Luận văn Điều khiển thiết bị bù tĩnh (svc) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm THÁI NGUYÊN 2007 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MUC LỤC Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................................... 6 Danh mục các báng biểu ................................................................................................ 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị .......................................................................................... 9 Lời nói đầu .................................................................................................................... 11 Chương 1: Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện ............................... 13 1.1. Hệ thống điện hợp nhất và những yêu cầu điều chỉnh nhanh công suất trong các điều kiện làm việc bình thường và sự cố ...................................................................... 13 1.1.1. Đặc điểm ..................................................................................................... 13 1.1.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện hợp nhất ......................................................................................................................... 14 1.1.3. Bù công suất phản kháng ............................................................................ 14 11.4. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp ....................................... 16 1.1.4.1. Bù dọc .............................................................................................. 16 1.1.4.2. Bù ngang .......................................................................................... 18 1.1.4.3. Nhận xét ........................................................................................... 20 1.2. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện .................. 20 1.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC - Static Var Compensator) ................................................................ 20 1.2.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) ....................................... 22 1.2.3. Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator) ............ 23 1.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller).................................................. 24 1.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 (TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) .......................... 26 1.2.6. Nhận xét ...................................................................................................... 27 Kết luận ......................................................................................................................... 27 Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện ...................................................................................................... 29 2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện ................................................ 29 2.1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 29 2.1.2. Một số ứng dụng của SVC .......................................................................... 30 2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất ......................................... 30 2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố ................. 32 2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công .............................................. 33 2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công .................................................. 33 2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây .................................................... 33 2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng .............................................. 36 2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố .............................................................. 36 2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC .................................................................... 37 2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của SVC .................................................................... 37 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược .......... 37 2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) ............................................................ 40 2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) ......... 49 2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) ...... 49 2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC .......................................... 50 2.2.2. Các đặc tính của SVC ......................................................................... 51 2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .......................................................... 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC .............................................................. 52 2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ........................... 53 2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi .......................... 53 2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng ............................ 55 Kết luận ......................................................................................................................... 58 Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng SVC ....................................... 59 3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng ................................... 59 3.1.1. Chức năng hệ điều khiển ............................................................................. 60 3.1.2. Nguyên tắc điều khiển ................................................................................. 60 3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của SVC .............................. 61 3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK ............................................... 61 3.1.3.2. Khâu phản hồi .................................................................................. 62 3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung ...................................................................... 63 3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877 ....................... 64 3.1.4. Thuật toán PID dùng cho bộ vi điều khiển PIC16f877 ............................... 69 3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương tự ............................................ 69 3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng số ...................................................... 70 3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng cao ................................................ 70 3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC .......................... 71 3.2. Phần mềm ISIS mô phỏng hệ thống điều khiển SVC ............................................ 71 3.3. Mô phỏng hệ điều khiển van thyristor hoặc triắc của bộ TCR .............................. 72 3.3.1. Mô phỏng các phần tử của hệ điều khiển .................................................... 72 3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp ................................................... 72 3.3.1.2. Khâu lấy tín hiệu phản hồi ............................................................... 72 3.3.1.3. Khâu tạo xung đồng bộ .................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 3.3.1.4. Khâu khuếch đại xung ...................................................................... 74 3.3.1.5. Khâu điều khiển xung ...................................................................... 75 3.3.2. Các phần tử khác trong mô phỏng ............................................................... 76 3.3.2.1. Nguồn điện ....................................................................................... 76 3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển TCR ........................................................... 77 Kết luận ......................................................................................................................... 78 Chương 4: ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều khiển .. 79 4.1. Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng SVC có điều khiển ................. 79 4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 79 4.2.1. Đồ thị điều khiển xung theo chế độ điện áp thay đổi ................................... 80 4.2.2. Đặc tính dòng qua thyristor điện khi điều khiển điện áp tại nút .................. 83 4.3. Đặc tính hệ thống điều khiển các van SVC .......................................................... 89 Kết luận ......................................................................................................................... 92 Kết luận chung và hướng phát triển .............................................................................. 93 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. Phụ lục 1 ......................................................................................................................... Phụ lục 2 ......................................................................................................................... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Ý nghĩa Chú thích 1 HTĐ Hệ thống điện 2 SVC Static Var Compensator 3 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor 4 STATCOM Static Synchronous Compensator 5 UPFC Unified Power Flow Controller 6 TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle Regulator 7 FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems 8 ISIS Proteus 6 Professional Phần mềm mô phỏng mạch điện- điện tử 9 PCB Printed Circuit Board 10 VĐK Bộ vi điều khiển 11 SS-TX Khâu so sánh và tạo xung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển ................................... 27 Bảng 2-1: Giá trị của I3 khi thay đổi góc điều khiển  ................................................. 47 Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo ................................................................. 72 Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi ............................................. 73 Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ ......................................... 