Báo cáo: Các biện pháp nâng cao khả năng truyền tải điện năng pdf

1
NDT
FLEXIBLE AC
TRANSMISSION SYSTEM
(FACTS)
TS. NGUYỄN Đăng Toản
HTĐ-EPU
Các biện pháp nâng cao khả năng truyền tải điện năng
2
NDT
4.1 Khái niệm chung
•
Ngành CN điện đang trải qua những thay đổi sâu sắc trên bình diện thế giới
–
Áp lực thị trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, mối lo về
ảnh hưởng môi trường sinh thái, và sự tăng quá nhanh của nhu
cầu phụ tải là những yếu tố chính cho sự thay đổi đó
•
Để đáp ứng nhu cầu thực tế đó, các chương trình mở rộng htđ đang được tiến hành tuy nhiên có
nhiều lý do:
–
Môi trường, đất sử dụng cho các công trình,
–
Áp lực về pháp lý, sự huy động vốn với các nước đang phát triển
–
Những yếu tố này đã ngăn cản việc xây mới các đường dây tải
điện mới
•
Những nghiên cứu và phân tích sâu về vấn đề làm tăng lên khả năng mang tải của các đường
dây hiện tại với những yêu cầu vê độ tin cậy và ổn định đã chỉ ra rằng, các thiết bị điện tử công
suất cao áp có một tiềm năng và vai trò rất to lớn

3
NDT
4.1 Khái niệm chung
•
Thiết bị điện tử công suất kỹ thuật mới là sự lựa chọn thay thế cho những giải pháp truyền thống
(dựa trên công nghệ điện-cơ với thời gian đáp ứng chậm và chi phí vận hành cao)
•
Dòng công suất chạy trong ht được coi như là một hàm số của tổng trở đường dây. Một đường
dây với tổng trở thấp hơn sẽ cho phép truyền tải lượng công suất lớn hơn. Điều này không phải
lúc nào cũng được mong muốn vì nó đối mặt với các vấn đề về điều khiển HTĐ
•
Ví dụ những người vận hành thường phải can thiệp để nhận được các chiều công suất khác
nhau, nhưng lại ít khi thành công. Có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như: mất ổn định,
dòng công suất chạy không theo mong muốn, tăng tổn thất, vi phạm các giới hạn về điện áp,
thậm chí còn dẫn đến tan rã hệ thống
4
NDT
4.1 Khái niệm chung
•
Về dài hạn, những vấn đề đó thông thường được giải quyết bằng cách xây dựng
những nhà máy điện và đường dây mới:
–
Giải pháp tốn kém (vốn đầu tư, khả năng huy động
vốn, vấn đề môi trường )
–
Mất nhiều thời gian xây dựng (giải phóng mặt bằng,
thời gian xây dựng lâu)
•
Một lựa chọn khác là nâng cấp các đường dây truyền tải hiện tại bằng các thiết bị
điện tử công suất dùng cho hệ thống điện cao áp

–
Các thiết bị hiện đại công suất lớn
–
Những công nghệ mới.
•
Hay dùng thuật ngữ: Flexible AC Transmission Systems-FACTS
5
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
Các thiết bị điện tử công suất cơ bản
–
Diode:
–
Thyristor thường:
–
Thyristor đóng cổng (GTO
(Gate Turn Off):
–
Transistor lưỡng cực với cổng cách điện
(IGBT=Insulated Gate Bipolar Transistor)
6
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
Diot là thiết bị bán dẫn đơn giản nhất của họ thiết bị bán dẫn,
bao gồm một lớp tiếp giáp hai vật liệu bán dẫn p-n
•
Diot cho phép dòng điện chạy qua từ cực anode đến cathode
khi có một điện áp giữa hai cực

•
Diot khóa dòng điện khi có một điện áp ngược giữa hai cực
•
Diot là một thiết bị không điều khiển, khả năng đóng mở hoàn
toàn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài của mạch
•
Đặc tính lý tưởng và thực tế được vẽ ở hình bên
•
Hoạt động chủ yếu như một công tắc
7
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
Thyristor là một thiết bị bán dẫn gốm 4 lớp (p-n-p-n) và
có ba mặt tiếp giáp. Và do đó có 3 điện cực là Anode,
Cathode và Gate ( cổng điều khiển)
•
Khi có một điện áp ngược giữa Anode và Cathode thì
không có dòng điện chạy qua cực cổng, và thyristor hoạt
động như một diot thông thường
•
Không giống như diode, khi một điện áp dương nối giữa
2 cực, thì thyristor không dẫn điện ngay. Nó cần một điện
áp đủ lớn để thay đổi trạng thái mở cổng.
•
Thyristor được coi là một thiết bị bán dẫn bán điều khiển
8
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•

Các thiết bị biến đổi công suất ứng dụng vào HTĐ đang nhắm tới việc dùng công nghệ IGBT vì những lợi
ích như tăng công suất của bộ, giảm đáng kể tổn thất
•
Người ta đang hi vọng những tiến bộ hơn nữa về công nghệ và ứng dụng của IGBT và GTO
•
Trong các bộ biến đổi DC-AC mà dùng thiết bị bán dẫn có điều khiển, Các tín hiệu điều khiển một chiều có
thể là một nguồn áp (thông thường là một tụ điện),hoặc một nguồn dòng (thông thường là một nguồn áp
nối tiếp với một điện cảm)
•
Vì vậy, các bộ biến đổi có thể được phân loại thành hai loại: bộ nguồn áp (VSC) và bộ nguồn dòng (CSC).
•
Vì những lý do kinh tế và kỹ thuật, phần lớn các thiết bị điều khiển công suất phản kháng đều dựa trên
công nghệ VSC
•
Sự sẵn có của các chất bán dẫn hiện đại cùng với giá trị định mức cao về dòng và áp như là GTO hoặc
IGBT đã làm cho khái niệm về bù công suất phản kháng dựa trên các bộ đóng cắt trở nên thực tế
9
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
Các thiết bị điều khiển HTĐ hiện đại dựa trên các bộ biến đổi điện tử công suất cho phép tạo ra
công suất phản kháng với ít các phần tử chứa năng lượng phản kháng, ví dụ như hệ thống SVC
•
Các thiết bị bán dẫn ứng dụng trong các thế hệ thiết bị biến đổi điện tử công suất là các loại điều
khiển hoàn toàn như IGBT và GTO.
•
Thiết bị GTO là một phiên bản hiện đại hơn của các thyristor thông thường với, với một thiết bị
mở van đặc tính nhưng có khả năng đóng van cùng tại một thời điểm khác khi mà dòng điện giảm
xuông dưới một giá trị ngưỡng
•

Có nhiều những sự phát triển và thiết kế các thiết bị GTO, trong đó cần những xung âm lớn để
mà đóng van. Hiện tại, tần số đóng mở lớn nhất có thể vào khoảng 1 kHz
10
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
GTO cũng giống như thyristor thông thường nhưng nó có thể
đóng van bằng một tín hiệu âm
•
Mạch gồm các lớp và sơ đồ tương đương, Đặc tính lý tưởng
và không lý tưởng được vẽ ở hình bên
•
Thiết bị này đã được đưa ra thị trường từ cuối những năm
1980. Nó đã trải qua rất nhiều sự cải thiện và thay thế các
thyristor thông thường trong HTĐ công suất lớn
•
Kỹ thuật điều khiển GTO dùng công nghệ điều khiên độ rộng
xung (PWM) khác hẳn với kỹ thuật điều khiên góc pha của
các thyristor thông thường
11
NDT
4.1.1 Các van điện tử công suất có điều khiển
•
IGBT phổ biến trong các động cơ AC và DC công suất đến
hàng trăm kW. Nó cũng mở ra một hướng mới trong việc
ứng dụng các bộ biến đổi điện áp cao trong hệ thống điện
•
Mạch điên, và các đặc tính lý V-I được vẽ ở hình bên
•
Tương tự như GTO, kỹ thuật dùng để điều khiển IGBT là

