Báo cáo môn học Thiết bị bù - Thiết bị bù điều khiển dòng công suất UPFC

g và dung kháng trong mạch điện sinh ra và tiêu thụ. Công suất phản kháng không trực tiếp chuyển hóa năng lượng điện thành công do vậy công suất phản kháng là thành phần làm nóng các mạch từ và làm lệch pha dòng điện so với điện áp trong mạch. Thực chất công suất phản kháng là thành phần có lợi nhiều hơn có hại, nó được tiêu thụ bởi các cuộn cảm trong đa số các thiết bị điện. Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng có thể phuc hồi sau khi đã hấp thụ. Tổng quan về bù công suất phản kháng  3 2. Khái niệm về h ệ số công suất cos𝜑: Là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến trong mạch. Là cosin của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp của dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng S = C os = Biểu diễn cos 𝜑 thông qua tam giác công suất S Q P Tổng quan về bù công suất phản kháng  4 3. Vai trò h ệ số công suất cos𝜑: Vai trò của hệ số công suất Dùng làm căn cứ để tính toán nâng cao hệ số công suất Đánh giá mức độ tiêu thụ công suất phản kháng Là 1chỉ tiêu đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý và tiết kiệm Đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền tải Tổng quan về bù công suất phản kháng  5 4. Ý nghĩa h ệ số công suất cos𝜑: Ý nghĩa của hệ số công suất Tăng khả năng truyền tải của đường dây và MBA Giảm tổn thất điện áp và giảm tổn thất điện năng. Tăng độ tin cậy cho việc cung cấp điện Tổng quan về bù công suất phản kháng  6 5. Biện pháp nâng cao hệ số công suất Trong lưới điện tồn tại 2 loại công suất :    - Công suất hữu dụng P (kW) là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải.    -  Công suất phản kháng Q (kVAr) là công suất vô ích, gây ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải như : động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện á p CSPK Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật . Vì vậy, ta cần có biện pháp bù CSPK Q để hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số Cos𝜑 Thiết bị UPFC 1. Đặt vấn đề  Cùng với nhịp độ tăng trưởng của nền kinh tế và sự gia tăng dân số toàn cầu, nhu cầu tiêu thụ năng lượng không ngừng tăng lên trong đó năng lượng điện đòng vai trò then chốt. Từ đó hệ thống điện (HTĐ) cũng liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn và các đường dây truyền tải. Do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải liên tục thay đổi theo thời gian. Kinh nghiệm vận hành HTĐ cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược lại. Nếu có những biện pháp điều chỉnh thông số HTĐ thích hợp có thể làm thay đổi trào lưu công suất làm giảm quá tải cho một số đường dây mà không cần phải cải tạo nâng cấp 7 Thiết bị UPFC 1. Đặt vấn đề  Ví dụ xét sơ đồ HTĐ như trên hình 1a, giả thiết khả năng mang tải của các đ ư ờng đây là P AB = P AC = 2500MW, P BC = 800MW Cách khắc phục là trên dây AC lắp đặt một tụ bù dọc có X c = 4Ω thì công suất sẽ đc phân bố lại như hình 1b   T rường hợp n ày thì công suất đều nằm trong giới hạn cho phép  T rường hợp n à y đường dây BC bị quá tải. 8 A B C C B A Hình 1b: lắp tụ bù Hình 1a: quá tải Thiết bị UPFC 1. Đặt vấn đề  Như vậy nếu tụ C trên đường dây A C có thể điều chỉnh được X c sẽ giúp điều khiển linh hoạt trào lưu công suất truyền tải trên HTĐ theo chế độ vận hành đảm bảo khả năng tải của các đường dây.  