Giải tích hệ thống điện hệ thống FACTS dùng TCSC

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS
Trước đây các thiết bị bù thường không có tự động điều chỉnh điện áp, hoặc có
điều chỉnh nhưng rất chậm (máy bù đồng bộ) hoặc bù từng nấc. Với sự phát triển
vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất nhờ
thyristor công suất lớn đó cho phép thực hiện các thiết bị bù điều khiển nhanh, thực
tế các thiết bị bù dùng Thyristor có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức
không quá 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp.
FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử
công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều
khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện
áp, hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng.
Mặt khác việc định hướng phát triển hệ thống được căn cứ trên cơ sở dự báo
phụ tải, tuy nhiên trong quá trình vận hành không phải lúc nào cũng đảm bảo cân
bằng giữa cung và cầu dẫn đến tình trạng hệ thống điện sẽ có thời điểm bị quá tải.
Thêm vào đó, do khả năng tải của đường dây bị giới hạn bởi các yếu tố nhiệt độ, điện
dung và độ ổn định, nếu không có sự điều khiển hợp lý, sẽ không tận dụng hết khả
năng tải của các đường dây. Việc sử dụng thiết bị FACTS sẽ góp phần giải quyết việc
vận hành hệ thống điện một cách khoa học, nâng cao hiệu quả đường dây tải điện
hiện có, đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra. Đặc biệt ở những nơi yêu cầu về cung cấp
điện an toàn và tin cậy.
1.1 Lý thuyết về FACTS
Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuối
đường dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: Vs = Vr=V. Trong quá trình
truyền tải, xuất hiện góc lệch pha delta δ , phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X
(1.1)


2

(1.2)

(1.3)
Vì đường dây không có tổn thất nên công suất tác dụng P bằng nhau ở mọi điểm
trên đường dây:

(1.4)
Công suất phản kháng đầu đường dây bằng nhưng khác dấu với công suất
phản kháng cuối đường dây:

(1.5)
Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vào
giá trị δ. Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của điện
áp hai đầu.

Hình 1.1 Đường dây không có tổn thất


3

1.1.1 Khi bù nối tiếp
Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đường dây:
X giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây. Tuy nhiên,
nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng.

(1.6)
(1.
7)

Hình 1.2 Bù nối tiếp

1.1.2 Khi bù song song
Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp. Khả
năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cung
cấp thêm công suất phản kháng cho đường dây.

(1.8)

(1.9)


4

Hình 1.3 Bù song song
1.2 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS
Các ưu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS:
Sử dụng thiết bị FACTS cho phép:
+ Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho
việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn.
+ Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu
+ Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt
+ Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống
Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính
nước ta hiện nay. Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích
các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp.
1.3 Phân loại thiết bị FACTS
FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc) hoặc
bù song song (shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên
Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm bốn loại:

5

a. Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers): Loại thiết bị này cho phép
thay đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số
bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều
khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi.
Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): là thiết bị mắc nối tiếp với
đường dây; gồm các tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng
cách thay đổi góc mở của thyristor.
Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là thiết bị mắc nối tiếp với nhau;
gồm một điện kháng nối song song với một điện kháng khác được điều khiển bằng
thyristor.
Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC): là thiết bị gồm một bộ tụ được
đóng mở bằng khóa thyristor.
Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị gồm một bộ kháng được
đóng mở bằng khóa thyristor.

Hình 1.4 Ứng dụng của FACTS trong các tụ bù nối tiếp (sơ đồ mạch)


6

b. Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers): Loại thiết bị này cho
phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai. Tất cả các thiết bị điều
khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút.
Các đường dây truyền tải điện dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc
đường dây. Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường
dây. Để bù các điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây.
Trong trường hợp này, FACTS có tác dụng như một nguồn áp.
Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS. Trường hợp này,

FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng.
Bù song song có hai loại:
- Bù điện dung
Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất. Khi một tải có tính cảm
được nối với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng
điện. Để bù cảm kháng này, người ta lắp một tụ điện nối song song với tải, việc này
sẽ kéo dòng điện lên sớm pha hơn so với điện áp. Và kết quả là hệ số công suất
được nâng cao.
- Bù điện cảm
Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tải
hoặc khi non tải cuối đường dây. Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất
nhỏ chạy trên đường dây. Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệt
với các đường dây dài lại có giá trị khá lớn. Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường
dây. (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti). Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi
điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài). Để bù điện dung ký sinh
này, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây.


7

Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn kháng được điều khiển bằng
Thyristor. Nó được mắc nối tiếp với 2 van Thyristor lắp ngược chiều nhau. Mỗi bộ
Thyristor điều khiển một pha. Điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục.
Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn kháng được đóng cắt bằng Thyristor.
Thiết bị có cấu tạo tương tự như TCR nhưng Thyristor chỉ có hai trạng thái đóng
hoặc mở hoàn toàn. Điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.
Thyristor Switched Capacitor (TSC): Tụ điện được đóng cắt bằng Thyristor.
Do đó, điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.
Mechanically Switched Capacitor (MSC): Tụ điện được đóng cắt bằng máy
cắt. Thiết bị chỉ được dùng để bù công suất phản kháng, và chỉ được đóng mở vài

lần trong ngày khi hệ thống thiếu công suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên
đường dây.

Hình 1.5 Ứng dụng của FACTS trong các thiết bị bù song song (sơ đồ mạch)
c.

Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series - series

Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng
cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là


8

thiết bị điều khiển hợp nhất. Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất
phản kháng được bù độc lập cho mỗi đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa
các đường dây được trao đổi qua nguồn liên kết. Khả năng chuyển công suất tác
dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng
công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng tối đa hệ
thống truyền tải.
d.

Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series - shunt

Controllers): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ
được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử
nối tiếp và song song. Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối
tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và
bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp.
1.4. Một số thiết bị FACTS

1.4.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor (SVC)
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ
công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của
thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể
phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristor, các cửa
đóng mở (GTO - Gate turn off)...
SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng Thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor): Có
chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng Thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor): Có
chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor.


9

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC - Thyristor Switched Capacitor): Có
chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor.
Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng
kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong
vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm:

Hình 1.6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.


10

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải,

ngắn mạch…) trong HTĐ.
- Tăng cường tính ổn định của HTĐ.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn
mạch, mất tải đột ngột...
Ngoài ra, SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình
vận hành HTĐ như:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm góc làm việc

làm tăng cường khả năng vận hành của đường

dây. Giảm tổn thất công suất và điện năng.
1.4.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC)
Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC (Thyristor Controlled Series
Capacitor) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong
điều kiện ổn định của hệ thống điện, nó được tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC,
mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều
chỉnh van thyristor.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như các van
Thyristor , các khoá đóng mở GTO...
Ngoài ra, TCSC cũng có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các
sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong
các chế độ khác nhau của HTĐ.


11

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.7 : Các chức

năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trrong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

Hình 1.7 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC

- Tăng cường ổn định của HTĐ.
- Giảm góc làm việc

làm tăng cường khả năng vận hành của đường

dây.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong HTĐ.
Ngoài ra, TCSC cũng có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong
vận hành, tuỳ theo yêu cầu và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có
thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ
vận hành trong HTĐ.


12

1.4.3. Thiết bị bù ngang điều khiển Thyristor (STATCOM)
STATCOM là sự hoàn thiện của thiết bị bù tĩnh SVC, bao gồm các bộ tụ điện
được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như Thyristor và khoá đóng mở GTO, so
với SVC, nó có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như
SVC và đặc biệt là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn.
Các tính năng của STATCOM cũng như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh,
điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp.

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố ( mất tải, ngắn
mạch... trong HTĐ.

Hình 1.8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM


13

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch,
mất tải đột ngột...
Ngoài ra, STATCOM cũng có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:
- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ
được sự cố.
- Có thể phát CSPK khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới và ngược lại,
tiêu thụ CSPK khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lưới.
1.4.4. Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR)
Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc
lệch pha của điện áp pha của đường dây.

Hình 1.9 Nguyên lý cấu tạo của TCPAR


14

Về mặt cấu tạo nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường
dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp U f truyền tải trên đường dây
Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng
chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây.

Khả năng điều chỉnh trào lưu công suất là rất cao, các tính năng của TCPAR bao
gồm:
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù .
- Tăng cường tính ổn định tĩnh, tính ổn định động của HTĐ.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn
mạch, mất
tải đột ngột...
- Các khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi
loại trừ được sự cố.
1.4.5. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC)

Hình 1.10: Nguyên lý cấu tạo của UPFC


15

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều
khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q
trên các đường dây truyền tải, UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh
hoạt và hiệu quả.
Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay
đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) là thiết bị bù ngang
STATCOM, nó được cấu tạo từ hai bộ chuyển đổi (Converter) điều khiển thyristor
có cửa đóng mở GTO. Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và
MBA trung gian điện áp thấp (xem hình 1.10).
MBA nối với bộ chuyển đổi qua thanh cái làm việc và máy cắt được mô tả trên
hình. Mỗi một bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào đó,
bộ chuyển đổi cũng lại có thể điều khiển vận hành độc lập.
Về nguyên lý, UPFC có ba chế độ vận hành, bao gồm:

Chế độ 1: Chế độ điều khiển trở kháng XC
(1.10)


16

(1.11)
Chế độ 2: Chế độ điều khiển điện áp trực giao
(1.1
2)

(1.13)
Chế độ 3: Chế độ điều khiển góc pha điện áp

(1.14)

(1.15)
Trong đó:
I2: Véc tơ dòng của UPFC.
XC: Điện kháng bù.
U1: Véc tơ điện áp nhận
: Góc lệch pha giữa U2 và U1.
X: Điện kháng của đường dây truyền tải .
: Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối đường dây
Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ưu điểm
hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha
rất nhỏ. Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc (Series Compensator)
giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo. Hơn nữa, trong chế độ 1 và

17

chế độ 2, công suất của thành phần bù ngang (Shunt Compensator) có thể giảm tối
thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết một chiều (DC link) gần như bằng 0.

CHƯƠNG 2:
TÌM HIỂU HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
PHÂN BỐ CÔNG SUẤT
2.1. Cấu tạo của TCSC
TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp ( fixed series capacitor – FC ) có điện
dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng
Thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR).
DC
L
C

U1

U2

L

VA
R
K

M
C

Hình 2.1 Cấu tạo TCSC

Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện, máy cắt
(Circuit Breaker CB) và dao cách ly. Các phương thức bảo vệ sẽ được trình bày ở
phần sau.


18

2.2 Lý thuyết TCSC
Nếu gọi dung kháng của tụ là -jXC còn cảm kháng của TCR là jXL thì điện
kháng đẳng trị của TCSC tính được theo công thức:

(2.1)
(2.2)

Với:

(2.3)

(2.4)

Với
Với thiết kế điện kháng

gọi là góc dẫn.
; với

của TCR lớn hơn

ta luôn có trị số điện kháng đẳng trị của TCSC mang dấu âm (hình vẽ), nghĩa là
tương ứng với tụ bù dọc. Khi góc cắt của TCR thay đổi từ

, dung
đến

kháng của TCSC thay đổi liên tục

đến một giá trị âm đủ lớn.

2.3 Bảo vệ TCSC
Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có
yêu cầu hoặc sự cố. Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên
tụ nên
khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch,

tăng, cần


19

phải có cơ chế chống quá áp cho tụ.
Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp. Đầu tiên là van chống quá áp VAR là

một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn. Khi

và đạt tới

ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng

qua

VAR, nhờ đó, giảm điện áp dư trên tụ C.
Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này, khe
mồi phóng điện K sẽ hoạt động. Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng.
Khi tới ngưỡng tác động, Rơ le sẽ có tín hiệu đống máy cắt MC. Do đó, toàn bộ các
phần tử của TCSC và VAR được nối tắt.
Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ.
Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt.
2.4 Mô hình điều khiển TCSC
Khi làm việc trong HTĐ TCSC có 2 chế độ hoạt động. Trong chế độ làm việc
bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt

. Điểm đặt có thể thay đổi theo thông

số CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Power Flow Control Loop). Trong chế
độ quá độ, TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop).
Đặc trưng động của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này.
Mô hình điều khiển TCSC bao gồm các khối trễ, khối lọc, khối bù pha, và khối
khuyếch đại, có thể mô tả bằng một số khâu tuyến tính như sau (theo mô hình của
chương trình PSS/E):


20

Hình 2.2 Mô hình điều khiển TCSC
Trong đó: T1 là thời gian trễ của khâu đo lường và chuyển đổi (0<= T1<5); T2

và T3 là hằng số của khâu bù pha (0<= T2<5; 1< T3<20), ;

(washout) (0<=

<2);

K là hệ số khuyếch đại.
Hàm truyền của mô hình:

(2.5)
Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc định
theo các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm
dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle
Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant Power Control) của đường dây
truyền tải. Thực chất của các thuật toán điều khiển trên là tạo ra tín hiệu thay đổi
dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo hàm các đại lượng đo. Thật vậy nếu
bỏ qua quán tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

(2.6)

Hay

(2.7)


21

Trong đó, q - Ký hiệu chung các tín hiệu đo đầu vào.
Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có:

Hay

(2.8)

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS DÙNG
TCSC
3.1 Thuật toán điều khiển TCSC
Hiện nay, thuật toán điều khiển TCSC vẫn còn là vấn đề cần đang cần được
nghiên cứu. Thuật toán điều khiển TCSC ảnh hưởng lớn đến khả năng giữ được ổn
định động của hệ thống điện. Sau đây, sẽ giới thiệu hai phương pháp điều khiển
TCSC điển hình:
3.1.1 Điều khiển TCSC theo tín hiệu đóng cắt
Xét phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động đóng cắt để nâng cao
ổn định động của HTĐ sơ đồ đơn giản đã đẳng trị các máy phát điện của nhà máy:
E