kỹ thuật PWM = Pulse Width Modulation
•
IGBT các thiết bị đóng mở nhanh hơn GTO (bị giới hạn
<1kHz).
•
IGBT đóng cắt nhanh đến 10 kHZ và cũng giảm tổn thất khi
đóng cắt
•
Khi đóng cắt ở tần số cao hơn sẽ tạo ra các sóng hài
12
NDT
4.1.2 Thiết bị VSC
•
Có một số cấu hình VSC chủ yếu là:
–
Tối thiểu tổn hao đóng mở
–
Tạo ra dạng sóng sin với chất lượng cao với số lượng bộ lọc là ít
nhất
•
Một cấu hình 2-mức thông thường của VSC dùng thiết bị đóng mở như hình vẽ
Va
Vb
V
DC
+
-
V
DC
/2

V
DC
/2
+
+
-
-
O
T
a+
T
b+
T
c+
a
+
D
a
D
b
D
c
b
+
c
+
T
a-
T
b-

T
c-
D
a-
D
b-
D
c-
Vc
13
NDT
4.1.2 Thiết bị VSC
•
VSC ở hình trên gồm 6 IGBT, với 2 IGBT trên mỗi nhánh. Với mỗi IGBT được tạo bởi một diot nối đầu-cuối
để tạo đường cho điện áp ngược bởi điều kiện mạch ngoài
•
Hai tụ điện giống nhau được đặt ở phía DC để tạo ra hai nguồn công suất phản kháng
•
Mặc dù không được vẽ ra ở hình vẽ, nhưng modul điều khiển sự đóng mở là một thiết bị tích phân của
SVC. Nhiệm vụ của nó là điều khiển thứ tự đóng mỏ của các thiết bị bán dẫn khác nhau trong bộ VSC với
mục tiêu là tạo ra một dạng sóng điện áp đầu ra mà càng gần với dạng hình sin càng tốt, khả năng điều
khiển cao và ít tổn thất đóng cắt
•
Các chiến lược đóng cắt VSC hiện nay đều nhắm đến sự áp dụng thực tiễn được phân chia thành hai loại:
–
Đóng cắt các tần số cơ bản: Việc đóng mở mỗi thiết bị bán dẫn
bị giới hạn ở một mở và một đóng trên một chu kỳ công suât.
–
Điều chỉnh độ rộng xung (PWM): kỹ thuật điều khiển này cho
phép việc đóng mở được mở và đóng ở một giá trị cao hơn tần

số cơ bản
14
NDT
4.1.2 Thiết bị VSC
•
Cấu hình VSC cơ bản đóng mở tần số cơ bản có dạng sóng đầu ra gần hình vuông, với các sóng hài bậc
cao lớn
–
Vì vậy thường dùng 6 xung VSC bố trí dưới dạng đa xung để có
được một dạng sóng tốt hơn và công suất lớn hơn
–
Kỹ thuật đóng cắt với tần số cơ bản yêu cầu một hệ thống MBA
phức tap để nhận được dạng sóng với ít biến dạng sóng. Nhược
điẻm đó bị thay thế bởi ứng dụng thiết bị bán dẫn đóng mở cao
và ít tổn thất.Hiện nay dùng với điện áp vào hệ thống truyền tải
công suất lớn
•
Với bộ điều khiển PWM, dạng sóng đầu ra bị cắt và độ rộng của xung được điều chỉnh. Những sóng hài
trong sóng đầu ra được dịch chuyên lên tần số cao hơn, và các bộ lọc sóng hài cần ít hơn
–
Kỹ thuật PWM tập trung vào giàm tổn thất đóng mở, và được ưa
chuộng hơn thậm chí là ở điện áp cao và hệ thống truyền tải
công suất lớn
•
Từ quan điểm ứng dụng thực tế, cả hai ký thuật đóng mở đều khá hoàn chính.
15
NDT
4.1.3 PWM
•
Đây là cách điều khiển tuyến tính điện áp với ma<1,nhưng không phải là cách duy nhất. Hai dạng điều khiển điện áp

là quá điều chỉnh 1< ma<3.24 và xung vuông với ma>3.24
•
Để xác định biên độ và tần số của sóng ra cơ bản và các sóng hai, người ta dùng khái niệm về tỉ số điều biến biên
độ ma và tỉ số điều biến tần số, mf
•
Với gốc là một nhánh của bộ biến đổi ba pha, thiết bị đóng mở Ta+ và Ta- được điều khiển bằng cách so sánh trực
tiếp với điện áp điều khiển Vcontrol và điện áp Vtri với kết quả điện áp đẩu ra là
•

