Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của thiết bị FACTS sử dụng VSC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.79 MB, 130 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Trần Viết Chiến
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG VSC
Chuyên ngành : Hệ Thống Điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. ĐỖ XUÂN KHÔI
Hà Nội – 2010
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy, cô giáo của trường Đại Học Bách
Khoa Hà Nội nói chung, của khoa Điện và bộ môn Hệ Thống Điện nói riêng đã
giảng dạy, hướng dẫn và trang bị các kiến thức qúy báu trong thời gian học và làm
luận văn.
Đặc biệt, tác giả xin cám ơn TS. Đỗ Xuân Khôi, người đã tận tình hướng dẫn,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Cám ơn gia đình và những người thân luôn ủng hộ, động viên, khích lệ, tạo
cho tôi nhiều động lực, niềm tin để tôi hoàn thành đề tài.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành tới các bạn bè, đồng nghiệp,
những người đã giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian vừa qua.
Hà Nội, ngày 28 tháng 10 năm 2010.
Trần Viết Chiến
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Viết Chiến.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các nội dung và kết
quả mà tôi nghiên cứu là hoàn toàn đúng sự thật, chưa được ai công bố.
Tác giả luận văn
Trần Viết Chiến
ii
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn ……………………………………………………………………...i
Lời cam đoan …………………………………………………………………... ii
Danh mục các chữ viết tắt ……………………………………………………... vii
Danh mục các ký hiệu …………………………………………………………. viii
Danh mục các bảng biểu ………………………………………………………. ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ………………………………………………….. xi
LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………….1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG VSC ………………... 3
1.1. Bộ biến đổi nguồn áp (VSC) ……………………………………………… 4
1.2. Các chế độ hoạt động của VSC …………………………………………… 5
1.2.1. Chế độ hoạt động của VSC song song ………………………………. 5
1.2.2. Chế độ hoạt động của VSC nối tiếp …………………………………. 6
1.3. Một số thiết bị FACST sử dụng VSC ……………………………………...7
1.3.1. Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) ………………………………….. 9
1.3.2. Thiết bị bù tĩnh nối tiếp (SSSC) ……………………………………... 11
1.3.3. Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) …………………….. 15
1.3.4. Bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (IPFC) ………….. 18
1.4. Tóm lược ………………………………………………………………….. 20
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS
SỬ DỤNG VSC ………………………………………………………………. 22
2.1. Mô hình thiết bị bù nối tiếp (STATCOM) ………………………………... 22
2.2. Mô hình thiết bị bù đồng bộ tĩnh (SSSC) …………………………………. 26
2.3. Mô hình bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) ………………… 30
2.4. Mô hình bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (IPFC) …….... 32
iii
CHƯƠNG 3
MÔ PHỎNG UPFC TRONG CHẾ ĐỘ XÁC LẬP …………………………… 36
3.1. Phương pháp tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ………………… 36
3.1.1. Yêu cầu về tính toán, phân tích các chế độ xác lập của hệ thống điện
……………………………………………………………………….. 36
3.1.2. Phương pháp lặp Gauss-Seidel giải tích lưới điện …………………... 38
3.1.3. Phương trình lặp Newton – Raphson ………………………………... 40
3.1.3.1. Jacobian của các phương trình chế độ xác lập …………………. 41
3.1.3.2. Đặc điểm phương pháp và áp dụng cho bài toán giải tích
lưới điện ……………….………………………………………...43
3.2. Phương pháp Newton Raphson tính toán chế độ xác lập của lưới điện
có UPFC ………………………………………………………………….... 45
3.2.1. Cài đặt vào chương trình phân bố dòng dùng phương pháp
Newton-Raphson …………………………………………………...... 45
3.2.2. Phương trình lặp Newton Raphson khi có UPFC …………………… 47
3.2.3. Lưu đồ thuật toán tính toán CĐXL bằng Newton Raphson với UPFC
………………………………………………………………………... 48
3.3. Xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập cho lưới điện có đặt UPFC
……………………………………………………………………………... 50
3.3.1. Giới thiệu chương trình tính toán chế độ xác lập bằng phương pháp
Newton-Raphson trong Matlab …………………………………….... 50
3.3.2. Xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập của lưới khi có UPFC
………………………………………………………………………... 51
3.3.3. Giao diện cương trình và hướng dẫn sử dụng ……………………… 54
3.3.4. Tính toán chế độ xác lập cho lưới có UPFC cho lưới đơn giản bằng
