Khảo Sát Chế Độ Làm Việc Của Bộ UPFC Trên Hệ Thống Điện Trong Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ khảo sát chế độ làm việc của bộ UPFC trong hệ thống điện, tập trung phân tích hiệu quả thiết bị mạng và nhà máy điện.

• Tác giả: Trương Minh Nhật Thạnh
• Người hướng dẫn: Hồ Văn Hiến
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• 1. TỔNG QUAN
• 2. GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS
• 2.1. Giới thiệu thiết bị FACTS
• 2.2. Phân loại các thiết bị FACTS
• 2.3. Loại song song
• 2.4. Loại nối tiếp
• 2.5. Loại song song – nối tiếp
• 2.6. Loại nối tiếp – nối tiếp
• 2.7. Bộ biến đổi góc pha PST
• 2.8. Vận hành, bảo dưỡng thiết bị FACTS
• 2.9. Chi phí đầu tư và lợi ích của FACTS
• 2.9.1. Chi phí đầu tư
• 2.9.2. Lợi ích của FACTS
• 2.10. Sự phát triển tương lai của các thiết bị FACTS
• 3. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CỦA UPFC
• 3.1. Giới thiệu UPFC
• 3.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của UPFC
• 3.2.1. Cấu tạo của bộ UPFC
• 3.2.2. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của UPFC
• 3.3. Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC
• 3.3.1. Các hàm điều khiển cơ bản của khối song song
• 3.3.2. Các hàm điều khiển cơ bản của khối nối tiếp
• 3.4. Đặc tính của hệ thống và mô hình dòng công suất khi có UPFC
• 3.4.1. Đặc tính của hệ thống truyền tải
• 3.4.2. Mô hình dòng công suất khi có lắp đặt thêm UPFC
• 3.5. Chế độ điều khiển tự động dòng công suất
• 4. MÔ HÌNH UPFC VÀ GIAO DIỆN
• 4.1. Giới thiệu về simulink trong Matlab
• 4.2. Các khối cơ bản của hệ thống
• 4.2.1. Khối nguồn áp 3 pha (Three-Phase voltages Source)
• 4.2.2. Khối tải RLC mắc nối tiếp (Series RLC Load)
• 4.2.3. Khối các thông số của đường dây
• 4.2.4. Các khối cơ bản bên trong UPFC
• 4.2.4.1. Khối dữ liệu công suất (Power data)
• 4.2.4.2. Khối dữ liệu điều khiển song song
• 4.2.4.3. Khối dữ liệu điều khiển nối tiếp
• 4.3. Mô hình điều khiển trong Matlab
• 4.3.1. Mô hình điều khiển bộ song song
• 4.3.2. Mô hình điều khiển bộ nối tiếp
• 5. KHẢO SÁT VÀ ÁP DỤNG UPFC VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP
• 5.1. PHẦN 1: KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA UPFC
• 5.1.1. Xây dựng mô hình khảo sát
• 5.1.2. Giới thiệu hệ thống điện khảo sát
• 5.1.3. Mô tả hệ thống điện bằng mô hình Matlab
• 5.1.4. Các đặc tính làm việc của UPFC
• 5.1.5. Điều khiển điện áp tại nút
• 5.1.6. Khảo sát tác động của UPFC ở cuối đường dây (nút 3)
• 5.1.7. Khảo sát tác động của UPFC ở đầu đường dây (nút 2)
• 5.1.8. Nhận xét tác động của UPFC lên hai đầu đường dây
• 5.1.9. Khảo sát điều khiển công suất thực P
• 5.1.10. Khảo sát công suất cung cấp cho đường dây tại nút 3
• 5.1.11. Khảo sát điều khiển công suất kháng Q
• 5.1.12. Khảo sát công suất kháng cung cấp cho đường dây tại nút 3
• 5.1.13. Khảo sát điều khiển độc lập P và Q
• 5.1.14. Khảo sát khi Q = const
• 5.1.15. Khảo sát khi P = const
• 5.1.16. Điều khiển kết hợp U, P, Q
• 5.2. PHẦN 2: ÁP DỤNG UPFC VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP
• 5.2.1. Mô hình hệ thống điện – Không gian trạng thái
• 5.2.2. Tuyến tính hóa mô hình hệ thống
• 5.2.3. Ma trận Jacobian rút gọn
• 5.2.4. Mô hình toán của bộ UPFC trong ma trận Jacobian
• 5.2.5. Bài toán khảo sát điều khiển điện áp
• 5.2.6. Trạng thái ban đầu của hệ thống điện khi chưa có UPFC
• 5.2.7. Trạng thái của hệ thống điện khi có lắp bộ UPFC vào nút 3
• 6. TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• PHỤ LỤC CÁC CHƯƠNG TRÌNH
• 1. Chương trình chính tính phân bố công suất ban đầu
• 2. Chương trình chính tính phân bố công suất khi có thêm bộ UPFC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Chế độ làm việc của bộ UPFC

Luận văn tập trung khảo sát chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh thiết bị mạng và nhà máy điện. Bộ UPFC (Unified Power Flow Controller) là một thiết bị thuộc nhóm công nghệ FACTS, được sử dụng để điều khiển công suất, điều chỉnh điện áp, và tối ưu hóa hệ thống truyền tải điện. Luận văn phân tích các chế độ làm việc khác nhau của bộ UPFC, bao gồm điều khiển công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), và kết hợp cả hai. Các kết quả mô phỏng trong Matlab cho thấy hiệu quả của bộ UPFC trong việc cải thiện hiệu suất hệ thống và ổn định điện áp.

1.1. Điều khiển công suất tác dụng

Bộ UPFC được sử dụng để điều khiển công suất tác dụng trên hệ thống điện. Luận văn mô phỏng các tác động của bộ UPFC khi lắp đặt tại các vị trí khác nhau trên đường dây, như đầu và cuối đường dây. Kết quả cho thấy bộ UPFC có khả năng điều chỉnh dòng công suất một cách linh hoạt, giúp giảm thiểu tình trạng quá tải và tăng khả năng truyền tải của hệ thống.

1.2. Điều khiển công suất phản kháng

Ngoài điều khiển công suất tác dụng, bộ UPFC còn được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng. Luận văn khảo sát tác động của bộ UPFC trong việc duy trì điện áp ổn định tại các nút trên mạng lưới điện. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ UPFC giúp cải thiện đáng kể chất lượng điện áp, đặc biệt trong các tình huống có sự biến động lớn về tải.

II. Ứng dụng của bộ UPFC trong hệ thống điện

Luận văn đề cập đến ứng dụng UPFC trong hệ thống điện, đặc biệt trong việc tối ưu hóa hệ thống và điều khiển công suất. Bộ UPFC được xem là một giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất hệ thống và ổn định điện áp. Luận văn cũng so sánh lợi ích của việc sử dụng bộ UPFC với việc xây dựng thêm các đường dây mới, cho thấy bộ UPFC là một giải pháp kinh tế và linh hoạt hơn.

2.1. Tối ưu hóa hệ thống

Bộ UPFC được sử dụng để tối ưu hóa hệ thống truyền tải điện. Luận văn phân tích các kết quả mô phỏng cho thấy bộ UPFC giúp tăng khả năng truyền tải của đường dây, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng.

2.2. Điều khiển điện áp

Một trong những ứng dụng UPFC quan trọng là điều khiển điện áp. Luận văn khảo sát tác động của bộ UPFC trong việc duy trì điện áp ổn định tại các nút trên mạng lưới điện. Kết quả cho thấy bộ UPFC có khả năng điều chỉnh điện áp một cách nhanh chóng và hiệu quả, đặc biệt trong các tình huống có sự biến động lớn về tải.

III. Phân tích hiệu suất và thực nghiệm

Luận văn tiến hành phân tích hiệu suất và nghiên cứu thực nghiệm về bộ UPFC trên hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng trong Matlab cho thấy bộ UPFC có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất hệ thống và ổn định điện áp. Luận văn cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc tích hợp bộ UPFC với các công nghệ mới như công nghệ FACTS tiên tiến và hệ thống lưu trữ năng lượng.

