Compensator)
SVC là thiết bị bù ngang dùng ñể tiêu thụ công suất phản kháng có thể ñiều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, ñược tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
− Thành phần cảm kháng ñể tác ñộng về mặt công suất phản kháng (có thể
phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chếñộ vận hành).
− Thành phần ñiều khiển bao gồm các thiết bị ñiện tử như thyristor hoặc triắc có cực ñiều khiển, hệ thống ñiều khiển góc mở dùng các bộ vi ñiều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR...
Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng của SVC như trên hình 2.4
Hình 2.4 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC
2.2.2.2. Thiết bị bù tĩnh STATCOM (STATCOM – Sitatic Synchronuos Compensator)
STATCOM (STATic COMpensator, thiết bị bù tĩnh) làm việc dựa trên một thiết bị chuyển ñổi nguồn áp (VSC – Voltage Source Converter) nối với phía thứ cấp của một máy biến áp ghép, nó chuyển ñổi nguồn ñiện áp một chiều thành ñiện áp xoay chiều ñể bù (nguồn phát hoặc nguồn thu) công suất phản kháng cho lưới ñiện [9].
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 25
Bộ VSC sử dụng các thiết bị ñóng cắt ñiện tử công suất (GTOs, IGBTs hoặc IGCTs) ñể tổng hợp ñiện áp xoay chiều V2 từñiện áp nguồn một chiều Vdc. Bằng cách thay ñổi góc mở của các Thyristor trong bộ VSC, thiết bịñiều chỉnh dòng qua STATCOM chậm pha hoặc nhanh pha hơn ñiện áp lưới, qua ñó bù
ñược công suất phản kháng cho lưới.
Một mạch STATCOM cơ bản ñược minh họa trên Hình 2.5, công suất phản kháng và công suất tác dụng ñược truyền giữa nguồn V1 và nguồn V2; nguồn V1 ñặc trưng cho ñiện áp hệ thống cần ñiều khiển và V2 là ñiện áp ñược tạo ra bởi VSC.
Hình 2.5 Sơ ñồ mạch STATCOM cơ bản [10]
1 2sin V V P X δ = (2-7) ( ) 1 1 2cos V V V Q X δ − = (2-8) Trong ñó, V1 - ñiện áp lưới cần ñiều ñiều khiển; V2 - ñiện áp tạo ra bởi VSC;
X - ñiện kháng tương ñương của MBA và các bộ lọc;
• Nguyên lý hoạt ñộng của STATCOM:
Trong trạng thái ổn ñịnh, ñiện áp V2 ñược tạo ra bởi VSC bằng với
ñiện áp lưới cần ñiều khiển V1 (δ=0), do ñó chỉ tồn tại công suất phản kháng (P = 0). Nếu V2 là thấp hơn so với V1, Q có chiều từ V1 tới V2 (STATCOM
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 26
nhận công suất phản kháng). Ngược lại, nếu V2 là cao hơn so với V1 , Q có
chiều từ V2 ñể V1 (STATCOM phát công suất phản kháng). Giá trị công suất
phản kháng ñược cho bởi: ( ) 1 1 2 V V V Q X − = (2-9) Một tụ ñiện nối với phía DC của VSC hoạt ñộng như một nguồn ñiện áp DC. Ở trạng thái xác lập ñiện áp, V2 phải ñảo pha trể hơn V1 ñể bù cho máy biến áp và tổn thất trên VSC và giữ cho tụ ñược nạp. Hai công nghệ biến ñổi
ñiện áp ñược sử dụng cho bộ VSC:
• ðặc tính V-I của STATCOM
Các STATCOM có thể hoạt ñộng ở hai chếñộ khác nhau :
+ Chế ñộñiều chỉnh ñiện áp (ñiện áp ñược ñiều chỉnh trong giới hạn như
giải thích dưới ñây).
+ Chế ñộ ñiều khiển var (công suất phản kháng ñầu ra STATCOM ñược giữ không ñổi).