chương trình Matlab UPFCLF ……………………………………… 55
3.3.4.1. Tính toán điện áp nút …………………………………………… 55
3.3.4.2. Các đường đặc tính công suất theo mô đun và góc pha điện áp chèn
iv
…………………………………………………………………… 57
CHƯƠNG 4
ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA UPFC ĐẾN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA
LƯỚI ĐIỆN, ÁP DỤNG VÀO LƯỚI ĐIỆN 220-500KV MIỀN BẮC ……… 59
4.1. Giới thiệu chung …….……………………………………………………. 59
4.2. Lưới điện cao áp miền Bắc ………….……………………………….......... 59
4.2.1. Hiện trạng lưới điện cao áp miền Bắc …………..…………………… 59
4.2.2. Tính toán phân bố dòng chế độ xác lập cho lưới điện cao áp miền Bắc
……………………………………....................................................... 61
4.2.2.1. Tính toán phân bố dòng ở chế độ vận hành bình thường
61
4.2.2.2. Tính toán phân bố dòng ở chế độ vận hành cắt một mạch đường
dây 220kV Hòa Bình – Hà Đông và cắt máy biến áp 220/500
Thường tín ……………………………………………………… 63
4.2.2.3. Kết luận .......…………………………………………………..... 65
4.3. Vùng điều khiển của UPFC ……………………………………………….. 66
4.3.1. Đặc tính công suất nhánh điều khiển theo thông số UPFC…………... 66
4.3.1.1. Đặc tính P theo r và γ ………....................................................... 67
4.3.1.2. Đặc tính Q theo r và γ ……………………………...…………… 68
4.3.1.3. Kết luận chung về vùng điều khiển của UPFC ……………...…. 69
4.3.2. Vùng điều khiển trên mặt phẳng PQ. So sánh với thiết bị điều
chỉnh pha…………............................................................................... 70
4.3.2.1. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 220kV Thường Tín – Phả Lại
………........................................................................................... 70
4.3.2.2. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan
………........................................................................................... 73
4.3.2.3. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 220kV Hà Đông – Nho Quan
………........................................................................................... 74
4.3.2.4. Nhận xét chung về phạm vi điều chỉnh của UPFC so với PS
………........................................................................................... 75
v
4.3.2.5. Xác định thông số cài đặt cho UPFC khi biết công suất cần
điều chỉnh ..................................................................................... 76
4.3.2.6. Phân tích giới hạn điều chỉnh dòng công suất của UPFC ……… 77
4.4. Tác động ảnh hưởng của UPFC đối với lưới điện ………………………… 79
4.4.1. Giảm dòng quá tải ….. …..................................................................... 79
4.4.1.1. Giảm dòng quá tải trong chế độ bình thường ………….………. 79
4.4.1.2. Giảm dòng quá tải trong chế độ sự cố ………………….………. 83
4.4.1.3. Kết luận về khả năng giảm dòng quá tải của UPFC .……...……. 86
4.4.2. Cải thiện chất lượng điện áp của lưới ……………………….……...... 87
4.4.3. Giảm tổn thất điện năng ……………………………………………. 89
4.4.3.1. Đặt UPFC/PS trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan … 89
4.4.3.2. Đặt UPFC/PS trên đường dây 220kV Hòa Bình – Nho Quan … 90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ …………………………………………………. 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FACTS
Flexible AC Tranmission System
VSC
Voltage Source Converters
TCPST
Thyristor Controlled Phase Shifter Transformer
TSC
Thyristor Switched Capacitor
TCSC
Thyristor Controlled Series Capacitor
STATCOM
Static Synchronous Compensator
SSSC
Static Synchronous Series Compensator
UPFC
Unified Power Flow Controller
GUPFC
Generalized Unified Power Flow Controller
IPFC
Interline Power Flow Controller
SVS
Synchronous Voltage Source
PST
Phase Shifter Transformer
CSC
Convertible Series Compensator
GTO
Gate Turn-off Thyristor
MTO
Mos Turn-off Thyristor
IGCT
Intergrated Gate Commutated Thyristor
IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor
AC
Alternative Current
DC
Direct current
NR
Newton-Raphson
GS
Gauss-Seidel
HTĐ
Hệ thống điện
CĐXL
Chế độ xác lập
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
X
Điện kháng
α
Góc mở thyristor
V
Điện áp
I
Dòng điện
ω
Tần số góc
L
Điện cảm
C
Điện dung
XL
Cảm kháng
XC
Dung kháng
S
Công suất biểu kiến
P
Công suất tác dụng
Q
Công suất phản kháng
θ,δ Góc pha điện áp nút
Y
Tổng dẫn
r
Giá trị đơn vị của điện áp chèn bởi UPFC
γ
Góc pha điện áp chèn