74 Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung .................................... 75 Bảng 3-5: Các dạng nguồn được ISIS mô phỏng ......................................................... 77 Bảng 3-6: Các phần tử tạo thành bộ TCR ........................................................... 78 Bảng 4-1: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 1 ..................... 90 Bảng 4-2: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 2 ..................... 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp .......................................... 17 Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC........................................................ 21 Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC .................................................. 22 Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM ......................................... 23 Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC ........................................................................ 24 Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR ..................................................................... 26 Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC................................................ 31 Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC ............... 32 Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp ............................................................. 32 Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC ........... 35 Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC ................................................ 37 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor ......................................................................... 38 Hình 2.7: Đồ thị dòng điện tải ....................................................................................... 38 Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR .................................................... 40 Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................... 41 Hình 2.10: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua TCR ........................................ 41 Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR ............................................... 42 Hình 2.12: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt ....................................... 46 Hình 2.13: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ................................................... 46 Hình 2.14: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ...................................................... 49 Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ................................................... 50 Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC ........................................................ 51 Hình 2.17: Đặc tính U-I của SVC ................................................................................. 51 Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp .................................. 52 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản .............................................. 55 Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải ........................................................................................................ 55 Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC ......................................................................... 56 Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng ..................... 57 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC .................................................. 59 Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ..................................................... 61 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ ................................................ 62 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi .............................................................. 63 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung.................................................. 64 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877 ..................................................................... 66 Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi ......................................................................... 73 Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản hồi ................................................................. 73 Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ .......................................................... 74 Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng bộ ................................................. 74 Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại xung ........................................................... 75 Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung .................................................. 75 Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung .......................................................... 76 Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển xung ................................................... 76 Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn ........................................................................ 77 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR ............................................................................ 78 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR ........................... 79 Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 100 .............................................................. 80 Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 300 .............................................................. 80 Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 450 .............................................................. 81 Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 900 .............................................................. 81 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Hình 4.6: Xung điều khiển ra vơi góc mở 1800 ............................................................ 81 Hình 4.7: Dòng điện qua van với góc mở 00 ................................................................ 83 Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở 600 ............................................................... 83 Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 950 .............................................................. 84 Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 1200 .......................................................... 84 Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 1350 .......................................................... 85 Hình 4.12: Dòng điện qua van với góc mở 1450 ................................................ 85 Hình 4.13: Dòng điện qua van với góc mở 1600 .......................................................... 86 Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 1650 .......................................................... 86 Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 1700 .......................................................... 87 Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 1750 .......................................................... 87 Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 1800 .......................................................... 88 Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR .................................................... 88 Hình 4.19: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng ........................ 89 Hình 4.20: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm ....................... 90 Hình 4.21: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng ........................ 91 Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm ....................... 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 LỜI NÓI ĐẦU Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về cả công suất lãnh thổ. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin trong toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng. ậ một số nước có trình độ cong nghệ tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor hay triắc (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng. Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị bù nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản luận văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ điều khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ bảo để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc! Tác giả Nguyễn Thế Vĩnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 CHƯƠNG 1 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH NHANH CÔNG SUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ. 1.1.1. ĐẶC ĐIỂM. Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các đường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp thế giới. Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên. Cụ thể: + Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát. + Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ. + Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử... + Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn. + HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên. + Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múi giờ. + Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống. + Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21. 1.1.2. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN. Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện tượng nay, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như: + Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây. + Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại. + Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km. + Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này. 1.1.3. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG. Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 + Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là: WE = C.Uf 2 + Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QE = 3..C.Uf 2 .l + Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I: WM = L.I 2 + Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QM = 3.WM.l = 3.L.I 2 .l + Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu giữa công suất điện trường và từ trường: Q = QE - QM = 3..C.Uf 2 .l - 3.L.I2.l          2 2 2 . . 1...3 f f UC IL UClQ  + Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có: 0 . . 1 2 2           fUC IL  TN C f f I Z U L C UI  Trong đó: C L ZC  là tổng trở sóng của đường dây. Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN. Đối với đường dây dài hữu hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây. Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng. C f TN Z U P 2.3  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp. 1.1.4. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP. Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam. 1.1.4.1. Bù dọc. Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ. Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC). Giả sử góc lệch  giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc: * Ổn định điện áp: + Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 + Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn. * Ổn định về góc lệch : + Làm giảm góc lệch  trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện. + Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây: + Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: sin . 21 LX UU P  Ta có giới hạn công suất truyền tải là: L gh X UU P 21 .  + Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: sin. 21' CL XX UU P   Ta có giới hạn công suất truyền tải là: CL gh XX UU P   21 . Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên: k = (XL - XC)/XC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp * Giảm tổn thất công suất và điện năng: + Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây. + Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC: %100 L C C X X K  Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc KC từ 40 - 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây. 1.1.4.2. Bù ngang. Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện. Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải... của đường dây. + Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây. + Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số cos cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng. + Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này. Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km. + Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau: lbUQ oddC .. 2 Trong đó: Udd: Điện áp danh định của đường dây. l: chiều dài của đường dây. + Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330  750kV thì ta có thể sử dụng các quan hệ gần đúng như sau: Xo.bo 1,15.10 -6 o o C b X Z  Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Nên ta có: C o Z b 310.07,1   Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là: TN C dd C Pll Z U Q ..10.07,1.10.07,1 33   Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL: %100%100 C L C L L Q Q I I K  Trong đó: QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra. Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra. 1.1.4.3. Nhận xét. - Đường dây siêu cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp. - Mô hình đường dây siêu cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải. Để đưa về dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia thành những mắt xích nối tiếp. - Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và điện dung lớn. Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang. - Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật. 1.2. MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. 1.2.1. THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC - STATIC VAR COMPENSATOR). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành). - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR... SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm: + Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ. + Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2 Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp. - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù. - Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong hệ thống điện. - Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện. - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột... Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như: - Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây. - Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. - Giảm tổn thất công suất và điện năng. 1.2.2. THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC - THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện. Nó được tổ hợp từ một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyistor. - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các cửa đóng mở GTO,... Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc f nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của hệ thống điện. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.3 sau: Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC Các chức năng chính của TCSC bao gồm: - Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. - Giảm sự thay đổi điện áp. - Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây. - Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện. - Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. - Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện. Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành các đường dây siêu cao áp nói riêng và HTĐ nói chung. Tuỳ theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 yêu cầu của từng đường dây siêu cao áp cụ thể và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ. 1.2.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR). STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa đóng mở GTO. So với SVC, nó có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn. Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau: Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm: - Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp. - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù. - Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong hệ thống điện. - Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột... Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau: - Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố. - Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới. 1.2.4. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN DÕNG CÔNG SUẤT (UPFC - UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER). UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây siêu cao áp nối giữa các HTĐ nhỏ. UPFC la thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả. Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang STATCOM. Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor có cửa đóng mở GTO. Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBA trung gian điện áp thấp (xem hình 1.5). Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC Máy biến áp nối với bộ chuyển đổi qua thanh cái làm việc (Buswork) và máy cắt được mô tả trên hình. Mỗi một bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào đó, converter còn lại có thể điều khiển vận hành độc lập. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Về nguyên lý, UPFC có 3 chế độ vận hành, bao gồm: Chế độ 1: chế độ điều khiển trở kháng XC. 2.. IjXU  ; sin 2 CXX X X U P         Chế độ 2: chế độ điều khiển điện áp trực giao U. 22... IIjUU C ;              2 cossin. 2  U U X U P C Chế độ 3: chế độ điều khiển góc pha điện áp C.           2 . exp. 2 sin..2 1 1 1  j U U UU ;              2 . 2 cos2sin. 2  tg X U P Trong đó: - I2: vectơ dòng của UPFC. - XC: điện kháng bù. - UC: điện áp bù - Ul: vectơ điện áp nhận. - : góc lệch giữa U2 và Ul. - X: Điện kháng của đường dây truyền tải. - : Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối của đường dây. Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ưu điểm hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha  rất nhỏ. Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc (series compensator) giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo. Hơn nữa, trong chế độ 1 và chế độ 2, công suất của thành phần bù ngang (shunt compensator) có thể giảm tối thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết 1 chiều (DC link) gần như bằng 0. Ngoài ra, thành phần bù ngang có thể điều khiển đồng thời cả dòng công suất phản kháng Q và công suất tác dụng P truyền tải trên đường dây. 1.2.5. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA BẰNG THYRISTOR (TCPAR - THYRISTOR CONTROLLED PHASE ANGLE REGULATOR). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây. Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền tải trên đường dây. Về mặt cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây. Cấu tạo của TCPAR và đặc tính hoạt động của nó như sau: Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây. Khả năng điều khiển trào lưu công suất rất cao. Các tính năng của TCPAR bao gồm: - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút bù. - Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện. - Tăng cường tính ổn định động của hệ thống điện. - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 - Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố. 1.2.6. NHẬN XÉT - Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có những đặc điểm chung là khả năng nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện. Tuy nhiên, giữa các thiết bị vẫn có sự khác biệt tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện cụ thể, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị hợp lý. - Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây mà ta lựa chọn các thiết bị hợp lý dựa trên khả năng của chúng. Ta có (bảng 1-1) so sánh các chức năng của từng thiết bị bù có điều khiển bằng thyristor như sau: Tên thiết bị Điều chỉnh trào lưu công suất Điều chỉnh điện áp Ổn định tĩnh Ổn định động Chống dao động công suất SVC * *** * * ** TCSC ** * *** *** ** STATCOM * *** ** * ** UPFC *** *** ** ** ** TCPAR *** ** ** * ** Bảng 1.1 Ghi chú: *** Rất tốt; ** Tốt; * Bình thường KẾT LUẬN - Hợp nhất HTĐ bằng đường dây siêu cao áp đem lại nhiều hiệu quả tổng hợp. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề kỹ thuật cần giải quyết, trong đó, vấn đề bù công suất phản kháng và điều khiển có ý nghĩa quyết định trong việc giữ ổn định điện áp và nâng cao giới hạn truyền tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 - Việc lắp đặt các thiết bị bù dọc và bù ngang điều khiển nhờ thyristor là xu hướng rất được quan tâm trên thế giới vì nhờ chúng mà độ tin cậy và tính kinh tế trong vận hành HTĐ được tăng lên rất nhiều. - Các thiết bị bù dọc và bù ngang sử dụng thyristor có khả năng điều chỉnh gần như tức thời thông số của chúng. Việc ứng dụng các thiết bị nói trên trong HTĐ làm nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp và giảm dao động công suất, đặc biệt là đối với các HTĐ hợp nhất có truyền tải bằng các đường dây siêu cao áp. - Các thiết bị bù có điều khiển thyristor chỉ đem lại hiệu quả rất cao khi thời điểm tác động và giá trị dung lượng bù là hợp lý cho từng chế độ vận hành của hệ thống điện (trước sự cố, sự cố và phục hồi). Đây là một việc rất quan trọng khi vận hành HTĐ có các thiết bị bù dọc và ngang có điều khiển thyristor. - Với điều kiện địa lý như ở Việt Nam, đường dây truyền tải 500 kV rất dài, các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải thì khả năng ứng dụng thiết bị SVC sẽ mang lại hiệu quả trong vận hành và tăng ổn định chất lượng điện năng của HTĐ Việt Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 CHƯƠNG 2 ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN Những thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC - Static Var Cojmpensator) đầu tiên được cho ra đời vào khoảng giữa thập kỷ 70 nhờ ứng dụng các công nghệ mới của ngành sản xuất chất bán dẫn. Sự xuất hiện của SVC đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc phát triển các thiết bị thuộc Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS- Flexible Alternating Current Transmission Systems). Được sử dụng từ hàng chục năm nay, SVC đã khẳng định được các ưu điểm của mình trong việc vận hành lưới điện và khả năng mang lại những lợi ích kinh tế to lớn cho hệ thống. Trong hệ thống truyền tải điện năng, SVC được sử dụng với các mục đích chính sau: - Ổn định điện áp trong các hệ thống yếu - Tăng khả năng truyền tải của đường dây - Giảm tổn thất điện năng truyền tải - Tăng cường khả năng điều khiển điện áp - Ôn hòa các dao động công suất 2.1. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. 2.1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ. Cũng nhý cụng suất tỏc dụng P, cụng suất phản khỏng Q trong hệ thống ðiện cũng cần luụn luụn phải ðiều chỉnh ðể giữ trạng thỏi cõn bằng. Việc phõn bố dũng cụng suất trong hệ thống ðiện là một nhiệm vụ rất quan trọng nhằm ðảm bảo chất lýợng ðiện nóng cung cấp cho cỏc phụ tải và ðảm bảo ðiều kiện vận hành cỏc thiết bị và ðýờng dõy an toàn, trỏnh hiện týợng quỏ ỏp và một số hiện týợng khỏc do cụng suất phản khỏng gõy nờn. Hừn nữa, nú cũn làm tóng tớnh kinh tế - kỹ thuật trong vận hành hệ thống ðiện. Khỏc với cụng suất tỏc dụng, cụng suất phản khỏng cú tớnh chất phõn bố theo khu vực vỡ ðiện ỏp của cỏc nỳt trong hệ thống ðiện là khỏc nhau nờn ngoài nguồn cung cấp ðiện cụng suất phản khỏng từ cỏc nhà mỏy Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 ðiện thỡ cần phải cú những nguồn phỏt cụng suất phản khỏng khỏc nhý: Mỏy bự ðồng bộ, tụ bự, khỏng ðiện … Ngoài ra, việc ðặt cỏc thiết bị bự cụng suất phản khỏng cũn cú tỏc dụng cải thiện ðỏng kể thụng số chế ðộ, ðặc biệt ðối với ðýờng dõy siờu cao ỏp. Trýớc ðõy, cỏc thiết bị bự cụng suất phản khỏng thýờng khụng cú tự ðộng ðiều chỉnh hoặc cú ðiều chỉnh nhýng rất chậm, nhảy bậc. Ngày nay với sự ra ðời của cỏc thiết bị Thyristor cụng suất lớn và cựng với nú là cỏc thiết bị FACTS ( Fleaxible AC Transmission line System), trong ðú cú SVC, ðó khắc phục ðýợc cỏc nhýợc ðiểm nờu trờn và mang lại hiệu quả rất cao trong vận hành hệ thống ðiện. Do tớnh ýu việt của SVC ( khả nóng ðiều chỉnh nhanh), biờn ðộ thay ðổi khỏ lớn nờn nú ðó ðýợc sử dụng rộng rói trờn toàn thế giới ðể cải thiện chế ðộ vận hành và mở rộng ứng dụng việc cải thiện thụng số chế ðộ ðýờng dõy và nõng cao ổn ðịnh của hệ thống ðiện. SVC ðýợc lắp ðặt trong hệ thống ðiện cú tỏc dụng tóng tớnh linh hoạt của hệ thống trờn nhiều khớa cạnh nhý: ðiều chỉnh ðiện ỏp tại vị trớ SVC mắc vào lýới, làm tóng ổn ðịnh hệ thống, tóng khả nóng truyền tải cụng suất, giảm tức thời quỏ ðiện ỏp, hạn chế khả nóng cộng hýởng tần sú và giảm dao ðộng cụng suất … Thiết bị bự ngang cú ðiều khiển SVC ðúng một vai trũ quan trọng trong việc ðiều chỉnh ðiện ỏp trong hệ thống ðiện. Nú hoạt ðộng trong hệ thống nhý một phần tử thụ ðộng nhýng lại phản ứng của ðối týợng tự thớch nghi với thụng số chế ðộ. 2.1.2. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA SVC. 2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất. Chức năng bình thường nhất của một SVC là điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất phản kháng tại điểm nó được nối vào mạng lưới. Điều này cũng dễ hiểu vì công suất phản kháng có tác dụng rất lớn đối với cường độ điện áp, mà SVC là một thiết bị có khả năng tạo hoặc thu hút công suất phản kháng ảnh hưởng bởi sự biển đổi của công suất tải như việc đóng cắt các phần tử của hệ thống điện: các đường dây, các nhóm tụ bù, kháng bù, các máy biến áp. Với công suất tải lớn thì điện áp sẽ bị giảm đáng kể thậm chí bị sụt mạnh. Điều đó là nguyên nhân dẫn đến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 sự tác động của Relay điện áp thấp. Quá điện áp là nguyên nhân gây lên hiện tượng bão hòa mạch từ trong máy biến áp, mà cũng là nguyên nhân làm tăng vọt các thành phần sóng hài trong các máy phát điện. Điều đó, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng các thành phần sóng hài và có thể là sự cộng hưởng trong các tụ bù, trên đường dây truyền tải và trong các đường cáp. Điều này có thể dẫn đến sự tác động của chống sét van và có thể là nguyên nhân phá hỏng các chống sét van này. Sự cộng hưởng về nhiệt của các tụ điện và các động cơ có thể pháp hỏng các thiết bị điện của hộ tiêu thụ. Sự thay đổi điện áp tại nút phụ tải cuối cúng của hệ thống thiếu hụt công suất là một hàm phụ thuộc vào công suất tải của toàn hệ thống và có thể minh họa bằng ví dụ đơn giản như hình 2.1. UE svc Load p,q jXe HÖ thèng ®iÖn H×nh 2.1: §iÒu chØnh ®iÖn ¸p t¹i nót phô t¶i b»ng SVC Trong đó: E: là điện áp của hệ thống. Xe: là điện kháng của hệ thống điện tính đến thanh cái của phụ tải. Điện áp tại thanh cái phụ tải của hệ thống sẽ có xu hướng giảm thieo chiều tăng của công suất tải nếu không có phần tử bù công suất phản kháng và được thể hiện trên đường đặc tính (a) của hình 2.2. Sự cung cấp công suất phản kháng của thiết bị SVC với dải thông số định mức tại điểm đấu phụ tải sẽ giữ cho điện áp phụ tải ít biến đổi hơn và thể hiện trên đường đặc tính (b) của hình 2.2. Tuy nhiên, nêu thiết bị SVC không có giới hạn về công suất phát thì điện áp trên thanh cái của phụ tải có thể được giữ giá trị không đổi và được thể hiện trên đường đặc tính (c) của hình 2.2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 U (a) (b) (c) P 0 H×nh 2.2: Sù thay ®æi cña ®iÖn ¸p t¹i thanh c¸i phô t¶i khi cã vµ kh«ng cã SVC 2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố. Chức năng quan trọng nhất là giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố bình thường khi mất tải đột ngột tại một điểm trên đường dây hoặc ngắn mạch yếu. Vì SVC có thể phản ứng trong vòng 10ms, nên thời gian quá áp sẽ được giảm xuống thấp hơn thời gian chỉnh định bảo vệ của hệ thống rơ le. Do đó cac rơ le không cần tác động cắt sự cố và tính chất tải điện sẽ được nâng cao. Quan hệ quá áp với thời gian được thể hiện ở hình 2.3. 100 10s Voltage 0 H×nh 2.3: Quan hÖ thêi gian vµ ®iÖn ¸p qu¸ ¸p Đặc điểm này rất quan trọng đối với đường dây siêu cao áp như đường dây 500kV Bắc- Nam của nước ta bởi vì nó có chiều dài rất lớn (1487km) nhiều tình huống cắt ngắn mạch một phía các đoạn đường dây có thể dẫn đến hiện tượng quá áp. Trong hệ thống điện hợp nhất của nước ta, quá điện áp xảy ra trong những trường hợp sau: - Cắt đường dây Phú Lâm- Hóc Môn. - Loại bỏ phụ tải chính của hệ thống điện Miền Nam. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 - Loại bỏ phụ tải ở hệ thống điện Miền Nam khi bộ tụ bù tại Phú Lâm vẫn tác động. - Hòa đồng bộ. - Sửa chữa định kì kháng bù ngang tại Đà Nẵng. - Sửa chữa định kì kháng bù ngang tại Phú Lâm. - Sửa chữa định kì tụ bù dọc. - Khi tự đóng lại một pha. - Đường dây 500kV bị cắt trọng mọi trường hợp. - Các sự cố khác. 2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công. Dao động công suất là một hiện tượng có thể xảy ra sau một quá trình quá độ, ví dụ như mất tải hoặc thình lình giảm công suất phát tại nguồn hoặc tự động đóng lại sau khi xảy sự cố v.v…. Hệ thống tải điện càng yếu thì hiện tượng này càng rễ xảy ra. Và đây là một vấn đề lớn đối với đường dây siêu cao áp 500kV của nước ta. Trong hệ thống điện hợp nhất của nước ta, dao động công suất có thể xảy ra trong các trường hợp sau: - Loại bỏ phụ tải Phú Lâm. - Loại bỏ phụ tải Đà Nẵng. - Sự cố ngắn mạch 3 pha. - Sự cố tại nhà máy thủy điện Hòa Bình. - Sửa chữa định kì các máy phát điện Miền Bắc. - Sửa chữa định kì các máy phát điện Miền Nam. Khi có dao động công suất, SVC sẽ được điều khiển nhằm kìm hãm bằng cách thay đổi góc mở của thyristor của SVC một cách gần như tức thời. 2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công. Giảm cường độ dòng điện vô công và như thế sẽ giảm bớt đi tổn thất gây ra bởi dòng điện này trên đường dây mà các nhà máy phát điện phải cung cấp. Nói chung là tiết kiệm năng lượng và tăng năng suất của hệ thống điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây. Tăng khả năng tải của đường dây, và tăng độ dự trữ ổn định của đường dây. Sử dụng thiết bị bù có điều khiển cho phép biển đổi các đặc tính của đường dây, công suất tự nhiên của đường dây và có thể đạt được chế độ làm việc của đường dây, trong đó công suất truyền tải luôn luôn bằng công suất tự nhiên của đường dây. Khi có đặt SVC ở giữa đường dây với công suất đủ lớn thì việc kiểm tra khả năng tải của đường dây không phải giữa các véc tơ điện áp ở đầu và cuối đường dây mà chỉ giữa các điểm có khả năng giữ điện áp không đổi (điểm có đặt SVC). Công suất truyền tải của hệ thống điện thường được giới hạn bởi cấp điện áp vận hành và điện kháng trong các máy biến áp của hệ thống. Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được cho bởi công thức sau: sin mP P , X E Pm 2  Trong đó: - E là suất điện động của máy phát điện và bằng điện áp có tại thanh cái máy phát. - X: là điện kháng toàn bộ hệ thống điện. - P: công suất truyền tải trên đường dây. - Pm: công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được. - : góc giữa điện áp đầu cực máy phát và điện áp tại điểm xét. Công suất lớn nhất mà đường dây có thể truyền tải được hay chính là công suất truyền tải lớn nhất của hệ thống mà vẫn đảm bảo được tính ổn định Pm đạt được với góc  = 900 và có giá trị bằng: X E Pm 2  Đây chính là giới hạn ổn định của công suất truyền tải của hệ thống. Với việc sử dụng các thiết bị SVC tại các điểm trên đường dây truyền tải sẽ có xu hướng làm tăng khả năng tải của đường dây truyền tải bởi vì điện áp được cung cấp thêm bởi các SVC tại điểm đấu SVC. Và khi có thiết bị SVC có công suất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 đủ lớn được nối tại một điểm của đường dây sao cho điện kháng của hệ thống điện về 2 phía của SVC bằng nhau (hình vẽ 2.4) thì khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện sẽ bằng : 2 sin2   mP P và điện áp U = E 1.4 1 0.6 0.2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.4 0.8 1.2 1.6 2 1.8 ®E', X X/2X/2 SVC HÖ thèng ®iÖn~ cã SVC kh«ng giíi h¹n c«ng suÊt cã SVC giíi h¹n c«ng suÊt Qc= Qcmax = 4Pmax kh«ng cã SVC H×nh 2.4: §Æc tÝnh c«ng suÊt truyÒn t¶i cña hÖ thèng khi cã vµ kh«ng cã SVC Điều đó có nghĩa là giới hạn của trạng thái ổn định bây giơ tại góc  = 1800, và giá trị công suất max của đường dây truyền tải tăng 2 lần. Nếu đường dây truyền tải với lượng công suất nhỏ hơn giá trị công suất max và để giữ trạng thái ổn định thì thiết bị SVC cần phải có lượng công suất max là Qcmax= 4Pm. Trên thực tế công suất các thiết bị bù thường nhỏ hơn cũng được chấp nhận vì lí do kinh tế. Nếu một thiết bị bù có công suất giới hạn được vận hành lớn hơn công suất của nó thì nó sẽ hoạt động như một kháng bù ngang có công suất không đổi. Điều đó có nghĩa rằng điện áp tại điểm giữa không đổi và bằng giá trị E. Khi đó công suất tác dụng truyền tải giảm và được tính theo công thức sau: sin 4 1 1 m Cm P QP P   Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Việc tăng khả năng truyền tải công suất của hệ thống điện có thể thực hiện được trong hệ thống điện thực tế với các thiết bị SVC nối tại các vị trí chiến lược mà có thể tìm ra bằng việc nghiên cứu dòng điện phụ tải. 2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng. Cân bằng các phụ tải không đối xứng do SVC có khả năng giữ điện áp ổn định theo từng pha riêng rẽ nên nó làm cho độ không đối xứng của phụ tải giảm xuống. Sự không đối xứng và sự xuất hiện của các tải một pha đều có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp trong hệ thống điện. Nó là nguyên nhân của sự không đối xứng điện áp và sự quá tải trong các phần tử hệ thống như máy phát… và có thể làm hỏng các máy điện quay. Bằng việc bổ sung các kháng điện bù ngang có thể đạt được sự cân bằng phụ tải, sự cân bằng điện áp và hiệu chỉnh được hệ số công suất. Để cân bằng các phụ tải không đối xứng như các lò điện, xe lửa… thì giải pháp được đề ra là mắc các phần tử kháng điện vào giữa các pha của hệ thống. 2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố. Để cho hệ thống điện giữ được trạng thái ổn định sau các nhiễu loạn lớn do việc loại trừ các sự cố bằng tác động của các phần tử bảo vệ. Hệ thống phải giữ công suất truyền tải trên đường dây nhỏ hơn giá trị công suất giới hạn ổn định. Mức công suất lớn nhất hệ thống có thể truyền tải sau những sự cố mà vẫn đảm bảo trạng thái ổn định của hệ thống (được giữ nhỏ hơn giá trị công suất truyền tải thực tế trong điều kiện bình thường) được gọi là giới hạn ổn định quá độ. Xét hệ thống điện đơn giản như hình 2.5. Công suất truyền tải trước sự cố là P1 và đường đặc tính (1). Trong khoảng thời gian tồn tại sự cố, công suất truyền tải giảm đi so với lúc trước sự cố và được minh họa bằng đường đặc tính (2). Công suất máy phát giảm đột ngột nhưng do quán tính rotor máy phát sẽ gia tốc cho tới khi sự cố được xóa bỏ tại góc c bằng việc ngắt đường dây sự cố và công suất truyền tải tăng dần trên đường đặc tính (3). Năng lượng tích lũy được trong quá trình gia tốc của rotor được đặc trưng bằng diện tích hình (A1). Lúc này rotor vẫn tiếp tục quay và động năng tích lũy của rotor sẽ hãm chuyển động của nó. Công suất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 truyền tải của hệ thống sẽ vượt quá giá trị P1. Giá trị lớn nhất của góc quay đạt được khi năng lượng hãm tốc (được định nghĩa bằng diện tích hình A2) bằng năng lượng tăng tốc (diện tích hình A1). ~ HÖ thèng ®iÖn SVC jX L LjX LjX LjX ejX ba RX E', X® (b) kh«ng cã SVC (a) cã dïng SVC 0 180d i cd d crmaxd maxP Pt 2Pmax A1 2A (1) (3) (2) (2) (3) (1) A2 1A tP Pmax d max crd d cid 1800 max2P (1): Lóc tr•íc sù cè (20: Lóc sù cè (3): Lóc sau sù cè H×nh 2.5: §Æc tÝnh c«ng suÊt khi cã vµ kh«ng cã SVC Nếu sau sự cố góc quay lớn nhất của rotor đạt được max nhỏ hơn góc giới hạn của rotor cr thì hệ thống giữ được trạng thái ổn định. Nếu max< cr thì năng lượng hãm tốc có tác dụng giữ cho rotor ở trạng thái ổn định. Điều này cho phép định chế độ vận hành ổn định cho hệ thống điện sau các kích động lớn, nhỏ. Khi thiết bị SVC được ứng dụng tại điểm giữa của đường dây làm tăng khả năng tải của hệ thống và được minh họa như hình 2.5. Đối với cùng một hệ thống truyền tải nhưng khi có ứng dụng thiết bị SVC thì diện tích hãm tốc của rotor lớn hơn chính vì thế làm tăng khả năng tải của hệ thống sau các kích động lớn, nhỏ. 2.2. THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC. Cấu tạo chung của SVC đã được trình bầy ở chương 1. 2.2.1. CẤU TẠO TỪNG PHẦN TỬ CỦA SVC. 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược. Trên hình 2.6 mô tả nguyên lý làm việc của bộ thyristor trong mạch. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 * Trường hợp tải thuần trở: Khi T1 mở thì một phần nửa chu kì dương điện áp nguồn điện đặt lên mạch tải, còn khi T2 mở thì một phần của nửa chu kì âm của điện áp nguồn được đặt lên mạch tải. T1 T2 ZTU Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor Góc mở  được tính từ điểm đi qua trị zêzo của điện áp nguồn. sin 2 R U it  Trong đó:        2 Dòng điện tải không có dạng của một hình sin. Ta phải khai triển Fuorier của nó gồm thành phần sóng cơ bản và các sóng hài bậc cao. Thành phần sóng cơ bản của dòng điện tải i(1) lệch chậm sau điện áp nguồn một góc  được thể hiện trên đồ thị hình 2.7. Điều đó nói lên rằng, ngay cả trường hợp tải thuần trở, lưới điện xoay chiều vẫn cung cấp một lượng công suất phản kháng. Trị hiệu dụng của điện áp trên tải: U i 0 0 i i i   t t t (1) t   H×nh 2.7: §å thÞ dßng ®iÖn t¶i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39    2 2sin22 .)sin2( 1 0 2   UdUUt Trị hiệu dụng của dòng điện tải:   2 2sin22   R U It * Trường hợp tải thuần cảm: Khi  =  xung cho điều khiển mở T1. Dòng điện tải tăng dần lên và đạt giá trị cực đại, sau đó giảm xuống và đạt giá trị zêzo khi  = . Khi thyristor T1 mở, ta có phương trình: tU dt di L sin2 ot I L U i    cos 2 Hằng số tích phân Io được xác định theo sơ kiện: khi  =  thì it = 0. Cuối cùng nhận được biểu thức của dòng điện tải:   coscos 2  L U it Góc  được xác định bằng cách thay  =  và đặt it = 0:  = 2 -  Khi  =  +  cho xung mở T2 Để cho sơ đồ làm việc được hoàn chỉnh khi tải thuần cảm, phải thỏa mãn điều kiện    + . Do đó góc  buộc phải nằm trong các giới hạn: 2 ; Khi  = 2  ,   cos 2 L U it  Dòng điện tải là dòng gián đoạn, do i1 và i2 tạo nên. Khai triển Fourier của nó bao gồm thành phần sóng cơ bản i(1) và các sóng hài bậc cao. Thành phần sóng cơ bản lệch chậm sau điện áp nguồn một góc /2 độc lập với góc mở . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Trị hiệu dụng của dòng điện tải:          2 2 2 2 coscos 121 d L U diIt       2sin32cos22   L U It Công suất mạch tải tiêu thụ là công suất phản kháng. Nếu ta thay đổi đột ngột giá trị góc điều khiển từ  = 00 sang  = 1800 thì tương ứng với trạng thái đóng hoặc mở mạch. 2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor). * Sơ đồ nguyên lý hoạt động: Kháng điều chỉnh nhanh bằng thyristor (TCR) được cấu tạo dựa trên nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của cặp thyristor mắc song song và ngược chiều nhau. Nhờ có khả năng khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor liên tục thông qua việc thay đổi góc mở  bằng thời điểm phát xung điều khiển vào cực G mà TCR có khả năng điều chỉnh phát hay tiêu thụ công suất phản kháng rất nhanh. §K U I t t t U HL L U Thyristor H×nh 2.8: Nguyªn lý cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña TCR Qua đó, ta thấy TCR thực chất là cuộn kháng được điều khiển bằng 2 thyristor nối ngược chiều nhau. Góc mở thay đổi liên tục từ 00 đến 1800 thì TCR sẽ thay đổi liên tục giá trị điện kháng L nhờ các tín hiệu điều khiển. Khi góc mở  thay đổi từ 900 đến 1800 thì dòng điện hiệu dụng qua TCR sẽ thay đổi giảm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 dần từ giá trị cực đại đến zêzo. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của TCR được thể hiện trên hình 2.8. TCR được cấu tạo từ 4 phần tử chính sau: - L: cuộn điện kháng chính - LH: cuộn điện kháng hãm, có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện - Thyristor: có chức năng điều chỉnh dòng điện đi qua TCR - Hệ thống điều khiển: Có chức năng điều khiển tín hiệu xung đến cực điều khiển của thyristor hệ thống này là một khâu quan trọng để điều chỉnh liên tục dòng điện hay giá trị XL hay thay đổi trị số công suất phản kháng phát ra hay tiêu thụ. TCR có nhiều ưu điểm khi tham gia vào các thiết bị bù trong hệ thống điện: - 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, hầu như khồn có giai đoạn quá độ nhờ bộ van thyristor. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR thể hiện trên hình 2.9 U t t I TCR H×nh 2.9: §Æc tÝnh ®iÒu chØnh liªn tôc cña TCR * Đặc tính làm việc của TCR: TCR có khả năng điều khiển, điều chỉnh các thông số rất nhanh nhờ việc thay đổi góc cắt (góc mở)  bằng các tín hiệu xung điều khiển tác động vào bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 van thyristor. Việc thay đổi góc cắt này sẽ làm thay đổi giá trị dòng điện chạy qua TCR được thể hiện trên hình 2.10 sau: Dòng điện I chạy qua TCR thay đổi từ Idđ giảm đến 0 khi góc cắt thay đổi từ 900 đến 1800. Tin hiệu này không phải là tín hiệu hình sin mà là tín hiệu có dạng hàm chu kỳ với tần số bằng tần số của tín hiệu đặt vào (f = 50Hz). Giá trị của dòng điện chạy qua TCR là một hàm biến thiên phụ thuộc vào góc cắt  được biểu diễn như sau: ITCR = I0.I() Trong đó: - min 0 K dm X U I  là dòng điện chạy qua TCR khi  = 900 - XKmin là điện kháng của TCR khi  = 90 0 (thyristor dẫn hoàn toàn) Gọi góc cắt 0 xác định tại thời điểm t0 xuất hiện tín hiệu điều khiển xung vào cực điều khiển của thyristor. Ta có: 00 . 2 t T    với chu kỳ T = 2. Sóng của dạng tín hiệu dòng điện được thể hiện như hình 2.11. Hình 2.10: Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR TCR I t t U  1 3  t I TCR  1 > Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 U t I( = 90 ) I( >90 ) 36018090 000 0 0 0 0 H×nh 2.11: D¹ng sãng cña tÝn hiÖu dßng ®iÖn cña TCR    Từ dạng tín hiệu của dòng điện chạy qua TCR, ta xây dựng hàm I() như sau:                tvoiIt tvoi tvoiIt I m m 00 00 00 ).coscos( 0 0).cos(cos Dựa vào công thức khai triển Fuorier, khai triển hàm f(x) có chu kỳ T như sau:       n k kk tkbtka a xf 1 0 sincos 2  Trong đó: T   2    dx T x kxf T a T k 2 cos 4 2 0    dx T x kxf T b T k 2 sin 4 2 0  Hơn nữa, ta có: ak= 0;   dx T x kxf T b T k 2 sin 4 2 0  nếu f(x) là hàm số lẻ: f(-x) = -f(x). bk = 0:   dx T x kxf T a T k 2 cos 4 2 0  nếu f(x) là hàm số chẵn: f(-x) = f(x). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Áp dụng khai triển cho hàm I() ta có: Vì hàm I() là hàm số chẵn vì đồ thị của chúng đối xứng qua trục tung nên theo tính chất của khai triển Fuorier ta có:  dttIa    0 0 2 4   dtkttIak .cos 2 4 0    k = 1, 2, 3, …,n bk= 0 k = 1, 2, 3, …,n               0 00 00 0 0 coscoscoscos 2 2 4      dttdttdttIa        00 .cossin.cossin 2 000 tttt         000000 cossincossin 2      0sinsin2 00     dtkttIak .cos 2 4 0                  0 00 00 0 .cos.coscos.cos.coscos 2 .cos 2 4      dtkttdtkttdtkttIak - với k = 1 ta có:               0 00 00 0 1 .cos.coscos.cos.coscos 2 .cos 2 4      dtttdtttdtttIa                       0 0 sin.cos2sin 4 1 2 1 sin.cos2sin 4 1 2 12 0 0 0 tttttt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45                               sin.cos2sin412sin.cos2sin4122 000000   101 2sin2 12       a - khi k  1 ta có:               0 00 00 0 .cos.coscos.cos.coscos 2 .cos 2 4      dtkttdtkttdtkttIak          0 0 0 0 0 0 0 0 .cos.cos.cos.cos.cos.cos.cos.cos 2        dtktdtkttdtktdtkttak                                  00 0 0 0 sin. 1 cos1sin 12 1 1sin 12 12   ktktkktkk                                   00 sin. 1 cos1sin 12 1 1sin 12 12 0 kt k tk k tk k                                    0000 sin. 1 cos1sin 12 1 1sin 12 12  kkkkkk                                   0000 sin. 1 cos1sin 12 1 1sin 12 12  kkkkkk Ta thấy: + Với k chẵn (k = 2n; n = 1,2,…,) thì ta có:                      0 0 0 0 sin. cos sin cos2  kkkak 0 2 cos. 2 sin cos2 00000                 kkk + Với k lẻ (k = 2n+1; n = 1,2,…, ) thì ta có:                                        000 1sin. 12 1 1sin 12 1 1sin 12 12  kkkkkkak                      0 0 0 0 0 sin cos sin cos 1sin 12 12  kkkkkk Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Tiếp tục biến đổi, ta có:                                0 0 00 sin. cos 1sin 12 1 1sin 12 12  kkkkkkak                            0 0 00 sin cos 1sin 12 1 1sin 12 12  kkkkkk           kk kkkkkka                       0 0 00 sin. cos2 1sin 1 1 1sin 1 12 Ta có:    n k mkTCR II 1 . Trong đó:          00 2sin 12 k Khi đó, thành phần cơ bản của dòng điện chạy qua TCR có dạng như sau:     tItI mTCR  cos.. 01 Hàm  01  thay đổi liên tục từ 1 đến 0 khi góc cắt 0 thay đổi từ 90 0 đến 1800. Đây cũng là quan hệ của biên độ thành phần cơ bản của dòng điện chạy qua TCR theo góc cắt 0. Đặc tính điều chỉnh dòng điện theo góc cắt được thể hiện như hình 2.12. 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 I(pu)  H×nh 2.12: §Æc tÝnh ®iÒu chØnh dßng ®iÖn TCR theo gãc c¾t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Bên cạnh thành phần cơ bản (k = 1), tín hiệu của dòng điện I chạy trong TCR bao gồm cả các thành phần bậc cao (sóng hài) như 3, 5, 7… các sóng này có dạng như hình 2.13. Firing angle (deg) 1 0.08 0.06 0.04 0.02 0.0 18017016015014013012011010090 0.01 0.03 0.05 0.07 a 7th 11th 5th Funda H×nh 2.13: C¸c sãng hµi bËc cao trong phÇn tö TCR  Trên thực tế, các sóng hài bậc cao có ảnh hưởng xấu đến hoạt động của hệ thống điện và chúng được loại bỏ nhờ các thiết bị lọc F mắc song song với thiết bị bù. Khi đó dòng điện trên hệ thống chỉ còn thành phần cơ bản.     1 min 11 .. K dm m X U II    1 min 1 K dm X U I  như vậy, ta có thể hiểu TCR như là một cuộn kháng có trị số XK thay đổi được:  1 minK K X X  Từ đó ta thấy XK thay đổi liên tục từ XKmin đến XKmax khi góc cắt  thay đổi liên tục từ 900 đến 1800. Do vậy công suất phản kháng Q được tính bằng công thức: K K X U Q 2  nên công suất phản kháng của TCR cũng thay đổi khi góc cắt  thay đổi. Do các tính chất trên mà TCR là một thành phần quan trọng, đóng vai trò chính trong thiết bị bù có điều khiển thyristor ứng dụng trong hệ thống điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 * Phân tích các hiệu ứng phụ: - Phân tích ảnh hưởng: Để nghiên cứu đặc tính của các thành phần bậc cao của dòng điện xuất hiện trong SVC ta căn cứ vào biểu thức  k Chẳng hạn khi k = 3 ta có: Dễ dàng ta xác định được biên độ của thành phần bậc 3 của dòng điện xuất hiện trên SVC.  303 .II  Cho thay đổi  từ 900 đến 1800 ta có sự biến thiên của I3() như hình vẽ 2.13 ở trên. Giá trị của I3 cho trong bảng 2-1 (trị số tương đối)  90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 I3 0 0,704 0,120 0,138 0,123 0,086 0,046 0,016 0,002 0 Bảng 2.1 Có thể nhận thấy rằng thành phần bậc 3 xuất hiện rất phụ thuộc vào  có những góc cắt I3 rất lớn, ngược lại có lúc làm cho I3= 0. Đặc điểm này rất quan trọng đối với công nghệ chế tạo và thực hiện điều chỉnh SVC. Tương tự ta có thể vẽ quan hệ  k với k = 5, 7, 9 ta có đường cong tương ứng như trên hình 2.13. - Các biện pháp khắc phục: Để loại bỏ thành phần bậc cao trong dòng điện TCR người ta đặt các bộ lọc tần số cao F. Các bộ lọc này chính là các mạch LC cộng hưởng với tần số mà nó cần lọc. Khi có thành phần dòng điện bậc cao xuất hiện trong dòng điện TCR thì do các mạch lọc cộng hưởng với tần số 3f, 5f, … nên trở kháng của nó đối với các dòng điện tần số cao này chỉ còn là điện trở thuần của các thiết bị R mà các điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 trở thuần này rất nhỏ nên dòng điện bậc cao đi qua bộ lọc xuống đất hết, dĩ nhiên phải lựa chọn trị số của L và C sao cho trở kháng của mạch lọc đối với tần số cơ bản rất lớn để tránh tổn hao. Như ta nhận thấy rằng cường độ dòng điện của thành phần bậc cao tỷ lệ với công suất của mạch TCR, thông thường trong SVC chỉ có một TCR còn các phần tử khác là TSR và TSC là những phần tử đóng mở nhảy bậc nên trong quả trình làm việc không sinh ra thành phần bậc cao, chỉ có TCR là phần tứ thay đổi liên tục của SVC mới sinh ra các thành phần dòng điện bậc cao trong quá trình làm việc. Bởi vậy để giảm cường độ dòng điện bậc cao người ta còn có biện pháp là chia nhỏ công suất của SVC ra nhiều phần tử TSR, TSC và TCR. Việc chia nhỏ công suất của SVC ra nhiều phần tử có lợi sau: - Giảm dòng điện thành phần bậc cao. - Khả năng điều chỉnh công suất phàn kháng phát ra mềm dẻo hơn. - Công suất của thyristor sẽ được chọn nhỏ đi tương ứng. Như vậy việc chia ra nhiều phần tử của SVC sẽ làm cho hệ điều khiển phức tạp nhưng ta có thể sử dụng các thiết bị vi điều khiển để giải quyết vấn đề này. Vấn đề lựa chọn công suất từng môdul bằng bao nhiêu là một bài toán cần xem xét. Tuy nhiên hiện nay công nghệ nước ta chưa sản xuất được SVC mà phải mua trọn bộ của nước ngoài thì bài toàn này chưa cần đề cập đến. 2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor). Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tụ đóng mở bằng thyristor được thể hiện trên hình 2.14. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 U t t t t UC IC Ixung Thyristor LH CU c H×nh 2.14: S¬ ®å vµ nguyªn lý ho¹t ®éng cña TSC Tụ đóng mở bằng thyristor TSC được cấu tạo từ 3 phần chính sau: - Tụ điện C là tụ chính trong mạch. - LH là cuộn kháng hãm. Có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện. - Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G của thyristor. Qua đó, ta thấy TSC thực chất là bộ tụ điện được đóng mở bằng 2 thyristor song song nối ngược chiều nhau. Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện dung C. 2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor). Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tụ đóng mở bằng thyristor được thể hiện trên hình 2.15. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR được cấu tạo từ 3 phần chính sau: - L là điện kháng chính trong mạch. - LH là cuộn kháng hãm. Có chức năng giới hạn dòng đi qua thyristor và chống lại sự cộng hưởng với hệ thống điện. - Van thyristor là cửa đóng mở, nó có thể đóng, mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G của thyristor. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 H×nh 2.15: Nguyªn lý cÊu t¹o vµ ho¹t ®éng cña TSR Thyristor U LLH U t t t I U §K Qua đó, ta thấy TSR thực chất là bộ kháng điện được đóng mở bằng 2 thyristor song song nối ngược chiều nhau. Việc tác động tín hiệu xung sẽ làm thay đổi giá trị điện kháng L. 2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC. Trong hệ điều khiển có các khối như hình vẽ 2.16: - Định dạng điện áp hệ thống có chức năng lấy tín hiệu điện áp thực tế từ lưới điện (tín hiệu dạng liên tục). - So sánh tín hiệu có chức năng so sánh tín hiệu đặt (tín hiệu ngưỡng) và tín hiệu định dạng. - Điều khiển trung tâm có chức năng điều khiển tín hiệu từ tượng tự ra tín hiệu số và số ra tượng tự phù hợp với điều kiện tăng hay giảm góc mở . Thiết bị điều khiển trung tâm ta sử dụng bộ vi điều khiển. - Đưa tín hiệu điều khiển góc mở  cho TCR, TSR, TSC có chức năng khuếch đại tín hiệu từ vi điều khiển đến các van của SVC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 Vref V Kh©u ph¶n Kh©u ®ång bé Bé vi ®iÒu khiÓn Kh©u khuÕch ®¹i Vresp TÝn hiÖu xung ®iÒu khiÓn PIC 16f877 ®Õn cùc ®iÒu khiÓn c¸c van U I TCR TCR TCR håi  Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC 2.2.2. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA SVC. 2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC. Nguyên lý làm việc của SVC được đặc trưng bởi nguyên lý làm việc của phần tử TCR. Theo sơ đồ nguyên lý của TCR, TSC, TSR ta thấy khi thay đổi góc cắt  dẫn đến việc thay đổi công suất phản kháng phát ra hay thu vào của SVC. Do SVC kết hợp từ TCR, TSC, TSR mặc dù TSC, TSR điều chỉnh nhảy bậc nhưng SVC vẫn điều chỉnh liên tục trong quá trình điều khiển. Các phần tử của SVC được nối vào mạng điện thông qua các van thyristor mà không dùng máy cắt. Nhờ vậy mà SVC có tốc độ điều chỉnh rất cao ( 40ms), gần C I U ref U X SL L X /X C min max C X 0    H×nh 2.17: §Æc tÝnh U-I cña SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 như không có thời gian quá độ. Đặc tính hoạt động của SVC được thể hiện trên hình 2.17. 2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC. Ở chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút. Tín hiệu điều khiển là độ lệch giữa điện áp nút đặt SVC đo được từ biến điện áp BU với điện áp đặt. Tín hiệu này điều khiển góc mở của các thyristor làm thay đổi trị số hiệu dụng thành phần cơ bản của dòng điện đi qua TCR nhờ đó điều chỉnh được dòng công suất phản kháng của SVC. Khi điện áp tăng, tác dụng của hệ thống điều chỉnh làm dòng điện qua SVC tăng, công suất phản kháng tiêu thụ tăng, điện áp nút được giảm xuống. Ngược lại khi điện áp bị giảm thấp, dòng điện qua SVC giảm, công suất phản kháng tiêu thụ giảm hoặc một lượng công suất phản kháng nhất định được phát lên hệ thống, điện áp nút được nâng cao. b) SVC có cả tính dung và tính cảm a) SVC chỉ có tính cảm X U MAX X MIN X U O Q MAX Q MIN Q O U U MIN Q O U Q MAX O U Q MIN X MAX X X U U 0 0 0 0 = Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 Đặc tính làm việc của SVC là mối quan hệ giữa điện kháng hay công suất phản kháng của SVC với điện áp của nút đặt thiết bị này. Trong phạm vi điều chỉnh được công suất (phạm vi của TCR) tức Xmin  XSVC  Xmax hay Qmin QSVC  Qmax , điện áp nút được giữ ở trị số đặt U0. Tuy nhiên trên thực tế, các SVC thường được chế tạo với đặc tính làm việc mềm. Khi đó trong phạm vi điều chỉnh được của công suất, điện áp nút được phép dao động với độ lệch U. Nhờ độ nghiêng của đặc tính trong vùng điều chỉnh được công suất, có thể phân bố công suất cho các SVC làm việc song song hoặc làm việc cùng với các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng khác. 2.3. MÔ HÌNH SVC TRONG TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN. Do các thiết bị bù ngang có điều khiển tác động gần như tức thời nên trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống khi các quá trình diễn ra tương đối chậm có thể xét các SVC thông qua đặc tính làm việc hay đặc tính Vôn-Ampe của chúng. Đặc tính làm việc ở đây là quan hệ thay đổi của điện kháng (hay công suất phản kháng) của thiết bị bù ngang có điều khiển theo điện áp nút đặt thiết bị bù, còn đặc tính Vôn - Ampe là quan hệ thay đổi của dòng điện qua thiết bị bù ngang có điều khiển theo điện áp nút đặt SVC. Dưới đây là một số phương pháp mô phỏng thiết bị bù ngang có điều khiển thường dùng. 2.3.1. MÔ HÌNH HÓA SVC NHƯ MỘT ĐIỆN KHÁNG CÓ TRỊ SỐ THAY ĐỔI. Trước hết, xét luật điều khiển của SVC ở chế độ xác lập. Luật này có thể được biểu diễn bằng đặc tính Vôn - Ampe có dạng như sau: U = Uref + XSL.I Trong đó, U là điện áp tại nút đặt SVC, I là dòng điện qua SVC, Uref là điện áp đặt, XSL là điện kháng dốc của SVC. Điện kháng XSL được sử dụng để tránh vi phạm vào các giới hạn khi có các biến động điện áp nhỏ tại nút đặt SVC. XSL thường có giá trị từ 2 đến 5%. Độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 lệch của điện áp được điều khiển thường nằm trong khoảng  5% của điện áp đặt Uref . Tại các giới hạn của góc mở thiristor, điện kháng của SVC sẽ được giữ ở một giá trị cố định. Khi thay đổi góc mở  của thiristor, điện dẫn Be = -1 / Xtđ thể hiện được sự thay đổi một cách rõ ràng hơn điện kháng tương đương Xtđ của SVC. Nói cách khác, đường biểu diễn Be() không dốc như đường Xtđ(). Do đó khi mô hình hóa các thiết bị bù có điều khiển, người ta thường dùng các công thức liên hệ thường sử dụng điện dẫn tương đương Be hơn là các công thức liên hệ sử dụng điện kháng Xtđ, nhờ vậy cũng tránh được các vấn đề về sai số khi xử lý các điểm làm việc ở gần điểm cộng hưởng. Phương pháp được đề cập đến ở mục này mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi. Xét các phương trình mô tả hoạt động ở chế độ quá độ của SVC : ),,,( refc c UUxf x           (4.2) ),,,,,( 222sin..XX. . . 0 LC 2 ei C L e ei ei BQIUUg X X B BUQ BI                              (4.3) Trong đó, xc biểu diễn các biến và f biểu diễn các phương trình của hệ thống điều khiển. Mô hình hoạt động của SVC ở chế độ xác lập được suy ra từ các phương trình mô hình hóa chế độ quá độ bằng cách thay thế phương trình vi phân bằng phương trình đặc tính Vôn - Ampe ở chế đô xác lập của SVC. Các phương trình mô tả hoạt động của SVC ở chế độ xác lập: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56         ),,,,,( . 0 ei SLref BQIUUg IXUU  (4.4) Chương trình tính toán lúc này sử dụng phép lặp với thông số được rời rạc hoá, với một giả thiết ban đầu về mức điện kháng đẳng trị. Giá trị ban đầu này được chọn dựa trên suy đoán mặc định ban đầu của người sử dụng hoặc dựa trên giá trị ban đầu của các biến xoay chiều và đặc tính của điện dẫn Be(). Lúc này quá trình tính toán cho phép xác định được điện áp tại nút đặt SVC. Nếu điện áp cao hơn trị số đặt, phép lặp sẽ giảm trị số điện kháng tức tăng công suất tiêu thụ (hay giảm công suất phát) của SVC. Ngược lại, nếu điện áp thấp hơn trị số đặt thì phép lặp sẽ tăng trị số điện kháng tức giảm công suất tiêu thụ (hay tăng công suất phát) của SVC. Do lúc này các hệ số của ma trận tổng dẫn Y không còn là hằng số mà cần phải được xác định lại sau mỗi bước lặp nên nhược điểm của phương pháp này là có khả năng không hội tụ nếu có nhiều vị trí đặt SVC và không tận dụng được các chương trình tính toán chế độ xác lập cũ. 2.3.2. MÔ HÌNH SVC THEO TỔ HỢP NGUỒN VÀ PHỤ TẢI PHẢN KHÁNG. Phương pháp này dựa vào đặc tính làm việc của SVC, mô phỏng SVC theo một tổ hợp của nguồn công suất phản kháng và phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải. Khi đó có thể sử dụng thuật toán thông thường để giải bài toán và do vậy rất thuận tiện khi vẫn sử dụng các chương trình tính chế độ xác lập cũ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 Đặc tính làm việc của nguồn phát công suất phản kháng và của phụ tải công suất phản kháng cung cấp qua máy biến áp điều áp dưới tải có dạng như trên hình 2.19 và 2.20. Trong đó đối với đặc tính làm việc của nguồn, U0 là điện áp đặt của nguồn, Qmax và Qmin là các giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng. Đối với đặc tính của phụ tải, U0 là điện áp đặt tương ứng với điện áp cần giữ ở phía hạ áp của máy biến áp điều áp dưới tải,  U là phạm vi điều chỉnh của các đầu phân áp của máy biến áp, Q0 là công suất phản kháng không đổi trong phạm vi điều chỉnh của các đầu phân áp. Đặc tính phụ tải phản kháng lúc này có dạng:     max0 max0max0 max0 2* max * 2 * max * 100 0 2* max * 2 * max * 100 )()( )()( )()( UUUkhi UUUUUkhi UUUkhi UUbUUbbQ Q UUbUUbbQ Q            min 0 max Q Q o U Q U svc Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC Q Q 0 U min o max U Q N Q Uđm Q0 Uđm-U Uđm+U U U 0 U Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Dễ dàng nhận thấy rằng khi phối hợp đặc tính của một nguồn công suất phản kháng và hai phụ tải công suất phản kháng thích hợp sẽ có được đặc tính làm việc của SVC. Các thông số của nguồn và phụ tải công suất phản kháng được chọn như sau:  Nguồn công suất phản kháng: Chọn điện áp giữ của nguồn bằng điện áp giữ của SVC: U0 = U0 SVC Giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng: QmaxN = - Qmin SVC QminN = - Qmax SVC  Phụ tải công suất phản kháng: + Phụ tải thứ nhất: Công suất phản kháng không đổi bằng công suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể phát được : SVCmin 2 0 max01 X SVC SVC U QQ  Phạm vi điều chỉnh điện áp: U1 max = U0 SVC – U01 01 U 0 U U 02 01 Q Q 02 Q maxN minN Q Q U min Q max Q SVC U 0 U Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 Các thông số của đặc tính tĩnh phụ tải: b0 = b1= 0 ; b2=1 + Phụ tải thứ hai: Công suất phản kháng không đổi bằng công suất phản kháng nhỏ nhất mà SVC có thể phát (hay công suất phản kháng lớn nhất mà SVC có thể tiêu thụ): · X SVCmax 2 0 min02 SVC SVC U QQ  Phạm vi điều chỉnh điện áp: U2 max = U0 SVC – U02 Các thông số của đặc tính tĩnh phụ tải: b0 = b1= 0 ; b2=1 Các trị số U01, U02 được chọn tùy ý với khoảng cách đủ xa so với U0SVC sao cho đặc tính thu được phù hợp với hoạt động thực tế của SVC trong vùng làm việc. KẾT LUẬN Thiết bị TCR có ứng dụng rất rộng rãi và là phần tử chính trong các thiết bị bù dọc, bù ngang và các thiết bị khác nhằm tăng cường tính linh hoạt của đường dây truyền tải trong hệ thống điện. - Khi dòng điện đi qua thyristor, ngoài thành phần cơ bản nó sẽ sinh ra các thành phần sóng hài bậc cao. Các thành phần này sẽ ảnh hưởng không tốt đến các chế độ vận hành của hệ thống điện và khi sử dụng các thiết bị bù điều khiển bằng thyristor hoặc triắc, để khức phục hiệu ứng phụ này, ta phải đặt kèm theo chúng bộ lọc các sóng hài bậc cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 - Dựa vào nguyên lý hoạt động của SVC bằng cách khai triển Fourier có thể xây dựng được đặc tính Z(U) hoặc Q(U) của nó. Các đặc tính Z(U) hoặc Q(U) nói chung có dạng phi tuyển, gián đoạn. - Việc chọn tỷ lệ giữa giá trị XL và XC trong thiết bị bù là rất quan trọng bởi nó quyết định đến góc làm việc giới hạn của thiết bị. Đối với từng hệ thống điện cụ thể, ta phải có những tính toán, phân tích kỹ hơn để đưa ra giá trị tối ưu của chúng. Ngoài ra, cần phải có phương thức vận hành, điều khiển các thiết bị bù trong trường hợp khi góc mở đạt giá trị tới hạn mà các thông số bù chưa đạt giá trị tối ưu. - SVC được lắp đặt trong hệ thống điện có tác dụng tăng tính linh hoạt của hệ thống trên nhiều khía cạnh như: điều chỉnh điện áp tại chỗ SVC mắc vào lưới, làm tăng ổn định hệ thống, tăng khả năng truyền tải công suất, giảm tức thời quá điện áp, hạn chế khả năng cộng hưởng tần số và giảm dao động công suất… - Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. Nó hoạt động trong hệ thống như một phần tử thụ động nhưng lại phản ứng của đối tượng tự thích nghi với thông số chế độ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 CHƯƠNG 3 BỘ ĐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG SVC 3.1. SƠ ĐỒ SVC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG. Các linh kiện ðiện tử công suất lớn ðýợc ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị bù của hệ thống truyền tải ðiện xoay chiều linh hoạt (SVC) ở các nýớc phát triển trên thế giới. Kỹ thuật truyền tải ðiện hiện ðại ðó sử dụng các thiết bị bù, dịch pha ðýợc ðiều khiển bằng các linh kiện ðiện tử công suất ðể cung cấp nguồn nóng lýợng khi cần thiết ðể bảo ðảm tính ổn ðịnh của hệ thống ðiện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi điều khiển cho phép ðiều khiển nguồn nóng lýợng một cách linh hoạt, khả nóng tự ðộng hóa cao ðảm bảo ðộ tin cậy và ðộ ổn ðịnh của hệ thống, trong ðó hệ thống ðiều khiển ðóng một vai trò rất quan trọng. Sơ đồ khối điều khiển các van của SVC được chỉ ra trên hình 3.1. Kh©u ph¶n Kh©u ®ång bé Bé vi ®iÒu khiÓn Kh©u khuÕch ®¹i Vresp TÝn hiÖu xung ®iÒu khiÓn PIC 16f877 ®Õn cùc ®iÒu khiÓn c¸c van U I TCR TCR TCR håi  Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC 3.1.1. CHỨC NĂNG HỆ ĐIỀU KHIỂN. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 - éiều chỉnh ðýợc vị trí xung ðiều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dýừng của ðiện áp trên anốt- catốt của Thyristor. - Tạo ra ðýợc các xung có ðủ ðiều kiện mở ðýợc Thyristor. Xung ðiều khiển thýờng có biên ðộ từ 2 ðến 10V, ðộ rộng xung tx= 20-100ỡs ðối với cặp Thyristor ðấu song song ngýợc hoặc . éộ rộng xung ðýợc xác ðịnh theo biểu thức: dt di I t dtx  Trong ðó: Idt là dòng duy trì của Thyristor; di/dt là tốc ðộ tóng trýởng của dòng tải. Cấu trúc của một mạch ðiều khiển Thyristor gồm 3 khâu chính sau ðây: - Khâu tạo xung ðồng bộ (éB): tạo tín hiệu ðồng bộ với ðiện áp anốt-catốt của Thyristor hoặc trắc cần mở. Tín hiệu này là ðiện áp xoay chiều, thýờng lấy từ biến áp có sừ cấp nối song song với Thyristor hoặc triắc cần mở. - Khâu điều khiển tạo xung (SS-TX): làm nhiệm vụ so sánh giữa ðiện áp ðồng bộ với tín hiệu phản hồi thýờng ðó ðýợc biến thể với tín hiệu ðiều khiển một chiều ðể tạo ra xung kích mở Thyristor. - Khâu khuếch ðại xung (Ké): tạo ra xung mở có ðủ ðiều kiện ðể mở Thyristor hoặc triắc. - Khâu phản hồi (Uđk): tạo ra tín hiệu điện áp một chiều lây từ điện áp nút trên lưới hệ thống điện. Khi thay ðổi giá trị ðiện áp một chiều Uðk thì góc mở ỏ sẽ thay ðổi. 3.1.2. NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN. Sử dụng nguyên tắc ðiều khiển thẳng ðứng “arccos” nhý hình 3.2 ðể thực hiện ðiều chỉnh vị trí ðặt xung trong nửa chu kỳ dýừng của ðiện áp ðặt trên Thyristor. ỏ ậ 2ậ ựt Uc Udb Udk Udk Uc Udb Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 Theo nguyên tắc này, ở khâu so sánh có hai ðiện áp ðặt vào: - éiện áp ðồng bộ sin, sau khi ra khỏi khâu éB ðýợc tạo thành tín hiệu cos - éiện áp ðiều khiển là áp một chiều có thể biến ðổi ðýợc éiện áp udb= Um sinựt thì: Uc = Um cosựt Giá trị ỏ ðýợc tính theo phýừng trình sau: Umcosỏ = Udk Do ðó: ỏ = arccos(Udk/Um) - khi Udk = Um thì ỏ = 0 - khi Udk = 0 thì ỏ =ậ/2 - khi Udk = -Um thì ỏ = ậ Nhý vậy, khi ðiều chỉnh Udk từ trị -Um ðến +Um, ta có thể ðiều chỉnh ðýợc gúc ỏ từ 0 ðến ậ. 3.1.3. CÁC KHÂU TRONG BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC VAN CỦA SVC. 3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK. Sơ đồ tạo xung đồng bộ với nửa chu kỳ điện áp nguồn được trình bày như hình 3.3. Trong đó: u1: là điện áp nguồn điện xoay chiều. uđb: xung đồng bộ PT: transistor quang (phototransistor). D: điôt bảo vệ quá dòng cho D0. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 Trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn ta có D0 được đặt điện áp thuận và phát quang dẫn đến T0 mở dẫn đến điện áp trên cực góp của T0 giảm ngay về mức thấp hay là mức “0”, đây chính là tín hiệu đồng bộ lấy ra. Từ sơ đồ ta có điện áp đồng bộ là 1 1 1 R u i  ; 2R U i ccc  ; uđb=0 Trong nửa chu kỳ âm thì mạch làm việc ngược lại D0 khóa dẫn đến T0 khóa điện thế lấy trên cực góp của T0 bằng nguồn cung cấp (Ucc), hay tín hiệu xung ra ở mức cao hay là mức “1”. Tín hiệu đồng bộ được đưa vào đầu vào của vi điều khiển Pic 16f877 (chân RB0/INT). 6 5 4 1 2 PT Do va To R1 D1 DIODE R2 R3 Ucc R4(1) tin hieu dua vao chan RB0/INT Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ 3.1.3.2. Khâu phản hồi. Sơ đồ khâu phản hồi được trình bày trên hình 3.4. Trong đó: - BU: máy biến áp đo lường có tác dụng lấy điện áp phù hợp với mạch điều khiển. - D1, D2, D3, D4: bộ chỉnh lưu cầu một pha dùng điôt có tác dụng chỉnh lưu dòng xoay chiều về một chiều. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 - R7: là điện trở ảnh hưởng đến biên độ điện áp một chiều ra. Tín hiệu vào lấy từ điện áp lưới thông qua tỷ số của BU là một tín hiệu liên tục. Khi qua bộ chỉnh lưu ta được điện áp một chiều thay đổi theo điện áp trên lưới điện tín hiệu một chiều này được đưa vào đầu vào liên tục của vi điều khiển Pic 16f877 (chân RA0/AN0). D2 DIODE D1 DIODE D4 DIODE D3 DIODE R7 0.5k A B OSPH Uph tin hieu dua vao RA0/AN0 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi 3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung. Sơ đồ khuếch đại xung được trình bày trên hình 3.5. Trong đó: - T1: transistor ngược có tác dụng khuếch đại tín hiệu. - Dr: điôt có tác dụng bảo vệ quá áp trên các cực góp và cực phát của T1. - BAX: máy biến áp xung có tác dụng cách ly giữa mạch điều khiển với mạch lực. - Rg: điện trở hạn chế dòng vào cực điều khiển của thysistor. - D2: điốt có tác dụng ngăn xung áp âm có thể có khi T1 bị khóa. - R2: là điện trở ảnh hưởng đến biên độ và sườn xung ra. Tín hiệu vào lấy từ tín hiệu điều khiển của vi điều khiển Pic 16f877 là một tín hiệu số. Khi ue bằng mức “1” thì transistor T1 mở bão hòa nhưng do có điện cảm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 của cuộn dây máy biến áp nên không cho ic đạt ngay giá trị bão hòa và của nó là IC=Ucc/R1.Dòng ic chỉ có thể tăng từ từ theo quy luật hàm mũ.            t cc Lc e R U ii 1 1 , với =L/R1 Sau khoảng thời gian 5, ic IC=Ucc/R1. Bên thứ cấp của máy biến áp xung xuất hiện một xung điện áp trên R2 để mở thysistor. Khi ue bằng mức “0” thì T1 khóa lại và bên thứ cấp của máy biến áp xung không có xung điện áp để mở thysistor. Trong trường hợp này nếu không có Dr thì năng lượng 2. 2 1 CILW  sẽ sinh ra quá điện áp trên các cực C, E của T1. Quá điện áp này có thể đạt tới khoảng 100V, sẽ làm phá hủy transistor T1. Lúc này Dr loại trừ điện áp nói trên, bởi vì vừa khi UCE=VC-VE= 0.8V thì Dr mở cho dòng chạy qua, nó làm ngắn mạch hai điểm C và F, do đó UCE=Ucc+0.8V. DR DIODE D2 DIODE BAX T1 2N4400 R R2 +Ucc RG 10k TH THYRISTOR PIN_RCO Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung 3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877. Ngày nay, các bộ vi điều khiển đang có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hoá và điều khiển từ xa. Giờ đây với nhu cầu chuyên dụng hoá, tối ưu (thời gian, không gian, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 giá thành), bảo mật, tính chủ động trong công việc... ngày càng đòi hỏi khắt khe. Việc đưa ra công nghệ mới trong lĩnh vực chế tạo mạch điện tử để đáp ứng những yêu cầu trên là hoàn toàn cấp thiết mang tính thực tế cao. * Bộ Vi điều khiển 8 bit PIC16F877 (Đặc tính nổi bật của bộ vi xử lí). + Sử dụng công nghệ tích hợp cao RISC CPU. + Người sử dụng có thể lập trình với 35 câu lệnh đơn giản. + Tất cả các câu lệnh thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ một số câu lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì lệnh. + Tốc độ hoạt động là: - Xung đồng hồ vào là DC- 20MHz - Chu kỳ lệnh thực hiện trong 200ns + Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words + Bộ nhớ Ram 368x8 bytes + Bộ nhớ EFPROM 256x 8 bytes Khả năng của bộ vi xử lí này + Khả năng ngắt ( lên tới 14 nguồn ngắt trong và ngắt ngoài ) + Ngăn nhớ Stack được phân chia làm 8 mức + Truy cập bộ nhớ bằng địa chỉ trực tiếp hoặc gián tiếp. + Nguồn khởi động lại (POR) + Bộ tạo xung thời gian (PWRT) và bộ tạo dao động (OST) + Bộ đếm xuang thời gian (WDT) với nguồn dao động trên chíp (nguồn dao động RC ) hoạt động đáng tin cậy. + Có bảng lựa chọn dao động. + Công nghệ CMOS FLASH /EEPROM nguồn mức thấp ,tốc độ cao. + Thiết kế hoàn toàn tĩnh . + Mạch chương trình nối tiếp có 2 chân. + Xử lý đọc /ghi tới bộ nhớ chương trình . + Dải điện thế hoạt động rộng : 2.0V đến 5.5V + Nguồn sử dụng hiện tại 25 mA + Dãy nhiệt độ công nghiệp và thuận lợi . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 + Công suất tiêu thụ thấp: Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877 < 0.6mA với 5V, 4MHz 20  A với nguồn 3V, 32 kHz < 1  A nguồn dự phòng. Các đặc tính nổi bật của thiết bị ngoại vi trên chip + Timer0: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước + Timer1: 16 bít của bộ định thời, bộ đếm với hệ số tỷ lệ trước, có khả năng tăng trong khi ở chế độ Sleep qua xung đồng hồ được cung cấp bên ngoài. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 + Timer 2: 8 bít của bộ định thời, bộ đếm với 8 bít của hệ số tỷ lệ trước, hệ số tỷ lệ sau + Có 2 chế độ bắt giữ, so sánh, điều chế độ rộng xung (PWM). + Chế độ bắt giữ với 16 bít, với tốc độ 12.5 ns, chế độ so sánh với 16 bít, tốc độ giải quyết cực đại là 200 ns, chế độ điều chế độ rộng xung với 10 bít. + Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự với 10 bít . + Cổng truyền thông nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ và I2C(chủ/phụ) + Bộ truyền nhận thông tin đồng bộ, dị bộ(USART/SCL) có khả năng phát hiện 9 bít địa chỉ. * Cổng vào ra. Một số chân của các cổng vào/ra được tích hợp với một số hàm có thể thay đổi để phù hợp với những thiết bị ngoại vi. Nhìn chung khi thiết bị ngoại vi hoạt động, các chân có thể không sử dụng với mục đích làm chân vào ra. - Cổng A và thanh ghi TRISA: Cổng A là cổng hai chiều với độ rộng đường truyền là 6 bit. Để điều khiển việc truy xuất dữ liệu người ta dùng thanh ghi TRISA . Nếu đặt bít TRISA = 1 thì lúc này cổng A sẽ tương ứng có các chân là chân vào .Nếu xoá bít TRISA = 0 thì lúc này cổng A sẽ tương ứng có các chân là chân ra. Việc đọc cổng A chính là đọc trạng thái của các chân, trong khi đó việc viết phải qua