CHƢƠNG 3 : GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E
3.1. Phần mềm PSS/e:
3.1.2. Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E:
3.1.3. Chạy bài toán phân bố công suất:
Nhấp vào biểu tƣợng PSS/E@Xplore trên desktop
Để mở một file thông số đã đƣợc tạo, click File => Open => File cần mở. Ta sẽ thấy danh sách các file thông số đã đƣợc tạo. Chọn File mà ta muốn (file thông số sẽ có đuôi .sav, các file có đuôi khác sẽ đƣợc nhắc đến ở phần sau)
33
Để tạo một file thông số mới, click File => New. Một hộp thoại nhỏ sẽ hiện lên với các lựa chọn. Chọn “Case data” và click OK
Sau đó sẽ hiện ra hộp thoại “Build new case”. Nhập công suất cơ bản của hệ thống vào mục “Base MVA”. Ta có thể để mục “Headline 1” và “Headline 2” trống và click OK
Sau khi thực hiện các bƣớc trên, ta sẽ vào đƣợc giao diện để tiến hành xây dựng thông số hệ thống. Để xây dựng thông số hệ thống, cần có những thông số sau:
o Bus data:
- Bus number: Nút thứ I (i=1=>n) - Bus name: Tên nút
- Base KV: Điện áp cơ bản tại nút đang xét - Area num: Mã khu vực mà nút thuộc về - Zone num: Mã vùng mà nút thuộc về - Owner num: Mã quản lí mà nút thuộc về - Code: mã nút
+ Nếu là cân bằng thì nhập 3 + Nếu là nút máy phát thì nhập 2 + Nếu là nút phụ tải thì nhập 1
- Voltage (pu): Điện áp trong đợn vị tƣơng đối, sau khi giải bài toán phân bố công suất ta sẽ có đƣợc thông số điện áp tại tất cả các nút - Angle (deg): Góc điện áp theo đơn vị độ, sau khi giải bài toán phân
bố công suất ta sẽ có đƣợc thông số góc điện áp tại tất cả các nút - Normal Vmax (pu): Điện áp max trong tình trạng làm việc bình
thƣờng
- Normal Vmin (pu): Điện áp min trong tình trạng làm việc bình thƣờng
- Emergency Vmax (pu): Điện áp max trong tình trạng khẩn cấp - Emergency Vmin (pu): Điện áp min trong tình trạng khẩn cấp
34
Hình 3.2: Giao diện của trang bus data
o Brachdata:
- From bus number: Nút đầu - From bus name: Tên nút đầu - To bus number: Nút cuối - To bus name: Tên nút cuối - Name: Tên đƣờng dây
- Line R (pu): Điện trở đƣờng dây - Line X (pu): Điện kháng đƣờng dây
- Charging B (pu): Dẫn nạp B của đƣờng dây
Hình 3.3: Giao diện của trang branch data
o Load data (Buses and equipment):
35 - Bus name: Tên nút
- Area num: Mã khu vực mà nút thuộc về - Zone num: Mã vùng mà nút thuộc về - Owner num: Mã quản lí mà nút thuộc về - Pload (MW): Công suất tác dụng của tải - Qload (MVAR): Công suất phản kháng của tải
Hình 3.4: Giao diện của trang load data
o Generator data:
Ở trang “Plant”, cần thiết lập danh sách các máy phát trong hệ thống. Ta sẽ làm nhứ sau:
- Bus number: số nút mà máy phát đƣợc nối vào - Tiếp tục làm nhƣ thế với các máy phát khác
Sau khi đã lập đƣợc danh sách các máy phát, ta sẽ qua tab “Machines”. Tại đây ta sẽ nhập số liệu tƣơng ứng với mỗi máy phát:
- Bus number: số nút mà máy phát đƣợc nối vào - Id: id của máy phát
- Pgen (MW): Công suất tác dụng máy phát phát ra (sẽ nhận đƣợc sau khi giải phân bố công suất)
- Qmin (MVAR): Công suất phản kháng min của máy phát - Qmax (MVAR): Công suất phản kháng max của máy phát
o Transformer data:
- From bus number: Nút đầu MBA đƣợc nối vào - From bus name: Tên nút đầu MBA đƣợc nối vào - To bus number: Nút cuối MBA đƣợc nối vào - To bus name: Tên nút cuối MBA đƣợc nối vào - Id: Id MBA
36 - Name: Tên MBA
- Tap position: Vị trí đầu phân áp
- Tại cột “Impedance I/O code” chọn Zpu (system base) - Tại cột “Admittance I/O code” chọn Ypu (system base) - Điện thông số vào cột “ Specified X (pu)”
Để chạy bài toán phân bố công suất:
- Click vào Power flow => Solution => Solve (NSOL/FNSL…)
- Một hộp thoại sẽ hiện ra. Ta chỉ cần click “Solve” để chạy bài toán phân bố
- Ta có thể thay đổi phƣơng giải bằng cách đánh dấu vào phƣơng pháp ta muốn trƣớc khi click “Solve”
- Sau khi chạy xong ta có thể xem bảng báo cáo bằng cách Power => Flow Reports
37
CHƢƠNG 4: THIẾT BỊ SVC
Thiết bị SVC đã đƣợc ứng dụng làm nguồn cung cấp công suất phản kháng từ những năm 1970. SVC có rất nhiều ứng dụng trong hệ thống điện ví dụ nhƣ nâng cao khả năng truyền tải của đƣờng dây truyền tải, cản sự dao động công suất, nâng cao giới hạn ổn định điện áp.
SVC là một thiết bị trong họ thiết bị FACTS với ngõ ra có thể điều chỉnh đƣợc để vừa đóng vai trò là nguồn phát công suất phản kháng, vừa là nguồn tiêu thụ công suất phản kháng. Mục đích là để điều chỉnh những thông số của hệ thống (thƣờng là điện áp nút).
Đặc điểm nhận dạng thiết bị SVC với tụ bù thông thƣờng bởi các khóa thyristor. Các khóa thyristor này có vai trò điều khiển dòng công suất phản kháng SVC đƣa vào lƣới bằng cách điều khiển góc kích. Lƣu ý rằng trong quá trình vận hành, SVC có thể tạo ra sóng hài, vì thế cần lƣu ý điều này trong quá trình thiết kế.
SVC có thể đƣợc dùng để điều chỉnh điện áp tại các nút và thêm vào đó là chức năng cản dao động.
SVC đƣợc sử dụng trên khắp thế giới và hiện nay vẫn là thiết bị phổ biến trong việc nâng cao khả năng của lƣới điện. Ví dụ: SVC đƣợc ứng dụng ở Finland và Norway. SVC đƣợc ứng dụng ở Finland và Norway để cản sự dao động công suất và tăng khả năng truyền tải của lƣới điện hiện có.
Mục đích của chƣơng này là cung cấp cái nhìn tổng quan về cách thiết bị SVC hoạt động, về cấu tạo các thành phần cũng nhƣ nguyên lý hoạt động.
4.1. Các thành phần của SVC:
Mục này sẽ trình bày về các thành phần thƣờng đƣợc sử dụng trong SVC. Ta sẽ phân tích từng thành phần để xem ảnh hƣởng của chúng đến lƣới điện. Ta cũng sẽ đề cập đến những vấn đề liên quan đến các thành phần và cách giải quyết chúng. Để làm đƣợc những công việc trên ta cần có nhìn sâu hơn vào cách mà SVC hoạt động.
38
4.1.1. Thyristor switch capacitor:
Thyristor switch capacitor (TSC), lần đầu tiên đƣợc giới thiệu vào năm 1971, là tụ bù đƣợc mắc song song vào lƣới điện đƣợc điều khiển bằng các khóa thyristor. Hình cho ta thấy sơ đồ nguyên lý của TSC. Thành phần cuộn dây mắc nối tiếp với tụ đƣợc dùng giới hạn dòng điện khi các thyristor đóng cắt trong trạng thái không lý tƣởng.
Hình 4.1: Cấu trúc các thành phần phổ biến của SVC
Giả sử TSC bao gồm tụ điện, cuộn dây và đƣợc đặt dƣới điện áp:
Trong đó là tốc độ đồng bộ của hệ thống điện, ví dụ: trong mạng điện 50 Hz
thì
Dòng điện trong TSC theo thời gian:
(
)
Trong đó là góc kích của thyristor, là tần số cộng hƣởng của TSC, là điện áp đặt vào tụ tải thời điểm . Biên độ dòng điện đƣợc tính nhứ sau:
Trong đó là điện nạp của tụ và là điện nạp của cuộn dây và n đƣợc tính nhƣ sau:
√ √
Với và là điện kháng của cuồn dây và tụ điện. Tần số cộng hƣởng của TSC đƣợc tính nhƣ sau:
39
√
Biên độ dòng điện trong TSC có thể đƣợc tính:
Bây giờ ta hãy xét ở trạng thái xác lập khi không có cuộn dây mắc nối tiếp với tụ, biên độ dòng điện đƣợc tính nhƣ sau:
So sánh với, ta thấy khi thêm vào cuộn dây biên độ dòng điện I tỉ lệ với . Vì phụ thuộc vào và nên mạch LC cần đƣợc thiết kế cẩn thận để tránh sự cộng hƣởng. Và để tránh sự cộng hƣởng thì thông thƣờng điện kháng cuộn dây đƣợc giữ ở
mức
Việc thiết kế cận thận sẽ tránh đƣợc sự cộng hƣởng của TSC với lƣới điện. Tuy nhiên các thành phần dao động của dòng điện cần đƣợc cân nhắc. Các mục sau sẽ cung cấp cái nhìn chi tiết về việc hạn chế những thành phần này.
4.1.1.1. Nguyên lý vận hành của TSC:
Để tránh dạng sóng quá độ nhƣ , cần thỏa mãn đồng thời 2 điều kiện:
Thỏa mãn đồng nghĩa với các khóa thyristor cần đƣợc đóng tại thời điểm điện áp của lƣới điện ở giá trị lớn nhất (dv/dt = 0). Điều kiện thứ 2 thỏa mãn khi tụ đƣợc nạp tới một giá trị đã định trƣớc khi đóng cắt.
Trên thực tế rất khó để đóng cắt mà không tạo ra dạng sóng quá độ mà thay vào đó ta chỉ có thể hạn chế dòng quá độ này. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách đóng cắt bộ TSC khi điện áp đặt vào tự bằng điện áp của lƣới điện, nếu < , hoặc tại thời điểm điện áp đạt giá trị max, nếu . Lƣu ý là biên độ điện áp của lƣới điện.
Các khóa thyristor chỉ nên đƣợc mở ra khi dòng điện bằng 0, dẫn đến điện áp đặt lên tụ bằng giá trị đỉnh:
40
4.1.1.2. Cấu hình TSC:
Hình 4.2: Cấu trúc cơ bản của TSC
Để điều khiển lƣợng công suất phản kháng đƣợc mƣợt hơn, bộ TSC thƣờng phân ra nhiều đơn vị vận hành riêng biệt. Ví dụ nhƣ hình 4.2. Thậm chí để điều khiển đƣợc mƣợt hơn, cấu hình có thể bao gồm tụ có điện nạp và 1 tụ có điện nạp
. Bằng cách sử dụng cấu hình này, tổng số nấc của TSC có thể tăng lên đến .
Hình 4.3: Đƣờng đặc tính V – I của TSC với 3 dải bù
Đƣờng đặc tính đƣợc minh họa nhƣ hình 4.3. Cấu hình TSC nhƣ hình sử dụng 3 tụ để điều khiển điện áp trong khoảng .
4.1.2. Thyristor switch reactor:
Thyristor switch reactor (TSR) gồm một cuộn dây nối tiếp và đƣợc điều khiển bởi khóa thyristor. Sơ đồ nguyên lý của TSR nhƣ hình
TCR có chức năng giống với cuộn kháng mắc song song vào lƣới điện, chỉ khác là TCR sử dụng thyristor để đóng cắt, còn cuộn kháng sử dụng các khóa cơ khí để đóng cắt. So với cuộn kháng đóng cắt bằng khóa cơ khí, TCR cho phép quá trình đóng
41
cắt diễn ra nhanh hơn rất nhiều. Một ƣu điểm nữa của việc đóng cắt bàng các khóa cơ khí là không phải đối mặt với tình trạng hao mòn của các khóa đóng cắt cơ khí (chỉ đóng cắt đƣợc với số lần nhất định). Điều này có ý nghĩa rất lớn với các hệ thống điện lớn vì tiết kiệm đƣợc chi phí khi vận hành và bảo trì.
Vì TCR không đƣợc sử dụng rộng rãi trong SVC nên mục này chỉ nêu khái quát về nguyên lý hoạt động và cấu tạo. Bộ TCR đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn nên sẽ đƣợc đề cập chi tiết hơn ở mục sau.
4.1.3. Thyristor controlled reactor:
Thyristor controlled reactor (TCR) đƣợc mô tả trên hình. Bằng cách điều khiển các khóa thyristor liên tục, điện kháng của cuộn dây cũng thay đổi liên tục.
Các khóa thyristor đƣợc điều khiển liên tục bằng cách điều khiển góc kích , nhờ vào đó thay đổi điện kháng của cuộn dây cũng nhƣ lƣợng công suất phản kháng mà cuộn dây tiêu thụ.
Góc kích nằm trong khoảng từ 900 đến 1800. Ta giả sử TCR có dải điện cảm là đƣợc nối vào nguồn AC có điện áp:
Điện áp này cảm ứng lên cuộn dây một dòng điện đƣợc mô tả qua phƣơng trình vi phân:
Từ phƣơng trình trên ta có:
∫ ∫
Hai khoảng dẫn của khóa thyristor là:
Trong đó là nửa chu kỳ dƣơng, là nửa chu kỳ âm Ta tính đƣợc dòng điện qua TCR nhƣ sau:
42
Hình 4.4 minh họa cho dòng điện qua TCR ứng với 3 góc kích khác nhau. Thyristor dẫn hoàn toàn khi và dòng điện càng giảm khi tăng. Có thể dễ dàng nhận ra điều này khi nhìn vào dòng điện qua TCR ứng với các góc kích 900
, 1200 và 1500.
