Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết giới thiệu phương pháp áp dụng thiết bị bù linh hoạt SVC để giảm thiểu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện. Sơ đồ điều khiển, mô hình mô phỏng áp dụng cho lưới điện chuẩn IEEE được trình bày và phân tích đánh giá đã minh chứng cho tính đúng đắn của phương pháp.
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ SVC NHẰM GIẢM THIỂU SỰ CỐ CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Lê Đức Tùng* Tóm tắt: An ninh lượng có vai trò quan trọng việc phát triển kinh tế đảm bảo ổn định trị, tự chủ độc lập quốc gia Vận hành an toàn nhà máy điện, đảm bảo ổn định hệ thống điện có yếu tố định đến an ninh lượng điện Bài báo giới thiệu phương pháp áp dụng thiết bị bù linh hoạt SVC để giảm thiểu cố cộng hưởng đồng hệ thống điện Sơ đồ điều khiển, mơ hình mơ áp dụng cho lưới điện chuẩn IEEE trình bày phân tích đánh giá minh chứng cho tính đắn phương pháp Từ khóa: Kỹ thuật điện-điện tử; Kỹ thuật điện; Ổn định hệ thống điện; Cộng hưởng đồng bộ; Thiết bị bù linh hoạt ĐẶT VẤN ĐỀ Các nhà máy điện thường nằm khoảng cách xa thành phố lớn, khu công nghiệp, phụ tải lớn Để truyền tải lượng điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, người ta thường phải xây dựng đường dây truyền tải điện cao áp Trên đường dây truyền tải điện thường có sử dụng tụ bù dọc để tăng khả truyền tải công suất tác dụng tăng độ dự trữ ổn định động Trước năm 1970, người ta nghĩ rằng, tụ bù dọc khơng có tác hại cho hệ thống điện Nhưng năm 1970-1971, sau hai cố tiếng nhà máy nhiệt điện miền Tây Hoa Kỳ [1], nghiên cứu sau rằng, tụ điện bù dọc gây dao động cộng hưởng tần số tương đối thấp, từ 10 đến 40 Hz Nguyên nhân gây hai cố trùng hợp ngẫu nhiên tần số tự nhiên phía lưới điện với tần số tự nhiên bên phía (rơ-to, tua-bin) với tần số đồng Hiện tượng gọi tương cộng hưởng đồng SSR (SubSynchronous Resonance) Nó ngun nhân phá hỏng trục tuabin nhà máy điện Mohave, gây thiệt hại kinh tế, gián đoạn cung cấp điện ảnh hưởng tổng thể đến an ninh, trị, quân quốc gia Hệ thống điện 500 kV Việt Nam đưa vào vận hành từ năm 1994 mang lại hiệu lớn việc truyền tải cung cấp điện Lưới điện 500kV có chiều dài đường dây 500kV khoảng 3466km 10 trạm biến áp với tổng công suất 6150MVA Trên đoạn đường dây 500kV có khoảng cách lớn lắp đặt tụ bù dọc hai đầu trạm biến áp với mức độ bù 60% Công suất truyền tải đường dây 500kV mức cao, công suất đường dây 500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1500MW đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh 1200MW nên điện áp 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường mức thấp Ngoài ra, hệ thống điện có nhiều nhà máy nhiệt điện với tuabin cấu tạo từ nhiều khối Vì vậy, đặc trưng ảnh hưởng nhiều đến ổn định hệ thống điện, đặc biệt nguy xuất hiện tượng SSR Như vậy, thấy, việc nghiên cứu hiểu rõ chất tượng SSR cần thiết quan trọng, góp phần nâng cao an tồn, độ tin cậy trình vận hành hệ thống điện, đảm bảo yếu tố kinh tế, trị, quân quốc gia Hiện có nhiều nghiên cứu tượng SSR phuơng pháp loại trừ SSR hệ thống điện Trong [3, 4], tác giả xây dựng mơ hình phục vụ nghiên cứu tượng SSR Trong [5], tác giả trình bày phương pháp trị riêng nghiên cứu tượng