MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hệ thống điện là sự kết nối của các máy phát đến các trung tâm tải thông qua đường dây truyền tải cao áp. Nó được chia thành 3 hệ thống con: hệ thống phát, hệ thống truyền tải và hệ thống phân phối. Tuy nhiên cả 3 hệ thống này đều có đặc điểm và vị trí địa lý khác nhau. Với đặc điểm địa lý tự nhiên, có thể chia hệ thống điện nước ta thành 3 hệ thống điện miền: - Hệ thống Điện miền Bắc: bao gồm các tỉnh miền Bắc từ Hà Tĩnh trở ra; - Hệ thống điện miền Trung: bao gồm các tỉnh duyên hải miền Trung từ Quảng Bình đến Khánh Hoà và bốn tỉnh Tây Nguyên Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc, Đắc Nông; - Hệ Thống Điện miền Nam: bao gồm các tỉnh Nam Bộ và các tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận, Lâm Đồng.
Nguồn phát chủ yếu của là nước ta là thủy điện, tập trung ở những khu vực nhất định. Do đó, sẽ dẫn đến các khu vực này thừa công suất vào mùa mưa và thiếu hụt công suất vào mùa nắng, để đảm bảo cung cấp công suất cho các vùng phụ tải lớn ta cần xây dựng hệ thống truyền tải công suất cao, ổn định và tin cậy. Thiết bị điều khiển FACTS ra đời vào cuối những năm 1980 với chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải và giữ dòng công suất trong giới hạn quy định trên đường dây truyền tải [13]. Nên việc nghiên cứu lựa chọn thiết FACTS ứng dụng vào hệ thống điện Việt Nam là rất cần thiết và cũng là mục tiêu đề tài hướng tới.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Nghiên cứu và tìm hiểu vai trò của các thiệt bị UPFC trong việc điều khiển hệ thống điện, xây dựng mô hình tính toán của thiết bị sử dụng cho bài toán giải tích mạng điện.
Xây dựng chương trình Matlab và thực hiện tính toán, mô phỏng hệ thống điện trước và sau khi lắp đặt thiết bị để đánh giá tác động của thiết bị đến dòng công suất trên đường dây truyền tải.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đề tài tập trung nghiên cứu, tìm hiểu các thiết bị FACTS, đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý hoạt động và mô hình toán của thiết bị UPFC. Tính toán hệ thống điện ở chế độ xác lập khi sử dụng UPFC, xem xét ảnh hưởng của UPFC đền việc điều khiển dòng công suất trong hệ thống điện.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN CỦA ĐỀ TÀI Các kết quả thu được từ đề tài nhầm tìm hiểu sâu về nguyên lý hoạt động và khả năng điều khiển của UPFC trong hệ thống điện. Nghiên cứu sử dụng UPFC nâng cao khả nâng truyền tải công suất trên đường dây, tăng độ tin cậy, ổn định và cân bằng dòng công suất trong hệ thống điện. 3 Chương 2 GIỚI THIỆU THIẾT BỊ FACTS 2.1 TỔNG QUAN Việc sử dụng lợi ích của điện được bắt đầu cuối năm 1890 [18] khi đèn hồ quang được sử dụng làm đèn hải đăng và đèn đường.
Hệ thống điện hoàn chỉnh đầu tiên được Thomas Edison xây dựng tại New York vào năm 1882 [18]. Hệ thống DC này bao gồm máy phát điện DC chạy bằng hơi nước, cấp điện cho 59 tải trong bán kính 1,5km chủ yếu thắp sáng, điện áp 110V. Vài năm sau đó thì các hệ thống tương tự đưa vào vận hành ở hầu hết các thành phồ lớn trên thế giới. Nhưng do hệ thống DC bị giới hạn khoảng cách truyền tải và để giữa cho tổn thất công suất (I2R) và sụt áp trong mức cho phép đối đòi hỏi cấp điện áp phải cao đối với những hệ thống truyền tải dài.
