✨TCSC

TCSC (Thyristor controlled series capacitor) là một thiết bị 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.

TCSC là một thành viên trong nhóm các thiết bị truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt FACTS

Cấu tạo

Cấu tạo của TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp (fixed series capacitor - FC) có điện dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR).

nhỏ|cấu tạo TCSC

Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: ổn định tụ, khe hở phóng điện, máy cắt (circuit breaker CB)và dao cách ly. Các phương thức bảo vệ sẽ được trình bày ở phần sau.

Lý thuyết TCSC

Nếu gọi dung kháng của tụ là -j $X\_C$ còn cảm kháng của TCR là j$X\_L$ thì điện kháng đẳng trị của TCSC tính được theo công thức:

Với:

=> $X\_\{TCSC\}\; =\; -X\_C\; \backslash Bigg[\; 1-\; \backslash frac\{k^2\; (\backslash sigma\; +\; sin\; \backslash sigma)\}\{(k^2\; -1)\; \backslash pi\}\; +\; \backslash frac\{4k^2\; cos^2\; (\backslash frac\{\backslash sigma\}\{2\})\}\{(k^2\; -1)^2\; \backslash pi\}(k\; \backslash times\; tg\; \backslash frac\{k\; \backslash sigma\}\{2\}\; -\; tg\backslash frac\{\backslash sigma\}\{2\})\; \backslash Bigg]$

Với $k\; =\; \backslash sqrt\{\; \backslash frac\{1\}\{LC;\; \backslash sigma\; =\; 2(\backslash Pi\; -\; \backslash alpha)$ gọi là góc dẫn.

Với thiết kế điện kháng $X\_\{Lmin\}\; =\; \backslash omega\; L$; với $\backslash alpha\; =\; 180^0)$ của TCR lớn hơn $X\_C$ ta luôn có trị số điện kháng đẳng trị của TCSC mang dấu âm (hình vẽ), nghĩa là tương ứng với tụ bù dọc. Khi góc cắt của TCR thay đổi từ $90^0$ đến $180^0$, dung kháng của TCSC thay đổi liên tục từ $-X\_C$ đến một giá trị âm đủ lớn.

Bảo vệ TCSC

Máy cắt MC dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu hoặc sự cố. Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ $U\_C\; =I\_C\; X\_C$ nên khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, $I\_C$ tăng, cần phải có cơ chế chống quá áp cho tụ.

Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp. Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn. Khi $U$C > U{Cgh} và đạt tới ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng $I\_N$ qua VAR, nhờ đó, giảm điện áp dư trên tụ C.

Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này, khe mồi phóng điện K sẽ hoạt động. Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng. Khi tới ngưỡng tác động, Rơ le sẽ có tín hiệu đống máy cắt MC. Do đó, toàn bộ các phần tử của TCSC và VAR được nối tắt.

Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ. Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt.

Mô hình điều khiển TCSC

Khi làm việc trong HTĐ TCSC có 2 chế độ hoạt động. Trong chế độ làm việc bình thường TCSC hoạt động với trị số đặt $X\_0$. Điểm đặt có thể thay đổi theo thông số CĐXL thông qua kênh điều khiển riêng (Power Flow Control Loop). Trong chế độ quá độ, TCSC hoạt động theo kênh điều khiển ổn định (Stability Control Loop). Đặc trưng động của TCSC phụ thuộc hàm truyền của kênh này.

Mô hình điều khiển TCSC bao gồm các khối trễ, khối lọc, khối bù pha, và khối khuếch đại, có thể mô tả bằng một số khâu tuyến tính như sau (theo mô hình của chương trình PSS/E):

Mô hình điều khiển TCSC

Trong đó: $T\_1$ là thời gian trễ của khâu đo lường và chuyển đổi (0<= $T\_1$ <5); $T\_2$ và $T\_3$ là hằng số của khâu bù pha (0<= $T\_2$ <5; 1< $T\_3$ <20),; $T\_w$ (washout) (0<= $T\_w$ <2); K là hệ số khuếch đại.

Hàm truyền của mô hình:

Tín hiệu đầu vào của kênh ổn định hiện nay thường được chế tạo mặc định theo các lựa chọn đại lượng đo trên chính mạch có đặt TCSC, tương ứng làm giảm dao động dòng (Constant Current Control), giảm dao động góc pha (Constant Angle Control) hoặc giảm dao động công suất (Constant Power Control) của đường dây truyền tải. Thực chất của các thuật toán điều khiển trên là tạo ra tín hiệu thay đổi dung dẫn TCSC tác động ngược chiều với đạo hàm các đại lượng đo. Thật vậy nếu bỏ qua quán tính (các khâu khuếch đại, dịch pha) ta có hàm truyền đẳng trị:

Hay $\backslash Delta\; X\_C\; =\; \backslash frac\{K\_c\; s\}\{1+sT\_1\}\; \backslash Delta\; q$

Trong đó, q - ký hiệu chung các tín hiệu đo đầu vào.

Khi bỏ qua quán tính thay đổi điện kháng (thường nhỏ) ta có: $\backslash Delta\; X\_C\; =\; K\_c\; s\; \backslash Delta\; q$

hay $\backslash Delta\; X\_C(t)\; =\; K\_c\; \backslash frac\{dq\}\{dt\}\; \backslash Delta\; \backslash tau$

Thuật toán điều khiển TCSC

Hiện nay, thuật toán điều khiển TCSC vẫn còn là vấn đề cần đang cần được nghiên cứu. Thuật toán điều khiển TCSC ảnh hưởng lớn đến khả năng giữ được ổn định động của hệ thống điện. Sau đây, sẽ giới thiệu hai phương pháp điều khiển TCSC điển hình:

Điều khiển TCSC theo tín hiệu đóng cắt

Xét phân tích hiệu quả điều khiển TCSC theo tác động đóng cắt để nâng cao ổn định động của HTĐ sơ đồ đơn giản đã đẳng trị các máy phát điện của nhà máy:

nhỏ|Mô hình hệ thống có sử dụng TCSC

Để có thể so sánh các tác động điều khiển khác nhau, ta xuất phát từ hệ phương trình vi phân mô tả QTQĐ sau khi cắt ngắn mạch trên một trong 2 mạch đường dây: