Hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt viết tắt FACTS (flexible AC transmission system)

1
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay trên thế giới đã xây dựng nhiều hệ thống điện hợp nhất, đó là các
hệ thống điện mà trong đó tất cả các phần tử sản xuất điện năng, truyền
tải điện năng của nhiều khu vực trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc
gia được nối chung với nhau qua các đường dây liên lạc điện áp hoặc
siêu cao áp. Khi xây dựng các hệ thống điện hợp nhất sẽ có những ưu
điểm nổi bật về mặt kinh tế - kỹ thuật.
Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất đường dây truyền tải điện, một
trong những giải pháp đó là áp dụng công nghệ điện tử công suất vào
trong hệ thống truyền tải điện gọi là hệ thống truyền tải dòng điện xoay
chiều linh hoạt viết tắt: FACTS (Flexible AC Transmission System) là
một đề tài khoa học được nhiều nhà khoa học-kỹ thụât quan tâm. Ưu
điểm của hệ thống này là:
• Cải thiện tính linh hoạt vì có thể thay đổi cấu hình của lưới điện
một cách nhanh chóng, cho phép phân phối năng lượng tốt hơn
• Tối ưu hoá sơ đồ sản xuất
Đặc biệt ngày nay công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất lớn
(Thyristor) đạt trình độ hoàn thiện giúp cho hệ thống FACTS trở thành hiện
thực và phát huy tác dụng đem lại hiệu quả kinh tế cao.
3-1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG FACTS
3.1.1 Đặt vấn đề
Hầu hết các hệ thống cung cấp điện trên thế giới được liên kết với nhau
một cách rộng rãi, nó nhằm giải quyết bài toán kinh tế và kỹ thuật.
Hệ thống điện ở các nước tiên tiến do nhiều công ty cung cấp, mỗi công ty
có nhiều nhà máy đặt ở những nơi thuận lợi trong việc khai thác nguyên liệu,
do vậy cần phải nối kết các nhà máy ấy lại với nhau,để đảm bảo độ tin cậy
cung cấp điện đồng thời khai thác hiệu quả nhất các nhà máy phát điện, dẫn


2

đến sự nối kết từng khu vực, từng vùng. Ngày nay có nhiều quốc gia đã bán
điện sang các nước lân cận, dẫn đến sự nối kết cả khu vực, châu lục. Tuy
vậy do xã hội không ngừng phát triển, ngành công nghiệp đa dạng, phát triển
nhanh chóng và rộng khắp, cộng với chất lượng cuộc sống của con người
ngày càng cao nên phụ tải điện năng tăng nhanh.
Mặc dầu hệ thống điện xây dựng dựa trên dự báo phụ tải nhưng không
phải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng giữa cung và cầu, vì vậy mà hệ thống
điện đang vận hành bị quá tải. Đường dây truyền tải bị giới hạn bởi các yếu
tố nhiệt độ, điện dung, và độ ổn định. Vì vậy nếu không có sự điều chỉnh
thích hợp, đường dây tải điện bị hạn chế nhất định, không tận dụng hết khả
năng tải điện của nó, hơn nữa do điều kiện môi trường, hành lang đường dây
,nên không dễ dàng xây dựng hệ thống điện mới một cách tuỳ ý và thay thế
hệ thống điện cũ một cách dễ dàng.
Đứng trước thực tế đó đòi hỏi các nhà kỹ thuật tìm giải pháp nâng cao
hiệu quả đường dây tải điện hiện có, điều khiển nó vận hành khoa học nhằm
nâng cao khả năng tải điện đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra.
Giải pháp đó là dự án FACTS
3-1.2 Mục tiêu của dự án FACTS
Mục tiêu của dự án này là mong muốn có thể điều khiển được việc
chuyển tải điện trên các mạng lưới và tăng khả năng chuyển tải cho đến giới
hạn nhiệt độ cho phép. Viện nghiên cứu năng lượng điện (EPRI) sau nhiều
năm ủng hộ, khuyến khích ngành điện tử công suất phát triển, áp dụng vào
hệ thống điện như truyền tải một chiều điện áp cao (HVDC), bù phản kháng
đường dây xoay chiều, đến cuối thập niên 80 khái niệm hệ thống truyền tải
dòng điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System- FACTS)
mới được chính thức công nhận. Bước đầu FACTS đã đóng góp đáng kể vào


3
việc giải quyết những hạn chế truyền tải trên đường dây do cấu trúc vật lý

của dây dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất nhập khẩu điện năng
phát triển.
Để khẳng định ý tưởng này, chúng ta có thể khảo sát vài ví dụ đơn giản
sau đây.
3-1.2.1 Công suất chuyển tải trên đường dây.
Hình 3-1a thể hiện trường hợp đơn giản nhất của dòng năng lượng truyền
tải trên đường dây. Vị trí 1 và 2 là các trạm truyền tải được nối với nhau.
Những trạm này có thể có tải, máy phát hoặc là điểm nối hệ thống. E 1, E2 là
biên độ điện áp thanh góp, δ là góc lệch pha của sức điện động 1 và 2.
Đường dây được thay thế bởi cảm kháng X, điện trở và điện dung bỏ qua.
Hình 3-1b và hình 3-1c là đồ thị pha thể hiện quan hệ dòng điện tác dụng,
dòng điện phản kháng với điện áp giữa hai điểm 1 và 2
Thành phần tác dụng của dòng điện tại E1 :
Ip1

=

E 2 sin δ
X

Thành phần phản kháng của dòng điện tại E1 là:
Iq1

= (E1-E2 cos δ)/X

Công suất tác dụng tại E1 là:
P1

= (E1(E2sin δ)/X

Công suất phản kháng tại E1 là:
Q1

= E1 (E1-E2 cos δ)/X

Tương tự
Thành phần tác dụng của dòng điện tại E2:
Ip2

= (E1sin δ)/X

Thành phần phản kháng của dòng điện tại E2:
Iq2

= (E2-E1 cos δ)/X

(3-1)


4
Công suất tác dụng tại E2:
P2 = E2(E1 sin δ)/X
Công suất phản kháng tại E2:
Q2 = E2 (E2-E1 cos δ)/X

(3-2)

Như giả thiết đường dây không tổn hao nên P1= P2= P
P =E1(E2 sin δ)/X

(3-3)

Như vậy thay đổi trị số của X sẽ thay đổi P,Q 1 và Q2 theo (3-1), (3-2) và
(3-3)
Giả sử rằng E1 và E2 là biên độ điện áp của các máy thay thế trong hệ
thống , tổng trở X bao gồm tổng trở tương đương của hai máy. Hình 3-1d
cho thấy nửa sóng hình sin của dạng sóng công suất tác dụng, nó tăng đến
giá trị đỉnh khi tăng góc δ đến 900. Công suất tác dụng sẽ giảm khi góc
δ>900 và bằng không tại δ=1800 .Nó cho ta dễ dàng đánh giá nếu không điều
chỉnh độ cao của các thông số E 1,E2, E1-E2, X và δ, đường dây
truyền tải có
δ
0

thể chỉ tận dụng được đến mức tốt nhất ứng với δ=90 .
2

1
E1

δ1

EL

E2

E1

1

EL

I
E2

δ2

(a)

δ2

(b)
E1-E2cosδ

E1sinδ

E1

E2cosδ

E1sinδ

IP1=E2sinδ/x

δ

Pmax

E2sinδ

E2

IP2=E1sinδ/x
E1cosδ

Iq1=(E1- E2cosδ)/X
Iq2=(E2- E2cosδ)/X

E1

E2-E1cosδ

(c)
Điện áp bù
cùng pha

P=

E1 E 2
sin δ
X
900

(d)
E1

Điện áp bù
thẳng góc E1

1800

5

I
I

E1-E2

I

E2

(e)

E1-E2

E2

E1-E2

I
I

(f)

E2
(g)

Hình 3-1 Điều khiển dòng năng lượng xoay chiều của đường dây truyền tải

a. Mô hình hệ thống đơn giản
b. Dòng điện thẳng góc với điện áp đầu vào
c. Đồ thị pha dòng năng lượng tác dụng và phản kháng
d. Đường cong công suất theo góc δ ứng với những giá trị khác nhau
e. Điều chỉnh biên độ điện áp thay đổi phần lớn công suất phản kháng
f. Điện áp bù nối tiếp với đường dây
g. Điện áp bù thẳng góc với dòng điện thay đổi phần lớn công suất tác
dụng
Đây là điều cần thiết để duy trì độ dự trữ cho quá trình ổn định, đảm bảo
hệ thống sẽ không tan rã khi thiếu hụt điện áp của máy phát hoặc đường
dây.Tăng và giảm trị số của X sẽ tăng và giảm chiều cao của đường cong
tương ứng (hình 3-1d). Với dòng năng lượng cho trước, thay đổi trị số X
tương ứng với sự thay đổi góc δ giữa hai điểm cuối.
Công suất (dòng điện) cũng có thể được điều khiển bằng cách hiệu chỉnh
biên độ của vectơ điện áp E1 hoặc E2. Tuy nhiên từ hình 3-1e cho thấy rằng
khi thay biên độ E1 thì biên độ của véctơ hiệu (E1-E2) không thay đổi bao
nhiêu, nhưng góc lệch pha giữa chúng thay đổi. Bằng cách hiệu chỉnh biên
độ vectơ E1 hoặc E2 sẽ tận dụng được công suất phản kháng hơn là công suất
tác dụng.
Dòng điện và công suất truyền cũng có thể thay đổi bằng cách nối tiếp
một nguồn điện áp với đường dây. Hình 3-1f, điện áp nối tiếp này thẳng góc


6
với dòng điện pha. Nó ảnh hưởng trực tiếp biên độ của dòng điện và góc δ
của công suất tác dụng. Như vậy mắc nối tiếp điện áp có thể thay đổi biên độ
và góc pha theo điện áp dây (hình 3-1g). Nó được coi như thay đổi biên độ
và góc pha của điện áp nối tiếp, cả dòng điện tác dụng và phản kháng đều bị
ảnh hưởng. Phương pháp mắc nối tiếp điện áp là hình thức quan trọng của
thiết bị điều khiển FACTS sẽ đề cập đến phần sau.

