Nghiên cứu mô hình và ứng dụng một số thiết bị FACTS trong tính toán hệ thống điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.66 MB, 121 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
.......................................
NGUYỄN XUÂN HỒNG
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT
SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ
THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :TS.
ĐINH QUANG HUY
HÀ NỘI – 2010
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố.
Tác giả
Nguyễn Xuân Hồng
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
1
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................... 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................... 8
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 11
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU
LINH HOẠT (FACTS) ...................................................................................... 13
1.1 Hệ thống truyền tải điện ............................................................................. 13
1.1.1 Giới thiệu chung .................................................................................. 13
1.1.2 Điều chỉnh , điều khiển các thông số trong hệ thống điện .................... 15
1.2 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) ............................. 20
1.2.1 Thiết bị điều khiển ngang .................................................................... 20
1.2.2 Thiết bị điều khiển dọc ........................................................................ 22
1.2.3 Thiết bị điều khiển kết hợp .................................................................. 24
1.3 Hiệu quả ứng dụng của thiết bị điều khiển FACTS..................................... 25
CHƯƠNG 2 CẤU TẠO NGUYÊN LÝ VÀ MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ SVC
VÀ TCSC ............................................................................................................. 27
2.1 Cấu tạo nguyên lý các phần tử cơ bản ........................................................ 27
2.1.1 Cuộn kháng có điều chỉnh bằng thyristor – TCR.................................. 27
2.1.1.1 Cấu tạo của TCR .......................................................................... 27
2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động và đặc tính điều chỉnh ................................. 28
2.1.1.3 TCR 3 pha .................................................................................... 32
2.1.2 Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor – TSR .......................................... 35
2.1.3 Tụ điện đóng cắt bằng thyristor – TSC................................................. 36
2.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển - SVC ............................................... 40
2.2.1 Cấu tạo của SVC ................................................................................. 40
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
2
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
2.2.2 Đặc tính làm việc của SVC .................................................................. 41
2.2.3 Các khối điều khiển SVC..................................................................... 47
2.2.4 Mô hình hóa thiết bị SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống
điện
............................................................................................................ 50
2.2.4.1 Mô hình thiết bị bù SVC theo dung dẫn có thể điều chỉnh được ... 51
2.2.4.2 Mô hình thiết bị bù SVC theo nguồn công suất phản kháng phụ
thuộc vào góc điều khiển α ........................................................................ 51
2.3 Thiết bị bù dọc điều chỉnh bằng thyristor - TCSC ...................................... 53
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC .......................................... 53
2.3.2 Đặc tính làm việc của TCSC ................................................................ 57
2.3.3 Các khối điều khiển TCSC .................................................................. 58
2.3.3.1 Mô hình điều khiển ngoài của TCSC ............................................ 58
2.3.3.2 Mô hình điều khiển trong của TCSC............................................. 60
2.3.4 Mô hình hóa thiết bị TCSC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống
điện
............................................................................................................ 62
2.3.4.1 Mô hình thiết bị TCSC theo điện kháng có thể điều chỉnh được ... 62
2.3.4.2 Mô hình TCSC theo điện kháng thay đổi phụ thuộc vào góc điều
khiển α 62
CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC TRONG BÀI
TOÁN TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ................. 68
3.1 Mô hình bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ...................... 68
3.2 Bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện khi có thiết bị SVC .... 70
3.2.1 Trường hợp SVC có mô hình theo dung dẫn có thể điều chỉnh được.... 70
3.2.2 Trường hợp SVC có mô hình theo nguồn công suất phản kháng phụ
thuộc vào góc điều khiển. .............................................................................. 72
