Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC

Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Năng lượng là yếu tố thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển xã hội, đồng thời duy trì sự sống trên trái đất Việc sử dụng hợp lý các nguồn năng lượng tự nhiên là cần thiết để tránh cạn kiệt trong tương lai Do đó, nghiên cứu và khai thác năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng điện gió, trở nên quan trọng trong giai đoạn hiện nay Tiếp cận và tận dụng nguồn năng lượng gió không chỉ đáp ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Việt Nam, với hơn 2000 km bờ biển và chế độ gió mùa quanh năm, sở hữu tiềm năng năng lượng gió lớn Các nhà nghiên cứu đã xác định những vị trí tối ưu để xây dựng các nhà máy điện gió quy mô lớn Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, hơn 39% diện tích Việt Nam có tốc độ gió trung bình hàng năm vượt quá 6 m/s ở độ cao 65 m, tương đương với tổng công suất tiềm năng lên tới 512 GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích đất nước được đánh giá có tiềm năng gió rất tốt.

Việt Nam sở hữu tiềm năng gió rất lớn, do đó, nghiên cứu và phát triển năng lượng gió là điều cần thiết Mặc dù đã có những bước khởi đầu trong việc triển khai năng lượng gió, nhưng sự phát triển hiện tại vẫn còn nhỏ lẻ và khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của đất nước.

Năng lượng gió phụ thuộc vào điều kiện gió, do đó, điện chỉ được sản xuất đầy đủ khi gió đủ mạnh Hệ quả là, nguồn điện từ năng lượng gió thường không ổn định.

Sự ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng đối với an toàn vận hành từ những năm 1920, với nhiều sự cố mất điện lớn liên quan đến sự không ổn định này Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành một thách thức lớn cho hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện phát triển và áp dụng công nghệ mới, nhiều dạng bất ổn định như ổn định điện áp, ổn định tần số và dao động khu vực đã gia tăng Do đó, việc điều khiển ổn định hệ thống điện trở thành nhiệm vụ thiết yếu trong vận hành hệ thống, bởi các yếu tố như nhiễu loạn bên ngoài và mô men cơ học bên trong có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định này.

Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, hệ thống truyền tải AC linh hoạt (FACTS) đã chứng tỏ hiệu suất cao trong việc cải thiện tính ổn định và giảm dao động của hệ thống điện thông qua điều khiển động đường cong giữa góc và công suất Những thiết bị này có khả năng phản ứng nhanh, cho phép điều chỉnh tự động cấu hình mạng điện, nâng cao cả ổn định tĩnh và ổn định động FACTS bao gồm nhiều dạng khác nhau, được mắc nối tiếp hoặc song song, với các nguyên tắc hoạt động chi tiết có thể tìm thấy trong tài liệu tham khảo Một ứng dụng nổi bật của FACTS là thiết bị SSSC (Bù Đồng Bộ Kiểu Tĩnh), giúp điều khiển công suất phản kháng qua điểm kết nối bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp nguồn, từ đó cải thiện khả năng truyền tải và điều khiển dòng công suất của đường dây Việc lắp đặt SSSC tại các điểm chiến lược sẽ mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện.

Ba yếu tố quan trọng trên đường dây truyền tải điện là giải pháp hiệu quả để nâng cao khả năng truyền tải và giải quyết các vấn đề kinh tế Luận văn này nghiên cứu các thông số của đường dây truyền tải điện và phương pháp điều khiển dòng công suất trong hệ thống điện tích hợp năng lượng gió sử dụng SSSC.

1.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài Ổn định hệ thống điện liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường và khi có nhiễu loạn có thể duy trì ổn định tại mọi thanh cái trên hệ thống ở mức chấp nhận tại các nút Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định là khi có các tác động ngắn mạch, khi có yêu cầu thay đổi tải … hoạt động của hệ thống sẽ có sự dao động lớn

Hệ thống điện gió chịu ảnh hưởng lớn từ sự thay đổi tốc độ gió, dẫn đến các dao động Một nghiên cứu đã xây dựng mô hình để khảo sát các dao động trong trang trại gió và đề xuất các phương pháp giảm thiểu chúng Ngoài ra, một nghiên cứu khác phân tích ổn định tĩnh điện áp tại nút phụ tải thông qua phân tích độ nhạy V-Q, đồng thời khảo sát vị trí kết nối điện gió dựa trên tiêu chí ổn định điện áp.

