Các Phân Loại và Loại của Bộ Điều Khiển và Thiết Bị FACTS Là Gì?
Theo loại kết nối của Bộ điều khiển FACTS với hệ thống điện, nó được phân loại như sau;
Bộ điều khiển nối tiếp
Bộ điều khiển nối song song
Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp
Bộ điều khiển kết hợp nối song song-nối tiếp
Bộ điều khiển nối tiếp
Bộ điều khiển nối tiếp giới thiệu một điện áp nối tiếp với điện áp đường dây, thường sử dụng thiết bị trở kháng dung hoặc cảm. Chức năng chính của chúng là cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng biến đổi theo nhu cầu.
Khi đường dây truyền tải bị tải nặng, nhu cầu công suất phản kháng tăng lên được đáp ứng bằng cách kích hoạt các phần tử dung trong bộ điều khiển nối tiếp. Ngược lại, khi tải nhẹ - nơi nhu cầu công suất phản kháng giảm khiến điện áp đầu nhận cao hơn điện áp đầu gửi - các phần tử cảm được sử dụng để hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, ổn định hệ thống.
Trong hầu hết các ứng dụng, tụ điện được lắp đặt gần cuối đường dây để bù công suất phản kháng. Các thiết bị phổ biến cho mục đích này bao gồm Bộ tụ điện nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) và Bộ bù tĩnh đồng bộ nối tiếp (SSSC). Cấu hình cơ bản của bộ điều khiển nối tiếp được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ điều khiển nối song song
Bộ điều khiển nối song song tiêm dòng vào hệ thống điện tại điểm kết nối, sử dụng trở kháng biến đổi như tụ điện và cuộn cảm - tương tự về nguyên tắc với bộ điều khiển nối tiếp nhưng khác về cách kết nối.
Bù dung nối song song
Khi một tụ điện được kết nối song song với hệ thống điện, phương pháp này được gọi là bù dung nối song song. Đường dây truyền tải có tải cảm lớn thường hoạt động ở hệ số công suất hụt. Tụ điện nối song song giải quyết vấn đề này bằng cách hút dòng dẫn trước điện áp nguồn, bù lại tải hụt và cải thiện tổng thể hệ số công suất.
Bù cảm nối song song
Khi một cuộn cảm được kết nối song song, phương pháp này được gọi là bù cảm nối song song. Phương pháp này ít được sử dụng trong mạng truyền tải nhưng trở nên quan trọng đối với các đường dây rất dài: trong điều kiện không tải, tải nhẹ hoặc tải ngắt, hiệu ứng Ferranti gây ra điện áp đầu nhận vượt quá điện áp đầu gửi. Bộ bù cảm nối song song (ví dụ, cuộn cảm) hấp thụ công suất phản kháng dư thừa để giảm thiểu sự tăng điện áp này.
Các ví dụ về hệ thống bộ điều khiển nối song song bao gồm Bộ bù VAR tĩnh (SVC) và Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM).
Bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp
Trong các hệ thống truyền tải nhiều đường dây, bộ điều khiển kết hợp nối tiếp-nối tiếp sử dụng một tập hợp các bộ điều khiển nối tiếp độc lập làm việc phối hợp. Cấu hình này cho phép bù công suất phản kháng riêng biệt cho mỗi đường dây, đảm bảo hỗ trợ phù hợp cho mỗi mạch.
Ngoài ra, các hệ thống này có thể giúp chuyển công suất thực giữa các đường dây thông qua một liên kết điện chuyên dụng. Hoặc chúng có thể sử dụng thiết kế bộ điều khiển thống nhất, trong đó các đầu cực DC của các bộ chuyển đổi được kết nối với nhau - cấu hình này trực tiếp cho phép chuyển công suất thực đến các đường dây truyền tải. Một ví dụ tiêu biểu về hệ thống như vậy là Bộ điều khiển lưu lượng điện năng liên kết (IPFC).
Bộ điều khiển kết hợp nối song song-nối tiếp
Loại bộ điều khiển này tích hợp hai thành phần chức năng: bộ điều khiển nối song song tiêm điện áp song song với hệ thống, và bộ điều khiển nối tiếp tiêm dòng nối tiếp với đường dây. Quan trọng là, hai thành phần này hoạt động phối hợp để tối ưu hóa hiệu suất tổng thể. Một ví dụ nổi bật về hệ thống như vậy là Bộ điều khiển lưu lượng điện năng thống nhất (UPFC).
Các loại thiết bị FACTS
Một loạt các thiết bị FACTS đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về các bộ điều khiển FACTS phổ biến nhất, được phân loại theo loại chức năng:
Bộ bù nối tiếp:
Bộ bù nối song song:
Bộ bù nối tiếp-nối tiếp:
Bộ bù nối song song-nối tiếp:
Hãy xem xét từng bộ bù ngắn gọn:
Bộ tụ điện nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC)
TCSC giới thiệu trở kháng dung nối tiếp với hệ thống điện. Cấu trúc cơ bản của nó bao gồm một ngân hàng tụ điện (gồm nhiều tụ điện kết nối theo cấu hình song song-nối tiếp) được kết nối song song với cuộn cảm điều khiển bằng thyristor. Thiết kế này cho phép điều chỉnh mượt mà và linh hoạt trở kháng dung nối tiếp.
Thyristors điều chỉnh trở kháng của hệ thống bằng cách kiểm soát góc nổ, điều này thay đổi trở kháng toàn bộ mạch. Sơ đồ khối đơn giản của TCSC được hiển thị trong hình dưới đây.
Cuộn cảm nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSR)
TCSR là một bộ bù nối tiếp cung cấp trở kháng cảm mượt mà và điều chỉnh được. Thiết kế của nó tương tự như TCSC, với sự khác biệt chính là tụ điện được thay thế bằng cuộn cảm.
Cuộn cảm ngừng dẫn khi góc nổ của thyristor đạt 180°, và bắt đầu dẫn khi góc nổ nhỏ hơn 180°. Sơ đồ cơ bản của Cuộn cảm nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSR) được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ tụ điện nối tiếp chuyển mạch bằng thyristor (TSSC)
TSSC là một kỹ thuật bù nối tiếp tương tự về nguyên tắc với TCSR nhưng có sự khác biệt về vận hành: trong khi TCSR đạt được điều khiển công suất bằng cách điều chỉnh góc nổ của thyristor (cho phép điều chỉnh từng bước), TSSC sử dụng thyristor trong chế độ "on/off" đơn giản mà không cần điều chỉnh góc nổ. Điều này có nghĩa là tụ điện hoặc được kết nối hoàn toàn hoặc hoàn toàn ngắt khỏi đường dây.
Vận hành đơn giản này giảm bớt độ phức tạp và chi phí của cả thyristor và bộ điều khiển tổng thể. Sơ đồ cơ bản của TSSC giống hệt với TCSC.
Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp (SSSC)
SSSC là thiết bị bù nối tiếp được sử dụng trong hệ thống truyền tải để điều chỉnh lưu lượng điện năng bằng cách kiểm soát trở kháng tương đương của đường dây. Điện áp đầu ra của nó hoàn toàn có thể điều khiển và độc lập với dòng điện đường dây - bằng cách điều chỉnh điện áp đầu ra, trở kháng hiệu quả của đường dây có thể được điều chỉnh chính xác.
Chức năng, SSSC hoạt động như một máy phát điện đồng bộ tĩnh kết nối nối tiếp với đường dây truyền tải. Mục đích chính của nó là điều chỉnh điện áp giọt trên đường dây, do đó kiểm soát lưu lượng điện năng. SSSC tiêm một điện áp vuông góc (chênh pha 90°) với dòng điện đường dây: nếu điện áp tiêm dẫn trước dòng điện, nó cung cấp bù dung; nếu nó chậm hơn dòng điện, nó cung cấp bù cảm. Sơ đồ cơ bản của Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ bù VAR tĩnh (SVC)
Bộ bù VAR tĩnh (SVC) bao gồm một ngân hàng tụ điện cố định kết nối song song với cuộn cảm điều khiển bằng thyristor. Góc nổ của thyristor điều chỉnh hoạt động của cuộn cảm, trực tiếp kiểm soát điện áp trên cuộn cảm - và do đó lượng công suất nó hút.
Cấu hình này cho phép SVC điều chỉnh động công suất phản kháng đầu ra, ổn định điện áp và cải thiện hệ số công suất trong hệ thống truyền tải. Sơ đồ cơ bản của Bộ bù VAR tĩnh được hiển thị trong hình dưới đây.
Ứng dụng của Bộ bù VAR tĩnh (SVC)
SVCs là các thiết bị đa năng được sử dụng để nâng cao hiệu suất hệ thống điện, với các chức năng chính bao gồm:
Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các môi trường công nghiệp để quản lý công suất phản kháng và cải thiện chất lượng điện. Dưới đây là một cái nhìn tổng quan về các cấu hình SVC phổ biến nhất:
Cuộn cảm điều khiển bằng thyristor (TCR)
TCR bao gồm một cuộn cảm kết nối nối tiếp với van thyristor - cụ thể là, hai thyristor kết nối ngược chiều. Các thyristor này dẫn luân phiên trong mỗi nửa chu kỳ của nguồn điện AC, với mạch điều khiển cung cấp xung nổ cho các thyristor mỗi nửa chu kỳ.