Đến năm 1980 có cuộc cạnh đấu tranh lợi ít khi tiêu chuẩn hóa hệ thống điện công nghiệp theo AC hay DC. Sau gần thế kỉ thì hệ thống AC đã được lựa chọn. FACTS hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt. Khái niệm FACTS được đề xuất bởi Viện Nghiên cứu Năng lượng Mỹ (EPRI) năm 1980 [11], [16] với hai chức năng chính là: tăng khả năng truyền tải của hệ thống và giữ dòng công suất trong mức quy định.
Hiện nay, để nâng cao khả năng truyền tải trên đường dây một số biện pháp thường sử dụng là bù ngang và bù dọc bằng điện kháng hoặc điện dung cố định hoặc điều khiển theo cấp. Công nghệ FACTS ra đời cuối thập niên 80 đã giúp quá trình điều khiển dòng công suất linh hoạt hơn. Các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCR, TCSC, STATCOM và UPFC… Các thiết bị FACTS ngày càng được phổ biến như: Thiết bị FACTS đầu tiên được lắp đặt tại Mỹ là bộ STATCOM công suất 100MVAR của Công ty điện lực Mỹ (TVA) [3], tiếp theo bộ UPFC đầu tiên công suất 160MVA được lắp đặt tại 4 trạm Inez bang Kentucky của Mỹ vào năm 1997 [1]-[2], và UPFC công suất 80MVA được lắp ở trạm Kangjin Hàn Quốc năm 2003 [7], ngoài ra còn có SSSC công suất 100MVA được lắp được lắp ở trạm Marcy trung tâm New York [14]… Qua những dự án trên cho thấy thiết bị FACTS các thiết bị đã được sử dụng điều khiển dòng công suất trên hệ thống điện từ lâu, đồng thời với sự phát triển của ngành điện tử công suất chế tạo thiết bị điện tử công suất lớn 4500V6000V, 4000A6000A [3] đáp ứng cho đường dây công suất lớn.2 LỢI ÍCH KHI SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS Công nghệ FACTS ra đời đã thực sự thu hút đối với nhừng nhà hoạch định truyền tải, mở ra cơ hội mới trong việc điều khiển dòng công suất và nâng cao khả năng vốn có của đường dây hiện tại, cũng như đường dây cải tạo và đường dây mới. Các thiết bị FACTS có thể điều khiển các thông số có ảnh hưởng đến đường dây truyền tải bao gồm: trở kháng nối tiếp, trở kháng song song, dòng điện, điện áp, góc pha và giảm dao động ở tần số thấp dưới tần số định mức [8],[12],[16].
Thiết bị FACTS làm cho đường dây truyền tải mang công suất gần giới hạn phát nóng của nó. Các thiết bị điều khiển FACTS có thể áp dụng riêng lẻ hay kết hợp với nhau để điều khiển một hay nhiều thông số ảnh hưởng đến hệ thống như đã trình bày ở trên bởi vì chúng áp dụng kỹ thuật cơ bản như nhau.3 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ FACTS Cùng với sự phát triển kỹ thuật điện tử công suất lớn ngày càng có nhiều thiết bị FACTS được thiết kế và áp dụng. Các thiết bị FACTS khác nhau có mô hình vật lý và thông số điều khiển khác nhau, và điều khiển công suất khác nhau [11]. Nhìn chung các mô hình trạng thái xác lập của FACTS có thể phân thành 2 loại [11]: Mô hình tách rời và mô hình kết hợp.
Mô hình tách rời những thiết bị FACTS thường được thay thế bằng nút ảo PV hoặc nút PQ, thường làm thay đổi cấu trúc ma trận J. 5 Mô hình kết hợp bao gồm 2 mô hình chính [11]: mô hình nguồn áp/dòng (VSM) và mô hình bơm công suất (PIM). Mô hình VSM được xây dựng như nguồn áp/dòng bơm vào nối tiếp hoặc song song theo nguyên tắc hoạt động của thiết bị; do đó nó có thể đại diện cho thiết bị tương ứng cách trực quan. Tuy nhiên mô hình SVM làm mất đặc tính đối xứng ma trận nạp.
