Tài liệu Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật thiết bị bù ngang tĩnh

12 Chương 2: Thiết bị SVC CHƢƠNG 1 THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH 1.1. Mục đích của bù ngang tĩnh Mục đích của sự bù ngang là : - Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây. - Nâng cao điện áp cuối đường dây để ngăn chặn sự mất ổn định điện áp. - Làm tắt dao động công suất. 1.1.1. Hiệu chỉnh điện áp tại điểm giữa đường dây: Xét mô hình truyền tải trong đó thiết bị bù công suất phản kháng lý tưởng được mắc tại điểm giữa của đường dây truyền tải (hình 1.1). Để đơn giản đường dây được thay thế bởi cảm kháng mắc nối tiếp, thiết bị bù được thay thế bởi nguồn điện xoay chiều hình sin có tần số cơ bản cùng pha với điện áp tại điểm giữa Vm , với biên độ bằng biên độ của máy phát và điện thế S  Vs X/2 Ism Thiết bị bù lý tưởng (P=0) M  Imr Vm X/2 R Vr  Hình 1.1: Hệ thống gồm 2 máy phát với thiết bị bù lý tưởng tại điểm giữa 12 Chương 2: Thiết bị SVC Giả sử hệ thống không tổn thất, công suất thực coi như bằng nhau ở điểm phát và phụ tải, ta có quan hệ giữa điện áp điểm phát, phụ tải, dòng điện ở điểm phát và phụ tải theo công thức sau: δ V  V  Vcos sm mr 4 Ism  I mr  I  4V δ sin X 4 (1.1) Với: + Ism là dòng điện đi qua đoạn thứ nhất. + Imr là dòng điện đi qua đoạn thứ hai. + Vsm là điện trên đoạn thứ nhất +Vmr là điện trên đoạn thứ hai. + δ là góc lệch trong rôto máy phát Công suất truyền tải δ δ P  VsmIsm  Vmr I mr  Vm Ismcos  VIcos 4 4 (1.2a) δ V2 P2 sin X 2 (1.2b) Tương tự Q  VIsin δ 4V 2 δ  (1  cos ) X 4 2 (1.3) Quan hệ giữa công suất P, công suất phản kháng Q theo góc  trong trường hợp bù ngang lý tưởng được thể hiện trên đồ thị hình 1.2a. Ta thấy rằng bù ngang tại điểm giữa có thể tăng đáng kể khả năng truyền tải công suất, tại điểm giữa độ sụt áp trên đường dây lớn nhất. 1.1.2. Nâng điện áp cuối đường dây để ngăn chặn mất ổn định điện áp Nâng điện áp tại điểm giữa của một hệ thống gồm 2 máy phát đã được đề cập ở trên có thể áp dụng cho trường hợp đường dây truyền tải hình tia. 12 Chương 2: Thiết bị SVC Thực vậy, nếu như tải thụ động có công suất P với điện thế V, được mắc vào điểm giữa 2 máy phát (hình 1.1), lúc này tổng trở X/2 và tải được thay thế bởi hệ thống hình tia đơn giản gồm tổng trở đường dây là X và tổng trở tải là Z. Rõ ràng điện áp đặt trên tải sẽ thay đổi khi phụ tải thay đổi. Hệ thống hình tia đơn giản với tổng trở đường dây X và tổng trở tải Z có quan hệ giữa điện áp ở đầu cực tải ( Vr ) theo P với hệ số công suất của tải thay đổi trong phạm vi từ 0,8 trễ đến 0,9 dẫn như hình 1.3a, điện áp giảm khi tải cảm và ngược lại khi tải dung, như vậy điện áp không ổn định phụ thuộc vào tính chất phụ tải, bù ngang công suất phản kháng có tác dụng tăng điện áp cuối đường dây ( hình 1.3b ) bằng cách cung cấp công suất phản kháng và hiệu chỉnh điện áp tại cực (V - Vr = 0) tại cuối đường dây ở đó điện thế thay đổi lớn nhất, đây là vị trí tốt nhất để đặt thiết bị bù. Thiết bị bù công suất phản kháng tại điểm giữa chỉ trao đổi công suất phản kháng với đường dây Bù ngang công suất phản kháng thường được áp dụng để hiệu chỉnh điện áp tại thanh cái chống lại sự biến đổi