Góc nổ của thyristor xác định lượng công suất phản kháng hụt cung cấp cho hệ thống. TCRs thường được triển khai trong các đường dây truyền tải EHV (Extra High Voltage), nơi chúng cung cấp bù công suất phản kháng trong điều kiện tải nhẹ hoặc không tải. Sơ đồ cơ bản của Cuộn cảm điều khiển bằng thyristor được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ tụ điện chuyển mạch bằng thyristor (TSC)
Trong điều kiện tải nặng, nhu cầu công suất phản kháng tăng vọt - và Bộ tụ điện chuyển mạch bằng thyristor (TSCs) được thiết kế để đáp ứng nhu cầu tăng này. Chúng thường được triển khai trong các đường dây truyền tải EHV trong thời gian tải cao.
TSC chia sẻ nguyên tắc cấu trúc tương tự với TCR, nhưng với sự thay đổi thành phần chính: cuộn cảm trong TCR được thay thế bằng tụ điện. Giống như TCR, TSC điều chỉnh lượng công suất phản kháng cung cấp cho đường dây truyền tải bằng cách điều chỉnh góc nổ của thyristor. Sơ đồ cơ bản của Bộ tụ điện chuyển mạch bằng thyristor (TSC) được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ cuộn cảm chuyển mạch bằng thyristor (TSR)
TSR có cấu trúc tương tự như Cuộn cảm điều khiển bằng thyristor (TCR) nhưng khác về vận hành: trong khi TCR điều chỉnh dòng điện bằng cách kiểm soát góc nổ của thyristor (cho phép điều khiển pha), TSR sử dụng thyristor trong chế độ nhị phân "on/off" mà không cần điều khiển pha. Điều này có nghĩa là cuộn cảm hoặc được kết nối hoàn toàn vào mạch hoặc hoàn toàn ngắt khỏi mạch.Việc thiếu điều khiển góc nổ đơn giản hóa thiết kế, giảm chi phí thyristor và giảm tổn thất chuyển mạch. Sơ đồ cơ bản của TSR giống hệt với TCR.
Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM)
STATCOM là bộ chuyển đổi nguồn điện áp dựa trên điện tử công suất, điều chỉnh hiệu suất hệ thống truyền tải bằng cách cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng - và cũng có thể cung cấp hỗ trợ công suất thực khi cần. Nó đặc biệt hiệu quả trong các đường dây truyền tải có hệ số công suất và điều chỉnh điện áp kém, làm cho nó trở thành thiết bị được sử dụng rộng rãi để tăng cường ổn định điện áp trong hệ thống điện.
STATCOM hoạt động sử dụng tụ điện đã sạc làm nguồn DC đầu vào, được chuyển đổi thành điện áp AC ba pha thông qua bộ chuyển đổi điều khiển điện áp. Đầu ra của bộ chuyển đổi được đồng bộ với hệ thống điện AC, và thiết bị được kết nối song song với đường dây truyền tải thông qua biến áp ghép. Bằng cách điều chỉnh đầu ra của bộ chuyển đổi, công suất phản kháng (và công suất thực) cung cấp bởi STATCOM có thể được kiểm soát chính xác. Sơ đồ cơ bản của STATCOM được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ điều khiển lưu lượng điện năng liên kết (IPFC)
IPFC là kỹ thuật bù được thiết kế cho các hệ thống truyền tải nhiều đường dây, bao gồm nhiều bộ chuyển đổi được kết nối thông qua một bus DC chung - mỗi bộ chuyển đổi kết nối với một đường dây truyền tải riêng biệt.
Khả năng chính của các bộ chuyển đổi này là chuyển công suất thực, cho phép cân bằng cả công suất thực và phản kháng giữa các đường dây liên kết. Điều khiển phối hợp này tăng cường hiệu quả và ổn định tổng thể của hệ thống trong mạng nhiều đường dây.Sơ đồ cơ bản của IPFC được hiển thị trong hình dưới đây.
Bộ điều khiển lưu lượng điện năng thống nhất (UPFC)
UPFC tích hợp một STATCOM (Bộ bù đồng bộ tĩnh) và một SSSC (Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp) thông qua một liên kết điện áp DC chung, kết hợp chức năng của cả hai thành một hệ thống duy nhất. Nó sử dụng một cặp cầu điều khiển ba pha để tạo dòng điện, được tiêm vào đường dây truyền tải thông qua biến áp ghép.
UPFC xuất sắc trong việc nâng cao nhiều khía cạnh hiệu suất của hệ thống điện, bao gồm ổn định điện áp, ổn định góc công suất, và giảm dao động hệ thống. Nó có thể kiểm soát chính xác cả lưu lượng công suất thực (công suất thực) và phản kháng trong các đường dây truyền tải. Tuy nhiên, nó chỉ hoạt động tối ưu dưới điều kiện sóng sin cân bằng và có thể không hoạt động hiệu quả trong các trạng thái bất thường của hệ thống. Ngoài ra, UPFC giúp kìm hãm dao động của hệ thống điện và cải thiện ổn định tạm thời. Sơ đồ cơ bản của Bộ điều khiển lưu lượng điện năng thống nhất (UPFC) được hiển thị trong hình dưới đây.
