Tổng quan về hướng nguyên cứu
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã ứng dụng thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) để cải thiện hệ thống lưới điện, đặc biệt là thiết bị phát nguồn công suất phản kháng nhằm đảm bảo ổn định điện áp Tuy nhiên, việc đánh giá và lựa chọn thiết bị phát công suất phù hợp, cũng như xác định dung lượng bù tối ưu trong các phân tích ở chế độ xác lập và quá độ vẫn chưa được quan tâm đầy đủ.
Hiện nay, hệ thống điện mà chúng ta sử dụng chủ yếu là hệ thống điện xoay chiều, bao gồm các thành phần như máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, thiết bị bù và phụ tải Hệ thống này được phân chia thành ba khâu chính: sản xuất, truyền tải và phân phối điện.
Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa 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 qui định
- Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép theo qui định
- Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ
Đường dây điện phải được vận hành trong điều kiện bình thường và không quá tải Công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở, điện áp và góc truyền tải giữa hai điểm Để cải thiện khả năng truyền tải, việc tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải là cần thiết, thông qua việc lắp đặt cuộn kháng bù ngang và tụ điện bù dọc Những thiết bị này giúp điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây, từ đó nâng cao chất lượng và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam Hiện nay, nhiều công trình nghiên cứu đã được thực hiện nhằm ứng dụng các thiết bị bù này.
Các thiết bị bù công suất phản kháng hiện tại vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về phản ứng nhanh khi có sự thay đổi đột ngột trong nhu cầu công suất phản kháng Trong khi đó, các thiết bị FACTS đã chứng minh khả năng đáp ứng yêu cầu này, cung cấp độ phản ứng nhanh nhạy và 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
Để nâng cao khả năng truyền tải điện năng và khắc phục những nhược điểm trong hệ thống điện, các thiết bị FACTS đã được áp dụng trên toàn thế giới Những thiết bị này cho phép điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây xoay chiều cao áp, mang lại nhiều lợi ích cho nhà cung cấp điện.
- 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 quá độ của lưới
- Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất lượng điện năng cao
- Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh
Thiết bị SSSC (Bù Đồng Bộ Kiểu Tĩnh) là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống FACTS, có khả năng điều khiển công suất phản kháng qua điểm kết nối bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp nguồn Việc lắp đặt SSSC giúp nâng cao khả năng truyền tải và kiểm soát dòng công suất trên đường dây, đồng thời đáp ứng các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện Do đó, việc sử dụng SSSC tại các điểm quan trọng trên đường dây truyền tải không chỉ tăng cường hiệu suất mà còn giải quyết các vấn đề kinh tế liên quan.
Trên toàn cầu và tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về việc ứng dụng SSSC nhằm cải thiện chất lượng điện áp và ổn định hệ thống điện.
3 được áp dụng cho lưới điện truyền tải chứ chưa chú trọng đến lưới điện phân phối
Nghiên cứu ứng dụng bù nối tiếp đồng bộ tĩnh phân tán (D-SSSC) là rất cần thiết để nâng cao ổn định cho lưới điện phân phối, đáp ứng các yêu cầu hiện tại D-SSSC, một thiết bị bù nối tiếp đồng bộ tĩnh phân tán, đã được đề xuất nhằm điều khiển dòng công suất và tăng cường sự ổn định của hệ thống điện Tuy nhiên, nghiên cứu về D-SSSC và ứng dụng thực tế của nó còn hạn chế Để hệ thống điện hoạt động hiệu quả trong mọi chế độ, đặc biệt trong các tình huống sự cố nghiêm trọng, cần có thiết bị điều khiển các đại lượng trong hệ thống, trong đó điện áp là một yếu tố quan trọng Vấn đề đặt ra là làm thế nào để thu thập dữ liệu, tính toán và lựa chọn thiết bị bù cũng như vị trí bù nhằm nâng cao độ ổn định cho lưới điện phân phối.
