4.1.1. Hệ thống truyền tải cao áp một chiều HVDC
Hình 4.1: Thyristor-Based HVDC Transmission System (Detailed Model)
Nghiên cứu hệ thống truyền tải cao áp 1 chiều HVDC tiến hành trên hệ thống truyền tải công suất (hình 4.1) từ hệ thống xoay chiều phía điện áp 500KV, công suất 5000MVA, tần số 60 Hz đến hệ thống xoay chiều phía điện áp 345KV, công suất 10000 MVA tần số 50 Hz.
Bộ chỉnh lưu (Rectifier) và nghịch lưu (Inverter) là các bộ chuyển đổi 12 xung sử dụng 2 khối cầu 6 thysistor mắc nối tiếp. Các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu được liên kết với nhau qua đường dây 300km và điện kháng san bằng có trị số L=0,5H. Mô hình máy biến áp bộ chuyển đổi (Y0Y/∆) với khối máy biến áp 3 pha (3 cuộn dây). Cách quấn dây như thế này nhằm giảm các hài bậc 3, 5, 7 sinh ra do các bộ biến đổi. Vị trí nấc phân áp xác định ở vị trí cố định bằng hệ số nhân cung cấp cho điện áp định mức sơ cấp máy biến áp bộ chuyển đổi 0.9 bên phía chỉnh lưu; 0,96 bên phía nghịch lưu. Công suất phản kháng yêu cầu các bộ biến đổi được cung cấp bởi 1 tập hợp các tụ dương thứ 11, 13 và bộ lọc thông cao với tổng số 600 MVAr ở mỗi bên. Hai bộ ngắt mạch điện DC fault, AG fault được sử dụng để nghiên cứu các trường hợp lỗi trên hệ thống nghịch lưu AC và chỉnh lưu DC.
62
Các bộ điều khiển chỉnh lưu (Rectifier control and protection) và nghịch lưu (Inverter control and protection) được điều khiển bởi 12 xung. Các đối tượng trong chương trình này dùng các khối SimPowerSystems kết hợp với các khối Simulink mô phỏng hệ thống phân phối HVDC 12 xung. Khối Discrete HVDC Controller là một khối điều khiển tổng quát có trong thư viện Discrete Control Blocks của thư viện SimPowerSystems Extras. Chức năng bảo vệ DC được thực hiện trong mỗi chuyển đổi. Tại chỉnh lưu (Rectifier) các lỗi bảo vệ DC sẽ phát hiện và buộc các góc độ chậm trễ vào khu vực biến tần để dập tắt các lỗi. Tại nghịch lưu (Inverter) sẽ phát hiện AC lỗi và giảm giới hạn góc trễ tối đa để làm giảm nguy cơ không nghịch đảo. Các khối xoay chiều phát hiện điện áp thấp sẽ khóa các lỗi bảo vệ DC khi tụt điện áp AC được phát hiện. Các khối điều khiển Master Control khởi đầu và chấm dứt của các bộ chuyển đổi. Các hệ thống điện và hệ thống điều khiển được rời rạc hóa trong một thời gian mẫu Ts = 50. Chú ý rằng mô hình khởi tạo chức năng của mô hình tự động cài đặt Ts = 50e-6 trong Matlab.
Hệ thống được lập trình để bắt đầu và đạt được một trạng thái ổn định. Sau đó, bước này được áp dụng trên các dòng điện tham chiếu của chỉnh lưu và điện áp tham chiếu nghịch lưu để quan sát phản ứng động của bộ điều chỉnh.
4.1.2. Khối điều khiển và bảo vệ bộ chỉnh lƣu và nghịch lƣu
Hệ thống chỉnh lưu và nghịch lưu (hình 4.2) dùng 1 khối như nhau Discrete HVDC Controller từ thư viện Discrete Control Blocks của thư viện SimpowerSystems Extras. Khối có thể làm việc trong chế độ chỉnh lưu hoặc nghịch lưu. Ở nghịch lưu, dùng khối Gamma Measurement và tìm thấy nó trong cùng thư viện. Dùng Look under mask để xem cách xây dựng khối.