3.1. Phân tích hiệu suất

Luận văn tiến hành phân tích hiệu suất của bộ UPFC thông qua các mô phỏng trong Matlab. Kết quả cho thấy bộ UPFC giúp tăng khả năng truyền tải của đường dây, giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Điều này khẳng định hiệu quả của bộ UPFC trong việc tối ưu hóa hệ thống.

3.2. Nghiên cứu thực nghiệm

Luận văn cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về bộ UPFC trên hệ thống điện. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ UPFC có khả năng điều chỉnh điện áp và công suất một cách linh hoạt, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Điều này mở ra các hướng phát triển mới trong việc ứng dụng bộ UPFC trong thực tế.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao, việc quản lý và vận hành hệ thống truyền tải điện hiệu quả trở thành một thách thức lớn đối với ngành điện lực. Theo ước tính, các hệ thống truyền tải điện truyền thống đang dần tiếp cận giới hạn vật lý về khả năng tải, gây ra hiện tượng quá tải, mất ổn định và tổn thất điện năng. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó thiết bị Unified Power Flow Controller (UPFC) được xem là một trong những giải pháp tối ưu nhất.

Luận văn tập trung khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện nhằm mục tiêu nâng cao khả năng điều khiển dòng công suất, điện áp và góc pha trên đường dây truyền tải. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống điện mẫu, sử dụng mô hình UPFC xây dựng trên nền tảng Matlab/Simulink, với thời gian nghiên cứu từ đầu năm đến giữa năm 2012 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp tăng cường độ ổn định, nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng đường dây mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hệ thống truyền tải điện xoay chiều: Bao gồm các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải và phụ tải, với các thông số quan trọng như điện áp, công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), điện kháng đường dây (X) và góc truyền tải (δ).

• Thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission System): Các thiết bị điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha nhằm tăng khả năng tải và ổn định hệ thống truyền tải. Các thiết bị chính gồm SVC, STATCOM, TCSC, SSSC và UPFC.

• Mô hình UPFC: Kết hợp bộ biến đổi nguồn áp đồng bộ mắc song song (STATCOM) và mắc nối tiếp (SSSC) với liên kết DC chung, cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và góc pha trên đường dây truyền tải.

• Phương pháp điều khiển vectơ: Biến đổi hệ thống ba pha thành hệ thống đồng bộ trực giao quay, phân tách dòng điện thành thành phần d (công suất phản kháng) và q (công suất tác dụng), giúp điều khiển chính xác các thông số của UPFC.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng hệ thống điện mẫu được xây dựng trong môi trường Matlab/Simulink, bao gồm các thông số điện áp, dòng điện, công suất và đặc tính của bộ UPFC.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học của UPFC kết hợp với phương pháp Newton-Raphson để giải bài toán phân bố công suất, phân tích đặc tính động và tĩnh của hệ thống khi có và không có UPFC.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện mẫu gồm các nút phát và nhận, với các chế độ làm việc khác nhau của UPFC được khảo sát chi tiết. Việc lựa chọn mô hình Matlab dựa trên khả năng mô phỏng chính xác và phổ biến trong nghiên cứu kỹ thuật điện.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2012, bao gồm xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng điều khiển điện áp và công suất của UPFC: Mô phỏng cho thấy UPFC có thể điều khiển điện áp tại các nút đầu phát và đầu nhận trong phạm vi ±10% so với giá trị đặt trước, đồng thời điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng linh hoạt. Ví dụ, khi điều chỉnh điện áp tại nút cuối đường dây (nút 3), điện áp được duy trì ổn định ở mức 1.0 pu, giảm thiểu dao động so với hệ thống không có UPFC.

2. Tăng khả năng tải của đường dây: UPFC giúp tăng công suất truyền tải tối đa trên đường dây lên khoảng 20-30% so với hệ thống truyền thống, nhờ khả năng điều chỉnh điện kháng và góc pha truyền tải. Điều này đồng nghĩa với việc giảm nguy cơ quá tải và nâng cao hiệu quả sử dụng lưới điện hiện có.

3. Ổn định hệ thống và giảm tổn thất: Việc sử dụng UPFC làm giảm các dao động công suất và điện áp trong quá trình vận hành, cải thiện độ ổn định động và quá độ của hệ thống. Tổn thất điện năng trên đường dây giảm khoảng 5-7% nhờ điều khiển công suất phản kháng hiệu quả.

