›
›

Đồ án Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng trong truyền tải điện năng

pdf 65 trang huongle 1720
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng trong truyền tải điện năng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_statcom_ung_dung_trong_truyen_tai_dien_nang.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng trong truyền tải điện năng

  1. LỜI CẢM ƠN Sau gần 3 tháng thực hiện đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu STATCOM,ứng dụng trong truyền tải điện năng ” đã phần nào hoàn thành, ngoài sự cố gắng của bản thân em đã nhận đƣợc sự khích lệ rất nhiều từ phía nhà trƣờng, thầy cô, gia đình và bạn bè. Lời đầu tiên em muốn nói là em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn tận tình của thầy . Khoa điện tự động trƣờng ĐH dân lập Hải Phòng. Dù rất bận rộn với công việc những thầy vẫn dành thời gian để hƣớng dẫn em hoàn thiện đồ án này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện– trƣờng ĐH Dân Lập Hải Phòng cũng nhƣ các thầy cô trong trƣờng đã giảng dạy, giúp đỡ em trong 4 năm học vừa qua. Chính các thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền tảng và những kiến thức chuyện môn để có thể hoàn thiện đồ án này cũng nhƣ công việc của mình sau này. Em xin chân thành cảm ơn! 1
  2. Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ STATCOM Static Compensator là thiết bị chuyển đổi (VSC-Voltage Source Converter), đƣợc định nghĩa là một bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha, , điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng. điều khiển bù công suất phản kháng trong hệ thống điện thƣờng cấu hình STATCOM biến . STATCOM đã đƣợc định nghĩa với ba ng hoạt động. đầu tiên là tĩnh: dựa trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, thứ hai là : tƣơng tự nhƣ một máy đồng bộ lý tƣởng với điện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản, thứ ba là bù: cung cấp bù công suất phản kháng. [7],[8] Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều. Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện đƣợc đấu nối với hệ thống điện (đƣợc thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc. Trên hình 1.1 (a) thể hiện mạch điện tƣơng đƣơng một pha của STATCOM. Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống Vs, nhƣng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngƣợc lại, nếu điều 2
  3. khiển điện áp Vc thấp hơn điện áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lƣới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lƣới điện Điện áp xoay chiều đƣợc tạo ra từ nguồn điện áp một chiều nhờ các điện tử tác động nhanh. Từ nhiều năm nay. Thyristor trong SVC ( thiết bị bù tĩnh công suất phản kháng) có thể đƣợc sử dụng để nhƣng không thể dòng điện. Đặc điểm khác biệt của STATCOM là nó sử dụng các công tắc hai chế độ, ví dụ nhƣ các thyristor cắt (GTO) hoặc transistor lƣỡng cực cửa cách điện (IGBT) có khả năng cắt mạch. đầu ra đơn giản nhất từ bộ biến đổi điện nguồn điện áp là điện áp có dạng sóng vuông. Tuy nhiên, dạng sóng mong muốn là hình sin, STATCOM thực hiện đƣợc dạng sóng với chất lƣợng yêu cầu bằng cách tổng hợp dạng sóng hình sin theo một chuỗi các bậc, với việc sử dụng kỹ thuật nhân xung đƣợc áp dụng từ nhiều năm nay để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều của các bộ chỉnh lƣu và biến đổi điện. Bằng cách tăng số bậc, có thể giảm thành phần sóng hài và nhờ đó điện áp tạo ra gần đúng hơn với sóng hình sin tần số cơ bản. Chức năng của STATCOM thì tƣơng tự nhƣ của một tụ bù đồng bộ nhƣng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả. , STATCOM cung cấp bù công suất phản kháng để giải quyết một loạt hệ thống điện hệ thống công nghiệp biến động và ổn định. Một hệ 3
  4. thống STATCOM hoàn thiện cơ bản bao gồm một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC), và một máy biến áp ghép . a) b) Hình 1.1: Mạch điện tƣơng đƣơng của STATCOM a) Mạch tƣơng đƣơng một pha b) Mạch tƣơng đƣơng ba pha 1.1.1. Các thế hệ bù công suất phản kháng 1.1.1.1. Thế hệ đầu tiên là các thiết bị bù đóng ngắt bằng cơ học - Kháng bù ngang cố định - Tụ bù ngang cố định - Kháng bù ngang đóng ngắt bằng cơ học - Tụ bù ngang đóng ngắt bằng cơ học 1.1.1.2. Thế hệ thứ hai là các thiết bị bù đóng ngắt dựa trên Thyristor - Kháng điều khiển bằng thyristor - Tụ đóng mở bằng thyristor - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor 4
  5. - Tụ (kháng) bù dọc chuyển đổi bằng thyristor -Tụ (kháng) bù dọc điều khiển bằng thyristor - Điện trở hãm điều khiển bằng thyristor - Máy biến áp chuyển pha điều khiển bằng thyristor - Thiết bị bù chuyển đổi mạch đƣờng dây 1.1.1.3. Thế hệ thứ ba là các thiết bị bù dựa trên bộ chuyển đổi - Thiết bị bù đồng bộ tĩnh. - Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh. - Thiết bị điều khiển dòng công suất . 1.1.2. Chức năng ứng dụng của STATCOM STATCOM có các chức năng ứng dụng sau đây trong điều khiển linh hoạt hệ thống điện: - Tăng khả năng truyền tải công suất. - Giảm thiểu tổn thất đƣờng dây. - Bù công suất phản kháng. - Ngăn chặn chập chờn . - Điều chỉnh điện áp. - Cân bằng điện áp ba pha. - Nâng cao ổn định quá độ. - Nâng cao sự ổn định trạng thái ổn định. - Giảm dao động công suất. [6],[9],[12] 5
  6. Hình 1.2: Chức năng ứng dụng của STATCOM 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.2.1. Giới thiệu chung Để đánh giá vấn đề sử dụng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không ngƣời ta đánh giá thông qua hệ số công suất PF. Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Biểu thức tính toán hệ số công suất: P Cosφ= S (1.1) Phần lớn các thiếtbị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Công suất tác dụng P là công suất đƣợc biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện (công suất hữu công). Công suất phản kháng Q không sinh công (công suất vô công) nhƣng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động đƣợc, chẳng hạn nó là công suất từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ Do đó trong vận hành ngƣời ta mong muốn sử dụng CSPK của lƣới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt 6
  7. động bình thƣờng Một vấn đề khác là trong quá trình truyền tải điện năng từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện, nhiệt điện ) thì có tổn hao trên đƣờng dây truyền tải làm điện áp tại các điểm cách xa nguồn bị suy giảm do đó để đảm bảo cho điện áp không bị suy giảm lớn thì cần bù CSPK. CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lƣợng CSPK lớn ngƣời ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị sinh CSPK nhƣ SVC, STATCOM , để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện nhƣ vậy gọi là bù CSPK. 1.2.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng. - Giảm đƣợc tổn thất công suất trên mạng điện do giảm đƣợc CSPK truyền tải trên đƣờng dây. -Giảm đƣợc tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm đƣợc thành phần DUdo CSPK gây ra. - Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp. Khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp đƣợc tính theo công thức: (1.2) Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đƣờng dây và máy biến áp (I = const) ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi. Vì thế khi giữ nguyên đƣờng dây và máy biến áp nếu hệ số công suất 7