Khi STATCOM làm việc ở chếñộñiều chỉnh ñiện áp, nó cho ñặc tính V-I như
Hình 2.6 ðặc tính V-I của STATCOM
Miễn là công suất phản kháng nằm trong dải giá trị dòng (-Imax, Imax) ñược áp ñặt bởi hiệu suất chuyển ñổi, ñiện áp sẽñược ñiều chỉnh tại giá trị tham chiếu Vref. Tuy nhiên, một sự hụt ñiện áp thường ñược dùng (1% - 4% ñiện áp lúc công suất phản kháng ñầu ra cực ñại), và ñặc tính V-I có ñộ dốc như Hình 2.6. Trong chếñộ ñiều chỉnh ñiện áp, ñặc tính V-I ñược mô tả bởi phương trình:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 27 ref s V =V + X I (2-10) Trong ñó, V- ñiện áp hồi tiếp dương (p.u)1; I- dòng phản kháng (p.u/Pnom) (I > 0 ñể chỉ dòng có tính cảm); X- ñộ dốc ñiện kháng (pu/Pnom);
Pnom- công suất ñịnh mức 3 pha của bộ chuyển ñổi.
2.3. Kết luận
STATCOM thưc hiện chức năng giống như SVC. Tuy nhiên tại các ñiện áp thấp hơn phạm vi ñiều chỉnh ñiện áp bình thường, STATCOM có thể tạo ra nhiều công suất phản kháng hơn SVC. ðiều này là do thực tế, công suất phản kháng lớn nhất ñược sinh ra bởi SVC thì tỉ lệ với bình phương ñiện áp hệ thống. Trong khi ñó, công suất phản kháng lớn nhất ñược tạo ra bởi STATCOM tăng tuyến tính với ñiện áp (dòng không ñổi). Khả năng cung cấp nhiều công suất phản kháng hơn khi có sự cố là một ưu ñiểm quan trọng của STATCOM so với SVC. Hơn nữa, STATCOM sẽ ñược kích mở nhanh hơn SVC, vì so với VSC, STATCOM không có liên kết trễ với sự kích khởi của thyristor (thời gian trễ
này với một SVC là 4ms). [10]
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 28
CHƯƠNG 3:
ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ðIỆN ðỘC LẬP DIESEL – GIÓ ðỂ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ NÂNG
CAO ỔN ðỊNH ðIỆN ÁP
3.1. Khái quát chung
ðiện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng ñể ñánh giá chất lượng
ñiện năng. Ổn ñịnh ñiện áp là khả năng duy trì ñiện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống ñiện trong một phạm vi cho phép ở ñiều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích ñộng. Hệ thống sẽñi vào trạng thái không ổn ñịnh khi xuất hiện các kích ñộng như tăng tải ñột ngột hay thay ñổi các thông sô của hệ thống. Các thay
ñổi ñó có thể làm cho quá trình giảm ñiện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể ñiều khiển ñược, gọi là sụp ñổ ñiện áp. Nguyên nhân chủ yêu dẫn ñến sự mất ổn ñịnh và sụp ñổñiện áp thường là do không ñáp ứng nhanh và ñủ nhu cầu về công suất phản kháng cần thiết khi có sự tăng hoặc giảm bất thường của năng lượng gió.
Biện pháp kỹ thuật ñể khắc phục sự mất ổn ñịnh và thiếu hụt về công suất phản kháng mà luận văn này trình bày là sử dụng bộ bù STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải ñiện xoay chiều linh hoạt FACTS. Với ñộ
nhanh, nhạy, chính xác, ñiều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiệt
ñược những vấn ñề trên.
3.2. Bộñiều khiển ñiện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn 3.2.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM 3.2.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM
Bộ bù STATCOM là một thiết bị chuyển ñổi ñiện áp, nó chuyển ñổi nguồn áp một chiều thành ñiện áp xoay chiều ñể bù công suất phản kháng cho HTð. Cấu trúc cơ bản của STATCOM ñược thể hiện ở Hình 3.1, bao gồm: Một bộ ñiều khiển nguồn ñiện áp ba pha (VSC) ñược nối tiếp về phía thứ cấp của máy biến áp ghép; nguồn ñiện áp DC (Vdc).