J
Ma trận Jacobian
viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Điện áp các nút lưới Hall network khi chưa đặt thiết bị FACTS
Bảng 3.2. So sánh điện áp các nút lưới Hall network khi đặt UPFC và PS khi
Vse=0.05pu
Bảng 3.3. So sánh điện áp các nút lưới Hall network khi đặt UPFC và PS khi
Vse=0.10pu
Bảng 4.1. Điện áp một số nút lưới điện 220-500kV miền bắc trong chế độ vận hành
bình thường (chưa đặt UPFC)
Bảng 4.2. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ vận hành bình thường (chưa đặt UPFC)
Bảng 4.3. Điện áp một số nút lưới điện 220-500kV miền bắc trong chế độ sự cố
(chưa đặt UPFC)
Bảng 4.4. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ sự cố (chưa đặt UPFC)
Bảng 4.5. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ vận hành bình thường (đặt UPFC trên đường dây 500kV Hòa Bình –
Nho Quan: r=0.20pu và γ=50.50)
Bảng 4.6. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ vận hành bình thường (đặt PS trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho
Quan: Vse=0.15pu)
Bảng 4.7. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ vận hành bình thường (đặt UPFC trên đường dây 220kV Hòa Bình –
Nho Quan: r=0.21pu và γ=540)
Bảng 4.8. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ vận hành bình thường (đặt PS trên đường dây 220kV Hòa Bình – Nho
Quan: Vse=0.20pu)
Bảng 4.9. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ sự cố (đặt UPFC trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan:
r=0.20pu và γ=50.50)
ix
Bảng 4.10. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ sự cố (đặt PS trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan:
Vse=0.15pu)
Bảng 4.11. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ sự cố (đặt UPFC trên đường dây 220kV Hòa Bình - Nho Quan:
r=0.21pu và γ=540)
Bảng 4.12. Dòng công suất trên một số đường dây lưới điện 220-500kV miền bắc
trong chế độ sự cố (đặt PS trên đường dây 220kV Hòa Bình - Nho Quan:
Vse=0.20pu).
x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ một sợi của VSC
Hình 1.2. Biểu đồ chế độ hoạt động
Hình 1.3. Bộ biến đổi đóng cắt dựa trên nguồn điện áp đồng bộ nối song song
Hình 1.4. Họ các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên bộ biến đổi chuyển mạch
Hình 1.5. a) Nguồn điện áp đồng bộ hoạt động như 1 STATCOM và b) Giản đồ trao
đổi công suất trong chế độ xác lập
Hình 1.6. Đặc tính V-I của STATCOM
Hình 1.7. Hệ thống điện truyền tải cơ bản
Hình 1.8. SSSC hoạt động trong chế độ cảm kháng và dung kháng
Hình 1.9. Hiệu quả của bù trở kháng lên dòng công suất
Hình 1.10. Khái niệm cơ bản về bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất
Hình 1.11. Sơ đồ UPFC với hai nguồn điện áp đấu lưng tựa lưng
Hình 1.12. Các chức năng của UPFC
Hình 1.13. IPFC cấu tạo bởi hai SSSC hoạt động qua đường kết nối DC thông
thường
Hình 2.1. Mô hình đơn giản của STATCOM trong tính toán dòng công suất
Hình 2.2. Mô hình STATCOM chỉnh sửa trong tính toán dòng công suất
Hình 2.3. Sơ đồ STATCOM
Hình 2.4. Mạch tương đương của STATCOM
Hình 2.5. Sơ đồ một sợi của SSSC
Hình 2.6. Đồ thị pha của SSSC
Hình 2.7. Hiệu chỉnh ma trận tổng dẫn bằng việc thêm hai nút vào đường dây
Hình 2.8. Nguồn áp chèn của SSSC
Hình 2.9. Nguồn dòng tương đương của SSSC
Hình 2.10. Mô hình UPFC
Hình 2.11. Mạch tương đương của IPFC bao gồm 2 bộ biến đổi
Hình 2.12. Mô hình công suất chèn của IPFC
Hình 3.1. Hale network
xi
Hình 3.2. Quan hệ giữa dòng công suất và điện áp chèn lưới Hale network
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý lưới điện 38 nút 220-500kV Miền Bắc
Hình 4.2. Đường đặc tính P theo r và γ
Hình 4.3. Đường đặc tính Q theo r và γ
Hình 4.4. Đặc tính Q(P) trên đường dây Thường Tín - Phả Lại với UPFC và PS
trong chế độ bình thường
Hình 4.5. Đặc tính Q(P) trên đường dây Thường Tín - Phả Lại với UPFC và PS
trong chế độ sự cố
Hình 4.6. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan với
UPFC và PS trong chế độ bình thường
Hình 4.7. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 220kV Hà Đông – Nho Quan với
UPFC và PS trong chế độ bình thường
Hình 4.8. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan và giá
trị cài đặt của UPFC và PS
Hình 4.9. Đường đặc tính Q(P) trên đường dây 500kV Hòa Bình – Nho Quan và
giới hạn điều chỉnh của UPFC
Hình 4.10. Điện áp các nút lưới điện cao áp miền Bắc trong chế độ sự cố.