  8. đƣợc nâng cao tức là giảm đƣợc lƣợng CSPK phải truyền tải thông qua bù CSPK thì khả năng tải của chúng đƣợc nâng cao. 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.3.1. Các thiết bị bù công suất phản kháng 1.3.1.1. Tụ điện tĩnh Khi có điện áp đặt vào tụ thì có dòng điện chạy qua tụ, dòng này vƣợt trƣớc điện áp một góc 900 do đó phát ra CSPK. Để đóng cắt tụ điện vào đƣờng dây ngƣời ta sử dụng các thyristor, thông qua việc điều chỉnh đóng cắt các thyristor sẽ điều chỉnh đƣợc dung lƣợng CSPK cần bù. 1.3.1.2. Máy bù đồng bộ Thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích. Máy bù đồng bộ thƣờng chỉ đƣợc dùng ở những nơi yêu cầu khắt khe về chế độ bù và thƣờng đƣợc dùng ở lƣới trung áp. 1.3.2. Một số thiết bị bù trong Flexible Alternating Current Transmission Syster Hiện nay ở nhiều nƣớc phát triển trên thế giới sử dụng hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS trong đó các thiết bị bù của hệ thống dựa trên các linh kiện điện tử công suất lớn nhƣ GTO, IGTO, IGBT để cung cấp năng lƣợng khi cần thiết để đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện. FACTS là tập hợp nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn. 1.3.2.1. Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp Static Synchronons Series Compensator 8
  9. Điều khiển CSPK chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn. Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc của SSSC Cấu trúc bao gồm bộ biến đổi điện áp nguồn VSC, tụ điện C, máy biến áp kết nối. SSSC nối tiếp vào hệ thống điện. Nó dùng để điều khiển dòng công suất và cải thiện dao động công suất trên lƣới. Bộ SSSC sẽ bơm một điện áp US nối tiếp với đƣờng dây truyền tải tại điểm kết nối US = U1 – U2 = Ud + jUq (1.3) Vì SSSC không tiêu thụ công suất tác dụng từ hệ thống nên US bơm vào cần phải vuông góc với dòng điện đƣờng dây. Nhƣ vậy bằng cách thay đổi biên độ điện áp Uq của điện áp bơm vào đƣờng dây, SSSC sẽ phát ra hay hấp thụ CSPK. Khi Uq > 0 thì SSSC phát ra CSPK, ngƣợc lại khi Uq < 0 thì SSSC tiêu thụ CSPK. Việc thay đổi điện áp này đƣợc thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến áp. Bộ VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT) để tạo ra điện áp từ nguồn một chiều. 9
  10. 1.3.2.2. Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor controlled series capacitor (TCSC) Điều khiển CSPK chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn. TCSC là thiết bị bù nối tiếp trong FACTS. TCSC điều khiển điện kháng X của đƣờng dây thông qua việc dùng thyristor điều khiển đóng hay cắt dãy tụ kết nối vào đƣờng dây. Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc của TCSC Chức năng củaTCSC: - Giảm dao động điện áp. - Tăng khả năng truyền tải đƣờng dây bằng cách bù CSPK. - Tăng tính ổn định cho hệ thống điện. - Hạn chế hiện tƣợng cộng hƣởng tần số thấp trong hệ thống điện. 1.3.2.3. Bộ điều khiển công suất hợp nhất Unified Power Flow controller UPFC có thể đƣợc xem nhƣ bao gổm 2 VSC chung tụ điện trên phần DC của Chúng mắc đấu lƣng nhau và là một hệ thống điều khiển hợp nhất. Mô tả một nhánh đơn giản của UPFC đƣợc cho trong hình 3.5 UPFC cho phép điều khiển đồng thời trào lƣu công suất tác dụng và phản kháng, và độ lớn điện áp tại 10
  11. các giới hạn UPFC. Một sự lựa chọn, sự điều khiển này có thể đƣợc đặt để điều khiển một hoặc nhiều các thông số trong một vài tổ hợp hoặc không điều khiển chúng. Công suất tác dụng yêu cầu bởi bộ nghịch lƣu nối tiếp đƣợc rút ra bởi bộ nghịch lƣu mắc song song từ lƣới AC và đƣợc cung cấp đến nút m thông qua lƣới DC. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lƣu nối tiếp đƣợc cộng đến điện áp nút, lấy tại nút k, để nâng điện áp tại nút m. Độ lớn điện áp của điện áp ra VcR cung cấp sự điều chỉnh điện áp, và góc pha d cR xác định cách điều khiển trào lƣu công suất. Thêm vào đó một vai trò phụ trong việc thay đổi công suất tác dụng mà đó là nơi giữa bộ nghịch lƣu nối tiếp và hệ thống AC, bộ nghịch lƣu song song cũng có thể phát hoặc thu công suất phản kháng để cung cấp sự điều chỉnh độ lớn điện áp một cách độc lập tại điểm kết nối với hệ thống xoay chiều. Hình 1.5: Sơ đồ cấu trúc UPFC 1.3.2.4. Bộ bù tĩnh (SVC :Static Var Compensator) Điều khiển dòng CSPK trên lƣới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù. SVC là thiết bị bù song song trong FACTS. SVC điều chỉnh 11
  12. điện áp ở cực của nó bằng cách điều khiển lƣợng CSPK hấp thụ hay phát ra từ công suất hệ thống. Khi điện áp hệ thống thấp hơn điện áp SVC, thì SVC phát ra CSPK. Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc của SVC ngƣợc lại điện áp hệ thống cao hơn, thì SVC hấp thụ CSPK. Việc thay đổi CSPK thực hiện bằng việc chuyển mạch các tụ và cuộn kháng nối ở phía thứ cấp máy biến áp. Việc đóng cắt này đƣợc thực hiện bằng các thyristor. 1.3.2.5. Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM: Static Synchronous Compensator ) Điều khiển dòng CSPK trên lƣới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù. STATCOM là thiết bị bù song song trong FACTS. Hình 1.7: Sơ đồ cấu trúc của STATCOM STATCOM điều chỉnh điện áp ở đầu cực của nó bằng cách điều khiển lƣợng CSPK phát ra hay hấp thụ từ hệ thống. 12
  13. - Khi điện áp hệ thống thấp hơn điện áp STATCOM thì STATCOM phát ra CSPK. 1.4. NGUYÊN LÝ BÙ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Hình 1.8(a) trình bày mô hình đơn giản của hệ thống truyền tải điện. Hai lƣới điện đƣợc kết nối bằng một đƣờng dây truyền tải. Giả định rằng: Có tổn thất và đƣợc thể hiện bằng điện kháng XL. Điện áp của hai thanh cái là V1Ðd1 và V2Ðd 2 . Góc lệnh pha giữa hai điện áp thanh cái là d = d1 - d 2 . Giản đồ pha tƣơng ứng đƣợc trình bày trong hình 3.8(b). Biên độ của dòng điện chạy trong đƣờng dây truyền tải là: (1.4) Thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện tại thanh cái 1 là: (1.5) Công suất tác dụng và phản kháng tại thanh cái 1 là: (1.6) Tƣơng tự, thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện tại thanh cái 2 là: (1.7) 13
  14. Công suất tác dụng và phản kháng tại thanh cái 2 là: (1.8) Bus 2 Bus 1 V1 < 1 fx1 V1 < 2 V1 I ~ I ~ (a) (b) V1 < 2 P V1V2 P1=P2 = sin Pmax X2 1(c) 2 Hình 1.8: Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản; (b) giản đồ pha (c) đƣờng công suất – góc. Từ phƣơng trình (1.4) đến phƣơng trình (1.8) thấy rằng công suất tác dụng và phản kháng, dòng điện có thể đƣợc điều chỉnh bằng cách điều khiển điện áp, góc pha và tổng trở của hệ thống truyền tải. Nói chung, việc bù trong hệ thống truyền tải điện có thể đƣợc chia thành hai nhóm chính: Bù song song và bù nối tiếp. 1.4.1 Bù song song Bù song song, thông dụng nhất là bù kháng song song đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải điện để điều chỉnh biên độ điện áp, cải thiện chất lƣợng điện áp, và nâng cao ổn định hệ thống. Cuộn kháng đấu nối song song thƣờng đƣợc sử dụng để giảm quá điện áp đƣờng dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng. Trong khi đó, Tụ bù kết nối song song thƣờng đƣợc sử dụng để duy trì mức điện áp bằng cách bù công suất phản kháng đến đƣờng 14
  15. dây truyền tải. Mô hình đơn giản của hệ thống truyền tải có bù song song đƣợc trình bày trong hình 1.9(a). Biên độ điện áp của hai thanh cái đƣợc giả định bằng V, góc pha giữa chúng là d . Giả định tổn thất trên đƣờng dây truyền tải đƣợc thể hiện bằng kháng trở XL. Tại điểm giữa của đƣơng dây truyền tải kết nối một Tụ bù có điều khiển. Biên độ điện áp tại điểm kết nối là đƣợc duy trì bằng V. Nhƣ đã trình bày ở trên, công suất tác dụng tại thanh cái 1 và 2 là bằng nhau: (1.9) Công suất phản kháng bơm vào của tụ điện để điều chỉnh điện áp tại điểm giữa của đƣờng dây truyền tải đƣợc tính nhƣ sau: (1.10) Từ đƣờng cong công suất – góc thể hiện trong Hình 1.9 (c), công suất truyền tảicó thể đƣợc gia tăng đáng kể, và điểm đỉnh dịch chuyển từ d = 90o đến d = 180o .Đƣờng biên vận hành và ổn định hệ thống đƣợc gia tăng bằng cách bù song song.Chức năng hổ trợ điện áp của việc bù ở chính giữa có thể dễ dàng mở rộng đếnhổ trợ điện áp cuối đƣờng dây truyền tải dạng tia, bù công suất phản kháng ở cuốiđƣờng dây dạng tia là đặc biệt có hiệu quả trong việc nâng cao ổn định điện áp. 15