Tính cấp thiết của đề tài , ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay, sự phát triển hạ tầng lưới điện phân phối gặp nhiều hạn chế, trong khi công suất truyền tải trên đường dây ngày càng tăng do nhu cầu tải điện không ngừng gia tăng Để giải quyết tình trạng quá tải, việc phối hợp giữa các mạch truyền tải song song và mạch vòng trở nên cần thiết Mặc dù mở rộng hệ thống điện là điều cần thiết, nhưng điều này gặp khó khăn do các yếu tố như quỹ đất, môi trường và quy định Do đó, việc sử dụng hiệu quả các đường dây truyền tải AC hiện tại là rất quan trọng Năng lượng điện ngày càng được coi là hàng hóa và hoạt động theo cơ chế thị trường cạnh tranh, vì vậy chất lượng cung cấp điện cũng cần được chú trọng Hệ thống điện hiện đại có quy mô lớn và được điều khiển bởi các thiết bị điện tử, máy tính và hệ thống truyền thông tốc độ cao, thay thế cho các thiết bị cơ khí truyền thống.
Mục đích nguyên cứu, khách thể và đối tượng nguyên cứu
- Nghiên cứu hệ thống quản lý dữ liệu đo đếm MDMS (Metter Data Management System) để thu thập số liệu (P, Q, U) đầu nguồn thực tế vận hành các
4 xuất tuyến Lựa chọn một xuất tuyến để mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink với các thông số đã thu thập được
- Tìm hiểu về thiết bị bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh phân tán D-SSSC trong lưới điện phân phối
- Đề xuất giải pháp sử dụng thiết bị bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh phân tán D- SSSC
- Mô phỏng sau khi sử dụng thiết bị bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh phân tán D-SSSC.
Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài
- Tìm hiểu nguyên lý vận hành của lưới điện phân phối huyện Tuy An
- Nghiên cứu lý thuyết về ổn định điện áp lưới điện
- Thu thập, xử lý số liệu để xác định PCao điểm; PThấp điểm ; QCao điểm ; QThấp điểm của các nút
- Thu thập số liệu sơ đồ vận hành các xuất tuyến cần tính toán
Nghiên cứu hệ thống quản lý thu thập số liệu từ các công tơ đầu nguồn xuất tuyến thông qua chương trình quản lý dữ liệu đo đếm (MDMS) nhằm thu thập các thông số quan trọng như P, Q, U, I và Cosφ Từ những thông số này, có thể xây dựng đồ thị phụ tải điển hình, giúp phân tích và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh và thiết bị bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnhphân tán D-SSSC trong lưới điện phân phối
Kết quả thu thập từ chương trình MDMS cho thấy sự cần thiết phải cải thiện độ ổn định Để đạt được điều này, việc áp dụng D-SSSC là một giải pháp khả thi và hiệu quả.
- Mô phỏng lại dùng thiết bị D-SSSC để chứng minh và đưa ra giải pháp bù tối ưu
Đề tài này tập trung vào việc thực hiện trong phạm vi lưới điện phân phối trung áp 22kV tại huyện Tuy An Mặc dù giới hạn trong quy mô nhỏ, mô hình này vẫn có thể được xem là một giải pháp khả thi cho các lưới điện lớn hơn và phức tạp hơn, cho thấy tiềm năng phát triển và hoàn thiện trong tương lai.
- Trong quá trình nghiên cứu bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng vào yếu tố kỹ thuật
Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu sẽ được vận dụng trong đề tài này là:
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về ổn định điện áp trong hệ thống điện
Nghiên cứu lý thuyết về thiết bị bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh lưới phân phối D-SSSC cho phép điều khiển luồng công suất qua điểm kết nối bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp nguồn, từ đó đáp ứng các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện.
- Thu thập, xử lý số liệu để xác định PCao điểm; PThấp điểm ; QCao điểm ; QThấp điểm của các nút
- Thu thập số liệu sơ đồ vận hành xuất tuyến cần tính toán
Nghiên cứu hệ thống quản lý thu thập số liệu từ các công tơ đầu nguồn xuất tuyến thông qua chương trình quản lý dữ liệu đo đếm (MDMS) nhằm thu thập các thông số như P, Q, U, I, và Cosφ Qua đó, chúng tôi có thể xây dựng đồ thị phụ tải điển hình, giúp cải thiện hiệu quả quản lý năng lượng.