63
Hình 4.2: Khối điều khiển và khối và bảo vệ bộ chỉnh lưu
Đầu vào 1 và 2 là điện áp dây (VdL(pu)) và dòng điện (Id(pu)). Điện áp dây và dòng điện được biểu diễn ở đơn vị tương đối (p.u), dòng điện 1p.u=2kA; điện áp 1p.u=500kV trước khi chúng được sử dụng trong bộ điều khiển.
Đầu vào 3 và 4 (Id_ref(pu) và Vd_ref(pu)) là giá trị quy chiếu Vd và Id tính theo p.u Đầu vào 5 (Block) nhận tín hiệu logic để khóa bộ chuyển đổi khi Block = 1 Đầu vào 6 (Forced-alpha) cũng là tín hiệu logic có thể dùng cho mục đích bảo vệ. Nếu tín hiệu này cao (1), cung cấp góc mở ở giá trị xác định trong hộp thoại.
Đầu vào 7 (gamma_meas(deg)) là góc tắt cực tiểu γ bộ chuyển đổi 12 valve. Nó có được bằng cách kết hợp đầu ra 2 khối 6 – pulse Gamma Measurement.
Đầu vào 8 (gamma_ref(deg)) là góc tắt quy chiếu γ (độ). Để cực tiểu công suất phản kháng hấp thụ, đặt quy chiếu ở góc cực tiểu chấp nhận được.
Đầu vào 9 (D_alpha(deg)) đó là giá trị giới hạn tối đa góc mở trễ để tăng biên độ trong thời gian quá độ chuyển mạch.
64
Đầu ra đầu tiên (alpha_ord(deg)) là góc mở trễ α trong mức độ theo yêu cầu điều chỉnh. Đầu ra thứ 2 (Id_ref_lim) là giá trị dòng tham chiếu thực (giá trị Id_ref giới hạn bởi hàm UDCOL. Đầu ra thứ 3 (mode) chỉ thị trạng thái thực (lệnh điều khiển) cho chế độ điều khiển bộ chuyển đổi.
Hình 4.3: Khối điều khiển và khối và bảo vệ bộ nghịch lưu
Theo (hình 4.3) ta thấy hệ thống Mastes Control phát dòng điện tham chiếu cho 2 bộ chuyển đổi và khởi tạo khởi động và dừng truyền tải công suất DC.
Hệ thống bảo vệ có thể đóng hoặc mở. Ở bộ chỉnh lưu, bảo vệ sự cố DC phát hiện sự cố trên đường dây và có những phản ứng cần thiết để loại trừ sự cố. Hệ thống con Low AC Voltage Detection ở bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu làm việc để phân biệt sự cố AC và DC. Ở bộ biến đổi, hệ thống con điều khiển ngăn ngừa giảm nhẹ lỗi chuyển mạch vì độ lệch điện áp AC.
65
4.1.3. Bộ lọc xoay chiều AC trong HVDC
Hình 4.4: Bộ lọc xoay chiều AC phía 500kV, 60Hz
Hình 4.5: Bộ lọc xoay chiều AC phía 345kV, 50Hz
Như đã biết, các bộ biến đổi sinh hài bậc cao rất lớn, các hài bậc 3, 5, 7 được lọc nhờ kết cấu đặc biệt của máy biến áp (Y/Y∆), các hài bậc cao hơn 11, 13, 15,… cũng rất lớn nên cần phải được lọc. Hình 4.4 và hình 4.5 có vẽ các mạch lọc trong sơ đồ mô phỏng. Hai trở kháng cực tiểu biên độ Z của hệ thống AC. Tạo ra cộng hưởng nối tiếp bằng bộ lọc sóng hài bậc 11th
và 13th. Chúng hoạt động ở tần số 660 Hz và 780 Hz trong hệ thống 60 Hz. Cũng nên lưu ý rằng thêm bộ lọc dung 600 Mvar trong hệ thống điện cảm tạo ra cộng hưởng (quanh 188 Hz bên phía bộ chỉnh lưu và 220 Hz bên phía bộ nghịch lưu).