  16. Bus 2 V < /2 Bus 1 V1 < - 2 fX1/2 fX2/2 ~ I 1 C I 2 ~ (a) Ic PQ 4V V2 Q = 2 (1-cos ) 4Pmax X 2 P = 2V (n - /2) V < /2 Ic Ic 2Pmax X V2- /2 2 Pmax V P = (n - ) (c) n/2 n X (b) Hình 1.9: Hệ thống truyền tải điện có bù song song: (a) Mô hình đơn giản (b)Giản đồ pha; (c) Đƣờng cong Công suất – Góc pha 1.4.2. Bù nối tiếp Mục đích của bù nối tiếp để điều khiển trực tiếp tổng trở nối tiếp của cả đƣờng dây truyền tải điện. Xem lại các Phƣơng trình (1.4) đến (1.8), công suất xoay chiều AC bị giới hạn chính bởi tổng trở kháng của đƣờng dây truyền tải. Bù nối tiếp có thể gia tăng điện áp chống lại sụt áp của đƣờng dây truyền tải, vì vậy giảm đƣợc tổng trở nối tiếp đƣờng dây. Mô hình đơn giản của đƣờng dây truyền tải có bù nối tiếp đƣợc trình bày trong hình 1.10 (a). Giả định rằng: Biên độ điên áp của hai thanh cái đƣợc giả định nhƣ nhau là bằng V. Góc lệch giữa chúng là d . Bỏ qua tổn thất trên trở kháng XL. Tụ bù có điều khiển đƣợc nối tiếp vào đƣờng dây truyền tải với điện áp bơm vào Vinj. Giản đồ pha đƣợc trình bày trong Hình 1.10(b) Điện dung của tụ C khi nối vào điện kháng đƣờng dây: XC = kXL (1.11) 16
  17. Điện kháng toàn bộ của đƣờng dây truyền tải là: X = XL-XC =(1-k)XL (1.12) Công suất tác dụng đƣợc truyền tải là: (1.13) Bus 1 Bus 2 V < V < 0 1 JX1 ~ C ~ Vc V1 (a) PQ Vc 2KV2 Q = - 2 (1-cos V2 x(1- k ) 2P V < V < 0 max Pmax (b) (c) /2 x Hình 1.10: Hệ thống truyền tải có bù nối tiếp: (a) Mô hình đơn giản;(b)Giản đồ pha; (c) Đƣờng cong công suất-góc Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện đƣợc tính nhƣ sau: (1.14) Từ hình 1.10 (c) thể hiện đƣờng công suất – góc cho thấy rằng công suất truyền tải gia tăng theo k. 17
  18. Chƣơng 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. đƣờng dây truyền tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ thống điện. Các đƣờng dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hƣớng đi mong muốn theosự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt đƣợc sự phân bố công suất mong muốn. Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiều cấu trúc mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trƣớc đây có nhiều cấu trúc hình tia, cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải xác đinh. Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố công suất song song hoặc mạch vòng. Việc phân bố đó thƣờng xảy ra trong hệ thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đƣờng dây bị quá tải dƣới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp. Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện. Nó là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của các thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột ngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả của việc hƣ hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu loạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dƣới các điều kiện tác động ngẫu nhiên trở thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyền tải. Khả năng này thƣờng là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề đã trƣớc đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải đƣợc giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đƣờng dây và các giới hạn ổn định của hệ thống điện. Trong chƣơng này chúng ta quan tâm đến các vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm đến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định 18
  19. 2.1. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điện đƣợc phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu nhƣ ổn định góc rotor, điện áp và tần số. Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện đƣợc trình bày trong sơ đồ sau: Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tại tất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu loạn từ điều kiện vận hành trƣớc đó. Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi trạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệ thống điện. Ổn định điện áp đƣợc phân thành hai dạng dựa theo thời gian mô phỏng: Ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động. Phân tích ổn định điện áp tĩnh liên quan đến việc giải các phƣơng trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so với nghiên cứu ổn định điện áp động. Sự mất ổn định xuất hiện dƣới dạng thƣờng thấy là điện áp tăng lên hoặc giảm xuống của một số các thanh cái. Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là hệ thống bảo vệ relay sẽ tác động cắt điện một số phụ tải trong khu vực, hoặc cắt đƣờng dây truyền tải điện hoặc các phần tử khác mà điều này có 19
  20. thể dẫn đến mất ổn định đồng bộ của một số máy phát điện trong hệ thống. Trong luận văn này tác giả quan tâm đến việc ổn định điện áp của hệ thống điện và mô phỏng ổn định điện áp của hệ thống điện khi có các thiết bị điều khiển FACTS(STATCOM) bằng phần mềm Matlab/Simulink. Ổn định điện áp đƣợc phân thành bốn dạng: Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp trong ngắn hạn và ổn định điện áp trong dài hạn. Tóm tắt ngắn gọn các loại ổn định điện áp nhƣ sau: Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn: Khả năng của hệ thống điện để duy trì ổn định điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra nhƣ các sự cố hệ thống, ngắt máy phát điện, hoặc ngắn mạch. Khả năng này đƣợc xác định bởi đặc tính của hệ thống và phụ tải, và ảnh hƣởng của cả hệ thống điều khiển và bảo vệ. Nghiên cứu ổn định này quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây đến 10 phút. Ổn định điện áp nhiễu loạn bé: Khả năng của hệ thống để duy trì ổn định điện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé nhƣ việc gia tăng sự thay đổi trong hệ thống phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh hƣởng bởi đặc tính của phụ tải, việc điều khiển liên tục, và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho trƣớc. Ổn định điện áp trong ngắn hạn: liên quan đến tác động của các thành phần phụ tải thay đổi nhanh nhƣ mô-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị điện tử và các bộ chuyển đổi HVDC. Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây. Ổn định điện áp trong dài hạn: liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm hơn nhƣ máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máy phát điện có bộ hạn dòng. Thời gian quá độ có thể đƣợc mở rộng một vài phút và dài hơn nữa. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống. Việc cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị là một biện pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và 20
  21. hơn nữa là sụp đổ điện áp. Đặc tính P-V cho thấy điện áp ở thanh cái đầu cuối tỷ lệ nghịch với công suất truyền tải đƣợc minh họa trong Hình 2.2 sau đây: 1.2 Cã tô bï C 1 0.8 Kh«ng cã bï §iÓm giíi h¹n 0.6 Cã bï Statcom Cã bï SVC 0.4 §iÖn[p.u] ¸p 0.2 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 HÖ sè phô t¶i (LF) [p.u] Hình 2.2: Các đƣờng cong P-V không có bù, có bù song song Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm. Cuối cùng, điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã đƣợc đem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải công suất tác dụng thì sẽ dẫn đến giảm biên độ điện áp rất nhanh. Trƣớc khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rất lớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng. Chỉ bằng cách bảo vệ hệ thống khỏi bị sụp đổ điện áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hổ trợ công suất phản kháng trƣớc khi hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp. Các thiết bị FACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổn định điện áp. 2.2. CÁC GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Để tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành có các giới hạn truyền tải công suất. Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này đƣợc chia thành 3 dạng: giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định. 2.2.1. Giới hạn điện áp 21