Bài viết này so sánh và phân tích kết quả giữa mô phỏng không sử dụng thiết bị D-SSSC và mô phỏng có sử dụng thiết bị D-SSSC Qua đó, chúng tôi chứng minh hiệu quả của thiết bị D-SSSC trong việc tối ưu hóa giải pháp bù điện Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng D-SSSC mang lại những cải thiện rõ rệt về hiệu suất hệ thống, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu nhằm nâng cao tính ổn định và hiệu quả trong vận hành.
Kế hoạch thực hiện
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Ứng dụng bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh D-SSSC để ổn định hệ thống lưới điện phân phối
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý dữ liệu đo đếm lưới điện phân phối huyện Tuy An
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Tổng quan về bù công suất phản kháng (CSPK) lưới phân phối
2.1.1 Sự tiêu thụ công suất phản kháng
2.1.1.1 Khái niệm về công suất phản kháng
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng như hình 2.1 sau:
Hình 2.1: Mạch điện đơn giản RL
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp: u= Um.sinωt
Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ: i = Im.sin(ωt – φ) hay i = Im.(sinωt.cos φ – sinφ.cosωt)
Có thể coi:i = i’ + i’’, với: i’ = Im cosφ.sinωt i’’ = Im.sinφ.cosωt = Im.sinφ.sin(ωt –π/2)
Dòng điện i được hình thành từ hai thành phần chính: i’ có biên độ Im.cosφ, đồng pha với điện áp u, và i’’ có biên độ Im.sinφ, chậm pha với điện áp một góc π/2.
Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i’’ là:
P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng
Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng
Từ công thức trên ta có thể viết:
Vậy: Công suất tác dụng P là công suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành ra các dạng năng lượng khác và sinh ra công
Công suất phản kháng Q của một nhánh thể hiện cường độ dao động năng lượng trong mạch điện Nó là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hoặc phát ra trên điện dung, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý năng lượng điện.
Ta có thể biểu diễn quan hệ giữa P và Q như hình 2.2:
Hình 2.2: Quan hệ giữa công suất P và Q
Trong mạng điện, các thành phần điện kháng và điện dung sử dụng công suất đặc biệt gọi là công suất phản kháng Khác với công suất tác dụng, công suất phản kháng có khả năng phục hồi sau khi đã được hấp thụ.
2.1.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Công suất phản kháng được tiêu thụ chủ yếu ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện, và các thiết bị liên quan đến từ trường.
Công suất phản kháng không thể bị triệt tiêu hoàn toàn, mà chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu, vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra từ trường, một yếu tố trung gian thiết yếu trong quá trình chuyển hóa điện năng.
Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể phân chia một cách gần đúng như sau [13]:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng (60 – 65) %
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng (22 – 25) %
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 10%
Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ đóng vai trò quan trọng trong việc tiêu thụ công suất phản kháng trong lưới điện Chế độ hoạt động của động cơ ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ công suất phản kháng, đôi khi nhu cầu công suất phản kháng vượt quá công suất tác dụng của nó.
Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ bao gồm hai thành phần chính Phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để tạo ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp, được tính bằng công thức Q1 = miI1^2 X1 Tương tự, trong mạch điện thứ cấp, công suất phản kháng là Q2 = mi I2^2 X2, với mi là số pha của động cơ.
Hoặc có thể tính theo catalog của thiết bị:
- P: công suất tải thực tế động cơ
-P đm , Cos đm , Iđm: là công suất, hệ số công suất, dòng điện định mức của động cơ
- đm :hiệu suất của động cơ theo định mức
+Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở:
Hay tính theo catalog của thiết bị:
- Một số lưu ý đối với động cơ không đồng bộ:
Khi điện áp tăng, mức tiêu thụ công suất phản kháng cũng gia tăng do sự tăng cường từ hóa và tản từ Do đó, việc tăng điện áp vận hành có thể không đảm bảo giảm thiểu tổn thất.
Đối với động cơ công suất nhỏ, việc tăng khe hở không khí giữa rôto và stato sẽ dẫn đến việc tăng lượng tản từ, từ đó làm gia tăng công suất phản kháng.