3-1.2.2 Trường hợp dòng năng lượng trong lưới hệ thống
Xét trường hợp đơn giản gồm hai máy phát điện ở hai vị trí khác nhau
đang chuyển năng lượng đến một tải qua lưới gồm ba đường dây nối theo
mạch lưới như hình 3-2. Giả sử đường dây AB, BC, AC có công suất định
mức dài hạn là 1000MW, 1250MW và 2000MW.
Máy phát thứ nhất phát 2000MW, máy còn lại phát 1000MW, tổng là
3000MW cung cấp cho tải. Với tổng trở như hình vẽ ba dây sẽ mang 600,
1600, 1400MW tương ứng (hình 3-2a). Như vậy sẽ quá tải trên đường dây
BC và dĩ nhiên phải giảm công suất phát tại B và tăng công suất phát tại A.
Nếu có một tụ điện có dung kháng là -5 Ω mắc vào một dây (hình 3-2b)
làm giảm tổng trở dây này từ 10 Ω xuống còn 5 Ω thì dòng năng lượng đi
qua các dây AB, BC và AC sẽ là 250, 1250 và 1750 MW. Rõ ràng nếu thay
đổi giá trị của tụ điện này sẽ làm thay đổi dòng năng lượng tương ứng, giới
hạn nhiệt, tổn thất truyền tải, phạm vi truyền tải trên mỗi đường dây và công
suất phát của máy thay đổi. Dùng các thiết bị cơ khí để đóng cắt các tụ và
các cuộn kháng có nhiều nhược điểm như dễ bị mài mòn, điều khiển rời rạc,
không tức thời nên ảnh hưởng đến độ tin cậy.Sự phức tạp sẽ gia tăng nếu tụ
điện được mắc nối tiếp được điều khiển bằng cơ khí; khi đóng cắt có thể dẫn
đến cộng hưởng bất đồng bộ. Nếu các tu điện nối tiếp được điều khiển bằng
các Thyristor, nó có thể đáp ứng được yêu cầu, có thể giảm nhanh mọi điều


7
kiện cộng hưởng không đồng bộ cũng như dập tắt dao động tần số thấp trong
dòng năng lượng. Tương tự kết quả nhận được bằng cách tăng tổng trở của
một dây trong cùng một lưới. (hình 3-2c).
Một lý do khác, điều khiển Thyristor để hiệu chỉnh góc pha có thể được lắp
đặt để thay thế tụ điện nối tiếp hoặc tổng trở nối tiếp vào một trong ba dây
bất kỳ để thực hiện mục đích tương tự (hình 3-2d), đặt vào đường dây thứ ba
để giảm góc pha dọc đường dây từ 8.5 0 đến 4.260. Như đã trình bày ở phần

trước, kết hợp cơ khí và Thyristor điều khiển để hiệu chỉnh góc pha có thể
chi phí thấp nhất.
Ta nối vào đường dây một thiết bị điều khiển FACTS như một nguồn điện
áp nối tiếp cũng cho ta kết quả tương tự. Tóm lại bằng cách sử dụng một
trong các thiết bị điều khiển của FACTS đã nêu ở trên ta có thể thay đổi
dòng năng lượng trong lưới

A

1400M
W 10Ω

2000M
3000M
10Ω 5
W
600MW
W
Ω 1600M
W
B
1000M
W
(a)
A

1750M
W 10Ω

A

C

C

5
3000M
250MW10Ω Ω
1250M
W
W
7
2000M
Ω
B
W
1000M
W
(c)

-5Ω

C

1750M
W 10Ω

2000M
3000M
10Ω 5

W
250MW
W
Ω 1250M
W
B
1000M
(b)
W
A

-4.210

1750M
W 10Ω

C

2000M
3000M
10Ω 5
W
250MW
W
1250M
Ω
W
B
1000M
W

(d)

Hình 3-2 Dòng năng lượng trong mạch lưới
a. Sơ đồ hệ thống
b. Sơ đồ hệ thống với tụ bù nối tiếp điều khiển bằng Thyristor
c. Sơ đồ hệ thống với Thyristor điều khiển cuộn kháng nối tiếp
d. Sơ đồ hệ thống với Thyristor điều khiển góc pha


8

3-1.2.3 Các giải pháp kỹ thuật của FACTS
Một cách tổng quát, các thiết bị điều khiển FACTS có thể chia làm 4 loại:
1. Điều khiển nối tiếp (hình 3-3b):Có thể thay đổi tổng trở bằng tụ
điện,cuộn kháng v.v… hoặc điện tử công suất biến đổi nguồn có tần
số bằng tấn số lưới.
Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp bù điện áp trên đường
dây, ngay cả máy biến áp nối tiếp vào đường dây. Điều khiển nối tiếp chỉ
cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi
2. Điều khiển song song (hình 3-3c): Như trong trường hợp thiết bị bù
nối tiếp, thiết bị bù song song có thể thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc
kết hợp cả hai. Về nguyên lý, tất cả những thiết bị điều khiển song song bù
dòng điện vào trong hệ thống tại điểm nối. Khi một tổng trở song song biến
đổi được mắc vào dây nguồn tạo ra dòng điện biến đổi, khi đó nó được thay
thế như một nguồn dòng bù vào dây dẫn. Dòng điện bù thẳng góc với điện
áp dây, thiết bị bù song song chỉ cung cấp công suất phản kháng biến đổi.
3. Những thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp kết hợp (hình 3-3d). Đây
có thể là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, nó có cùng cách
thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc nó có thể
là thiết bị điều khiển hợp nhất, trong những thiết bị điều khiển nối tiếp cung

cấp có bù công suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây nhưng
cũng chuyển công suất thực giữa đường dây đó qua nguồn liên kết. Khả
năng chuyển công suất thực của thiết bị điều khiển nối tiếp-nối tiếp, hợp
nhất được coi như điều khiển dòng năng lượng bên trong tạo ra sự cân bằng


9
cả dòng công suất thực và công suất phản kháng trong những dây dẫn, tận
dụng tối đa hệ thống truyền tải.
4. Những thiết bị điều khiển nối tiếp-song song kết hợp (hình 3-3e,f).
Đây có thể là sự kết hợp những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp
riêng biệt được điều khiển kết hợp (hình 3-3e) hoặc điều khiển hợp nhất
dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song (hình 3-3f). Về
nguyên lý những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng
điện vào hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp
trong đường dây với những phần tử điều khiển nối tiếp. Tuy vậy khi những
thiết bị điều khiển song song và nối tiếp được hợp nhất, có sự trao đổi công
suất thực giữa những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp qua đường
liên kết.

a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.

Hình 3-3 Các thiết bị điều chỉnh FACTS cơ bản
Ký hiệu chung cho thiết bị FACTS
Thiết bị điều khiển nối tiếp
Thiết bị điều khiển song song
Thiết bị điều khiển nối tiếp hợp nhất
Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song kết hợp
Thiết bị điều khiển nối tiếp và song song hợp nhất
Thiết bị điều khiển hợp nhất cho nhiều dây dẫn
Thiết bị điều khiển nối tiếp có tích lũy năng lượng
Thiết bị điều khiển song song có tích lũy năng lượng


10
j. Thiết bị điều khiển song song hợp nhất có tích lũy năng lượng
e
Đường dây

Đường dây

i
(a)

(c)

(b)

e

Đường dây xoay chiều

Đường dây

i

Liên kết
nguồn 1

chiều

Điều khiển

Đường dây xoay chiều

kết hợp

(d)

(e)

e
Đường dây

Đường dây

i
xoay chiều
Liên kết nguồn
1 chiều

Liên kết nguồn

1 chiều

(f)
(g)

Đường dây

Tích trữ
Năng lượng

Đường dây

Đường dây

(i)
(h)

Tích trữ
Năng lượng

Tích trữ
Năng lượng

(j)


11
3-2 .NHỮNG THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH – SVC VÀ STATCOM
3-2.1 Mục đích của sự bù ngang
Chúng ta đã biết khả năng truyền tải năng lượng ở trạng thái xác lập

có thể tăng và sự phân bố điện áp dọc đường dây được điều chỉnh bằng bù
ngang công suất phản kháng thích hợp. Mục đích của việc bù phản kháng là
nhằm thay đổi đặc tính tự nhiên của đường dây truyền tải làm cho nó thích
ứng hơn với phụ tải yêu cầu. Như vậy, mắc song song cuộn kháng cố định
hoặc đóng cắt bằng thiết bị cơ khí được áp dụng để giảm thiểu điện áp
đường dây trên không trong điều kiện tải nhẹ, và mắc song song tụ điện cố
định hoặc đóng cắt bằng thiết bị cơ khí được áp dụng để giữ điện áp đường
dây trên không trong trường hợp tải nặng.
Trong chương này ta xem xét việc tăng khả năng truyền tải công suất
bằng cách mắc song song các thiết bị bù công suất phản kháng lý tưởng.
Mục đích của việc bù ngang này là:
- Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây.
- Nâng cao điện áp cuối đường dây để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp
- Cải thiện quá trình ổn định
- Làm tắt dao động công suất
Chức năng cần thiết của thiết bị bù phản kháng ngang được dùng để tăng
công suất truyền tải, cải thiện điện áp, cải thiện quá trình ổn định và dập tắt
dao động công suất theo các điểm chính sau đây:
Thiết bị bù phải duy trì vận hành đồng bộ với hệ thống xoay chiều tại
thanh cái bù, trong điều kiện vận hành bao gồm vấn đề cân bằng điện áp
thanh cái, thiết bị bù phải có thể đồng bộ hóa ngay tức thời sau khi trạng thái
ngắn mạch được giải tỏa.


12
Thiết bị bù phải có khả năng hiệu chỉnh điện thế thanh cái và cải thiện
quá trình ổn đinh hoặc hiệu chỉnh nó để dập tắt dao động công suất và nâng
cao quá trình ổn định.
Với hệ thống hai đường dây, vị trí tốt nhất là đặt thiết bị bù tại điểm giữa,
đường dây hình tia đến tải tốt nhất là điểm cuối đường dây.