3.3 Bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện khi có thiết bị TCSC .. 74
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
3
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
3.3.1 Trường hợp TCSC có mô hình theo điện kháng có thể điều chỉnh được ...
............................................................................................................ 75
3.3.2 Trường hợp TCSC có mô hình theo điện kháng phụ thuộc vào góc điều
khiển ............................................................................................................ 77
3.4 Kết quả ứng dụng....................................................................................... 81
CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ SVC VÀ TCSC TRONG BÀI
TOÁN TỐI ƯU HÓA CHI PHÍ PHÁT ĐIỆN CỦA CÁC MÁY PHÁT TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................................................................... 88
4.1 Lý thuyết tối ưu hóa phi tuyến ................................................................... 88
4.1.1 Tối ưu hóa phi tuyến không ràng buộc ................................................. 88
4.1.1.1 Bài toán tối ưu hóa phi tuyến không ràng buộc ............................. 88
4.1.1.2 Phương pháp Newton giải bài toán tối ưu hóa không ràng buộc.... 89
4.1.2 Tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc đẳng thức ...................................... 90
4.1.2.1 Bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc đẳng thức ................... 90
4.1.2.2 Phương pháp Lagrange giải bài toán phi tuyến có ràng buộc
đẳng thức ................................................................................................... 90
4.1.3 Tối ưu phi tuyến có ràng buộc bất đẳng thức ....................................... 91
4.1.3.1 Bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc bất đẳng thức.................... 91
4.1.3.2 Một số phương pháp giải bài toán phi tuyến có ràng buộc bất đẳng
thức
..................................................................................................... 91
4.2 Tối ưu hóa trong hệ thống điện .................................................................. 94
4.2.1 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện ............................................... 94
4.2.2 Hàm mục tiêu ...................................................................................... 94
4.2.3 Các biến .............................................................................................. 95
4.2.4 Các ràng buộc đẳng thức ..................................................................... 96
4.2.5 Các ràng buộc bất đẳng thức ................................................................ 97
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
4
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
4.2.6 Giải bài toán tối ưu trong hệ thống điện chưa có thiết bị FACTS ......... 97
4.2.7 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết bị SVC .................... 107
4.2.8 Bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết bị TCSC .................. 109
4.3 Kết quả ứng dụng thuật toán tối ưu hóa.................................................... 112
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN................................................................................... 118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 119
PHỤ LỤC ........................................................................................................... 120
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
5
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HTĐ
Hệ thống điện
ĐDK
Đường dây trên không
FACTS
Flexible AC Transmission System – Hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt
TCR
Thyristor Controlled Reactor – Kháng điện điều khiển bằng
thyristor
TSR
Thyristor Switched Reactor – Kháng điện đóng mở bằng
thyristor
TSC
Thyristor Switched Capacitor – Tụ điện đóng mở bằng thyristor
SVC
Static Var Compensator
TCSC
Thyristor Controlled Series Capacitor
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
6
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Hệ số chi phí và giới hạn phát công suất tác dụng của máy phát ... 113
Bảng 4.2 Kết quả tính toán trào lưu công suất và chi phí hệ thống điện 5 nút
khi chưa tính toán tối ưu hóa ................................................................ 113
Bảng 4.3 Kết quả tính toán tối ưu hóa cho hệ thống điện có thiết bị SVC để
điều chỉnh điện áp. ............................................................................... 114
Bảng 4.4 Kết quả tính toán tối ưu hóa hệ thống điện có thiết bị bù TCSC. ... 116
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
7
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải ...................... 16
Hình 1.2 Thiết bị điều khiển ngang ................................................................ 21
Hình 1.3 Cấu tạo SVC ................................................................................... 22
Hình 1.4 Thiết bị điều khiển dọc .................................................................... 23
Hình 1.5 Thiết bị TCSC ................................................................................. 23
Hình 1.6 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc-dọc ................................................ 24
Hình 1.7 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc - ngang ........................................... 24
Hình 2.1 Cấu tạo TCR ................................................................................... 27
Hình 2.2 Dòng điện và điện áp trên TCR với các góc điều khiển khác nhau ... 29
Hình 2.3 Đặc tính dung dẫn của TCR theo góc điều khiển ............................. 30
Hình 2.4 Sóng hài dòng điện trong TCR ........................................................ 31
Hình 2.5 Sóng hài cơ bản và tổng các sóng hài không cơ bản của dòng điện qua
TCR ....................................................................................................... 31
Hình 2.6 TCR nối tam giác, giá trị dòng điện dây và pha ứng với góc điều
khiển khác nhau ..................................................................................... 32
