục tăng từ 1pu đến 1,1pu; dòng điện bắt đầu tăng từ 0 pu đến 0,1pu.
Quan sát hình 4.7a; 4.9a và hình 4.33a; 4.35a ta thấy khi thay chiều dài đường dây thì chu kỳ của dòng điện chỉnh lưu và nghịch lưu đều giống như hệ thống ban đầu.
Hình 4.33b và hình 4.35b cho thấy khi ta tăng chiều dài đường dây hệ số méo dạng dòng điện THD thay đổi. Hệ số THD khi chưa thay đổi chiều dài đường
91
dây của bộ chỉnh lưu là 68,64%, của bộ nghịch lưu là 75%. Chính vì vậy mà đường tăng dòng điện khi tăng chiều dài đường dây tuyến tính và đẹp hơn khi hệ thống không tăng chiều dài đường dây.
Hệ số THD khi tăng chiều dài đường dây của bộ chỉnh lưu là 80,3%, của bộ nghịch lưu là 80,29%. Hình dạng dòng điện khi tăng chiều dài đường dây bên phia chỉnh lưu và nghịch lưu méo nhiều hơn so với khi chưa thay đổi thông số hệ thống.
4.3.3. Thay đổi bộ lọc xoay chiều
Ta tiến hành bỏ thành phần khử sóng hài bậc 11th
và 13th như hình 4.40:
Hình 4.40: Bộ lọc xoay chiều AC phía 500 kV, 60Hz
Mô phỏng hệ thống HVDC hình 4.1 với nguồn chỉnh lưu 500kV, tần số 60Hz, bỏ thành phần khử sóng hài bậc 11th
và 13th bên phía bộ lọc xoay chiều AC phía 500kV. Nguồn nghịch lưu 345kV, tần số 50Hz, chiều dài đường dây 300km, cho ta một số kết quả và nhận xét sau:
Kết quả mô phỏng khi thay đổi bộ lọc xoay chiều
92 a,
b,
c,
Hình 4.41: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: a, Đồ thị điện áp; b.Đồ thị dòng điện;
c, Đồ thị góc mởα của Thysistor.
93
b,
Hình 4.42: Dòng điện phía chỉnh lưu khi thay đổi thông số bộ lọc; a, Hình dạng
dòng điện, b, Phổhài dòng điện
b, Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu:
a,
94 c,
Hình 4.43: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: a, Đồ thịđiện áp; b.Đồ thị dòng
điện; c, Đồ thị góc mở α của Thysistor.
a,
b,
Hình 4.44: Dòng điện phía chỉnh lưu khi thay đổi thông số bộ lọc; a, Hình dạng
dòng điện, b, Phổhài dòng điện
Quan sát hình 4.42 và hình 4.43 ta nhận thấy khi thay đổi bộ lọc xoay chiều thì dạng đồ thị dòng điện, điện áp và góc điều khiển α không thay đổi.
Dòng điện xoay chiều của các bộ chỉnh lưu (hình 4.42a) và nghịch lưu có dạng không sin (hình 4.44a), phân tích phổ hài cho dòng điện này thấy rằng các
95
thành phần bậc cao là rất lớn. Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu (hình 4.42b) cho thấy rằng tổng méo hài có thể đạt tới 75,12%. Phía nghịch lưu (hình 4.44b) cho thấy rằng tổng méo hài có thể đạt tới 77,01%.
Độ méo dòng điện khi thay đổi bộ lọc bên phía chỉnh lưu và nghịch lưu đều lớn hơn độ méo dòng điện của hệ thống ban đầu.
4.4. Kết luận
Trường hợp thay đổi tần số trong hệ thống HVDC - Khi ta thay đổi tần số hệ thống có sụt áp
- Thay đổi tần số làm góc mở α tăng mạnh 1660 bên phía chỉnh lưu
- Thời gian quá độ khi thay đổi tần số lâu hơn. Tại t = 0,45s mới xuất hiện dòng điện trong khi trường hợp chưa thay đổi thông số dòng điện xuất hiện khi t=0,35s
- Độ dốc của đồ thị điện áp khi thay đổi tần số thấp hơn - Hệ số méo dòng điện khi thay đổi tần số thấp hơn.
- Hình dạng dòng điện khi thay đổi tần số bên phía nghịch lưu ít méo hơn nhưng bên phía chỉnh lưu lại méo nhiều hơn so với khi chưa thay đổi thông số hệ thống.
Trường hợp tăng chiều dài đường dây trong hệ thống HVDC - Độ dốc của đồ thị điện áp khi tăng chiều dài đường dây thấp hơn. - Góc mở α không thay đổi nhiều.
- Hệ thống xuất hiện sóng hài.
Trường hợp thay đổi bộ lọc xoay chiều trong hệ thống HVDC - Góc mở α không thay đổi nhiều.