66
4.2. Kết quả mô phỏng nhƣ sau
Mô phỏng hệ thống HVDC hình 4.1 với nguồn chỉnh lưu 500kV, tần số 60Hz, nguồn nghịch lưu 345kV, tần số 50Hz, chiều dài đường dây 300km, cho ta một số kết quả và nhận xét sau:
a, Phía chỉnh lưu:
a,
b,
c,
Hình 4.6 : Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: a, Đồ thịđiện áp; b.Đồ thịdòng điện;
67
a,
b,
Hình 4.7: Dòng điện phía chỉnh lưu; a, Hình dạng, b, Phổhài dòng điện
b, Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu:
a,
68 c,
Hình 4.8 : Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: a, Đồ thị điện áp; b.Đồ thị dòng
điện; c, Đồ thị góc mở α của Thysistor.
a,
b,
Hình 4.9: Dòng điện phía nghịch lưu; a, Hình dạng dòng điện b, Phổhài dòng điện
Hình 4.6 và hình 4.8 là kết quả mô phỏng đầy đủ dòng điện, điện áp và góc mở α của Thysistor từ khi bắt đầu xuất hiện tín hiệu điều khiển cho đến khi đạt trạng thái ổn định. Để thấy rõ sự thay đổi dưới đây ta xét trong từng khoảng thời gian.
69
Dòng điện xoay chiều của các bộ chỉnh lưu (hình 4.7a) và nghịch lưu có dạng không sin (hình 4.9a), phân tích phổ hài cho dòng điện này thấy rằng các thành phần bậc cao là rất lớn.
4.2.1. Khi chƣa xuất hiện dòng điện t = 0s ÷ 0,35s
Hình 4.10: Kết quả mô phỏng Điện áp Uabc; dòng điện Iabcđầu vào bộ chỉnh lưu
Hình 4.11: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển
Quan sát (hình 4.10) và (hình 4.11) ta thấy đồ thị dòng điện một chiều bắt đầu được xây dựng và đường dây DC được nạp điện ở điện áp danh định của nó.
70
Kết quả mô phỏng điện áp đầu vào Uabc của bộ chỉnh lưu (hình 4.10) biến thiên hình sin 3 pha đối xứng lệch nhau 120 độ. Trạng thái ban đầu của bộ chỉnh lưu là góc điều khiển Thysistor α = 900 (hình 4.11) để đảm bảo điện áp 1 chiều và dòng 1 chiều đều bằng 0 tại thời điểm đầu của đồ thị. Ngay khi có lệnh điều khiển, góc mở alpha của Thysistor thay đổi theo chiều giảm góc mở để tăng điện áp chỉnh lưu VDL, trong mô hình này góc mở alpha Thysistor (hình 4.11) giảm từ α = 900 xuống α = 480. Khi bắt đầu có lệnh điều khiển góc mở Thysistor thì điện áp bắt đầu tăng nhanh từ 0 đến hơn 1pu. . Trong khoảng thời gian từ 0,3s đến 0,3025s góc điều khiển α giảm từ 480 đến 350. Tại t=0,3025s dòng điện bắt đầu thay đổi.
71
Hình 4.13: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển
Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu (hình 4.12 và 4.13) 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 alpha Thysistor α = 920 (hình 4.13) 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 góc mở thysistor tăng từ α = 920đến α = 1660 đường thứ 3 trong hình 4.13. Trong khoảng thời gian này dòng điện cũng bắt đầu xuất hiện nhưng có giá trị không đáng kể.