Hình 2.7 Sơ đồ một sợi của TCR ba pha có bộ lọc ......................................... 33
Hình 2.8 Điện áp và dòng điện khi đóng tụ điện vào nguồn điện .................... 37
Hình 2.9 TSC có cuộn kháng nối tiếp với tụ................................................... 38
Hình 2.10 Điện áp sau khi đóng van của TSC ................................................ 38
Hình 2.11 Các loại TSC ba pha ...................................................................... 39
Hình 2.12 Sơ đồ TSC nói chung .................................................................... 40
Hình 2.13 Các thành phần cấu tạo của SVC ................................................... 40
Hình 2.14 a) Đặc tính V-I của SVC
b) Đặc tính V-Q của SVC .................... 41
Hình 2.15 Đặc tính không có độ dốc và có độ dốc của SVC .......................... 44
Hình 2.16 Phối hợp hoạt động giữa hai SVC.................................................. 46
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
8
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 2.17 Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển SVC ................................ 47
Hình 2.18 Đặc tính làm việc của SVC ............................................................ 50
Hình 2.19 Mô hình thiết bị SVC theo dung dẫn thay đổi ................................ 51
Hình 2.20 Mô hình thiết bị SVC là nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào
góc điều khiển ........................................................................................ 52
Hình 2.21 Cấu tạo của TCSC ......................................................................... 53
Hình 2.22 Hệ thống TCSC thực tế ................................................................. 54
Hình 2.23 Các chế độ hoạt động của TCSC ................................................... 55
Hình 2.24 Đặc tính làm việc của TCSC.......................................................... 57
Hình 2.25 Sơ đồ điều khiển ngoài của TCSC ................................................. 58
Hình 2.26 Cấu trúc vòng lặp điều khiển ổn định TCSC .................................. 59
Hình 2.27 Sơ đồ khối điều khiển trong của TCSC dựa trên sự đồng bộ thành
phần cơ bản của dòng điện ..................................................................... 61
Hình 2.28 Sơ đồ điều khiển trong của TCSC dựa trên dự đoán thời điểm qua
giá trị 0 của điện áp tụ điện .................................................................... 61
Hình 2.29 Mạch điện tương đương của TCSC................................................ 62
Hình 2.30 Sơ đồ thay thế nhánh có thiết bị bù TCSC ..................................... 63
Hình 2.31. Dòng điện chạy qua TCR ............................................................. 63
Hình 2.32. Điện kháng của TCSC ở tần số cơ bản.......................................... 67
Hình 3.1 Sơ đồ thay thế của nhánh đường dây điển hình ................................ 68
Hình 3.2 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống có thiết bị
SVC (theo mô hình điện dung điều chỉnh được) ..................................... 71
Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống điện có
thiết bị SVC (theo mô hình nguồn công suất phản kháng phụ thuộc vào
góc điều khiển) ...................................................................................... 73
Hình 3.4 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống có thiết bị
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
9
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
TCSC (theo mô hình điện kháng có thể điều chỉnh được)....................... 77
Hình 3.5 Sơ đồ thuật toán tính toán trào lưu công suất của hệ thống điện có
thiết bị TCSC (theo mô hình điện kháng phụ thuộc vào góc điều khiển) 80
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống điện 5 bus ............................................................... 81
Hình 4.1 Nút cơ bản trong hệ thống điện........................................................ 96
Hình 4.2 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện thường
............................................................................................................ 107
Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu hóa trong hệ thống điện có thiết
bị SVC ................................................................................................. 109
Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán giải bài toán tối ưu trong hệ thống điện có thiết bị
TCSC ................................................................................................... 112
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
10
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
MỞ ĐẦU
Hệ thống điện quốc gia đang ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ
điện ngày càng cao và sự phát triển không ngừng của xã hội. Cũng chính vì thế giữa
các khu vực trong từng quốc gia, giữa các quốc gia với nhau đang hình thành mối
liên kết để tạo thành các hệ thống điện hợp nhất có qui mô lớn cả về công suất và
lãnh thổ.
Những năm gần đây nhờ sự phát triển của kĩ thuật điện tử công suất, công
nghệ chế tạo các thyristor công suất lớn và kĩ thuật đo lường điều khiển nên các
thiết bị bù dùng thyristor đang được nghiên cứu và áp dụng. Ở những nước có trình
độ công nghệ tiên tiến, các thiết bị bù dọc, bù ngang điều chỉnh bằng thyristor đã
được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao. Các thiết bị này gọi chung là thiết bị điều
khiển FACTS, có khả năng điều chỉnh, điều khiển để nâng cao ổn định hệ thống,
tăng khả năng truyền tải, giúp vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả
trong chế độ bình thường cũng như trong chế độ sự cố.
Khi hệ thống điện có các thiết bị FACTS thì bài toán đặt ra là cần phải mô
hình các thiết bị FACTS này như thế nào vào trong các bài toán tính toán thông số
chế độ của hệ thống điện. Chính vì vậy mục đích của bài luận văn này tác giả muốn
trình bầy một số mô hình của thiết bị FACTS cụ thể là thiết bị SVC (Static Var
Compensator) và TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) để ứng dụng các
mô hình này vào bài toán tính toán chế độ xác lập cũng như bài toán tối ưu hóa chi
phí sản xuất điện của hệ thống.