4. So sánh với các thiết bị FACTS khác: UPFC vượt trội hơn SVC và STATCOM ở khả năng điều khiển đồng thời công suất tác dụng và phản kháng, cũng như điều chỉnh góc pha, mang lại hiệu quả toàn diện hơn trong quản lý dòng công suất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các kết quả trên là do cấu trúc kết hợp của UPFC, bao gồm bộ biến đổi nguồn áp mắc song song và nối tiếp với liên kết DC chung, cho phép điều khiển độc lập và đồng thời các thông số quan trọng của hệ thống điện. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng trong luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu quả của UPFC trong việc nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống.

Việc duy trì điện áp ổn định tại các nút quan trọng giúp giảm thiểu hiện tượng sụt áp và mất cân bằng công suất, từ đó nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho phụ tải. Khả năng điều chỉnh góc pha truyền tải giúp tối ưu hóa dòng công suất tác dụng, giảm thiểu tổn thất và tăng cường an toàn vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp theo thời gian tại các nút, biểu đồ công suất truyền tải so sánh giữa hệ thống có và không có UPFC, cũng như bảng tổng hợp các chỉ số ổn định và tổn thất điện năng. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về mặt kỹ thuật khi ứng dụng UPFC.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt UPFC tại các nút trọng điểm của hệ thống truyền tải nhằm tăng cường khả năng điều khiển điện áp và công suất, đặc biệt tại các khu vực có nguy cơ quá tải cao. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể thực hiện: các công ty truyền tải điện.

2. Phát triển hệ thống điều khiển tự động tích hợp UPFC với trung tâm điều khiển vùng để tối ưu hóa vận hành lưới điện theo thời gian thực, nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu sự cố. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; chủ thể: đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ điện lực.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho kỹ sư vận hành và bảo trì thiết bị FACTS, đặc biệt là UPFC, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bảo dưỡng đúng quy trình, giảm thiểu thời gian ngừng máy. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng UPFC trong các hệ thống điện phức tạp hơn, kết hợp với các thiết bị FACTS khác và công nghệ lưu trữ năng lượng để nâng cao hiệu quả quản lý lưới điện thông minh. Thời gian thực hiện: 3-5 năm; chủ thể: viện nghiên cứu và các tổ chức khoa học công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên gia ngành điện lực: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết bị UPFC và các thiết bị FACTS, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý hệ thống truyền tải điện.

2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về lợi ích kỹ thuật và kinh tế của UPFC hỗ trợ trong việc ra quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng điện lực bền vững.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống truyền tải điện, điều khiển công suất và công nghệ FACTS.

4. Các nhà nghiên cứu công nghệ điện tử công suất: Cung cấp mô hình, phương pháp điều khiển và kết quả mô phỏng chi tiết, làm cơ sở phát triển các thiết bị điều khiển điện năng tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

1. UPFC là gì và có vai trò gì trong hệ thống điện?
   UPFC (Unified Power Flow Controller) là thiết bị điều khiển dòng công suất linh hoạt, cho phép điều chỉnh đồng thời công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và góc pha trên đường dây truyền tải, giúp tăng khả năng tải và ổn định hệ thống.

2. Ưu điểm của UPFC so với các thiết bị FACTS khác là gì?
   UPFC có khả năng điều khiển đồng thời nhiều thông số quan trọng của hệ thống điện, trong khi các thiết bị như SVC hay STATCOM chỉ điều khiển một số thông số riêng biệt, do đó UPFC mang lại hiệu quả toàn diện hơn.

3. Phương pháp mô phỏng UPFC trong nghiên cứu này là gì?
   Nghiên cứu sử dụng mô hình UPFC xây dựng trong Matlab/Simulink, kết hợp phương pháp Newton-Raphson để giải bài toán phân bố công suất, phân tích đặc tính động và tĩnh của hệ thống khi có UPFC.

4. Lợi ích kinh tế khi ứng dụng UPFC là gì?
   UPFC giúp tăng công suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng và trì hoãn đầu tư xây dựng đường dây mới, từ đó tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành hệ thống điện.

5. Những thách thức khi triển khai UPFC trong thực tế là gì?
   Bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật vận hành và bảo trì phức tạp, cũng như cần đào tạo nhân lực chuyên môn cao để đảm bảo vận hành hiệu quả.

Kết luận

• UPFC là thiết bị điều khiển dòng công suất linh hoạt, tối ưu trong họ các thiết bị FACTS, cho phép điều khiển độc lập và đồng thời công suất tác dụng, phản kháng, điện áp và góc pha trên hệ thống truyền tải điện.

• Mô hình và phương pháp điều khiển UPFC được xây dựng và mô phỏng thành công trên nền tảng Matlab, cho thấy khả năng nâng cao hiệu quả truyền tải và ổn định hệ thống.

• Ứng dụng UPFC giúp tăng khả năng tải đường dây lên khoảng 20-30%, giảm tổn thất điện năng 5-7% và cải thiện độ ổn định động của hệ thống.

• Đề xuất triển khai lắp đặt UPFC tại các nút trọng điểm, phát triển hệ thống điều khiển tự động, đào tạo nhân lực và nghiên cứu mở rộng ứng dụng trong tương lai.

• Khuyến khích các kỹ sư, nhà quản lý, giảng viên và nhà nghiên cứu ngành điện lực tham khảo để nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển công nghệ truyền tải điện hiện đại.

Các đơn vị liên quan nên bắt đầu khảo sát thực tế và lập kế hoạch triển khai UPFC trong hệ thống truyền tải điện quốc gia nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy cung cấp điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Chương 2: Giới thiệu các thiết bị FACTS Chương 3: Nguyên tắc hoạt động và các đặc tính của UPFC Chương 4: Mô hình UPFC và giao diện Chương 5: Khảo sát và áp dụng UPFC vào bài toán điều khiển điện áp Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài Trang 8 Chương 2 GIỚI THIỆU CÁC THIẾT BỊ FACTS I. Giới thiệu thiết bị FACTS: Với sự phát triển của điện tử công suất dùng Thyristor tắt cổng (GTO – Gate Turn_off) đã cho ra đời hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt mà trong đó dòng công suất được điều khiển động bởi các linh kiện điện tử công suất. Hai mục tiêu chính của hệ thống các thiết bị FACTS là để tăng khả năng tải của đường dây truyền tải và điều khiển dòng công suất theo một lộ trình đã được vạch ra trước. Toàn bộ hệ thống bù ngang, bù dọc, máy biến áp để điều chỉnh điện áp và góc pha đều được điều khiển bằng điện tử công suất.

Đặc biệt, bộ nguồn điện áp đồng bộ SVS (Synchronous Voltage Sources) điều khiển bằng bán dẫn được dùng để bù động và điều khiển theo thời gian thực dòng công suất trong hệ thống truyền tải và có khả năng đồng đều trong việc điều khiển điện áp, tổng trở, góc pha. Hệ thống SVS cung cấp khả năng trao đổi trực tiếp công suất tác dụng với hệ thống xoay chiều, bên cạnh đó việc bù công suất kháng được điều khiển độc lập. Những phát minh mới nhất của các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên nền tảng cơ bản là các bộ nguồn điện áp đồng bộ SVSs (Synchronous Voltage Sources) được giới thiệu bởi L. Gyugyi cuối thập niên 1980s [5].

Những bộ SVS này được xem như là những máy phát đồng bộ lý tưởng phát ra điện áp ba pha cân bằng và có thể điều khiển được điện áp và góc pha. Tự nó có thể phát được cả công suất phản kháng mang tính cảm và tính dung. Nếu kết hợp nó với các bộ tích trữ năng lượng như tụ điện DC, Battery… SVS có thể trao đổi công suất thực với hệ thống xoay chiều. Bộ SVS có thể tạo ra bởi việc sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC (Voltage Sourced Converter).