Từ năm 1980 công nghệ FACTs đã cho ra đời hàng loạt thiết bị có khả năng điều khiển linh hoạt trào lưu công suất trong hệ thống như: SVC, TCSC, STATCOM, TCPAR và UPFC... Trong đó UPFC là thiết bị có khả năng điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng và cả góc pha điện áp. Để tạo ra một công cụ cho phép nghiên cứu khả năng điều khiển của thiết bị UPFC, ta xây dựng đề tài mô phỏng hoạt động của thiết bị UPFC.  9 Thiết bị UPFC 2. Khái niệm  UPFC là một thiết bị bù ngang của hệ thống FACTs được kết hợp từ 2 thiết bị STATCOM và SSSC. SSSC có nhiệm vụ tạo ra một vectơ điện áp nối tiếp trên đường dây có thể thay đổi được cả về modul và góc pha. STATCOM lấy công suất tác dụng từ đường dây cung cấp cho SSSC, đồng thời đóng vai trò điều khiển điện áp cuối đường dây thông qua điều khiển công suất phản kháng. 10 Thiết bị UPFC 3. Cấu tạo  Thiết bị UPFC có cấu tạo gồm hai bộ biến đ ổi công suất dạng nghịch lưu áp, mắc theo kiểu lưng tựa lưng liên kết với tụ DC dự trữ công suất như hình 3.1  Hình 1: sơ đồ cấu tạo UPFC 11 Thiết bị UPFC 4. Nguyên lý hoạt động  Bộ nghịch l ư u thứ 2 ( Mắc nối tiếp trên đ ư ờng đây) thực hiện nhiệm vụ chính của UPFC là đặt nối tiếp với đường dây một điện áp V pq có biện độ là V pq và có góc ph a δ điều chỉnh đ ư ợc. Điện áp nối tiếp nêu trên có tác dụng nh ư một nguồn đồng bộ xoay chiều. Theo giản đồ vest ơ hình 3.2 cho thấy UPFC có thể điều khiển đ ư ợc modul V 2 và góc lệch pha của V 1 và V 2   Hình 2 : Nguyên lý làm việc c ơ bản của thiết bị bù UPFC 12 Thiết bị UPFC 4. Nguyên lý hoạt động  Công suất tác dụng và phản kháng trên đ ư ờng dây lúc này đ ư ợc tính nh ư sau Việc điều khiển UPFC làm thay đổi biên độ V 2 và góc lệch pha δ do đó có thể điều khiển đ ư ợc dòng công suất truyền tải trên đ ư ờng dây. Bộ nghịch lưu thứ nhất h ỗ trợ hoạt đ ộng cho bộ nghịch lưu thứ hai bằng cách thực hiện đ ưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng yêu cầu cần cho quá trình thiết lập đ iện áp nối tiếp trên đ ường dây của bộ nghịch lưu thứ hai. Ngoài chức năng trên, bộ nghịch lưu thứ nhất cũng có thể thực hiện việc trao đ ổi công suất phản kháng với hệ thống đ iện xoay chiều (bù ngang) một cách đ ộc lập với chức năng thứ nhất  13 Thiết bị UPFC 5. Mô hình tính toán  Từ nguyên lý hoạt động thiết bị UPFC gồm hai nguồn điện áp như hình 3 , các nguồn áp V nt và V ss có thể điều khiển cả biên độ và góc pha.  14 Nguồn áp nối tiếp đặt vào đường dây có thể xác định:  Trong đó: 0  r  rmax và 0    2  Thiết bị UPFC 5. Mô hình tính toán  15 Nguồn áp nối tiếp trên có thể được thay thế bằng một nguồn dòng I nt mắc song song với đường dây truyền tải như hình 4. Trong đó Nguồn dòng I nt cũng có thể được mô tả bằng các nguồn công suất bơm vào hai nút i và j như hình 5, từ đó có thể xác định các dòng công suất n à y như sau:  (3) Thiết bị UPFC 5. Mô hình tính toán  16 Thay (3) vào (4) và (5), sử dụng công thức Ơ le và một số phép biến đổi để tách riêng phần thực và phần ảo của số phức S is và S js , cho