72
4.2.2. Khi dòng điện tăng dần t = 0,35s ÷ 0,6s
Hình 4.14: Kết quả mô phỏng trong giai đoạn quá độtăng dòng chỉnh lưu; a, Điện áp Uabc, b, dòng điện Iabcđầu vào
Hình 4.15: Kết quả mô phỏngquá độtăng dòng chỉnh lưu: Đồ thịđiện áp, dòng
điện, góc mởα của Thysistor, lệnh điều khiển
Kết quả mô phỏng dòng điện Iabc đầu vào của bộ chỉnh lưu (hình 4.14) và (hình 4.15) ta thấy, do tính chất gián đoạn và tính chất cảm trong hệ thống nên dạng dòng điện biến thiên không sin nhưng vẫn trùng pha so với điện áp nguồn cấp.
Hình 4.15 cho thấy đồ thị dòng điện một chiều bắt đầu xuất hiện và đường dây DC được nạp điện ở điện áp danh định của nó và có thể nhìn rõ nhất t=0,4s.
a,
73
Trong khoảng thời gian t=0,4s đến t=0,6s ta thấy góc điều khiển α tiếp tục giảm tới giá trị α = 16,50 quan sát hình dòng điện quy chiếu thay đổi từ 0 đến 1 p.u trong thời gian quá độ. Trong khoảng thời gian này, điện áp vẫn giữ nguyên giá trị ổn định 1pu.
Hình 4.16: Kết quả mô phỏng Điện áp Uabc; dòng điện Iabc đầu vào bộ nghịch lưu
Hình 4.17: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển
Quan sát (hình 4.16) và (hình 4.17) ta thấy trong khoảng thời gian từ 0,35s đến 0,5s góc điều khiển α giảm liên tục từ 1580 đến 1430. Trong khoảng thời gian
74
t=0,4s đến t=0,6s góc điều khiển α tiếp tục giảm tới giá trị α = 1430 quan sát hình dòng điện quy chiếu thay đổi từ 0 đến 1 p.u trong thời gian quá độ.
Do quá trình quá độ trước đó nên điện áp tăng vọt lên giá trị đặt và đạt là 1,2pu tại t=0.3s.Trong khoảng thời gian t=0,3s đến t=0,35s điện áp giảm từ 1,3pu đến 1pu sau khoảng thời gian đó điện áp giữ nguyên giá trị ổn định 1pu.
4.2.3. Khi dòng ổn định t = 0,6s ÷ 1,4s
Hình 4.18: Kết quả mô phỏng Điện áp Uabc; dòng điện Iabcđầu vào bộ chỉnh lưu
Hình 4.19: Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
75
Quan sát (hình 4.18) và hình (4.19) tại t = 0,7s đến t = 0,8s góc điều kiển α có giá trị 22,50 xuất hiện dòng điện bước, dòng điện giảm 0.2 pu, điện áp giảm 0,1pu được áp dụng trong suốt 0,1 giây với dòng tham chiếu hiện đểcó thể quan sát các đáp ứng động của bộ biến đổi. Ta có thể quan sát rất rõ trên đường cong dòng điện. Sau khoảng thời gian đó từ t=0,8s đến 1,4s góc điều khiển α giữ nguyên giá trị 16,50các thông số điện áp, dòng điện đạt trạng thái ổn định.
Trong khoảng thời gian này ta thấy xuất hiện lõm dòng điện có sự suy giảm dòng điện đột ngột tại t = 0,7s đến t = 0,8s (hình 4.18). Giá trị dòng điện hiệu dụng của nó bằng 80% so với dòng điện chuẩn. Sau thời gian 0,1s này dòng điện được phục hồi.