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 29
Hình 3.1 Cấu trúc của STATCOM
3.2.2. Bộ chuyển ñổi nguồn áp (VSC)
Mục ñích chính của VSC là ñể tạo ra một ñiện áp AC từñiện áp DC, ñây
ñược gọi là bộ biến ñổi DC-AC. VSC là các khối của STATCOM và các thiết bị
FACTS. Mục ñích của cấu trúc liên kết là ñể giảm thiểu tần số hoạt ñộng của các chất bán dẫn bên trong VSC và ñể sản xuất một dạng sóng ñiện áp hình sin chất lượng cao. Cấu trúc liên kết của VSC ba pha hai cấp truyền thống sử dụng thiết bị chuyển mạch IGBT như Hình 3.2.
Trong Hình 3.2 thì VSC gồm có 6 IGBT, với hai IGBT ñặt trên mỗi chân..
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 30
Tụ ñiện ñược nối về phía DC của VSC hoạt ñộng như một nguồn ñiện áp DC. Ở trạng thái xác lập ñiện áp V2 phải ñảo pha trễ hơn ñiện áp V1 ñể bù cho máy biến áp, tổn thất VSC và giữ tụ ñiện ñược nạp. VSC chuyển ñổi chiến lược hiện nay nhằm mục ñích ứng dụng các tiện ích, công nghệ VSC có thể dùng:
Bộ VSC có thể dùng:
- VSC dùng nghịch lưu sóng vuông dựa vào thiết bị GTO và một máy biến
áp ñược ghép ñặc biệt. Thường bốn bộ nghịch lưu ba pha ñược sử dụng ñể tạo ra một dạng sóng ñiện áp 48 bước. Máy biến áp ñược sử dụng ñể triệt tiêu các sóng hài trong sóng vuông ñược tạo ra bởi mỗi bộ nghịch lưu. Trong loại VSC này, thành phần cơ bản của ñiện áp V2 tỷ lệ với ñiện áp Vdc. Do ñó Vdc phải thay ñổi theo sựñiều chỉnh công suất phản kháng.
- VSC dùng nghịch lưu PWM dựa vào thiết bị IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor: Transistor có cực ñiều khiển cách ly). Loại nghịch lưu này sử dụng công nghệ ñiều chế ñộ rộng xung (Pulse-Width Modulation, PWM) tổng hợp một dạng ñiện áp hình sin từ một nguồn ñiện áp DC với tần số ngắt vài kHz. ðiện áp sóng hài ñược triệt tiêu bằng cách nối các bộ lọc ở phía AC của VSC. Loại VSC này sử dụng một ñiện áp một chiều Vdc cố ñịnh. ðiện áp V2
ñược thay ñổi bằng cách thay ñổi chỉ sốñiều chế của PWM.
3.2.3. ðiều khiển ñiều chếñộ rộng xung (PWM)
ðiều chếñộ rộng xung ñược thể hiện ở Hình 3.3. Trong ñó, một tín hiệu hình sin tần số cơ bản ñược so sánh với một tín hiệu tam giác tần số cao, tạo ra một tín hiệu xung vuông, phục vụ cho mục ñích kiểm soát của các van riêng lẻ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 31
Hình 3.3 Dạng ñồ thị của PWM
a) so sánh tần số cơ bản hình sin với tín hiệu tam giác tần số cao; b) Tín hiệu sóng vuông; c) Quang phổ ñiện áp sóng hài
Các tín hiệu hình sin, hình tam giác và tần số liên quan của chúng
ñược gọi tương ứng là tín hiệu tham chiếu và tần số mang. Bằng cách thay
ñổi biên ñộ của tín hiệu hình sin so với biên ñộ cố ñịnh của tín hiệu sóng mang, thường là ñược giữ ở mức 1 pu, biên ñộ của các thành phần cơ bản của tín hiệu ñiều khiển thay ñổi tuyến tính. Trong Hình 3.3a – 3.3c, tần số
mang fs thực hiện ñược 9 tần số mong muốn f1. ðộ rộng của sóng vuông
ñược ñiều chế một cách dạng hình sin, các thành phần cơ bản và sóng hài có thể ñược xác ñịnh bằng cách phân tích Fourier. ðể xác ñịnh ñộ lớn và tần số
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 32 của kết quả về cơ bản và sóng hài, nó rất hữu ích ñể sử dụng các khái niệm về tỉ lệ ñiều chế biên ñộ, ma và tỉ lệñiều chế tần số mf. tri control a V V m = (3-1) 1 f f mf = s (3-2) Trong ñó:
- Vcontrol : là biên ñộñỉnh của tín hiệu hình sin (ñiều khiển)
- Vtri là biên ñộñỉnh của tín hiệu tam giác (sóng mang) ñược giữ không ñổi.
