Điện tử công suất 1 Ghép song song 4 bộ chỉnh lưu mạch tia dùng máy biến áp trung gian- Bộ chỉnh lưu 12 xung

Điện tử công suất 1 . 2.13 GHÉP SONG SONG 4 BỘ CHỈNH LƯU MẠCH TIA DÙNG MÁY BIẾN ÁP TRUNG GIAN- BỘ CHỈNH LƯU 12 XUNG Hệ thống chứa 3 máy biến áp trung gian. Dòng điện lưới nguồn ac có dạng giống như trường hợp sử dụng mạch ghép hai bộ chỉnh lưu cầu ba pha (xem hình H2.56). Phương trình điện áp: Gọi ud1,ud2,ud3 và ud4 là điện áp chỉnh lưu tương ứng với 4 bộ chỉnh lưu mạch tia BCL1, BCL2, BCL3 và BCL4. Các điện áp trên được thay thế bằng các điện áp nguồn trong sơ đồ thay thế vẽ trên hình H2.57 (giả thiết tải L nối tiếp động cơ DC). Ta dễ dàng suy ra điện áp chỉnh lưu trên tải và điện áp tại các điểm nút của máy biến áp trung gian như sau: 2-64 Điện tử công suất 1 2 uuu 2d1d5d += ; 2 uuu 4d3d6d += ; 2 uuu 6d5dd += 4 uuuuu 4d3d2d1dd +++= Từ hệ thức trên, ta suy ra điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải bằng trung bình của 4 điện áp chỉnh lưu tia 3 pha nhánh, tức bằng: απ= cos.U2 63Ud với U là trị hiệu dụng điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp kiểu đấu dây Yy0y6, và là góc điều khiển. α Do sự lệch pha của các điện áp nguồn của mỗi nhánh mạch chỉnh lưu và từ các hệ thức xác định điện áp tại ngõ ra của máy biến áp trung gian, các thành phần áp xoay chiều của các điện áp chỉnh lưu nhánh sẽ bù lẫn nhau để tạo ra điện áp ở ngõ ra của máy biến áp ít nhấp nhô hơn. Phương trình dòng điện: Dòng điện qua mỗi nhánh máy biến áp trung gian gồm thành phần dòng dc và thành phần dòng từ hóa. Bằng lý luận tương tự như trường hợp ghép song song hai mạch tia dùng máy biến áp trung gian, ta có thể dẫn giải phương trình dòng điện tại các điểm nút như sau: 2/i2/ii 1u5d1d += ; 2/i2/ii 1u5d2d −= ; 2/i2/ii 2u6d3d += 2/i2/ii 2u6d4d −= ; 2/i2/ii 3ud5d += ; 2/i2/ii 3ud6d −= với iu1, iu2, iu3 là dòng điện từ hóa các máy biến áp trung gian. Quá trình các đại lượng: Các quá trình điện áp và dòng điện trong chế độ dòng qua các nhánh chỉnh lưu liên tục được vẽ minh họa trên hình H2.58, H2.59, H2.60, H2.61, H2.62. Trên hình H2.58 vẽ các quá trình điện áp đo tại các cổng vào và ra của các máy biến áp trung gian so với điện thế ở một nút tải. Qua đó ta thấy được khả năng làm giảm độ nhấp nhô điện áp tải của máy biến áp trung gian. Trên hình H2.59 vẽ các quá trình dòng điện tương ứng với các điện áp hình H2.60. Độ nhấp nhô dòng điện giảm nhanh theo số lượng máy biến áp trung gian sử dụng. 2-65 Điện tử công suất 1 Trên hình H2.60 và H2.61 vẽ các quá trình điện áp giữa hai đầu ngõ vào của máy biến áp trung gian và dòng điện từ hóa đi qua nó. Ở máy biến áp trung gian gần tải DC, dòng từ hóa nhỏ không đáng kể do thành phần điện áp xoay chiều áp đặt trên nó bị suy giảm bởi tác dụng các máy biến áp trung gian đặt phía trước đó. Hình vẽ H2.62 mô tả quá trình dòng điện đi qua các nhánh phía sơ cấp biến thế. Cấu hình đấu dây của sơ đồ H2.56 tạo ra dòng điện đi qua nguồn lưới điện có dạng giống như trường hợp dòng điện lưới của hai mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đấu song song. Các thành phần sóng hài bậc 5 và 7 của dòng điện lưới bị khử bỏ. Tồn tại trong lưới điện các thành phần dòng điện bậc lẻ khác bội ba, bắt đầu từ bậc 11. Bằng cách kết hợp các dạng đấu dây máy biến áp với cấu trúc đấu song song bộ chỉnh lưu qua máy biến áp trung gian, ta có thể phát triển hệ thống chỉnh lưu nhiều xung (24, 48 xung). Trên hình H2.63, các đồ thị điện áp và dòng điện tại một vài vị trí được khảo sát cho trường hợp dòng điện qua từng bộ chỉnh lưu đơn bị gián đoạn (BCL1, BCL2). Tuy nhiên, nhờ có máy biến áp trung gian, dòng điện tổng của các bộ chỉnh lưu đi ra máy biến áp trung gian trở nên liên tục (id5). Tuy nhiên, dạng điện áp thu được trên tải (ud) và các điện áp chỉnh lưu trung gian (ud5,ud6) bị giảm vì chế độ dòng gián đoạn vừa nêu. Mặc khác, chất lượng dòng điện đi vào lưới nguồn cũng vì vậy bị giảm sút đáng kể . 