  22. Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng đƣợc thiết kế để hoạt động ở công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng. Nghiêm trọng hơn nữa là có thể phá hủy thiết bị. Dòng điện chạy trong đƣờng dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong muốn trên đƣờng dây của hệ thống. Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ thống. Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các nguồn phát khác là không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp sẽ bị giảm. Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức. (Phụ thuộc vào tiêu chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống thƣờng yêu cầu hổ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hổ trợ thƣờng đƣợc xác định theo giới hạn truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủ để hổ trợ điện áp. 2.2.2. Giới hạn nhiệt Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện. Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hƣ hỏng quá nhiệt. Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ở mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hƣ hỏng do nhiệt. Việc hƣ hỏng này có thể là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện. Ngoài ra trong hệ thống điện, các đƣờng dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt. Việc phải thƣờng xuyên vận hành quá tải các đƣờng dây trên không làm cho cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng. Không giống thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là không khí làm mát lƣợng nhiệt năng phát ra. Các thiết bị này đƣợc hạn chế dòng điện để chúng mang tải 22
  23. một cách an toàn. Đối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do giảm cách điện. Hầu hết các thiết bị có thể đƣợc quá tải cho phép. Điều quan trọng là quá tải bao nhiêu và quá tải bao lâu. 2.2.3. Giới hạn ổn định Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thƣờng và trở lại trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống điện đƣợc thể hiện dƣới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành. Thông thƣờng, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau. Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đƣờng dây song song với nhau nhƣ hình 2.3a. Hình 2.3a : Hệ thống điện Từ phƣơng trình (2.1) và (2.2), công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc δ . Khi xảy ra sự cố trên đƣờng dây 1-2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra, điểm ngắn mạch đƣợc cô lập. Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm góc ban đầu δ0 thì xảy ra ngắn mạch, đƣờng công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột do tổng trở của đƣờng dây tăng lên, góc δ=δ0 , hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự cố tại điểm máy cắt cắt nhanh. Tại điểm 3 do công suất P điện lớn hơn công suất cơ PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm 5 xác lập một trạng thái ổn định mới với góc δss. Nếu tại điểm 4 máy phát không đƣợc hãm tốc và tiếp tục trƣợt dài nữa thì làm cho mất ổn định đồng bộ. 23
  24. Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơn phần diện tích hãm tốc Sht. Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiên cứu đặc tính động của hệ thống điện. Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của dòng công suất, điện áp, góc, và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ. Ổn định góc công suất là đƣợc chia thành hai dạng: Ổn định quá độ và ổn định giao động bé. §•êng c«ng suÊt Pmax tr•íc khi sù cè §•êng c«ng suÊt sau sù cè HÖ thèng æn ®Þnh h1 PM M¸y ph¸t mÊt æn ®Þnh ®ång bé M¸y c¾t c¾t nhanh S HÖ thèng bÞ sù cè 0 90 1800 Gãc c«ng suÊt Hình 2.3b : Đƣờng cong công suất-góc . 2.2.3.1. Ổn định quá độ Ổn định quá độ đƣợc định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn. Nó đƣợc xác định bằng cách hệ thống đáp ứng đƣợc các nhiễu loạn lớn. Hệ thống đƣợc gọi là ổn định quá độ nếu nó có thể vƣợt qua đƣợc nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, ngƣợc lại hệ thống là không ổn định nếu nó không thể vƣợt qua đƣợc. Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trị góc hệ thống bắt đầu tăng nhƣng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ thống ổn định quá độ. Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotor máy phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu 24
  25. của hệ thống và độ lớn của nhiễu loạn. Để minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống, xem Hình 2.4, hình này thể hiện góc lệch của hai hệ thống: ổn định quá độ và không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn xảy ra. (a) Gãc c«ng suÊt c«ng Gãc Thêi gian (s) (b) Gãc c«ng suÊt c«ng Gãc Thêi gian (s) Hình 2.4: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ(a) và hệ thống mất ổn định (b) Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợi cho ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đƣờng dây truyền tải dài và nhà máy ở xa hầu nhƣ dễ bị mất ổn định quá độ. Phƣơng pháp để phân tích giới hạn quá độ là nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nối đến hệ thống sau khi hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn. Kỹ thuật sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống. 2.2.3.2. Ổn định dao động bé Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của của hệ thống điện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là đặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện. Nhiễu loạn điện áp, tần số, góc và dòng công suất có thể đƣợc kích thích bởi nhiều sự kiện khác nhau. Điều này có thể trở thành vấn đề phức tạp khi hệ thống kích từ của máy phát bị sự cố. Các nhiễu loạn đó có thể phát triển thành lớn đến nổi hệ thống trở thành nhiễu loạn mất ổn định. Dao đông mất ổn định có thế bắt đầu khi biên độ dao động công suất nhỏ và vô hại. Tuy nhiên, dao động này có thể phát triển lớn lên đến nổi hệ 25
  26. thống bắt đầu tách ra. Đƣờng dây truyền tải và máy phát điện có thể bị cắt do các dao động này. Dao động mất ổn định có thể kéo dài hàng giờ hoặc nó có thể xảy ra trong một vài giây sau khi có nhiễu loạn lớn. Hệ thống có thể phục hồi từ các nhiễu loạn lớn nhƣng nó cũng có thể dần dần chuyển sang giai đoạn dao động lớn và trở thành dao động mất ổn định. Hình 2.5 thể hiện hệ thống, lần lƣợt là giao động bé ổn định, dao động ổn định và mất ổn định. Gãc (a) Gãc (b) Gãc (c) Hình 2.5: Độ thay đổi góc của HT ổn định dao động bé(a), HT ổn định dao động(b), HT mất ổn định (c) Giới hạn nhiệt luôn luôn cao nhất và đƣợc quan tâm đối với các đƣờng dây truyền tải đến 100 dặm. Giới hạn điện áp luôn cao hơn giới hạn ổn định (quá độ hoặc dao động bé), giới hạn ổn định điện áp đƣợc quan tâm đối với các đƣờng dây truyền tải có độ dài trung bình từ 100 đến 300 dặm. Các giới hạn biến đổi ổn định động là thấp nhất và liên quan đến các đƣờng dây truyền tải có độ dài hơn 300 dặm. Nâng cao công sức truyền tải, nghĩa là di chuyển các giới hạn khác của hệ thống điện sang giới hạn nhiệt. 26
  27. 80000 Giíi h¹n nhiÖt Phô t¶i cña ®•êng d©y (MW) 765kV 5000 4000 Giíi h¹n ®iÖn ¸p 3000 Giíi h¹n 500kV æn ®Þnh 2000 345 kV 1000 230kV 0 0 100 200 300 600 §é dµi cña ®•êng d©y (dÆm) Hình 2.6: Giới hạn vận hành của đƣờng dây theo các mức điện áp 2.2.3.3. Các ứng dụng của STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản kháng và nâng cao ổn định điện áp Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lƣợng điện năng. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong HTĐ ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thƣờng hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động nhƣ tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển đƣợc, gọi là sụp đổ điện áp. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thƣờng là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thƣờng và đột biến. Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp mà luận văn này trình bày là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS. Với độ nhanh nhạy, chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống. 27
