Một bộ điều khiển sóng hài dành riêng cho từng hài chọn để loại bỏ do tác động của các bộ lọc tích cực. Trong các bộ kiểm soát sóng hài, hài đặc biệt là cô lập và thể hiện bởi một tín hiệu phức tạp trong miền tần số.
55
Điều này được thực hiện thông qua phép nhân bởi (hωt) và cos (hωt), trong đó h là thứ tự của các hài, ω mạng tần số góc và t thời gian. Hai tín hiệu trực giao được tạo ra bởi một module đồng bộ của các thành phần của bộ lọc.
Quá trình này là cơ bản tuyến tính, để tất cả các bộ điều khiển sóng hài có thể hoạt động đồng thời và tổng của tất cả các kết quả đầu ra bộ điều khiển cho dạng sóng theo yêu cầu của các bộ lọc tích cực. Tín hiệu này sau đó được truyền tới các module điều khiển IGBT, trong đó bao gồm một bộ điều biến độ rộng xung bên cạnh chức năng cho sự bảo vệ và giám sát của công cụ chuyển đổi chuyên nghiệp[8].
3.3.5. Cuộn san dòng
3.3.5.1 Chức năng của cuộn san dòng
Cuộn san dòng được mắc nối tiếp với mạch biến đổi. Chức năng chính của cuộn san dòng là:
- Giảm sóng hài dòng điện trên đường dây truyền tải một chiều
- Giảm thiểu những rủi ro chuyển mạch do dòng một chiều, tăng quá giới hạn thoáng qua tại các hệ thống xoay chiều và một chiều.
- Phòng chống cộng hưởng trong mạch điện DC - Giảm dòng hài bao gồm cả giới hạn của nhiễu
3.3.5.2 Định kích thước của cuộn san dòng
Trong khi đánh giá dòng điện và điện áp của cuộn san dòng có thể được xác định dựa trên các dữ liệu của các mạch DC, điện cảm là yếu tố quyết định trong việc xác định trở kháng. Kích thước của các cuộn san dòng thường được chọn trong khoảng 100-300 mH cho khoảng cách DC và 30 đến 80 mH cho trạm back-to-back.
3.3.5.3 Bố trí các cuộn san dòng
Trong một hệ thống truyền dẫn đường dài HVDC, có vẻ như khá hợp lý rằng các cuộn kháng san dòng sẽ được nối tiếp với dòng DC. Đây là sự sắp xếp bình thường. Tuy nhiên, trong đề án back-to-back, điện kháng san dòng cũng có thể được kết nối với thiết bị đầu cuối điện áp thấp.
56
3.3.5.4 Thiết kế cuộn san dòng
Về cơ bản có hai loại thiết kế trở kháng: • Cuộn kháng khô loại khí cách nhiệt
• Cuộn kháng dầu cách điện trong một bể chứa Các loại trở kháng nên được lựa chọn theo các tiêu chí sau:
• Điện cảm • Chi phí
• Bảo trì và vị trí của các đơn vị phụ tùng • Các yêu cầu địa chấn
3.3.6. Van Thysistor
Việc sử dụng công nghệ mới này làm giảm số lượng của các thành phần trong các van thyristor lên đến 80%. Đơn giản hóa này làm tăng độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống truyền tải.
Với công nghệ LTT, các xung ánh sáng được truyền qua một sợi cáp quang thông qua các thyristor đến thyristor và do đó không có các mạch điện tử phức tạp và nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ là cần thiết.
Trong trường hợp của thyristor được kích hoạt bằng điện (ETT), điều này chỉ có thể nếu đủ năng lượng điều khiển được lưu trữ đủ lâu trên mạch cầu xung cho thyristor. Thyristor quang trực tiếp với bảo vệ quá áp (LTT) bây giờ là một công nghệ đã được chứng minh và các tiêu chuẩn của Siemens. Nó đã được thực hiện thành công lần đầu tiên vào năm 1997 (Trạm chuyển đổi Celilo của Thái Bình Intertie). Nó cho thấy hiệu suất tuyệt vời và không có hư hỏng thyristor hoặc trục trặc của hệ thống đã được ghi nhận.