3-2.2 Phương pháp điều chỉnh công suất phản kháng
Người ta dùng các thiết bị đóng cắt cơ khí để điều chỉnh công suất phản
kháng phát (tụ điện) hoặc tiêu thụ công suất phản kháng (cuộn dây) trong
những ngày đầu của truyền tải xoay chiều. Sau đó bằng cách thay đổi kích từ
của máy điện đồng bộ , dùng cuộn kháng bảo hòa nối tiếp với tụ cố định
được coi là một giải pháp tiến bộ để thay đổi công suất phản kháng trên
đường dây truyền tải trong giai đoạn tiếp theo.
Từ thập kỷ 70, đường dây công suất lớn đã sử dụng những tụ điện và
cuộn kháng vào việc thay đổi dòng điện để tạo công suất phản kháng thay
đổi trên đường dây. Việc này có tác dụng thay đổi tổng trở ngang bằng cách
đóng cắt đồng bộ những tụ điện, cuộn kháng vào hệ thống.
Ngày nay người ta dùng linh kiện điện tử công suất lớn (ThyristorGTO) để đóng cắt hoặc điều chỉnh liên tục những bộ tụ điện, cuộn kháng
trong hệ thống, tạo ra khả năng điều chỉnh linh hoạt đáp ứng nhanh khi phụ
tải thay đổi, nâng cao được tính ổn định của hệ thống.

Để hiệu chỉnh tổng

trở phản kháng theo những đặc tính đã định một cách thích hợp người ta
dùng Thyristor : Thyristor đóng cắt cuộn kháng và Thyristor đóng cắt tụ
điện.
a-Thyristor điều chỉnh và Thyristor đóng cắt cuộn kháng (TCR và TSR)
Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor một pha được trình bày trên
hình 3-4a. Nó gồm có một cuộn kháng cố định , thường là lõi có khe hở


13
không khí, có điện cảm là L và hai Thyristor mắc song song ngược chiều.
Thyristor có dòng điện định mức lớn 300-600A, làm việc với điện thế 4000
đến 9000V; trong thực tế nhiều van Thyristor được mắc nối tiếp để đạt được
điện thế ngược và công suất định mức theo yêu cầu.

Thyristor dẫn khi được phân cực thuận nghĩa là điện áp dương đặt vào
Anốt, đồng thời có xung dương kích vào cực điều khiển và sẽ ngưng dẫn
khi dòng qua Thyristor
giảm về bé hơn giá trị duy trì Idt hoặc bị phân cực ngược nghĩa là điện áp âm
đặt lên Anôt của nó. (h.3-4b)


14
Tại góc mở α =0 ( tương ứng lúc điện áp nguồn đạt giá trị cực đại), kích
xung dương vào cực điều khiển Thyristor để nó dẫn, dòng điện trong cuộn
kháng đạt giá trị xác lập. Khi cổng của Thyristor được kích xung có góc mở
α (0≤ α ≤ Л/2) tương ứng với đỉnh của điện áp (chọn đỉnh của điện áp làm
gốc), dòng điện trong cuộn kháng được xác định theo biểu thức:
1
iL(t) =
L

αt

V

∫ v(t )dt = ωL (sin ωt − sin α)
α

(3-4)

Trong đó v(t) =Vcosωt

iL(α)

α

iL(α=0)

V

iL(α)
SW

−
(a)

V
sin α
ωL

−
ωt

σ

V
sin α
ωL

ωt
iL(α)

α

V

σ

iL(α=0)

(b)
V

iL(α=0)

VLF(α)

iL(α)
ωt

(c)

α=0

Hình 3-4

α= α1

α= α2

α= α3

a. Thyristor điều khiển kháng cân bằng
b. Điều chỉnh góc mở

c. Dạng sóng vận hành

α= α4


15
Thyristor mở khi dòng điện i L(t)=0 nghĩa là α nằm trong khoảng α
≤ωt≤π-α
Biên độ ILF(α) của dòng phản kháng căn bản i LF(α) có thể xác định theo
góc α
ILF(α) =

V
2
1
(1 − α − sin 2α )
ωL
π
π

(3-5a)

Tổng trở phản kháng tác dụng BL(α) của TCR có thể xác định. Tổng trở này
là một hàm theo góc α :
BL(α) =

1
2
1
(1 − α − sin 2α )

ωL
π
π

(35b)

Nếu TCR đóng cắt với một góc α cố định, thường α =0 thì nó sẽ trở thành
một cuộn kháng đóng cắt Thyristor (TSR). TSR cung cấp một tổng dẫn và
như vậy khi được nối vào hệ thống xoay chiều dòng điện phản kháng trong
đó sẽ tỷ lệ với biên độ điện áp như đồ thị V-I (Hình 3-6b)

ILF(α) [p.u.]

2
1− sin 2α
π
2
1− α
π

1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3

ILF(α)

V 2 1
I LF (α ) = (1 − α − sin 2α )
ωL π π

ILF(α)

0.2
0.1
0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

α [deg]

Hình 3-5 Sự biến đổi biên độ của dòng điện TCR cơ bản với góc mở α


16
VT

VT

VLmax= Điện áp giới hạn
ILmax= Dòng điện giới hạn
BLmax= Tổng dẫn cực đại giới hạn
BL = Tổng dẫn của cuộn kháng

VLmax

VLmax

BLmax

BL

ILmax

0

IL

0

ILmax

IL

(b)

(a)

Hình 3-6. Diện tích làm việc V-I của TCR (a) và của TSR (b)

Thường TSR có thể cung cấp tổng dẫn phản kháng có thể điều chỉnh
được. Nếu TSR được vận hành với α =0 thì dòng điện xác lập sẽ là hình sin.
Việc xác định nửa chu kỳ dương và âm chỉ tạo ra các hài lẻ, biên độ của
chúng là một hàm theo góc α, xác định theo biểu thức:
V 4  sin α cos( nα ) − n cos α sin( nα ) 


n(n 2 −I 1)(α) V
3 ωL π 


ILn(α) =I

In[%]

LF

(3-6)
iL(α)

Trong đó n = 2k+1, k= 1,2,3… Sự thay đổi biên độ của hài theo phần
ωt

trăm dòng
điện căn bản được thể hiện trên hình 3-7
10

α

Hình
I1 3-7 Biên độ sóng hài của dòng điện bù của TCR theo góc mở
α
I5
I11

I7
I9

I13

0
150

300

450

600

750

900


17

1. 00 ▪
0. 75 ▪
0. 50 ▪
0. 25 ▪

IL1

IL1

IL2

IL3

sw2

sw3

▪
2

▪
3

▪
4

▪
5

cyclecs

V

IL4

V
sw1

▪
1

IL2

V

IL3

V

IL4

V

sw4

1/2iLtotal

V

Hình 3-8. Dạng sóng minh họa phương pháp điều chỉnh 4 nhánh TCR
theo trình tự để triệt tiêu sóng hài

Trong hệ thống ba pha ba cuộn kháng điều khiển Thyristor đơn lẻ từng pha
được sử dụng thường nối theo kiểu tam giác. Trong điều kiện cân bằng, các
sóng hài của dòng điện lưu hành trong cách nối tam giác và không vào hệ
thống, từ trường của các hài này tạo bởi các cuộn kháng đóng ngắt bằng
Thyristor có thể làm bằng giảm nhiều phương pháp .


ILdemand[p.u]

18
Phương pháp thứ nhất đặc biệt có lợi cho hệ thống công suất cao bằng
cách sử dụng m (m≥2) TCR mắc song song, mỗi phần tử (1/m) là tổng định

v1

IL31∆

i1

v3

∆

i2
i3

I3∆

I1Y

IL12∆

I2∆

Y
v2

IL31Y

I1∆

IL12Y

Y
I3Y

I2Y

IL12∆
IL23Y

Hình 3-9. Sự sắp xếp 12 xung của hai bộ Thyristor điều khiển cuộn kháng(TCR).

mức yêu cầu. Các cuộn kháng thường hiệu chỉnh từng cái một.
Một phương pháp khác là sử dụng mười hai xung TCR trong đó từng cặp
nối theo kiểu tam giác.

TCR có thể tạo ra các hài có thể được giảm một

cách thích đáng bằng cách sắp xếp mạch điện như hệ thống 4 cuộn kháng
trong hình 3-8 hoặc cấu trúc 12 xung như hình 3-9. Thông thường người ta
sử dụng các bộ lọc đó là các nhánh LC và LCR song song với TCR.


19

i
i

vL

v

v

C

vC

vsw

V
vsw
v

L

b
(a)

TCS mở

TCS đóng

(b)

Hình 3-10. a. Thyristor đóng cắt tụ điện căn bản
b. Dạng sóng phối hợp

Thyristor đóng ngắt tụ điện (TSC)
Thyristor đóng ngắt tụ điện một pha thể hiện ở hình 3-10a. Nó gồm một tụ
điện và hai


20
van Thyristor mắc song song ngược và một cuộn kháng để giới hạn dòng
điện.
Ở điều kiện xác lập khi van Thyristor đóng nhánh TSC được nối với
nguồn điện áp xoay chiều v =Vsinωt, dòng điện qua nhánh tụ điện:
i(ωt)
trong đó n

=V
1

=

ω 2 LC

n2
ωC cos ωt
n2 −1
=

Xc
XL

(3-7)
(3-8)

Biên độ điện áp đặt lên tụ:
n2
= 2 V
n −1

V

(3-9)

Khi đó dòng qua tụ bằng không tương ứng với dòng điều khiển Thyristor
bằng không. Lúc đó nhánh TSC không nối vào lưới, trị số điện áp đỉnh của

điện áp đặt vào tụ lúc này là Vc,i=0= Vn2/(n2-1).

Nếu điện thế đặt lên tụ

lúc không nối vào lưới được duy trì không phóng, TSC sẽ được nối trở lại

p.u
1.5
1.0
0.5

(a)

0.0

vC
v

i

-0.5
-1.0
-1.5

Q= R/ ωnL= 5

p.u
1.5
1.0
0.5

(b)

0.0

v

i

-0.5
-1.0
-1.5

vC
Q= R/ ωnL= 5

Hình 3-11. Dạng sóng minh họa quá trình quá độ tự do thực hiện đóng cắt tụ
điện bằng Thyristor


21
mà không có quá trình quá độ, ở biên độ đỉnh của điện thế xoay chiều đặt
lên tụ điện ở bán kỳ dương và âm được thể hiện trên hình 3-11a và 3-11b.
Bình thường khi nhánh tụ điện được cắt ra thì nó phóng điện, như vậy khi
được nối lại nó phải thực hiện một quá trình nạp điện giữa điện áp 0 và Vn 2/
(n2-1), nó có thể hoàn thành thời gian quá độ khi Thyristor dẫn ở thời điểm
tức thời khi điện áp trên tụ đạt giá trị trên. Khi điện thế trên tụ có giá trị bằng
0, quá trình quá độ diễn ra trong cả thời gian tụ phóng điện. Như vậy quá
trình quá độ xảy ra khi dv/dt tại thời điểm tức thời đóng công tắc với việc
không mắc nối tiếp cuộn kháng. Dòng điện tức thời trong tụ điện là

ic=Cdv/dt Sự tác động giữa tụ điện và dòng điện được giới hạn bởi cuộn
kháng và làm tắt quá trình dao động
c-Tụ cố định, Thyristor điều khiển cuộn kháng
Thiết bị phát phản kháng căn bản sử dụng với tụ cố định, cuộn kháng
được điều chỉnh bằng Thyristor (FC-TCR) (hình 3-12a). Dòng điện qua
cuộn kháng được biến đổi như phương pháp đã trình bày ở phần trước bằng
cách điều khiển góc mở Thyristor. Tụ điện cố định trong thực tế thì được
Q
iQ

QL=V×ILF(α)
iC

iL(α)

V

QC yêu cầu

sw
(a)

QC yêu cầu
Q=Q
Q=QLL-Q
-QCC

QC=V×IC
(b)

Hình 3-12. Loại FC-TCR căn bản – bù phản kháng lý tưởng và đặc tính đầu ra


22
thay thế toàn bộ hoặc một phần bởi mạch lọc, tổng trở tụ điện cần thiết để
phát ra công suất phản kháng theo yêu cầu ở tần số căn bản nhưng cung cấp
tổng trở có gía trị thấp ở tần số được lựa chọn để lọc các hài do TCR tạo ra.
Thiết bị phát phản kháng với tụ cố định, cuộn kháng được điều chỉnh bởi
Thyristor về cơ bản gồm có một cuộn kháng thay đổi được và một tụ cố
định, đặc tính ngõ ra của nó được thể hiện trên hình 3-12b. Hằng số điện
dung QC ngược với sự hấp thu phản kháng biến đổi Q L của cuộn kháng được
điều chỉnh bởi Thyristor để có kết quả phản kháng Q ngõ ra theo yêu cầu.
Khi dung kháng ngõ Thyristor cực đại, Thyristor điều khiển cuộn kháng
tăng bằng cách giảm góc mở α Khi phản kháng ngõ ra là 0, dòng điện dung
và cảm bằng nhau; như vậy dung kháng và cảm kháng ngõ ra cân bằng.
Khi góc mở α = 0 Thyristor điều chỉnh cuộn kháng dẫn dòng điện trong
khoảng 1800, kết quả cảm kháng ngõ ra cực đại.
d- Thyristor đóng cắt tụ điện, Thyristor đóng cắt cuộn kháng
Thyristor đóng cắt tụ điện, Thyristor điều chỉnh cuộn kháng (TSC-TCR)
được phát triển trước đây để bù động công suất truyền tải với mục đích giảm
thiểu tổn thất và tạo sự vận hành linh hoạt. Mạch TSC-TCR căn bản như
hình 3-13a, với phạm vi điện dung đầu ra loại này bao gồm n nhánh TSC và
một nhánh TCR, số nhánh n được xác định bởi điều kiện thực tiễn bao gồm
mức điện áp làm việc phản kháng cực đại đầu ra, dòng điện định mức của
van và chi phí lắp đặt v.v…Dĩ nhiên ngưỡng cảm kháng cũng có thể mở
rộng bằng cách sử dụng thêm các nhánh TCR.
Sự làm việc căn bản của thiết bị phát phản kháng TSC-TCR thể hiện ở
hình 3-13a có thể mô tả như sau: tổng điện dung ngõ ra được chia cho n
nhánh; trong nhánh thứ nhất ngõ ra của thiết bị phát phản kháng được điều
chỉnh zero để có ngưỡng QCmax/n, ở đây QCmax là tổng của tất cả các nhánh

23
TSC. Trong khoảng thời gian này một nhánh tụ điện được đóng vào cùng lúc
dòng điện trong TCR được tính góc mở sao cho tổng phản kháng ngõ ra của
TSC là âm và của TCR là dương, bằng điện dung ngõ ra yêu cầu; trong các
nhánh thứ 2, 3,….,n ngõ ra được điều chỉnh từ Q Cmax/n đến 2QCmax/n, đến
3QCmax/n… (n-1)QCmax/n đến QCmax bằng cách đóng tụ thứ 2, thứ 3 đến tụ thứ
n của TCR để hấp thụ điện dung phản kháng thừa.
Có thể đóng các tụ vào hoặc ngắt ra trong một chu kỳ của nguồn xoay
chiều, dung kháng thừa cực đại ngõ ra có thể hạn chế và như vậy theo lý
thuyết TCR sẽ có cùng phản kháng định mức giống như TSC. Tuy nhiên để
đảm điều kiện đóng ngắt tại những điểm cuối của khoảng thời gian không
xác định, phản kháng định mức của TCR phải có giá trị ở một mức độ nào
đó để cung cấp đủ mức phản kháng giữa lúc đóng và ngắt, phản kháng yêu
cầu và đặc tính phản kháng ngõ ra của TSC-TCR thể hiện trên hình 3-13b.
Ta thấy rằng dung kháng ngõ ra Q C biến đổi từng bước xấp xỉ với TSCS
phản kháng yêu cầu.
o

iQ

QL

iC1

o

iC2

sw1

sw2

iC3

sw3

iL(α)

sw

Q

QC yêu cầu

QL yêu cầu

C

L

C2 ra

Q
Q=V×[ILF(α)-∑ICn ]
(a)

Q

C2 vào
C2 vào

C3 vào
C3 ra

C2 ra
(b)

Hình 3-13 TSC-TSR căn bản, loại phát phản kháng và đặc tính phản kháng đầu ra


24

3-2.3 Thiết bị bù lý tưởng phản kháng SVC và STATCOM
Thiết bị bù phản kháng lý tưởng (SVC:Static Var Compensator) và thiết
bị bù đồng bộ lý tưởng (STATCOM : Static Synchronous Compensator) là
những thiết bị phát phản kháng, ngõ ra của nó được biến đổi để duy trì hoặc
kiểm soát những thông số đặc biệt của hệ thống điện. Như đã khảo sát ở
phần trước, thiết bị phát phản kháng lý tưởng có thể là loại điều chỉnh tổng
trở phản kháng lý tưởng, sử dụng Thyristor điều chỉnh và đóng ngắt các
cuộn kháng và tụ điện hoặc loại nguồn điện thế đồng bộ sử dụng bộ biến đổi
công suất, nó sử dụng tổng hợp những phần tử này. Mặc dầu nguyên lý làm
việc của những máy phát phản kháng này là khác nhau và đặc tính phản
kháng ngõ ra V-I, tốc độ đáp ứng và băng thông tần số có thể đạt được của
chúng là như nhau, chúng có thể cung cấp kháng ngang điều chỉnh được,
toàn bộ chức năng của nó có thể thực hiện trong phạm vi vận hành tuyến
tính.
Mục đích thứ nhất của việc áp dụng thiết bị bù lý tưởng trong hệ thống
năng lượng là để tăng khả năng truyền tải công suất với lưới truyền tải từ

những máy phát đến tải. Khi những thiết bị bù lý tưởng không thể phát hoặc
tiêu thụ công suất thật, hệ thống truyền tải năng lượng được gián tiếp tác
dụng bởi việc điều chỉnh điện áp, điều đó làm cho công suất phản kháng ngõ
ra của những thiết bị bù được biến đổi để điều chỉnh điện áp tại các cực của
lưới truyền tải sao cho duy trì dòng năng lượng khi hệ thống bị nhiễu loạn
bất ngờ. Những yêu cầu hiệu chỉnh với thiết bị bù đã được đề cập từ những
chức năng của chúng.


25
3-3.NHỮNG BỘ BÙ TĨNH NỐI TIẾP : GCSC, TSSC, TCSC VÀ SSSC
3-3.1 Mục đích của bù nối tiếp
Chúng ta biết rằng truyền tải công suất xoay chiều với đường dây dài trên
không chủ yếu bị giới hạn bởi tổng trở phản kháng nối tiếp của đường dây.
Bù tụ nối tiếp được áp dụng có hiệu quả trong việc nâng cao tính ổn định,
khả năng truyền tải của lưới điện cao áp. Điện áp trên tụ nối tiếp tỷ lệ và
thẳng góc với dòng điện trong dây dẫn, công suất bù phản kháng do nó phát
ra cũng tỷ lệ và thẳng góc với dòng điện. Do vậy tụ bù nối tiếp có tác động
tự hiệu chỉnh.
Bù nối tiếp có thể điều chỉnh được dựa trên cơ sở kỹ thuật FACTS. Nó
được áp dụng để thực hiện việc tận dụng khả năng truyền tải bằng cách điều
khiển dòng năng lượng trong đường dây, với việc điều khiển nhanh, giảm
thiểu tác động của sự biến động trong hệ thống, giảm yêu cầu dự trữ độ ổn
định.
Trong chương này vấn đề căn bản của bù phản kháng nối tiếp được đề
cập, làm cơ sở cần thiết cho việc giải quyết vấn đề bởi các bộ bù dùng điện
tử công suất. Mục đích của bù nối tiếp là:
- Ổn định điện áp
- Cải thiên quá trình ổn định
- Dao động công suất.

- Dập tắt dao động đồng bộ phụ.
3-3.2 Thay đổi tổng trở bằng thiết bị bù nối tiếp
Giống như thiết bị bù ngang, loại thiết bị bù nối tiếp thay đổi được
tổng trở bao gồm :Thyristor đóng ngắt điều chỉnh tụ điện hoặc Thyristor
điều chỉnh các cuộn cảm với tụ cố định.