xii
LỜI NÓI ĐẦU
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế-xã hội, nhu cầu năng lượng toàn cầu
nói chung và Việt Nam nói riêng ngày một gia tăng trong đó năng lượng điện đóng
vai trò quan trọng. Để đáp ứng nhu cầu trên Hệ thống điện (HTĐ) cũng ngày càng
phát triển và mở rộng, nhiều đường dây truyền tải điện dài điện áp siêu cao được
hình thành để liên kết các HTĐ của nhiều khu vực với nhau. Vai trò của các đường
dây này vừa làm nhiệm vụ liên kết để hình thành HTĐ lớn, vừa làm nhiệm vụ
truyền tải và trao đổi công suất giữa các khu vực nhằm đảm bảo vận hành kinh tế và
nâng cao độ tin cậy cho HTĐ.
Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao,
công nghệ FACTS ra đời vào cuối thập niên 1980 đã giúp cho quá trình điều khiển
dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng.
Mỹ, Canada, Brazil... là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong
lưới điện truyền tải, các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCR,
TCSC, STATCOM và UPFC. Trong đó, các thiết bị FACTS mới, sử dụng bộ
nghịch lưu nguồn áp (VSC) có hiệu quả cao trong điều chỉnh, điều khiển chế độ
lưới điện, đã và sẽ được sử dụng ngày càng nhiều hơn.
Mục đích của đề tài: Nghiên cứu cấu trúc, chức năng và mô hình của một số
thiết bị FACTS sử dụng VSC. Mô phỏng bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất
(UPFC) và nghiên cứu tác động ảnh hưởng của nó đến chế độ làm việc (xác lập) của
lưới điện. Áp dụng tính toán thử nghiệm cho lưới điện thực tế.
Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết:
Chương 1: Tổng quan về các thiết bị FACTS sử dụng VSC (giới thiệu chung
về VSC và một số thiết bị FACTS sử dụng VSC như STATCOM, SSSC, UPFC,
IPFC)
Chương 2: Mô hình của một số thiết bị FACTS sử dụng VSC (đưa ra mô hình
toán học của một số thiết bị trên trong tính toán chế độ xác lập của lưới điện).
1
Chương 3: Mô phỏng UPFC trong chế độ xác lập (phương pháp tính toán chế
độ xác lập, xây dựng chương trình tính toán chế độ xác lập cho lưới có UPFC, tính
toán cho lưới đơn giản).
Chương 4: Đánh giá tác động của UPFC đến chế độ làm việc của lưới điện, áp
dụng vào lưới điện 220-500kV miền Bắc (nghiên cứu vùng điều khiển của UPFC và
tác động ảnh hưởng của UPFC đối với lưới điện, các kết quả tính toán được minh
họa cho lưới 220-500kV miền Bắc).
Kết luận và kiến nghị.
Tác giả luận văn
Trần Viết Chiến
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ FACTS SỬ DỤNG VSC
Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission
Systems - FACTS) dựa trên các thiết bị điện tử công suất mang lại cơ hội để nâng
cao khả năng điều khiển, sự ổn định và khả năng trao đổi công suất của hệ thống
điện xoay chiều. Trong những năm gần đây, các thiết bị điều khiển FACTS có khả
năng điều khiển một hoặc nhiều thông số hệ thống điện xoay chiều đã thực hiện
nhiều chức năng bù công suất.
Nhìn chung, các thiết bị điều khiển FACTS có thể được chia làm hai loại
riêng biệt. Loại ra đời sớm hơn dựa trên các thiết bị thyristor với khả năng đóng,
không có khả năng cắt tùy ý (chỉ có khả năng tự cắt khi I=0). Ứng dụng của công
nghệ này bắt đầu với thiết bị bù tĩnh (Static Var Compensator - SVC) vào những
năm 1970, tiếp theo là tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (Thyristor Controlled
Series Capacitor - TCSC). Loại mới hơn của các thiết bị điều khiển FACTS dựa
trên cơ sở bộ biến đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converter - VSC), sử dụng
thyristors/transistors với khả năng cắt như GTO (Gate Turn-off Thyristor), MTO
(MOS Turn-off Thyristor), IGCT (Intergrated Gate Commutated Thyristor) và
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Công nghệ bộ biến đổi nguồn áp được
ứng dụng thành công trong một số công trình lắp đặt trên thế giới với thiết bị bù
đồng bộ tĩnh (Static Synchnorous Compensators - STATCOM), STATCOM đấu
giáp lưng, bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (Unified Power Flow Controllers
- UPFC) và các thiết bị bù nối tiếp linh hoạt (Convertible Series Compensators CSC). Họ các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên các bộ biến đổi nguồn áp cũng
bao gồm thiết bị bù tĩnh nối tiếp (Static Synchnorous Series Compensator - SSSC),
bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (Interline Power Flow Controllers
- IPFC) và bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất toàn cục (Generalized Unified
Power Flow Controller - GUPFC). Trong số các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên
3
VSC, CSC là thiết bị linh hoạt nhất, nó có thể được hoạt động như là STATCOM,
SSSC, UPFC hay IPFC trong 11 cấu hình khác nhau.
Thyristor có điều khiển ứng dụng trong SVC và TCSC, điều khiển điện áp và
dòng công suất bằng việc thay đổi tổng trở hệ thống. Bộ biến đổi nguồn áp (VSC)
sử dụng thyristor GTO, điều khiển điện áp và dòng công suất bằng việc chèn nguồn
điện áp xoay chiều sớm pha hoặc chậm pha với dòng điện đường dây.
Các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên bộ biến đổi nguồn áp mang lại nhiều
lợi thế quan trọng hơn là các cấu hình SVC, TCSC dựa trên thyristor: thường là một
khối, có khả năng thích hợp với các trạm biến áp hiện có; đáp ứng điều khiển nhanh
và độ méo tín hiệu đầu ra nhỏ hơn,…. Hơn nữa, sự kết hợp các thiết bị FACTS như
UPFC, CSC dựa trên VSC cung cấp khả năng điều khiển hoàn toàn với việc điều
khiển cả điện áp nút và dòng công suất.
1.1. Bộ biến đổi nguồn áp (VSC)
Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) dựa trên bộ biến đổi
nguồn áp (VSC) có khả năng cung cấp công suất phản kháng và điều khiển dòng
công suất tác dụng và công suất phản kháng, cải thiện khả năng truyền tải công suất
của đường dây.
Mô hình đặc trưng cho bộ biến đổi nguồn áp dựa trên các thiết bị FACTS nối
song song và nối nối tiếp như trên hình vẽ 1.1 (a) và (b). Từ cực DC của nguồn điện
áp đầu vào được cung cấp bởi tụ điện, mỗi bộ biến đổi tạo ra bộ điện áp ba pha đầu
ra có thể điều khiển tại tần số hệ thống điện xoay chiều.
V2
Z1
V1
Z2
V3
V3
Z3
V2
V1
Ssh
Sse
Vdc
Vdc
4
Z4
V4
(a) Nối song song
(b) Nối nối tiếp
Hình 1.1: Sơ đồ một sợi của VSC
Điện áp ra của VSC song song được nối hệ thống điện áp xoay chiều tương
ứng qua một máy biến áp ghép song song. Bằng việc thay đổi biên độ và góc pha
của điện áp đầu ra sinh ra bởi VSC nối song song, công suất trao đổi Psh và Qsh giữa
bộ biến đổi và hệ thống điện xoay chiều có thể được điều khiển. Nếu VSC nối song
song hoạt động độc lập như một STATCOM và không kết hợp với một hệ thống
năng lượng tích trữ khác, điện áp ra sẽ cùng pha với điện áp nút và do đó không có
công suất tác dụng trao đổi giữa bộ biến đổi và hệ thống điện xoay chiều.
VSC nối tiếp chèn điện áp đầu ra vào đường dây qua máy biến áp ghép nối
tiếp. Bằng việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp chèn, nó có thể trao đổi
cả công suất tác dụng và công suất phản kháng với hệ thống truyền tải. Nếu VSC
nối tiếp hoạt động độc lập như một SSSC và không kết hợp với hệ thống năng
lượng tích trữ khác, điện áp ra sẽ vuông pha với dòng điện đường dây và do đó
không có công suất tác dụng trao đổi giữa bộ biến đổi và hệ thống điện xoay chiều.
Nếu một VSC kết hợp với hệ thống năng lượng tích trữ hoặc ghép với VSC
khác qua đường nối tụ một chiều, công suất tác dụng sẽ tuần hoàn giữa hệ thống
xoay chiều và cực một chiều.
1.2. Các chế độ hoạt động của VSC
Chế độ hoạt động thông thường của VSC song song là điều chỉnh điện áp nút
và VSC nối tiếp là điều chỉnh công suất tác dụng trên đường dây. Khi một VSC nối
song song và nối nối tiếp được ghép với nhau qua tụ điện một chiều, dòng công suất
phản kháng trên đường dây cũng có thể được điều khiển.