Hơn nữa, công nghệ van này được sử dụng cho các dây kết nối (2 x 250 MW), mà đã đi vào hoạt động vào năm 2001 và là hợp đồng cho 3.000 MW, ± 500 kV hệ thống Quý Châu - Quảng Đông. Giám sát việc thực hiện thyristor đạt được bởi một mạch điện áp chia đơn giản làm từ tiêu chuẩn off-the-shelf điện trở và tụ điện; tín hiệu giám sát được truyền xuống đất thông qua một tập hợp chuyên dụng của các loại cáp sợi quang như đối với ETT. Tuy nhiên, tất cả các mạch điện tử cần
57
thiết cho việc đánh giá hiệu suất hiện đang nằm tại mặt đất tiềm năng trong một môi trường được bảo vệ, đơn giản hóa hơn nữa hệ thống.
3.3.7. Đƣờng dây truyền tải một chiều
Các đường dây truyền tải một chiều có nhiệm vụ truyền tải phía chỉnh lưu tới phía nghịch lưu.
- Đối với việc truyền tải điện năng công suất lớn trên mặt đất thì phương tiện truyền tải phổ biến nhất là đường dây trên không. Đường dây trên này thông thường là lưỡng cực (hai đường dây với hai cực tính khác nhau). Cáp HVDC thông thường được sử dụng khi đi ngầm dưới biển. Những kiểu phổ biến nhất của cáp ngầm là loại cách điện rắn và loại cách điện dầu, trong đó loại đầu tiên là kinh tế hơn cả. Cách điện của nó bao gồm nhiều băng giấy cách điện được thấm dầu nhớt có độ đậm đặc cao. Không có sự hạn chế về độ dài đối với loại cáp này và độ sâu cho phép có thể lên đến 1000m. Loại cáp mà được đổ đầy dầu có độ đậm đặc thấp và luôn làm việc dưới một áp suất thì chiều dài tối đa cho phép cho kiểu cáp này là thường khoảng 60km. Sự phát triển các loại cáp mới đã và đang gia tăng trong những năm gần đây.
- Nguyên tắc để xác định kích thước của đường dây trên không và cột đỡ của đường dây tải điện một chiều tương tự như đường dây xoay chiều. Tiết diện dây dẫn được lựa chọn theo mật độ dòng điện kinh tế. Việc phân pha được thực hiện nhằm tăng đường kính tương đương, nâng cao hiệu quả sử dụng của dây dẫn.
- Trên đường dây có treo hai dây chống sét bảo vệ (trong đó một dây kết hợp với cáp quang phục vụ thông tin) với góc bảo vệ là 18 độ. Nối đất luôn được thực hiện để giảm bớt sóng hài và giảm nhiễu thông tin.
3.3.8. Nguồn phản kháng
3.3.8.1. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục công suất phản kháng. Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong
58
hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Nếu ta tăng dòng điện kích từ ikt lên (quá kích thích, dòng điện của máy bù đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra công suất phản kháng Qb phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dòng kích từ ikt(kích thích non, E < U, dòng điện chậm sau điện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ công suất. Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra công suất phản kháng.
Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích thích từ nhanh có bộ kích từ chỉnh lưu.
3.3.8.2. Tụ điện tĩnh
Tụ điện tĩnh là một tụ đơn hoặc một dãy tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm công suất phản kháng truyền tải trên đường dây. Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành). Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra công suất phản kháng.
Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích công suất phản kháng trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng công suất phản kháng truyền tải trong mạng do đó giảm được tổn thất điện áp.
3.3.8.3. Động cơ không đồng bộ roto dây quấn được đồng bộ hóa
Khi cho dòng điện một chiều vào dây quấn roto của động cơ không đồng bộ thì động cơ đó sẽ làm việc như động cơ không đồng bộ, có thể điều chỉnh dòng kích từ để nó phát ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng điện. Nhược điểm của loại này là suất tổn thất công suất tác dụng lớn, khoảng (0,02 đến 0,08) kW/kVAr; khả năng quá tải kém. Vì vậy nó chỉ được phép làm việc tới 75% công suất định mức.