16
NDT
4.1.3 PWM- Điều chế độ rộng xung
•
PWM là một phương pháp một tín hiệu sin với tấn số
cơ bản được so sánh với tín hiệu xung tam giác tần
sô cao, để tạo ra một tín hiệu xung chữ nhật dùng để
điều khiển góc mở của van thyristor
•
Tín hiệu sin và tam giác và các tần số tương ứng là
các tín hiệu gốc và tín hiệu tần sô sóng mang
•
Bằng việc thay đổi biên độ của tín hiệu xung với biên
độ có định của tín hiệu sóng mang. Sóng mang thông
thường được giữ ở 1pu biên độ của thành phần tần
số cơ bản của sóng ra thay đổi tuyến tính
17
NDT
4.1.3 PWM
•
Người ta hay quan tấm nhất đến trường hợp điện áp điều khiển tuyến tính (ma<1). Biên độ đỉnh

của thành phần tấn số cơ bản là ma*VDC/2 và sự xuất hiện sóng hài ở dải tần số nhỏ xung
quanh tần số đóng cắt và được xác định bởi công thức sau:
•
Sóng hài chỉ suất hiện đối với các giá trị lẻ của β và giá trị chẵn của κ. Hoặc ngược lại với giá trị
chẵn của β kết hợp với giá trị lẻ của κ. Hơn nữa, giá trị sóng hài mf phản là giá trị số nguyên
dương ẻ để ngăn chặn sự xuât hiện của thành phần sóng hài bậc chẵn trong giá trị Vao
18
NDT
4.1.3 PWM
•
Thành phần tần số cơ bản trong hình vẽ trước với mf=9 và ma=0.8. Phổ điện áp hài ở dạng
chuẩn được vẽ trong hình dưới đây
19
NDT
4.2 Các định nghĩa về FACTS
•
Khái niệm FACTS được dựa trên sự phối hợp giữa các thiết bị điện tử công suất và các phương pháp bù ở phía cao
áp của htđ để làm cho HTĐ dễ dàng điều khiểu được
•
Nhiều ý tưởng về về sự hình thành FACTS đã phát triển từ nhiều thập kỷ, tuy nhiên FACTS -một thiết bị tích hợp tinh
vi - là một khái niệm mới và được để xuất trong thập kỷ 80 của thế kỷ trước ở EPRI (Electrical Power Research
Institute -US)
•
FACTS chủ yếu tập trung vào các thiết bị điện tử công suất với điện áp và dòng điện cao để nhằm mục đích là tăng
khả năng điều khiển dòng công suất ở htđ cao áp trong cả điều kiện xác lập và quá độ.
•
Những thực tế về việc làm cho HTĐ có thể điều khiển điện tử đã bắt đầu thay đổi cách xây dựng và thiết kế các thiết
bị của Nhà máy điện, cũng như là xây dựng các qui chế để mà qui hoạch và vận hành các đường dây truyền tải và
hệ thống phân phối
•

