2.2.1. Giới thiệu chung
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện, rất nhiều trường hợp phải thực hiện quá trình biến đổi một nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều có thể điều chỉnh được giá trị và tần số của dòng hoặc áp xoay chiều đầu ra. Có một số thiết bị biến đổi thực hiện được nhiệm vụ này, nhưng phổ biến nhất là các BBĐ một chiều-xoay chiều sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển mà người thường gọi theo một tên khác là sơ đồ nghịch lưu.
2.2.2. Phân loại
Tùy theo đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện mà ta có bộ nghịch lưu áp hay bộ nghịch lưu dòng.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính nguồn dòng điện. Các bộ nghịch lưu
34
tương ứng được gọi là bộ nghịch lưu áp nguồn áp và bộ nghịch lưu dòng nguồn dòng hoặc gọi tắt là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
2.2.3. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lƣu cầu ba pha
Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu mang tính thuận nghịch, vai trò của chúng phụ thuộc vào góc mở α, bộ nghịch lưu làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc, trả năng lượng về lưới.
Xét bộ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từ lưới điện hình 2.9.
Hình 2.9: Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha được cung cấp từlưới điện.
Sơ đồ nghịch lưu cầu ba pha gồm 6 Thysistor chia làm hai nhóm:
- Nhóm katot chung: T1, T3, T5 nối với cực âm của bộ nghịch lưu - Nhóm anot chung: T2, T4, T6 nối với cực dương của bộ nghịch lưu
35
Hình 2.10: Dạng sóng điện áp bộ nghịch lưu cầu ba pha cung cấp từlưới điện
Các thysistor thuộc nhóm anot sẽ làm việc với những giá trị dương của điện áp pha, những điện áp này tương ứng với phần trên của hình sin trên đồ thị điện áp. Nhóm thysistor katot làm việc với những phần âm của hình sin trên đồ thị điện áp.
Thysistor kế tiếp sẽ dẫn điện với góc sớm pha β tính ở bên trái giao điểm của các phần dương của hình sin đối với nhóm anot chung, phần âm đối với nhóm katot chung. Quan hệ giữa β và α là: β = π – α.
Một thông số quan trọng trong chế độ nghịch lưu là góc dập tắt γ = β – μ, thể hiện thời gian cần thiết để thysistor phục hồi hoàn toàn lại tính chất khóa của nó để khi phục hồi lại điện áp dương tiếp theo thysistor không bị thông sớm.
Nếu sự thông sớm xảy ra sẽ đảo trạng thái bộ nghịch lưu, dẫn đến ngắn mạch điện áp một chiều và xoay chiều. Thông thường với hệ thống có tần số 50 Hz thì γmin = 180.
Giá trị điện áp thuận cực đại mà mỗi thysistor phải chịu là:
√ (2.10)
Giá trị điện áp trung bình của bộ nghịch lưu:
36 Hoặc
hoặc
Giá trị của dòng điện một chiều:
√
√ (2.13)
2.2.4. Nguyên lý cơ bản của điều khiển nghịch lƣu phụ thuộc
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc cơ bản mạch chuyển đổi dùng cầu chỉnh lưu – nghịch lưu
Quan sát hình 2.11 ta thấy cầu chỉnh lưu và nghịch lưu có cấu tạo giống nhau, phía chỉnh lưu cho phép dòng công suất đi từ xoay chiều (AC) sang phía 1 chiều (DC), phía nghịch lưu cho phép đi từ DC sang AC. Các bộ biến đổi công suất có chế độ làm việc khác nhau phụ thuộc vào góc điều khiển α. Bộ chỉnh lưu làm việc với góc 00 < α < 900còn bộ nghịch lưu làm việc với góc 900 < α < 1800. Các van Thysirtor làm nhiệm vụ đóng, mở để dẫn dòng khi có xung kích hoạt vào cực điều khiển. Đồng thời điện áp thuận đặt lên 2 cực A và K. Mỗi Thysirtor chỉ dẫn dòng theo 1 chiều duy nhất, chỉ khóa khi đặt 1 điện áp ngược lên 2 cực A và K và dòng về 0.
• Nếu < 900 điện áp UCL > 0 năng lượng cấp từ nguồn xoay chiều đến nguồn một chiều (hình 2.12)
37
Hình 2.12: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 300
• Nếu > 900 điện áp UCL < 0 năng lượng cấp từ nguồn một chiều đến nguồn xoay chiều (hình 2.13)
38
Hình 2.13: Dòng điện và điện áp nguồn nhận với = 1500
2.2.4.1. Hệ số công suất cosφ
Chỉ khi bộ biến đổi tiêu thụ công suất phản kháng có 1 hệ số công suất liên quan với bộ biến đổi ở phía xoay chiều. Nó có thể tính toán như sau
Công suất có ích cung cấp cho đường dẫn 1 chiều = VdId
Công suất có ích cung cấp từ hệ thống xoay chiều = √
Khi bộ biến đổi không tiêu thụ bất kỳ 1 công suất có ích nào phải có sự cân bằng công suất.