của tải hoặc để ngăn chặn sự sụt áp khi đường dây thiếu khả năng truyền tải, hệ thống trở nên suy giảm,điều này thường xảy ra khi hệ thống gồm có một hoặc vài máy phát cung cấp điện cho tải trong một phạm vi rộng. Do vậy, trong hệ thống hình tia cuối đường dây là điểm tốt nhất để đặt thiết bị bù. 1.1.3. Cải thiện quá trình ổn định 12 Chương 2: Thiết bị SVC Như đã xem xét ở phần trước, bù kháng ngang có thể tăng khả năng truyền tải tối đa. Vì vậy, người ta rất quan tâm đến việc điều chỉnh nhanh và thích hợp việc bù ngang để có thể thay đổi được dòng năng lượng trong hệ thống suốt quá trình biến động nhằm tăng quá trình ổn định và cung cấp công suất tác dụng để dập tắt dao động. Khi một đường dây ngắn mạch bị cắt ra, điện kháng đẳng trị của hệ thống tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (hình 1.4). Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau khi sự cố là 2, tuy nhiên chuyển từ 1 sang 2 là quá trình quá độ diễn ra theo đặc tính động của hệ thống. Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại 2 hoặc không, phụ thuộc vào tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch  chưa kịp thay đổi, công suất điện từ PT > P() làm máy phát quay nhanh lên, góc  tăng dần. Đến thời điểm góc lệch bằng 2 thì tương quan công suất trở nên cân bằng, tuy vậy góc lệch  vẫn tiếp tục tăng do quán tính. Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là động năng tích lũy trong roto được chuyển hóa thành công thắng momen hãm. Đến thời điểm góc lệch bằng 3 động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch  không tăng được nữa. Sau thời điểm này, không còn động năng, mà công suất điện từ PT < P() nên roto quay chậm lại, góc  giảm. Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng 2 của chế độ xác lập mới. 12 Chương 2: Thiết bị SVC Nếu trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị hệ thống. Đặc tính công suất sau khi cắt 1 trong 2 đường dây sẽ hạ thấp xuống hơn (hình 1.5a). Gọi góc lệch rôto tại thời điểm cắt ngắn mạch là N ta có điều kiện ổn định là A3  A1, nếu thời điểm cắt ngắn mạch lớn thì có khả năng A1 > A3 ngay cả khi 3=gh lúc này hệ thống mất ổn định. Tuy nhiên khi hệ thống có bù thì đặc tính công suất tăng lên như hình 1.5b sẽ nâng cao độ ổn định của hệ thống. 1.1.4. Làm tắt dao động công suất Khi hệ thống mất cân bằng dù nhỏ cũng tạo ra sự dao động góc của máy phát quanh giá trị xác lập tại tần số tự nhiên của hệ thống cơ điện. Khi máy phát tăng tốc và góc  tăng ( d/dt > 0 ), công suất điện phải tăng để bù lại sự tăng công suất cơ. Ngược lại khi máy phát giảm tốc và góc  giảm ( d/dt < 0 ),công suất điện phải giảm để cân bằng với công suất cơ ngõ vào. phản kháng ngõ ra QP của thiết bị bù ngang. Khi d/dt > 0 công suất phản kháng ngõ ra của thiết bị bù tăng và ngược lại khi d/dt < 0 công suất phản kháng bù ngõ ra giảm. Tóm lại: (b) Tắt dần 12 Chương 2: Thiết bị SVC Chức năng cần thiết của thiết bị bù phản kháng ngang được dùng để tăng công suất truyền tải, cải thiện điện áp, cải thiện quá trình ổn định và dập tắt dao động công suất theo các điểm chính sau đây :  Thiết bị bù phải duy trì vận hành đồng bộ với hệ thống xoay chiều tại thanh cái bù, trong điều kiện vận hành bao gồm vấn đề cân bằng điện áp thanh cái, thiết bị phải có thể đồng bộ hóa ngay tức thời sau khi trạng thái ngắn mạch được giải tỏa.  Thiết bị bù phải có khả năng hiệu chỉnh điện thế thanh cái và cải thiện quá trình ổn định hoặc điều chỉnh nó để dập tắt dao động công suất và nâng cao quá trình ổn định.  Với hệ thống hai đường dây, vị trí tốt nhất để đặt thiết bị bù tại điểm giữa, đường dây hình tia đến tải tốt nhất là điểm cuối đường dây. CHƢƠNG 2 THIẾT BỊ SVC 2.1. Thiết bị bù tĩnh (SVC) . 2.1.1. Khái niệm chung. Các tiến bộ trong việc áp dụng kỹ thuật thyristor vào trong hệ thống điện đã dẫn đến sự phát triển của thiết bị bù tĩnh (Static Var Compensator - 12 Chương 2: Thiết bị SVC SVC). Thiết bị này gồm các phần tử cuộn kháng và tụ điện được điều khiển bằng thyristor.  trên ba pha của đường dây cung cấp.  Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng các biến động ở cả hai đầu phát và nhận. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện qua việc điều khiển nhanh trở kháng của SVC và do đó dẫn đến điều khiển nhanh công suất kháng ở đầu ra của SVC. Mục đích chính của bù SVC là làm tăng giới hạn ổn định của hệ thống điện xoay chiều, làm giảm dao động điện áp khi có biến động phụ tải cũng như giới hạn được mức quá điện áp khi có biến động lớn. SVC về cơ bản là thiết bị có công suất kháng điều khiển bằng thyristor. 2.1.2Hệ thống SVC. SVC được xây dựng với nhiều mô hình thiết kế khác nhau. Tuy nhiên, các sơ đồ điều khiển được sử dụng trong hầu hết các hệ thống là giống nhau. 2.1.1.1. Thyristor đóng cắt tụ điện (TSC) . Các tụ điện mắc song song với nhau, mỗi tụ điện nối tiếp với hai van thyristor mắc song song ngược. Bộ tụ điện được chia làm nhiều nấc nhỏ và đóng cắt những nấc này bằng thyristor. TSC cung cấp điều khiển có tính nhảy nấc, chỉ là điều khiển đóng - cắt không phải là điều khiển pha. Thời điểm đóng TSC được chọn vào những lúc điện áp đạt trị số cực đại. Do đó, TSC không tạo ra quá độ và không sinh ra họa tần thì iC = C(dvC/dt) = 0 hay dvC/dt = 0 như hình dưới đây. 12 Chương 2: Thiết bị SVC Hình2.2: Quá trình đóng hoặc mở của một TSC 2.1.1.2. Thyristor điều chỉnh cuộn kháng (TCR) . Các cuộn kháng mắc nối tiếp với hai van Thyristor mắc song song ngược. Thành phần dòng điện ở tần số cơ bản đi qua cuộn kháng được điều khiển bằng cách điều khiển pha trong việc kích thyristor, do đó phát sinh dòng điện hoạ tần. Góc kích của thyristor được điều khiển trễ so với thời điểm mà dòng điện qua trị số không khi cuộn kháng mắc trực tiếp không qua thyristor (số không tự nhiên). Hình2.3: Hoạt động của TCR 2.1.1.3. Thyristor điều chỉnh cuộn kháng, Tụ cố định (TCR-FC) . 12 Chương 2: Thiết bị SVC Hình 2.4 : Sơ đồ TCR-FC Q = QC - QL ; Công suất kháng của SVC có thể điều khiển trong khoảng từ 0 ÷ QC tuỳ thuộc vào việc điều khiển đóng - cắt công suất cuộn kháng. Nếu không có yêu cầu về công suất phản kháng từ SVC (QSVC = 0) thì công suất kháng của cuộn kháng và tụ điện phải triệt tiêu nhau, dòng điện trong bộ tụ luân chuyển sang cuộn kháng và do đó gây ra tổn hao không tải. 2.1.1.4. Thyristor đóng cắt tụ điện, Thyristor điều chỉnh cuộn kháng(TSC-TCR) . Qmax bằng cách đóng tụ điện cấp i và điều khiển TCR, (Qmax là công suất tối đa của một cấp tụ). Sơ đồ này được xem là một TCR-FC qui ước, trong đó công suất của cuộn kháng là nhỏ, bằng 1/n lần tổng công suất của tụ điện, tức là bằng Qmax. Trị số của tụ điện thay đổi theo từng cấp rời rạc, cuộn kháng vận hành trong phạm vi điều khiển bình thường. Tổn thất trong TSC-TCR lúc không tải là nhỏ và tổn thất này tăng theo công suất đầu ra. 12 Chương 2: Thiết bị SVC Hình 2.5 : Sơ đồ TSC-TCR 2.1.2. Đặc tuyến tĩnh của SVC.  Vmax, Vmin : giới hạn điện áp hiệu chỉnh  (VCmax, VLmax : độ lớn điện áp hiệu chỉnh ứng với Qcmax, Qlmax).  Qcmax, QLmax : công suất lớn nhất của bộ tụ và cuộn kháng.  Vref : điện áp yêu cầu  Icmax, ILmax : dòng điện qua SVC ứng với Qcmax, QLmax Hình 2.6: Đặc tuyến VI của SVC 2.2. Mô hình SVC trên Matlab. Để mô phỏng SVC, Matlab cung cấp khối “Static Var Compensator” nằm trong thư viện powerlib/Electrical Sources. 2.2.1. Input – Output.  Input : Các đầu vào A, B, C được nối trực tiếp vào lưới điện.  Output :  B(pu) : dẫn nạp của SVC (SVC Susceptance) ứng với điện áp được hiệu chỉnh. 12 Chương 2: Thiết bị SVC  Vm(pu) : điện áp thứ tự thuận của lưới do SVC đo được. 2.2.2. Các thông số của khối SVC.  Mode of operation : Chế độ hoạt động của SVC  Var control (Fixed susceptance Bref) : hiệu chỉnh lượng công suất phản kháng phát ra bằng với giá trị Bref.  Voltage regulation : hiệu chỉnh điện áp bus bằng với giá trị Vref.  Nominal voltage (Vrms Ph-Ph) : giá trị hiệu dụng điện áp dây định mức.  Reactive power limits [Qcmax(var>0), Qlmin(var<0)] : giới hạn công suất kháng của SVC.  Three-phase base power Pbase (VA) : công suất định mức.  Reference voltage Vref (pu) : điện áp đặt.  Drop Xs (pu) : trở kháng xác định lượng điện áp rơi của SVC.  Voltage regulator : các thông số của khối Voltage regulator.  Kp (puB/puV) : hằng số tỉ lệ.  Ki (puB/puV/s) : hằng số tích phân tỉ lệ.  Time constant of voltage measurement system Tm (s) : hằng số thời gian của hệ thống đo điện áp.  Average time delay due to thyristor valves firing Td (s) : thời gian trễ để kích các thyristor. 12 Chương 2: Thiết bị SVC Hình 2.7 : Thông số khối SVC 2.2.3. Mô hình khối SVC. Khối SVC được kết nối trực tiếp lên lưới, đo điện áp lưới, chuyển đổi sang điện áp pha ở giá trị tương đối. Điện áp pha được đưa vào khối Voltage regulator, cùng với điện áp đặt Vref. Khối Voltage regulator đưa ra giá trị điện dẫn B (susceptance) ở đơn vị tương đối. Tùy theo chế độ hoạt động mà giá trị điện dẫn B hoặc Bref sẽ sử dụng để tạo nguồn dòng đưa ngược trở lại lưới. Hình 2.8 : Mô hình khối SVC 2.2.4. Khối Voltage regulator : Khối Voltage regulator nhận tín hiệu điện áp đo được từ lưới, kết hợp với giá trị điện áp đặt Vref và giá trị điện áp rơi, xác định độ lệch điện áp. Giá trị sai lệch này được đưa qua các khâu tỉ lệ và tích phân tỉ lệ, đầu ra là giá trị điện dẫn B (susceptance). 12 Chương 2: Thiết bị SVC Hình 2.9 : Khối Voltage regulator. 12 Chương 2: Thiết bị SVC 2.3. Ứng dụng SVC vào một lưới điện đơn giản. 2.3.1. Mô hình mô phỏng. 2.3.2. Thông số hệ thống mô phỏng.  