Nội dung bài luận văn bao gồm 5 chương
Chương 1. Giới thiệu tổng quan về thiết bị FACTS, các loại thiết bị FACTS
thường sử dụng trong hệ thống điện, hiệu quả cũng như ứng dụng của các thiết bị
FACTS này.
Chương 2. Trình bày về cấu tạo nguyên lý và các dạng mô hình của thiết bị
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
11
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
SVC và TCSC.
Chương 3. Trình bày ứng dụng các mô hình thiết bị SVC và TCSC ở chương 2
vào bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện. Trong chương này có trình
bày kết quả ứng dụng cho một hệ thống điện cụ thể.
Chương 4. Trình bày ứng dụng các mô hình thiết bị SVC và TCSC ở chương 2
vào bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất trong hệ thống điện. Trong chương này có
trình bày kết quả ứng dụng cho một hệ thống điện cụ thể.
Chương 5. Trình bày các kết luận rút ra từ bài luận văn và hướng nghiên cứu
tiếp theo.
Tác giả xin chân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với TS. Đinh Quang Huy đã
tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian qua. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn
các thầy, cô và bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh khỏi những khiếm khuyết sai sót,
tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô và bạn bè.
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
12
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT
(FACTS)
1.1
Hệ thống truyền tải điện
1.1.1
Giới thiệu chung
Sự phát triển nhanh chóng trong nhu cầu sử dụng điện, cùng với nhu cầu giảm
chi phí năng lượng dẫn đến việc xây dựng và phát triển các nguồn phát ở xa trung
tâm phụ tải lớn, chẳng hạn như các nhà máy thủy điện xây dựng ở nguồn nước nơi
có lưu lượng dòng chảy lớn, các nhà máy nhiệt điện xây dựng gần nguồn nhiên liệu,
các nhà máy địa nhiệt và thủy triều chỉ có thể xây ở một số địa điểm, còn nhà máy
điện hạt nhân thì được xây dựng xa khu đô thị. Do đó cần thiết phải xây dựng hệ
thống truyền tải điện để đưa điện từ nguồn phát đến trung tâm phụ tải. Hơn nữa, để
tăng cường độ tin cậy của hệ thống, các đường dây truyền tải cần có độ dự trữ cao,
có khả năng tải với lượng công suất lớn để liên kết hệ thống điện các miền, các khu
vực với nhau.
Để áp dụng các biện pháp nhằm nâng cao và cực đại khả năng truyền tải công
suất, cần phải xem xét các yếu tố có thể giới hạn khả năng truyền tải công suất. Về
cơ bản, có 3 dạng giới hạn truyền tải công suất:
Giới hạn nhiệt
Giới hạn về cách điện
Giới hạn ổn định
Các giới hạn này xác định công suất tối đa truyền tải được mà không gây nguy
hiểm đến các đường dây truyền tải và các thiết bị điện.
Giới hạn nhiệt: Giới hạn nhiệt của một đường dây trên không (ĐDK) là một
hàm liên quan đến nhiệt độ môi trường, các điều kiện gió tác động vào đường dây,
điều kiện của dây dẫn và khoảng cách của dây dẫn tới đất. Các giới hạn nhiệt biến đổi
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
13
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
bởi hai nhân tố: sự biến đổi của môi trường xung quanh đường dây và mức độ tải của
đường dây theo thời gian vận hành. Để tăng khả năng tải của một đường dây có thể sử
dụng biện pháp thay đổi dây dẫn bằng loại dây khác có cấu trúc dây thay đổi để có
khả năng tải dòng điện lớn hơn.
Giới hạn về cách điện: Để tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, có thể
tăng điện áp làm việc của đường dây lên. Thông thường có thể xảy ra việc tăng điện
áp làm việc bình thường lên 10% hoặc thậm chí cao hơn. Tuy nhiên, các quá điện áp
làm việc và quá điện áp khí quyển có thể quá khả năng chịu đựng của cách điện.
Giới hạn ổn định: Có một số các vấn đề về ổn định liên quan đến giới hạn khả
năng truyền tải bao gồm ổn định tĩnh và ổn định động.
- Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện sau những kích động nhỏ phục
hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu.
- Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi
được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho
phép).