Nguyên nhân gây ra lõm là do khởi động thiết bị có công suất lớn so với công suất ngắn mạch của hệ thống tại điểm kết nối. Sự giảm gây ra bởi sự khởi động mạch truyền đông công suất lớn thông thường nhất là ba pha đối xứng. Hoặc có thể do đóng mạch các biến áp năng lượng vào hệ thống dẫn đến lõm dòng điện không đối xứng về biên độ kết hợp với sự có mặt của các hài bậc chẵn.
76
Hình 4.21: Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: Đồ thịđiện áp, dòng điện, góc mởα
của Thysistor, lệnh điều khiển
Quan sát (hình 4.20) và hình (4.21) Tại t = 0,7s đến t = 0,8s góc điêu kiển α tăng từ 1430 đến 1450 lúc này xuất hiện dòng điện, dòng điện giảm 0.2 pu được áp dụng trong suốt 0,1 giây với dòng tham chiếu hiện đểcó thể quan sát các đáp ứng động của bộ biến đổi. Ta có thể quan sát rất rõ trên đường cong dòng điện.Sau khoảng thời gian đó từ t=0,8s đến 1,4s góc điều khiển α giữ nguyên giá trị 1430
các thông số điện áp, dòng điện đạt trạng thái ổn định.
Tương tự như phía chỉnh lưu bên nghịch lưu cũng thấy xuất hiện lõm dòng điện có sự suy giảm dòng điện đột ngột tại t = 0,7s đến t = 0,8s (hình 4.20).
4.3. Kết quả mô phỏng khi thay đổi thông số
Chúng ta sẽ thay đổi các thông số: Tần số, chiều dài đường dây và thông số bộ lọc.
4.3.1. Thay đổi tần số
Mô phỏng hệ thống hình 4.1 khi tần số nguồn cấp phía chỉnh lưu bằng tần số nguồn cấp phía nghịc lưu là 50Hz. Nguồn chỉnh lưu 500kV, nguồn nghịch lưu 345kV, chiều dài đường dây 300km.
77
Hình 4.22: Hộp thoại thay đổi tần số phía 500kV từ 60Hz thành 50Hz
4.3.1.1. Kết quả mô phỏng khi hai nguồn có cùng tần số
a, Kết quả mô phỏng khi thay đổi tần số phía chỉnh lưu
a,
78
c,
Hình 4.23 : Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu: a, Đồ thị điện áp; b.Đồ thị dòng
điện; c, Đồ thị góc mở α của Thysistor.
a,
b,
Hình 4.24:Dòng điện phía chỉnh lưu khi tần số hai nguồn đều 50Hz; a, Hình dạng
dòng điện, b, Phổhài dòng điện
79 a,
b,
c,
Hình 4.25 : Kết quả mô phỏng phía nghịch lưu: a, Đồ thị điện áp; b.Đồ thị dòng
điện; c, Đồ thị góc mở α của Thysistor.
80
b,
Hình 4.26: Dòng điện phía nghịh lưu khi tần số hai nguồn đều 50Hz; a, Hình dạng
dòng điện, b, Phổhài dòng điện
Quan sát hình 4.23 và hình 4.25 ta thấy khi tiến hành thay đổi tần số thì góc điều khiển α thay đổi và đồ thị dòng điện, điện áp cũng thay đổi và sự khác nhau rõ nhất ta thấy trong khoảng 0,6s đầu nên dưới đây ta chỉ xét hệ thống trong khoảng này.
Dòng điện xoay chiều của các bộ chỉnh lưu (hình 4.24a) và nghịch lưu có dạng không sin (hình 4.26a), phân tích phổ hài cho dòng điện này thấy rằng các thành phần bậc cao ít. Kết quả mô phỏng phía chỉnh lưu (hình 4.24b) cho thấy rằng tổng méo hài còn 73,79%. Phía nghịch lưu (hình 4.26b) cho thấy rằng tổng méo hài có thể đạt tới 51,05%.
81
4.3.1.2. Kết quả mô phỏng khi thay đổi tần số trong khoảng 0s ÷ 0,6s
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.