Mô phỏng hoạt động của trạm SVC

4.1.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC

Trạm SVC đặt tại cuối đường dây 220 kV-6000MVA Hà Giang-Thái Nguyên và mô hình cấu trúc mô phỏng xây dựng như hình 4.1.

Hình 4.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC Các thiết bị chính thực hiện chức năng bù gồm:

SVC

+60 Mvar/-48 Mvar Static Var Compensator (SVC) ; 1 TCR - 3 FCs

The 'PreLoadFcn' automatically sets sample time Ts=50e-6 s

(see 'Model Properties')

FC1 26 Mvar TCR 108 Mvar FC2 19 Mvar FC3 15 MVar Q <--- Discrete, Ts = 5e-005 s. Terminator P A B C P A B C P A B C P A B C Va_Ia Q(Mvar) Vmeas Vref alpha TCR (deg) nTSC Ia Signals & Scopes A B C a b c Secondary (Thu cap_22 kV) Scope Vabc_prim Vabc_sec TCR TSC1 TSC2 TSC3 SVC Controller SVC N A B C Programmable Voltage Source A B C a b c Primary (So cap_ 220 kV) Vabc_Prim Vabc_Sec In Mag Phase Discrete Fourier A B C a b c 220/22 kV 250 MVA A B C A B C 220 kV 6000MVA A B C 200 MW Va (pu) Ia (pu/100MVA)

Vmeas Vref (pu)

Number of TSCs Q (Mvar)

alpha TCR (deg)

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

- Máy biến áp 220kV/22kV 250MVA .

- 01 bộ TCR 108MVAr hấp thu CSPK của lưới khi cần giảm điện áp.

- 03 bộ FC với dung lượng bù lần lượt là 26 MVAr , 19 MVAr , 15 MVAr nối với bus 22kV của máy biến áp làm nhiệm vụ phát CSPK vào lưới khi cần tăng điện áp.

- Bộ điều khiển và các thiết bị hiển thị

Ngoài ra còn một số thiết bị khác được kê theo bảng 4.1: Bảng 4.1 Các khối sử dụng trong mô hình

Tên khối Tham số

Nguồn 3 pha thay đổi được Nguồn 3 pha điện áp thay đổi theo kịch bản

đặt trước (xét trong hệ pu):

[1.0 1.025 0.94 1.035 ] [0, 0.1, 0.4, 0.7]

RL nối tiếp 3 pha Tải nối tiếp 3 pha đặc trưng cho tổn thất

trong máy phát: R=0,8 (ohm) L=0.0257 (H) Tải tĩnh 3 pha P = 200MW

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

Máy biến áp 3 pha 2 cuộn

Máy biến áp biến đổi điện áp từ 220kV xuống 22kV.

Tần số định mức: fn= 50Hz Cuộn sơ cấp đấu sao V=220kV Cuộn thứ cấp đấu tam giác V=22kV

4.1.1.1. Khối TCR

Mạch TCR gồm 03 cuộn kháng đấu tam giác, việc điều chỉnh giá trị dòng điện qua mỗi cuộn kháng được thực hiện thông qua bộ van Thyristor mắc nối, mỗi bộ gồm 02 van mắc song song ngược, hình 4.2.

. Firing pulses TCR 3 C 2 B 1 A g a k ThCA- g a k ThCA+ g a k ThBC- g a k ThBC+ g a k ThAB- g a k ThAB+ [Cm] [Cp] [Bm] [Bp] [Am] [Ap] [Cm] [Cp] [Bm] [Bp] [Am] [Ap] Demux 1 P

Hình 4.2. Cấu trúc mô phỏng khối TCR

4.1.1.2. Khối TSC

KhốiTSC được điều kh iển đóng cắt bằng Thyristor . Khi ta cho TSC luôn dẫn bằng cách đặt độ dẫn B của nó bằng 1 , thì TSC sẽ trở thành FC . Cả 3 bộ FC sẽ phát cố định một lượng công suất phản kháng 60 MVAr. Cấu trúc mô phỏng như trên hình 4.3

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Firing pulses FC1 3 C 2 B 1 A g a k ThCA- g a k ThCA+ g a k ThBC- g a k ThBC+ g a k ThAB- g m a k ThAB+ Lca Lbc Lab Vth_TSC1ab [Cm] [Cp] [Bm] [Bp] [Am] [Ap] [Cm] [Cp] [Bm] [Bp] [Am] [Ap] Demux Cca Cbc Cab 1 P