- Đồ thị không thay đổi nhiều. -Xuất hiện sóng hài.
Nhận xét chung:
Qua kết quả mô phỏng ta thấy dòng điện và điện áp ở đầu ra của mạch luôn bám theo các giá trị đặt, hệ thống làm việc đạt trạng thái ổn định. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong hệ thống truyền tải cao áp một chiều đóng vai trò quan trọng
96
trong sự làm việc của hệ thống. Góc điều khiển α của bộ chỉnh lưu và nghịch lưu quyết định giá trị dòng điện và điện áp quy chiếu trên đường dây. Và tần số có ảnh hưởng lớn đến góc điều khiển α.
97
CHƢƠNG 5:
SO SÁNH GIỮA HVDC VÀ ĐƢỜNG DÂY TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU
Truyền tải điện bằng dòng điện xoay chiều cao áp hay một chiều cao áp mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Nội dung dưới đây đưa thêm một số so sánh để đánh giá hệ thống HVDC so với hệ thống truyền tải xoay chiều.
5.1. So sánh về phƣơng diện kỹ thuật
Truyền tải bằng HVDC có thể điều khiển nhanh nhạy, điều khiển hoàn toàn công suất phát, đồng thời nó có khả năng nâng cao khả năng ổn định động, cách ly sự cố giữa các lưới điện HVAC. Ngoài ra nó còn có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với lưới điện HVAC.
Giới hạn ổn định
Công suất truyền tải trên đường dây xoay chiều phụ thuộc vào độ lệch pha về điện áp giữa hai đầu của đường dây. Khi chiều dài đường dây tăng lên góc này cũng tăng lên. Công suất truyền tải lớn nhất của đường dây HVAC bị giới hạn bởi điều kiện ổn định và ổn định quá độ. Khả năng truyền tải điện của đường dây HVAC tỷ lệ nghịch với khoảng cách truyền tải trong khi đó khả năng tải của đường dây HVDC không phụ thuộc vào khoảng cách truyền tải [3].
Điều chỉnh điện áp
Điện áp trên đường dây HVAC luôn luôn thay đổi do tổn thất hay do công suất phản kháng ở đường dây nhưng vẫn luôn phải giữ cho điện áp cuối đường dây trong giới hạn cho phép nên cần có những thiết bị bù dọc theo đường dây.
Đường dây HVDC chỉ truyền tải công suất tác dụng nên không cần bù trên đường dây nhưng cần xây dựng các nhà máy phát công suất phản kháng ở gần các phụ tải để cung cấp cho phụ tải [3]..
Bù trên đƣờng dây
Với những đường dây HVAC dài chúng ta cần quan tâm đến giới hạn ổn định cùng với công suất phát sinh trên đường dây khiến cho điện áp cuối đường dây thường cao hơn nhiều ở đầu đường dây. Vì vậy cần sử dụng bù dọc, bù ngang bằng
98
kháng, tụ điện hay sử dụng các trạm SVCs hay mới đây là STATCOMs. Đường dây HVDC không cần bù [3]..
5.2. Ƣu nhƣợc điểm của truyền tải một chiều 5.2.1. Ƣu điểm của truyền tải 1 chiều 5.2.1. Ƣu điểm của truyền tải 1 chiều
a, Công suất lớn hơn có thể truyền theo dây dẫn theo mạch điện
Khả năng truyền tải công suất của đường dẫn một chiều và đường dẫn xoay chiều là khác nhau.
Cho cùng một cách nhiệt, điện áp trực tiếp Vd bằng với giá trị đỉnh (√ giá trị hiệu dụng) của điện áp xoay chiều Vd.
Vd = √ Va (5.1)
Trong đó:
Vd: Điện áp trực tiếp Va: Điện áp hiệu dụng
Cho cùng một cỡ dây dẫn, cùng một dòng có thể truyền tải cả một chiều và xoay chiều nếu xét đến hiệu ứng bề mặt
Id = Ia
Tương tự như vậy truyền tải điện năng sử dụng 2 dây dẫn với một chiều và xoay chiều được tính như sau:
Công suất mỗi dây 1 chiều Pd = Vd.Id (5.2)
Công suất mỗi dây xoay chiều Pd= Va.Ia.cosφ (5.3) Việc truyền tải công suất với 1 chiều qua xoay chiều được đưa ra tỷ lệ các công suất
= √
(5.4)
Trong thực tế, truyền tải xoay chiều được thực hiện bằng cách sử dụng mạch đơn hoặc mạch kép truyền tải 3 pha sử dụng 3 hoặc 6 dây dẫn. Trong trường hợp như vậy tỷ số cho công suất phải được nhân với 2/3 hoặc 4/3.
Nói chung, chúng ta đang quan tâm đến việc truyền tải một số lượng công suất nhất định ở mức độ cách nhiệt tại một hiệu quả truyền nhất định. Như vậy, cho