2.2. Mô hình toán học của các phần tử trong hệ thống điện
2.2.6. Mô hình thiết bị STATCOM
2.2.6.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Thiết bị STATCOM [10] đầu tiên trên thế giới sử dụng bộ nghịch lưu Thyristor có định mức 20 MVAr, được phát triển và đưa vào vận hành từ tháng 01 năm 1980 bởi Kansai Electric Power Co., Inc (KEPCO) và Mitsubishi Motor, Inc.
Vào tháng 10 năm 1986, STATCOM đầu tiên sử dụng bộ nghịch lưu GTO (High- power Gate turn-off Thyristor) được phát triển bởi EPRI và Westinghouse Electric Company với định mức ± 1 MVAr đã được đưa vào vận hành. Kể từ đó, các
STATCOM đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện phục vụ cho việc bù động, từ đó hỗ trợ ổn định điện áp và ổn định quá độ.
Nguyên lý cơ bản của STATCOM là sử dụng kỹ thuật nghịch lưu áp (Voltage Source Converter-VSC) dựa vào các thiết bị điện tử công suất (GTO hoặc IGBT) có khả năng ngắt dòng điện theo lệnh đóng mở. Điều này cho phép STATCOM phát nguồn AC tại đầu bộ nghịch lưu với một tần số cơ bản như mong muốn và biên độ điện áp có thể điều khiển được. Mô hình STATCOM được cho trong hình 2.3.
Có vài cấu trúc bộ nghịch lưu áp hiện được sử dụng trong vận hành hệ thống điện thực tế. Cấu trúc căn bản của một bộ nghịch lưu ba pha toàn kỳ có 6 khóa, mỗi khóa bao gồm 1 GTO mắc đối song với 1 diode.
Với mục tiêu ngõ ra có dạng sóng điện áp càng gần với dạng sóng sin càng tốt, việc đóng cắt các GTO trong bộ nghịch lưu áp được điều khiển bằng các module điều khiển đóng cắt được thiết kế để giảm thiểu sóng hài sinh ra và giảm nhu cầu về các bộ lọc sóng hài. Đã có 3 giải pháp khả thi cho các chiến lược điều khiển đóng cắt: đóng cắt ở tần số cơ bản, điều chế độ rộng xung và bộ nghịch lưu đa bậc như sau:
- Đóng cắt ở tần số cơ bản: đóng và mở mỗi khóa GTO/IGBT một lần trên mỗi chu kỳ. Ứng dụng chiến lược đóng cắt này, cấu trúc bộ nghịch lưu cơ bản cho ra một dạng sóng ngõ ra gần vuông. Với mô hình đóng cắt này, sẽ có 6 xung trên một chu kỳ. Nhược điểm chính của chiến lược đóng cắt này là sinh ra quá nhiều sóng hài tần số cao. Nhằm đạt được chất lượng dạng sóng tốt hơn và định mức công suất cao hơn, các bộ nghịch lưu áp 6 xung được cấp từ các cuộn dây thứ cấp của máy biến áp với độ dịch pha thích hợp đã được ứng dụng. Tuy nhiên, phương phá này đòi hỏi sự bố trí phức tạp của các máy biến áp.
- Điều chế độ rộng xung: kỹ thuật điều chế này đóng cắt các khóa với tốc độ tương đối cao hơn so với đóng cắt ở tần số cơ bản, dạng sóng điện áp ngõ ra bao gồm một chuỗi các xung chữ nhật với chiều rộng được điều chế qua điều khiển đóng cắt. Các sóng hài không mong muốn trong dạng sóng ngõ ra được dịch về phía tần số cao hơn, do đó yêu cầu lọc sóng hài được giảm đáng kể. Mặc dù nhiều kỹ
thuật điều khiển PWM được đề nghị, mô hình điều chế PWM sin vẫn là phương pháp phổ biến nhất do tính đơn giản và hiệu quả của nó.
- Bộ nghịch lưu đa bậc: trong dạng cấu hình này, tụ DC được chia thành nhiều đơn vị có điện áp giống nhau. Thông qua việc đóng cắt các khóa điện tử công suất (GTO, IGBT), ngõ ra điện áp AC có thể được đặt ở bất kỳ mức nào của các mức điện áp tụ này, do đó dạng sóng ngõ ra có dạng bậc thang và gần với dạng sóng sin hơn. Phương pháp này đòi hỏi một lượng lớn các khóa và hệ thống điều khiển phức tạp nhưng giảm được sự phức tạp trong việc bố trí các máy biến áp. Cấu hình đa bậc có thể được áp dụng đóng cắt ở tần số cơ bản và điều chế độ rộng xung để tăng cường hiệu quả về mặt sóng hài.
Hình 2.4: Nguyên lý cấu tạo STATCOM (nguồn Internet) 2.2.6.2. Mô hình toán học:
Hình 2.5: Đặc tuyến V-I của STATCOM (nguồn Internet)
Đối với thiết bị STATCOM, phương trình ràng buộc công suất tác dụng và công suất phản kháng liên quan đến nút điện áp cao, trên thực tế là các nút tải, được bao gồm trong (3.12) và (3.13). Phần này tập trung vào hàm điều khiển điện áp và ràng buộc công suất tác dụng tại nút điện áp thấp của STATCOM [6].
Một ràng buộc liên quan đến biên độ điện áp của nút điện áp cao của STATCOM có dạng vector/ma trận như sau:
(2.13) Trong đó:
- và là biên độ điện áp tại nút điện áp cao của STATCOM và giá trị tham chiếu của STATCOM.
- asta là độ dốc điện kháng của STATCOM.
- Ista là vector dòng điện của STATCOM.
Hàm điều khiển đại diện bởi (2.13) chỉ có giá trị khi các giới hạn vận hành của STATCOM không vượt quá mức. Đối với STATCOM, giới hạn vận hành được thể hiện dưới dạng dòng điện: giới hạn dòng dung và giới hạn dòng cảm
:
(2.14) Khi một trong các bất đẳng thức ràng buộc trong (2.14) của một STATCOM bị vi phạm, mô hình STATCOM được xem là một nguồn dòng không đổi, giá trị của nó được xác lập để giá trị giới hạn trong hàm điều khiển điện áp được đưa ra trong (3.13) không còn áp dụng.
Đối với STATCOM, khi tổn thất công suất tác dụng được giảm xuống, theo sau ràng buộc công suất tác dụng tại nút điện áp thấp được áp dụng:
P (ntl) = 0 (2.15)
Trong đó
- P (ntl) là công suất tác dụng nút tại nút điện áp thấp của STATCOM.