Mô hình tuabin gió DFIG đã được giới thiệu trong các nghiên cứu về ổn định hệ thống điện, nhằm nâng cao hiệu quả và tính ổn định của việc sử dụng năng lượng gió.

Các tác giả trong [12] đã nghiên cứu chức năng giảm dao động của SSSC trong hệ thống điện, thiết lập mô hình tuyến tính SSSC và đề xuất các phương pháp thiết kế bộ điều khiển giảm dao động Bài báo xem xét cả hai trường hợp hệ thống điện một máy và nhiều máy Trong [13], phương pháp bù pha được áp dụng để thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện một máy, cùng với một thuật toán tìm kiếm các hàm mục tiêu nhằm thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho hệ thống điện nhiều máy.

Tác giả trong [14] đã trình bày phương pháp ổn định điện áp bằng cách dùng bộ điều khiển công suất mở rộng UPFC

Bài viết trình bày các chức năng của thiết bị FACTS SSSC trong việc điều khiển ổn định điện áp Việc kết hợp máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) với các thiết bị FACTS đã giúp giảm thiểu dao động, tuy nhiên, thời gian để hệ thống quay về trạng thái ổn định ban đầu vẫn còn dài Luận văn này đề xuất sự kết hợp giữa SSSC và bộ giảm dao động PID trên DFIG nhằm tăng cường tốc độ phục hồi của hệ thống về trạng thái ổn định.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là nâng cao sự ổn định của hệ thống điện thông qua việc tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng công nghệ SSSC Chúng tôi sẽ thực hiện mô phỏng trên phần mềm và phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất tối ưu trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện.

Mục tiêu cụ thể cần đạt được như sau:

Mục tiêu 1: Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của

SSSC trong điều khiển phân bố công suất của hệ thống điện

Mục tiêu 2 : Tính toán thiết kế bộ điều khiển nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC

Mục tiêu 3 là sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng và đánh giá độ ổn định của hệ thống điện khi tích hợp năng lượng gió thông qua việc áp dụng SSSC.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió

Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió bằng phần mềm Matlab-Simulink

Giới hạn về thời gian nghiên cứu: Thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài thực hiện trong 6 tháng.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và đọc hiểu tài liệu liên quan bao gồm việc sử dụng các nguồn từ cán bộ hướng dẫn, sách, bài báo, báo cáo và internet Quá trình này đòi hỏi phải chọn lọc tài liệu phù hợp và áp dụng phương pháp phân tích tài liệu để đánh giá kết quả một cách hiệu quả.

Giới hạn của đề tài

Luận văn tập trung vào việc xây dựng và trình bày sự thay đổi dòng công suất trên đường dây truyền tải khi lắp đặt thiết bị SSSC Mặc dù chỉ mới mô phỏng trên phần mềm, nghiên cứu đã cho thấy sự phân bố dòng công suất trong hệ thống có thiết bị SSSC Bên cạnh đó, luận văn cũng chỉ ra một ứng dụng cơ bản của SSSC trong việc điều khiển dòng công suất.

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng và nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt, việc tìm kiếm các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường trở nên cấp thiết Năng lượng gió là một trong những giải pháp hiệu quả nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải ngày càng cao và giảm chi phí cung cấp từ lưới điện quốc gia.

1.7 Các nội dung nghiên cứu

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điện

Chương 3 : Mô hình tụ bù đồng bộ tĩnh SSSC

Chương 4 : Mô hình toán học của hệ thống nghiên cứu

Chương 5 : Thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho SSSC

Chương 6 : Mô phỏng hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió sử dụng SSSC

Chương 7 : Kết luận và hướng phát triển.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ

HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

Các phần tử tự lực đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng, bao gồm máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị tiêu thụ điện.

Các phần tử điều chỉnh có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ thống điện, bao gồm việc điều chỉnh kích từ của máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle và máy cắt điện.

Mỗi phần tử của hệ thống điện (HTĐ) được mô tả bởi các thông số vật lý, bao gồm tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Những thông số này xác định lượng và đặc trưng cho mối liên hệ giữa các phần tử trong hệ thống.

Nhiều thông số của hệ thống điện (HTĐ) là phi tuyến, phụ thuộc vào dòng công suất và tần số, như X, Y và độ từ hóa Trong hầu hết các bài toán thực tế, các thông số này có thể được coi là hằng số, dẫn đến việc xây dựng hệ thống tuyến tính Tuy nhiên, khi xem xét sự biến đổi của các thông số, hệ thống trở thành phi tuyến, điều này chỉ cần thiết trong một số trường hợp cụ thể, chẳng hạn như khi tính đến độ bão hòa của máy phát và máy biến áp trong các bài toán ổn định.

Chế độ của hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các quá trình diễn ra trong hệ thống và xác định trạng thái làm việc của HTĐ tại một thời điểm hoặc trong một khoảng thời gian nhất định.

Các quá trình trong hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số như U, I, P, Q, f, δ tại mọi thời điểm Những thông số chế độ này khác với thông số hệ thống vì chúng chỉ tồn tại khi hệ thống điện hoạt động, và chúng hoàn toàn xác định trạng thái làm việc của hệ thống.

Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến.Ví dụ : P = U 2 /R

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

Chế độ xác lập (CĐXL) là trạng thái mà các thông số dao động rất ít xung quanh giá trị trung bình, cho phép coi các thông số này như hằng số.

Trong thực tế, không có chế độ nào có các thông số bất biến theo thời gian, vì hệ thống động (HTĐ) bao gồm một số lượng lớn các phần tử Những phần tử này luôn biến đổi, dẫn đến việc các thông số của chế độ cũng không ngừng thay đổi.

+ CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ

+ CĐXL sau khi đã loại trừ sự cố

+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì

Chế độ quá độ là giai đoạn mà các thông số có sự biến đổi mạnh mẽ Trong đó, chế độ quá độ bình thường diễn ra khi có sự chuyển tiếp giữa các chế độ làm việc bình thường khác nhau.

+ Chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra sau sự cố

2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

 CĐXL bình thường có các yêu cầu

Để đảm bảo chất lượng điện năng, điện năng cung cấp cho các phụ tải cần phải đạt tiêu chuẩn, với các thông số chất lượng như điện áp và tần số nằm trong giới hạn quy định bởi các tiêu chuẩn hiện hành.

Đảm bảo độ tin cậy của nguồn điện là yếu tố quan trọng, giúp các phụ tải nhận được điện liên tục với chất lượng ổn định Mức độ liên tục này cần đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người tiêu dùng và điều kiện của hệ thống điện.

Chế độ đảm bảo độ tin cậy và chất lượng điện năng mang lại hiệu quả kinh tế cao, nhờ vào việc giảm thiểu chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.

 Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện

 CĐXL sau sự cố có các yêu cầu

Yêu cầu về chế độ làm việc bình thường (CĐXL) đã giảm, nhưng chỉ được kéo dài trong thời gian ngắn Sau khoảng thời gian này, cần phải thực hiện biện pháp để điều chỉnh thông số của chế độ hoặc thay đổi sơ đồ hệ thống nhằm đưa chế độ về trạng thái CĐXL bình thường.

 Chế độ quá độ (CĐQĐ) có các yêu cầu

 Chấm dứt nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố

Trong giai đoạn quá độ, các thông số như giá trị dòng điện ngắn mạch và điện áp tại các nút phụ tải khi xảy ra ngắn mạch sẽ biến đổi trong giới hạn cho phép.

 Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ

2.1.2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử

QF = Qpt + P = Q (2.2) Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

Cho nên, các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng

Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

 Định nghĩa ổn định theo năng lượng

Hệ ở chế độ xác lập đạt được sự cân bằng giữa năng lượng phát và năng lượng tiêu thụ, với mỗi chế độ xác lập tương thích với các thông số xác định trạng thái hệ Khi có nhiễu làm thay đổi các thông số theo hướng khuếch đại, hệ sẽ trở nên không ổn định, đặc biệt khi năng lượng phát lớn hơn năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng về ổn định hệ được mô tả qua bất đẳng thức ΔW < 0 ΔΠ.

Với: – gia số thông số

W – năng lượng dư và W = WF - Wt

WF , Wt – số gia năng lượng phát và tiêu tán

Xét hệ thống điện trên hình 2.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu: ΔP -ΔP(δ)

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương

Tham số trạng thái được đề cập là góc , trong khi năng lượng phát là công suất cơ PT (công suất tuabin) Năng lượng tiêu tán chủ yếu là công suất máy phát đưa trở lại hệ thống Với giả thiết công suất PT không thay đổi, biểu thức trên có thể được viết lại một cách phù hợp.

Có thể kiểm định (2.5) bằng cách lập luận từ hình 2.2 sau:

Hình 2.2 Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (tô đậm)

Khi hệ thống ở chế độ xác lập tại điểm a với góc a, nếu góc a tăng do một kích động nào đó, lực P lớn hơn lực PT khiến rôto bị hãm lại và góc  quay về vị trí a Ngược lại, khi góc  giảm, lực P nhỏ hơn lực PT làm cho rôto tăng tốc và góc  cũng trở lại vị trí a Do đó, điểm a được xác định là điểm cân bằng và ổn định.

Tại điểm b, khi góc  tăng lên mức b + , do áp lực P nhỏ hơn áp lực PT, rôto sẽ gia tăng tốc độ, dẫn đến việc góc  tiếp tục tăng Do đó, điểm b được xác định là điểm cân bằng nhưng không ổn định.

Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc c tăng tới c + , khi đó do P <

PT nên góc  tiếp tục tăng Còn nếu c giả sử giảm đi một lượng , do P > PT nên góc

 sẽ tăng và quay về trị c Như vậy điểm c là điểm giới hạn ổn định Đại lượng C Eq = ∂P Eq

Hệ số công suất đồng bộ, ký hiệu δ, được xác định khi δ = δ o Chỉ số Eq đại diện cho công suất được tính theo Eq, áp dụng cho trường hợp máy phát không có tự động điều chỉnh kích từ.

Góc tương ứng với điểm c cho thấy rằng công suất cơ sẽ cắt công suất điện tại một điểm duy nhất Do đó, trong hệ thống đã cho, không thể nâng cao công suất cơ thêm nữa vì sẽ không tồn tại chế độ làm việc ổn định của hệ thống Tại điểm c, công suất điện đạt giá trị tối đa là Pgh = Pmax.

Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0p/2)

2.2.2 Phương pháp dao động bé

Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau: ẋ=f(x 1 , x 2 ,…, x n , u 1 , u 2 ,…, u r ,t) Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)

Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao, ta có :

∂x n ∆u r hay viết dưới dạng ma trận: ∆ẋ =A∆x + B∆u

Khi u = 0, có phương trình mô tả chuyển động tự do: ∆ẋ =A∆x

Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các giá trị của tham số  khi không có lời giải tầm thường cho phương trình: A = 

A là ma trận n x n (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)

Tìm trị riêng của A =  theo phương trình: (A - I)  = 0

Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0

Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng m nghiệm  = 1,

2, …,n gọi là những trị riêng của A

Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:

- Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái không dao động Nếu nghiệm là thực dương tương ứng với mất ổn định không chu kỳ

Khi nghiệm là phức, chúng xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp và có trạng thái dao động Nếu phần thực của nghiệm dương, nó sẽ dẫn đến sự mất ổn định trong dao động.

2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

Hệ thống điện bao gồm một máy phát kết nối với thanh cái lớn thông qua hai đường dây truyền tải Thanh cái lớn này biểu thị một nguồn điện áp với biên độ và tần số ổn định.

