Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù tĩnh SVC

2.2.1. Các phần tử chính

Về cơ bản SVC cấu tạo từ các thành phần chính sau , hình 2.5: tụ điện có điện dung cố định (FC), tụ điện đóng mở bằng Thyristor (TSC), kháng điện đóng mở bằng Thyristor (TSR) và kháng điện điều khiển bằng Thyristor (TCR).

- Hình 2.5 a) SVC là sự kết hợp của TCR và các bộ l ọc thụ động FC ( Fixed Capacitor).

- Hình 2.5 b) SVC là sự kết hợp của TCR (Thyristor Controlled Reactor ) và TSC (Thyristor Switched Capacitor)

a) Cấu hình TCR/FC b) Cấu hình TCR/TSC

Hình 2.5. Các cấu hình SVC Các thành phần chính của một trạm SVC:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.2.1.1. Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled Reactor). Reactor).

Kháng điện điều chỉnh nhanh bằng Thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động và điều khiển của cặp Thyristor mắc song song ngược . Nhờ khả năng có thể khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liên tục thông qua việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát xung điều khiển cho các thyristor mà TCR có khả năng điều chỉnh tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh .

TCR thực chất là cuộn kháng được điều khiển bằng 2 thyristor mắc song song ngược. Khi góc mở α thay đổi liên tục từ 900 – 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tục giá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển . Khi đó giá trị dòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm dần từ Idd về 0. TCR được cấu tạo từ 2 phần tử chính sau :

. L : Cuộn điện kháng chính.

. Thyristor : 2 thyristor đấu song song ngược có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR.

Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR

TCR có nhiều ưu điểm khi tham gia vào các thiết bị bù dọc và bù ngang trong hệ thống điện :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Điều chỉnh liên tục được dòng điện I qua cuộn cảm L . Do đó , giá trị điện kháng XL hay chính là trị số công suất phản kháng tiêu thụ của TCR được điều chỉnh liên tục.

- Có khả năng làm cân bằng lại phụ tải vì TCR có thể điều khiển độc lập trên từng pha.

- Khả năng điều khiển , điều chỉnh các thông số rất nhanh , không có giai đoạn quá độ nhờ van bán dẫn thyristor.

Hình 2.7. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR.

Đặc tính làm việc.

TCR có khả năng điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ thay đổi góc mở α bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào các thyr istor. Việc thay đổi giá trị góc mở này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCR . Nguyên lý hoạt động của nó được trình bày trên hình 2.8

ITCR

t

U

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR một pha với các góc mở (a) α = 900; (b) α = 1000; (c) α = 1300; (d) α = 1500.

Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ I giảm dần cho đến 0 khi góc

mở α thay đổ i từ 900

– 1800.

Giả thiết điện áp đặt lên TCR có dạng hình sin. Ta có biểu thức sau :

v = Vm.sin(ωt) = 2.V.sin(ωt) (2.1) Xét các khoảng góc mở α khác nhau:

- Trong khoảng ωt = (00

, α): điện áp v > 0, điện áp đặt vào thyristor T2 (VT2) là điện áp dương nhưng T2 chưa mở do chưa có xung mở vào cực G của T2. Do đó không có dòng qua T1 nên dòng điện qua cuộn kháng IL = 0.

- Trong khoảng ωt = (α, 1800

): điện áp v > 0, điện áp VT2 dương và T2 được mở tại thời điểm ωt = α. Tại thời điểm ωt = 1800, dòng điện IL đạt giá trị cực đại. α σ (b) (a) (d) (c) Curre nt Volta ge Curre nt Curre nt Curre nt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Trong khoảng ωt = (1800, 3600 - α): điện áp v < 0 nhưng nhờ sự tích lũy điện trường trong cuộn cảm nên nó tạo ra một sức điện động e L. Sức điện động này lớn hơn và ngược hướng v . Do đó, VT2 vẫn dương và T2 tiếp tục dẫn.

- Trong khoảng ωt = (3600

– α, 3600): đó là thời điểm khi bề mặt A1 = A2 hay eL = v . Điện áp VT2 qua điểm không, T2 khóa và dòng IL = 0.

Qua phân tích cho thấy khi góc điều khiển α ≥ 900

thì dòng qua TCR không có dạng sin toàn phần và cho đến α = 1800 thì dòng bằng không, dòng qua TCR được xem như gồm một thành phần dòng tần số cơ bản và các sóng hài. Trong đó chỉ có thành phần dòng tần số cơ bản có tác dụng cho việc bù công suất phản kháng của SVC, còn lại các sóng hài chỉ làm gây ra các tổn hao phụ trên thiết bị của trạm đồng thời gây ô nhiễm lưới.