1.2.1. Chế độ hoạt động của VSC song song.
Các chế độ hoạt động của VSC song song bao gồm:
- Điều khiển điện áp nút shunt với một trị số chuẩn Vref và một hệ số giảm α, tại
đó V1=Vref – αIshq, trong đó Ishq là dòng phản kháng chèn bởi VSC song song.
Chức năng điều khiển có thể tắt bằng việc cài đặt α = 0.
- Điều khiển đầu ra của VSC song song tới một trị số yêu cầu Ishqref.
5
- Hoạt động trong chế độ dự trữ như chế độ 1 với điều kiện đầu ra thay đổi của
VSC song song giới hạn trong khoảng [Ishqmin, Ishqmax]. Đặc tính hoạt động VI của chế độ 3 chỉ trên hình 1.2 (a).
1.2.2. Chế độ hoạt động của VSC nối tiếp.
Các chế độ hoạt động của VSC nối tiếp hoạt động độc lập bao gồm:
V1
ICshqres
ILshqres
V1
Vq
Vd
Vm
Vref
Droop
Iline
ICshqmax
ICshq
0
ILshq
ILshqmax
a) Nối song song
b) Nối nối tiếp
Hình 1.2. Biểu đồ chế độ hoạt động
- Điều khiển dòng công suất tác dụng trên đường dây tới một giá trị yêu cầu
Pdes.
- Đặt biên độ điện áp chèn vuông góc (sớm pha hoặc chậm pha) với dòng điện
đường dây.
Chế độ hoạt động độc lập nối tiếp cũng áp dụng cho VSC hoạt động theo kiểu
“nô lệ” trong bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (IPFC).
Nếu VSC được ghép với VSC khác, các chế độ hoạt động có thể bao gồm:
+ Điều khiển dòng công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây theo giá
trị yêu cầu Pdes và Qdes.
6
+ Đặt biên độ điện áp chèn trong hệ trục d và q tại Vd và Vq, được xác định đối
với vector điện áp nút V1 như trên hình 1.2 (b).
Các chế độ hoạt động của VSC cũng tuân theo giới hạn hoạt động của VSC. Khi
một VSC song song ở chế độ tới hạn, nó có thể không có khả năng điều khiển điện
áp theo giá trị yêu cầu và khi một VSC nối tiếp ở chế độ tới hạn, nó có thể không có
khả năng điều khiển dòng công suất tác dụng theo giá trị yêu cầu.
1.3. Một số thiết bị FACST sử dụng VSC
Bộ biến đổi đóng cắt nguồn áp để thực hiện chức năng điều khiển nhanh
nguồn điện áp xoay chiều đồng bộ tĩnh hoặc nguồn dòng điện. Khi so sánh với các
phương pháp bù thực hiện đóng cắt tụ bằng thyristor và điều khiển kháng điện bằng
thyristor thường cung cấp các đặc tính cao hơn và không thay đổi tính ứng dụng với
điện áp truyền tải, ảnh hưởng của tổng trở đường dây và điều khiển góc pha. Nó
cũng đưa ra khả năng duy nhất để trao đổi công suất tác dụng trực tiếp với hệ thống
xoay chiều, thêm vào đó cung cấp thiết bị bù công suất phản kháng có điều khiển
độc lập, theo đó đưa ra một lựa chọn mới có sức mạnh cho điều khiển dòng và tính
toán các nhiễu loạn động.
Nguồn điện áp đồng bộ (Synchronous Voltage Source - SVS) được xem xét
từ tương tự tới trừu tượng, đang quay đồng bộ và phát ra bộ (3 pha) điện áp hình sin
cân bằng tại tần số cơ bản với điều khiển biên độ và góc pha. Mô hình động cơ lý
tưởng này không quán tính, đáp lại thực tế tức thời, nó không đủ thay đổi sự tồn tại
của hệ thống tổng trở và nó có thể phát công suất phản kháng bên trong (cả điện
dung và điện kháng). Hơn nữa nó có thể trao đổi công suất tác dụng với hệ thống
xoay chiều nếu nó là hai nguồn năng lượng thích hợp, nó có thể cung cấp hoặc hấp
thụ năng lượng từ hệ thống xoay chiều.
Nếu chức năng trao đổi công suất tác dụng không yêu cầu, SVS trở thành
nguồn công suất phản kháng độc lập, giống một thiết bị bù đồng bộ lý tưởng (tụ
điện).
SVS cũng có năng lực vốn có thực hiện dòng công suất tác dụng hai chiều
giữa hệ thống xoay chiều và cực một chiều. Do đó, nó có thể kết hợp các cực một
7
chiu ca hai hoc nhiu SVS theo ú thit lp mt ng dn cho cụng sut tỏc
dng trao i gia nỳt la chn v / hoc ng dõy ca mng truyn ti.
