Tính toán và điều khiển thiết bị BESS trong mạng cục bộ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.28 MB, 86 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
.......................................
ĐỖ THỊ THANH HOA
TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BESS
TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN : PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN
HÀ NỘI – 2010
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn. Các số liệu và kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực.
Đề hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã
được ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu nào khác mà
không được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Học viên
Đỗ Thị Thanh Hoa
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Viện đào tạo Sau đại học, Bộ môn Tự
động hóa XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn này.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, người đã
định hướng và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành bản luận văn
tốt nghiệp này.
Cuối cùng tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt
quá trình tôi học tập và nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 20/10/2010
LỜI MỞ ĐẦU
Như chúng ta biết, hệ thống điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, như hệ
thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng hay các hệ
thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa... hoạt động có tính chất
độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Ví dụ như mạng điện tự dùng của
các xí nghiệp công nghiệp, các nhà máy. Hơn thế nữa với các mạng điện cục bộ thì vấn
đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm hay huy động công
suất khi khởi động động cơ là một vấn đề cần được đặt ra. Và các nhà khoa học đã
nghiên cứu ra hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS (Battery Energy
Storage System). BESS ra đời nhờ sự kết hợp giữa tiến bộ của công nghệ ăcquy với
công nghệ điện tử công suất dựa trên nền tảng lý thuyết của chỉnh lưu PWM với các
thuật toán điều khiển khác nhau.
Ở nước ta, do yêu cầu công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, ngày càng
xuất hiện nhiều dây truyền sản xuất mới có mức độ tự động hoá cao với những hệ
truyền động hiện đại, song bên cạnh đó việc nghiên cứu về vấn đề “Nghiên cứu tính
toán và điều khiển thiết bị BESS (bettery energy storage system) trong mạng điện cục
bộ”cũng là một vấn đề hết sức quan trọng và cấp thiết.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp, bạn bè, các thầy cô đã tận
tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành bài luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc
biệt đến PGS.TS Nguyễn Văn Liễn đã rất nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo cho tôi trong
quá trình làm cũng như trong quá trình hoàn thành bài luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN MẠNG ĐIÊN CỤC BỘ
1
1.1 Khái niệm mạng cục bộ
1
1.2 Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện
2
1.2.1 Phụ tải điện
2
1.2.2 Các yêu cầu của phụ tải điện
3
1.3 Đặc điểm của mạng điện cục bộ
5
1.3.1 Ưu điểm mạng cục bộ
5
1.3.2 Nhược điểm mạng cục bộ
5
1.4 Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS
7
1.4.1 Khái niệm về hệ thống FACTS
7
1.4.2 Các thiết bị điển hình trong FACTS
11
1.4.3 Các ưu điểm của FACTS
13
1.5 Kết luận
15
Chương 2: HỆ BESS TRONG LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ
16
2.1 Khái niệm về BESS
16
2.2 Ứng dụng và mô hình của BESS trong lưới điện cục bộ
16
2.3 Mô hình tương đương của acqui
24
2.3.1 Quá trình phóng điện của acqui
27
2.3.2 Quá trình nạp cho acqui
29
Chương 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS
32
3.1 Tìm hiều các phương pháp điều khiển hệ BESS
32
3.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM
34
3.2.1 Mô tả dòng điện và điện và điện áp nguồn
35
3.2.2 Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM
36
3.2.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM
37
3.3 Tìm hiểu cẩu trúc các bộ điều khiển dòng và công suất trong hệ BESS
42
3.3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC
42
3.3.2 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC
47
3.4 Tính toán tham số cho hệ BESS cụ thể
56
3.4.1 Tính toán công suất bù của của BESS
56
3.4.2 Tính toán tụ lọc DC
56
3.4.3 Tính toán điện cảm L
56
3.4.4 Tính chọn acqui
57
3.4.5 Tính chọn van bộ biến đổi công suất
58
Chương 4: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS
61
4.1 Tìm hiều phần mềm mô phỏng
61
4.2 Cấu trúc hệ BESS trong mô phỏng
62
4.3 Kết quả mô phỏng hệ BESS khi khởi động động cơ KĐB
68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ
1.1 Khái niệm mạng cục bộ
Để nghiên cứu về mạng điện cục bộ ta sẽ tìm hiều sơ qua về hệ thống điện và các
loại hệ thống điện trong thực tế. Điện năng sau khi được sản xuất ra từ các nhà máy
điện, được truyền tải, cung cấp, phân phối tới các hộ tiêu thụ điện nhờ mạng lưới điện.
