1. Tổng quan
Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng. Nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng như các hệ thống truyền tải điện xoay chiều (AC) linh hoạt, FACTS như tên gọi chung, là những thiết bị mới, nhằm cải thiện các hệ thống truyền tải.
2. Các thiết bị FACTS là gì?
Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. Dưới đây là mô tả các loại thiết bị FACT chủ yếu:
Các máy bù tĩnh (SVC): là những thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng trong nhiều năm để cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải quyết các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường. Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.
Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): Là một mở rộng của các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều khiển bằng thyristor. Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù nối tiếp thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây.
Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM): là thiết bị SVC dựa trên GTO (thyristor kiểu cổng đóng - gate turn-off). So với loại SVC thông thường, STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng các hệ thống truyền tải cao áp, như vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể được xem như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống. STATCOM đã được sử dụng khoảng 5 năm qua.
Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM là một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua mạch DC của nó tạo ra UPFC. Thiết bị này giống như một biến áp chuyển dịch pha nhưng có thể gắn một điện áp nối tiếp của góc pha yêu cầu thay vì một điện áp có góc pha cố định. UPFC kết hợp lợi ích của một STATCOM và TCSC. (Xem hình 1)
3. Những lợi ích của việc sử dụng các thiết bị FACTS
Những lợi ích khi sử dụng các thiết bị FACTS trong các hệ thống truyền tải điện có thể tóm tắt như sau:
Sử dụng tốt hơn các hệ thống truyền tải hiện có
Tại nhiều nước, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng tải của các đường dây truyền tải có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt ở những nước có thị trường điện chưa được kiểm soát, nơi các vị trí phát điện và trung tâm tải có thể thay đổi nhanh chóng. Thông thường, việc bổ sung các đường dây truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng bị giới hạn bởi những cản trở về kinh tế và môi trường. Các thiết bị FACTS giúp đáp ứng những yêu cầu này với những hệ thống truyền tải hiện có.
Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải
Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây. Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của đường dây và dẫn đến cắt đường dây. SVC hoặc STATCOM chống lại sự quá áp này và tránh việc cắt đường dây.
Tăng độ ổn định động và quá độ của lưới
Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải. Các vấn đề này cũng có thể dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất vòng hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây. Các thiết bị FACTS làm ổn định các hệ thống truyền tải với việc tạo nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cố đường dây.
Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng điện năng cao
Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao gồm các yêu cầu khắt khe về giao động của điện áp, tần số và không bị cắt điện. Những sự thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng trệ trong quá trình sản xuất mà hệ quả là những tổn thất lớn về kinh tế. Các thiết bị FACTS có thể giúp cung cấp chất lượng cấp điện năng theo yêu cầu.
Các lợi ích về môi trường
Các thiết bị FACTS thân thiện với môi trường, vì không chứa các vật liệu gây hại và không tạo ra chất thải hay chất gây ô nhiễm. FACTS giúp phân phối điện năng một cách kinh tế nhờ việc huy động hiệu quả các công trình hiện có, làm giảm nhu cầu đầu tư nâng cấp những đường dây truyền tải.
4. Các ứng dụng và lợi ích kỹ thuật của thiết bị FACTS
Những thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đã đi vào hoạt động hơn 20 năm qua. Đến tháng 1 năm 2000, tổng dung lượng các thiết bị FACTS được lắp đặt trên thế giới là hơn 40,000 MVAr với hàng trăm công trình. Mặc dù các thiết bị FACTS chủ yếu được sử dụng trong ngành Điện, song chúng cũng được sử dụng trong các ngành sản xuất phần cứng máy tính và thép (SVC để giảm những hiện tượng điện áp nhấp nháy) cũng như cho điều khiển điện áp trong các hệ thống truyền tải ở ngành Đường sắt và các trung tâm nghiên cứu.
Bảng 1, 2 và 3 dưới đây mô tả những lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS cơ bản bao gồm các ứng dụng trạng thái tĩnh tập trung vào các vấn đề về giới hạn điện áp, giới hạn nhiệt, tránh các dòng công suất vòng, mức ngắn mạch và cộng hưởng đồng bộ. Các ứng dụng trạng thái động của FACTS tập trung giải quyết các vấn đề về độ ổn định quá độ, làm giảm, điều khiển điện áp một cách ngẫu nhiên và ổn định điện áp. Các thiết bị FACTS được yêu cầu khi có đòi hỏi được đáp ứng liên quan điều kiện trạng thái động (thay đổi nhanh). Những giải pháp truyền thống có chi phí thấp hơn các thiết bị FACTS nhưng bị hạn chế về khả năng đáp ứng trạng thái động. Nhiệm vụ của những nhà quy hoạch là xác định giải pháp kinh tế nhất.
Những lợi ích kỹ thuật của các thiết bị FACTS chủ yếu. (Xem bảng 1)
Bảng 2 và 3 cung cấp các thông tin về thiết bị FACTS đã được đưa vào vận hành và sử dụng rộng rãi các thiết bị như SVC, STATCOM, TCSC và UPFC. Ngoài ra, còn cung cấp thông tin về các thiết bị FACTS đang được thảo luận, phát triển như mẫu đầu tiên đang hoạt động như bộ kiểm soát góc pha điều khiển bởi thyristor (TCPAR); bộ giới hạn điện áp điều khiển bởi thyristor (TCVL); và tụ nối tiếp được đóng cắt bởi thyristor (TCSC). (Xem bảng 2)
Các ứng dụng trạng thái xác lập và trạng thái động của FACTS.
5. Chi phí đầu tư và lợi ích của các thiết bị FACTS
Chi phí đầu tư của các thiết bị FACTS có thể chia ra thành 2 loại:
a. Những chi phí cho chính thiết bị
Những chi phí này không chỉ phụ thuộc vào định mức lắp đặt mà còn phụ thuộc vào các yêu cầu đặc biệt như:
Độ dự phòng của hệ thống điều khiển và bảo vệ hay thậm chí những thành phần chủ yếu như các bộ kháng, tụ điện và máy biến thế;
Các điều kiện địa chấn;
Các điều kiện môi trường (ví dụ nhiệt độ, mức độ ô nhiễm);
Liên lạc với Hệ thống điều khiển trạm biến thế hay Trung tâm Điều khiển Vùng hoặc Quốc gia.
b. Các chi phí về cơ sở hạ tầng
Các chi phí này phụ thuộc vào vị trí trạm biến áp. Đó là những chi phí:
Thu hồi đất đai, nếu trạm biến áp hiện có không có đủ diện tích,
Những thay đổi trong trạm biến áp hiện có, ví dụ nếu cần một bộ thiết bị đóng cắt HV mới,
Xây lắp một công trình cho các thiết bị trong nhà (các thiết bị điều khiển, bảo vệ, các van thyristor, các thiết bị phụ trợ, v.v…),
Các công việc dân dụng ở hiện trường (san ủi đất, tiêu thoát nước, xây móng, v.v),
Kết nối hệ thống thông tin liên lạc hiện tại với các thiết bị mới được lắp đặt.
Với các định mức thiết bị phổ biến, giới hạn dưới của các loại chi phí được thể hiện ở hình 2 và 3 cho thấy các chi phí về thiết bị và giới hạn trên cho thấy tổng chi phí bao gồm cả chi phí cho cơ sở hạ tầng. Với các định mức công suất rất thấp, các chi phí có thể cao hơn và với các định mức công suất rất cao thì các chi phí có thể thấp hơn. Tổng mức đầu tư, không bao gồm thuế, có thể thay đổi theo các hệ số từ -10% đến 30%. (Xem hình 2, 3)
Những lợi ích tài chính của các thiết bị FACTS?
Các lợi ích tài chính mà có thể dễ dàng được tính toán là:
Mức bán hàng gia tăng nhờ dung lượng truyền tải tăng
Những chi phí công suất truyền tải do dung lượng truyền tải tăng
Tránh hoặc trì hoãn các khoản đầu tư vào các đường dây truyền tải cao áp mới hoặc thậm chí là các nhà máy phát điện mới.
Hình 4 cho thấy, mức độ bán hàng tăng thêm mỗi năm dựa vào chi phí/giá khác nhau khi dung lượng đường dây truyền tải gia tăng. Hình 5 đưa ra mức đầu tư điển hình cho các đường dây truyền tải AC cao áp mới.
Ví dụ 1:
Nếu qua việc sử dụng một thiết bị FACTS, dung lượng của một đường dây truyền tải đầy tải có thể tăng 50 MW (ví dụ với các đường dây 132 kV hoặc cao hơn), điều này có thể tăng mức bán hàng thêm 50 MW. Giả định rằng hệ số phụ tải 100% và giá bán hàng là 0,02 US$/kWh thì doanh số bán điện tăng mỗi năm sẽ là 8,8 triệu US$.
Ví dụ 2:
Giả định rằng chi phí đầu tư của một đường dây 400 kV dài 300 km là khoảng 45 triệu US$. Với lãi suất 10%, chi phí lãi suất hàng năm là 4,5 triệu US$. Chi phí lắp đặt một thiết bị FACTS ví dụ là 20 triệu US$ có thể được chứng minh là tiết kiệm nếu một khoản đầu tư như vậy có thể được tránh hay trì hoãn ít nhất 5 năm (5 x 4,5 = 22,5).
Các ví dụ trên chỉ là những tính toán sơ lược để chỉ ra những lợi ích tiết kiệm trực tiếp mà các thiết bị FACTS có thể mang lại.
Còn có những lợi ích gián tiếp của việc sử dụng các thiết bị FACTS mà ta khó tính toán hơn. Những lợi ích này gồm việc tránh tổn thất của các ngành sản xuất do mất điện (ví dụ ngành giấy, dệt may, ngành sản xuất chất bán dẫn, chip máy tính) hay sự sa thải phụ tải trong các thời điểm cao điểm của phụ tải.
