Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện
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
Hiện nay, xu hướng hợp nhất các hệ thống điện nhỏ thành hệ thống điện hợp nhất qua các đường dây siêu cao áp đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tối ưu hóa tính kinh tế và kỹ thuật của các hệ thống điện hiện đại, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và vận hành.
+ 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 hệ thống điện liên kết giúp giảm chi phí đầu tư cho các công trình nguồn, từ đó alleviating gánh nặng lớn trong việc phát triển hệ thống điện.
Tăng cường tính kinh tế của hệ thống điện toàn diện bằng cách khai thác các nguồn năng lượng có chi phí sản xuất điện thấp, như thủy điện, nhiệt điện từ tuabin khí và năng lượng hạt nhân.
Tăng cường hiệu quả vận hành hệ thống điện (HTĐ) nhờ khả năng huy động sản xuất điện từ các nguồn năng lượng kinh tế, đồng thời giảm công suất đỉnh chung của toàn hệ thống.
HTĐ hoạt động linh hoạt hơn so với việc vận hành các hệ thống riêng lẻ nhờ vào khả năng trao đổi và hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên.
Giảm chi phí điện năng bằng cách tận dụng công suất vào giờ thấp điểm của các thành viên trong hệ thống điện, nhờ vào sự chênh lệch múi giờ, để cung cấp cho hệ thống khác.
+ 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 điện giúp tăng cường độ tin cậy trong cung cấp điện, nhờ vào công suất dự trữ chung lớn của toàn bộ hệ thống điện hợp nhất.
Việc hợp nhất các hệ thống điện không chỉ mang lại nhiều lợi ích mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực và quốc gia thành viên, góp phần thúc đẩy sự phát triển kinh tế Hệ thống điện hợp nhất là nền tảng cho việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại, bắt đầu từ những năm cuối thế kỷ 20 và dự kiến sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21.
1.1.2 CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN
Khi tính toán chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất với đường dây siêu cao áp, lượng công suất phản kháng sinh ra rất lớn do điện áp cao Đặc biệt, khi đường dây không mang tải, công suất phản kháng phát ra có thể gây hiện tượng quá áp ở cuối đường dây Để hạn chế hiện tượng này, cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật phù hợp.
+ 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 thiết bị bù dọc và bù ngang giúp giảm cảm kháng và dung dẫn, từ đó rút ngắn chiều dài tính toán của đường dây.
Đường dây siêu cao áp 500kV được phân đoạn bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển, được lắp đặt tại các trạm trung gian Khoảng cách giữa các trạm kháng bù ngang không vượt quá 600km.
Để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối, cần đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc tại những vị trí này.
1.1.3 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Khác với các đường dây cao áp có điện áp nhỏ hơn 330kV, quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến việc truyền sóng điện từ dọc theo đường dây Trong khi điện trường của đường dây ít thay đổi do điện áp được kiểm soát trong giới hạn cho phép (thường là ±10%), từ trường lại biến đổi rộng rãi theo 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:
+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:
QE = 3..C.Uf 2.l là công thức tính trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường trên mỗi 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:
+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:
Z C L là tổng trở sóng của đường dây
Đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN xảy ra hiện tượng khi điện trở phụ tải bằng tổng trở sóng XC của đường dây, đặc biệt là với đường dây dài hữu hạn Đây là chế độ tải công suất tự nhiên, trong đó đường dây siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng.
Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp
Các đường dây siêu cao áp dài thường cần thiết bị bù thông số để nâng cao khả năng tải và ổn định điện áp Việc sử dụng các thiết bị bù dọc và bù ngang không chỉ cải thiện tính ổn định tĩnh và động mà còn giảm dao động công suất, giúp hệ thống điện hoạt động linh hoạt và hiệu quả hơn Điều này đặc biệt quan trọng đối với các đường dây siêu cao áp dài, như đường dây 500kV Bắc - Nam tại Việt Nam, nơi chiều dài gần đạt 1/4 bước sóng.
Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp gây ảnh hưởng tiêu cực đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng, như góc lệch pha lớn, tổn thất công suất và điện năng cao, cũng như tính ổn định điện áp kém tại các trạm Giải pháp bù dọc giúp tăng điện dẫn liên kết bằng cách giảm điện cảm kháng X thông qua dung kháng XC của tụ điện, thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Nhờ đó, giới hạn truyền tải của đường dây được nâng cao theo điều kiện ổn định tĩnh, đồng thời giới hạn ổn định động cũng tăng lên nhờ cải thiện đường cong công suất điện từ.
Khi thêm tụ nối tiếp vào mạch tải, điện kháng tổng giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không thay đổi, độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây cùng với góc lệch pha giữa vectơ điện áp hai đầu đường dây sẽ giảm đáng kể Điều này cho thấy hiệu quả rõ rệt của việc bù dọc.
+ 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 :
+ 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:
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
+ Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:
Ta có giới hạn công suất truyền tải là:
Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên: k = (XL - XC)/XC
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 KC:
Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc KC từ 40 - 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây
Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện cố định hoặc kháng điện điều khiển tại các thanh cái của trạm biến áp Kháng bù ngang có thể được đặt ở phía cao áp hoặc hạ áp của máy biến áp Khi lắp ở phía cao áp, kháng có thể được nối trực tiếp song song với đường dây hoặc thông qua máy cắt điều khiển bằng khe hở phóng điện.
Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC do điện dung của đường dây phát ra, vì chúng có hướng ngược nhau Nhờ đó, công suất phản kháng từ đường dây sẽ bị tiêu hao đáng kể, giúp hạn chế hiện tượng quá áp ở cuối đường dây.
Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt kháng bù ngang là rất quan trọng cho các chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thống điện, đặc biệt là trong các chế độ vận hành non tải và không tải.
Trong chế độ không tải, nguồn điện phải phát công suất lớn để bù đắp tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp, trong khi phía tải hở mạch Để giảm thiểu tình trạng quá áp và quá tải của máy phát, cần lắp đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây.
Trong chế độ non tải (PTải < PTN), công suất phản kháng trên đường dây thừa và phân bổ đều hai phía Để duy trì trị số cosφ cho phép của máy phát, cần lắp đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây nhằm tiêu thụ công suất phản kháng.
Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng lớn do đường dây siêu cao áp 500kV tạo ra (khoảng Qo 1MVAR/km) cần được tiêu thụ bằng cách lắp đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây Khoảng cách giữa các kháng bù ngang thường dao động từ 200 đến 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau: l b U
Udd: 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:
C o Z b 1,07.10 3 Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:
Q U 1,07.10 3 1,07.10 3 Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL:
QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang
Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống điện Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang thường chiếm khoảng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung của đường dây phát ra.
Đường dây siêu cao áp có những đặc điểm kỹ thuật đặc thù cần được chú ý trong quá trình thiết kế và phát triển lưới điện, đặc biệt là liên quan đến giới hạn ổn định và ổn định điện áp.
Mô hình đường dây siêu cao áp cần tuân theo sơ đồ thông số rải trong quá trình tính toán Để chuyển đổi sang dạng thông số tập trung, cần áp dụng sơ đồ tương đương bằng cách chia thành các mắt xích nối tiếp.
Các đường dây siêu cao áp có đặc điểm nổi bật là điện cảm và điện dung lớn Để đảm bảo khả năng mang tải và ngăn ngừa hiện tượng quá điện áp trong quá trình vận hành non tải hoặc không tải, cần thiết phải áp dụng các biện pháp bù dọc và bù ngang.
Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần được tính toán cho từng chế độ vận hành nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao nhất.
Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện
1.2.1 THIẾT BỊ BÙ TĨNH ĐIỀU KHIỂN BẰNG THYRISTOR (SVC - STATIC VAR COMPENSATOR)
SVC là thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng bằng cách thay đổi góc mở của thyristor, bao gồm hai thành phần cơ bản.
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)
Thành phần điều khiển trong hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có cực điều khiển, cùng với hệ thống điều khiển góc mở sử dụng các bộ vi điều khiển.
SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ
Kháng đóng mở bằng thyristor (TSR) và bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC) là hai thiết bị quan trọng trong hệ thống điện TSR có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng và cho phép đóng cắt nhanh bằng thyristor, trong khi TSC phát công suất phản kháng với khả năng đóng cắt nhanh tương tự Cả hai thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện năng và ổn định hệ thống điện.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC như trên hình 1.2
Sử dụng SVC giúp tăng cường khả năng tải của đường dây một cách hiệu quả mà không cần đến các thiết bị điều khiển phức tạp Các chức năng chính của SVC đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất vận hành.