C

U

HT

NM

Hình 3.1 Mô hình hệ thống có sử dụng TCSC
Để có thể so sánh các tác động điều khiển khác nhau, ta xuất phát từ hệ
phương trình vi phân mô tả QTQĐ sau khi cắt ngắn mạch trên một trong 2 mạch
đường dây:

(3.1)


22

(3.2)
Ở đây coi E và
đến thanh cái hệ

không thay đổi, còn điện dẫn đẳng trị từ sức điện động E
thống Các điều kiện đầu của hệ có thể tính theo CĐXL

trước sự cố.
Biểu thức công suất truyền tải có dạng:

(3.3)

Hình 3.2 Đồ thị mô tả quá trình quá độ máy phát có điều chỉnh đóng cắt TCSC
Đường cong B biểu diễn đặc tính công suất của máy phát ở CĐXL trước khi
xảy ra sự cố (TCSC có trị số trung bình). Đường A và C minh họa trạng thái giới
hạn của đặc tính công suất dưới tác động của TCSC (ứng với trị số XCmax và XCmin)


23

Giả sử tại thời điểm sau cắt ngắn mạch

TCSC được đóng thêm đến trị số

XCmax , nâng đặc tính công suất lên theo đường A. Diện tích hãm tốc sẽ tăng lên
nhiều, đảm bảo ổn định hệ thống với góc lệch tăng cực đại đến max . Nếu không điều
khiển góc lệch có thể đến

(hoặc mất ổn định nếu đường B thấp hơn).
K

Tại thời điểm góc lệch bắt đầu giảm max. cần cắt giảm điện kháng về XCmin . Tác
động này làm giảm được diện tích gia tốc theo chiều âm, nhờ thế dao động góc lệch
giảm về trị số nhỏ nhất chỉ đến

min

. Tương tự khi

tăng, để giảm diện tích gia tốc

theo chiều dương lại cần tác động đưa trị số điện kháng lên XCmax một lần nữa, trước
khi trả về trạng thái ban đầu XCo . Sau 4 tác động hệ thống chỉ còn dao động rất nhỏ
xung quanh vị trí cân bằng.
Dễ thấy, các điều khiển dạng rời rạc, nếu thực hiện đúng sẽ mang lại hiệu quả
tối đa. Tuy nhiên chọn đúng thời điểm tác động và thực hiện điều khiển được là nội
dung hết sức quan trọng. Mục này sẽ xem xét vấn đề tạo các tác động điều khiển
hiệu quả cho TCSC.
3.1.2 Điều khiển TCSC theo tác động tối ưu
Xét tiêu chuẩn điều khiển tối ưu QTQĐ, đó là cực tiểu hàm năng lượng toàn
phần ở cuối QTQĐ được điều khiển. Sau kích động (sự cố) hệ thống tích lũy một
năng lượng, gồm thế năng do trạng thái hệ thống lệch khỏi điểm cân bằng và động
năng do chuyển động có vận tốc. Năng lượng này là nguyên nhân gây ra mất ổn
định, cần được đưa về trị số 0 (ở CĐXL mới). Đối với HTĐ đơn giản, không tổn hao
biểu thức năng lượng toàn phần có dạng sau:

(3.4)


24

Trong đó:

: là độ lệch
: biểu thị góc lệch ở CĐXL mới.

tần số quay của máy phát. Về nguyên tắc cần cực tiểu hóa hàm năng lượng tại thời

điểm cuối của quá trình điều khiển:
Giả thiết QTQĐ đang diễn ra ở thời điểm
chỉnh dung lượng bù tại thời điểm này và trì

. Xét 2 khả năng: điều
hoãn đến .

Khi điều chưa điều chỉnh dung lượng bù, tại τ hàm mục tiêu có trị số
tương ứng với số gia:
còn tại
số

có trị

(3.5)
Bây giờ căn cứ vào dấu của có
tối ưu. Nếu tại thời điểm đang
động

thể quyết định được thời điểm đóng cắt
xét có dấu âm, có nghĩa là việc trì hoãn tác

sẽ có lợi do hàm mục tiêu W giảm (không đưa ra tác động tại ). Nếu tại thời điểm
xét

>0 việc điều chỉnh ngay dung lượng bù là cần thiết để hàm mục tiêu W

không tăng thêm.
Theo, dùng phương pháp biến phân tham số, gọi là thời điểm tác động đóng


25

(3.6)
cắt tụ. Ta cần lựa chọntheo tiêu chuẩn tối ưu. Ta có thể tính đạo hàm của hàm
:
mục tiêu tại ngay thời điểm

Mà

.
= 0 tại thời điểm tác động điều khiển
Suy ra:

(3.7)

(3.8)
Xét trong một khoảng thời gian nhỏ

nào đó, TCSC không thay đổi đột

biến nhưng thay đổi một lượng nhỏ . Khi đó tốc độ biến thiên của hàm mục tiêu tính

được theo biểu thức:

(3.9)