+ Động cơ có tốc độ thấp, hiệu suất kém, tiêu thụ công suất phản kháng tăng
MBA tiêu thụ khoảng 22 đến 25% tổng nhu cầu công suất phản kháng (CSPK) của lưới điện, thấp hơn so với nhu cầu của các động cơ không đồng bộ Nguyên nhân là do công suất phản kháng cần thiết để từ hóa lõi thép của máy biến áp không lớn bằng so với động cơ không đồng bộ, do không có khe hở không khí Tuy nhiên, với số lượng thiết bị và tổng dung lượng lớn, nhu cầu tổng CSPK của MBA vẫn rất đáng kể.
- CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:
+ Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép không phụ thuộc vào tải:
Sđm: dung lượng định mức của máy biến áp
I0%: dòng điện không tải tính theo % của dòng điện định mức máy biến áp
- Công suất phản kháng tản từ máy biến áp phụ thuộc vào tải:
(2.6) Với: β hệ số mang tải của máy biến áp
UN% điện áp ngắn mạch phần trăm
Đèn huỳnh quang thường sử dụng chấn lưu để điều chỉnh dòng điện, với hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu dao động trong khoảng 0,3 đến 0,5, tùy thuộc vào điện cảm của chấn lưu.
Các đèn huỳnh quang hiện đại sử dụng bộ khởi động điện từ và có hệ số công suất gần bằng 1, vì vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công suất Tuy nhiên, trong quá trình khởi động, các thiết bị điện tử này tạo ra sóng hài.
2.1.2 Các nguồn phát công suất phản kháng
Khả năng phát công suất phản kháng (CSPK) của các nhà máy điện bị hạn chế, với hệ số công suất (Cosφ) thường từ 0,85 đến 0,9 hoặc cao hơn Do lý do kinh tế, các máy phát điện không được thiết kế để cung cấp toàn bộ nhu cầu CSPK cho phụ tải Thay vào đó, các máy phát chỉ đáp ứng một phần nhu cầu này, trong khi phần còn lại được bù đắp bởi các thiết bị bù như máy bù đồng bộ và tụ điện.
Trong hệ thống điện, một nguồn phát CSPK quan trọng là các đường dây tải điện, đặc biệt là đường cáp và đường dây siêu cao áp Tuy nhiên, trong bài viết này, chúng ta chỉ tập trung vào lưới phân phối, chú ý đến các trường hợp đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm Mặc dù CSPK phát ra từ các phần tử này không đáng kể, nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù.
2.1.2.1 Các nguồn phát công suất phản kháng
Máy bù đồng bộ là thiết bị điện đồng bộ không tải, được sử dụng để phát hoặc tiêu thụ CSPK, là phương pháp truyền thống để điều chỉnh liên tục CSPK Thiết bị này thường được lắp đặt trong hệ thống truyền tải, đặc biệt ở đầu vào các đường dây tải điện dài, tại các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Các khái niệm cơ bản
Chế độ của hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các quá trình diễn ra trong hệ thống và xác định trạng thái hoạt động 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 điểm Những thông số này gọi là thông số chế độ, khác với thông số hệ thống vì chúng chỉ tồn tại khi hệ thống điện hoạt động Thông số chế độ hoàn toàn xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện.
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 φ L
23 Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:
Chế độ xác lập (CĐXL) được hiểu là trạng thái trong đó các thông số dao động rất ít xung quanh giá trị trung bình, có thể coi như hằng số Tuy nhiên, trong thực tế, không có chế độ nào mà các thông số hoàn toàn bất biến theo thời gian, vì hệ thống động (HTĐ) bao gồm một số lượng lớn các phần tử luôn biến đổi, dẫn đến sự thay đổi liên tục của các thông số trong chế độ.
- CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ
- CĐXL sau sự cố xảy ra 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 chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều Chế độ quá độ gồm có:
- Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác
- Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố
Trong điều kiện ổn định của hệ thống điện, việc duy trì sự ổn định đối với các dao động nhỏ là rất quan trọng Mặc dù hệ thống đang vận hành ở trạng thái ổn định, các thông số như điện áp (U), dòng điện (I), công suất (P), công suất phản kháng (Q), tần số (f), và góc pha (δ) vẫn có thể thay đổi trong quá trình vận hành.