Cấu trúc hoạt động cơ bản của VSCs sẽ được đề cập đến ở phần sau. Những thuận lợi cơ bản của bộ bù sử dụng SVS so với việc bù bằng đóng cắt khóa cơ khí hay bù bình thường bằng việc đóng cắt Thyristor là: Đồng bộ trong việc sử dụng các thiết bị linh kiện điện tử công suất trong việc ứng dụng điều khiển ở các bộ bù khác nhau Cải thiện các đặc tính hoạt động và biểu diễn Giảm được kích thước của thiết bị và công bảo trì lắp ráp và vận hành Các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống các thiết bị FACTS có cấu tạo từ những linh kiện điện tử có ngắt hay không ngắt. Các thiết bị điều khiển chứa linh Trang 9 kiện điều khiển ngắt, thường có cấu tạo của một bộ biến đổi điện áp DC – AC có khả năng trao đổi công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng. Nếu sự trao đổi công suất chỉ gồm thành phần công suất phản kháng thì công suất của mạch DC có thể giảm đến mức nhỏ nhất.

Trong trường hợp điện áp hoặc dòng điện cung cấp bởi thiết bị lệch khác 90o so với dòng điện hoặc điện áp đường dây thì nguồn dự trữ công suất của mạch DC của thiết bị đó phải có định mức cao hơn. Để tăng cường khả năng dự trữ năng lượng của phần mạch DC, các thiết bị có thể trang bị cho nó như bộ ắc quy (Battery), cuộc dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet)… Một cách tổng quát, các thiết bị điều khiển dùng bộ biến đổi DC-AC có thể trang bị nguồn dự trữ năng lượng như tụ điện công suất lớn, ắc quy (Battery), cuộn dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet) và sẽ làm tăng kích thước hệ FACTS. Việc trang bị bộ phận dự trữ năng lượng làm tăng hiệu quả điều khiển của các thiết bị FACTS vì chúng có khả năng điều khiển “bơm vào” hoặc “rút ra” công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng từ lưới điện thay vì chỉ ảnh hưởng đến tính chất truyền công suất tác dụng trong trường hợp thiết bị không có bộ phận dự trữ năng lượng. Các thiết bị điều khiển của FACTS thường được thiết kế với kỹ thuật điều chế độ rộng xung để có thể thực hiện chức năng loại bỏ các sóng hài bậc cao, có tác dụng như một mạch lọc tích cực, đồng thời có tác dụng làm cân bằng hệ thống khi nguồn mất cân bằng.

Ký hiệu một số thiết bị trong họ các sản phẩm FACTS như sau: SVC: Static Var Compensator STATCOM: Static Synchronous Compenator MSC: Mechanically-switched Capacitor* TCBR: Thyristor Controlled Braking Resistor TCPST: Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer PST: Phase Shifting Transformer* IPC: Interphase Power Controller SC: Series Capacitor* MSSC, TSSC: Mechanically/Thyristor Switched Series Capacitor TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor SSSC: Static Synchronous Series Compensator. UPFC: Unified Power Flow Controller HVDC: High Voltage Direct Current CSC: Convertible Static Compensator. Trang 10 PAR: Phase-Angle-Regulator TCVL: Thyristor Controlled Voltage Limiter SCCL: Super-Conducting Current Limiter TSBR: Thyristor Switched Braking Resistor TCPAR: Thyristor Controlled Phase-Angle Regulator *: Không hoàn toàn là thiết bị FACTS Trang 11 II. Phân loại các thiết bị FACTS: Bộ SVS có thể được sử dụng để bù nối tiếp hay bù song song.

Nếu nó hoạt động như bộ bù nối tiếp thì được gọi là bộ bù đồng bộ nối tiếp tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator). Nếu nó hoạt động như bộ bù song song thì nó được gọi là bộ bù tĩnh đồng bộ STATCOM (Static Synchronous Compensator) hay bộ bù tụ tĩnh đồng bộ STATCON (Static Synchronous Condenser). Một trường hợp đặc biệt trong việc sắp xếp hai bộ SVSs, là một SVS thì kết nối nối tiếp và cái còn lại thì kết nối song song với hệ thống xoay chiều thông qua liên kết chung là cực DC và được gọi là UPFC (Unified Power Flow Controller). Nó là mô hình điều khiển đại diện cho kiểu kết nối nối tiếp – song song.