Vì các nhược điểm trên, cho nên nó chỉ được dùng khi không có sẵn các loại thiết bị bù khác.
59
3.3.8.4. Mạng điện
Cảm kháng của dây dẫn là do có từ thông biến đổi khi có dòng điện chạy trên dây dẫn, trong mạng lưới điện phân phối, dây cáp có cảm kháng rất bé vì các lõi cáp đặt rất gần nhau và từ thông móc vòng qua chúng rất nhỏ. Vậy trên sơ đồ thay thế của đường dây cáp chỉ còn có điện trở của cáp. Hay nói một cách khác, trên mạng phân phối, tổn thất công suất phản kháng từ mạng cáp rất không đáng kể. Công suất phản kháng do cáp phát ra phụ thuộc vào cấp điện áp và tiết diện của lõi thép.
3.3.9. Hệ thống bảo vệ và điều khiển
Hệ thống điều khiển: Là bộ não của hệ thống HVDC. Một trong những thuận lợi lớn nhất của hệ thống HVDC là điều khiển được. Một trạm HVDC hiện đại được trang bị thiết bị bảo vệ và điều khiển bằng vi xử lý tích hợp.
Hình 3.10: Phân cấp kiểm soát, một trạm HVDC (sơ đồ truyền tải HVDC lưỡng cực)
Điều khiển công suất qua hệ thống được khi mà một trạm biến đổi điều khiển được điện áp một chiều và trạm biến đổi kia điều khiển được dòng chạy trên mạch một chiều. Hệ thống điều khiển hoạt động thông qua điều khiển góc điều khiển của Thysistor và điều chỉnh bộ điều chỉnh áp của máy biến áp của bộ biến đổi. Mỗi một cực có một hệ thống điều khiển của nó. Hai hệ thống điều khiển của hai trạm ở hai đầu hệ thống HVDC liên lạc với nhau thông qua đường dây viễn thông. Hầu hết các
60
đường dây truyền tải HVDC được điều khiển từ xa thông qua trung tâm điều độ. Một hệ thống điều khiển điện đại ngày nay các chức năng cho điều khiển, giám sát được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng.
Hệ thống bảo vệ cũng giống như hệ thống xoay chiều, hệ thống 1 chiều cũng có thể gặp phải các dạng sự cố mà nguyên nhân là do sự hoạt động sai chức năng của thiết bị, cách điện hỏng do sét đánh hoặc do ô nhiễm môi trường... các sự cố cần được phát hiện và hệ thống cần được bảo vệ để ngăn ngừa hoặc giảm thiểu tác hại của sự cố. Ngoài việc làm giám đoạn sự vận hàng bình thường thì các sự cố khác nhau có thể gây hư hỏng thiết bị do hiện tượng quá áp và quá dòng.
3.4. Kết luận
Công nghệ HVDC – truyền tải điện cao áp một chiều – là một công nghệ mới, có ưu điểm ít tổn thất điện năng do sử dụng công nghệ bán dẫn thyristor. Công nghệ bán dẫn thyristor khiến cho việc điều khiển trực tuyến thuận lợi và nhanh gấp nhiều lần.
Công nghệ này còn có lợi ích về an ninh năng lượng, vì HVDC là dòng tải điện một chiều, nếu có bất kỳ một sự cố nào xảy ra giữa 2 đầu nối, cũng không bị ảnh hưởng đến đầu bên kia. Phương pháp truyền tải này giúp tiết kiệm được lượng năng lượng tiêu hao đáng kể.
Công nghệ HVDC là công nghệ phức tạp nên cần được thiết kế, lắp đặt, hiệu chỉnh và vận hành bởi những chuyên gia có am hiểu sâu về lĩnh vực này.
61
CHƢƠNG 4: ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG HVDC TRONG MATLAB - SIMULINK
4.1. Giới thiệu sơ đồ mô phỏng hệ thống HVDC 4.1.1. Hệ thống truyền tải cao áp một chiều HVDC 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