SSR Trong [6], tác giả nêu phương pháp ngăn ngừa SSR cách thay tụ bù dọc thiết bị bù ngang có điều khiển SVC (Static VAR Compensator) Bài báo trình bày nghiên cứu áp dụng thiết bị SVC để loại trừ cố SSR, 10 Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cho phép sử dụng tụ bù dọc đường dây truyền tải Mơ hình mô áp dụng với lưới điện IEEE phần mềm Matlab/Simulink thực để minh chứng cho nghiên cứu lý thuyết Phần báo giới thiệu thiết bị SVC nguyên lý áp dụng việc loại trừ cố SSR Mô hình mơ xây dựng phần mềm Matlab/simulink kết mô với lưới điện chuẩn IEEE mục Cuối kết luận định hướng nghiên cứu trình bày mục MƠ HÌNH THIẾT BỊ SVC Hình Cấu trúc tổng quan thiết bị SVC SVC (Static VAR Compensator) thiết bị bù ngang, có khả cung cấp tiêu thụ công suất phản kháng Thực vậy, cơng suất SVC điều chỉnh cách thay đổi góc mở thyristor tín hiệu đóng mở tụ [7] SVC thường cấu tạo từ thành phần sau (hình 1): Kháng điều chỉnh thyristor – TCR (Thyristor Controlled Rector): Có chức điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ Kháng đóng mở thyristor – TSR (Thyristor Switched Rector): Có chức tiêu thụ cơng suất phản kháng, đóng cắt nhanh thyristor Bộ tụ đóng mở thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor): Có chức phát cơng suất phản kháng, đóng cắt nhanh thyristor Thyristor hoạt động tương tự diode Tuy nhiên, điều kiện điện áp đặt lên thân thyristor thuận chiều cịn u cầu có xung điện áp đặt lên cực điều khiển để mở thyristor Xung khơng kéo dài mà thyristor mở có điện áp ngược đặt lên thyristor Sang chu kỳ mới, điện áp thuận chiều mạch mở có tín hiệu điều khiển xung TSR phần tử SVC, gồm số cuộn kháng đấu song song, chúng đóng vào lưới cắt cách kích dẫn hồn tồn ngắt hồn tồn thơng qua van Thyristor TSR cung cấp tổng trở vậy, nối vào hệ thống xoay chiều dòng điện phản kháng tỷ lệ với biên độ điện áp Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 11 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử TSC có chức phát cơng suất phản kháng, đóng cắt nhanh thyristor Trong SVC TCR có vai trị quan trọng nhất, khả điều khiển “trơn” mà SVC cung cấp giá trị tổng trở phù hợp với yêu cầu hệ thống điện 2.1 Nguyên lý hoạt động TCR b) a) c) d) Hình Điện áp dòng điện TCR (VS et IL) TCR pha, b) α=900, c) α=1200, d) α=1350 TCR phần tử có vai trị quan trọng SVC khả điều khiển cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới việc điều khiển dịng điện mở thơng van thyristor Một thiết bị TCR bao gồm điện cảm mắc nối tiếp với hai thyristor đặt song song ngược Các thyristor vận hành theo chu kỳ theo góc mở (α), xác định điểm vượt qua điểm không điện áp Hình giới thiệu dạng dịng điện chạy qua TCR trường hợp α=90 0, 1200, 1350 Độ dẫn toàn phần thyristor đạt α =900 α thay đổi từ 900 đến 1800, thyristor dẫn phần 2.2 Ứng dụng SVC để giảm thiểu tác động SSR Sử dụng SVC để giảm thiểu tác động tượng cộng hưởng đồng SSR nhiều nhà khoa học nghiên cứu Thiết bị SVC sử dụng TCR FC (fixed capacitor) TCR TSC [7] Lúc này, tín hiệu điều khiển SVC khơng phải độ lệch điện áp thông thường, chức chủ yếu điều chỉnh nhanh điện áp nút kết nối Trong tài liệu [8], tác giả sử dụng tín hiệu đầu vào điều khiển SVC độ lệch mômen xoắn tác động lên trục tua bin