2.2.1.2. Các bộ tụ cố định FC (Fixed Capacitors)

Để SVC cung cấp công suất phản kháng một cách liên tục , vừa có khả năng phát công suất phản kháng , vừa có khả năng hấp thụ công s uất phản kháng từ lưới , lắp tụ cố định FC kết hợp với TCR . Các bộ tụ cố định FC phát một lượng công suất phản kháng cố định lên lưới , còn TCR có thể điều chỉnh hấp thụ công suất phản kháng từ lưới .

Nhánh FC (Fixed Capacitors) bao gồm bộ tụ điện và cuộn kháng hoạt động như một bộ lọc xoay chiều được nối với thanh cái thông qua máy cắt , lọc các thành phần sóng hài dòng điện sinh ra do sự hoạt động của TCR và ở trên lưới .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.9. Nhánh FC của hệ thống SVC

2.2.1.3. Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switch Capacitor)

Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo của TSC

Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC được cấu tạo từ các phần tử chính sau - Tụ điện C là tụ điện chính , nhiệm vụ phát công suất phản kháng .

- 2 Thyristor đấu song song ngược , chỉ có 2 trạng thái đóng ngắt , phụ thuộc vào tín hiều đưa vào cực điều khiển G .

- Ngoài ra ,còn có thế có cuộn kháng hãm LH chức năng giới hạn sự t ăng dòng điện qua TCR và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện .

C H L Thyristor TCR FC C L L

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Nhánh TSC biểu thị cho 1 điện dung hoặc là nối hoặc là ngắt ra khỏi hệ thống , tương ứng với điều chỉnh góc mở Thyristor  hoặc 0

90

 hoặc 0

180

  . Làm thay

đổi dòng điện chạy qua TSC , dẫn đến thay đổi lượng công suất phản kháng phát lên lưới hệ thống . Trong một bộ SVC có nhiều TSC , càng nhiều TSC dẫn thì lượng côn g suất phản kháng phát lên lưới càng lớn .

2.2.2. Nguyên lý hoạt động

Các thyristor và hệ thống điều khiển chúng đóng vai trò quyết định trong hoạt động của SVC . Việc thay đổi góc mở từ α = 00 đến α = 1800 hoặc ngược lại sẽ t ương ứng với trạng thái đóng cắt mạch của TCR , TSC hoặc TSR . Khi tăng dần góc mở thyristor từ 90 – 180, giá trị hiệu dụng dòng điện chạy qua TCR sẽ giảm dần từ giá trị danh định về 0. Nhờ đó, dòng công suất phản kháng có thể được điều chỉnh liên tục.

Hoạt động đóng mở của Thyristor hầu như không có thời gian quá độ nên SVC phản ứng rất nhanh và nhạy trước sự thay đổi của điện áp . Trên thực tế , độ nhạy về điện áp có thể đạt tới mức nhỏ hơn 0.2% và SVC có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức trong thời gian chưa đầy 10 ms.

Thông thường, SVC bao gồm TCR và các FC , TSC. SVC được mô hình bởi các điện dẫn biến thiên : điện dẫn tương đương của TCR thay đổ i liên tục, điện dẫn của FC là cố định. Do đó, SVC cũng được mô hình như một điện dẫn tương đương B SVC thay đổi liên tục như hình 2.11. Khi SVC phát hiện sự thay đổi điện áp tại nút mà nó mắc vào, bộ điều chỉnh sẽ thay đổi điện áp tại nút mà nó mắc vào , bộ điều chỉnh sẽ thay đổi góc mở α của các thyristor trong bộ TCR . Giá trị này phụ thuộc vào đặc tính tĩnh của SVC. Trong thực tế, SVC có thể hoạt động ở 2 chế độ :

- Chế độ điều chỉ nh công suất phản kháng : trong trường hợp này , SVC tương đương với tải phản kháng tĩnh . Công suất phản kháng trao đỏi với hệ thống không đổi. Chế độ này được sử dụng để đạt được các chỉ tiêu kinh tế tối ưu trong những điều kiện hoạt đọng bình thường và ổn định của hệ thống điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Chế độ điều chỉnh điện áp : đây là chế độ hoạt động cơ bản nhất của SVC . Nó duy trì điện áp của nút mà SVC mắc vào nằm trong một giới hạn cho phép để đảm bảo sự hoạt động tin cậy của hệ thống điện.

Vk Isvc

Bsvc

Hình 2.11. Sơ đồ thay thế tương đương của SVC

2.3. Hiệu quả bù

- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được CSPK truyền tải trên đường dây.

- Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần ΔU do CSPK gây ra.

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp. Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng.

Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính theo công thức:

𝐼 = 𝑃2 + 𝑄2 3𝑈

Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (I= const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế khi giữ nguyên đường dây và máy biến áp nếu hệ số công suất được nâng cao tức là giảm được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

lượng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải của chúng được nâng cao.

Hiệu quả của SVC với khả năng truyền tải của hệ thống được trình bày trong hình 2.12.

Hình 2.12. Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC.