Hình 4.4: Dòng điện chạy qua TCR với các góc kích tƣơng ứng
4.1.3.1. Nguyên lý vận hành của TCR:
Hình 4.5: Đƣờng đặc tính V – I của TCR
Điện nạp của TCR là một hàm phụ thuộc vào góc kích :
Sử dụng phƣơng trình trên, ta có thể tính đƣợc lƣợng công suất phản kháng bộ TCR tiêu thụ từ lƣới:
Dải làm việc của TCR đƣợc tính toán bởi điện nạp và phụ thuộc vào góc kích của thyristor. TCR có thể hoạt động trong vùng có nét đứt trong hình 4.5. Nó đƣợc giới hạn bởi điện áp định mức và dòng điện định mức của các khóa thyristor ( và
43
ích trong bộ SVC. Bởi vì TSC chỉ hoạt động rời rạc, trong khi đó TCR có thể vận hành liên tục giữa các tụ.
4.2. Cấu trúc thƣờng gặp của bộ SVC:
Mục 4.1 liệt kê các thành phần cấu thành bộ SVC. Thông thƣờng các bộ SVC đƣợc cài đặt bao gồm cả hai chế độ vận hành: Tiêu thụ và phát công suất phản kháng vào lƣới. Khi thiết kế bộ SVC, ta cần xem xét cả hai chế độ vận hành và chi phí của các thành phần trong SVC.
Vì SVC thƣờng đƣợc thiết kế để hoạt động liên tục, ta thƣờng cần bộ TCR. Trong quá trình hoạt động, bộ TCR sẽ gây các sóng hài. Và để khắc phục điều này, ta cần lắp đặt các bộ lọc nhiễu trong SVC. Cấu trúc bộ lọc nhiễu có thể đƣợc xem trên hình.
Trong các bộ SVC, các tụ bù ngang với giá trị không thay đổi đƣợc (FC) đƣợc sử dụng để cung cấp công suất phản kháng vào lƣới với giá thành rẻ. Các tụ bù ngang có thể đƣợc thay thế bởi các bộ lọc lọc các hài do TCR tạo ra. Sử dụng cấu hình loại FC không sử dụng đến các thyristor nên giá thành rẻ và thiết bị điều khiển cũng đơn giản hơn so với TSC.
Với loại FC – TCR, cần lƣu ý rằng tổn thất tăng nếu dòng qua TCR lớn. Vì thế, loại này thƣờng đƣợc lắp đặt tại nơi có đầu ra mang tính dung.
Kết hợp TSC và TCR sẽ tối ƣu hơn trong mảng truyền tải. Cấu hình này giảm tổn thất đáng kể.
Tổng kết, các cấu hình thƣờng gặp của bộ SVC là:
FC – TCR: Fix capacitor and thyristor controlled reactor
TSC – TCR: Thyristor switched capacitor and thyristor controlled reactor
4.3. Chức năng điều khiển và việc mô phỏng:
Trƣớc khi ta tập trung vào việc mô phỏng, ta cần phải nắm đƣợc cách để đƣa bộ SVC vào hệ thống điện ta nghiên cứu. Các mô hình phải đƣợc đƣợc tính toán kể cả trong chế độ xác lập và chế độ quá độ của hệ thống. Trong mục này ta sẽ trình bày cách mô phỏng SVC trong phần mềm PSS/E.
Một số giả thiết khi ta mô phỏng cần đƣợc lƣu ý:
44
Bỏ qua ảnh hƣởng của các sóng hài
Hệ thống điện làm việc ở chế độ ba pha cân bằng
4.3.1. Chế độ xác lập:
Mục này sẽ trình bày cách để mô phỏng SVC trong chế độ xác lập. Trong chế độ xác lập có thể mô phỏng SVC bằng máy phát hoặc các kháng và tụ bụ ngang. Việc mô phỏng SVC bằng máy phát sẽ gặp vấn đề nếu SVC hoạt động tới điểm giới hạn công suất phản kháng của nó.
Vì thế để tránh trƣờng hợp đó, SVC sẽ đƣợc mô phỏng bởi điện nạp có giá trị thay đổi.
Thêm bộ SVC vào hệ thống điện sử dụng PSS/E:
Nếu ta xét chế độ xác lập của hệ thống, PSS/E hỗ trợ mô phỏng SVC dƣới dạng các tụ đóng cắt hoặc dƣới dạng máy phát. Siemen PTI kiến nghị dùng cách thêm các tụ