Chúng ta sẽ khám phá các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động thông qua việc phân tích phản ứng của hệ thống trước các kích động lớn, sử dụng mô hình đơn giản mà không xét đến điện trở của các phần tử Hệ thống được thể hiện qua hình 2.3, với mô hình tương đương ở hình 2.4a và dạng rút gọn của mô hình ở hình 2.4b Điện áp sau điện kháng quá độ (X’d) được ký hiệu là E’, trong khi góc rotor  thể hiện góc sớm pha của E’ so với EB Khi hệ thống chịu kích động, biên độ của E’ giữ nguyên so với trước sự cố, trong khi  thay đổi khi tốc độ rotor máy phát lệch khỏi tốc độ đồng bộ 0.

G X 1 Thanh cái vô cùng lớn

Hình 2.3 Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn

(a) Mô hình mạch tương đương

(b) Mạch tương đương rút gọn

Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển.

Quá trình quá độ cơ điện khi xảy ra ngắn mạch bao gồm ba giai đoạn: trước, trong và sau khi ngắn mạch Để khảo sát sự ổn định động, cần xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng.

 Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch

Công suất điện ngõ ra máy phát là:

T sinδ=P max sinδ (2.6) Trong đó :

Do bỏ qua điện trở stator, Pe đại diện cho công suất khe hở không khí hoặc công suất đầu cực Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch được sử dụng để tính toán chế độ ban đầu Khi biết công suất tải P, Q, EB, cần tính E’, 0 (góc giữa E’ và EB) và CSTD do máy phát phát ở chế độ ban đầu P0.

 Đặc tính công suất khi ngắn mạch

G X 1 Thanh cái vô cùng lớn

X E’ X EB c) a) Sơ đồ hệ thống khi bị ngắn mạch tại F, b) Sơ đồ thay thế tương đương, c) Sơ đồ tương đương rút gọn

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch

Trong sơ đồ thay thế tương đương, điểm ngắn mạch F có thêm điện kháng ngắn mạch XF, phụ thuộc vào dạng ngắn mạch và bỏ qua điện trở Để tính đường đặc tính công suất, cần biến đổi sơ đồ 2.5b sang dạng rút gọn 2.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác.

F Đường đặc tính công suất sẽ là :

Từ (2.8) có thể nhận thấy ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch đến đường đặc tính công suất

Khi xảy ra ngắn mạch 3 pha với XF= 0, giá trị X’T trở thành vô hạn, dẫn đến PII bằng 0, nghĩa là công suất điện phát ra là 0 và liên lạc giữa máy phát và thanh cái nhận điện bị cắt đứt hoàn toàn Tuy nhiên, trên đồ thị, PII thực tế không bằng 0 mà có giá trị rất nhỏ do tổn thất CSTD từ điện trở của stator máy phát, máy biến áp và đường dây từ máy phát đến vị trí ngắn mạch Đối với ngắn mạch 2 pha chạm đất, mặc dù có sự liên lạc, nhưng mức độ rất kém, dẫn đến đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn so với ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất.

Hình 2.6 Đồ thị đặc tính công suất

So sánh PII và PI ta thấy PImax > PIImax vìXT < X’T

 Đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch

Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống, đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 2.7)

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch

19 Đường đặc tính công suất:

Biên độ của PIII sẽ nằm giữa PI và PII

Xét một hệ thống ổn định với hai đường dây truyền tải, mối quan hệ giữa góc và công suất được minh họa trên đường cong trong hình 2.8 Tại điểm làm việc ổn định, công suất cơ ngõ vào Pm tương đương với công suất điện ngõ ra Pe, và điểm này được biểu diễn bởi điểm a trên đường cong với góc rotor tương ứng là a.

Hình 2.8 Mối quan hệ góc – công suất

Khi một trong hai đường dây bị ngắt khỏi hệ thống, điện kháng XT sẽ tăng lên, dẫn đến việc giảm công suất cực đại Mối quan hệ giữa góc và công suất được thể hiện trên đường cong 2 trong hình 2.8 Với công suất cơ ngõ vào Pm, góc rotor tại thời điểm này là b, tương ứng với điểm làm việc b trên đường cong 2 Để truyền tải cùng một lượng công suất với giá trị điện kháng lớn hơn, góc rotor cũng phải lớn hơn.