Hình 4.3. Cấu trúc mô phỏng khối TSC

Các thiết bị trong các khối TCR và TSC được kê trong bảng 4.2: Bảng 4.2. Các thiết bị chính của khối TCR và TSC

Tên khối Tham số

Thyristor

- Ron 1e3  , Vf 15 V

- Rsnub,Csnub500, 250e9

- Giá trị dòng điện ban đầu IC 0 (A)

Cuộn kháng TCR

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

Cuộn kháng một pha (FC)

- Bộ lọc bậc 3 : L = 7,4 (mH ) - Bộ lọc bậc 5 : L = 2,02 (mH ) - Bộ lọc bậc 7 : L = 0,92 (mH )

Tụ điện một pha ( FC)

- Bộ lọc bậc 3 : C = 16,87 (µF) - Bộ lọc bậc 5 : C = 8,02 (µF) - Bộ lọc bậc 7 : C = 4,59 (µF)

Các cổng tín hiệu

: Đầu vào tín hiệu điều khiển

: Kết nối hệ thống

: Gửi tín hiệu đến cổng AP

: nhận tín hiệu từ cổng AP

4.1.1.3. Cấu trúc mạch điều khiển

Mô hình mô phỏng hệ thống điện có sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC như ở trên thu thập các thông số hệ thống (dòng điện và điện áp) trước và sau thiết bị bù cũng như các giá trị dòng , áp tại các phần tử của SVC để phục vụ điều khiể n cũng như bào vệ . Cụ thể: giá trị điện phía 22kV của biến áp được đo lường , so sánh v ới giá trị điện áp đặt , độ sai lệch giữa 2 điện áp trên được đưa vào khối điều chỉnh điện áp , khối này tính toán điện dẫn cần thiết cho thiết bị SVC ; từ giá trị điện dẫn B SVC tính toán góc mở α của thyristor thích hợp và cuối cùng là phát xung điều khiển TCR . Cấu trúc mô phỏng khối điều khiển SVC được thể hiện trên hình 4.4

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

Pulses SVC Controller

Pierre Giroux, Gilbert Sybille Power System Laboratory, IREQ

Hydro-Quebec

used for misfiring simulation 4 TSC3 3 TSC2 2 TSC1 1 TCR Vmes Bref Vref Bsv c Voltage Regulator Timer2 Timer Vabc Vmes Measurement System Manual Switch OR TSC2pulses TSC3_On TSC2_On TSC1pulses TSC1_On TCRpulses BSVC Vref TSC3pulses Vmeas alpha Vabc Alpha TSC1_On TSC2_On TSC3_On TCR_Pulses TSC1_Pulses TSC2_Pulses TSC3_Pulses Firing Unit Bsv c Alpha TSC1_On TSC2_On TSC3_On Distribution Unit Demux Bref -C- abc 3-phase signal generator 2 Vabc_sec 1 Vabc_prim

Hình 4.4. Cấu trúc mô phỏng khối điều khiển SVC Khối điều khiển trên hình 4.4 gồm những khối con:

 Khối đo lƣờng:

Điện áp trên đường dây là điện áp dạng hình sin và biến dổi theo thời gian với chu kỳ biến đổi 0.02s. điện áp đặt vào bộ so sánh là giá trị không đổi theo thời gian (trị hiệu d ụng), do đó khối đ o lường có nhiệm vụ đo điện áp hiệu dụng 3 pha của mạch điện.

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

Hình 4.5. Khối đo lường

Điện áp vabc được đưa qua bộ Phase locked loop (PPL) 3 pha và PLL driven Positive sequence Fundalmental Value để chuyển thành giá trị tần biên pha phase và trị hiệu dụng mag hay Vmes.

 Khối điều chỉnh điện áp:

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

Chức năng chính của khối này là tính toán điện dẫn cần thiết của thiết bị SVC để điều chỉnh điện áp tại nút mà SVC kết nối với lưới dựa theo đặc tính tĩnh của SVC: V = Vref + Xsl.ISVC khi Vmin ≤ V ≤ Vmax (4.1) V = - SVC max I B khi V < Vmin (4.2) V = - SVC max I B khi V> Vmax (4.3)

Do biến động của hệ thống điện, điện áp V cũng thay đổi.

Tạo sai số điện áp : Verror = Vref + Xsl.ISVC – V (4.4) Khối điều chỉnh điện áp với chức năng điều chỉnh V error ≈ 0 để đảm bảo điện áp hệ thống luôn nằm trong ngưỡng cho phép . Sử dụng bộ điều chỉnh PID để hiệu chỉnh sai số Verror đáp ứng được đặc tính mong muốn của hệ thống . Trong thực tế , ta thường sử dụng bộ điều chỉnh PI.

Khối điều chỉnh điện áp còn có chức năng tạo dáng điệu cho đặc tính động của SVC thông qua bộ điều khiển PI và phản hồi điện dẫn như trên mô hình.

 Khối tính toán góc mở Thyristor:

Ở đây, 3 TSC luôn được cấp tín hiệu dẫn ( độ dẫn B = 1 ) nên trở thành các FC , luôn được nối cố định vào lưới .Từ sự thay đổi của điện dẫn SVC , ta tính được điện dẫn thay đổi của TCR theo công thức:

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

Hình 4.7. Khối tính toán góc mở thyristor

Quan hệ giữa điện dẫn TCR và góc mở của thyristor được thể hiện theo biể u thức:   2( ) (2 ) TCR Sin B         (4.6) Trong mô hình, quan hệ này được biểu diễn bằng khối chức năng Bsec -> Alpha1 với nhiệm vụ đưa ra góc mở tương ứng với mỗi giá trị điện dẫn , khi điện dẫn thay đổi , tín hiệu đưa vào khối này thay đổi do đó giá trị đầu rat hay đổi tương ứng .

 Khối phát xung:

Làm nhiệm vụ phát xung đóng mở và điều khiển góc mở thyristor của TCR. Ở đây, TCR gồm 3 nhánh mắc theo hình tam giác , do đó cần được điều chỉnh thay đổi góc mở theo cả 3 dây AB, BC, CA. Tín hiệu điện áp Vabc đưa vào mỗi khối phát xung có tác dụng xác định thời điểm điều khiển 1 cách chính xác cho mỗi dây AB , BC hay CA. hình 4.8 thể hiện sơ đồ khối phát xung điều khiển:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 T SC3_Pul ses 3 T SC2_Pul ses 2 T SC1_Pul ses 1 T CR_Pul ses -K- V->pu V Alpha TSC1_On TSC2_On TSC3_On TCR + TCR - TSC1 + TSC1 - TSC2 + TSC2 - TSC3 + TSC3 - Fi ri ng Uni t CA V Alpha TSC1_On TSC2_On TSC3_On TCR + TCR - TSC1 + TSC1 - TSC2 + TSC2 - TSC3 + TSC3 - Fi ri ng Uni t BC V Alpha TSC1_On TSC2_On TSC3_On TCR + TCR - TSC1 + TSC1 - TSC2 + TSC2 - TSC3 + TSC3 - Fi ri ng Uni t AB Demux 5 T SC3_On 4 T SC2_On 3 T SC1_On 2 Al pha 1 Vabc

Hìn h 4.8. Khối phát xung điều khiển các Thyristor của TCR

4.1.2 Kết quả mô phỏng trạm SVC

a) Mô phỏng khi không có SVC

Nhìn vào hình vẽ đáp ứng mô phỏng dưới đây ta thấy rằng, khi không có SVC, điện áp lưới không đạt yêu cầu. Tại thời điểm t=0.4s điện áp tại nút bị sụt xuống giá trị 0.94pu và không có khả năng điều chỉnh trở lại mức điện áp cho phép là từ 0.95pu đến 1.05pu. Công suất phản kháng đưa vào lưới điện là Q = 0.

Như vậy khi không mắc SVC,điện áp của lưới biên thiên khá mạnh và vượt qua dải điện áp cho phép (0.95pu đến 1.05pu) . Điều này ảnh hưởng rất xấu đến sự hoạt động của toàn bộ hệ thống . Hình 4.12 và 4.13 là kết quả thu được khi mô phỏng hệ thống có và không sử dụng SVC:

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

Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi không có SVC

b) Mô phỏng khi hệ thống kết nối SVC

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

Trên Hìn h 4.14, hệ thống TSC luôn dẫn như một FC luôn phát lên một lượng công suất phản kháng là 60 MVAr, tại bất kỳ thời điểm nào.

