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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2
MUC LỤC
Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................................... 6
Danh mục các báng biểu ................................................................................................ 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .......................................................................................... 9
Lời nói đầu .................................................................................................................... 11
2.1.2. Một số ứng dụng của SVC .......................................................................... 30
2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất ......................................... 30
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 công .............................................. 33
2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công .................................................. 33
2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây .................................................... 33
2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng .............................................. 36
2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố .............................................................. 36
2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC .................................................................... 37
2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của SVC .................................................................... 37
2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược .......... 37
2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR
(thyristor controlled reactor) ............................................................ 40
2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) ......... 49
2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) ...... 49
2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC .......................................... 50
2.2.2. Các đặc tính của SVC ......................................................................... 51
2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .......................................................... 51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4
2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC .............................................................. 52
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 ....................................... 59
3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng ................................... 59
3.1.1. Chức năng hệ điều khiển ............................................................................. 60
3.1.2. Nguyên tắc điều khiển ................................................................................. 60
3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của SVC .............................. 61
Kết luận chung và hướng phát triển .............................................................................. 93
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................
Phụ lục 1 .........................................................................................................................
Phụ lục 2 ......................................................................................................................... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ viết
tắt
Ý nghĩa Chú thích
1 HTĐ Hệ thống điện
2 SVC Static Var Compensator
3 TCSC
Thyristor Controlled Series
Capacitor
4 STATCOM Static Synchronous Compensator
5 UPFC Unified Power Flow Controller
6 TCPAR
Thyristor Controlled Phase Angle
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8
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 TCSC .................................................. 22
Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM ......................................... 23
Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC ........................................................................ 24
Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR ..................................................................... 26
Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC................................................ 31
Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC ............... 32
Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp ............................................................. 32
Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC ........... 35
Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC ................................................ 37
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor ......................................................................... 38
Hình 2.7: Đồ thị dòng điện 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
0
.............................................................. 80
Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 45
0
.............................................................. 81
Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 90
0
.............................................................. 81
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10
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
.......................................................... 84
Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 135
0
Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm ....................... 91
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11
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
thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về cả công suất lãnh thổ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp
chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống
điện, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin trong
toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng. ậ một số nước có trình độ cong nghệ
tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng
thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao
ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị
bù tĩnh có điều khiển thyristor hay triắc (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển
(TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
13
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
vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ.
+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn
phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có
giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử...
+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các
nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn.
+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ
thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên.
+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm
của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch
về múi giờ.
+ Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc
sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống.
+ Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy
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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
15
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn
vị chiều dài của một pha đường dây là:
W
E
= C.U
f
2
+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
Q
E
= 3..C.U
f
2
.l
+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị
chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I:
W
M
= L.I
2
+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
2
.
.
1...3
f
f
UC
IL
UClQ
+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:
0
.
.
1
2
2
f
C
f
TN
Z
U
P
2
.3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
16
Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường
dây và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem
lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp.
1.1.4. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP.
Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông
qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là
nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây.
Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao
dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu
quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài
lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây
500kV Bắc - Nam ở Việt Nam.
1.1.4.1. Bù dọc.
Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến
hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha
giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây
:
+ Làm giảm góc lệch 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:
sin
.
21
L
X
UU
P
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
L
gh
X
UU
P
21
.
+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
sin
.
21
'
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp
* Giảm tổn thất công suất và điện năng:
+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng
bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.
+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc K
C
:
%100
L
C
C
X
X
K
Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc K
C
từ 40 -
75% tuỳ theo chiều dài của đường dây.
1.1.4.2. Bù ngang.
Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay
các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù
ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía
cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được
điều khiển bằng khe hở phóng điện.
Dòng điện I
l
của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện I
C
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải
được tính gần đúng như sau:
lbUQ
oddC
..
2
Trong đó:
U
dd
: Điện áp danh định của đường dây.
l: chiều dài của đường dây.
+ Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330 750kV thì ta có thể sử
dụng các quan hệ gần đúng như sau:
X
o
.b
o
1,15.10
-6
o
o
C
b
X
Z
L
C
L
L
Q
Q
I
I
K
Trong đó:
Q
L
: Công suất phản kháng của kháng bù ngang
Q
C
: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra.
Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng
bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung
đường dây phát ra.
1.1.4.3. Nhận xét.
- Đường dây siêu cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm
khi thiết kế phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp.
- 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
22
Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc 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.
- 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.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn
mạch, mất tải đột ngột...
Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá
trình vận hành hệ thống điện 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.
1.2.2. THIẾT BỊ BÙ DỌC ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (TCSC -
THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
23
Tương tự như SVC, phần tử TCSC 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 module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh
van thyistor.
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các
cửa đóng mở GTO,...
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 ©