2.2.2 Khái niệm về ổn định HTĐ
2.2.2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và luồng công suất (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 của HTĐ [14]
Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:
Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (2.15) và (2.16) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng
Trong thực tế, việc tính toán và vận hành hệ thống điện (HTĐ) có thể thực hiện một cách gần đúng, cho phép xem sự biến đổi của công suất tải điện (CSTD) và công suất phát điện (CSPK) tuân theo các quy luật riêng biệt mà ít ảnh hưởng đến nhau.
Sự biến đổi của CSTD chủ yếu ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, trong khi tác động đến điện áp là không đáng kể Do đó, tần số có thể được coi là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự cân bằng của CSTD.
Sự biến đổi của CSPK có tác động lớn đến điện áp của hệ thống điện (HTĐ), do đó, điện áp có thể được coi là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự cân bằng của CSPK.
Trong quá trình vận hành hệ thống điện, các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo một cách tự nhiên Các thông số của chế độ hoạt động luôn được duy trì ở mức giá trị phù hợp để đảm bảo rằng các điều kiện này luôn được thỏa mãn.
Khi tăng công suất của nguồn từ một vị trí cân bằng, tần số sẽ tăng, dẫn đến công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng cho đến khi đạt sự cân bằng với công suất nguồn Ngược lại, khi thêm một phụ tải mới, điện áp toàn hệ thống sẽ giảm, làm giảm các phụ tải phản kháng khác cho đến khi đạt lại sự cân bằng Tuy nhiên, sự điều chỉnh này chỉ có thể thực hiện trong phạm vi cho phép.
Các điều kiện cân bằng công suất (2.15), (2.16) và (2.17) là nền tảng quan trọng để tính toán các chế độ của hệ thống điện (HTĐ) Từ những điều kiện này, chúng ta có thể xác định các thông số như điện áp (U), dòng điện (I), công suất thực (P) và công suất phản kháng (Q) Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của phụ tải điện và hệ thống điện, cần quy định các giá trị cân bằng cho công suất tải điện (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK).
- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f
(50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max
- Luồng công suất là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: U cpmin ≤ U ≤ Ucpmax
Khi điện áp và tần số không nằm trong giới hạn cho phép, sự cân bằng công suất sẽ bị ảnh hưởng Do đó, cần thực hiện các biện pháp cần thiết để đảm bảo rằng điện áp và tần số luôn được duy trì trong các giá trị cho phép.
Cân bằng tần số trong hệ thống CSTD mang tính chất toàn hệ thống, với giá trị tần số đồng nhất tại mọi điểm Điều này giúp việc duy trì tần số trở nên dễ dàng hơn, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy cụ thể.
Sự cân bằng CSPK có tính chất cục bộ, với những khu vực thừa và thiếu khác nhau Việc điều chỉnh CSPK là một quá trình phức tạp và không thể áp dụng một cách đồng nhất cho toàn bộ hệ thống.
Trong hệ thống thủy điện, máy phát điện (MP) đóng vai trò quyết định trong hoạt động của toàn bộ hệ thống Sự cân bằng công suất cơ - điện trên trục roto của các MP là yếu tố quan trọng đảm bảo sự tồn tại của cơ điện lực (CĐXL) Điều này thể hiện sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PTB và công suất điện PMP do MP cung cấp.
Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh
2.3.1.Tiêu chuẩn năng lượng Định nghĩa ổn định theo năng lượng
Hệ ở chế độ xác lập đạt được khi có sự cân bằng giữa năng lượng phát và năng lượng tiêu thụ, với mỗi chế độ xác lập tương ứng với các thông số cụ thể Khi có nhiễu làm thay đổi các thông số này theo hướng khuếch đại, hệ sẽ trở nên không ổn định, đặc biệt khi năng lượng phát vượt quá năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng để đảm bảo sự ổn định của hệ được thể hiện qua bất đẳng thức ΔΠ ΔW < 0.
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 2.6, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu[14] Δδ ΔP(δ) ΔP T
Hệ thống điện đơn giản được mô tả qua sơ đồ tương đương, trong đó tham số trạng thái là góc δ Năng lượng phát ra từ hệ thống được xác định bởi công suất cơ PT (công suất tuabin), trong khi năng lượng tiêu tán chủ yếu là công suất máy phát trả về cho hệ thống.
Do chấp nhận giả thiết công suất PT không đổi nên biểu thức trên được viết lại:
Có thể kiểm định (2.19) bằng cách lập luận từ hình 2.7 sau:
Hệ thống ban đầu ở chế độ xác lập tại điểm a với góc a Khi góc a tăng lên do kích thích nào đó, rôto bị hãm lại vì P > PT, dẫn đến góc quay về vị trí a Ngược lại, nếu góc giảm, rôto sẽ tăng tốc do P < PT và kết quả là góc cũng trở lại vị trí a Do đó, điểm a được xác định là điểm cân bằng và ổn định.
Hình 2.7: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm)
Tại điểm b, khi góc tăng lên mức b + , do P < PT, rôto sẽ tăng tốc, dẫn đến góc tiếp tục gia 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
Góc δ tiếp tục tăng khi P > PT Nếu giả sử δc giảm một lượng Δδ, do P vẫn lớn hơn PT, góc δ sẽ tăng trở lại và quay về trị số δc Do đó, điểm c được xác định là điểm giới hạn ổn định.
Hệ số công suất đồng bộ, ký hiệu là Eq, đại diện cho công suất tính theo Eq trong 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 từ tại một điểm duy nhất Điều này có nghĩa là với hệ thống đã cho, không thể nâng công suất cơ lên nữa, vì sẽ không tồn tại chế độ làm việc của hệ Tại điểm c, công suất điện từ đạt giá trị tối đa Pgh = Pmax.
Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0p/2)
2.3.2 Phương pháp dao động bé
Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau[14]
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 i i i i i 1 n 1 r
hay viết dưới dạng ma trận: x = A x+ B u
Khi u = 0, có phương trình mô tả chuyển động tự do:x = 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 nxn (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 sẽ xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp và có trạng thái dao động Nếu phần thực của nghiệm dương, điều này sẽ dẫn đến sự mất ổn định trong dao động.
Ổn định động điện áp
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện trong việc duy trì điện áp ổn định tại tất cả các thanh cái, bất chấp các nhiễu loạn từ điều kiện vận hành trước đó Yếu tố này phụ thuộc vào khả năng duy trì và phục hồi trạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cung cấp điện từ hệ thống Ổn định điện áp được phân thành hai loại: ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động Phân tích ổn định điện áp tĩnh thường liên quan đến việc giải các phương trình đại số, do đó, nó yêu cầu ít phép tính hơn so với nghiên cứu ổn định điện áp động.
Sự mất ổn định điện áp thường biểu hiện qua việc tăng hoặc giảm điện áp ở các thanh cái, dẫn đến hệ thống bảo vệ relay cắt điện cho một số phụ tải hoặc đường dây truyền tải, gây mất ổn định đồng bộ cho các máy phát điện Ổn định điện áp được chia thành bốn loại: ổn định điện áp nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp ngắn hạn và ổn định điện áp dài hạn Tóm lại, các loại ổn định điện áp phản ánh mức độ và thời gian ảnh hưởng của nhiễu loạn đến hệ thống điện.
Hệ thống điện cần có khả năng duy trì ổn định điện áp ngay cả khi xảy ra các nhiễu loạn lớn như sự cố hệ thống, ngắt máy phát điện hoặc ngắn mạch Đặc tính của hệ thống và phụ tải, cùng với ảnh hưởng của hệ thống điều khiển và bảo vệ, quyết định khả năng này Nghiên cứu về ổn định điện áp thường tập trung vào khoảng thời gian từ vài giây đến 10 phút.
Ổn định điện áp nhiễu loạn bé đề cập đến khả năng của hệ thống điện trong việc duy trì ổn định điện áp khi có các dao động nhỏ xảy ra, chẳng hạn như sự gia tăng trong thay đổi của phụ tải Loại ổn định này chịu ảnh hưởng bởi đặc tính của phụ tải, cũng như các phương pháp điều khiển liên tục và điều khiển gián đoạn tại các thời điểm cụ thể.
Ổn định điện áp trong ngắn hạn liên quan đến ảnh hưởng của các thành phần phụ tải biến đổi nhanh như mô-tơ cảm ứng, phụ tải điều khiển bằng thiết bị điện tử và các bộ chuyển đổi HVDC Nghiên cứu này tập trung vào quá trình diễn ra trong khoảng thời gian vài giây.
Ổn định điện áp trong dài hạn là yếu tố quan trọng đối với các thiết bị hoạt động chậm, bao gồm máy biến áp điều nấc, phụ tải điều khiển theo nhiệt độ và máy phát điện có bộ hạn dòng Thời gian quá độ có thể kéo dài từ vài phút đến thời gian lâu hơn, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định cho hệ thống điện.
Thiếu công suất phản kháng là một trong những nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp trong hệ thống điện Để ngăn chặn tình trạng này, việc cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng thông qua thiết bị FACTS là một giải pháp hiệu quả, giúp duy trì ổn định điện áp và ngăn chặn nguy cơ sụp đổ điện áp.
Giới hạn ổn định trong hệ thống
Ổn định hệ thống điện là khả năng duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong điều kiện bình thường và phục hồi sau khi bị nhiễu loạn Mất ổn định có thể biểu hiện dưới nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào cấu trúc và chế độ vận hành của hệ thống Thông thường, ổn định yêu cầu tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống hoạt động một cách đồng bộ với nhau.
Xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song song như hình 2.8
Hình 2.8:Hệ thống bị sự cố
Công suất truyền tải giữa hai thanh cái phụ thuộc vào góc δ Khi xảy ra sự cố trên nhánh 1-2, máy cắt 1 và máy cắt 2 sẽ ngắt đường dây, cô lập điểm ngắn mạch Hệ thống hoạt động ổn định tại điểm 1 với góc ban đầu φ0, nhưng khi xảy ra ngắn mạch, đường công suất giảm đột ngột do tổng trở của đường dây tăng lên, dẫn đến góc δ = δ0 Hệ thống bảo vệ rơle sẽ nhanh chóng cắt sự cố tại điểm máy cắt Tại điểm 3, do công suất tải lớn hơn công suất động cơ, máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và sau đó trở về điểm 5, thiết lập một trạng thái ổn định mới với góc δ ss như hình 2.9 [14].
Hình 2.9: Đường cong công suất và góc
Nếu điểm 4 của máy phát không được hãm tốc, nó sẽ dẫn đến sự mất ổn định đồng bộ Để đảm bảo hệ thống ổn định, diện tích Stt phải nhỏ hơn diện tích hãm tốc Sht.
Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS
Để cải thiện chất lượng và ổn định điện áp trong hệ thống điện, nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị này vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu về phản ứng nhanh khi có thay đổi đột ngột trong nhu cầu công suất phản kháng Do đó, thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được phát triển, đáp ứng tốt các yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy và dung lượng bù tối ưu cho hệ thống trong mọi chế độ làm việc Bên cạnh đó, FACTS còn nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng cường khả năng truyền tải công suất trên các đường dây.
FACTS, theo định nghĩa của IEEE, là hệ thống sử dụng thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh để điều khiển nhiều thông số của hệ thống truyền tải điện xoay chiều Mục tiêu của FACTS là nâng cao khả năng điều khiển và cải thiện hiệu suất truyền tải công suất trong mạng lưới điện.
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất lớn và điện áp cao đã dẫn đến sự ra đời của công nghệ FACTS, giúp tối ưu hóa việc điều khiển điện áp trong hệ thống điện, đặc biệt là ở các đường dây truyền tải Các thiết bị FACTS thường được áp dụng trong lĩnh vực này.
- Static Var Compensator (SVC): Bộ bù tĩnh
- Static Synchronous Compensator (STATCOM): Bộ bù đồng bộ tĩnh
- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): Bộ bù dọc điều khiển Thyristor
- Static Synchronous Series Compensator (SSSC): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
- Unified Power Flow Controller (UPFC): Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất
- High Voltage Direct Current (HVDC): Đường dây một chiều cao áp
2.4.1 Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) Điều khiển công suất phản kháng chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn Hình 2.9 sơ đồ cấu trúc của TCSC
TCSC, hay Thiết bị bù nối tiếp trong FACTS, có khả năng điều khiển điện kháng X của đường dây bằng cách sử dụng thyristor để điều chỉnh việc kết nối hoặc ngắt dãy tụ vào đường dây.