VdId = √ (2.14)
Từ hệ số công suất có thể tính toán như sau:
√ (2.15)
√
√ √ (2.16)
Nó đưa ra kết quả sau:
Cosφ = ½(cosα + cosω)=1/2[cosα+cos(α+γ)] (2.17) Trong sự vắng mặt của chuyển mạch nó được rút gọn như sau:
39 Cosφ = cosα
Nó nghĩa là α là góc hệ số công suất trong sự vắng mặt của chuyển mạch. Nếu có chuyển mạch thì sẽ giảm hệ số công suất có ích bằng cách tăng góc hiệu quả.
Với γ = 0, truyền tải công suất có ích là √ và bằng 0 khi α = 900
Vì vậy nếu 1 cuộn cảm được kết nối với tải, giới hạn trong truyền tải công suất khi sử dụng chỉnh lưu α = 900. Tuy nhiên nếu không có cuộn cảm được kết nối với tải thì i.e.Ld=0 sau đó điện áp và dòng điện dạng sóng có thể trở nên giống nhau về hình (khi tải thuần trở). Dưới những điều kiện này, điện áp có thể không âm tại thời điểm bất kỳ vì dòng không thể chạy theo hướng ngược lại xuyên qua Thysistor [8]. Công suất truyền tải có thể bằng 0 nếu α = 1200 ta có thể quan sát kỹ hơn trên hình 2.14.
Hình 2.14: Đồ thị dạng sóng của điện áp và cường độdòng điện đầu ra điển hình
2.2.4.2. Phương trình điều khiển hệ thống HVDC
40
Trong hình 2.15 có: là góc điều khiển; γ là góc tắt; Rcr, Rci điện kháng chuyển mạch tương đương bộ chỉnh lưu và nghịch lưu; Udr, Udi điện áp dây hiệu dụng AC phía chỉnh lưu và nghịch lưu.
Dòng điện 1 chiều đi từ chỉnh lưu đến nghịch lưu:
(2.18)
Công suất ở đầu chỉnh lưu:
Pdr – Udr.Idr (2.19)
Công suất ở đầu nghịch lưu:
Pdi = Udi.Id =Pdr –RL.Id2 (2.20)
2.2.4.3. Đặc tính điều khiển
Đặc tính điều khiển của bộ biến đổi là đồ thị biến thiên của điện áp một chiều dựa theo dòng điện một chiều [8].
2.2.4.3.1. Đặc tính điện áp tựnhiên (NV) và điều khiển góc mở cốđịnh (CIA)
Đặc tính điện áp tự nhiên đặc trưng bởi góc trễ α = 0. Có đặc tính được tính theo công thức Vd = V0 – (3ωLc/π)Id. Góc điều khiển không đổi có đặc tính tương tự song song với đặc tính NV và cùng bị chặn bởi V0cosα. Quan sát hình 2.16:
Hình 2.16: Đặc tính NV và CIA của điều khiển chỉnh lưu 2.2.4.3.2. Điều khiển góc tắt không đổi (CEA)
Nghịch lưu thường được điều khiển duy trì góc tắt không đổi. Đặc tính được tính theo công thức Vd = V0 cosδ – (3ωLc/π)Id. Quan sát hình 2.17:
41
Hình 2.17: Đặc tính điều khiển CIA của chỉnh lưu 2.2.3.4.3. Điều khiển dòng điện không đổi
Trong đường dẫn một chiều, hoạt động thông thường để dòng hoạt động liên tục hơn là thay đổi điện áp. Dĩ nhiên dòng không đổi nghĩa là dòng tạm cho là thay đổi và không chính xác là không thay đổi.
Trong điều kiện dòng điện không đổi, nguồn điện được thay đổi bằng cách thay đổi điện áp. Có một phạm vi cho phép các thiết lập trong việc thay đổi dòng điện[8].
2.2.3.4.4. Đặc tính điều khiển đầy đủ
Các đặc tính hoàn chỉnh của mỗi bộ biến đổi là đặc tính NV và được giới hạn với điều khiển dòng điện không đổi CC và điều khiển góc tắt không đổi CEA.