Về cơ bản, giới hạn của công suất truyền tải có thể giải quyết bằng việc xây
dựng thêm các tuyến truyền tải mới. Tuy nhiên điều này dẫn đến tốn kém về nhiều
mặt như đất đai, tài chính, nhân công…Vì thế khi hệ thống điện phát triển nhanh
đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện
hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống. Để đáp ứng nhu cầu này,
các nghiên cứu về thiết bị điều khiển linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) đã được tiến hành vào
cuối năm 1980 nhằm giải quyết các vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải
của các hệ thống truyền tải, điều chỉnh công suất, điều khiển bù công suất phản
kháng với thời gian nhanh, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh
chóng. Công nghệ FACTS có thể được sử dụng để khắc phục các giới hạn về ổn
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
14
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
định, giới hạn nhiệt và giới hạn về cách điện nhằm nâng cao khả năng truyền tải
công suất trong hệ thống điện
1.1.2
Điều chỉnh , điều khiển các thông số trong hệ thống điện
Công suất tác dụng và công suất phản kháng là một trong số các thông số quan
trọng của hệ thống điện. Cũng như công suất tác dụng, công suất phản kháng trong
hệ thống điện cần phải luôn luôn điều chỉnh để giữ trạng thái cân bằng (giữa công
suất phát và phụ tải, kể cả tổn hao). Mất cân bằng công suất phản kháng dẫn đến
chất lượng điện áp không đảm bảo, tăng tổn thất, hệ thống mất ổn định… Một đặc
điểm khác về yêu cầu giữ cân bằng công suất phản kháng (so với công suất tác
dụng) là có tính phân bố theo khu vực, bởi điện áp của các nút trong hệ thống rất
khác nhau (không giống như tần số). Vì vậy ngoài công suất phản kháng cung cấp
từ các nhà máy điện cần phải có thêm các nguồn công suất phản kháng phân bổ
khác, như máy bù đồng bộ, tụ điện bù, kháng điện… Ngoài ý nghĩa trên, các thiết bị
bù còn có tác dụng cải thiện thông số, đặc biệt đối với đường dây siêu cao, tác dụng
điều chỉnh nâng cao ổn định.
Xem xét đến sự thay đổi của các thông số chế độ của HTĐ liên quan đến các
thông số điều khiển của thiết bị FACTS, ta nghiên cứu một ví dụ đơn giản về đường
dây truyền tải trên ( Hình 1.1a). Nút 1 và 2 là thanh cái của các nút nguồn có công
suất vô cùng lớn và để đơn giản giả thiết là các nút có công suất vô cùng lớn. Hai nút
được nối với nhau thông qua đường dây truyền tải chỉ có điện kháng X (bỏ qua điện
trở và dung dẫn của đường dây). E1 và E 2 là biên độ điện áp tại các nút tương ứng và
góc lệch điện áp giữa chúng là . E L là véc tơ điện áp giáng trên điện kháng X của
đường dây. Biên độ dòng điện trên đường dây nhận được theo công thức I
EL
và
X
lệch với E L một góc 90o.
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
15
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 1.1 Điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải
a. Hệ thống hai máy đơn giản
b. Đồ thị vector khi dòng điện vuông góc với điện áp đường dây
c.
Đồ thị vector dòng công suất tác dụng và phản kháng
d. Đường cong công suất P với góc lệch δtrong các trường hợp X khác nhau
e.
Điều chỉnh biên độ điện áp làm thay đổi công suất phản kháng
f.
Điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện đường dây làm thay đổi công suất phản
kháng
g. Nguồn điện áp bơm vào dọc đường dây
Dòng điện chạy trên đường dây có thể được điều khiển bằng việc điều khiển
E L hoặc X hoặc . Nếu góc lệch điện áp giữa hai nút nhỏ, dòng điện gần như đặc
trưng cho dòng công suất tác dụng. Việc tăng hoặc giảm điện kháng của đường dây sẽ
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
16
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
có hiệu quả lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng. Bởi vậy, xét về chi
phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều khiển dòng điện là cách điều khiển
dòng công suất hiệu quả nhất. Có thể sử dụng các cuộn kháng được điều khiển để điều
khiển công suất truyền tải và điều khiển góc lệch điện áp để nâng cao tính ổn định của
hệ thống.
Hình 1.1c, và Hình 1.1d, chỉ ra mối quan hệ theo đồ thị véc tơ giữa các dòng
điện tác dụng và phản kháng cùng với mối liên hệ với điện áp tại hai điểm nút.
Thành phần tác dụng của dòng điện tại nút 1 là:
I p1 E2 sin / X
(1.1)
Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 1 là:
I q1 E1 E2cos / X
(1.2)
Bởi vậy, công suât tác dụng tại đầu nút 1 là:
P1 E1 E2 sin / X
(1.3)
Công suất phản kháng tại đầu nút 1 là:
Q1 E1 E1 E2 cos / X
(1.4)
Tương tự, thành phần công suất tác dụng của dòng điện tại nút 2 là:
I p 2 E1 sin / X
(1.5)
Thành phần phản kháng của dòng điện tại nút 2 là:
I q 2 E2 E1cos / X
(1.6)
Bởi vậy, công suất tác dụng tại đầu nút 2 là:
P2 E2 E1 sin / X
(1.7)
Công suất phản kháng tại đầu nút 2 là:
Q2 E2 E2 E1cos / X
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
(1.8)
17
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
Công suất P1 cũng như P2 đều bằng:
P E1 E2 sin / X
(1.9)
Vì đã giả thiết rằng không có tổn thất công suất tác dụng trên đường dây. Nên
khi X thay đổi sẽ làm cho P , Q1 và Q2 thay đổi theo như (1.9), (1.4) và (1.8).
Hình 1.1d cho thấy công suất tác dụng tăng tới cực đại khi góc tăng tới 90o
sau đó công suất giảm tương ứng với góc tăng và công suất giảm đến 0 khi góc
180o . Nếu không điều khiển với tốc độ cao các thông số như
E1 , E2 , X và đường dây truyền tải chỉ có thể sử dụng tốt dưới góc 90o. Việc tăng và
giảm điện kháng X sẽ làm tăng và giảm độ cao của đặc tính công suất tác dụng theo
góc lệch . Đối với dòng công suất truyền tải sự thay đổi X sẽ tương ứng với sự
thay đổi góc lệch giữa điện áp hai điểm đầu và cuối của đường dây truyền tải.
Công suất (dòng điện) có thể cũng được điều khiển bởi việc điều chỉnh điện
áp E1 hoặc E2 . Tuy nhiên, trên Hình 1.1e cho thấy với sự thay đổi của E1 thì hiệu điện
áp E1 E2 không thay đổi nhiều còn góc pha của nó thì thay đổi đáng kể. Điều đó có
nghĩa rằng, việc thay đổi điện áp E1 hoặc E2 có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản
kháng hơn là công suất tác dụng.
Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp bơm vào dọc
theo đường dây. Như trên Hình 1.1f, khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng
điện (mà nó gần như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng tới giá trị
hiệu dụng của véc tơ dòng điện. Với góc lệch điện áp nhỏ, nó ảnh hưởng lớn tới công
suất tác dụng.
Điện áp dọc được bơm vào có thể là một véc tơ trùng về biên độ và góc pha với
điện áp đường dây Hình 1.1g. Nó chỉ cho thấy với sự thay đổi biên độ và góc pha
của nguồn điện áp dọc thì cả thành phần tác dụng và phản kháng của dòng điện cũng
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
18
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
bị ảnh hưởng. Phương pháp sử dụng nguồn áp có ứng dụng quan trọng trong các thiết
bị điều khiển FACTS.
Với phân tích ở trên và trên Hình 1.1 cho thấy rõ một vài điểm cơ bản của các
thông số liên quan đến khả năng điều khiển dòng công suất:
Điều khiển điện kháng đường dây X (ví dụ dùng tụ bù dọc có điều khiển bằng
thyristor) có thể đưa ra một phương pháp hữu ích để điều khiển dòng điện.
Khi góc lệch điện áp giữa hai nút không lớn (thông thường ở các đường dây
truyền tải) thì việc điều khiển điện kháng X hoặc góc thực chất dùng để điều khiển
dòng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây.
Điều khiển góc lệch điện áp (ví dụ bộ điều chỉnh góc pha), mà nó lần lượt
điều khiển điện áp của các nút là công cụ hữu ích để điều khiển dòng điện và cả dòng
công suất tác dụng trong trường hợp góc lệch điện áp gữa hai nút không lớn.
Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và vuông góc với véc tơ dòng điện có thể
làm tăng hoặc giảm biên độ dòng điện. Đây là một phương pháp hữu ích trong việc
điều khiển dòng điện đường dây và cả công suất tác dụng khi góc lệch điện áp không
lớn.
Bơm nguồn điện áp dọc đường dây và cùng góc lệch với véc tơ điện áp nút có
thể điều khiển được biên độ và góc của véc tơ dòng điện chạy trên đường dây. Điều đó
cho thấy rằng việc bơm một véc tơ điện áp cùng với góc lệch thay đổi có thể đưa ra
một phương pháp hữu ích để điều khiển chính xác công suất tác dụng và phản kháng.