Những sự phát triển này cũng có thể ảnh hưởng đến sự thực hiện các giao dịch về năng lượng giữa các công ty, vì
từ nay chúng ta có khả năng điều khiển nhanh dòng chảy của năng lượng
20
NDT
4.2 Các định nghĩa về FACTS
•
Vì những lợi ích to lớn về kinh tế và kỹ thuật nên FACST đã nhận được rất nhiều quan tâm của các nhà sản
xuất và các viện nghiên cứu trên thế giới
•
Có hai loại ứng dụng chính của các thiết bị điện tử công suất:
–
Điều khiển công suất tác dụng và phản kháng-FACTS
–
Nâng cao chất lượng điện năng – D-FACTS
•
Lĩnh vực ứng dụng đầu tiên là FACTS: trong đó những thiết bị điện tử công suất hiện đại nhất được dùng
để điều khiển phía cao áp của HTĐ
•
Lĩnh vực ứng dụng thứ hai là về phía khách hành, tập trung ở phía hạ áp và mục đích là nâng cao chất
lượng và độ tin cậy đối với các nhà máy, văn phòng, gia đình…
•
Người ta tin rằng, với sự lắp đặt ngày càng nhiều các thiết bị mới, người dùng sẽ ngày càng có chất lượng
điện năng tốt hơn, giảm thời gian mất điện, điện áp với ít sóng hài, và ít chịu sự ảnh hưởng của biến thiên
phụ tải ở các vùng lân cận
21
NDT
4.2 Các định nghĩa về FACTS
22
NDT
4.2 Các định nghĩa về FACTS

•
Một số loại FACTS đã được khai thác hoặc đang được qui hoạch ở nhiêu nơi trên thế giới ví dụ: USA, Sweden,
Japan, UK, Brazil, USA/Mexico, Australia, China.
•
Loại FACTS phổ biến nhất là
–
Loại dựa trên Thyristor
•
Đầu phân áp của máy biến áp
•
Bộ điều chỉnh góc pha
•
Thiết bị ngang bù tĩnh (SVC)
•
Thiết bị bù dọc tĩnh (TCSC)
•
Thiết bị cản cho cộng hưởng tần số thấp
•
Thiết bị bù pha công suất (IPC)
–
Loại dựa trên công nghệ GTO(Switched at the fundamental frequency:
60/50 Hz)
•
Thiết bị bù tĩnh (STATCOM)
•
Thiết bị điều khiển bù dọc tĩnh (SSSC)
•
Thiết bị điều khiền dòng công suất tich hợp (UPFC)
–
Loại dựa trên công nghệ IGBT (Switched at higher frequencies)

•
STATCOM (shunt and series connected)
•
HVDC – VSC (HVDC- light, hoặc HVDC-Plus)
23
NDT
4.2 Các định nghĩa về FACTS
•
Ngay từ những ngày đầu tiên, các công ty đã quan sát, thí nghiệm và chứng minh rằng, FACTS
có những lợi ích sau:
–
Điều khiển dòng công suất thứ tự thuận
–
Điều khiển dòng công suất 3 pha
–
Tối ưu hóa dòng công suất
–
Giám quá độ điện cơ
–
Giảm quá độ điện từ
–
Nâng cao khả năng ổn đinh
•
Dao động công suất
•
Điện áp…
–
Chât lượng điện năng
–
Đo lường và xác định trạng thái

•
Đó là những lý do để chúng ta nâng cấp các đường dây hiện tại với các thiết bị FACTS nhằm
nâng cao khả năng truyền tải điện năng
24
NDT
4.3 Đặc tính của hệ thống truyền tải
•
Khả năng truyền tải của đường dây truyền tải bị giới hạn bởi các chế độ xác lập và
chế độ động như sau:
–
Ổn định góc
–
Ổn định mô đun điện áp
–
Giới hạn nhiệt
–
Ổn định quá độ
•
Những giới hạn này xác định khả năng truyền tải lớn nhất của mỗi đường dây.
25
NDT
4.3.1 Nguyên tắc bù trên đường dây truyền tải
VrVs
I
V
x
= jX*I
δ/ 2δ/2
~ ~
Vs

Vr
Vm
jX/2
jX/2
I
+ +
+
- -
-
2
sin
2
2
cos
2
2
sin
2
cos
2
sin
2
cos
2/
2/
δ
δ
δδ
δδ
δ

δ
X
V
jX
VrVs
I
V
VrVs
Vm
jVVeVr
jVVeVs
j
j
=
−
=
=
+
=⇒














−==






+==
−