Với tham chiếu ñến bộ chuyển ñổi ‘’một chân’’ thể hiện trong Hình 3.4, tương ứng với một chân của bộ chuyển ñổi ba pha trong Hình 3.2 các thiết bị
chuyển mạch Ta+ và Ta- ñược kiểm soát bằng cách so sánh ñơn giản của Vcontrol và Vtri dẫn ñến ñiện áp ñầu ra như sau: − = DC DC ao V V v 2 1 2 1 (3-3)
Phương trình (3-3), ta thấy vao = VDC/2 khi Ta+ trong ñáp ứng vcontrol > vtri
và vao = - VDC/2 khi Ta- trong ñáp ứng vcontrol < vtri.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 33
ðiện áp ñầu ra vao dao ñộng giữa – VDC/2 và VDC/2, như Ta- và Ta+ không bao giờ ngắt cùng một lúc và ñộc lập với sự chỉñạo của io.
ðiện áp vao và thành phần tần số cơ bản của nó như Hình 3.3b ñối với trường hợp của mf = 9 và ma = 0,8. Quang phổñiện áp sóng hài tương ứng,trong hình thức bình thường hóa Hình 3.3c. ðây là trường hợp ñiều khiển ñiện áp tuyến tính ma < 1, nhưng ñiều này không phải là khả năng duy nhất. Các hình thức khác của ñiều khiển ñiện áp tồn tại, cụ thể là sự quá ñiều khiển và ñiều chế
sóng vuông trong khoảng 1 < ma < 3,24 và sau ñó áp dụng khi ma > 2,34. Sơñồ nguyên lý mạch lực như sau:
Trên sơ ñồ miêu tả nguyên lý làm việc của bộ nghịch lưu PWM, Hình 3.5
Hình 3.5 Sơ ñồ mạch lực nghịch lưu PWM Từ sơñồ trên ta có sơñồ thay thế một pha như Hình 3.6. Trong ñó:
- L, R: ñiện kháng và ñiện trởñường dây - UL: ñiện áp nguồn
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 34
Hình 3.6 Sơ ñồ thay thế một pha nghịc lưu PWM
Như vậy, bộ nghịch lưu PWM có cấu trúc phần cứng giống như bộ nghịc lưu nguồn áp VSC, do ñó US phụ thuộc vào hệ sốñiều chế của VSC và ñiện áp trên tụ. ðiện cảm L nối giữa lưới và nghịch lưu PWM là một phần không thể
thiếu của mạch nghịch lưu ñóng vai trò như thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng ñể tạo ñặc tính nâng của nghịch lưu PWM. ðiện áp rơi trên cuộn cảm L là U1 chính là ñiện áp nguồn UL và ñiện áp của bộ biến ñổi US:
U1 = UL - US (3-4)
Với UL không ñổi do là ñiện áp nguồn, do ñó sẽñiều khiển ñược U1 thông qua ñiều khiển US. Từ việc ñiều khiển ñược U1 ta sẽ ñiều khiển ñược dòng ñiện iL chay trên ñường dây, Hình 3.7
Hình 3.7 Giản ñồ vecto nghịc lưu PWM
Khi ñiều khiển iL trùng với UL hoặc ngược với UL thì cosϕ = 1 như
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 35
Hình 3.8 Giản ñồ vecto nghịch lưu PWM: a) Khi iL trùng với UL; b) khi iL ngược với UL