Khi góc lệch điện áp không lớn, điều khiển biên độ của một trong các điện áp
nút (ví dụ bộ điều chỉnh điện áp điều khiển bằng thyristor) có thể là phương pháp hiệu
quả về kinh tế trong việc điều khiển dòng công suất phản kháng qua đường dây truyền
tải.
Tổ hợp điều chỉnh điện kháng đường dây với một bộ điều khiển dọc và điều
chỉnh điện áp với một bộ điều khiển ngang cũng có thể đưa ra một phương pháp hiệu
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
19
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
quả để điều khiển cả dòng công suất tác dụng và phản kháng truyền tải giữa hai hệ
thống.
Các kết luận quan trọng nêu trên chính là cơ sở trong việc nghiên cứu chế tạo
các loại thiết bị điều khiển FACTS khác nhau. Mức độ ảnh hưởng của các thông số
điều khiển đến công suất truyền tải trong HTĐ rất khác nhau. Nhìn nhận và đánh giá
đúng mối liên hệ giữa chúng cho ta thấy rõ tác dụng của các bộ điều khiển và ứng
dụng chúng trong HTĐ.
1.2
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating
Current Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều kết hợp
với các thiết bị điện tử công suất hoặc các thiết bị điều khiển tĩnh khác để tăng
cường khả năng điều khiển nhanh và tin cậy dòng công suất cũng như điện áp của
hệ thống.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải có thể
điều khiển một cách chính xác bằng cách bơm thêm vào một điện áp dọc có biên độ
và tần số nhất định, qua đó cải thiện tính ổn định của hệ thống, độ tin cậy của hệ
thống, giảm chi phí vận hành cũng như chi phí đầu tư xây dựng thêm các đường dây
truyền tải. Các thiết bị FACTS cũng có thể điều chỉnh điện kháng đường dây, qua
đó điều chỉnh dòng công suất trên đường dây truyền tải để tránh công suất chạy theo
đường vòng không mong muốn trên các đường dây truyền tải song song.
Nói chung thiết bị FACTS có thể chia làm ba loại là: Thiết bị điều khiển
ngang ; thiết bị điều khiển dọc; thiết bị điều khiển kết hợp.
1.2.1
Thiết bị điều khiển ngang
Thiết bị điều khiển ngang được nối song song với đường dây truyền tải (Hình
1.2), nó có thể là một điện kháng, một nguồn điện có thể thay đổi giá trị hoặc sự kết
hợp các thiết bị này. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển ngang đưa thêm vào
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
20
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
đường dây một nguồn dòng tại điểm mà nó nối vào. Do dòng điện vuông pha với
điện áp pha nên thiết bị điều khiển ngang cũng chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất
phản kháng. Bất kì mối quan hệ pha khác sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất.
Một thiết bị tiêu biểu trong các thiết bị điều khiển ngang đó là thiết bị bù ngang có
điều khiển SVC.
Hình 1.2 Thiết bị điều khiển ngang
SVC ( Static Var Compensator) - Thiết bị bù ngang có điều khiển: là thiết
bị có khả năng phát ra công suất phản kháng bơm vào nút hệ thống hoặc nhận công
suất phản kháng từ hệ thống về. Thiết bị này được nối song song với hệ thống và
công suất phản kháng đầu ra của nó có thể được điều chỉnh nhằm trao đổi dòng
điện điện cảm hoặc điện dung để điều khiển các thông số của hệ thống điện (điển
hình là điện áp nút).
Đây là một thuật ngữ chung để chỉ một điện kháng điều khiển bằng thyristor
hoặc đóng cắt bằng thyristor, và/hoặc tụ điện đóng cắt bằng thyristor hoặc tổ hợp
của chúng (Hình 1.3). SVC dựa trên các thyristor không có cổng tắt (turn - off).
Kháng điện được điều khiển bằng thyristor hoặc đóng cắt bằng thyristor để tiêu thụ
công suất phản kháng và tụ điện đóng cắt bằng thyristor để cung cấp công suất phản
kháng.
Trong trường hợp chung. SVC được cấu tạo từ ba loại phần tử cơ bản: TCR
(Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor
Switched Capacitor).
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
21
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
Hình 1.3 Cấu tạo SVC
TCR (Thyristor Controlled Reactor) : Là cuộn kháng có điểu khiển bằng
thyristor mà điện kháng của nó được thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc mở
của van thyristor
TSR (Thyristor Switched Reactor) : Là cuộn kháng đóng mở bằng thyristor
mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc bởi trạng thái dẫn hoàn toàn của van
thyristor hoặc trạng thái không dẫn của van thyristor. Việc sử dụng TSR mà
thyristor chỉ có hai trạng thái dẫn hoàn toàn và không dẫn là giảm chi phí cũng như
tổn thất so với TCR đồng thời mở rộng phạm vi hoạt động của thiết bị SVC.