Một hệ thống điện thường bao gồm: Nguồn phát điện, truyền tải, cung cấp, phân phối,
tới các hộ tiêu thụ điện.
Mạng lưới điện bao gồm hai bộ phận chủ yếu: lưới truyền tải và các trạm biến áp
trung gian lớn. Trong khi đó, mạng điện tiêu thụ có một phạm vi nhỏ hơn, nó chỉ gồm
trạm biến áp và mạng điện nội bộ trong hộ tiêu thụ nhằm mục đích phân phối điện
năng đến các thiết bị dùng điện trong hộ tiêu thụ đó.
Hệ thống điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, như hệ thống điện tự dùng
của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng, của một khách sạn hay các hệ
thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa hẻo lánh,... hoạt động có
tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Ví dụ như mạng điện tự
dùng của các xí nghiệp công nghiệp, các nhà máy mía đường, nhà máy giấy có nhà
máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu phế thải hay mạng điện với nguồn máy phát diesel
để dự phòng ở các nhà chung cư, khách sạn, bệnh viện, phân xưởng,…mạng điện với
nguồn máy phát từ sức gió, từ năng lượng mặt trời, từ thủy triều,...mạng điện với
nguồn thủy điện nhỏ ở miền núi, vùng sâu, vùng xa chủ yếu phục vụ cho điện sinh hoạt
và công nghiệp tại các địa phương miền núi,…
Hoạt động của một lưới điện được đánh giá theo 4 tiêu chuẩn chính sau:
- An toàn điện
- Chất lượng điện năng
- Độ tin cậy cung cấp điện
- Hiệu quả kinh tế.
Trong đó: Ba tiêu chuẩn đầu là nhằm phục vụ khách hàng, riêng tiêu chuẩn thứ tư
lại nhằm về ngành điện. Hiệu quả kinh tế là: thất thu ít nhất, chi phí vận hành nhỏ nhất,
tránh nguy cơ làm hư hại thiết bị.
1.2. Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện
1.2.1 Phụ tải điện
Ta biết phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một
điểm nào đó của lưới điện làm việc với điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu
phụ tải.
Công suất tác dụng P là công suất có tiêu hao năng lượng của nguồn điện để sinh
công, công suất phản kháng Q là công suất chỉ để tạo ra từ trường, mang tính cảm,
không tiêu thụ năng lượng của nguồn để sinh công. Cả hai thành phần công suất P và Q
đều gây tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp trên các thiết bị truyền dẫn của
mạng điện. P và Q có tương quan với nhau và đặc trưng bằng công suất biểu kiến S và
hệ số công suất cosφ theo các biểu thức sau:
S = 3UI ,
ϕ = arctag
P = S.cosϕ ,
Q = S.sin ϕ
P
, S = P 2 + Q2
Q
Phụ tải điện có một đặc điểm quan trọng nhất mà ta cần quan tâm đó là giá trị phụ
tải thường xuyên biến động theo thời gian, mức độ biến động cũng khác nhau:
- Biến thiên theo thời gian, theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt và
sản xuất
- Phụ tải điện có tính chất theo mùa: mùa mưa khác mùa hạn, khô
- Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, như nhiệt độ môi trường
- Phụ tải điện luôn phát triển không ngừng trong thời gian và không gian.
Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và vận
hành hệ thống điện. Biết chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ thống điện tối ưu
về chi phí sản xuất, phân phối điện nhỏ nhất, chi phí trong vận hành nhỏ nhất. Trong
tính toán, các phụ tải có quy luật hoạt động giống nhau được xếp vào cùng một loại để
có phương pháp tính riêng. Thông thường sau khi phân loại ta có các cách gọi cho mỗi
loại riêng như: phụ tải sinh hoạt, phụ tải thương mại, phụ tải dịch vụ, phụ tải công
nghiệp, …
1.2.2 Yêu cầu của phụ tải điện
Phụ tải điện luôn đòi hỏi với hệ thống điện về hai yếu tố là: Chất lượng điện năng
và độ tin cậy cung cấp điện.
Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp:
Chất lượng tần số được đánh giá bằng độ lệch tần số so với tần số định
mức và độ dao động tần số. Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá
trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc
độ lớn hơn 1%/s. Độ lệch tần số so với tần số định mức:
∆f =
f − f dm
.100% ≤ [∆f] = ± 0,5 Hz
f dm
Chất lượng điện áp được đánh giá bằng 4 chỉ tiểu: Độ lệch điện áp thực
tế tại điểm cung cấp so với điện áp định mức của lưới điện, độ dao động điện áp,
độ không đối xứng và độ không sin.
Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức của lưới điện:
δU =
U − U dm
.100%
U dm
δU phải thỏa mãn điều kiện:
δU − ≤ δU ≤ δU +
với δU- và δU+ là giới hạn trên dưới của độ lệch điện áp
Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các thiết bị điện,
làm giảm tuổi thọ, làm giảm năng suất gây hỏng thiết bị,… Ngoài ra, nếu điện áp thấp
quá nhiều thì thiết bị còn không hoạt động được.
Độ dao động điện áp được cho bởi công thức:
∆U =
U max − U min
.100%
U dm
Tốc độ biến thiên từ Umax đến Umin không nhỏ hơn 1%/s. Dao động điện áp gây
dao động ánh sáng có hại cho mắt người lao động, gây nhiễu các thiết bị điện tử…
Độ không đối xứng: Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn đến điện áp các
pha không đối xứng. Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ
của thiết bị dùng điện, giảm khả năng truyền tải của lưới điện và tăng tổn thất điện
năng.
Độ không sin: Các phụ tải phi tuyến như bộ chỉnh lưu công suất,.. làm biến thiên
dạng đường đồ thị điện áp không còn dạng sin, xuất hiện các thành phần sóng hài bậc
cao. Sóng hài bậc cao sẽ gây ra giảm điện áp trên đèn điện và các thiết bị sinh nhiệt,
tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong
lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu các thiết bị bảo vệ, điều khiển điện tử,…
Theo tiêu chuẩn 519-IEEE đề nghị: tổng các thành thành phần sóng hài cao không
được vượt quá 5% sóng hài cơ bản (THD ≤ 5%)
Độ tin cậy cung cấp điện được tính bằng thời gian mất điện trung bình năm cho
một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được cho cả hai phía
người dùng điện và hệ thống điện. Độ tin cậy cung cấp điện được đảm bảo nhờ cấu trúc
của hệ thống điện và lưới điện được lựa chọn trong quy hoạch, thiết kế. Trong thời đại
công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải về chất lượng điện năng và độ tin
cậy cung cấp điện cũng đòi hỏi ngày càng cao. Bởi vậy hệ thống điện cũng phải hoàn
thiện không ngừng về cấu trúc và điều độ hệ thống để thích nghi và đáp ứng được
những yêu cầu đó.
1.3. Đặc điểm mạng điện cục bộ
1.3.1. Ưu điểm mạng điện cục bộ
Như ta thấy các thủy điện nhỏ hiện rất được khuyến khích phát triển vì chúng có
một số ưu điểm nổi bật đó là:
- Đầu tư xây dựng nhanh với chi phí nhỏ, số lượng nhiều, vị trí phân tán ở các
khu vực hẻo lánh mà khả năng đưa lưới điện quốc gia đến là khó thực hiện.
- Giá thành thương phẩm hạ.
- Nguồn phát điện dạng “công nghệ sạch”.
Tuy nhiên nguồn điện cục bộ thủy điện nhỏ còn tồn tại khá nhiều nhược điểm
chưa được quan tâm khắc phục một cách thỏa đáng.
1.3.2. Nhược điểm mạng điện cục bộ
Thủy điện nhỏ cũng có chung một số nhược điểm với các nguồn cục bộ khác.
Mục tiêu của đề tài là đưa ra giải pháp khắc phục một số nhược điểm của nguồn cục bộ
thủy điện nhỏ khi phải đối mặt với một số tình huống sau:
1. Vấn đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm:
Trong vận hành thường xuyên xảy ra chế độ đóng cắt những phụ tải lớn ví dụ
như đóng cắt một nhánh đường dây nào đó của lưới, phụ tải biến động đột
ngột gây áp lực lớn cho máy phát. Hoặc theo đồ thị phụ tải ngày, thường xuất
hiện quá tải vào những giờ cao điểm (khi hệ số đồng thời của phụ tải ≈ 1) có
thể gây quá tải cho máy phát trong khoảng thời gian đến hàng giờ (Hình 1.4);
2. Vấn Vấn đề huy động công suất khi khởi động động cơ: Do công suất là
nhỏ nên khi có phụ tải đỉnh cần huy động công suất như khởi động động cơ
không đồng bộ. Công suất khởi động đòi hỏi lớn hơn nhiều từ 5 đến 7 lần
công suất định mức của động cơ trong một thời gian tính bằng ms , vượt quá
khả năng đáp ứng của nguồn có thể làm mất cân bằng mô men trên trên trục
máy phát khiến tốc độ giảm, tần số dao động sẽ phát sóng hài vào lưới (Hình
1.5). Mặt khác dòng khởi động có thể tạo ra phụ tải đỉnh làm bảo vệ rơle cực
đại tác động dẫn đến gián đoạn cung cấp điện;
Hình 1.4. Đồ thị phụ tải ngày
Hình 1.5. Đồ thị phụ tải khi có động cơ khởi
động
3. Vấn đề sóng điều hòa bậc cao: Trong mạng có các tải phi tuyến như các thiết
bị chỉnh lưu công suất, các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ qua bộ biến đổi
công suất, các đèn phóng điện trong hệ thống chiếu sáng… chính là nguồn
sinh ra các sóng hài bậc cao nhả vào lưới. Điều này ảnh hưởng đến khả năng
truyền tải của lưới, phát nóng phụ các thiết bị điện từ, suy giảm hệ số cosϕ
chung toàn mạng.
1.4. Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS
1.4.1. Khái niệm về hệ thống FACTS
Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công
nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng. FACTS (Flexible AC Transmission
Systems) được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây
xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản
lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới truyền tải hiện có; tăng
độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn
định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu
chất lượng điện năng cao; các lợi ích về môi trường khác. Đây là khái niệm về một hệ
thống điện linh hoạt. Có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển, đáp ứng
nhanh theo sự thay đổi của phía đầu vào cũng như khi thay đổi điểm làm việc.
Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha
của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. Dưới đây là mô tả các loại thiết bị
FACT chủ yếu:
Các máy bù tĩnh (SVC): là những thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng trong
nhiều năm để cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải quyết
các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị
SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao
so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường. Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm
giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống
nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.
Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): Là một mở rộng của
các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều khiển
bằng thyristor. Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép
tạo ra một hệ thống bù nối tiếp thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ
yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các
cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây.
Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM): là thiết bị SVC dựa trên GTO (thyristor kiểu
cổng đóng - gate turn-off). So với loại SVC thông thường, STATCOM không yêu cầu
các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng các hệ
thống truyền tải cao áp, như vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn. Một lợi thế khác
là đầu ra phản ứng cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể được
xem như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống.
Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM là
một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua
mạch DC của nó tạo ra UPFC. Thiết bị này giống như một biến áp chuyển dịch pha
nhưng có thể gắn một điện áp nối tiếp của góc pha yêu cầu thay vì một điện áp có góc
pha cố định. UPFC kết hợp lợi ích của một STATCOM và TCSC.
Nói tóm lại, Công nghệ FACTS là dựa trên nguyên tắc hoạt động của các bộ biến
đổi VSI (Voltage Source Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất lớn. Do
sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị điển tử công suất lớn như GTO,
IGTO, IGBT,… đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng điều
khiển việc truyền tải điện năng cũng như nâng cao chất lượng điện năng. Đây chính là
cơ sở ra đời của FACTS.
FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng
các phần tử điện tử công suất lớn và sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các kho điện
(ăcquy) và kho từ (cuộn cảm siêu dẫn). Các thiết bị này có thể chia ra thành các nhóm
theo cách đấu: nối tiếp, song song, hỗn hợp. Đặc tính hoạt động của chúng được suy ra
từ hai kiểu bù nối tiếp lý tưởng và bù song song lý tưởng.
Bù nối tiếp lý tưởng
Bù nối tiếp lý tưởng là điều khiển biên độ, góc pha ở cùng tần số cơ bản của lưới.
Muốn điều khiển công suất tác dụng Pr và công suất phản kháng Qr trên đường dây,
thiết bị FACTS sẽ điều khiển các giá trị các thông số XL ; V; δ
- khi δ = δs-δr >0, dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ nguồn Vs sang tải
Vr và ngược lại, δ < 0 thì sẽ có chế độ trả công suất tác dụng từ tải về nguồn.
- khi (Vs-Vr.cosδ)>0, dòng công suất phản kháng chảy từ nguồn sang tải
và ngược lại, nếu Vs < Vr.cosδ thì tải phát công suất phản kháng lên đường dây.
Hình 1.6. Bù nối tiếp lý tưởng
Bù song song lý tưởng
Bù song song lý tưởng là điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua
việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù. Chính vì thế nó tăng sự ổn định cho hệ
thống.
Hình 1.7. Bù song song lý tưởng
Trong đó Vs, Xs là điện áp, điện kháng tương đương của nguồn. Vr và Xr là điện áp,
điện kháng tương đương của tải, XnE là điện kháng kết nối tương đương giữa Statcom
và lưới. Khi điện áp phát ra từ Statcom là E lớn hơn điện áp lưới V thì giữa Statcom tồn
tại dong Iq chậm pha hơn so với hiệu (E-V) một góc 90o tương ứng ta có chế độ cảm
kháng. Hay Statcom hấp thụ CSPK từ lưới, ngược lại là chế độ dung kháng. Như vậy,
tuỳ theo dấu của hiệu (E-V) mà Statcom sẽ làm việc ở chế độ hấp thu hay phát CSPK
lên lưới.
Bù hỗn hợp
Hình 1.8. Bù hỗn hợp
Khi kết hợp giữa Statcom và SSSC, hoặc kết hợp hai bộ Statcom với nhau tạo ra những
khả năng mới trong việc điều khiển luồng CSTD, CSPK. Một trong những thiết bị tao
ra đó là UPSC. Ở đây kết hợp được tính năng của Statcom và SSSC: Vừa có thể điều
khiển góc lệch δ, vừa có thể điều khiển điện kháng X của đường dây, điện áp Ut
1.4.2. Các thiết bị điển hình trong FACTS
Các thiết bị trong FACTS có thể phân chia theo cách đấu nối: nhóm mắc nối tiếp,
nhóm mắc song song, nhóm mắc hỗn hợp.
Nhóm mắc nối tiếp:
- Bộ lọc nối tiếp (PFSA: Series Active Power Filter).
Hình 1.9. Cấu trúc bộ lọc nối tiếp
+ Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài điện áp, điều chỉnh và cân bằng điện
áp tại điểm kết nối.
