Tài liệu Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có điều khiển svc tại trạm truyền tải 220 kv thái nguyên

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THU NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TẠI TRẠM TRUYỀN TẢI 220 KV THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 62.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THU NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA THIẾT BỊ BÙ TĨNH CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TẠI TRẠM TRUYỀN TẢI 220 KV THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 62.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐỖ TRUNG HẢI TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG PHÕNG ĐÀO TẠO TS. ĐẶNG DANH HOẰNG THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Đỗ Thị Thu Học viên: Lớp cao học K16- KTĐ, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Nơi công tác: Điện lực Đại Từ - Công ty Điện lực Thái Nguyên. Tên đề tài luận văn thạc sỹ: “ Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV Thái Nguyên”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: Sau hai năm học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường, em lựa chọn thực hiện đề tài tốt nghiệp: “Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV Thái Nguyên”. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Hiền Trung và sự nỗ lực của bản thân, đề tài đã được hoàn thành. Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân em. Các số liệu, kết quả có trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 23 tháng 01 năm 2016 Học viên thực hiện Đỗ Thị Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp. Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn thành luận văn này. Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Nguyễn Hiền Trung và tập thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 – KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Đỗ Thị Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC Lời nói đầu ....................................................................................................................... i Lời cảm ơn ..................................................................................................................... ii Mục lục .......................................................................................................................... iii Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt .................................................................................. vi Danh mục các hình vẽ, đồ thị ....................................................................................... vii Lời nói đầu ...................................................................................................................... 1 Chƣơng I: Tổng quan về ứng dụng các thiết bị FACTS trong hệ thống điện ....... 3 1.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 3 1.2. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 5 1.3. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện ......................................... 6 1.4. Bù công suất phản kháng ......................................................................................... 6 1.4.1. Bù dọc và bù ngang trong hệ thống điện .................................................. 8 1.4.1.1. Bù dọc ........................................................................................... 8 1.4.1.2. Bù ngang ...................................................................................... 10 1.5. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện ................. 11 1.5.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor ……………………………...11 ( SVC – Static Var Compensator ) 1.5.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor ................................................. 13 ( TCSC – Thyristor Controlled Series Capacitor ) 1.5.3. Thiết bị bù tĩnh............................................................................................ 14 ( STATCOM – Static Synchronous Compensator ) 1.5.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất ............................................................ 15 ( UPFC – Unified Power Flow Controller ) 1.5.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor ............................................... 17 ( TCPAR – Thyristor Controlled Phase Angle Regulator ) 1.6. Nhận xét ................................................................................................................. 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 1.7. Kết luận chương I .................................................................................................. 18 Chƣơng II: Tác dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện .................................................................................................. 19 2.1. Tác dụng của SVC trong hệ thống điện ................................................................ 19 2.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................. 19 2.1.2. Một số ứng dụng của SVC ........................................................................ 20 2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất ............................................... 20 2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố ....................... 22 2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công .................................................... 23 2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công ........................................................ 23 2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây ........................................................ 23 2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng ................................................. 25 2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố .................................................................. 25 2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC ................................................................... 27 2.2.1. Cấu trúc trạm SVC động ............................................................................ 27 2.2.2. Các thiết bị chính và nguyên lý hoạt động .............................................. 28 2.2.2.1. Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor ................................................ 28 2.2.2.2. Các bộ tụ cố định FC ( Fixed Capacitor) ............................................ 30 2.2.2.3. Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC ............................................. 31 (Thyristor Switch Capacitor) 2.2.3. Hiệu quả bù ................................................................................................. 32 2.3. Cấu tạo từng phần tử của SVC .............................................................................. 33 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ Thyristor mắc song song ngược ................. 33 2.3.2. Kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled reactor) ... 36 2.3.3. Tụ đóng mở bằng Thyristor TSC (Thyristor switch capacitor) ................ 46 2.3.4. Kháng đóng mở bằng Thyristor TSR (Thyristor switch reactor) ............. 46 2.3.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC ................................................... 47 2. 4. Các đặc tính của SVC ........................................................................................... 48 2.4.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .................................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 2.4.2. Đặc tính làm việc của SVC ....................................................................... 49 2.5. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện .......................... 51 2.5.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi ........................ 51 2.5.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng ......................... 53 Kết luận chương II ........................................................................................................ 56 Chƣơng III: Mô hình hóa mô phỏng trạm SVC Thái Nguyên .............................. 57 3.