TSC (Thyristor Switched Reactor) : Là tụ điện đóng cắt bằng thyristor mà
điện dung của nó thay đổi theo bậc bởi trạng thái dẫn hoàn toàn của van thyristor
và trạng thái không dẫn của van thyristor. TSC sử dụng trong SVC nhằm phát ra
công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống.
Phối hợp ba phần tử cơ bản trên cho phép chế tạo được những thiết bị bù ngang
có điều khiển SVC thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất phản
kháng) trong phạm vi tương đối rộng với giá thành hạ.
1.2.2
Thiết bị điều khiển dọc
Thiết bị điều khiển dọc là loại thiết bị được đấu nối tiếp với đường dây truyền
tải (Hình 1.4), nó có thể là một điện kháng thay đổi được giá trị như tụ điện, kháng
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
22
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
điện… hoặc một nguồn có thể thay đổi dựa trên các thiết bị điện tử công suất. Về
nguyên lý tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp đưa vào một điện áp nối tiếp với
đường dây. Với điều kiện là điện áp vuông pha với dòng điện, thiết bị điều khiển nối
tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Bất kì mối quan hệ pha khác
sẽ liên quan đến điều chỉnh công suất tác dụng. Một thiết bị điển hình trong các
thiết bị điều khiển dọc là thiết bị bù nối tiếp có điều khiển bằng thyristor TCSC.
Hình 1.4 Thiết bị điều khiển dọc
TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): Là thiết bị bù nối tiếp có
điều khiển bằng thyristor, bao gồm một tụ điện đấu song song với một kháng điện
có điều khiển bằng thyristor TCR để tạo ra sự điều khiển liên tục thông số điện
kháng của đường dây có nối thiết bị bù (Hình 1.5).
Hình 1.5 Thiết bị TCSC
Khi góc mở của thyristor là 180o, cuộn kháng sẽ không dẫn điện và bộ tụ điện
bù dọc sẽ có trở kháng bình thường của nó. Khi góc mở của thyristor giảm từ 180o
xuống dưới 180o, trở kháng của tụ điện tăng lên. Khi góc mở của thyristor là 90o,
cuộn kháng dẫn hoàn toàn, và trở kháng tổng của TCSC mang tính cảm, bởi vì trở
kháng của cuộn kháng đã được thiết kế thấp hơn nhiều so với trở kháng của tụ điện.
TCSC có thể là một thiết bị đơn, công suất lớn, hoặc có thể bao gồm một số
các tụ điện bằng nhau hoặc khác nhau về dung lượng được nối với nhau để đạt được
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
23
NGUYÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS TRONG TÍNH TOÁN HỆ THỐNG ĐIỆN
hiệu quả bù tốt nhất.
1.2.3
Thiết bị điều khiển kết hợp
Thiết bị điều khiển kết hợp là sự phối hợp hai loại thiết bị điều khiển dọc và
ngang. Về cơ bản nó có hai loại chính đó là thiết bị điều khiển kết hợp dọc – dọc, và
thiết bị điều khiển kết hợp dọc – ngang.
Hình 1.6 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc-dọc
Thiết bị điều khiển kết hợp dọc – dọc (Hình 1.6) có thể là sự kết hợp của các
bộ điều khiển dọc riêng lẻ, được điều khiển phối hợp trong hệ thống nhiều đường
dây truyền tải. Hoặc nó cũng có thể là một bộ điều khiển khối, trong đó bộ điều
khiển nối tiếp bù công suất phản kháng nối tiếp độc lập cho mỗi đường dây nhưng
cũng truyền công suất tác dụng giữa các đường dây qua đường truyền công suất.
Hình 1.7 Thiết bị điều khiển kết hợp dọc - ngang
Thiết bị điều khiển kết hợp dọc – ngang (Hình 1.7) là sự kết hợp của các bộ
điều khiển dọc và bộ điều khiển ngang được điều khiển theo một cách thức phối
hợp. Về nguyên lý bộ điều khiển kết hợp dọc – ngang đưa dòng điện vào hệ thống
nhờ phần tử ngang của bộ điều khiển, hơn nữa có sự trao đổi công suất tác dụng
giữa bộ điều khiển nối tiêp và bộ điều khiển ngang thông qua đường dẫn công suất.
Nguyễn Xuân Hồng – Cao học kĩ thuật điện 2009
24
