ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀM ANH TUỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Thái Nguyên - 2010 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đàm Anh Tuệ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng Toản trường Đại học Điện lực Hà Nội. Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Đàm Anh Tuệ TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hướng thị trường hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phương pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn tối ưu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Kết quả được thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC. Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn. Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ được trình bày cụ thể trong chương này. Chương III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam được trình bày trong chương IV của luận văn. Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định với nhiễu loạn nhỏ, hệ số phần dư, TCSC. 3 MỤC LỤC TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 1 LỜI CAM ĐOAN 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 12 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ 12 1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS 13 1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 14 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 14 CHƯƠNG II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 15 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 15 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 15 2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện 27 2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện 30 2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện 33 2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 33 2.2.1 Định nghĩa 33 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ 35 2.2.3 Phương pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ 42 2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 43 2.4 KẾT LUẬN 46 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN DO NHIỄU LOẠN NHỎ 47 4 3.1 THIẾT BỊ TCSC 47 3.1.1 Giới thiệu chung 47 3.1.2 Các lợi ích của việc dùng TCSC 47 3.1.3 Mô hình TCSC 49 3.1.4 Phạm vi ứng dụng của TCSC trong thực tế 54 3.2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM PSS/E 56 3.2.1 Giới thiệu chung 56 3.2.2 Giới thiệu tổng quan về chương trình PSS/E 57 3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lưu công suất 60 3.2.4 Tính toán tối ưu trào lưu công suất 63 3.2.5 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E 74 3.3 KẾT LUẬN 78 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG 79 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 79 4.1.1 Tình trạng vận hành hiện tại của hệ thống điện Việt Nam 79 4.1.2 Quy hoạch phát triển năng lượng trong giai đoạn 2006-2010-2015 90 4.2 CÁC TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG KHI CHƯA CÓ TCSC 107 4.3 DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN DƯ ĐỂ LỰA CHỌN ĐIỂM ĐẶT TCSC 111 4.4 CÁC MÔ PHỎNG KHI CÓ TCSC 114 4.4.1 Các giá trị riêng 114 4.4.2 Dao động điện với tín hiệu đầu vào khác nhau 115 4.5 KẾT LUẬN 119 CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 5.1 KẾT LUẬN 121 5.1.1 Nghiên cứu các sự cố 121 5.1.2 Nghiên cứu về TCSC trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ 121 5.2 KIẾN NGHỊ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng III-1: Danh sách các TCSC đã được lắp đặt 54 Bảng IV-2: Điện năng tiêu thụ của Việt Nam từ 1995 - 2005 79 Bảng IV-3: Gia tăng nhu cầu phụ tải hàng năm từ 1995 - 2005 79 Bảng IV-4: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 80 Bảng IV-5: Các nhà máy điện hiện có 81 Bảng IV-6: Tổng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2000 - 2005 83 Bảng IV-7: Tổng nhu cầu điện năng 84 Bảng IV-8: Tóm tắt về đường dây và các trạm biến áp 85 Bảng IV-9: Điện năng và công suất ở các trạm biến áp 500kV 86 Bảng IV-10: Các sự cố trên đường dây 500kV 88 Bảng IV-11: Nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2006-2010-2020 90 Bảng IV-12: Tổng hợp nhu cầu điện năng của các miền 91 Bảng IV-13: Các nhà máy điện được đưa vào vận hành đến năm 2015 92 Bảng IV-14: Danh sách đường dây 500kV hiện có và đã được quy hoạch 103 Bảng IV-15: Danh sách trạm biến áp 500kV hiện có 105 Bảng IV-16: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa mưa 111 Bảng IV-17: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa khô 111 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CIGRE Conseil International des Grands Réseaux Électriques or : International Council on Large Electric systems (Hiệp hội các hệ thống điện lớn) E.ON Netz A Transmission System Operator in Germany (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) EPRI Electric Power Research Institute (Viện nghiên cứu điện lực Mỹ) ESM Energy System Management (Hệ thống quản lý năng lượng) FACTS Flexible AC Transmission System (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) HTĐ Hệ thống điện HVDC High Voltage Direct Current (Đường dây tải điện một chiều) IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ) MAM Modifier Arnoldi method (Phương pháp Arnoldi hiệu chỉnh) MPĐ Máy phát điện PMU Phasor Measurement Unit (Hệ thống đo góc pha) PSS Power System Stabilizer (Bộ ổn định công suất) PSS/E Power System Simulation Engineering (Mô phỏng hệ thống điện) PTI Power Technology Inc. (Công ty phần mềm Inc - Mỹ) RTCA Real Time Contingency Analysis (Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực) RWE TSO A transmission system operator in Germany - RWE Transportnetz Strom (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) SE