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)
TCSC, giống như SVC, là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh cho đường dây điện, hoạt động hiệu quả trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Thiết bị này được cấu thành từ một hoặc nhiều module TCSC, mỗi 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,
TCSC được trang bị một số thiết bị phụ như bộ lọc f để loại bỏ sóng hài bậc cao và thiết bị đóng ngắt, hỗ trợ cho các chế độ vận hành khác nhau trong hệ thống điện.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình 1.3 sau:
Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC
Các chức năng chính của TCSC bao gồm:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh
- Giảm sự thay đổi điện áp
- Tăng cường khả năng truyền tải của đờng dây
- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện
- Giảm góc làm việc làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện
TCSC không chỉ tăng cường tính linh hoạt cho vận hành các đường dây siêu cao áp mà còn có nhiều chức năng khác trong hệ thống điện Tùy theo yêu cầu và chức năng của từng đường dây siêu cao áp, các phương pháp và mạch điều khiển TCSC có thể được áp dụng để phù hợp với các chế độ vận hành trong hệ thống điện.
1.2.3 THIẾT BỊ BÙ TĨNH (STATCOM - STATIC SYNCHRONOUS COMPENSATOR)
STATCOM là phiên bản nâng cấp của SVC, sử dụng các bộ tụ điện điều chỉnh bằng thiết bị điện tử như thyristor GTO So với SVC, STATCOM có cấu trúc gọn nhẹ hơn, yêu cầu diện tích lắp đặt nhỏ hơn và đặc biệt là khả năng điều khiển linh hoạt, hiệu quả hơn.
Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:
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
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột
Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:
- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ được sự cố
Khi điện áp thanh cái thấp hơn điện áp lưới, hệ thống có khả năng phát công suất phản kháng Ngược lại, nếu điện áp thanh cái cao hơn điện áp lưới, hệ thống sẽ tiêu thụ công suất phản kháng.
1.2.4 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN DÕNG CÔNG SUẤT (UPFC - UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER)
UPFC, hay Bù Phản Kháng Đa Chức Năng, là một công nghệ tiên tiến sử dụng thiết bị bù để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, đồng thời quản lý dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải Đặc biệt, UPFC rất hữu ích cho các đường dây siêu cao áp nối giữa các hệ thống điện nhỏ, giúp lưới điện hoạt động một cách linh hoạt và hiệu quả hơn.
UPFC là sự kết hợp giữa thiết bị bù dọc Static Synchronous Series Compensator và thiết bị bù ngang STATCOM Nó bao gồm hai bộ chuyển đổi điều khiển thyristor với cửa đóng mở GTO, mỗi bộ chuyển đổi được trang bị van GTO và MBA trung gian điện áp thấp.
Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC
Máy biến áp được kết nối với bộ chuyển đổi thông qua thanh cái làm việc (Buswork) và máy cắt, như mô tả trong hình Mỗi bộ chuyển đổi có khả năng ngừng hoạt động vì nhiều lý do khác nhau.
Về nguyên lý, UPFC có 3 chế độ vận hành, bao gồm:
Chế độ 1: chế độ điều khiển trở kháng XC
Chế độ 2: chế độ điều khiển điện áp trực giao U
Chế độ 3: chế độ điều khiển góc pha điện áp C
Trong đó: - I2: vectơ dòng của UPFC
- Ul: vectơ điện áp nhận
- : góc lệch giữa U2 và Ul
- X: Điện kháng của đường dây truyền tải
- : Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối của đường dây
Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ưu điểm hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha rất nhỏ Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc (series compensator) giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo Hơn nữa, trong chế độ 1 và chế độ 2, công suất của thành phần bù ngang (shunt compensator) có thể giảm tối thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết 1 chiều (DC link) gần như bằng 0
Ngoài ra, thành phần bù ngang có thể điều khiển đồng thời cả dòng công suất phản kháng Q và công suất tác dụng P truyền tải trên đường dây
1.2.5 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN GÓC PHA BẰNG THYRISTOR (TCPAR - THYRISTOR CONTROLLED PHASE ANGLE REGULATOR)
Thiết bị TCPAR, một khái niệm mới sử dụng thyristor, giúp điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha trên đường dây, từ đó kiểm soát hiệu quả công suất truyền tải.
Cấu tạo của thiết bị này tương tự như một máy biến áp ba cuộn dây được nối song song với đường dây truyền tải, cho phép điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf trên đường dây.
Cấu tạo của TCPAR và đặc tính hoạt động của nó như sau:
Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR