ABSTRACT With the widespread application of FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) devices and secondary voltage control in power system at present. In this paper proposes a new coordinated secondary voltage control scheme for power systems have SVC (Static Var Compensator) and STATCOM (Static Synchronous Compensator), based on synchronised voltage measurements for all nodes by phasor measurement units (PMUs) and extensive communication networks. The objective is to enhance the quality of voltage for power systems. The secondary voltage control scheme developed in the paper is based on the linearisation of the power system load-flow equations about the current operating point defined by nodal voltages obtained from phasor measurement units (PMUs). iv 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Giới thiệu: Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống [1]. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc. Theo thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều. Hệ thống điện xoa y chiều là một hệ thống điện phức tạp, gồm có các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải , máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải…và được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối. 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. Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải. Trong hệ thống điện, c ông suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, những đại lượng này giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song 2 song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khi ển điện áp dọc theo chiều dài đường dây. Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, các thiết bị bù đó vẫn chưa đáp ứng được các yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS-Flexible AC Transmission System) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như 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. FACTS được định nghĩa bởi IEEE là : “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”[2]. Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật. Trong thực tế, do tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên trình trạng vận chuyển công suất trên các đường dây truyền tải cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống sẽ có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác thì non tải và ngược lại. Với đà phát triển công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho các phụ tải ngày càng cao và hiện nay đường dây truyền tải cao áp luôn đặt trong trình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như là quá tải đường dây, những hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp…. Nhằm tăng khả năng truyền tải điện năng trên hệ thống điện, khắc phục những nhược điểm nêu trên, trên thế giới người ta đã sử dụng các thiết bị FACTS. Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường 3 dây xoay chiều cao áp. Các thiết bị FACTS đã giúp cho nhà cung cấp điện những lợi ích sau đây: - - - - - 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. 1.2. Đặt vấn đề: Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất , thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lư ợng trong hệ thống điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng, do tăng mạnh bất t hường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp (các công ty luyện sắt, thép…). Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau). Trong điều kiện vận hành không bình thường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất có thể rơi vào trình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến s ự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ các nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. 4 Trước đây, khi mà ngành công ngh điện tử công suất cao chưa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp…để ổn định điện áp trên hệ thống. Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là: - SVC (Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh. - UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất. - STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh. -TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển thyristor. - SSSC (Static synchronous series compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh. - HVDC (Hight voltage direct current): Dòng một chiều điện áp cao. ệ 5 1.3. Ứng dụng của thiết bị FACTS trong hệ thống điện: 1.3.1. Bộ bù công suất VAr tĩnh SVC (Static VAr Compensator): Nút điện áp cao Máy biến áp ghép bộ Nút điện áp thấp TCR-TSR TSC Fillter FC FR Hình 1.1: Sơ đồ kết nối bộ SVC với hệ thống điện. Hình 1.1. Trình bày cấu trúc và những thành phần chính của bộ SVC [3]. Bộ SVC 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 là để điều khiển điện áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống điện. Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải. Nhờ độ chính xác cao, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường. Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng. 6 1.3.2. Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Synchronous Compensator): V V o I Hệ thống điện V dc STATCOM Hình 1.2: Sơ đồ kết nối bộ STATCOM với hệ thống điện Bộ STATCOM là một thiết bị bù ngang , nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện. STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho các hệ thống truyền tải cao áp. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng nhanh ở điện áp hệ thống thấp. 7 1.3.3. Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator): I Vc I Hệ thống điện V dc SSSC Hình 1.3: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện Bộ SSSC là thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, nó có thể phát ra một lượng điện áp được yêu cầu của hệ thống điện, nó có thể biến đổi điện áp của hệ thống từ AC sang điện áp DC . Bộ SSSC có thể điều khiển cả công suất thực và công suất kháng với hệ thống AC. 1.3.4. Bộ bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor Controlled Series Compensation): iline ic + C - t1 il Ls t2 Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC 8 Bộ TCSC là một thiết bị bù dùng trong truyền tải điện, để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là khả năng ổn định động trong chế độ sự cố. 1.3.5. Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất UPFC (Unified Power Flow Controller). V V I I Vc I V dc STATCOM Bộ UPFC SSSC Hình 1.5: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống Bộ UPFC là một thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất trên đường dây truyền tải điện. UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng công suất phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối. Qua phân tích những ứng dụng của các thiết bị FACTS được nêu trên, tôi nhận thấy giải pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện bằng bộ STATCOM (Static Synchronous Compensator) và bộ SVC (Sta tic VAr Compensator) có ưu điểm tốt nhất, đây là hai thiết bị bù được sử dụng để điều khiển điện áp trên đường dây truyền tải, hai thiết bị này hoạt động với độ chính xác cao, đáp ứng nhanh các dao động khi hệ thống bị nhiễu, có thể đạt được trạng thái ổn định và điều khiển điện áp với chất lượng cao và linh hoạt nhất. Đó cũng là lý do để tôi chọn hai thiết bị FACTS là SVC và STATCOM nối song song , đồng thời sử dụng bộ điều khiển o o 9 điện áp cấp 2 phối hợp với bộ đo lường đại lượng phức (PMUs) và mạng truyền thông diện rộng để điều khiển biên độ điện áp ở tất cả các nút trong hệ thống điện. Mục đích chính của luận văn là xây dựng chiến lược điều khiển điện áp trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS thuộc loại SVC và STATCOM. Chiến lược điều khiển sẽ phối hợp việc điều khiển điện áp tai các máy phát với chức năng điều khiển điện áp của các thiết bị SVC và STATCOM. Chiến lược điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở cực tiểu độ lệch điện áp so với giá trị định mức tại các nút tải. Điện áp tại các nút tải được đo lường thông qua bộ đo lường đại lượng phức, trong đó đo cả biên độ và góc pha của điện áp nút, và mạng truyền thông diện rộng. Chiến lược điều khiển được xây dựng trong luận văn đã được ứng dụng cho một mạng điện tiêu biểu. Các kết quả mô phỏng cho thấy tính hiệu quả và khả năng áp dụng chiến lược điều khiển cho mạng điện thực tế. [...]... đề liên quan đến điều khiển điện áp trong hệ thống điện cần phải được tìm hiểu Trong chương sau đây sẽ trình bày các yêu cầu về điều khiển điện áp, cấu trúc điều khiển điện áp và các phương pháp điều khiển điện áp cấp 2 3.1 Yêu cầu về điều khiển điện áp: Yêu cầu điều khiển điện áp trong hệ thống điện được phân loại dựa trên thời gian áp ứng của hệ thống và mức an toàn về điện áp liên quan đến các khoảng... định từ mức điều khiển cao hơn (mức điều khiển cấp 2) Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp cấp 1 áp dụng cho bộ điều khiển điện áp như là hệ thống kích thích máy phát SVC hoặc STATCOM được cho hình 3.1 29 Hình 3.1 biểu diễn Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp với điều khiển điện áp cấp 1: Hệ thống điện Bộ điều khiển (kích thích máy phát, SVC, STATCOM) Thiết bị đo lường khu vực Biến điều khiển đo được... thời gian của nó, việc điều khiển điện áp của toàn hệ thống đã được thiết kế và sử dụng theo một cấu trúc phân cấp [10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20] Phần tiếp theo sẽ mô tả cấu trúc điều khiển điện áp hoàn chỉnh mà nó bao gồm có 3 cấp điều khiển sau đây: - Điều khiển điện áp cấp 1 (sơ cấp) - Điều khiển điện áp cấp 2 ( thứ cấp) - Điều khiển điện áp cấp 3 3.2 Cấu trúc điều khiển điện áp đa cấp: 3.2.1 Tổng... riêng biệt so với chiến lược điều khiển tần số Đối với điều khiển điện áp , ngoài các máy phát điện tại các nhà máy điện, chiến lược điều khiển còn dựa trên nhiều bộ điều khiển được lắp đặt trong lưới điện Cấu trúc phân cấp của điều khiển điện áp được áp dụng cho các bộ điều khiển phân bố sẽ được trình bày cho phần sau đây: 3.2.2 Điều khiển điện áp cấp 1(sơ cấp): Điều khiển điện áp cấp 1 liên quan đến các... điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống để nâng điện áp lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp của hệ thống, dòng điện và dòng công suất phản kháng chạy từ lưới vào STATCOM, cho nên hạn chế quá điện áp trên lưới điện 26 CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Trước khi xây dựng chiến lược điều khiển điện áp, các vấn đề liên quan đến điều. .. đo được Đầu ra tín hiệu điều khiển _ Giá trị đặt của biến điều khiển + ∑ Bộ điều khiển điện áp cấp 1 Hình 3.1: Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp với điều khiển điện áp cấp 1 Các bộ điều khiển điện áp cấp 1 được sử dụng trong các bộ điều khiển sau đây: - Máy phát hoặc máy bù đồng bộ lắp đặt bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR - Tụ điện hoặc cuộn kháng liên quan đến bộ điều khiển tự động và được đóng,... tự như điều khiển tần số trong hệ thống điện, việc điều khiển điện áp cũng có cấu trúc phân cấp Tuy nhiên, có các điểm khác biệt quan trọng giữa điều khiển điện áp và điều khiển tần số Trong điều khiển tần số chỉ có một tín chung cho toàn bộ hệ thống và đó cũng chính là tần số vận hành của hệ thống mà nó áp ứng như nhau theo sự khác biệt giữa tổng công suất tác dụng phát ra giữa các nhà máy điện và... các tải Mặc khác, trong điều khiển điện áp có nhiều 28 điện áp riêng biệt được điều khiển tại tất cả các vị trí trong hệ thống và áp ứng điện áp không đồng nhất theo từng vị trí đối với sự phân bố nhu cầu công suất phản kháng và mức cung cấp công suất phản kháng cho trước Do sự khác biệt nội tại giữa điều khiển điện áp và điều khiển tần số nói trên, chiến lược để điều khiển điện áp đã được phát triển... có tác dụng như là một máy bù công suất phản kháng Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp ngõ ra V cùng pha với điện áp hệ thống V T (hình 2.8) - Nếu V nhỏ hơn điện áp hệ thống V T thì dòng điện bộ nghịch lưu đi qua cuộn kháng sẽ mang tính cảm, bộ STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống - Nếu V lớn hơn điện áp hệ thống V... được các mục tiêu điều khiển để xác định được các mục tiêu điều khiển được xác định ở mức điều khiển cấp 3 31 3.3 Những phương pháp điều khiển điện áp cấp 2: Xuất phát từ sơ đồ điều khiển ban đầu mà dựa trên bộ điều khiển tỷ lệ tích phân (PI), bộ điều khiển cấp 2 đã được cải tiến để trở thành bộ điều khiển điện áp cấp 2 phối hợp ( trước đây chỉ dùng bộ điều khiển PI) mà ở đó luật điều khiển được hình . diện rộng để điều khiển biên độ điện áp ở tất cả các nút trong hệ thống điện. Mục đích chính của luận văn là xây dựng chiến lược điều khiển điện áp trong hệ thống điện có các thiết bị FACTS thuộc. 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Giới thiệu: Hiện nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn. phản kháng và độ lớn điện áp tại thanh cái kết nối. Qua phân tích những ứng dụng của các thiết bị FACTS được nêu trên, tôi nhận thấy giải pháp điều khiển điện áp trong hệ thống điện bằng bộ STATCOM (Static