2-66 Điện tử công suất 1 2-67 Điện tử công suất 1 2.14 TRUYỀN TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU (HVDC) Truyền tải điện DC thường được sử dụng để đưa năng lượng điện đến một nơi rất xa. Một số đường truyền tải điện DC được thực hiện như The Pacific Intertie, Square Butte Project ở nước Mỹ, truyền tải điện vượt qua biển giữa Anh và Pháp (Cross Channel Link). Phần tử cơ bản trong hệ thống truyền tải điện là các bộ chỉnh lưu 12 xung với linh kiện chủ yếu được sử dụng là SCR. Các ưu điểm của hệ thống truyền tải điện dc bao gồm: - cảm kháng đường dây bằng zero đối với dòng điện dc. Ngược lại, đối với đường dây ac, cảm kháng có giá trị đáng kể - điện dung giữa các dây dẫn có trở kháng vô cùng lớn đối với dòng điện dc. Ngược lại, trong hệ thống điện ac, điện dung tạo thành đường dẫn điện gây ra tổn hao điện trong dây dẫn, đồng thời gây ra một số khó khăn trong kỹ thuật truyền tải, điều này không xảy ra đối với truyền tải điện dc. - Truyền tải điện dc chỉ yêu cầu 2 đường dây dẫn so với 3 trong trường hợp truyền tải điện ac. Hệ quả, cột điện, trụ đỡ của đường dây dc sẽ nhỏ hơn cũng như yêu cầu kỹ thuật đòi hỏi cũng dễ dàng hơn. 2-68 Điện tử công suất 1 - Truyền tải điện dc cho phép điều chỉnh công suất truyền tải thông qua việc điều chỉnh góc kích của các bộ chỉnh lưu ở hai đầu truyền tải. Hệ thống truyền tải điện ac, công suất truyền tải điện không thể điều chỉnh được (ở đây không xét đến việc lắp đặt các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải ac -FACTS controller -Flexible AC Transmission System) và phụ thuộc vào tham số đường dây và của máy phát. - Do có khả năng điều chỉnh công suất truyền tải nên hệ thống truyền tải điện dc cho phép linh hoạt điều chỉnh khắc phục các sự cố xảy ra trên đường dây, do đó tăng tính ổn định của hệ thống lên. - Hai hệ thống điện liên kết bởi hệ truyền tải dc không cần thực hiện hòa đồng bộ cũng như chúng có thể có tần số hoạt động khác biệt. Ví dụ, hệ thống lưới điện tần số 50Hz có thể đấu vào hệ thống lưới điện 60Hz bởi đường truyền tải điện dc. Nhược điểm của hệ thống truyền tải điện dc là đòi hỏi sử dụng các thiết bị đắt tiền như bộ biến đổi ac-dc, mạch lọc, các thiết bị điều khiển lắp đặt tại mỗi đầu của đường truyền tải, nơi mà hệ thống thực hiện liên kết với hệ thống điện ac. Sơ đồ hệ thống truyền tải điện dc sử dụng các bộ biến đổi chỉnh lưu 6 xung lắp tại hai đầu đường truyền tải được vẽ minh họa trên hình H2.64. Hai hệ thống điện ac có máy phát điện riêng và mục đích của đường dây truyền tải là tạo điều kiện để các hệ thống điện ở hai đầu thực hiện trao đổi công suất với nhau. Trong sơ đồ, mỗi bộ chỉnh lưu có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu, thực hiện đưa công suất từ phía xoay chiều sang phía một chiều. Bộ chỉnh lưu thứ hai, ngược lại làm việc ở chế độ nghịch lưu, thực hiện đưa công suất từ mạch một chiều sang phía xoay chiều còn lại. Bằng cách thay đổi giá trị góc kích của các bộ chỉnh lưu, công suất truyền tải trên đường dây có thể được điều chỉnh. Cảm kháng hệ thống đường dây bằng cảm kháng riêng của các dây dẫn cộng với cảm kháng của cuộn dây lọc lắp nối tiếp trên đường truyền. Điện trở đường truyền bằng điện trở của cuộn dây mạch lọc. Khi phân tích, có thể xem dòng điện đi qua dây dẫn không đổi. Gọi Ud1 và Ud2 là điện áp tại phía dc của hai bộ chỉnh lưu 1 và 2. Giả thiết bộ chỉnh lưu 1 làm việc trong chế độ chỉnh lưu và bộ chỉnh lưu 2 trong chế độ nghịch lưu. 2-69 Điện tử công suất 1 Dòng điện của đường dây dc: R UUI ddd 21 += (2.121) với: 111 63 απ cos.UUd = và 222 63 απ cos.UUd = (2.122) Công suất do bộ chỉnh lưu 1 cấp cho mạch dc: P1=Ud1.Id (2.123) Công suất do bộ chỉnh lưu 2 đưa sang hệ thống ac: P2=Ud2.Id (2.124) Hệ thống truyền tải điện dc thực tế thường sử dụng các bộ chỉnh lưu 12 xung lắp đặt tại hai đầu truyền tải (hình H2.66). Cấu hình này cho phép loại bỏ một số thành phần sóng hài dòng điện và do đó, giảm nhẹ phí tổn chế tạo mạch lọc. Ngoài ra, với việc lắp đặt 2 bộ chỉnh lưu 12 xung tại mỗi đầu, hệ thống cho phép vận hành ở điều kiện điện áp mang hai cực tính. Một đường dây mang điện thế +Ud và đường dây còn lại mang điện thế –Ud. Trong trường hợp sự cố, một cực của hệ thống đường truyền có thể vận hành độc lập với đường dây còn lại, lúc đó, dòng điện khép kín qua đường dây kể trên với đường dẫn trở về qua điện trở đất. 2-70 Điện tử công suất 1 Ví du 2.25 Cho đường dây truyền tải điện dc, xem hình vẽ H2.64. Điện áp hệ thống điện 3 pha tại mỗi đầu truyền tải có trị hiệu dụng áp dây 230kV. Điện trở đường dây bằng 10Ω , cảm kháng đường dây khá lớn làm dòng điện dc trở nên phẳng. Hệ thống thực hiện tải điện 100MW từ hệ thống nguồn phát đến hệ thống ac nhận điện. Tính toán thiết kế hệ truyền tải để thực hiện yêu cầu trên, xác định khả năng chịu 2-71 Điện tử công suất 1 dòng trên của đường dây dc và xác định tổn hao trên đường dây. Giải: Theo đề bài, để ý rằng bộ chỉnh lưu 2 nhận công suất từ mạch dc để đưa sang phía ac (chế độ nghịch lưu): P2=Ud2.Id=--100MW Điện áp dc cực đại có thể đạt được: kVkVUUd 63100 3 23063063 ,cos.cos.max === ππ Điện áp dc cần chọn phải có độ lớn nhỏ hơn 310,6kV. Giả thiết, ta chọn mức áp dc của bộ chỉnh lưu 2 bằng 200kV, việc xác định góc kích cho bộ chỉnh lưu 2 có thể xác định theo hệ thức: kVUd 2006310 22 −== αcos., Từ đó: 02 1306310 200 =⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛ −= , cosarα Dòng điện qua mạch dc –khả năng mang dòng của đường dây dc bằng: Id2=100MW/200kV=500A Điện áp ngỏ ra của bộ chỉnh lưu 1: Ud1=R.Id+Ud2=(500).(10)+200kV=205kV Góc kích thiết lập trên bộ chỉnh lưu 1 bằng: 0 1 7486310 205 , , cos =⎟⎟⎠ ⎞⎜⎜⎝ ⎛= arα Công suất tổn hao trên đường dây với giả thiết dòng dc được lọc phẳng: MWWIRIRP dLoss 52105250010 6222 ,.,).(.. ===≈= Công suất do bộ chỉnh lưu 1 cung cấp P1=Ud1.Id=(205kV).(500A)=102,5MW Việc thiết lập các giá trị điện áp và dòng điện cho hệ truyền tải dc có thể thực hiện theo các giá trị khác nhau của điện áp và dòng điện dc, sao cho thỏa mãn điều kiện áp dc nhỏ hơn giá trị cực đại và dòng điện qua đường dây dc nằm trong phạm vi cho phép của các thiết bị truyền tải. Phương án thiết lập tối ưu có thể thực hiện bằng cách đưa điện áp truyền tải lên cao hơn để giảm thấp dòng điện dc, qua đó giảm tổn hao trên đường dây. Đây là một trong các lý do phải sử dụng hệ thống bộ chỉnh lưu 12 xung. 2-72