phép xác định được  Trong thiết bị UPFC nhánh song song được sử dụng chủ yếu để cung cấp công suất tác dụng cho HTĐ thông qua bộ biến đổi nối tiếp, khi đó mô hình toán học của thiết bị UPFC ở trạng thái ổn định như hình (6)  Thiết bị UPFC 5. Mô hình tính toán  17 Công suất biểu kiến cung cấp bởi bộ biến đổi nối tiếp được tính như sau:  Qua một số phép biến đổi có thể xác định được:  Công suất phản kháng của bộ biến đổi 1 (nhánh song song) không đáng kể nên có thể xem Q ss = 0  Thiết bị UPFC 5. Mô hình tính toán  18 Xếp chồng hai mô hình từ hình 5 và hình 6 ta có mô hình tính toán của thiết bị UPFC trên hình 7  T hành phần công suất bơm vào nút i và j như sau Thiết bị UPFC 6. Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng vận hành   6.1. Sơ đồ hệ thống điện nghiên cứu 19 Hình 8: Sơ đồ điện khi có UPFC Thiết bị UPFC 6. Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng vận hành   6.2. S ơ đồ mô phỏng khi chưa có thiết bị UPFC 20 Hình 9: sơ đồ mô phỏng khi chưa có UPFC Thiết bị UPFC 6. Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng vận hành   6. 3 . S ơ đồ mô phỏng khi có thiết bị UPFC 21 Hình 10: sơ đồ mô phỏng khi có UPFC Thiết bị UPFC 6. Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng vận hành   6. 4 . Các khối trong s ơ đồ mô phỏng Khối nguồn (nhà máy điện) 22 Khối đ ư ờng đây Khối UPFC Khối đo điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng Khối đo sự biến thiên công suất trên các bus Thiết bị UPFC 6. 5 . Kết quả mô phỏng   23 Hình 11: Sự biến đổi công suất trên thanh cái khi ch ư a có UPFC Hình 12: Sự biến đổi công suất trên thanh cái khi có UPFC Thiết bị UPFC 6. 5 . Kết quả mô phỏng   24 Hình 14: Sóng điện ap trên thánh cái khi ch ư a có UPFC Hình 15: Sóng điện ap trên thánh cái khi có UPFC Thiết bị UPFC 6. 5 . Kết quả mô phỏng   25 Hình 16: Sóng điện áp chạy trong UPFC Thiết bị UPFC 6. 5 . Kết quả mô phỏng   26 Hình 17: Khu vực kiểm soát của UPFC Thiết bị UPFC 7. Kết luận   Nhờ khả năng điều khiển vectơ điện áp nối tiếp trên đường dây truyền tải cả về modul lẫn góc pha cho nên thiết bị UPFC cho phép điều khiển linh hoạt dòng công suất truyền tải trên đường dây và điện áp cuối đường dây theo chế độ vận hành.  Qua nghiên cứu nguyên lý làm việc và mô hình tính toán đề tài đã xây dựng được mô hình mô phỏng vận hành thiết bị UPFC lắp đặt trên một đường dây truyền tải nối liền hai hệ thống điện có trao đổi công suất qua lại với nhau. Mô hình cho phép nghiên cứu khả năng điều khiển dòng công suất truyền tải trên đường dây và tự động khống chế dòng công suất truyền tải theo một giá trị định trước khi cho các thông số vận hành thay đổi.  27 II. Thiết bị UPFC 7. Kết luận   UPFC là một loại thiết bị mới thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTs), giá thành cao hơn nữa việc lắp đặt một thiết bị trên một đường dây truyền tải thực tế để phục vụ cho việc nghiên cứu là không thể thực hiện được. Cho nên mô hình mô phỏng vận hành thiết bị UPFC là một công cụ tốt giúp cho sinh viên và cán bộ nghiên cứu khả năng ứng dụng loại thiết bị này để điều khiển trào lưu công suất trong hệ thống điện nhằm nâng cao khả năng tải của các đường dây truyền tải điện.  28 29