Nhóm mắc song song:
- Bộ lọc động mắc song song PAPF (parallel Active Power Filter)
Hình 1.10. Cấu trúc bộ lọc song song
+ Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng,
bù thành phần dòng điện không cân bằng.
- Hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS (Battery Energy
Storage System)
Nhóm mắc hỗn hợp:
- Unified power Quality Conditioner (UPQC)
Hình 1.11. Cấu trúc bộ lọc tích cực nối UPQC
+ Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài điện áp và dòng điện, Ngăn quá trình
phát sóng hài bậc cao ra ngoài, Bù điện áp không cân bằng thành hình
sin đối xứng ba pha đồng thời hiệu chỉnh điện áp, Điều khiển hướng
dòng năng lượng cơ bản, Cấu trúc phức tạp và giá thành cao
1.4.3. Các ưu điểm của FACTS
Những lợi ích khi sử dụng các thiết bị FACTS trong các hệ thống truyền tải điện
có thể tóm tắt như sau:
Sử dụng tốt hơn các hệ thống truyền tải hiện có
Tại nhiều nước, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển
luồng tải của các đường dây truyền tải có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt ở những
nước có thị trường điện chưa được kiểm soát, nơi các vị trí phát điện và trung tâm tải
có thể thay đổi nhanh chóng. Thông thường, việc bổ sung các đường dây truyền tải mới
để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng bị giới hạn bởi những cản trở về kinh tế và môi
trường. Các thiết bị FACTS giúp đáp ứng những yêu cầu này với những hệ thống
truyền tải hiện có.
Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải
Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nhau. Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể
giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng
cách giảm số lần đóng cắt đường dây. Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của
đường dây và dẫn đến cắt đường dây. SVC hoặc STATCOM chống lại sự quá áp này
và tránh việc cắt đường dây.
Tăng độ ổn định động và quá độ của lưới
Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và
các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải. Các vấn đề
này cũng có thể dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất vòng
hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây. Các thiết bị FACTS làm ổn định các hệ thống
truyền tải với việc tạo nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cố đường dây.
Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện
năng cao
Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao gồm
các yêu cầu khắt khe về giao động của điện áp, tần số và không bị cắt điện. Những sự
thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng trệ trong quá
trình sản xuất mà hệ quả là những tổn thất lớn về kinh tế. Các thiết bị FACTS có thể
giúp cung cấp chất lượng cấp điện năng theo yêu cầu.
Các lợi ích về môi trường
Các thiết bị FACTS thân thiện với môi trường, vì không chứa các vật liệu gây hại
và không tạo ra chất thải hay chất gây ô nhiễm. FACTS giúp phân phối ðiện nãng một
cách kinh tế nhờ việc huy ðộng hiệu quả các công trình hiện có, làm giảm nhu cầu đầu
tư nâng cấp những đường dây truyền tải.
Từ đó ta thấy được các khả năng của FACTS, trong đó nổi bật là:
- Điều khiển các đường truyền công suất;
- Tăng dung lượng truyền tải điện năng bằng cách bù công suất phản
kháng;
- Điều chỉnh, quy định điện áp tại các bus truyền tải;
- Điều khiển sự đồng bộ giữa các điểm kết nối của hệ thống điện;
- Tăng an toàn truyền dẫn;
- Hạn chế các nguyên nhân phát sinh sóng hài
- Khử các sóng hài phát sinh trên lưới;
- Có sự linh hoạt cao trong điều khiển hệ thống.
1.5. Kết luận
Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại
những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách
hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các giao động hệ thống.
FACTS đã mở ra nhiều khả năng và triển vọng cho ngành hệ thống điện, tăng
cường sự ổn định cho hệ thống, tăng chất lượng nguồn ở cả hệ thống truyền tải và hệ
thống phân phối, tăng dung lượng truyền tải, giảm nhẹ ứng xuất tại các điểm nút mà
không cần phải xây dựng đường truyền tải mới. Ngoài ra FACTS cũng đưa thêm nhiều
khả năng mới như các thiết bị UPFC, IPFC có thể phân luồng hay hợp nhất các hệ
thống điện,...
Một thiết bị được quan tâm nghiên cứu trong hệ thống FACTS là thiết bị BESS và
ứng dụng của nó trong mạng điện cục bộ. Các chương tiếp theo ta sẽ khảo sát, đưa ra
cấu hình mạch lực của hệ BESS, và phương pháp điều khiển hệ thống này để đảm bảo
các tiêu chuẩn đã đề cập ở trên cho lưới điện.
CHƯƠNG 2: TÁC DỤNG HỆ BESS ĐỐI VỚI LƯỚI CỤC BỘ
2.1. Khái niệm về BESS
BESS (Battery Energy Storage System) là hệ thống tích trữ năng lượng nguồn
ăcquy. BESS thuộc nhóm thiết bị bù song song trong hệ thống. BESS ra đời nhờ sự kết
hợp giữa tiến bộ của công nghệ ăcquy với công nghệ điện tử công suất dựa trên nền
tảng lý thuyết của chỉnh lưu PWM với các thuật toán điều khiển khác nhau.
Hình 2.1. Kết nối BESS với mạng lưới điện
Hình 2.1. Minh họa một hệ thống điện có ứng dụng BESS.
Nếu thiết lập ăcquy có công suất đủ lớn, với khả năng huy động công suất linh
hoạt (thông minh) nhờ thuật điều khiển thích hợp, thì BESS hoàn toàn có khả năng loại
trừ được những nhược điểm của nguồn điện cục bộ - điều này trước đây chưa được các
chuyên gia năng lượng quan tâm một cách thoả đáng.
2.2. Ứng dụng và mô hình của BESS cho lưới điện cục bộ
Để khắc phục một số nhược điểm của lưới điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ, ta
ứng dụng một số chức năng của BESS như sau:
1. BESS có khả năng huy động nhanh các thành phần công suất tác dụng, công
suất phản kháng khi lưới điện có các biến động tải như: đóng tải đường nặng,
chế độ quá tải giờ cao điểm trong ngày, quá tải đỉnh (khi khởi động động cơ);
Hình 2.2. Bù công suất tải khi có biến động lưới điện
2. BESS làm nhiệm vụ bù công suất phản kháng nhằm mang lại một số hiệu quả
đó là: Nâng cao cosϕ cho mạng và điều chỉnh giá trị điện áp làm việc tại điểm
kết nối, giảm sóng hài khi có tải phi tuyến làm việc.
Hình 2.3. BESS làm chức năng của bộ lọc tích cực (Active power filter)
- Làm nguồn dự phòng khi nguồn phát sự cố thì BESS tự động đóng với
thời gian nhanh nhất, không làm gián đoạn hoạt động của các thiết bị điện tử.
- Đảm bảo sự cân bằng tải và ổn định hệ thống điện thậm chí trong một
thời gian khá dài hàng giờ theo cầu của tải khách hàng khi mạng đang trong tình
trạng sự cố mất đối xứng mà nặng nề nhất là các ngắn mạch.
- Làm kho tích và phóng năng lượng có tác dụng san bằng đồ đồ thị phụ tải
ngày (Hình 2.4). Ví dụ về đêm, phụ tải nhỏ, giá điện rẻ thì BESS tích năng
lượng, ban ngày vào giờ cao điểm (khi giá điện là cao) BESS phát công suất hỗ
trợ cho nguồn cục bộ thì sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao và góp phần làm giảm
ứng suất cho lưới điện trong giờ cao điểm.
Hình 2.4. BESS điều hòa công suất trong ngày
Cấu hình của BESS gồm có ba yếu tố chính là: bộ biến đổi công suất, bộ tích trữ năng
lượng một chiều và thuật toán điều khiển được mô tả như ( Hình 2.5). BESS được nối
với hệ thống tại điểm PCC (point of common coupling) thông qua mạch lọc filter. Có
thể có thêm máy biến áp sử dụng để phối hợp với điện áp nguồn.