Gần đây viện nghiên cứu EPRI còn cho ra mô hình điều khiển kiểu kết nối nối tiếp – nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller) gồm hai hay nhiều bộ SSSCs liên kết lại vơi nhau với một liên kết DC chung. IPFC cung cấp khả năng điều khiển độc lập bù công suất phản kháng nối tiếp cho mỗi đường dây cũng như là chuyển đổi công suất tác dụng giữa các đường dây này với nhau. Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. Tùy vào cách liên kết giữa các bộ SVS mà ta có các dòng sản phẩm khác nhau của FACTS.

Nếu chia theo cách bù vào đường dây thì hệ thống FACTS thường được chia làm các loại như sau:  Loại bù song song  Loại bù nối tiếp  Loại kết hợp song song – nối tiếp  Loại kết hợp nối tiếp – nối tiếp  Loại ổn định điện áp và điều khiển góc pha 1. Loại song song: Đặc trưng cho kiểu bù song song các thiết bị FACTS là SVC và STATCOM a. Các máy bù tĩnh SVC (Static Var Compensator ): SVC là một khái niệm chung nó bao gồm các phần tử (hình 2.1):  Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (Thyristor Controlled Reactor – TCR)  Cuộn kháng đóng cắt bằng Thyristor (Thyristor Switched Reactor – TSR)  Hoặc kết hợp cả hai phần tử trên Trang 12 Line TCR-TSR TSC Fillter FC FR Hình 2.1 Các bộ SVC thường gặp Bộ bù SVC là một thiết kế tổng hợp các phần tử: tụ điện, cuộn kháng, biến điện thế, các thiết bị đóng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả cùng hoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn bù công suất phản kháng có thể điều khiển được nhanh chóng. Hệ thống bù tĩnh được áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau.

Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng để điều khiển điện áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống. Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải. Theo CIRGE định nghĩa SVS (Static VAR System) là một tổ hợp các bộ bù tĩnh (SVC) và các tụ bù hay cuộn kháng được đóng cắt bằng các thiết bị cơ khí. Một hệ thống SVS thường bao gồm:  Một máy biến thế dùng để liên kết giữa lưới điện cao thế và các thiết bị điện tử công suất trung thế.

Thường một máy biến áp riêng được sử dụng nhưng thỉnh thoảng có thể sử dụng cuộn dây thứ ba của máy biến áp tự ngẫu được sử dụng.  TCR (Thyristor – Controlled Reactor) là một phần tử của SVC, nó có khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc pha của các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế.  TSR (Thyristor – Switched Reactor) bao gồm một số cuộn kháng đấu song song chúng được đóng vào hay ngắt ra khỏi lưới bằng cách điều khiển các khóa SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế. Trang 13  TSC (Thyristor – Switched Capacitor) là thiết bị bù công suất phản kháng điều chỉnh dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện song song với lưới ra khỏi hệ thống bằng cách kích đóng ngắt các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế.

 FC (Fixed Capacitor) là loại thiết bị bù cố định bằng tụ  FR (Fixed Reactor) là loại thiết bị bù cố định bằng điện kháng  Các bộ lọc sóng hài (Filter)  Các tụ hoặc cuộn kháng đóng cắt bằng thiết bị cơ khí (MSCS hay MSR), thường nối vào thanh cái cao thế.  Hệ thống điều khiển thường dùng các hàm hoặc điều chỉnh theo điện áp của đường dây. Trong số các thiết bị FACTS khác nhau, vị trí và kích thước của bộ bù tĩnh SVS được dựa trên cơ sở cải thiện biểu đồ điện áp, và thường dựa vào các thuật toán tương tự như đối các dạng bù cố định. Tuy nhiên để cải thiện khả năng truyền tải và biên độ ổn định cần dựa vào phân tích mô hình động và phương pháp phân tích mô hình.

Mục đích của các bộ lọc gồm hai điểm chính: lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải. Các sóng hài bậc cao xuất hiện do tính phi tuyến của phụ tải (mạch từ) hoặc do tải được cấp nguồn từ các bộ biến đổi dùng bán dẫn công suất. Trong trường hợp tải thay đổi công suất phản kháng nhiều, hệ thống cần phần tử điều chỉnh công suất phản kháng. Ngược lại, trong trường hợp công suất phản kháng hầu như không thay đổi, phần tử điều chỉnh công suất phản kháng có thể loại bỏ.