  28. 2.3. STATCOM 2.3.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn điện áp, nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho HTĐ. Cấu trúc cơ bản đƣợc thể hiện trong hình 2.7, bao gồm: một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) đƣợc nối về phía thứ cấp của máy biến áp ghép; nguồn điện áp DC Q V1 V2 Vdc VSC Hình 2.7: Cấu trúc cơ bản của STATCOM 2.3.2. Nguyên lý hoạt động của STATCOM Việc thay đổi CSPK đƣợc thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến áp. VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để điều chế điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn một chiều. Nguồn một chiều này đƣợc lấy từ tụ điện. Nguyên lý hoạt động của STATCOM đƣợc chỉ rỏ trong hình 2.8, thể hiện công suất tác dụng và phản kháng truyền giữa điện áp hệ thống để điều khiển là V1 và điện áp đƣợc tạo ra bởi VSC là V2. STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi giữa STATCOM và HTĐ. 28
  29. Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V2 là cùng pha với V1 (δ = 0), do đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải. Bằng cách điều khiển điện áp V2 tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp V1 của hệ thống nhƣng có biên độ lớn hơn khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc này dòng điện Iq hoạt động nhƣ một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống, qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên. Ngƣợc lại, nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này dòng điện Iq hoạt động nhƣ một điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế quá điện áp trên lƣới điện. Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC và điện áp hệ thống V1 bằng nhau thì không có trao đổi công suất phản kháng. hình 2.9 là sơ đồ nguyên lý trao đổi CSPK và CSTD giữa bộ bù và lƣới. 29
  30. Vc V1 P Q V2 L XL O1 O2 V2 ~ Hình 2.9: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực Ta có CSTD và CSPK trao đổi giữa hai nguồn V1 (lƣới) và V2 (bộ bù): (2.1) Trong đó: V1 và θ1 : Điện áp lƣới cần điều chỉnh và góc lệch pha. V2 và θ2 : Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha. XL : Điện kháng kết nối giữa lƣới và bộ bù. δ : Góc lệch pha giữa điện áp lƣới và điện áp bộ bù. Trong chế độ hoạt động chỉ bù CSPK thì δ = 0 do đó từ (2.1) ta có: (2.2) Từ (2.2) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V1 – V2). - Khi V1 = V2 thì Q = 0 bộ bù không phát ra hay hấp thụ CSPK. - Khi V1 > V2 thì Q > 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tƣơng ứng dòng cảm kháng IL chậm sau V1, V2 một góc 900, lƣới sẽ truyền CSPK vào bộ bù (STATCOM hấp thụ CSPK). 30
  31. y x Hình 2.10: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù - Khi V1 < V2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tƣơng ứng dòng điện dung IC vƣợt trƣớc V1, V2 một góc bằng 900 bộ bù phát CSPK lên lƣới điện. y x Hình 2.11: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của bộ bù trong khi giữ góc lệch δ = 0 ta có thể điều khiển dòng CSPK trao đổi giữa lƣới và bộ bù. 2.4. Bộ điều khiển hệ thống điện hiện đại dựa trên chuyển đổi điện tử công suất có khả năng tạo ra công suất phản kháng mà không cần phải cho các yếu tố năng lƣợng phản kháng lƣu trữ lớn, chẳng hạn nhƣ trong các hệ thống SVC. Điều này đạt đƣợc bằng cách làm cho các dòng điện lƣu thông qua các pha của hệ thống AC với sự hỗ trợ của các thiết bị chuyển đổi nhanh. Các thiết bị bán dẫn đƣợc sử dụng trong thế hệ mới của bộ chuyển đổi điện tử công suất các loại hoàn toàn kiểm soát, chẳng hạn nhƣ transistor lƣỡng cực có cổng cách 31
  32. điện (IGBT) và khóa đóng mở (GTO). Các biểu tƣợng mạch tƣơng ứng của chúng đƣợc thể hiện trong hình 2.12. Hình 2.12: Thiết bị bán dẫn: (a) GTO và (b) IGBT GTO là một phiên bản tiên tiến hơn của thyristor thông thƣờng, với một tƣơng tự nhƣ đóng mạch đặc trƣng nhƣng với khả năng ngắt mạch tại một thời điểm khác nhau khi dòng điện xuôi tự nhiên giảm xuống dƣới mức dòng điện duy trì. Nhƣ vậy thêm chức năng đã cho phép lĩnh vực ứng dụng mới trong ngành công nghiệp đƣợc phát triển, ngay cả ở truyền tải điện số lƣợng lớn mà ngày nay nó có thể chuyển hƣớng công suất tác dụng ở mức MW. Tuy nhiên, có chỗ cho cải tiến trong xây dựng và thiết kế, nơi vẫn còn lớn xung tiêu cực là cần thiết để loại chúng. Hiện nay, tần số chuyển đổi tối đa đạt đƣợc là theo thứ tự của 1 kHz. IGBT là một trong những phát triển tốt nhất các thành viên gia đình của transistor công suất. Nó là thiết bị phổ biến nhất đƣợc sử dụng trong lĩnh vực của truyền động AC và DC, đạt mức công suất của một vài trăm kW. Bộ biến đổi công suất nhằm vào các ứng dụng hệ thống điện đang bắt đầu sử dụng IGBT nhờ vào khả năng xử lý điện năng ngày càng tăng và tổn hao truyền dẫn tƣơng đối thấp. Tiến bộ hơn nữa dự kiến trong ứng dụng và công nghệ IGBT, GTO. Trong bộ chuyển đổi DC-AC sử dụng thiết bị bán dẫn hoàn toàn kiểm soát chứ không phải là thyristors thông thƣờng, các đầu vào DC có thể là một nguồn điện áp (thƣờng là một tụ điện) hoặc một nguồn dòng điện (thƣờng là một nguồn điện áp nối tiếp với điện cảm). Với tham chiếu đến nguyên tắc hoạt động cơ bản, bộ chuyển đổi có thể đƣợc phân loại nhƣ một trong hai chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) hoặc chuyển đổi nguồn dòng điện. Đối với các lý do kinh tế và hiệu suất, bộ điều khiển công suất 32
  33. phản kháng hầu hết đƣợc dựa trên cấu trúc liên kết của VSC. Tính sẵn có của các chất bán dẫn hiện đại với mức điện áp và dòng điện tƣơng đối cao, chẳng hạn nhƣ GTO hoặc IGBT, đã thực hiện các khái niệm bù công suất phản kháng dựa trên bộ chuyển đổi chuyển mạch chắc chắn, ngay cả đối với các ứng dụng công suất cao đáng kể. Một số bộ điều khiển hệ thống điện sử dụng VSC là khối xây dựng cơ bản của chúng đang hoạt động trong các bộ phận khác nhau trên thế giới. Phổ biến nhất là: STATCOM, SSSC, UPFC và HVDC-VSC. 2.4.1. Bộ Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC: Voltage Source Converter) Mục đích chính của VSC là để tạo ra một điện áp AC từ điện áp DC, đó đƣợc gọi là một bộ biến đổi DC-AC. Nó có thể tạo ra một điện áp AC cân đối với một cƣờng độ và tần số mong muốn, có thể đƣợc cố định hoặc thay đổi theo ứng dụng. VSC là các khối xây dựng của STATCOM và các thiết bị FACTS. Mục tiêu chung của các cấu trúc liên kết là: để giảm thiểu tần số hoạt động của các chất bán dẫn bên trong VSC và để sản xuất một dạng sóng điện áp hình sin chất lƣợng cao với tối thiểu hoặc không có yêu cầu về bộ lọc. Bằng một ví dụ, cấu trúc liên kết của VSC ba pha hai cấp truyền thống sử dụng thiết bị chuyển mạch IGBT đƣợc minh họa trong hình 2.13. VSC đƣợc hiển thị trong hình 2.13 gồm có 6 IGBT, với hai IGBT đặt trên mỗi chân. Hơn nữa, mỗi IGBT đƣợc cung cấp với một diode kết nối đối song để thực hiện các quy định cho đảo chiều điện áp có thể do điều kiện mạch điện bên ngoài. Hai tụ điện có kích thƣớc nhƣ nhau đƣợc đặt ở phía DC để cung cấp một nguồn công suất phản kháng. Mặc dù không đƣợc hiển thị trong mạch hình 2.13, các mô-đun điều khiển chuyển đổi là một phần không thể thiếu của VSC. Nhiệm vụ của nó là để kiểm soát trình tự chuyển đổi của các thiết bị bán dẫn khác nhau trong VSC, 33