Chúc năng của TCSC là:
- Giảm dao động điện áp
- Tăng khả năng truyền tải đường dây bằng cách bù CSPK
- Tăng tính ổn định cho hệ thống điện
- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện
Hình 2.10: Sơ đồ cấu trúc của TCSC
2.4.2 Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC)
UPFC có thể được hiểu là một hệ thống điều khiển hợp nhất, bao gồm hai VSC chung tụ điện được kết nối lưng nhau trên phần DC Hình 2.10 mô tả một cách đơn giản về cấu trúc của UPFC.
Hình 2.11: Sơ đồ cấu trúc của UPFC
UPFC cho phép điều chỉnh đồng thời công suất tác dụng, công suất phản kháng và điện áp trong các giới hạn nhất định Người dùng có thể lựa chọn điều khiển một hoặc nhiều thông số trong các tổ hợp khác nhau, hoặc không thực hiện điều khiển nào.
Công suất tác dụng cần thiết cho bộ nghịch lưu nối tiếp được lấy từ bộ nghịch lưu mắc song song với lưới AC và được truyền đến nút m qua lưới.
Bộ nghịch lưu nối tiếp điều chỉnh điện áp tại nút m bằng cách cộng điện áp ngõ ra với điện áp tại nút k Độ lớn điện áp ra V cR cho phép điều chỉnh điện áp, trong khi góc pha cR xác định cách thức điều khiển công suất Bên cạnh đó, bộ nghịch lưu song song có khả năng phát hoặc thu công suất phản kháng, góp phần điều chỉnh độ lớn điện áp một cách độc lập tại điểm kết nối với hệ thống AC.
2.4.3 Bộ bù tĩnh (SVC) Điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù SVC là thiết bị bù song song trong FACTS, SVC điều chỉnh điện áp ở cực của nó bằng cách điều khiển lượng công suất phản kháng hấp thụ hay phát ra từ công suất hệ thống Khi điện áp hệ thống thấp hơn điện áp SVC, thì SVC phát ra công suất phản kháng Ngược lại, điện áp hệ thống cao hơn, thì SVC hấp thụ công suất phản kháng Việc thay đổi công suất phản kháng thực hiện bằng việc chuyển mạch các tụ và cuộn kháng nối ở phía thứ cấp máy biến áp Việc đóng cắt này được thực hiện bằng các thyristor [15]
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc của SVC
2.4.4 Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) Điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù STATCOM là thiết bị bù song song trong FACTS, STATCOM điều chỉnh điện áp ở đầu cực của nó bằng cách điều khiển lượng CSPK phát ra hay hấp thụ từ hệ thống:[16]
- Khi điện áp hệ thống thấp hơn điện áp STATCOM thì STATCOM phát ra CSPK
- Khi điện áp hệ thống cao hơn điện áp STATCOM thì STATCOM hấp thụ CSPK
Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc của STATCOM
2.4.5 Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp (SSSC) Điều khiển công suất phản kháng chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha của điện áp nguồn Như hình 2.14
Cấu trúc của hệ thống bao gồm bộ biến đổi điện áp nguồn VSC, tụ điện DC, máy biến áp kết nối và SSSC nối tiếp vào lưới điện Hệ thống này được thiết kế để điều khiển dòng công suất và cải thiện dao động công suất trên lưới Bộ SSSC sẽ cung cấp một điện áp US nối tiếp với đường dây truyền tải tại điểm kết nối, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện.
SSSC không tiêu thụ công suất tác dụng từ hệ thống, vì vậy điện áp bơm vào cần được đặt vuông góc với dòng điện đường dây Bằng cách điều chỉnh biên độ điện áp Uq của điện áp bơm, SSSC có khả năng phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng (CSPK).
Khi Uq > 0 thì SSSC phát ra CSPK, ngược lại khi Uq < 0 thì SSSC tiêu thụ CSPK
Việc điều chỉnh điện áp được thực hiện thông qua bộ VSC kết nối với bên thứ cấp của máy biến áp Bộ VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất như GTO và IGBT để chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện áp cần thiết.
Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc của SSSC