Mô hình PIM được phát triển từ mô hình SVM bởi Han năm 1982 [11]. Với việc chuyển đổi nguồn áp/dòng bơm vào thành công suất bờm vào thanh cái liên quan, PIM giữ được đặc tính đối xứng ma trận nạp với ưu thế này nên mô hình PIM được mở rộng đến tất cả các thiết bị FACTS. Dựa vào đặc tính trạng thái xác lập có thể chia FACTS thành 3 loại như trong Bảng 2. Phân loại thiết bị FACTS Chức Công suất bơm vào Mục tiêu Biến năng Thiết bị Nhóm điều điều trạng thái Biến Bơm công FACTS khiển khiển xác lập kiểm suất không soát kiểm soát Bộ điều SVC Điều khiển chỉnh điện VI QII(inj) IS song áp STATCOM song TCPS Điều Bộ điều khiển QIL(inj), TCSC xc khiển nối PL PI(inj) dòng công QJ(inj) tiếp suất thực SSSC VC Điều khiển Bộ điều PI(inj), công suất VT,T, khiển kết PL, QL, VI QIL(inj), QJ(inj) UPFC thực, Iq hợp QII(inj) kháng và điện áp 6 Để phát triển phương pháp điều khiển linh hoạt dòng công suất cho các thiết bị FACTS, đầu tiên dựa vào mô hình PIM, mô hình thiết bị FACTS dùng trong việc điều khiển dòng công suất xây dựng dựa trên phân loại của chúng.4 MỘT SỐ THIẾT BỊ FACTS 2.1 Thiết bị bù VAR tĩnh (SVC) 2.1 Giới thiệu Thiết bị SVC lần đầu tiên được dùng bù cho những tải thay đổi nhanh như các nhà máy luyện thép, hồ hồ quang.
Ở đây SVC được dùng cải thiện hệ số công suất và cân bằng dòng điện phía nguồn bắt cứ khi có yêu cầu. Việc ứng dụng bù trên đường dây truyền trải được thực hiện vào cuối những năm 70 [14]. Với mục tiêu chính là: - Tăng công suất truyền tải trên đường dây dài; - Tăng ổn định bằng cách điều chỉnh điện áp tác dụng nhanh; - Giảm dao động tần số thấp do chế độ quay (rotor); - Giảm dao động tần số không đồng bộ do chế độ xoắn; - Điều khiển qua điện áp động. SVC là thiết bị điều khiển điện áp đường dây truyền tải nhanh chóng và đáng tin cậy.
Với thời gian đáp ứng trung bình nhanh hơn rất nhiều so với thiết bị dùng cơ. Ngoài ra, nó cũng có thể được dùng để giảm dao động công suất trong hệ thống. Khi điện áp hệ thống giảm xuống thấp, SVC phát công suất kháng bù vào. Khi điện áp lên cao, SVC lại hút bớt phần công suất kháng này.
Công suất kháng được điều chỉnh thay đổi bằng cách đóng cắt các tụ điện và điện kháng kết nối vào thứ cấp máy biến áp. Mỗi tụ điện được đóng/cắt bằng van Thyristor (TSC). Các điện kháng cũng có thể được đóng/cắt hoặc điều khiển bằng thyristor (TSR). Các thành phần chính của SVC được thể hiện trong Hình 2.2 Cấu tạo Một SVC được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: Thành phần cảm kháng có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành.
Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa đóng mở (GTO). Mô hình SVC có 2 hoại: - Tụ cố định – Bộ kháng điều khiển Thyristor (FC-TCR); - Tụ đóng mở bằng Thyristor – Bộ kháng điều khiển Thyristor (TSC- TCR). Loại thứ hai linh hoạt hơn loại đầu và yêu cầu phạm vi hoạt động bộ kháng nhỏ hơn, phát sinh hồ quang ít. Sơ đồ SVC Các thành phần chính của SVC: Bộ kháng điều chỉnh bằng thyristor (TCR): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