Hai máy phát :  Máy phát 1 : 13.8KV – 1000MVA  Máy phát 2 : 13.8KV – 5000MVA  Hai máy biến áp ở hai đầu nguồn, biến đổi điện áp từ 13.8KV lên 500KV để truyền đi.  Ba đường dây với tổng độ dài 3x350Km.  Hệ thống tải ở cuối đường dây được đóng ngắt thông qua các máy cắt :  Tại thời điểm ban đầu : tổng tải gồm : 4500MW (Load 1) và 1000Mvar (Load 2).  Tại thời điểm t = 40s : tải tăng thêm 1500Mvar (Load 3).  Tại thời điểm t = 70s : Load 2 và Load 3 được cắt ra khỏi lưới, tải còn 4500MW. SVC được đặt cách nguồn 2 x 350 Km. 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn 2.3.3. Thông số của SVC.  Mode of operation : Voltage regulation.  Vrms = 500e3.  [Qc Ql] = [750e6 -750e6].  Pbase = 1000e6.  Vref = 1.  Xs = 0.  [Kp Ki] : thay đổi.  Tm = 8e-3.  Td = 4e-3. 2.3.4. Kết quả mô phỏng. Thay đổi các thông số Kp, Ki để khảo xác điện áp tại vị trí đặt SVC và công suất kháng của SVC.  Kp = 0, Ki = 0. Delta Volt (%) t(s) Hình 2.10 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 0.  Kp = 0, Ki = 1. Delta Volt (%) 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn t(s) Hình 2.11 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 1. Q (Var) t(s) Hình 2.12 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, Ki = 1.  Kp = 0, Ki = 10. Delta Volt (%) t(s) 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn Hình 2.13 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 10. Q (Var) t(s) Hình 2.14 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, KI = 10.  Kp = 0, Ki = 100. Delta Volt (%) t(s) Hình 2.15 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 100. Q (Var) t(s) Hình 2.16 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, KI = 100.  Kp = 0, Ki = 200. Delta Volt (%) t(s) Hình 2.17 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 200. 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn Q (Var) t(s) Hình 2.18 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, KI = 200.  Kp = 0, Ki = 300. Delta Volt (%) t(s) Hình 2.19 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 300. Q (Var) 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn t(s) Hình 2.20 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, KI = 300.  Kp = 0, Ki = 500. Delta Volt (%) t(s) Hình 2.21 : Điện áp tại vị trí đặt SVC với Kp = 0, Ki = 500. Q (Var) t(s) Hình 2.22 : Công suất kháng của SVC với Kp = 0, KI = 500. 2.4. Sử dụng SVC bù đường dây. 2.4.1. Mô hình mô phỏng. Hình 2.23 : Mô hình mô phỏng dùng SVC bù đường dây. 2.4.2. Thông số đường dây mô phỏng. 55 Chương 4: Ứng dụng vào một hệ chuẩn  Máy phát : 13.8KV – 1000MVA  Máy biến áp ở đầu đường dây, biến đổi điện áp từ 13.8KV lên 500KV.  Đường dây có chiều dài 300Km.  Hệ thống tải ở cuối đường dây được đóng ngắt qua các máy cắt :  Tại thời điểm ban đầu : 200 MW 150 Mvar  Tại thời điểm t = 10s : 300 MW 400 Mvar  Tại thời điểm t = 20s : 600 MW 550 Mvar  Tại thời điểm t = 30s : 300 MW 225 Mvar  Tại thời điểm t = 40s : 100 MW 875 Mvar  Tại thời điểm t = 50s : 100 MW 75 Mvar  SVC được đặt cuối đường dây. 2.4.3. Thông số của SVC.  Mode of operation : Voltage regulation.  Vrms = 500e3.  [Qc Ql] = [900e6 -600e6].  Pbase = 1000e6.  Vref = 1.  Xs = 0.  [Kp Ki] : thay đổi.  Tm = 8e-3.  Td = 4e-3. 2.4.4. Kết quả mô phỏng.