State Estimator 8 (Hệ thống đánh giá trạng thái) SMA Seclective Modal Analysis (Phân tích mô hình lựa chọn) SSR Sybsynchronous Resonance (Cộng hưởng tần số thấp) SSS Small Signal Stability (Ổn định với nhiễu loạn nhỏ) SVC Static Var Compensator (Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh) TCSC Thyristor Controller Series Compensator (Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor) TenneT The transmission system operator in Netherlands (Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan) ULTC Under Load Tap Changer (Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải) WAMS Wide Area Measurement Systems (Hệ thống đo lường trên diện rộng) WAPC Wide Area Protection and Control (Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng) 9 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Một HTĐ thường phân chia làm ba phần chính: Phần phát điện - hay phần nguồn điện - bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điện khác… Phần truyền tải, đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của một HTĐ bao gồm các đường dây cao áp, và máy biến áp truyền tải. Phần phân phối, nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải khác nhau. Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường thì HTĐ cần thỏa mãn các điều kiện về an ninh, tin cậy cung cấp điện, đảm bảo chất lượng điện năng, và yêu cầu về kinh tế. Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải: Đặc biệt là với một nước đang phát triển nhanh như Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng (15 - 20)% mỗi năm đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nước nói chung: đó là làm sao phải đáp ứng được nhu cầu phụ tải. Vấn đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt, và cả nguồn thủy điện. Không chỉ riêng Việt Nam và cả thế giới đều nhận thức được rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lượng sơ cấp, và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế. Ở đây chúng ta cần hiểu rằng nguồn thủy điện đã cạn kiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã được phát hiện và khai thác gần hết. Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc gia. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện ở nước ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về công 10 [...]... Transmission System) đã chứng tỏ tác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phương pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải điện... TRÚC CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn được trình bày như sau: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu. .. loạn nhỏ Ổn định tần số Nhiễu loạn nhỏ Ổn định quá độ Ngắn hạn Ổn định điện áp Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Kích động lớn Dài hạn Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố tan rã HTĐ Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung vào nghiên cứu về vấn đề này 2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 2.2.1... bộ trong HTĐ Sự mất ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ ( small signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transient stability): Ổn định góc Rôto với nhiễu loạn nhỏ (hoặc ổn định góc Rôto với tín hiệu nhỏ hoặc ổn định tín hiệu nhỏ. .. lượng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải tối ưu hóa điểm đặt các thiết bị này để nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ 14 Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn tối ưu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ Kết quả được thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC 1.3... điện 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ Khi nghiên cứu các vấn đề ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ, các dạng nhiễu loạn thông thường được coi là đủ nhỏ và phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc cân bằng của HTĐ thường được áp dụng cho việc nghiên cứu và phân tích Các phương pháp truyền thống dựa trên các phân tích các giá trị riêng của ma trận trạng thái... cũng như là phương pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ được trình bày cụ thể trong chương này Chương III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam được trình bày trong chương IV của luận văn Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn chỉ thảo luận phương pháp dùng hệ phần dư để... loạn nhỏ Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung vào đề xuất các phương án, nghiên cứu, và nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Ngày nay việc ứng dụng các công nghệ mới đặc biệt là các thiết bị bù linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) đã chứng tỏ... Trong đó việc mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính 13 Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ được tóm tắt ngắn gọn Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc điều... năng của một HTĐ vẫn còn duy trì được sự đồng bộ hóa khi trải qua các nhiễu loạn nhỏ (hay kích động nhỏ) Các nhiễu loạn được coi là đủ nhỏ để có thể dùng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng hệ thống điện cho mục đích phân tích tính chất ổn định, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến sự mất ổn định Sự ổn định nhiễu loạn nhỏ phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống điện Mất ổn định . trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phương pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Trong luận văn. HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀM ANH TUỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Thái. System) đã chứng tỏ tác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phương pháp nghiên cứu và