ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG
TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh
Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm
THÁI NGUYÊN 2007
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
LỜI CAM
ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử
dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài
liệu.
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
14
1.1.3. Bù công suất phản kháng
14
11.4. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp
16
1.1.4.1. Bù dọc
16
1.1.4.2. Bù ngang
18
1.1.4.3. Nhận xét
20
1.2. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện
20
1.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor
(SVC - Static Var Compensator)
20
1.2.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor
(TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor)
22
1.2.3. Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator)
23
1.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất
(UPFC - Unified Power Flow
Controller) 24
2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công
suất30
2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố
32
2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu
công33
2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô
công33
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây
33
2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối
xứng36
2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố
36
2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển
SVC
51
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
2.2.2.2. Đặc tính làm việc của
SVC52
2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện
53
2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi
53
2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản
kháng
55
Kết luận
58
Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng
SVC
3.1.4. Thuật toán PID dùng cho bộ vi điều khiển
PIC16f877
69
3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương
tự69
3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng
số70
3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng
cao70
3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC
71
3.2. Phần mềm ISIS mô phỏng hệ thống điều khiển
SVC71
3.3. Mô phỏng hệ điều khiển van thyristor hoặc triắc của bộ
TCR
72
3.3.1. Mô phỏng các phần tử của hệ điều
76
3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển
TCR77
Kết luận
78
Chương 4: ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều
khiển
79
4.1. Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng SVC có điều
khiển79
4.2. Kết quả mô
phỏng
79
4.2.1. Đồ thị điều khiển xung theo chế độ điện áp thay
đổi
80
4.2.2. Đặc tính dòng qua thyristor điện khi điều khiển điện áp tại
nút83
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
HTĐ
SVC
TCSC
STATCOM
UPFC
TCPAR
FACTS
ISIS
PCB
VĐK
SS-TX
Hệ thống điện
Static Var Compensator
Thyristor Controlled Series
Capacitor
Static Synchronous Compensator
Unified Power Flow Controller
Thyristor Controlled Phase Angle
Regulator
47
Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo
72
Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi 73
Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ
74
Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung 75
Bảng 3-5: Các dạng nguồn được ISIS mô phỏng
77
Bảng 3-6: Các phần tử tạo thành bộ TCR 78
Bảng 4-1: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 1
90
Bảng 4-2: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 2
92
8
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ
THỊ
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao
áp 17
Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của
SVC 21
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
tải 38
Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR
40
Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của
TCR
41
Hình 2.10: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua
TCR 41
Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR
42
Hình 2.12: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc
cắt 46
Hình 2.13: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR
46
Hình 2.14: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của
TSC
49
Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của
TSR
50
Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC 51
Hình 2.17: Đặc tính U-I của
SVC 51
Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp
52
9
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
63
Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại
xung
64
Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877
66
Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi
73
Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản
hồi73
Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ
74
Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng
bộ74
Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại
xung
75
Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung
75
Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung
81
10
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
Hình 4.6: Xung điều khiển ra vơi góc mở 180
0
81
Hình 4.7: Dòng điện qua van với góc mở 0
0
83
Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở
60
0
83
Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 95
0
84
Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 120
0
88
Hình 4.19: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng
89
Hình 4.20: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm
90
Hình 4.21: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng
91
Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm
91
11
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
LỜI NÓI
ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên
thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng
lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận
chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp
ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hoá
nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các
khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S
Nguyễn Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các
Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!
Tác
giả
Nguyễn Thế
Vĩnh
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc
-tnu. e d
u. v
n
CHƯƠNG
1
THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN
1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH NHANH
CÔNG SUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ.
1.1.1. ĐẶC ĐIỂM.
Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các
đường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp
thế giới. Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm
nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành
viên. Cụ thể:
+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả
năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát.
+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư
của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ
phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.
1.1.2. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN.
Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây
siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh
ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản
kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện
tượng nay, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:
+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để
giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.
+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất
phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài
tính toán rút ngắn lại.
+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở
các trạm trung gian trên đường dây. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng
cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km.
+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian
và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này.
1.1.3. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.
Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền
tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng
điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình
vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép
(thường là ±10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi
của dòng điện tải của đường dây.
f
Z
+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
Q
M
= 3ω.W
M
.l = 3ω.L.I
2
.l
+ Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu
giữa công suất điện trường và từ trường:
Q = Q
E
- Q
M
= 3.
ω
.C.U
f
2
.l - 3
ω
.L.I
2
.l
Q
=
3
ω
.l.C.U
.
2
Trong đó:
C
U
f
→ I = U
f
C
U
=
f
L Z
C
= I
TN
Z
C
=
L
là tổng trở sóng của đường dây.
C
Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên I
TN
. Đối với đường dây dài hữu
kháng X
C
của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện
vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định
tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián
tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải
điện sẽ giảm xuống còn (X
L
- X
C
). Giả sử góc lệch ϕ giữa dòng điện phụ tải I và
điện áp cuối đường dây U
2
không đổi thì độ lệch điện áp U
1
ở đầu đường dây và góc
lệch pha δ giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua
đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:
* Ổn định điện áp:
+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải.
X
X
+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn.
* Ổn định về góc lệch δ:
+ Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao
độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.
+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây:
+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
P
2
X
L
−
X
C
sinδ
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
P
=
U
1
.U
2
gh
L
−
X
C
Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = (X
L
- X
C
l
của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện I
C
của điện dung đường
dây phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường
C dd
o
b
dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện
tượng quá áp ở cuối đường dây.
Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất
quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ
thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây.
+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì
các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất
điện trở của đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải
máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.
+ Trong chế độ non tải (P
Tải
< P
TN
), thì công suất phản kháng trên
đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số
cosϕ cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để
tiêu thụ công suất phản kháng.
+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh
ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Q
o
≈1MVAR/km) nên ta
phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng
L
Nên ta có: b
o
≈
1,07.10
−
3
Z
C
Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:
U
dd
−3
−3
Q
C
=
1,07.10
Z
C
.l
=
1,07.10
.l.P
TN
Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số K
L
- Mô hình đường dây siêu cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải.
Để đưa về dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia thành
những mắt xích nối tiếp.
- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và điện
dung lớn. Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi
vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang.
- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ
vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật.
1.2. MỘT SỐ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN.
1.2.1. THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC - STATIC
VAR COMPENSATOR).
SVC là thiết bị bù ngang dùng để 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 hoặc triắc
có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như
8051, PIC 16f877, VAR
SVC được cấu tạo từ 3 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.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có
chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2
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
Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Giảm sự thay đổi điện áp.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện.
Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt
trong vận hành các đường dây siêu cao áp nói riêng và HTĐ nói chung. Tuỳ theo
yêu cầu của từng đường dây siêu cao áp cụ thể 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.
1.2.3. THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS
COMPENSATOR).
STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều
chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor có cửa 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.
Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
STATCOM
Các tính năng của STATCOM cũng giống 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 có 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 hệ thống điện.
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện.
Copyright: Tài liệu đại học ©