Lúc đầu đi ện áp nguồn được đặt ở 1,0 pu. Tại thời điểm t = 0,1(s) điện áp đột ngột tăng lên 1,025 pu, lưới thừa công suất phản kháng , TCR phản ứng bằng cách điều chỉnh góc α = 90º để mở hoàn toàn Thyristor tiêu thụ một lượng 108 MVAr, mặt khác các bộ FC luôn phát lên lưới 60 MVAr như vậy cả bộ SVC sẽ tiêu thụ từ lưới 48 MVAr , điện áp sẽ giảm xuống . Tại thời điểm t = 0,4( s) khi điện áp lưới giảm xuống 0,94 p.u, lưới thiếu công suất phản kháng , khi đó TCR sẽ được ngắt bằng cách điều chỉnh góc mở α = 180º và phát hoàn toàn 60 MVAr công suất phản kháng của 3 bộ FC lên, điện áp sẽ tăng lên trong khoảng cho phép trên 0,95 p.u. Tại thời điểm t = 0,7(s) cũng tương tự tại thời điểm t = 0,1(s), khi điện áp tăng lên 1,035 p.u, TCR sẽ mở hoàn toàn bằng cách điều chỉnh góc mở α = 90º hút xuống một lượng công suất 108 MVAr và FC luôn phát một lượng 60 MVAr, lượng công suất cả bộ SVC tiêu thụ sẽ là 48 MVAr, nhờ đó điện áp sẽ giảm xuống dưới 1,035 p.u .

Khi có SVC, thời gian quá áp của điện áp lưới giảm chỉ còn (50ms). Sau đó điện áp tại nút mà SVC mắc vào được đưa trở lại nằm trong giá trị cho phép từ 0.95pu đến 1.05pu. Như vậy kết quả mô phỏng hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu của lưới .

c) Phân tích các thành phần sóng hài trong hệ thống

Hệ thống của chúng ta dùng cấu hình TCR/FC. Với các Fixed Capacitor, ngoài nhiệm vụ phát công suất phản kháng vào hệ thống, còn để lọc các thành phần sóng hài. Hệ thống có ba FC, tương ứng lọc các sóng hài bậc 3, 5, và 7.

Để phân tích sóng hài bậc cao , ta dùng khối Discrete Fourier trong SimPowerSystem của Simulink . Khối này sẽ khai triển Fourier một tín hiệu bất kỳ , do đó nó có thể dùng để phân tích các thành phần sóng hài .

Ở đây ta sẽ phân tích thành phần sóng hài dòng điện phát lên sơ cấp (Primary) biến áp khi dòng điện iprimđược đo lường . Như vậy, đầu vào của khối được lấy từ tín

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

hiệu iprim để phân tích sóng hài , đầu ra Mag của khối đưa vào Scope để quan sát sóng hài. Chọn tham số Hamonic n lần lượt bằng 3, 5 7.

Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng khối đo thành phần sóng hài

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

Hình 4.13. Sóng hài bậc 3 sau khi lọc

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

Hình 4.15. Sóng hài bậc 7 sau khi lọc

Nhận xét:

Nhìn vào đồ thị của từng thành phần sóng hài khi không mắc bộ lọc bậc n ( n= 3, 5, 7) và khi mắc cả ba bộ lọc, dễ dàng thấy được tác dụng của từng bộ lọc FC khi biên độ sóng hài giảm đi đáng kể . Tại thời điểm có sự biến động t = 0,7(s) ; biên độ sóng hài bậc 3, 5, 7 lần lượt là 0,119 ; 0,168 ; 0,061 ; sau khi được lọc biên độ của sóng hài bậc 3 , 5, 7 là 0,092; 0,12 ; 0,056.

Tiếp theo ta tiếp tục phân tích vai trò của từng bộ lọc bằng cách mô phỏng phân tích FFT đo tỷ lệ sóng hài khi tách ra từng bộ lọc:

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

Hình 4.16. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 7

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

Hình 4.18. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 3

Ta có thể nhận thấy khi không sử dụng một trong các bộ lọc, tỷ lệ THD đều vượt quá tiêu chuẩn 4% quy định IEEE std 519.

4.2. Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực

Ở các chương trước, ta đã phân tích tác dụng bù công suất phản kháng cũng như lọc sóng hài bậc cao của bộ lọc tích cực khi được kết nối với lưới điện. Trong chương này sẽ xây dựng mô hình mô phỏng theo yêu cầu thực tế và tiến hành kiểm chứng chức năng lọc sóng hài bậc cao của thiết bị lọc tích cực.

Với mục tiêu kết hợp và khắc phục những nhược điểm của mô hình SVC, bộ lọc tích cực cần phát huy khả năng bù dòng sóng hài bậc cao. Điều này được bộ lọc thực hiện bằng cách phát lên lưới một dòng điện có cùng biên độ nhưng ngược pha với dòng sóng hài bậc cao từ đó triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao trên lưới. Phương pháp này có ưu điểm lớn là bù được nhiều sóng hài bậc cao so với bù tĩnh thông thường, hiệu quả bù tốt hơn. Xét mô hình mô phỏng như trên hình 4.9: