Đăng ký thành viên

Vai trò của tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor trong điều khiển hệ thống điện

11/11/2025 15:45 Số lượt xem: 309

---

Trong bài viết này, hãy tìm hiểu về vai trò của Tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) trong việc cải thiện tính năng hệ thống điện thông qua điều khiển trở kháng động.

Các tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) dùng trong các hệ thống điện để điều chỉnh động trở kháng nối tiếp của các đường dây truyền tải, cho phép kiểm soát chính xác dòng công suất và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Bằng cách thay đổi góc mồi của thyristor, thiết bị có thể chuyển từ trạng thái điện dung sang trạng thái cảm ứng, cho phép điều biến công suất truyền tải theo thời gian thực và giảm dao động.

Năng lực này giúp cân bằng các mức tải của đường dây, giảm tổn thất truyền tải và tăng cường độ ổn định quá độ trong trường hợp sự cố. Ngoài ra, khi sử dụng với các thiết bị truyền tải hệ thống điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) khác như STATCOM, TCSC góp phần cải thiện đường cong điện áp, giảm thiểu tắc nghẽn và hỗ trợ trì hoãn việc mở rộng cơ sở hạ tầng bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng các tài sản truyền tải hiện có. 

TCSC: Điều khiển trở kháng động

Tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC) điều chỉnh động trở kháng nối tiếp của đường dây truyền tải thông qua một cấu hình hybrid: tụ bù nối tiếp cố định (C) được phân luồng bởi một cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (TCR). Bằng cách điều chỉnh góc mồi α của thyristor, trở kháng tương đương của TCSC có thể điều biến từ điện dung sang cảm kháng, tùy thuộc vào ưu thế tương đối của nhánh điện dung và các nhánh cảm kháng.

Hình 1. Mạng lưới điện với TCSC (Ảnh st)

Khi các thyristor bị chặn (α = 180^o), cuộn cảm không dẫn điện và TCSC hoạt động như một tụ bù nối tiếp cố định có điện kháng:

Khi các thyristor bắt đầu dẫn điện ở góc kích α < 180^o, cuộn cảm đưa vào một thành phần điện áp biến thiên theo thời gian, làm triệt tiêu một phần điện áp của tụ bù, dẫn đến giảm điện kháng dung kháng thuần. Thành phần cơ bản của điện kháng tương đương XTCSC(α) của TCSC được xác định bởi:

Trong đó:

X_L = ωL là điện kháng cảm ứng của cuộn kháng

F(α) là một hàm phi tuyến của góc dẫn thyristor, suy ra từ phân tích Fourier của dạng sóng điện áp tuần hoàn

Ở góc mồi tới hạn, tình trạng cộng hưởng song song xảy ra khi điện kháng cảm ứng và điện dung triệt tiêu lẫn nhau. Điều này có thể gây ra những sai lệch nhanh chóng về trở kháng và trên thực tế có thể tránh được thông qua các giới hạn góc mồi bảo vệ.

Hình 2. Đặc điểm của điện kháng TCSC so với các đặc tính của góc mồi (Ảnh st)

Điều biến dòng công suất đường dây thông qua điều khiển trở kháng

TCSC cho phép điều chỉnh truyền tải điện năng theo thời gian thực bằng cách hiệu chỉnh trở kháng nối tiếp hiệu dụng của đường dây. Biểu thức dòng công suất cổ điển giữa hai thanh cái kết nối qua một đường dây có điện kháng tổng X là:

Trong đó, V1 và V2 là điện áp đầu phát và đầu thu, δ là góc công suất giữa chúng, và X = X_{đườngdây} - X_TCSC là điện kháng ròng sau khi bù. Việc giảm X dẫn đến tăng công suất truyền tải với cùng một góc δ, khiến TCSC trở thành một công cụ mạnh mẽ để phân phối lại dòng công suất tác dụng trên các hành lang truyền tải.

Điều quan trọng là, vì TCSC có thể thay đổi liên tục mức bù (ví dụ: 0–70% điện kháng đường dây), nó cho phép điều khiển thích ứng dòng công suất. Điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng động như:

• Ngăn ngừa tình trạng quá tải trong N-1 trường hợp khẩn cấp
• Điều phối các luồng trong các hệ thống vòng lặp
• Cải thiện kết quả OPF (dòng công suất tối ưu) bằng cách giảm tắc nghẽn trên các đường dây quan trọng

Trong các mạng dạng mắt lưới, khả năng kiểm soát này đặc biệt có lợi cho việc giảm thiểu luồng vòng lặp, cho phép người vận hành tinh chỉnh phụ tải đường dây mà không cần điều độ lại nguồn điện hoặc sa thải phụ tải.

Giảm dao động trong điều kiện biến động và tăng cường độ ổn định quá độ

TCSC cũng mang lại những lợi ích quan trọng cho việc giảm dao động điện cơ và ổn định quá độ, có thể định lượng thông qua phân tích tín hiệu nhỏ của mô hình máy phát điện - bus vô hạn. Công suất điện đầu ra của một máy phát điện bị ảnh hưởng bởi điện kháng truyền tải X, và đạo hàm của nó theo góc rotor δ, còn gọi là hệ số mômen xoắn đồng bộ, rất quan trọng để duy trì sự ổn định:

Giá trị X thấp hơn làm tăng đạo hàm này, do đó cải thiện mômen xoắn đồng bộ và tăng cường khả năng giảm dao động góc rotor. Các bộ điều khiển TCSC khai thác đặc tính này thông qua các cơ chế Giảm Dao động Công suất (POD). Các cơ chế này thường sử dụng các tín hiệu đầu vào như độ lệch tốc độ máy phát Δω hoặc độ lệch dòng điện lưới ΔI, xử lý thông qua các bộ lọc vượt trước-chậm sau (lead-lag) và các khối khuếch đại để tạo ra điều chế trở kháng tham chiếu ΔX_TCSC, giúp giảm dao động một cách chủ động.

Trong các điều kiện sự cố, chẳng hạn như mất điện lưới hoặc chạm chập ba pha sau khi giải trừ, góc rotor máy phát điện có thể có những độ lệch đáng kể. Bằng cách giảm X tạm thời trong lần dao động đầu tiên, TCSC tăng cường truyền tải công suất, giúp máy phát điện duy trì đồng bộ. Khi quá trình quá độ qua đi, bộ điều khiển sẽ đưa trở kháng về các mức danh định, duy trì trạng thái cân bằng lâu dài mà không gây quá tải đường dây.

Triển khai trong các mạng lưới truyền tải dạng mắt lưới

Các hệ thống dạng mắt lưới đặt ra những thách thức đặc biệt do xu hướng tự nhiên của dòng điện chạy dọc theo các đường trở kháng thấp nhất. Trong các lưới điện như vậy, một số đường dây có thể bị quá tải trong khi những đường dây khác không sử dụng hết công suất, ngay cả khi tổng sản lượng phát điện và nhu cầu của hệ thống cân bằng. TCSC giải quyết vấn đề này bằng cách cung cấp khả năng kiểm soát theo thời gian thực các trở kháng riêng lẻ của từng đường dây, từ đó cho phép các nhà điều hành lưới điện thực thi việc chia sẻ công suất mong muốn trên các đường song song.

Về mặt điều khiển, các thiết bị TCSC có thể tích hợp vào các ứng dụng EMS lớp cao hơn như dòng công suất tối ưu có ràng buộc bảo mật (SCOPF), trong đó các thiết đặt trở kháng động của chúng được coi là các biến điều khiển. Các hệ thống tiên tiến cũng tích hợp TCSC vào các hệ thống điều khiển giảm dao động diện rộng, trong đó sử dụng các tín hiệu dựa trên đồng bộ pha để phát hiện dao động giữa các vùng và khởi tạo điều chế trở kháng phối hợp trên toàn mạng lưới.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, việc triển khai TCSC đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ, đặc biệt là trong các hành lang có nhiều đường dây bù. Việc điều khiển thiếu phối hợp hoặc quá mức có thể gây ra tương tác mô hình hoặc ảnh hưởng đến phản ứng bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR) và bộ ổn định hệ thống điện (PSS) của máy phát điện. Do đó, các triển khai hiện đại thường sử dụng điều khiển tiên đoán mô hình (MPC) hoặc kiến ​​trúc điều khiển phi tập trung để đảm bảo tính năng mạnh mẽ trong nhiều tình huống vận hành.

Mối quan hệ giữa dòng công suất và tổn thất truyền tải

Trong các hệ thống điện cao áp, một phần đáng kể tổn thất điện năng thực tế xảy ra do dây dẫn nóng lên, định lượng bằng biểu thức tổn thất Joule nổi tiếng:

trong đó I là cường độ dòng điện trên đường dây và R là điện trở của dây dẫn. Đối với công suất truyền tải P cho trước trên đường dây có trở kháng, cường độ dòng điện xác định bởi:

Giả sử điện áp V không đổi và góc θ nhỏ, bất kỳ sự giảm dòng điện nào cũng sẽ trực tiếp làm giảm tổn thất I²R. Do đó, các chiến lược giảm thiểu tổn thất trong các hệ thống dạng mắt lưới thường nhắm vào việc phân phối lại dòng điện thay vì giảm tổng công suất truyền tải.

Đây chính xác là nơi các thiết bị hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) - đặc biệt là các bộ bù nối tiếp và các bộ bù phân luồng - mang lại đòn bẩy chiến lược. Bằng cách điều chỉnh động trở kháng đường dây (thông qua TCSC) hoặc bơm công suất phản kháng có kiểm soát (thông qua STATCOM hoặc SVC), các thiết bị này định hình lại dòng công suất và cân bằng phụ tải đường dây qua các hành lang song song. Việc chia sẻ phụ tải tối ưu hóa này cho phép sử dụng hiệu quả hơn công suất truyền tải khả dụng, giảm dòng điện trên các đường dây quá tải và do đó giảm thiểu tổn thất điện trở trên toàn hệ thống.

Cơ chế chia sẻ phụ tải và giảm nhiệt

Trong một mạng hai đường đơn giản kết nối cùng một nguồn và các vùng tải, dòng công suất chia tỷ lệ nghịch với trở kháng nối tiếp của mỗi đường. Đối với hai đường dây có trở kháng Z₁ và Z₂, tỷ lệ công suất tác dụng có thể tính gần đúng bằng công thức:

Điều này ngụ ý rằng ngay cả những chênh lệch trở kháng nhỏ cũng có thể dẫn đến dòng công suất không đồng đều, với một đường dây có khả năng hoạt động gần giới hạn nhiệt trong khi đường dây còn lại vẫn chưa sử dụng hết công suất. Các thiết bị FACTS can thiệp bằng cách điều chỉnh trở kháng biểu kiến ​​của một hoặc cả hai đường dây, chuyển tỷ lệ công suất về phía phân phối cân bằng hơn.

Ví dụ, việc lắp một TCSC vào Đường dây 1 cho phép giảm điện kháng XTCSC của nó một cách linh hoạt, do đó tăng lưu lượng công suất và giảm tải cho Đường dây 2. Kết quả này không chỉ cải thiện biên độ nhiệt mà còn giảm tổn thất trên toàn hệ thống, vì nó bỏ qua các đường dẫn tổn thất cao. Khả năng này đặc biệt hiệu quả trong các trường hợp khẩn cấp N-1, khi cấu trúc hệ thống thay đổi đột ngột và phải cân bằng lại phụ tải nhanh chóng để tránh mất điện leo thang.

Quản lý tắc nghẽn và trì hoãn việc mở rộng truyền tải

Một lợi ích nữa của việc kiểm soát lưu lượng phụ tải dựa trên FACTS nằm ở khả năng quản lý tắc nghẽn và trì hoãn đầu tư. Trong các lưới điện bị tắc nghẽn, đặc biệt là những lưới điện có tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo cao, tình trạng quá tải đường dây có thể nảy sinh không phải do mất cân bằng tổng thể giữa sản lượng và nhu cầu điện, mà do sự không tương thích về mặt địa lý và cấu trúc và cách thức kết nối. Các thiết bị FACTS giảm thiểu những điểm nghẽn này bằng cách khai thác hiệu quả hơn hành lang truyền tải hiện có, đẩy nhiều công suất hơn qua các hành lang non tải và giải tỏa các liên kết quan trọng.

Năng lực động này giúp kéo dài tuổi thọ hữu ích của các tài sản truyền tải điện già cỗi và trì hoãn nhu cầu xây dựng đường dây mới, vốn thường bị hạn chế bởi các rào cản về điều tiết, môi trường hoặc cấp phép, xã hội. Bằng cách giảm bớt nhu cầu mở rộng công suất ngay lập tức, các công nghệ FACTS mang lại các khoản tiết kiệm chi phí đầu tư và nới lỏng thời hạn, cho phép các công ty điện lực lập kế hoạch củng cố lưới điện với tầm nhìn dài hạn và chiến lược hơn.

Hơn nữa, khả năng điều khiển chi tiết của các thiết bị FACTS cho phép tích hợp vào các chương trình điều khiển thời gian thực như điều độ kinh tế bị ràng buộc bởi an ninh (SCED) hoặc các chương trình hành động khắc phục (RAS). Trong các khuôn khổ này, FACTS không chỉ đóng vai trò nâng cao độ tin cậy mà còn là công cụ hỗ trợ thị trường, cho phép điều độ phát điện hiệu quả hơn trong khi vẫn tuân thủ các ràng buộc về truyền tải - cuối cùng là giảm giá biên theo vị trí (LMP) và chi phí vận hành hệ thống.

Quan điểm kinh tế: Giảm tổn thất so với Chi phí lắp đặt

Mặc dù các thiết bị FACTS là một khoản đầu tư vốn không hề nhỏ, nhưng lợi ích kinh tế từ việc giảm tổn thất có thể định lượng được và thường hợp lý hóa việc đầu tư trong một khoảng thời gian trung hạn. Ví dụ, nếu việc lắp đặt một STATCOM giúp giảm tổn thất ròng hàng năm 25GWh ở một khu vực có chi phí phát điện biên là 60USD/MWh, thì riêng khoản tiết kiệm đã lên tới 1,5 triệu USD/năm.

Khi tính đến việc tránh cắt giảm, giảm tắc nghẽn và nâng cấp bị trì hoãn, lợi tức đầu tư trở nên hấp dẫn, đặc biệt là theo khuôn khổ quy định dựa trên tính năng khuyến khích giảm thiểu tổn thất hoặc tuân thủ điện áp.

Các công cụ phân tích chi phí-lợi ích tiên tiến hiện nay kết hợp các mô hình động về hành vi FACTS theo hồ sơ vận hành thực tế, cho phép các nhà lập kế hoạch đánh giá nhiều kịch bản triển khai với khả năng thay đổi tải và phát điện thực tế.

Điều này đặc biệt có giá trị trong các hệ thống có nhiều năng lượng tái tạo, nơi FACTS có thể giảm đáng kể việc cắt giảm các nguồn năng lượng có chi phí biên bằng không bằng cách mở khóa các đường truyền tải bị hạn chế.

Những điểm chính

TCSC và các công nghệ FACTS khác đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết những thách thức về vận hành và quy hoạch của các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt là trong bối cảnh tích hợp năng lượng tái tạo ngày càng tăng, các mạng lưới dạng lưới phức tạp và hành lang truyền tải bị hạn chế. Khả năng kiểm soát động dòng công suất, tăng cường độ ổn định tức thời và tín hiệu nhỏ, cũng như giảm tổn thất hệ thống khiến chúng trở thành công cụ thiết yếu để duy trì độ tin cậy của lưới điện trong điều kiện căng thẳng.

Hơn nữa, ứng dụng của chúng trong quản lý tắc nghẽn, cân bằng phụ tải và trì hoãn cơ sở hạ tầng cho phép các công ty điện lực khai thác tối đa giá trị từ các tài sản hiện có, đồng thời hỗ trợ các mục tiêu hiện đại hóa lưới điện dài hạn. Khi hệ thống điện phát triển, những thiết bị này sẽ tiếp tục là yếu tố then chốt tạo nên mạng lưới truyền tải an toàn, linh hoạt và tiết kiệm chi phí.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “eepower”, tháng 8/2025