Bảo dưỡng các thiết bị FACTS
Bảo dưỡng các thiết bị FACTS là tối thiểu, tương tự như đối với các tụ rẽ nhánh, các bộ kháng và máy biến áp. Công việc này có thể được thực hiện do các nhân viên trạm biến áp bình thường mà không yêu cầu những thủ tục đặc biệt. Lượng công việc bảo dưỡng từ 150 – 200 giờ công mỗi năm và phụ thuộc vào mức độ lắp đặt và các điều kiện môi trường.
Hoạt động của các thiết bị FACTS
Các thiết bị này thường hoạt động tự động. Chúng có thể được lắp đặt tại các trạm biến áp tự động. Việc thay đổi các tham số thiết lập của các mode hoạt động có thể được thực hiện tại trạm hoặc từ xa (ví dụ từ một phòng điều khiển trạm biến áp, một trung tâm điều khiển vùng hoặc một trung tâm điều khiển quốc gia).
6. Sự phát triển trong tương lai của FACTS
Sự phát triển trong tương lai sẽ bao gồm việc phối hợp các thiết bị hiện có, ví dụ phối hợp một STATCOM với một TSC (tụ chuyển mạch bằng thyristor) để mở rộng dải hoạt động. Ngoài ra, các hệ thống điều khiển tinh vi hơn sẽ cải thiện hoạt động của các thiết bị FACTS.
Những phát triển trong công nghệ bán dẫn (ví dụ khả năng mang dòng cao hơn, các điện áp cản cao hơn) có thể làm giảm chi phí của các thiết bị FACTS và mở rộng dải hoạt động của chúng. Cuối cùng, những phát triển trong công nghệ bán dẫn sẽ mở cửa để phát triển cho các thiết bị mới như SCCL (Bộ hạn chế dòng siêu dẫn) và SMES (Lưu điện từ siêu dẫn).
Tầm nhìn cho một hệ thống truyền tải cao áp trên thế giới là nhằm để sản xuất điện năng một cách kinh tế và thân thiện môi trường, cung cấp điện năng cho những nơi cần điện, FACTS là chìa khoá để biến tầm nhìn này thành hiện thực.
7. Kết luận
Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các giao động hệ thống. Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên Thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện. Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết lưới điện và tính toán các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích về kinh tế mà thiết bị FACTS mang lại.
Trong tương lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử cũng như công nghệ chế tạo các thyristor công suất lớn, các thiết bị làm linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS ngày càng được ứng dụng rộng rãi với chi phí đầu tư giảm, đáp ứng các yêu cầu về tối ưu trong vận hành và điều kiển hệ thống truyền tải điện.
Chú thích:
A. Máy phát điện vùng sâu vùng xa – Các đường dây hình tia (ví dụ ở Namibia)
B. Các khu vực kết nối với nhau (ví dụ Brazil)
C. Mạng kiểu lưới đan chặt (ví dụ ở Tây Âu)
D. Mạng kiểu lưới đan lỏng (ví dụ ở Queensland, úc)
BESS = Hệ thống tích năng lượng dạng acqui
HVDC = Dòng một chiều cao áp
LTC = Bộ nạp lấy đầu ra Máy biến áp - Tải
NGH = Bộ làm nhụt Hingorani
PAR = Bộ điều khiển Pha-Góc
SCCL = Bộ hạn chế dòng siêu dẫn
SMES = Lưu trữ năng lượng điện từ siêu dẫn
SVC = Máy bù tĩnh
STATCOM = Máy bù đồng bộ tĩnh
TCPAR = Bộ điều chỉnh góc pha điều khiển bằng thyristor
TCSC = Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor
TCVL = Bộ hạn chế điện áp điều khiển bằng thyristor
TSBR = Điện trở chuyển mạch bằng thyristor
TSSC = Tụ nối tiếp chuyển mạch bằng thyristor
UPFC = Bộ điều khiển luồng công suất hợp nhất
Tài liệu thao khảo
[1] Hệ thống điện tập 1 và 2 - Đặng Ngọc Dinh, Trần Bách, Ngô Hồng Quang, Trịnh Hùng Thám, Nguyễn Hữu Khái.
[2] Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện – GS.TS. Lã Văn út
[3] Bù công suất phản kháng trong các hệ thống điện siêu cao áp – GS.VS. Trần Đình Long
[4] Các chế độ vận hành hệ thống điện – GS.TS. Lã Văn út
[5] Understanding FACTS, Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems – Narain G.Hingorani & Laszio Gyugyi
[6] Flexible AC Transmission Systems (FACTS) – Yong Hua Song & Allan T Johns
[7] IEEE trans. on Power System,Vol.18, No.1,Feb. 2003
[8] IEEE trans. on Power System,Vol.17, No.4,Nov. 2002
[9] IEEE trans. on Power System,Vol.13, No.1,Feb. 1998
[10] Siemens AG Database
