Tổng quan ứng dụng thiết bị facts MỤC LỤC Phần 1: Tổng quan ứng dụng thiết bị FACTS 1.1 Giới thiệu 1.2 Định nghĩa 1.3 Phân loại thiết bị FACTS Phần 2: Ứng dụng thiết bị FACTS hệ thống điện 2.1 Bộ SVC 2.2 Bộ STATCOM 2.3 Bộ SSSC 2.4 Bộ TCSC 2.5 Bộ UPFC Tài liệu tham khảo PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS 1.1 Giới thiệu Hiện nay, có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt sử dụng thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn thiết bị phát công suất hợp lý, dung lượng bù tối ưu phân tích chế độ xác lập, độ chưa quan tâm sâu sắc Thực tế nay, hệ thống điện sử dụng hệ thống điện xoay chiều Đây hệ thống điện phức tạp bao gồm máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, thiết bị bù phụ tải…., chia thành ba khâu chính: Sản xuất, truyền tải phân phối Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, cần phải đáp ứng yêu cầu sau: • Các máy phát điện làm việc chế độ đồng • Điện áp vận hành nằm giới hạn cho phép • Tần số vận hành nằm giới hạn cho phép • Các đường dây phải vận hành điều kiện bình thường không tải • Các phụ tải phải cung cấp nguồn điện đầy đủ Trong hệ thống điện công suất truyền tải đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp góc truyền tải điểm đầu điểm cuối đường dây, đại lượng giới hạn công suất truyền tải đường dây Vì vậy, khả truyền tải công suất đường dâu cải thiện đáng kể việc tăng công suất phản kháng phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang ( mắc song song), tụ điện bù dọc ( mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây Để nâng cao chất lượng điện áp ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, có nhiều công trình nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, thiết bị bù chưa đáp ứng yêu cầu phản ứng nhanh nhạy hệ thống có sụ thay đổi đột ngột nhu cầu công suất phản kháng Vì thế, Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt – FACTS ( FLEXIBLE AC TRANSMISSION ) đời đáp ứng yêu cầu độ phản ứng nhanh nhạy dung lượng bù tối ưu cho hệ thống chế độ làm việc Ngoài ra, FACTS dùng để nâng cao khả điều khiển hệ thống điện tăng khả truyền tải công suất đường dây 1.2 Định nghĩa FACTS định nghĩa IEEE là: ” Hệ thống sử dụng thiết bị điện tử công suất thiết bị tĩnh khác để điều khiển nhiều thông số hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả nâng điều khiển khả truyền tải công suất” Qua định nghĩa trên, cho thấy tầm quan trọng thiết bị FACTS điến hệ thống điện có ảnh hưởng lớn kinh tế kỹ thuật Trong thực tế, tính chất tiêu thụ điện thời điểm khác nhau, tình trạng vận chuyển công suất đường dây truyền tải khác nhau, thời điểm hệ thống có đường dây bị tải đường dây khác non tải ngược lại Với đà phát triển công nghiệp hóa nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho phụ tải ngày cao, cho nên, đường dây truyền tải cao áp đặt tình trạng báo động xảy tượng: tải đường dây, nhiễu hệ thống ( dao động tần số, điện áp,….) Nhằm tăng khả truyền tải điện hệ thống, khắc phục nhược điểm nói trên, giới, người ta áp dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện Các thiết bị sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng góc pha đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS giúp cho nhà cung cấp điện lợi ích sau: • Tận dụng lưới truyền tải hữu để lắp đặt thiết bị FACTS • Giảm chi phí đầu tư • Tăng độ tin cậy khả sẵn sàng hệ thống truyền tải • Tăng độ ổn định độ lưới • Tăng chất lượng cung cấp điện cho ngành công nghiệp ngành có yêu cầu chất lượng điện cao • Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường xung quanh 1.3 Phân loại thiết bị FACTS Trước đây, mà ngành công nghiệp điện tử công suất chưa phát triển mạnh việc nâng cao chất lượng điện áp hệ thống điện bị hạn chế thời gian đáp ứng chậm, đó, phải thực việc đóng cắt khóa khí phần tử điện cuộn dây, tụ điện, chuyển đổi nấc máy biến áp… để ổn định điện áp hệ thống Ngày nay, với phát triển mạnh nhanh chóng thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao công nghệ FACTS đời nhằm giúp cho trình thực điều khiển điện áp hệ thống điện, cụ thể đường dây truyền tải linh hoạt nhanh chóng Một số nước tiên tiến sử dụng thiết bị FACTS mạng truyền tải, cụ thể Mỹ, Canada, Brazil… nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS Các thiết FACTS thường sử dụng là: • Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh • Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng tĩnh • Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiển Thyristor • Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :Bộ bù nối tiếp đồng tĩnh • Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp • High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây chiều cao áp PHẦN 2: ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Bộ bù công suất Var tĩnh –SVC Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hầu hết SVC kết nói đến mạng lưới truyền tải điện thông qua máy biến áp tang áp ghép Ở phía nút điện áp thấp máy biến áp, nói chung có phần tử sử dụng: cuộn kháng điều khiển Thyristor (TCR), tụ chuyển mạch thyristor (TSCs) lọc song hài ổn định a) TCR (Thyristor Controlled Reactor): Là thiết bị dùng điều khiển cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới cách điều khiển góc kích thyristor nối vào điện áp thấp Sơ đồ mạch pha TCR, bao gồm cặp thyristor mắc song song, ngược chiều nối vào cuộn điện kháng tuyến tính Hình 2.1a: Cấu tạo TCR Trong đó: XL: Điện kháng T: Thyristor có chức điều chỉnh dòng điện qua TCR G : Cực kích thyristor Đóng ngắt có điều khiển thyristor kết hợp với đáp ứng cuộn kháng tuyến tính cho phép điện kháng hiệu dụng tần số TCR, mà hàm số góc kích, thay đổi cách liên tục từ giá trị điện kháng xác định cuộn kháng (ứng với trạng thái dẫn hoàn toàn Thyristor) đến giá trị vô hạn (ứng với trạng thái ngắt thyristor) b) TSC ( Thyristor Switched Capacitor): thiết bị bù công suất phản kháng điều chỉnh theo dạng nhảy cấp, có khả đóng cắt tụ điện cách kích đóng ngắt thyristor Bộ TSC kết hợp với TCR cho phép điện kháng tương đương chúng thay đổi liên tục từ tính dung sang tính kháng Sơ đồ mạch pha TSC bao gồm cặp Thyristor mắc song song, ngược chiều nối vào tụ điện Hình 2.1b: Cấu tạo TSC Trong đó: - C : Bộ tụ điện - T : Thyristor có chức đóng ngắt tụ điện - Van thyristor đóng mở phụ thuộc vào tín hiệu xung điều khiển vào cực G thyristor Bộ TSC thực chất tụ điện đóng mở hai thyristor mắc đối song, thay đổi tín hiệu xung làm thay đổi giá trị điện dung C mạch c) Fixed Filters: thiết bị dùng để lọc sóng hài Mục đích lọc sóng hài bậc cao bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất chế độ làm việc TCR gây ( thyristor dẫn không hoàn toàn, dòng điện qua TCR dạng hình sin) Sơ đồ mạch môt pha lọc sóng hài gồm có cuộn điện kháng XL nối tiếp vào tụ điện C Hình 2.1c: Cấu tạo lọc sóng hài Trong đó: C: Bộ tụ điện XL: Cuộn điện kháng Các phụ tải phi tuyến phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) nguồn tạo sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện pha, thành phần bậc cao xuất ảnh hưởng chủ yếu bậc 5,7,11 13, riêng sóng hài bậc ba thường hạn chế loại bỏ nhờ hình thức đấu dây máy biến áp giải thuật điều khiển cung cấp cho biến đổi công suất Các mạch lọc cộng hưởng điều chỉnh đến giá trị tần số thành phần sóng hài bậc cao cần khử bỏ lúc mạch lọc cộng hưởng tác động trở kháng ngắn mạch cho sóng hài bậc cao nên hạn chế ảnh hưởng lên nguồn điện áp lưới điện Khi thay đổi góc kích α thyristor, điện kháng hiệu dụng TCR thay đổi Sự thay đổi điện kháng TCR thay đổi điện kháng hiệu dụng SVC Với nguyên lý làm việc trên, SVC cung cấp tiêu thụ công suất phản kháng cho hệ thống truyền tải điện Sự thay đổi để phát hay thu công suất phản kháng nhằm mục đích điều chỉnh giá trị điện áp điểm kết nối với hệ thống điện Hình 2.1d: Sơ đồ SVC ISVC: Dòng điện SVC với điện áp nút điện áp cao PIsvc: Công suất tác dụng bơm vào bên máy biến áp ghép từ nút điện áp thấp SVC Ứng dụng bù công suất Var tĩnh – SVC: Hình 2.1e: Sơ đồ kết nối SVC với hệ thống điện Hình 2.1e Trình bày cấu trúc thành phần SVC [3] Bộ SVC áp dụng rộng rãi hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác Mục đích thường sử dụng để điều khiển điện áp điểm yếu hệ thống điện Nó thường lắp đặt điểm đường dây truyền tải liên kết vùng tải Nhờ độ xác cao, tính khả dụng đáp ứng nhanh, thiết bị SVC cung cấp trạng thái ổn định điều khiển điện áp độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVC sử dụng để làm giảm dao động công suất, cải thiện độ ổn định độ giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng 2.2 Bộ bù đồng tĩnh –STATCOM Cấu tạo nguyên lý hoạt động Hình 2.2a: Giản đồ STATCOM Bộ STATCOM mắc song song với đường dây hoạt động không cần nguồn lượng dự trữ có tác dụng máy bù công suất phản kháng Việc điều khiển dòng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện thực cách điều khiển điện áp ngõ V pha với điện áp hệ thống V T (hình 2.2a) • Nếu V nhỏ điện áp hệ thống VT dòng điện nghịch lưu qua cuộn kháng mang tính cảm, STATCOM nhận công suất phản kháng từ hệ thống • Nếu V lớn điện áp hệ thống V T dòng điện nghịch lưu qua cuộn kháng mang tính dung, STATCOM phát công suất phản kháng lên hệ thống Hình 2.2b mô tả cấu trúc biến đổi nguồn điện áp (VSC) Hình 2.2b: Cấu trúc VSC Hình 2.2b biểu diễn cấu trúc biến đổi toàn sóng pha có chuyển mạch, mổi gồm có GTO(gate-turn-off) thyristor nối đối song với diode Với mục tiêu tạo dạng sóng điện áp đầu gần dạng sóng hình sin có thể, chuyển mạch thyristor GTO riêng lẽ VSC t hì điều khiển khối chương trình điều khiển chuyển mạch, thiết kế để giảm đến mức tối thiểu phát sinh sóng hài lúc VSC làm việc nhu cầu cho việc lọc sóng hài Hầu hết phương pháp thường sử dụng cho việc điều khiển điện áp xoay chiều phương pháp biến đổi là: _ Thay đổi điện áp chiều với biến đổi sóng đầy đủ, gọi điều biến biên độ xung (Pulse Amplitude Modulation - PAM) _Điện áp chiều không đổi với điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulated - PWM) Nguyên lý STATCOM sử dụng biến đổi nguồn điện áp (VSC) dựa kỹ thuật phần tử điện tử công suất (GTO) thyristor hay tranzitor lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT) với khả ngắt dòng điện có xung ngắt gửi đến cổng điều khiển Điều cho phép cho STATCOM phát nguồn điện áp xoay chiều AC đầu cực biến đổi lúc tần số yêu cầu với biên độ điều chỉnh được, sơ đồ khối STATCOM thể hình 2.2c Sự chuyển đổi công suất phản kháng với lưới điện đạt điều khiển biên độ điện áp V chuyển đổi công suất tác dụng điều khiển dịch chuyển pha ψ Sự thay đổi công suất tác dụng thường điều khiển điện áp chiều Hình 2.2c: Nguyên lý hoạt động STATCOM Ứng dụng bù đồng tĩnh – STATCOM: Hình 2.2d: Sơ đồ kết nối STATCOM với hệ thống điện Bộ STATCOM thiết bị bù ngang, chuyển đổi nguồn điện áp chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện STATCOM không yêu cầu thành phần cảm kháng dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống truyền tải cao áp Một lợi khác đầu phản ứng nhanh điện áp hệ thống thấp 2.3 Bộ bù nối tiếp đồng tĩnh –SSSC Hình 2.3: Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện Bộ SSSC thiết bị bù nối tiếp vào đường dây, phát lượng điện áp yêu cầu hệ thống điện, biến đổi điện áp hệ thống từ AC sang điện áp DC Bộ SSSC điều khiển công suất thực công suất kháng với hệ thống AC 2.4 Bộ bù dọc điều khiển Thyristor –TCSC Hình 2.4: Cấu trúc TCSC Bộ TCSC thiết bị bù dùng truyền tải điện, để nâng cao khả ổn định hệ thống điện, đặc biệt khả ổn định động chế độ cố 2.5 Bộ điều khiển dòng công suất hợp –UPFC 10 Hình 2.5: Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống Bộ UPFC thiết bị dùng để điều khiển dòng công suất đường dây truyền tải điện UPFC cho phép điều khiển đồng thời dòng công suất thực, dòng công suất phản kháng độ lớn điện áp kết nối 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguồn Internet: _ http://evnhanoi.vn/content/1800-Ung-dung-cong-nghe-Facts-trong-luoi-dien-truyen-tai.aspx _http/www.researchgate.net/profile/Mithulananthan_Nadarajah2/publication/43516579_Facts_about_flexib le_AC_transmission_systems_(FACTS)_controllers_Practical_installations_and_benefits/links/00463516e 72a6929b3000000&prev=search Paper: Facts about Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Controllers: Practical Installations and Benefits Paper: How FACTS Controllers Benefit AC Transmission Systems Paper: Some Applications of Distributed Flexible AC Transmission System (D-FACTS) Devices in Power Systems -HẾT - 12 ... http://evnhanoi.vn/content/1800-Ung-dung-cong-nghe -Facts- trong- luoi-dien-truyen-tai.aspx _http/www.researchgate.net/profile/Mithulananthan_Nadarajah2/publication/43516579 _Facts_ about_flexib le_AC_transmission_systems_ (FACTS) _controllers_Practical_installations_and_benefits/links/00463516e... le_AC_transmission_systems_ (FACTS) _controllers_Practical_installations_and_benefits/links/00463516e 72a6929b3000000&prev=search Paper: Facts about Flexible AC Transmission Systems (FACTS) Controllers: Practical Installations and Benefits Paper: How FACTS Controllers Benefit AC Transmission... tải công suất” Qua định nghĩa trên, cho thấy tầm quan trọng thiết bị FACTS điến hệ thống điện có ảnh hưởng lớn kinh tế kỹ thuật Trong thực tế, tính chất tiêu thụ điện thời điểm khác nhau, tình trạng