Đ - ờng dây
Má y biến
á p ghép
P, Q
v=Vsin(t)
V
Qref
Đ iều khiển
Pref
P
Nguồn
nă ng l- ợ ng
DC
Hỡnh 1.3. B bin i úng ct da trờn ngun in ỏp ng b ni song song
~
Q
P
3
13
Z
Q
P
2
12
V
3
~
1
V
2
P
V
I
L
P
Bộ điều khiển dòng công suất
giữa cá c đ- ờng dây (IPFC)
Thiết bịbù đồng bộ tĩnh
(STATCOM)
Thiết bịbù nối tiếp
(SSSC)
P =
12
V
2
I
C
VV
1
1
2
X
Thiết bịbù nối tiếp
(SSSC)
sin( - )
1
2
P
Bộ điều chỉnh dòng công suất hợ p nhất (UPFC)
8
~
3
3
Hình 1.4. Họ các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên bộ biến đổi chuyển mạch
1.3.1. Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM)
Ngày nay hệ thống điện được kết nối rộng rãi giữa các vùng khác nhau và
giữa các quốc gia vì lí do kinh tế để giảm giá thành và cải thiện chất lượng điện
năng. Nhưng làm tăng mức độ phức tạp của hệ thống có thể không an toàn bởi điều
khiển dòng công suất không tương xứng, thừa công suất phản kháng và dao động
điện lớn. Công nghệ FACTS ra đời có hiệu quả làm giảm các khó khăn này. SVC là
một thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện để bù
ngang. Tuy nhiên sử dụng TCR và TSC để phát công suất phản kháng, thyristor
điều khiển mang lại sóng hài và sóng hài này làm cộng hưởng hệ thống. So với
SVC, STATCOM dựa trên bộ biến đổi nguồn áp có khả năng bù tốt hơn, đáp ứng
tức thời, giảm sóng hài và kích thước vật lý nhỏ hơn và do đó trở thành một thiết bị
bù quan trọng cạnh tranh với thiết bị bù truyền thống.
Nếu SVS được sử dụng hoàn toàn để bù công suất phản kháng song song,
giống như một máy bù tĩnh thông thường, nguồn năng lượng một chiều có thể thay
thế bằng một tụ điện một chiều nhỏ. Trong trường hợp đó, trạng thái ổn định trao
đổi công suất giữa SVS và hệ thống xoay chiều có thể chỉ là thụ động.
Khi SVS được sử dụng để phát công suất phản kháng, chính bộ biến đổi có
thể giữ tụ điện nạp tới một mức điện áp yêu cầu, điều đó có thể thực hiện bởi cách
làm điện áp ra của bộ biến đổi trễ so với điện áp hệ thống một góc nhỏ. Theo cách
này, bộ biến đổi hấp thụ một lượng công suất tác dụng từ hệ thống xoay chiều để bổ
xung cho điện áp bên trong và giữ điện áp tụ tại mức yêu cầu.
SVS hoạt động như một thiết bị bù điện kháng ngang, biểu hiện hoạt động và
các đặc tính thực hiện tương tự với máy bù đồng bộ quay lý tưởng, và với lí do này
được gọi là máy bù đồng bộ tĩnh. Đặc trưng của STATCOM là cấp cao tới mức có
thể đạt được với thiết bị bù tĩnh (SVC) truyền thống điều khiển bằng thyristor.
9
T¹ i cùc AC
HÖthèng AC V
T
I
q
M¸ y biÕn
¸ p ghÐp
V>V
cùc ac
V
V
Cung cÊp "Q"
I
q
T
V
ac
Tiªu thô "Q"
T
T
T¹ i cùc DC
cùc dc
I
I ~0
V
dc
+V
dc
dc
ac
0
Hình 1.5. a) Nguồn điện áp đồng bộ hoạt động như 1 STATCOM và b) Giản
đồ trao đổi công suất trong chế độ xác lập.
V
T
Tèc ®é
qu¸ ®é
Tèc ®é
qu¸ ®é
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
I
I
C
I Cmax
§ iÖn dung
0
L
I Lmax
§ iÖn kh¸ ng
Hình 1.6. Đặc tính V-I của STATCOM
STATCOM có thể cung cấp cả bù điện dung và điện kháng và có thể điều
khiển dòng điện ra vượt quá dải giá trị danh định lớn nhất điện dung và điện kháng.
STATCOM có thể tăng tốc độ quá độ trong cả hai vùng hoạt động. (SVC thông
thường không làm tăng tốc độ quá độ). Tốc độ quá độ của STATCOM phụ thuộc
đặc tính của chất bán dẫn công suất được sử dụng và nhiệt độ tại chỗ đấu nối. Khả
10
năng của STATCOM là tạo ra dòng điện dung đầu ra tại điện áp thấp, làm tăng hiệu
quả cải thiển ổn định quá độ.
Mặc dù các khái niệm cơ bản về thiết bị bù ngang trên cơ sở bộ biến đổi
chuyển mạch đã thiết lập từ đầu những năm 1970, sự phát triển của phần cứng thực
tế đã không bắt đầu mãi tới giữa nhưng năm 1980 với những chất bán dẫn công suất
lớn. Sự xuất hiện của FACTS là sáng kiến tại Mỹ và tiếp theo ở Nhật Bản, sự phát
triển tăng nhanh đáng kể vào những năm 1990.
1.3.2. Thiết bị bù tĩnh nối tiếp (SSSC)
Khái niệm việc sử dụng nguồn điện áp nối tiếp để bù công suất phản kháng
trên cở sở thực tế tổng trở thay đổi theo đặc tính tần số của việc ứng dụng tụ bù nối
tiếp, trái ngược với ứng dụng lọc. Chức năng của tụ bù nối tiếp đơn giản là tạo ra
một điện áp thích hợp tại tần số xoay chiều cơ bản để tăng điện áp rơi trên tổng trở
cảm kháng.
Dòng công suất qua một đường dây truyền tải điện phụ thuộc trở kháng đường
dây, biên độ điện áp nút đầu, nút cuối và góc lệch pha giữa chúng. Dòng công suất
có thể giảm bằng việc thêm điện kháng nối tiếp với đường dây, theo đó làm tăng
ảnh hưởng của tổng trở của đường dây giữa hai nút. Tương tự, dòng công suất có
thể tăng bằng cách thêm điện dung nối tiếp với đường dây, do đó làm giảm ảnh
hưởng của tổng trở giữa hai nút.
Theo truyền thống, để điều khiển dòng công suất của đường dây, ảnh hưởng
điện kháng của đường dây được điều khiển bằng việc dùng thyristor điều khiển tụ
điện hoặc kháng điện. Một thiết bị điều khiển mới sử dụng bộ biến đổi chuyển mạch
bán dẫn đã được đưa ra. Với việc sử dụng bộ điều khiển bù tổng trở, thiết bị bù
đồng bộ tĩnh (SSSC) là một bán dẫn nghịch lưu nguồn áp, xen vào một điện áp hình
sin với biên độ thay đổi được, nối tiếp với đường dây. Điện áp chèn này hầu hết là
vuông pha với dòng điện đường dây, một phần nhỏ điện áp chèn cùng pha với dòng
điện cung cấp tổn thất trong bộ nghịch lưu. Hầu hết điện áp chèn vuông pha với
dòng điện đường dây giống như một cảm kháng hoặc một dung kháng nối tiếp với
11
đường dây. Điện kháng này, được chèn bởi nguồn điện áp, ảnh hưởng tới dòng công
suất điện trên đường dây.
Một bộ điều khiển bù trở kháng có thể bù điện trở đường dây nếu một SSSC
được hoạt động với một hệ thống năng lượng dự trữ. Một bộ điều khiển bù trở
kháng, khi hoạt động với một SSSC và không có hệ thống năng lượng dự trữ, về cơ
bản là bộ điều khiển bù điện kháng. Bộ điều khiển bù điện kháng được sử dụng để
hoạt động nghịch lưu khi đặt điện áp chèn thay đổi nối tiếp với đường dây theo
dòng điện đường dây. Khi một SSSC chèn vào một điện áp sớm pha với dòng điện
đường dây, nó giống như một điện kháng nối tiếp với đường dây sinh ra dòng công
suất cũng như dòng điện đường dây để giảm độ tăng mức bù và SSSC được xem
như hoạt động trong chế độ cảm kháng. Khi một SSSC chèn vào một điện áp nối
tiếp trễ pha với dòng điện đường dây, nó giống như một điện dung nối tiếp với
đường dây sinh ra dòng công suất giống như dòng điện đường dây để tăng độ tăng
mức bù và SSSC được xem như hoạt động trong chế độ dung kháng.
SSSC bao gồm : bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI), máy biến áp ghép nối tiếp, tụ
điện một chiều, mạch từ và bộ điều khiển.
Hình 1.7 mô tả sơ đồ của một đường dây đơn giản với một điện kháng XL, nối
nguồn điện áp phát Vs và nguồn điện áp nhận Vr.
P, Q
~
V s, δS
V r, δr
XL
Vs
Vr
δ
Hình 1.7. Hệ thống điện truyền tải cơ bản
12
~