MÔ HÌNH TỤ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH SSSC

Điều khiển phân bố công suất

Cho 2 nguồn áp lý tưởng được nối bởi một dây có tổng trở Z =R + jX được biểu diễn ở hình 3.1

Với điện áp V 1 =V 1 Ð 1 và V 2 = V 2 Ð 2 Giả thuyết chiều dòng điện là :

Công suất S12 được cho bởi :

Vì vậy công suất thực và công suất phản kháng là :

Hình 3.1 Hệ thống đường dây truyền tải đơn giản

Q = Z   Z     (3.5) Đường dây truyền tải có thành phần điện trở rất nhỏ so với điện kháng

P12: Công suất truyền tác dụng giữa hai đầu đường dây

Q12: Công suất truyền phản kháng giữa hai đầu đường dây

V1, V2: Điện áp hai đầu nguồn

X: Tổng trở trên đường dây δ: Góc lệch điện áp giữa hai đầu đường dây

Công suất truyền tải có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh điện kháng của đường dây và góc công suất giữa hai nút Các phương pháp chính để tăng khả năng truyền tải bao gồm bù song song, bù nối tiếp và điều chỉnh góc pha.

Bù song song và bù nối tiếp là hai nguyên lý quan trọng trong bù công suất phản kháng, nhằm điều chỉnh các đặc tính điện của đường truyền để phù hợp hơn với nhu cầu phụ tải Bù song song giúp duy trì mức điện áp trong hệ thống, trong khi bù nối tiếp được sử dụng để tạo ra ảo đường dây ngắn lại, giảm cảm kháng của các đường dây dài Việc điều chỉnh góc cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Các pha được sử dụng để kiểm soát góc của đường dây, cho phép điều chỉnh trở kháng và phân bố công suất trong hệ thống Một phương pháp khác để điều khiển phân bố công suất là áp dụng điện áp thích hợp, đây là khái niệm cơ bản của nguồn điện áp trên các thiết bị FACTS.

Việc điều khiển tụ nối tiếp một cách máy móc có thể gây ra nhiều khó khăn, bao gồm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên đường dây Hiện tượng này có khả năng làm hỏng trục tua bin của máy phát điện Tuy nhiên, vấn đề này có thể được ngăn chặn thông qua việc áp dụng các bộ điều khiển FACTS.

Bù công suất trong đường dây truyền tải

Hệ thống bù song song được mô tả với một bộ bù phản kháng lý tưởng tại điểm giữa, kết hợp với biểu đồ pha đồng vị và đặc tính góc cùng công suất truyền tải.

Bù song song là công nghệ quan trọng trong hệ thống truyền tải điện, giúp điều chỉnh biên độ điện áp, cải thiện chất lượng điện năng và nâng cao độ ổn định của hệ thống điện.

Cuộn kháng đầu nối song song thường được sử dụng để giảm quá áp đường dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng

Tụ bù kết nối song song thường được áp dụng để duy trì điện áp ổn định bằng cách cung cấp công suất phản kháng cho đường dây truyền tải.

Hệ thống truyền tải có bù song song được mô tả qua hình 3.2, với biên độ điện áp hai đầu nguồn là V và góc lệch δ Tổn thất trên đường dây được thể hiện bằng trở kháng XL Tại điểm giữa của đường dây, một tụ bù có điều khiển được kết nối, giữ biên độ điện áp tại điểm kết nối ổn định ở mức V.

Như đã trình bày ở trên, công suất tác dụng tại 2 đầu nguồn bằng nhau:

Công suất phản kháng bơm vào tụ điện để điều chỉnh điện áp tại điểm giữa của đường dây truyền tải được tính như sau:

Bằng cách điều chỉnh góc từ δ từ 90o đến 180o, công suất truyền tải có thể được tăng cường đáng kể, như thể hiện trong đường cong công suất ở hình 3.2c Việc bù song song giúp nâng cao đường biên vận hành và ổn định của hệ thống.

Chức năng hỗ trợ điện áp của bù giữa có thể mở rộng để hỗ trợ điện áp tại cuối đường dây truyền tải dạng tia Việc bù công suất phản kháng ở cuối đường dây này rất hiệu quả trong việc nâng cao điện áp.

Bù nối tiếp có vai trò quan trọng trong việc điều khiển tổng trở nối tiếp của đường dây truyền tải Theo phương trình (3.6), công suất xoay chiều AC bị ảnh hưởng bởi tổng trở kháng của đường dây Việc áp dụng bù nối tiếp giúp tăng cường điện áp, giảm thiểu sụt áp và từ đó làm giảm tổng trở nối tiếp của hệ thống truyền tải.

Mô hình của đường dây truyền tải có bù nối tiếp được trình bày trong hình 3.3

Giả định rằng hai nguồn điện có biên độ điện áp bằng nhau là V và góc lệch giữa chúng là δ, trong khi bỏ qua tổn thất trên trở kháng XL Tụ bù có điều khiển được kết nối nối tiếp vào đường dây truyền tải với điện áp bơm vào là VC.

Tổng trở của toàn bộ đường dây truyền tải khi gắn thêm:

Dòng đện đường dây truyền tải:

Hình 3.3 (a) Hệ thống bù với một bộ bù dung kháng nối tiếp; (b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải

Công suất tác dụng đường dây truyền tải:

Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện được tính như sau:

Hình 3.3c thể hiện đường công suất – góc cho thấy truyền tải gia tăng theo k.

Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh và mô hình một pha của SSSC

Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh là một thiết bị FACTS kết nối nối tiếp, có chức năng điều chỉnh điện áp trên đường dây truyền tải Thiết bị này sử dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp liên tục và biến áp ghép để bơm một điện áp AC gần sin, với biên độ và góc pha có thể thay đổi Nhờ vào khả năng điều chỉnh này, nó có thể hấp thụ hoặc tạo ra công suất phản kháng, cung cấp bù dung kháng và cảm kháng Các thành phần điện áp bơm vào tương tác với dòng điện đường dây, cho phép SSSC trao đổi công suất phản kháng và giảm dao động công suất, từ đó ảnh hưởng tích cực đến dòng chảy công suất trong các đường dây truyền tải.

3.3.1 Khái niệm về bù điện dung nối tiếp

Mục đích của việc bù điện dung nối tiếp là giảm tổng trở kháng nối tiếp giữa hai đầu đường dây truyền tải Việc sử dụng tụ bù nối tiếp giúp triệt tiêu một phần điện kháng cảm ứng của đường dây, từ đó giảm điện kháng ảnh hưởng và tăng cường khả năng truyền công suất của đường dây.

Hình 3.4 Sơ đồ của một hệ thống điện hai máy đơn giản và sơ đồ vector của nó: (a) không bù nối tiếp, (b) với bù nối tiếp

Xem xét mô hình hệ thống điện hai máy đơn giản với và không có tụ bù điện dung nối tiếp, giả định trở kháng đường dây truyền tải là không đáng kể Hệ thống này được biểu diễn bởi điện áp hình sin biên độ không đổi ở tần số đồng bộ Tụ điện nối tiếp cung cấp điện áp vuông góc và trễ so với dòng điện đường dây, tạo ra phản kháng với điện áp đường dây Hình 3.4 (b) cho thấy dòng điện và công suất trong hệ thống tăng lên.

Các công suất phản kháng (thực) ở hai nút đầu cuối của hệ thống không được bù trong hình 3.4 (a) được cho bởi

Trong hệ thống bù điện dung nối tiếp, VS và VR đại diện cho điện áp ở đầu gửi và đầu nhận, với giả định V=VS=VR Góc lệch giữa điện áp đầu gửi và đầu nhận được ký hiệu là δ, được tính bằng δ=δS-δR XL là cảm kháng của đường dây truyền tải.

Với XC là điện kháng tụ điện, Xe ff =XL.XC là điện kháng ảnh hưởng, và k=XL/XC là góc bù nối tiếp (0 ≤ k