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC ............................................................................... 57 3.1.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 57 3.1.2. Mô tả sơ đồ bố trí thiết bị ........................................................................... 57 3.1.3. Mô tả sơ đồ kết nối lưới ............................................................................ 59 3.1.4. Phân tích nhiệm vụ của trạm SVC ............................................................. 60 3. 2. Mô phỏng trạm SVC ............................................................................................ 63 3.2.1. Cấu trúc mô phỏng .................................................................................... 63 3.2.2. Mô phỏng hoạt động của trạm SVC ....................................................... 70 3.2.2.1. Mô phỏng khi không có SVC.................................................................. 70 3.2.2.2. Mô phỏng khi hệ thống kết nối SVC ...................................................... 72 3.3. Đề xuất giải pháp khắc phục nhược điểm của trạm SVC Thái Nguyên ............... 75 Kết luận chương III........................................................................................................ 83 Kết luận chung và hướng phát triển .............................................................................. 84 Tài liệu tham khảo ......................................................................................................... 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chú STT Chữ viết tắt Ý nghĩa 1 HTĐ Hệ thống điện 2 SVC Static Var Compensator 3 TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor 4 STATCOM 5 UPFC 6 TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle Regulator 7 FACTS Flexible Alternating Current Transmission thích Static Synchronous Compensator Unified Power Flow Controller Systems 8 VĐK Bộ vi điều khiển 9 CSPK Công suất phản kháng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC CÁC HÌNH , ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây ............................................................. 9 Hình 1.2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC ...................................................... 12 Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC ................................................. 13 Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM ........................................ 14 Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC ....................................................................... 16 Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR .................................................................... 17 Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC ............................................... 21 Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC ............. 22 Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp ............................................................ 22 Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC ......... 24 Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC ............................................... 26 Hình 2.6: Sơ đồ mô tả các phần tử chính của trạm bù SVC ......................................... 27 Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR .................................................................. 28 Hình 2.8: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................... 29 Hình 2.9: Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR 1 pha.......................................... 29 Hình 2.10: Nhánh FC của hệ thống SVC ...................................................................... 31 Hình 2.11: Sơ đồ cáu tạo của TSC ................................................................................ 31 Hình 2.12: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có hoặc không có SVC .... 32 Hình 2.13: So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi có bù và không có bù .............................................................................................................. 33 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor ..................................................................... 34 Hình 2.15: Đồ thị dòng điện tải .................................................................................... 34 Hình 2.16: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR ................................................. 36 Hình 2.17: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................ 37 Hình 2.18: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua TCR ....................................... 38 Hình 2.19: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR .............................................. 39 Hình 2.20: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt ...................................... 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii Hình 2.21: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR .................................................. 43 Hình 2.22: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ..................................................... 46 Hình 2.23: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR .................................................. 47 Hình 2.24: Hệ điều khiển các van của SVC ................................................................. 48 Hình 2.25: Đặc tính U – I của SVC .............................................................................. 49 Hình 2.26: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ................................. 50 Hình 2.27: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng .................................. 53 Hình 2.28: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải ................................................................................................................................... 53 Hình 2.29: Đặc tính làm việc của SVC ........................................................................ 54 Hình 2.30: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng .................... 55 Hình 3.1: Hình ảnh các thiết bị ngoài trời của trạm SVC Thái Nguyên ...................... 57 Hình 3.2: Hình ảnh các van Thyristor của TCR và hệ thống làm mát ........................ 58 Hình 3.3: Hình ảnh dàn nóng của hệ thống làm mát các van Thyristor của TCR ....... 58 Hình 3.4: Sơ đồ kết nối lưới trạm SVC Thái Nguyên .................................................. 59 Hình 3.5: Nguyên lý bù CSPK và lọc sóng hài của trạm SVC .................................... 61 Hình 3.6: Hệ thống các thiết bị chính trong trạm bù SVC ........................................... 62 Hình 3.7: Cấu trúc mô phỏng trạm SVC ...................................................................... 63 Hình 3.8: Cấu trúc mô phỏng khối TCR ...................................................................... 65 Hình 3.9: Cấu trúc mô phỏng khối TSC ...................................................................... 65 Hình 3.10: Cấu trúc mô phỏng điều khiển SVC .......................................................... 67 Hình 3.11: Khối đo lường ............................................................................................. 68 Hình 3.12: Khối điều chỉnh điện áp sử dụng bộ điều khiển PI .................................... 68 Hình 3.13: Khối tính toán góc mở Thyristor ................................................................ 69 Hình 3.14: Khối phát xung điều khiển các Thyristor của TCR ................................... 70 Hình 3.15: Mô phỏng hệ thống khi không có SVC ...................................................... 71 Hình 3.16: Mô phỏng hoạt động hệ thống khi có SVC ................................................ 74 Hình 3.17: Mô hình đối tượng và cấu trúc điều khiển BDPC ...................................... 76 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ix Hình 3.18: Cấu trúc mô phỏng trạm SVC với bộ biến đổi BDPC................................ 78 Hình 3.19: Cấu trúc mạch lực của bộ BDPC ................................................................ 78 Hình 3.20: Cấu trúc hệ điều khiển của BDPC .............................................................. 79 Hình 3.21: Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện iq .............................................. 79 Hình 3.22: Kết quả mô phỏng bù CSPK của BDPC..................................................... 80 Hình 3.23: Điện áp trên thanh cái kết nối với thiết bị bù được giữ vững theo giá trị đặt Hình 3.24: Biểu diễn quá trình đổi pha của dòng và áp khi BDPC đổi chiều bù CSPK Hình 3.25: Kết quả phân tích FFT đối với dòng bù của BDPC.................................... 80 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 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 có trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng. Trong những năm vừa qua, bên cạnh sự phát triển với tốc độ cao của nền kinh tế thì nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta cũng tăng trưởng không ngừng. Đặc biệt, trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội nhập nền kinh tế khu vực và thế giới. Để đảm bảo cho việc cung cấp điện an toàn và ổn định điện áp đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, HTĐ Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ liên kết với Trung Quốc, Lào, ….. Đường dây 220 KV Hà Giang – Thái Nguyên đưa vào hoạt động trong những năm gần đây đã giải quyết được yêu cầu cấp nguồn trong những thời điểm thiếu điện. Tuy nhiên khi nhận điện từ Trung Quốc làm nảy sinh vấn đề dao động điện áp. Điện áp lúc tăng lúc giảm làm ảnh hưởng xấu tới các phụ tải dùng điện. Vì vậy, trạm bù SVC được lắp đặt nhằm khắc phục nhược điểm này. Trạm 220 KV Thái Nguyên nhận điện từ nguồn với cấp điện áp 220 KV. Sau đó, thông qua các máy biến áp, đưa điện áp xuống cấp thấp hơn như 110 KV, 35KV, 22KV,…. 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 với việc áp dụng các thành tựu của công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, nên các thiết bị bù dùng thyristor sử dụng rất nhiều thông tin trong toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước có trình độ công nghệ tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor 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 (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 hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai là nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị bù nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản luận văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ điều khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ bảo để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn Hiền Trung cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc! Tác giả Đỗ Thị Thu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Giới thiệu: Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc. Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều. Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải….. và được chia thành ba khâu: sản xuất,truyền tải và phân phối. Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ. - Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo quy định. - Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo quy định. - Các phụ tải được cung cấp nguồn điện đầy đủ. - Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải. Trong hệ thống điện, công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây. Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc. FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây. FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”. Qua định nghĩa FACTS, ta nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thống điện, có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật. Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên tình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác thì non tải và ngược lại. Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải luôn đặt trong tình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng ta như là: quá tải đường dây, những hiện tượng nhiễu hệ thống như là: dao động tần số, điện áp…… Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những nhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng thiết bị FACTS. Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện những lợi ích sau đây: - Tận dụng lưới truyền tải hiện hữu để lắp đặt các thiết bị FACTS. - Giảm chi phí đầu tư - Tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải. - Tăng độ ổn định của lưới. - Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao. 1.2 Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh. Đặt vấn đề: Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất, thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng, do tăng mạnh bất thường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp ( các công ty luyện sắt, thép….) Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép ( tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau). Trong điều kiện vận hành không bình thường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như: tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ các nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. Trước đây, khi mà ngành công nghệ điện tử công suất cao chưa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là: cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp….. để ổn định điện áp trên hệ thống. Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như: Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là: - SVC ( Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh. - UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất. - STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh. - TCSC (Thyristor Controller Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển thyristor. - SSSC (Static Synchronous Series Compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh. - HVDC (Hight Voltage Direct Current): Dòng một chiều điện áp. 1.3. 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,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 này, 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.. + 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. 1.4. 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 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 ± Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 7 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây. + 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: WE  C.U 2f + Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QE  3..C.U 2f .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: WM  L.I 2 + Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QM  3.WM .l  3.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  QE  QM  3.C.U 2f .l  3.L.I 2 .l  L.I 2 Q  3.l.C.U 1   C.U 2f  2 f    + Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có: (1  L.I 2 )0 C.U 2f  I U f L C Trong đó: ZC  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 hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây. Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng. Việc bù thông số của đường dây làm tăng khả năng tải của đường dây và qua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 8 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. 1.4.1 BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN. Các đường dây 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 hệ thống điện.. 1.4.1.1 Bù dọc. Trị số cảm kháng lớn của đường dây 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 cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC 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 (XL - XC). Giả sử góc lệch φ giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha δ giữa vectơ điện áp và hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 9 * Ổn định điện áp: + Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. + 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 của đường dây. + Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: P U1.U 2 sin  XL Ta có giới hạn công suất truyền tải là: Pgh  U1.U 2 XL + Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: P'  U1  U 2 X L  XC Ta có giới hạn công suất truyền tải là: Pgh  U1.U 2 X L  XC Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên: k   X L  XC  XC Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đƣờng dây . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn