TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 1 LỰA CHỌN THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN 500KV VIỆT NAM OPTIMAL SELECTION OF REACTIVE COMPENSATORS FOR VIETNAM’S 500KV POWER SYSTEM NGUYỄN HỒNG ANH Đại học Đà Nẵng LÊ CAO QUYỀN Công ty CP Tư vấn Xây dựng Điện 4 TÓM TẮT Có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS mà đặc biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện 500kV Việt Nam nhằm gia tăng biên độ ổn định điện áp cũng như ổn định quá độ đã được đưa ra xem xét, tuy nhiên việc đánh giá chọn lựa thiết bị phát công suất nào hợp lý (STATCOM hay SVC) cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm. Bài báo này nghiên cứu về các vấn đề nêu trên nhằm đưa ra một giải pháp lắp đặt nguồn phát công suất kháng hợp lý (loại, vị trí, dung lượng) cho hệ thống lưới điện 500kV Việt Nam. Việc phân tích sẽ chỉ căn cứ trên các yếu tố kỹ thuật mà không dựa trên yếu tố kinh tế. Trong tính toán sẽ sử dụng hệ thống điện lưới 500kV Việt Nam giai đoạn đến năm 2015 (Tổng sơ đồ VI). Nhằm để tập trung đánh giá một cách sâu sắc, kế hoạch thực hiện bù công suất kháng chỉ được nghiên cứu cho lưới điện 500kV Miền Nam là nơi tập trung nhu cầu phụ tải lớn và có thể gia tăng đột biến. Các kết quả tính toán trào lưu công suất hệ thống, phân tích các đặc tính PV, OPF, ổn định quá độ được khảo sát qua phần mềm PSS/E-30. ABSTRACT Many of papers refers to study of application for FACTS, especially for using reactive compensators for Vietnam’s 500KV power system in order to increase the static voltage stability margin and transient stability enhancement have considered, however the optimal evaluation and selection of suitable Var source (STATCOM or SVC) as well as determination of the size of the Var source in steady state and transient analysis has not yet been proposed. The purpose of this paper is to solve the above problems in order to suggest a solution of optimal shunt compensator (kind of Var source, allocation, size) for Vietnam’s 500KV power system. The analysis is based on technical specifications without taking into account economic cost. In the study, Vietnam’s 500KV power system will be used in the stage up to the year 2015 in accordance with Power Network Planning for Vietnam (the Sixth Power Development Master Plan). For the sake of careful and deep analysing, the planning process aims at providing the system with efficient Var compensation to be investigated in 500kV power system in Southern Viet Nam, of which the load is highest and can undergo a great sudden increase. The results of load flow, PV curve analysis, OPF, and transient stability are examined by using the PSS/E-30. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 2 1. Giới thiệu Các sự cố tan rã hệ thống gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện áp (hoặc là mất ổn định điện áp). Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng tăng mạnh bất thường của nhu cầu phụ tải [2]. Thời gian mất ổn định điện áp từ khi bắt đầu đạt đến giới hạn công suất truyền tải cho đến khi mất điện có thể kéo dài từ vài giây đến vài giờ. Các thiết bị điện tử công suất hoặc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) cung cấp các giải pháp kỹ thuật để giải quyết các vấn đề về ổn định điện áp. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị bù công suất kháng như SVC, STATCOM 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. Theo [1], phân tích bài toán lập kế hoạch bù công suất kháng sẽ xác định được vị trí bù tối ưu và dung lượng bù hợp lý, tuy nhiên để quyết định chọn nguồn phát công suất kháng nào hợp lý (phản ứng nhanh, linh hoạt đối với các hiện tượng sự cố trong hệ thống) thì bài toán phân tích ổn định trong miền thời gian rất được quan tâm. 2. Mô hình STATCOM và SVC trong hệ thống điện [2], [3], [4] 2.1. Mô hình Statcom: STATCOM là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSI-Voltage –Source Inverter), nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng cho hệ thống. STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều khiển điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh điện áp và góc pha từ STATCOM. Bằng cách khống chế điện áp của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp hệ thống, dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện. 2.2. Mô hình SVC: SVC là một thiết kế tổng hợp các phần tử: tụ điện, cuộn kháng, biến điện thế, các thiết bị đóng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả cùng hoạt động để Hình 1 : Cấu trúc cơ bản của STATCOM TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 3 trở thành một khối cung cấp nguồn phát hoặc hấp thụ công suất phản kháng có thể điều khiển được nhanh chóng. Hệ thống lưới điện 500kV Việt Nam năm 2015 được đưa vào khảo sát, trong đó khu vực lưới điện miền Nam được xem xét thực hiện bù công suất kháng do đây là nơi tập trung nhu cầu phụ tải lớn và có thể gia tăng đột biến. Kích bản nghiên cứu ở đây là xây dựng đường đặc tính P-V khu vực miền Nam thông qua phương pháp phân tích trào lưu liên tục với việc huy động nguồn từ miền Bắc (đặc biệt là từ các NMTĐ lớn như Sơn La, Lai Châu, Hòa Bình, Huội Quảng) cung cấp cho nhu cầu phụ tải tăng dần tại miền Nam. ` Hình 3: Đặc tính P-V của các thanh cái 220kV TBA 500/220kV Cầu Bông, Đức Hòa, TĐ Bắc, Phú Lâm Các tính toán cho thấy công suất huy động sẽ truyền tải rất lớn trên 2 đường dây 500kV từ Pleiku đi vào Nam (Pleiku-ĐăkNông về Phú Lâm và Pleiku- Di Linh về Phú Lâm). Cầu Bông Phú Lâm Đức Hòa Phần ổn định Phần mất ổn định SM=1550MW Tân Định Hình 2: Sơ đồ bộ bù tĩnh SVC Bù công suất kháng tối ưu cho hệ thống điện Việt Nam TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 4 67.4+j199.5 Sông Buong 2,4 Xekaman 3 ĐăkMi 1,4 Đi Đà Nẵng Thạnh Mỹ Dốc Sỏi Di Linh NĐ Vónh Tân Đại Ninh Bắc Bình Đăk Nông Đồng Nai 3,4,5 Đăk Tik Mỹ Phước Cầu Bông Tân Đònh Nhà Bè Thủ Đ.Bắc Sông Mây NĐ. Sơn Mỹ NĐ.Phú Mỹ Phú Mỹ NĐ.Trà Vinh NĐ.Sóc Trăng NĐ.Ô Môn Thốt Nốt Phú Lâm Đức Hoà NĐ Kiến Lương Hệ thống điện 500kV Miền Nam năm 2015 Trường hợp huy động nguồn công suất Miền Bắc cấp cho Miền Nam : 1550MW Mỹ Tho 225.6kV 431.4+j244.7 1506.9+j259.6 853.2+j661.0 454.4kV 1390.6+j901.6 199.2kV 600+j256.7 2x( 600+j360.0 93.8-j478 282.2+j113 144.2+j99.5 428.3-j62.1 239.7-j217.2 655.6-j209.5 509.2kV 416.6+j50.6 225.1kV 223.9kV 504.4kV Yaly PleiKu 482.3kV 227.0kV 1641.2+j1370.6 459.7kV 196.3kV 213.7kV 468.6+j58 2368+j1090.4 1199.8+j611 488.5kV 424.8+j711.4 276.8+j161.5 1476.4+j538.8 510.2kV 2x( 193.3kV 509.2kV 180+j110.94x( 719+j340.2 907.4+j88.2 894.1+j127.8 1196.8+j127.7 363.4+j154 216.9kV 506.9kV 613.6+j222.6 477.7kV 221.1kV 328.7+j176.1 246.3-j10.2 320.4+j330.8 2078.8+j983.2 99.2+j343.5 509.9+j200.7 1434.8+j1065.2 647.3+j489.3 1428.8+j1054.4 195.9kV 453.2kV 984+j730.8 207.0kV 464.1kV 600+j347.4 2x( 879.6+j523 503.5kV 222.7kV 226.9kV -42.3+j96.5 502.0kV 1270.2+j534.2 197.9kV 459.3kV 907.6+j849.5 458.5kV 1312.2+j675.4 593.5+j451.5 267.4+j410.2 1248.2+j739.6 834.2+j1001.8 991.4+j900.4 205.9kV 464.2kV 100+j100.0 3x( 100+j153.8 6x( 478.3kV 1123.8+j574.2 749.1+j418.8 473.5kV 210.7kV 124+j87.9 229.5kV 503.2kV 1000+j594.6 464.7kV 1141.8+j415.6 195.7kV 190+j122 495.7kV 226.4kV 190+j140.0 3x( 400+j450.03x( 1608.2+j1063.8 217.6kV 600+j354.5 2x( 512.0kV Se San 3, 3A, 4 11867MW 371MW Losses: Pmax500kV_MN: Hình 4: Lưới điện 500kV miền Nam năm 2015 Huy động nguồn cơng suất cấp cho miền Nam: 1550MW. Hình 3 cho thấy nếu cơng suất truyền tải gia tăng trên 1550MW, hiện tượng sụp đổ điện áp sẽ xuất hiện (giải thuật phân tích trào lưu cơng suất sẽ khơng hội tụ). Với giá trị huy động cơng suất tại giá trị biên ổn định SM=1550MW, hệ số gia tăng phụ tải lambda_max =1,15; cơng suất cấp cho miền Nam lúc này là 11.867MW (tính quy đổi phụ tải thơng qua các MBA 500/220kV). Tại SM giá trị điện áp thấp nhất là thanh cái Cầu Bơng (0,879pu). Các kết quả phân tích đặc tính P-V cho thấy các thanh cái 220kV của các TBA 500kV có điện áp giảm nhanh nhất là Cầu Bơng, Đức Hòa, Thủ Đức Bắc, Phú Lâm, Tân Định. Với giá trị cơng suất huy động nguồn 1550MW và hệ thống đang đứng tại điểm sụp đổ điện áp, bất kỳ một trường hợp nhảy máy cắt đường dây 500kV nào khu vực Miền Nam đều gây rã hệ thống. Cơng suất huy động truyền tải từ miền Bắc vào miền Nam lúc này thơng qua 2 đường dây 500kV Pleiku đi Đăk Nơng (894MW) và Pleiku đi Di Linh (907MW), trong trường hợp sự cố bất kỳ một đường dây nào, đường dây kia sẽ tải trên 1800MW và có thể vượt q khả năng tải cho phép trong thời gian sự cố của các dàn tụ bù 2000A trên các đường dây này S cp =1,1*500*srt(3)*2000=1903MVAr). Như vậy do khống chế cơng suất truyền tải trên đường dây, chấp nhận giá trị huy động nguồn 1550MW làm cơ sở để tính tốn OPF. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 5 Nhằm xem xét và khẳng định sự hợp lý của các thanh cái cần bù công suất phản kháng, tiến hành phân tích OPF với hệ thống điện được đưa vào tính toán là kịch bản chế độ huy động nguồn đến 1550MW. Ràng buộc về giới hạn điện áp của các nút trong hệ thống điện đề nghị chọn lựa như sau: + Điện áp đầu cực máy phát: 1,0pu đến 1,09 pu. + Các nút 220kV : 0,95pu đến 1,09 pu. + Các nút 500kV: 0,95pu đến 1,05 pu. Các thanh cái 220kV của 9 TBA 500/220kV lưới điện Miền Nam như Thủ Đ.Bắc, Cầu Bông, Phú Lâm, Đức Hòa, Sông Mây, Mỹ Phước, Tân Định, Mỹ Tho, Thốt Nốt đều đặt nguồn công suất phản kháng phát/thu mặc định ±500MVAr. Với việc đặt đồng loạt tất cả nguồn phát công suất kháng tại các thanh cái nhằm cho chương trình có một cách tính tổng quát để chọn lựa các kết quả tối ưu về vị trí cũng như dung lượng bù cần thiết. Bảng 1: Vị trí và dung lượng tối ưu cần lắp nguồn bù. PTI Power System Simulator / OPF. Version 30.2 WEDNESDAY, APRIL 30, 2008 Case Title: LUOI DIEN 500 KV TOAN QUOC NAM 2015 8:42 PM Added Vars Summary Table for Added Shunt (Mvar): Bus # Name kV ID Area Zone Initial Final Change Minimum Maximum 5022 TDUC_BAC 220.00 1 6 1 0.000 134.259 134.259 -500.000 500.00 5102 CAUBONG 220.00 1 6 1 0.000 203.918 203.918 -500.000 500.00 5122 PHULAM 220.00 1 6 1 0.000 265.548 265.548 -500.000 500.00 5232 DUCHOA 220.00 1 6 1 0.000 159.342 159.342 -500.000 500.00 6642 TAN_DINH 220.00 1 6 1 0.000 112.646 112.646 -500.000 500.00 Total: 0.000 875.713 Các kết quả tính toán OPF ở bảng 1 cho thấy các vị trí lắp nguồn bù mà chương trình OPF tìm là phù hợp so với kết quả phân tích dựa trên đặc tính P-V. Nhằm xem xét tính hiệu quả của các vị trí và dung lượng bù mà chương trình đã đưa ra, tiến hành điều chuyển các thiết bị bù sang các thanh cái khác với 2 phương án: Phương án 1: Điều chuyển thiết bị bù từ thanh cái 220kV Cầu Bông, Thủ Đ.Bắc, Phú Lâm tuần tự sang các vị trí 220kV Mỹ Phước, Sông Mây, Mỹ Tho. Phương án 2: Điều chuyển thiết bị 200 205 210 215 220 225 230 235 CầuBông NhàBè TânĐịnh SôngMây MỹPhước T.Đ.Bắc ThốtNốt ĐứcHoà MỹTho PhúLâm Thanh cái 220kV (KV) Bù tối ưu Phương án 1 Phương án 2 Hình 5: Các phương án điều chuyển thiết bị bù khác nhau TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 6 bù từ thanh cái 220kV Đức Hoà, Phú Lâm, Tân Định tuần tự sang các vị trí 220kV Thốt Nốt, Nhà Bè, Mỹ Phước. Hình 5 cho thấy đối với hai phương án điều chuyển vị trí sang các vị trí khác, kết quả điện áp tại các thanh cái 220kV Cầu Bông, Thủ Đức Bắc, Đức Hoà, Phú Lâm đều vượt ra ngoài giá trị điện áp yêu cầu (Uyc≥ 209kV). Tổn thất công suất hệ thống lưới điện 500kV Miền Nam của hai phương án bù điều chuyển đều lớn hơn phương án bù tối ưu (tổn thất công suất Miền Nam phương án bù tối ưu là 322,4MW; phương án 1 là 325,6MW; phương án 2 là 326,9MW). Như vậy có thể thấy các vị trí và dung lượng lắp đặt đưa ra ở bảng 1 là tối ưu nhất. Với vị trí và dung lượng như trên biên độ giới hạn ổn định điện áp SM gia tăng đến 1850MW. Công suất tải miền Nam quy đổi tại các TBA 500kV gia tăng lên đến 12.167MW, hệ số gia tăng phụ tải lambda_max =1.18. Xác định loại nguồn phát công suất phản kháng tối ưu: Hai thiết bị phát/thu công suất phản kháng với dung lượng tương đương được đưa vào bài toán khảo sát ổn định trong miền thời gian là SVC và STATCOM. Trường hợp tính toán với kịch bản công suất huy động từ Miền Bắc vào cho Miền Nam tại giá trị biên SM=1550MW với công suất truyền tải trên lưới điện 500kV kết nối giữa 2 Miền Trung và Nam khá lớn. Nhằm đánh giá khả năng nâng cao độ ổn định của các thiết bị phát công suất kháng kịch bản sự cố được xem xét là sự cố 3 pha vĩnh cữu trên đường dây 500kV từ Di Linh đi Tân Định, điểm sự cố gần TBA 500kV Tân Định, rơle chính không làm việc, hệ thống rơle dự phòng đưa tín hiệu cắt trễ với thời gian dao động từ 0,7sec đến 0,8sec. Kết quả phân tích dao động góc pha tổ máy phát 1000MW Trà Vinh cho thấy sau thời điểm cắt ngắn mạch t cắt =0,7sec; biên độ góc pha của máy phát Trà Vinh trường hợp sử dụng nguồn bù công suất kháng bằng SVC lớn hơn so với Phần ổn định Phần mất ổn định SM=1850MW SM=1550MW Phú Lâm Cầu Bông Hình 6: Đặc tính P-V của các thanh cái 220kV TBA 500/220kV Cầu Bông, Đức Hòa, TĐ Bắc, Phú Lâm, Nhà Bè, Sông Mây, Mỹ Phước, Mỹ Tho. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 7 trường hợp sử dụng bằng STATCOM, với giá trị biên độ lớn này nếu thời gian loại trừ ngắn mạch gia tăng sẽ gây ra mất ổn định hệ thống. Hình 7: Dao động góc pha tổ máy phát 1000MW của NĐ than Trà Vinh với 2 trường hợp bù công suất phản kháng bằng SVC và STATCOM. Hình 8: Dao động góc pha tổ máy phát NĐ than Trà Vinh, ÔMôn với 2 trường hợp bù công suất phản kháng bằng SVC và STATCOM. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 8 Hình 9: Dao động điện áp thanh cái 500kV Tân Định với 2 trường hợp bù công suất phản kháng bằng SVC và STATCOM. Hình 10: Dao động công suất phát nguồn kháng của các STATCOM (đơn vị cơ bản với S cb =100MVA). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 9 Khảo sát cũng với trường hợp sự cố như trên nhưng thời gian cắt ngắn mạch kéo dài đến 0,8sec. Hệ thống điện Miền Nam với trường hợp bù công suất kháng bằng SVC đã mất ổn định, trong khi đó với trường hợp bù STATCOM hệ thống vẫn đảm bảo sự ổn định. Các tính toán trên có thể kết luận, đối với ổn định trong miền thời gian hệ thống bù công suất kháng bằng STATCOM sẽ điều khiển nhanh, linh hoạt và tin cậy hơn so với SVC. 3. Kết luận Qua kết quả tính toán như trên, các kết luận có thể rút ra như sau: - Kết quả phù hợp với lý thuyết đã nêu. - Bù công suất phản kháng làm gia tăng thêm được biên độ ổn định điện áp. - Các thanh cái quan trọng để thực hiện bù trên lưới điện 500kV giai đoạn năm 2015 là các thanh cái 220kV của các TBA 500/220kV: + TBA 500kV Cầu Bông: công suất bù tối ưu: 200MVAr. + TBA 500kV Phú Lâm: công suất bù tối ưu: 265MVAr. + TBA 500kV Đức Hòa: công suất bù tối ưu: 160MVAr. + TBA 500kV Tân Định: công suất bù tối ưu: 120MVAr. - Đối với lưới điện 500kV Việt Nam, việc bù công suất kháng bằng STATCOM cải thiện độ ổn định động tốt hơn so với bù SVC. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Optimal Allocation of shunt Dynamic Var Source SVC and STATCOM: A Survey-Wenjuan Zhang, Student Member, IEEE, Fangxing Li, Senior Member, IEEE, Leon M. Tolbert, Senior Member, IEEE. [2] Static Voltage Stability Margin Enhancement Using STATCOM, TCSC and SSSC-Arhit Sode-Yome, Nadarajah Mithulananthan Member, IEEE and Kwang Y.Lee Fellow, IEEE. [3] FACTS Modelling and Simulation in Power NetWorks– JOHN WILEY & SONS, LTD. [4] FACTS–Flexible Alternating Current Transmission Systems- Gabriela Glanzmann EEH-Power System Laborary ETH Zürich- 14. January 2005. [5] PSS/E TM 30 – Volume I, II Program Application Guide – Power technologies, INC. [6] Báo cáo tính toán bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Bắc và miền Trung giai đoạn 2004-2005 – 11/2001, Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia. . TBA 500kV Cầu Bông: công suất bù tối ưu: 200MVAr. + TBA 500kV Phú Lâm: công suất bù tối ưu: 265MVAr. + TBA 500kV Đức Hòa: công suất bù tối ưu: 160MVAr. + TBA 500kV Tân Định: công suất bù tối. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 1 LỰA CHỌN THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN 500KV VIỆT NAM OPTIMAL SELECTION OF. 209kV). Tổn thất công suất hệ thống lưới điện 500kV Miền Nam của hai phương án bù điều chuyển đều lớn hơn phương án bù tối ưu (tổn thất công suất Miền Nam phương án bù tối ưu là 322,4MW; phương