Hình 2.18: Đặc tính hoàn chỉnh của bộ biến đổi
Quan sát hình 2.18 ta thấy các bộ biến đổi điều khiển dòng không đổi điều chỉnh góc α mà dòng điện được duy trì ở giá trị đặt thậm chí với dòng ngắn mạch trên đường truyền 1 chiều. Điều khiển dòng điện không đổi CC hiện nay cũng có mặt trong nghịch lưu mặc dù nghịch lưu thường không được hoạt động trong khu
42
vực đó. Các bộ chỉnh lưu đơn giản thường hoạt động trong vùng CC trong khi nghịch lưu thì hoạt động trong vùng CEA [8].
2.2.3.4.5. Tổng hợp các bộ biến đổi
Hình 2.19 dưới đây cho ta thấy hệ thống của 2 bộ biến đổi, kết nối bằng đường dẫn HVDC cả 2 bộ biến đổi được cung cấp với điều khiển góc tắt không đổi CEA và điều khiển dòng điện không đổi CC vì thế nó có thể làm việc như chỉnh lưu hoặc nghịch lưu [8].
Hình 2.19: Tổng hợp các bộ biến đổi
Biên độ cài đặt dòng Idm giữa các cài đặt dòng Ids cho nghịch lưu và cho chỉnh lưu thường được giữ ở khoảng 10% đến 20% cho dòng cài đặt. Các thiết lập của bộ biến đổi hoạt động như chỉnh lưu được giữ cao hơn các cài đặt của bộ nghịch lưu bởi cài đặt biên độ Idm
43
Hình 2.20: Đặc tính hoàn chỉnh của bộ biến đổi
Các điểm hoạt động bình thường chuyển giao công suất là giao điểm của điều khiển dòng điện không đổi CC của chỉnh lưu và điều khiển góc tắt không đổi CEA của nghịch lưu. (Để so sánh đặc điểm của bộ biến đổi nghịch lưu B đã được rút ra từ hình 2.20.). Nó phải đảm bảo rằng dây nhánh thay đổi của đặc tính NV của bộ biến đổi hoạt động trong chế độ chỉnh lưu là cao hơn đặc tính CEA của nghịch lưu, như V0 của 2 thiết bị cuối không nhất thiết phải bằng nhau.
Với bộ biến đổi A hoạt động như là bộ chỉnh lưu và bộ biến đổi B như là bộ nghịch lưu, trạng thái ổn định dòng điện trong mọi trường hợp sẽ vẫn nằm trong giới hạn trên (Ids+Idm) và giới hạn dưới Ids. Đó là hệ thống dòng điện 1 chiều sẽ không thay đổi nhiều so với Idm trong mọi điều kiện. Bằng cách đảo ngược biên độ cài đặt đó là làm cho các cài đặt của bộ biến đổi B vượt qua A, lượng công suất có thể tự động đảo ngược bộ biến đổi B sẽ hoạt động như 1 bộ chỉnh lưu và A như một bộ nghịch lưu. Sự đảo ngược của công suất xảy ra là kết quả sự đảo chiều phân cực của điện áp [8].
2.3 Kết luận
Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển hoàn toàn dùng Thysistor được sử dụng trong truyền tải HVDC. Mạch có chức năng biến đổi năng lượng xoay chiều sang
44
một chiều và ngược lại thông qua việc thay đổi góc điều khiển mà ta có thể thay đổi được công suất truyền tải.
Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu phụ thuộc vào góc điều khiển α và dòng điện tải Id theo đặc tuyến ngoài của bộ chỉnh lưu. Với cùng một dòng điện tải nếu góc α tăng thì điện áp đầu ra giảm.
Trong chế độ nghịch lưu góc sớm pha β = π – α = θ + γ phải có giá trị thích hợp để đảm bảo cho góc dập tắt lớn hơn góc dập tắt tối thiểu γ = β – θ ≥ γ0 (Trong đó γ0=ωt0 với t0 là khoảng thời gian đảm bảo cho các Thysistor khóa chắc chắn tính từ thời điểm Thysistor kết thúc dẫn điện).
Khi tăng góc điều khiển α các thành phần đập mạch trong điện áp chỉnh lưu cũng tăng theo. Do đó khi tăng góc điều khiển α phải tăng tham số của bộ lọc san phẳng trong mạch chỉnh lưu lên tương ứng.