Giả sử SVC bù giữa đường dây như hình sau:

Hình 2.13. Thiết bị bù tĩnh SVC đặt giữa đường dây Bình thường khi chưa bù công suất trên đường dây là: s. r

L

E E

P Sin

X 

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sau khi bù ở giữa đường dây công suất trên đuờng dây là: 2 .

2 s r L E E P Sin X  

Như vậy công suất max tăng gấp 2 lần bình thường, như vây khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định tăng gấp đôi như được thể hiện trên hình:

Hình 2.14. So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi có bù và không có bù

2.4. Vấn đề sóng hài và bù sóng hài của trạm SVC

2.4.1. Tổng quan về sóng hài, tiêu chuẩn IEEE std 519

Sóng điều hòa hay sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ở chế độ vận hành đối xứng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch, không:

Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11… Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5 ,8… Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9…

Khi vận hành không đối xứng thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần thứ tự nói trên.

Sóng điều hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Ví dụ dòng 150(Hz) trên lưới 50(Hz) là dòng điều hòa bậc 3, dòng 150(Hz) là dòng không sử dụng được với các thiết bị trên lưới. Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao.

Phân tích chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) có thể biểu diễn một sóng điều hòa với biểu thức sau:

𝑓(𝜔𝑡) = 𝑎0 2 + F∞ n 1 sin(nωt + ψn) (2.6) Trong đó: 𝑎0 2: giá trị trung bình.

Fn: biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

 1

1sint

F : thành phần sóng cơ bản.

 n

n n t

F sin   : thành phần sóng điều hòa bậc n.

n

 : góc pha của sóng điều hòa bậc n. Quy ước như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.16. Phân tích Fn thành an và bn Khi đó có thể viết như sau:

𝑓(𝜔𝑡) =𝑎0

2 + ∞ 𝑎𝑛𝑐𝑜𝑠 2𝜋𝑛𝑡𝑇 + 𝑏𝑛𝑠𝑖𝑛 2𝜋𝑛𝑡𝑇

𝑛=1 (2.7)

Phân tích Fn thành an và bn

Ví dụ về phổ của sóng điều hòa

Hình 2.17. Phổ của sóng điều hòa.

THD là một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hòa và được gọi là hệ số méo dạng (Total Harmonic Distortion).

𝑇𝐻𝐷 = ∞ 𝑋𝑛 2

𝑛=2 /𝑋1 (2.8)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

. X1: là biên độ thành phần cơ bản.

. Xn: là biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Theo đó có thể đánh giá về độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng dòng điện và hệ số méo dạng điện áp.

2.4.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trên lƣới

Các nguồn sinh sóng điều hòa được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. Dưới đây là một số nguồn tạo sóng điều hòa phổ biến trong công nghiệp:

1) Máy điện

- Máy biến áp: Trong vận hành máy biến áp nếu xuất hiện hiện tượng bão hòa của lõi thép do quá tải hoặc máy biến áp phải làm việc với điện áp cao hơn điện áp định mức thì có thể sinh ra sóng điều hòa bậc cao.

- Động cơ điện: Tương tự máy biến áp động cơ xoay chiều khi hoạt động sinh ra sóng điều hòa dòng điện bậc cao. Các sóng điều hòa bậc cao được phát sinh bởi máy điện quay liên quan chủ yếu tới các biến thiên của từ trở gây ra bởi các khe hở giữa roto và stato. Các máy điện đồng bộ có thể sản sinh ra sóng điều hòa bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chính và các đường dò và do các dây quấn dùng để giảm dao động đặt không đối xứng.

2) Thiết bị điện tử công suất

Bản thân các bộ biến đổi điện tử công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu, điều áp xoay chiều…) đều được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như diode, thyristor, MOSFET, IGBT, GTO… là những phần tử phi tuyến là nguồn gốc gây sóng điều hòa bậc cao.

Tùy thuộc vào cấu trúc của các bộ biến đổi mà sóng điều hòa sinh ra khác nhau. Các mạch chỉnh lưu trong biến tần thường là chỉnh lưu cầu ba pha có ưu điểm là đơn giản, rẻ, chắc chắn nhưng thành phần đầu vào chứa nhiều sóng điều hòa. Do đó để giảm bớt sóng điều hòa có thể dùng hai mạch chỉnh lưu cầu ba pha ghép lại với nhau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tạo thành chỉnh lưu 12 xung hoặc ghép 4 bộ chỉnh lưu cầu ba pha vào tạo thành bộ chỉnh lưu 24 xung sẽ cho ra dòng điện trơn hơn, giảm được các thành phần điều hòa. Từ đó có thể thấy là khi muốn giảm sóng điều hòa dòng điện ta có thể tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên.

Tuy nhiên khi đó gây ra một số bất lợi như cồng kềnh, nặng, tổn thất điện áp lớn