I. Tổng Quan FACTS trong Hệ Thống Điện Siêu Cao Áp Khái Niệm
Sự phát triển nhanh chóng của nhu cầu sử dụng điện và yêu cầu giảm chi phí năng lượng đã thúc đẩy việc xây dựng các nguồn phát điện ở xa trung tâm phụ tải. Điều này đòi hỏi phải xây dựng hệ thống truyền tải điện để đưa điện từ các nguồn phát đến các trung tâm tiêu thụ. Hơn nữa, để tăng cường độ tin cậy của hệ thống, các đường dây truyền tải cần có khả năng dự phòng cao và có thể liên kết hệ thống điện các miền, các khu vực với nhau. Hệ thống truyền tải điện thường là 3 pha xoay chiều, vận hành ở các cấp điện áp khác nhau, thông thường là 230kV trở lên. Với yêu cầu ngày càng tăng về công suất và khoảng cách truyền tải, các cấp điện áp truyền tải cũng ngày càng tăng lên để giảm tổn thất. Các nghiên cứu về thiết bị điều khiển linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS (Flexible AC Transmission Systems) đã được tiến hành vào cuối những năm 1980 nhằm giải quyết 2 vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn đã định trước. Các thiết bị FACTS khác nhau có các thông số điều khiển khác nhau và có các mô hình vật lý khác nhau để điều khiển công suất. Để điều khiển công suất một cách có hiệu quả trong hệ thống điện, cần xem xét đến các yếu tố giới hạn khả năng truyền tải và xác định rõ lợi ích đạt được khi áp dụng các thiết bị điều khiển FACTS. Các thiết bị FACTS là duy nhất có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện.
1.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Khả Năng Tải Điện
Khả năng tải của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào các yếu tố sau: giới hạn về nhiệt, giới hạn về cách điện và giới hạn về ổn định. Các giới hạn này xác định công suất tối đa truyền tải được mà không gây nguy hiểm đến các đường dây truyền tải và các thiết bị điện. Về cơ bản, giới hạn của công suất truyền tải có thể giải quyết bằng việc xây dựng thêm các tuyến truyền tải mới. Tuy nhiên, điều này dẫn đến tốn kém về vốn xây dựng, thời gian thi công và mất quỹ đất cho các hành lang an toàn của tuyến đường dây. Vì thế khi hệ thống điện phát triển nhanh đòi hỏi những công nghệ mới để khai thác triệt để các khả năng của hệ thống điện hiện có mà không ảnh hưởng đến sự an toàn của hệ thống.
1.2. Vai Trò của FACTS trong Giải Quyết Bài Toán Truyền Tải
Các nghiên cứu về thiết bị điều chỉnh linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS đã được tiến hành vào cuối những năm 1980 nhằm giải quyết 2 vấn đề chính là nâng cao khả năng truyền tải của các hệ thống truyền tải và giữ công suất trong khoảng giới hạn đã định trước. Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất như thyristor công suất lớn đã tạo ra các bộ điều chỉnh cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp một cách nhanh chóng. Công nghệ FACTS là duy nhất có đủ khả năng điều khiển nhanh một cách linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện.
II. Cách Điều Khiển Dòng Công Suất trên Đường Dây Siêu Cao Áp
Để xem xét đến sự thay đổi của các thông số chế độ của HTĐ liên quan đến các thông số điều khiển của thiết bị FACTS, ta xem xét ví dụ một đường dây truyền tải đơn giản. Nút 1 và 2 là thanh cái của các trạm biến áp lớn hoặc được nối với các nguồn, để đơn giản giả thiết là các nút có công suất vô cùng lớn. Hai nút được nối với nhau thông qua một đường dây truyền tải chỉ có điện kháng X. E1 và E2 là biên độ của điện áp tại các nút tương ứng và góc lệch là δ. Dòng điện chạy trên đường dây có thể được điều khiển bằng việc điều khiển EL hoặc X hoặc δ. Nếu góc lệch điện áp giữa hai nút nhỏ, dòng điện gần như đặc trưng cho dòng công suất tác dụng. Việc tăng hoặc giảm điện kháng của đường dây có hiệu quả lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng. Bởi vậy xét về chi phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều khiển dòng điện là cách điều khiển dòng công suất hiệu quả nhất.
2.1. Mối Quan Hệ Giữa Điện Kháng và Dòng Công Suất
Việc tăng hoặc giảm điện kháng của đường dây có hiệu quả lớn đối với việc điều khiển dòng công suất tác dụng. Bởi vậy xét về chi phí thì điều khiển điện kháng, mà thực chất là điều khiển dòng điện là cách điều khiển dòng công suất hiệu quả nhất. Có thể sử dụng các cuộn kháng có điều khiển để điều khiển công suất truyền tải và/ hoặc điều khiển góc lệch để nâng cao tính ổn định của hệ thống.
2.2. Ảnh Hưởng của Điện Áp Đến Công Suất Phản Kháng
Việc thay đổi điện áp E1 hoặc E2 có ảnh hưởng nhiều đến công suất phản kháng hơn là công suất tác dụng. Dòng điện và cả công suất cũng có thể thay đổi bởi nguồn điện áp dọc đường dây. Khi véc tơ điện áp bơm vào vuông góc với dòng điện (mà nó gần như trùng với véc tơ hiệu điện áp), nó trực tiếp ảnh hưởng đến giá trị hiệu dụng của véc tơ dòng điện. Với góc lệch điện áp nhỏ, nó ảnh hưởng lớn tới công suất tác dụng.
III. Phân Loại Thiết Bị FACTS Cơ Bản Ứng Dụng Siêu Cao Áp
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều kết hợp... (Theo tài liệu gốc). Mức độ ảnh hưởng của các thông số điều khiển đến công suất truyền tải trong HTĐ rất khác nhau. Nhìn nhận và đánh giá đúng mối liên hệ giữa chúng cho ta thấy rõ tác dụng của các thiết bị điều khiển và ứng dụng chúng trong việc nâng cao khả năng truyền tải công suất trong HTĐ.
3.1. Bộ Điều Khiển Song Song Bộ Điều Khiển Ngang SVC STATCOM
SVC (Static Var Compensator) và STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hai loại thiết bị FACTS được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện. SVC sử dụng các tụ điện và cuộn kháng có điều khiển để cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng, giúp ổn định điện áp và cải thiện khả năng truyền tải. STATCOM sử dụng bộ biến đổi nguồn áp để tạo ra công suất phản kháng, có khả năng đáp ứng nhanh hơn SVC. STATCOM thường được ưu tiên sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định cao.
3.2. Bộ Điều Khiển Nối Tiếp Bộ Điều Khiển Dọc TCSC SSSC
TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) và SSSC (Static Synchronous Series Compensator) là hai loại thiết bị FACTS được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải. TCSC sử dụng các tụ điện có điều khiển để thay đổi điện kháng của đường dây, giúp điều khiển dòng công suất và cải thiện ổn định hệ thống điện. SSSC sử dụng bộ biến đổi nguồn áp để bơm điện áp vào đường dây, có khả năng điều khiển dòng công suất linh hoạt hơn TCSC.
IV. Lợi Ích Khi Đầu Tư Thiết Bị FACTS Kinh Tế Kỹ Thuật
Các thiết bị FACTS mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, bao gồm: nâng cao khả năng truyền tải, cải thiện ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng, tăng cường độ tin cậy và giảm chi phí vận hành. Việc lựa chọn thiết bị FACTS phù hợp cần dựa trên các yếu tố như: đặc điểm của hệ thống điện, yêu cầu về hiệu suất, chi phí đầu tư và chi phí vận hành. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc tích hợp FACTS vào hệ thống điện siêu cao áp mang lại những lợi ích đáng kể về kinh tế và kỹ thuật.
4.1. Giảm Tổn Thất Điện Năng Nhờ Sử Dụng FACTS
Việc sử dụng FACTS giúp tối ưu hóa dòng công suất, giảm tải cho các đường dây truyền tải và giảm tổn thất điện năng. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng việc triển khai FACTS có thể giúp tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành và giảm phát thải khí nhà kính.
4.2. Tăng Cường Độ Tin Cậy của Hệ Thống Điện Siêu Cao Áp
Các thiết bị FACTS giúp cải thiện khả năng chống chịu của hệ thống điện trước các sự cố, đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định cho khách hàng. Đặc biệt quan trọng trong các lưới điện siêu cao áp, nơi mà một sự cố có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.
V. Phân Tích Hiệu Quả Điều Khiển SVC và TCSC Trong HTĐ 14 Nút
Nghiên cứu và phân tích hiệu quả điều khiển của SVC và TCSC đối với HTĐ 14 nút IEEE, các thông số thiết bị, mô hình được thiết lập và tính toán, mô phỏng. Kết quả tính toán cho thấy hiệu quả nâng cao ổn định tĩnh của SVC và hiệu quả của TCSC nâng cao ổn định động. Đồng thời, thực hiện phân tích độ nhạy biến thiên công suất nhánh và đánh giá hiệu quả TCSC nâng cao ổn định động. Đánh giá này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc thiết kế và vận hành hệ thống điện.
5.1. Hiệu Quả Nâng Cao Ổn Định Tĩnh của SVC trong HTĐ 14 Nút
SVC, khi được đặt đúng vị trí trong hệ thống điện 14 nút, chứng minh khả năng cải thiện đáng kể sự ổn định điện áp. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc duy trì hoạt động ổn định của lưới điện, giảm thiểu nguy cơ sụt áp và đảm bảo chất lượng điện năng.
5.2. Đánh Giá Khả Năng Ổn Định Động của TCSC trong HTĐ
TCSC thể hiện khả năng nâng cao ổn định động của hệ thống điện sau các sự cố ngắn mạch. Việc điều khiển linh hoạt điện kháng của đường dây giúp giảm thiểu dao động công suất và góc lệch, đảm bảo hệ thống điện nhanh chóng trở về trạng thái ổn định sau sự cố.
VI. Kết Luận Triển Vọng Ứng Dụng FACTS ở Hệ Thống Siêu Cao Áp
Các thiết bị FACTS đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện siêu cao áp. Với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị FACTS ngày càng trở nên nhỏ gọn, hiệu quả và kinh tế hơn. Trong tương lai, việc ứng dụng FACTS sẽ ngày càng phổ biến trong các lưới điện thông minh, giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về điện năng và đảm bảo an ninh năng lượng.
6.1. Thách Thức Cơ Hội Phát Triển FACTS trong Tương Lai
Mặc dù mang lại nhiều lợi ích, việc triển khai FACTS cũng đối mặt với một số thách thức, bao gồm: chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu về kỹ thuật vận hành phức tạp và ảnh hưởng đến các thiết bị khác trong hệ thống điện. Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ và sự hỗ trợ của chính sách, các thách thức này có thể được vượt qua, mở ra cơ hội phát triển mạnh mẽ cho FACTS.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Công Nghệ FACTS Mới
Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển các thiết bị FACTS mới có hiệu suất cao hơn, chi phí thấp hơn và khả năng tích hợp tốt hơn với các lưới điện thông minh. Các công nghệ mới như vật liệu bán dẫn thế hệ mới, điều khiển thông minh và lưu trữ năng lượng hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá trong lĩnh vực FACTS.
