Thạc Sĩ Điều khiển thiết bị bù tĩnh ( SVC ) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng

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 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.

Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai và 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 thuyết minh 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 Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc!



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

Chương 1: Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện . 13

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 13

1.1.1. Đặc điểm . 13

1.1.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện hợp nhất . 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

1.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor

(TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) 26

1.2.6. Nhận xét 27

Kết luận . 27

Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định

hệ thống điện . . 29

2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện 29

2.1.1. Đặt vấn đề . 29

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

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

3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK . 61

3.1.3.2. Khâu phản hồi 62

3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung 63

3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877 . 64

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 tự 69

3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng số 70

3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng cao 70

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 SVC 71

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 khiển 72

3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp . 72

3.3.1.2. Khâu lấy tín hiệu phản hồi . 72

3.3.1.3. Khâu tạo xung đồng bộ 73
3.3.1.4. Khâu khuếch đại xung 74

3.3.1.5. Khâu điều khiển xung 75

3.3.2. Các phần tử khác trong mô phỏng . 76

3.3.2.1. Nguồn điện . 76

3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển TCR . 77

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 khiển . 79

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 nút 83

4.3. Đặc tính hệ thống điều khiển các van SVC 89

Kết luận . 92

Kết luận chung và hướng phát triển 93

Tài liệu tham khảo . Phụ lục 1 . Phụ lục 2 .

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Chữ viết
tắt
Ý nghĩa
Chú thích


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

Flexible Alternating Current
Transmission Systems

Proteus 6 Professional

Printed Circuit Board

Bộ vi điều khiển

Khâu so sánh và tạo xung

Phần mềm mô phỏng mạch điện- điện tử

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển . 27

Bảng 2-1: Giá trị của I3 khi thay đổi góc điều khiển  . 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

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

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

Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản 55

Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp

dưới tải 55

Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC . 56

Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng . 57

Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC 59

Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng . 61

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ 62

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi 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 hồi . 73

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 bộ . 74

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 76

Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển xung . 76

Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn 77

Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR 78

Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR . 79

Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 100 80

Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 300 80

Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 450 81

Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 900 81

Hình 4.6: Xung điều khiển ra vơi góc mở 1800 81

Hình 4.7: Dòng điện qua van với góc mở 00 83

Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở 600 . 83

Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 950 84

Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 1200 84

Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 1350 85

Hình 4.12: Dòng điện qua van với góc mở 1450 85

Hình 4.13: Dòng điện qua van với góc mở 1600 86

Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 1650 86

Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 1700 87

Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 1750 87

Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 1800 88

Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR 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