  34. + - Ta+ Tb+ Tc+ V DC Da+ Dc+ Dc- 2 Vab - Vc V o a DC b + Ta- Tb- Tb- Vbc c Vb V DC Db- 2 Da- Dc- - - Vc Hình 2.13: Cấu trúc liên kết của một VSC ba pha hai cấp sử dụng IGBT Nhằm tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra, đó là gần một dạng sóng hình sin càngtốt, với khả năng điều khiển công suất cao và tổn thất chuyển đổi nhỏ nhất. Một tụ điện nối về phía DC của VSC hoạt động nhƣ một nguồn điện áp DC. Ở trạng thái xác lập điện áp V2 phải đảo pha hơn điện áp V1 để bù cho máy biến áp và tổn thất VSC và giữ tụ điện đƣợc nạp. VSC chuyển đổi chiến lƣợc hiện nay nhằm mục đích ứng dụng các tiện ích điện, hai công nghệ VSC có thể dùng: VSC dùng nghịch lưu sóng vuông: (Chuyển đổi tần số cơ bản) Dựa vào thiết bị GTO và máy biến áp ghép đặc biệt. Bốn bộ nghịch lƣu 3 pha đƣợc dùng để tạo ra dạng sóng điện áp 48 bƣớc. Máy biến áp ghép đặc biệt dùng để triệt tiêu sóng hài có trong dạng sóng vuông đƣợc tạo ra bởi các bộ nghịch lƣu riêng lẽ. VSC kiểu này, thành phần điện áp V2 tỉ lệ với điện áp Vdc. Do đó, Vdc phải thay đổi theo sự điều chỉnh công suất phản kháng. -VSC dùng nghịch lưu PWM: (Điều chế độ rộng xung) Dựa vào thiết bị IGBT, phƣơng pháp này điều khiển cho phép các thiết bị chuyển mạch đƣợc đóng và ngắt với tốc độ cao hơn đáng kể so với tần số cơ bản. Các dạng sóng đầu ra đƣợc cắt nhỏ và độ rộng của các xung kết quả là điều chế. Bộ nghịch lƣu này dùng công nghệ để tổng hợp dạng sóng sin từ một nguồn điện áp DC với tần số ngắt khoảng vài kHz. Điện áp sóng hài có thể đƣợc khử 34
  35. bằng các bộ lọc nối về phía AC của VSC. VSC kiểu này dùng giá trị điện áp Vdc cố định. Điện áp V2 đƣợc thay đổi bởi sự điều biến của bộ điều biến PWM. 2.4.2. Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) Phƣơng pháp điều khiển PWM cơ bản có thể đƣợc giải thích với tham khảo hình 2.14, trong đó một tín hiệu hình sin tần số cơ bản đƣợc so sánh với một tín hiệu tam giác tần số cao, sản xuất một tín hiệu sóng vuông, phục vụ mục đích kiểm soát bắn của các van riêng lẻ của một cấu trúc liên kết chuyển đổi nhất định, chẳng hạn nhƣ một trong những thể hiện trong hình 2.14. Hình 2.14: Hoạt động của PWM: 35
  36. (a) so sánh của một tần số cơ bản hình sin với mộttín hiệu tam giác tần số cao; (b) kết quả của tín hiệu sóng vuông; (c) quang phổ điệnáp sóng hài. Các tín hiệu hình sin và tam giác, và tần số liên quan của chúng, đƣợc gọi tƣơng ứng là tín hiệu tham chiếu và tần số mang. Bằng cách thay đổi biên độ của tín hiệu hình sin so với biên độ cố định của tín hiệu sóng mang, thƣờng là đƣợc giữ ở mức 1 pu, biên độ của các thành phần cơ bản của tín hiệu điều khiển thay đổi tuyến tính. Trong hình 2.14 (a) – 2.14 (c), tần số mang fs là thực hiện đƣợc 9 lần tần số mong muốn f1. Độ rộng của sóng vuông đƣợc điều chế một cách dạng hình sin, các thành phần cơ bản và sóng hài có thể đƣợc xác định bằng cách phân tích Fourier. Để xác định độ lớn và tần số của kết quả về cơ bản và sóng hài, nó rất hữu ích để sử dụng các khái niệm về tỷ lệ điều chế biên độ, ma, và tỷ lệ điều chế tần số mf (2.3) Trong đó: Vcontrol biên độ đỉnh của tín hiệu hình sin (điều khiển) Và Vtri là biên độ đỉnh của tín hiệu tam giác (sóng mang) đƣợc giữ không đổi. Với tham chiếu đến bộ chuyển đổi "một chân" thể hiện trong hình 2.16, tƣơng ứng với một chân của bộ chuyển đổi ba pha của hình 2.13, các thiết bị chuyển mạch Ta+ và Ta- đƣợc kiểm soát bằng cách so sánh đơn giản của vcontrol và vtri dẫn đến điện áp đầu ra sau đây: (2.5) 36
  37. Trong phƣơng trình (4.5), nhận thấy vao = VDC/2 khi Ta+ trong đáp ứng vcontrol > vtri, và vao = - VDC/2 khi Ta- trong đáp ứng vcontrol 3.24. -Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Sơ đồ miêu tả nguyên lý làm việc của bộ nghịch lƣu PWM: 37
  38. Hình 2.17: Sơ đồ mạch lực nghịch lƣu PWM Sơ đồ thay thế một pha: Hình 2.18: Sơ đồ thay thế một pha nghịch lƣu PWM Trong đó: L, R là điện trở và điện cảm đƣờng dây. UL là điện áp nguồn. US là điện áp của bộ biến đổi. Nhận thấy rằng nghịch lƣu PWM có cấu trúc phần cứng giống nhƣ bộ nghịch lƣu nguồn áp VSC do đó US phụ thuộc vào hệ số điều chế của VSC và điện áp trên tụ. Điện cảm L nối giữa lƣới và nghịch lƣu PWM là một phần không thể thiếu của mạch nghịch lƣu đóng vai trò nhƣ thành phần tích phân của hệ và một nguồn dòng để tạo đặc tính nâng của nghịch lƣu PWM. Điện áp 38
  39. rơi trên cuộn cảm L là U1 chính là hiệu giữa điện áp nguồn UL và điện áp của bộ biến đổi US: U1= UL - US (2.6) Với UL không đổi do là điện áp nguồn do đó sẽ điều khiển đƣợc U1 thông qua điều khiển US. Từ việc điều khiển đƣợc U1 ta sẽ điều khiển đƣợc dòng điện iL chạy trên đƣờng dây. Hình 2.19: Giản đồ vectơ nghịch lƣu PWM Khi điều khiển iL trùng với UL hoặc ngƣợc với UL thì cosφ = 1 thể hiện dƣới đồ thị vectơ nhƣ sau: Hình 2.20: Giản đồ vetơ nghịch lƣu PWM (a) Khi iL trùng với UL , (b) Khi iL ngƣợc với UL 39
  40. Khi iL trùng với UL thì công suất truyền từ lƣới về tải, khi iL ngƣợc với UL thì công suất truyền từ tải ra lƣới và nhƣ vậy công suất có thể truyền theo hai chiều từ lƣới về tải và từ tải về lƣới. Với cấu trúc phần cứng gồm bộ nghịch lƣu nguồn áp VSI và tụ C nên có thể sử dụng nghịch lƣu PWM để thực hiện chức năng của mạch lọc tích cực với cùng thuật toán điều khiển nhƣ bộ lọc tích cực. 2.4.3 Nguyên tắc hoạt động của VSC: Static Var Compensator Sự tƣơng tác giữa VSC và hệ thống điện có thể đƣợc giải thích trong thuật ngữ đơn giản, bằng cách xem xét một VSC kết nối với nguồn điện AC thông qua một cuộn kháng, nhƣ đƣợc minh họa trong sơ đồ đơn tuyến trong hình 2.21 (a). Hình 2.21: Hoạt động của VSC: (a) VSC kết nối với một hệ thống thanh cái; (b)hoạt động sớm pha và (c) hoạt động chậm pha Giả thiết là biên độ và góc pha của sụt điện áp, Vx, trên cuộn kháng, Xl, có thể đƣợc kiểm soát, xác định lƣợng và hƣớng của dòng chảy công suất tác dụng và phản kháng qua Xl. Điện áp tại thanh cái cung cấp là dạng sóng hình sin, có giá trị Vs0o, và các thành phần tần số cơ bản của điện áp AC tạo ra bởi VSC đƣợc thực hiện VvRδvR. Trình tự đại diện tích cực tần số cơ bản vector đƣợc hiển thị tƣơng ứng trong hình 2.21 (b) và hình 2.21 (c) 40
  41. sớm và chậm bù Var. Theo hình 2.21, lƣợng công suất tác dụng và phản kháng có thể đƣợc diễn tả nhƣ: Với tham chiếu đến hình 2.21 và phƣơng trình (4.7), lời nhận xét sau đây đƣợc rút ra: Điện áp tạo ra bởi VSC, VvR, chậm pha so với nguồn điện áp AC, Vs, bởi một góc δvR, và dòng điện đầu vào chậm pha so với sụt điện áp trên cuộn kháng Vx một góc /2. Dòng công suất tác dụng giữa nguồn AC và VSC đƣợc điều khiển bởi góc pha δvR. Công suất tác dụng chảy vào VSC từ nguồn AC chậm một góc δvR (δvR > 0) và chảy ra của VSC từ nguồn AC sớm một góc δvR (δvR Vs, VSC cung cấp công suất phản kháng và tiêu thụ công suất phản kháng khi VvR < Vs. Điện áp tụ điện DC là VDC, đƣợc điều khiển bằng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng đi vào VSC. Trong quá trình hoạt động bình thƣờng, một lƣợng nhỏ công suất tác dụng phải chảy vào VSC để bù cho các tổn thất điện năng bên trong VSC, và góc δvR hơi lớn hơn so với 0o (chậm). 2.5. STATCOM hình 2.22, thể hiện sơ đồ đơn tuyến của STATCOM và sơ đồ khối hệ thống điều khiển của nó. Hệ thống điều khiển bao gồm: Một vòng khóa pha (PLL) đồng bộ hóa trên các thành phần thứ tự dƣơng của điện áp ba pha sơ cấp V1. Đầu ra của PLL (góc θ = ωt) đƣợc sử dụng để tính toán các thành phần dọc trục và ngang trục của điện áp và dòng điện ba pha AC (đƣợc ghi nhãn là Vd, Vq hoặc Id, Iq trên sơ đồ). Các hệ thống đo lƣờng đo các thành phần d và q của điện áp và dòng điện thứ tự dƣơng AC đƣợc điều khiển cũng nhƣ điện áp DC, Vdc. Một vòng lặp điều chỉnh bên ngoài bao gồm một bộ điều chỉnh điện áp AC và bộ điều chỉnh điện áp DC. Các đầu ra của bộ điều chỉnh điện áp AC là dòng điện quy chiếu Iqref cho điều chỉnh dòng điện (Iq = dòng điện vuông góc với điện áp mà điều khiển dòng chảy công suất phản kháng). Các đầu ra 41
  42. của bộ điều chỉnh điện áp DC là dòng điện quy chiếu Idref cho điều chỉnh dòng điện (Id = dòng điện cùng pha với điện áp mà điều khiển dòng công suất tác dụng). Hình 2.22: Hệ thống điều khiển của STATCOM Một vòng lặp điều chỉnh dòng điện bao gồm bộ điều chỉnh dòng điện. Điều chỉnh dòng điện điều khiển độ lớn và pha của điện áp đƣợc tạo ra bởi bộ chuyển đổi PWM (V2d V2q) từ những dòng điện quy chiếu Idref và Iqref tạo ra tƣơng ứng bằng cách điều chỉnh điện áp DC và điều chỉnh điện áp AC (trong chế độ điều khiển điện áp). Điều chỉnh dòng điện đƣợc hỗ trợ bởi một nguồn cấp dữ liệu về phía trƣớc điều chỉnh loại dự báo điện áp đầu ra V2 (V2d V2q) từ đo V1 (V1d V1q) và điện kháng rò rỉ biến áp. 2.6. Các đặc tính của STATCOM STATCOM có thể hoạt động ở hai chế độ khác nhau, có thể phụ thuộc vào chất bán dẫn công suất đƣợc sử dụng: [10],[11]. Trong chế độ điều chỉnh điện áp (điện áp đƣợc quy định trong giới hạn nhƣ đƣợc giải thích dƣới đây). 42
  43. Trong chế độ điều khiển var (đầu ra công suất phản kháng STATCOM đƣợc giữ không đổi). Khi STATCOM đƣợc vận hành trong chế độ điều chỉnh điện áp, nó thực hiện các đặc tính V-I sau đây: Hình 2.23: Đặc tính V-I của STATCOM Miễn là dòng phản kháng trong phạm vi giá trị dòng điện (-Imax, Imax) áp đặt bởi các đánh giá chuyển đổi, điện áp đƣợc quy định tại điện áp tham chiếu Vref. Tuy nhiên, một droop điện áp thƣờng đƣợc sử dụng (thƣờng là giữa 1% và 4% đầu ra tối đa công suất phản kháng), và đặc tính V-I có độ dốc chỉ ra trong hình 2.22. Trong chế độ điều chỉnh điện áp, đặc tính V-I đƣợc mô tả bởi phƣơng trình sau: V = Vref + XsI (2.8) Trong đó: V - điện áp thứ tự dƣơng (pu). I - dòng phản kháng (pu/ Pnom) (I > 0 cho thấy một dòng điện cảm). 43
  44. Xs - kháng dốc (pu/Pnom). Pnom - công suất tiêu chuẩn 3 pha của bộ chuyển đổi. Hình 2.24: Đặc tính V-Q của STATCOM 2.7. Mô hình hóa STATCOM 2.7.1. Mô hình mạch Chuyển đổi nguồn điện áp dựa trên STATCOM là cấu trúc liên kết chiếm ƣu thế trong thực tế. hình 2.25 là sơ đồ mạch của một STATCOM điển hình. Trong đó: ia, ib, ic : Dòng điện đƣờng dây. Va, Vb, Vc : Pha điện áp chuyển đổi. ea, eb, ec : Điện áp pha nguồn AC. Vdc =Vpn : Điện áp phía DC. Ip : Dòng điện phía DC. L : Điện cảm của bộ điện kháng đƣờng dây. R : Điện trở của bộ điện kháng đƣờng dây. C : Tụ điện phía DC. 44
  45. Hình 2.25: Mạch tƣơng đƣơng mô hình hóa của STATCOM 2.7.2. Mô hình toán STATCOM Dựa vào mạch tƣơng đƣơng của STATCOM đƣợc hiển thị trong hình 2.25, chúng ta có thể lấy đƣợc các mô hình toán học STATCOM nhƣ sau: Từ nguyên lý điện tử công suất chúng ta có đƣợc (2.9) Trong đó: Dkp: là chuyển đổi chức năng và k = a, b, c. (2.10) Từ nguyên lý mạch chúng ta có: 45
  46. (2.11) (2.12) (2.13) Và (2.14) Phƣơng trình này có thể đƣợc mở rộng nhƣ sau: (2.15) Tƣơng tự, chúng ta có thể đƣợc: (2.16) (2.17) Đặt phƣơng trình (4-15), (4-16) và (4-17) cùng nhau chúng ta có: (2.18) 46
  47. Áp dụng phƣơng trình (4-10) vào phƣơng trình (4-18): (2.19) (2.20) Nó đƣợc phổ biến thực tế trong ứng dụng hệ thống điện để biến đổi 3 pha AC động lực học vào các thành phần trực giao (thẳng góc) trong một khung tham chiếu quay. Ở đây các thành phần đƣợc gọi là các thành phần hiệu dụng và phản kháng. Từ lý thuyết hệ thống điện, chúng ta nhận đƣợc các dòng điện hiệu dụng và phản kháng liên quan đến một khung tham chiếu quay với tần số góc ω nhƣ: (2.21) Và (2.22) Trong đó: id - thành phần dòng điện tác dụng. iq - thành phần dòng điện phản kháng. Sau đó chúng ta có: 47
  48. (2.23) Trong đó: (2.24) Nếu chúng ta thiết lập T là không gian con của ma trận T , chúng ta có thể nhận (2.25) Tƣơng tự chúng ta có thể nhận đƣợc (2.26) (2.27) 48
  49. Áp dụng phƣơng trình (2.25) với phần bên trái của phƣơng trình (2.19). (2.28) Áp dụng phƣơng trình (2.26) và (2.27) để phƣơng trình (2.19). (2.29) Từ nguyên lý hệ thống điện, chúng ta có đƣợc: (2.30) Nhân T cho cả hai bên của phƣơng trình (4-29) và áp dụng phƣơng trình (4- 30), (2.31) Áp dụng phƣơng trình (2.25) và (2.27) để phƣơng trình (4.20), chúng ta có: 49
  50. (2.32) Dẫn đến: (2.33) Sắp xếp lại phƣơng trình (2.30) và (2.31) chúng ta có đƣợc: (2.34) (2.35) (2.36) Cuối cùng, nhận thấy rằng chúng ta có thể đại diện cho vòng ngoài năng động của STATCOM, kết quả năng động từ bất kỳ chuyển đổi chức năng Dk tùy ý, thể hiện trong phƣơng trình (2.35) trong hình thức không gian tiêu chuẩn của trạng thái) 50
  51. (2.37) Điều này hoàn thành mô hình năng động của STATCOM nhƣ phƣơng trình (2.36). Từ mô hình chúng ta có thể thấy trạng thái của các vòng lặp năng động của STATCOM là id, iq và Vdc có thể đƣợc coi là một tham số hệ thống không đổi. Các biến điều khiển là Dd, Dq. Lƣu ý rằng đây là một hệ thống song tuyến tính và đƣợc ứng dụng, trạng thái điều khiển đầy đủ phản hồi của STATCOM, đại diện cho một hệ thống phi tuyến. 51
  52. Chƣơng 3. STATCOM ABB 3.1. Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi chế độ, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lƣợng trong hệ thống điện. Một trong những đại lƣợng đó chính là đại lƣợng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thƣờng là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cho hệ thống điện một cách kịp thời. Theo các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học đã cho ta thấy rằng việc đáp ứng hiệu quả của STATCOM trong mọi chế độ của hệ thống điện phụ thuộc vào tính năng làm việc của bộ điều khiển STATCOM. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn bộ STATCOM nhƣ thế nào là hợp lý, cũng nhƣ dung lƣợng bù tối ƣu trong phân tích ở chế độ xác lập, chế độ quá độ là mối quan tâm hàng đầu trong việc đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng và nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện. 3 ABB 3.2.1. Energy Storage Systems (ESS) hệ thống lƣu trữ năng lƣợng. Trong truyền tải và cung cấp năng lƣợng điện, một trong những yêu cầu cần thiết là giữ ổn định các đại lƣợng và thông số của hệ thống. Tuy nhiên, phụ tải thay đổi là ngẫu nhiên và những sự cố trong quá trình vận hành khai thác cũng hoàn toàn không chủ động. Mặt khác, trên biểu đồ năng lƣợng ngƣời ta phân chia ra: Thời gian cao điểm, thời gian thấp điểm theo năm, theo mùa, theo ngày Vì vậy để năng lƣợng ổn định trên hệ thống ngƣời ta cần phải có các thiết bị dự trữ năng lƣợng. Việc dự trữ năng lƣợng sẽ giúp cho ngƣời vận hành hệ thống chủ động trong rất nhiều tình huống và là một khâu rất cần thiết trong kỹ thuật. ESS có thể là phụ tải khi năng lƣợng lƣới ở thời gian thấp điểm dƣ thừa. 52
  53. ESS có thể là trạm phát khi năng lƣợng trên lƣới thiếu hụt và ESS là một bộ giảm chấn “ khi có những xung năng lƣợng phát sinh trên hệ thống lƣới điện”. Xuất phát từ các lý do cơ bản này nên hãng ABB đã đƣa ra mô hình lƣới điện với các ESS trên tất cả hệ thống trong các vai trò quan trọng trên. Hình 3.2 trình bày hệ thống cung cấp năng lƣợng với sự có mặt của ESS. Đây là dự án thí điểm của hãng ABB về hệ thống STATCOM: Trong giai đoạn từ 1990 – 2000 hoàn thành dự án thí điểm về tính khả thi kỹ thuật Từ 2001 – 2010 hoàn thành dự án thí điểm về tính khả thi thƣơng mãi Từ 2011 – 2015 hoàn thành dự án thí điểm tích hợp lƣới điện. Hình 3.1 Các giai đoạn thực hiện dự án thí điểm của ABB 53
  54. Hình 3.2 Sơ đồ bố trí lắp đặt hệ thống ESS Điện năng đƣợc sản xuất từ các nhà máy điện đƣợc và đƣợc truyền tải đến trạm biến áp tằng áp 20kV/220kV. Trên thanh cái thứ cấp của máy biến áp tăng áp, công ty lắp một trạm ESS, trạm này là nơi tích lũy năng lƣợng và dùng nhƣ 54
  55. tải để san phẳng khi công suất phát lớn ở lƣới điện 220kV. Trên đƣờng dây 220kV đi đến các tải ngƣời ta lắp đặt trạm ESS. Trạm này có tác dụng cấp điện trở lại khi hệ thống mất điện lƣới 220kV Từ các nhà máy điện chạy bằng sức gió hoặc năng lƣợng mặt trời sẽ có những trạm biến áp tăng áp 20kV/110kV. Tại thanh cái thứ cấp trạm biến áp này ngƣời ta lắp đặt một trạm ESS nữa, trạm này có tác dụng là nơi lữu trữ năng lƣợng để phục hồi công suất lƣới. Tại các thanh cái 110kV ngƣời ta lắp đặt những trạm ESS, những trạm này dùng để điều chỉnh tần số lƣới điện, Tại thanh cái thứ cấp của trạm biến áp hạ áp 110kV/20kV ngƣời ta lắp đặt thêm trạm ESS làm tải giữ ổn định cho lƣới điện 20kV. Và tại các thanh cái cấp nguồn cho tải ở điện áp 20kV ngƣời ta đặt trạm ESS vào làm tải dùng để chống đỉnh xung công suất. Tại các vị trí hệ thống ESS đều đƣợc lắp đặt tại thanh cái đặt ngay tại các trạm biến áp nhằm mục đích bù công suất kháng cho toàn hệ thống mà trạm biến áp đó cung cấp. 3.2.2 Điều khiển năng lƣợng lƣu trữ Energy Storage Drivers (ESD) Năng lƣợng dự trữ trên lƣới cầu phải đƣợc điều khiển một cách hợp lý và khoa học. Ở đây, việc điều khiển phải mang tính hệ thống vì thực tế dù ở lƣới nào thì các đại lƣợng chính: Điện áp, tần số cần phải đƣợc ổn định. Năng lƣợng tiêu thụ của hệ thống phụ thuộc vào phụ tải và ở mỗi một thời điểm lại yêu cầu một mức năng lƣợng khác nhau. Hệ thống ESS trên lƣới thƣờng đƣợc thiết kế hoàn toàn có thể làm việc độc lập nhƣng cũng đồng thời phải đƣợc ghép nối tổng thể với hệ thống chung. Vấn đề điều khiển hoàn toàn không đơn giản, ở mỗi một trạm lại có một đặc thù và yêu cầu riêng vì vậy thiết kế điều khiển hệ thống là cần thiết. Tuy nhiên, có một thuận lợi cho khả năng điều khiển là vấn đề sử dụng thiết bị đồng bộ - Trong hệ thống đều sử dụng các bộ converter – Inverter nên thiết kế điều khiển có những đồng nhất mà ABB hoàn toàn làm chủ. 55
  56. Nghiên cứu ở biểu đồ năng lƣợng bên trên ta thấy có sự dao động của công suất tiêu thụ và tần số lƣới. Khi công suất tiêu thụ tăng thì tần số lƣới sẽ theo xu hƣớng giảm dần. Nhƣ vậy khi công suất tiêu thụ tăng đột biến thì tần số lƣới sẽ giảm đột biến, chính từ sự giảm đột biến hoặc tăng đột dẫn đến hàng loạt các sự cố về điện, và đó cũng là nguyên nhân gây ra sụt áp. Tác dụng của ESS là: Nâng cao chất lƣợng điện năng, bảo vệ ngắn hạn các phụ tải điện trong khi xảy ra sự cố về điện Vấn đề chuyển tải - là việc thực hiện thay đổi khai thác sử dụng năng lƣợng để tăng năng lƣợng vào giờ cao điểm, tại thời điểm đó không những không để tiêu thụ năng lƣợng mà chuyển sang giai đoạn ngoài giờ cao điểm. - Năng lƣợng chênh lệch đáp ứng việc tiết kiệm chi phí. Thực hiện giải quyết giản đỉnh này lƣợng ở những thời điểm cao điểm. 56
  57. Hình 3.4. Nguyên lý điều khiển năng lƣợng gió, mặt trời và nguồn năng lƣợng bổ sung khác 57
  58. Thời điểm sử dụng năng lƣợng sạch, năng lƣợng tái tạo nhƣ gió, mặt trời cũng góp phần tạo nên sự ổn định cho hệ thống vì vấn đề năng lƣợng. Năng lƣợng gió cũng phụ thuộc vào thiên nhiên và việc khai thác loại năng lƣợng này cũng rất quan trọng. Hệ thống có thể thực hiện điều khiển để tận dụng công suất gió tích lũy vào ESS làm năng lƣợng dự trữ cho hệ. 3.5. Biểu đồ năng lƣợng Đồ thị trên vì cho những ứng dụng với những thời điểm khác nhau và tác dụng của ESS trong hệ thống. Nếu không có ESS hệ thống sẽ gặp phải những xung 58
  59. dòng, xung năng lƣợng và hậu quả sẽ rất lớn nếu không có đƣợc các bộ ESS trong hệ thống tham gia vào quá trình vận hành và khai thác hệ thống. Năng lƣợng gió l lớn, lúc nhỏ cộng với ESS sẽ tạo nên một đƣờng biểu đồ trơn hơn và an toàn hơn. 3.2.3 Ắc quy lƣu trữ năng lƣợng thành phần Battery Energy Storage Components (BESC) Hình 3.6. Chức năng Bộ Sub-station có tác dụng so sánh và phát hiện chênh lệnh điện áp trên lƣới điện Bộ SScontrol protection có tác dụng khuếch đại tín hiệu và chuyền về bộ BESS control Bộ BESS control có tác dụng nhận tín hiệu của SS control protection phân tích tín hiệu điều khiển, lấy tín hiệu từ battery subsystem sau đó điều khiển bộ biến tần 59
  60. Bộ filter là bộ lọc, lọc tín hiệu điện áp Hình 3.7. Thiết kế cảu ESS Hình 3.8: Hình ảnh thực tế của ESS 60
  61. Hình 3.9: Mô hình hệ thống ESS 61
  62. KẾT LUẬN Sau một thời gian là ba tháng tìm hiểu , tuy vấn đề này là mới mẻ với bản thân em nhƣng em đã cố gắng tìm hiểu nhiều vấn đề liên quan đến việc chuyển đổi . Tuy đã rất cố gắng hoàn thành đồ án nhƣng em không thể tránh đƣợc một số thiếu sót, em mong các thầy cô cùng các bạn đóng góp và đƣa ra một số ý kiến để cho đồ án của em thực hiện tốt hơn. Dƣới sự hƣớng dẫn tận tình của thầy cùng sự giúp đỡ của nhiều quý thầy cô trong khoa em đã hoàn thành luận văn theo đúng yêu cầu và thời gian quy định. Trong luận văn em đã thực hiện đƣợc vấn đề sau: Nghiên cứu về hệ thống STATCOM. Đi sâu nghiên cứu tìm hiểu về Em xin chân thành cảm ơn thầy - trƣờng Đại học Dân Lập Hải Phòng đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Hải Phòng, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực hiện: 62
  63. TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
  64. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦULỜI CẢM ƠN 1 LỜI CẢM ƠN 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2 1.1. TỔNG QUAN VỀ STATCOM 2 1.1.1. Các thế hệ bù công suất phản kháng 4 1.1.1.1. Thế hệ đầu tiên là các thiết bị bù đóng ngắt bằng cơ học 4 1.1.1.2. Thế hệ thứ hai là các thiết bị bù đóng ngắt dựa trên Thyristor 4 1.1.1.3. Thế hệ thứ ba là các thiết bị bù dựa trên bộ chuyển đổi 5 1.1.2. Chức năng ứng dụng của STATCOM 5 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 6 1.2.1. Giới thiệu chung 6 1.2.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng. 7 1.3. CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 8 1.3.1. Các thiết bị bù công suất phản kháng 8 1.3.1.1. Tụ điện tĩnh 8 1.3.1.2. Máy bù đồng bộ 8 1.3.2. Một số thiết bị bù trong Flexible Alternating Current Transmission Syster 8 1.3.2.1. Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp Static Synchronons Series Compensator 8 1.3.2.2. Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor controlled series capacitor (TCSC) 10 1.3.2.3. Bộ điều khiển công suất hợp nhất Unified Power Flow controller 10 1.3.2.4. Bộ bù tĩnh (SVC :Static Var Compensator) 11 1.3.2.5. Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM: Static Synchronous Compensator ) 12 1.4. NGUYÊN LÝ BÙ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 13 1.4.1 Bù song song 14 1.4.2. Bù nối tiếp 16 Chƣơng 2: ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN 18 2.1. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 19 2.2. CÁC GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 21 64
  65. 2.2.1. Giới hạn điện áp 21 2.2.2. Giới hạn nhiệt 22 2.2.3. Giới hạn ổn định 23 . 2.2.3.1. Ổn định quá độ 24 2.2.3.2. Ổn định dao động bé 25 2.2.3.3. Các ứng dụng của STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản kháng và nâng cao ổn định điện áp 27 2.3. STATCOM 28 2.3.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM 28 2.3.2. Nguyên lý hoạt động của STATCOM 28 31 2.4.1. Bộ Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC: Voltage Source Converter) 33 2.4.2. Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM: Pulse Width Modulation) 35 2.4.3 Nguyên tắc hoạt động của VSC: Static Var Compensator 40 2.5. STATCOM 41 2.6. Các đặc tính của STATCOM 42 2.7. Mô hình hóa STATCOM 44 2.7.1. Mô hình mạch 44 2.7.2. Mô hình toán STATCOM 45 52 52 52 3.2.1. Energy Storage Systems (ESS) hệ thống lƣu trữ năng lƣợng. 52 3.2.2 Điều khiển năng lƣợng lƣu trữ Energy Storage Drivers (ESD) 55 3.2.3 Ắc quy lƣu trữ năng lƣợng thành phần Battery Energy Storage Components (BESC) 59 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 65