45
CHƢƠNG 3: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN CAO ÁP MỘT CHIỀU
3.1. Nguyên lý của hệ thống HVDC
Quá trình truyền tải điện năng giữa trạm truyền (Trạm Rectifier) tới trạm đến (Trạm inverter) là quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm biến đổi. Tại trạm biến đổi này điện áp xoay chiều được cho qua trạm biến áp để cung cấp một điện áp xoay chiều thích hợp cung cấp cho bộ biến đổi. Bộ biến đổi biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và được truyền trên đường dây một chiều đến trạm biến đổi kia. Điện áp và dòng một chiều được làm phẳng bằng cuộn san dòng và khử sóng hài bằng bộ lọc một chiều trên đường dây một chiều. Tại trạm biến đổi dòng điện và điện áp một chiều từ đường dây tải điện qua bộ biến đổi chuyển thành dòng và điện áp xoay chiều. Điện áp xoay chiều này được cho qua trạm biến áp để biến đổi thành điện áp xoay chiều mong muốn.
Trong quá trình truyền tải điện năng giữa hai trạm nói trên vai trò của các mạch điện biến đổi tại hai trạm có thể thay đổi cho nhau dẫn đến sự đảo chiều của luồng công suất. Tại các trạm biến đổi, công suất phản kháng được cung cấp bởi các nguồn phản kháng. Ta có thể quan sát sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải HVDC ở hình 3.1
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền tải HVDC
3.2. Cầu hình của hệ thống HVDC 3.2.1. Kết nối đơn cực 3.2.1. Kết nối đơn cực
Hệ thống này dùng một dây dẫn thường sử dụng cực tính âm. Đường trở về có thể dùng nước hoặc đất như hình 3.2:
46
Hình 3.2: Kết nối đơn cực
3.2.2. Kết nối hai cực đồng nhất
Kết cấu hai cực đồng nhất bao gồm hai hay nhiều đường dẫn cùng cực tính thường là cực âm để giảm nhiễu do vầng quang trên đường dây DC, cực dương nối vào hệ thống nối đất mà không cần đường dẫn riêng như hình 3.3:
Hình 3.3: Kết nối hai cực đồng nhất
Mặc dù kết cấu này có ưu điểm là giảm chi phí lắp đặt nhưng dòng qua đất lớn nên đường dây không được quá dài thường được sử dụng cho các trạm tập trung (back to back)
3.2.3. Kết nối hai cực ngƣợc
Kết nối này có hai dây một dương và một âm. Mỗi đầu đều có bộ biến đổi điện áp định mức mắc nối tiếp về phía 1 chiều như hình 3.4:
47
3.3. Cấu tạo của hệ thống HVDC
Hình 3.5: Cấu trúc hệ thống HVDC
Quan sát hình 3.5 ta thấy một hệ thống truyền tải HVDC bao gồm các thiết bị chính sau: - Trạm biến áp - Bộ biến đổi - Bộ lọc xoay chiều - Bộ lọc một chiều - Cuôn san dòng
- Đường dây truyền tải một chiều - Nguồn phản kháng
- Hệ thống bảo vệ và điều khiển
3.3.1. Trạm biến áp
Máy biến áp có thể có các cấu hình khác nhau, thông thường là loại 3 pha hay tổ hợp 3 máy biến áp 1 pha. Phía thứ cấp nối hình sao và tam giác còn phía sơ cấp máy biến áp nối sao được liên kết song song.
Máy biến áp sử dụng cho bộ biến đối có khe hở cách điện giữa cuộn dòng và gông từ lớn hơn máy biến áp thông thường, được thiết kế chịu điện áp 1 chiều và tổn hao dòng xoay chiều do từ thông chứa nhiều sóng hài làm nóng dầu máy biến áp
48
và gây nhiễu. Khi vận hành các pha không làm việc đồng thời mà luân phiên nhau theo sự làm việc các cực dương của bộ biến đổi, như vậy máy biến áp luôn làm việc trong trạng thái không đối xứng nên chọn sơ đồ nối dây sao cho đảm bảo được điều kiện từ hóa bình thường của trụ lõi thép và giảm thiểu được sự đập mạch của điện áp và dòng điện chỉnh lưu. Điều áp dưới tải của máy biến áp tác động khi điện áp xoay chiều thay đổi, góp phần làm giảm công suất phản kháng cung cấp cho bộ biến đổi [6].
Đánh giá trạm biến áp:
√ . (3.1)
Trong đó:
IdN: Dòng 1 chiều danh nghĩa
: Biến áp van (chỉnh lưu)
√ . (3.2)
Trong đó: : Biến áp van (nghịch lưu)
3.3.2. Bộ biến đổi
Trạm chuyển đổi một chiều là bộ chuyển đổi Thyristor, thường được đặt trong nhà. Các thành phần khác của một trạm chuyển đổi AC – DC (hoặc DC – AC) được thể hiện trong hình sau:
49
Hình 3.6: Cấu hình cơ bản trạm chuyển đổi AC – DC
Trong cấu hình trạm như hình 3.6 phía đầu ra một chiều gồm 2 cực (bipole),