Ưu điểm điều khiển tác động nhanh có cố cộng hưởng SSR Tuy nhiên, lại khơng tác động có tượng sụt áp tăng áp, làm vai trị vốn có SVC điều chỉnh điện áp Trong nghiên cứu báo này, tác giả sử dụng độ lệch điện áp (tức điện 12 Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ áp tức thời so với điện áp bản) độ lệch (độ lệnh tốc độ roto máy phát so với tốc độ bản) làm tín hiệu đầu vào điều khiển SVC Đầu điều khiển tín hiệu đóng mở các tụ điện TSC góc mở α thyristor TCR Sơ đồ điều khiển điều khiển SVC đưa hình Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển SVC Giá trị điện cảm TCR theo góc mở α xác định sau: (1) Tổng kháng thiết bị SVC theo góc mở α thyristor tính theo cơng thức sau: (2) Như sơ đồ hình 3, độ lêch điện áp tốc độ đưa điều khiển PI chúng dùng để tính tốn giá trị điện cảm Bsvc Sau đấy, giá trị Bsvc chọn làm tín hiệu đầu vào đường đặc tính phi tuyến TCR/TSC để tính giá trị BTCR Từ giá trị BTCR này, xác định góc mở α theo (1) tín hiệu đóng/mở TSC theo (1) (2) Ngun lý điều khiển có cố SSR dựa nguyên tắc thay đổi cấu trúc lưới điện để tạo thơng số hãm từ phía lưới điện Đơn giản hiểu điều khiển SVC hoạt động chế độ tiêu thụ công suất để giảm dòng điện truyền từ hệ thống máy phát có SSR MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SVC TRONG GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA SSR 3.1 Sơ đồ nghiên cứu Sơ đồ nghiên cứu đưa hình Đây mơ hình dựa mơ hình chuẩn IEEE xây dựng [9, 10] Mơ hình gồm máy phát tuabin kết nối với hệ thống điện qua máy biến áp đường dây truyền tải Trên đường dây truyền tải có đặt hệ thống tụ bù dọc Dung lượng bù thay đổi theo kịch mô Với thông số lấy từ tài liệu [9, 10], dung lượng bù 55%, ta có: , vậy, tần số đồng bộ: fSUB=fs-fe=25,09Hz, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 13 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Mặt khác, dao động tự nhiên hệ có tần số gây ổn định là: 24,65 Hz; 32,39 Hz 51,1Hz Như vậy, giá trị bù 55% gây tượng SSR hệ thống điện Hình Mơ hình nghiên cứu theo chuẩn IEEE Để giản lược tiến trình nghiên cứu, tác giả bỏ qua hệ thống kích từ mơ hình tuabin-máy phát Như vậy, hệ thống ba khối : roto máy phát, khối LP (low pressure) khối HP (high pressure) Việc giản lược khơng có ảnh hưởng đến kết nghiên cứu SSR Vì khơng có khối kích từ, cố SSR trầm trọng qn tính hệ bị giảm Hình Mơ hình điều khiển SVC Dựa phân tích đánh giá phần 2, tác giả đề xuất điều khiển SVC phục vụ cho việc giảm thiểu tác động SSR hình [11, 12] Với điều khiển này, SVC đảm bảo chức điều chỉnh điện áp (SVC hoạt động theo tín hiệu ∆V, đó, lúc này, tốc độ quay roto không sai khác nhiều so với giá trị chuẩn) có khả dập tắt cố SSR (lúc này, SVC hoạt động chủ yếu theo giá trị , đó, ∆V=0 thời điểm đầu sau xảy SSR) Thiết bị bù SVC mơ hình nghiên cứu bao gồm TCR ba TSC 14 Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.2 Mơ hình mơ Matlab/Simulink Kịch nghiên cứu: Tại thời điểm 0,2s xảy ngắn mạch pha phía hệ thống điện Sự cố ngắn mạch giả thiết diễn 0,09s Để chứng minh xuất SSR áp dụng thiết bị SVC để giảm thiểu tượng SSR, tác giả đưa kịch nghiên cứu sau: Trong trường hợp XC /XL=0% (Khơng có bù) Trong trường hợp XC /XL=30% Trong trường hợp XC /XL=55% Áp dụng thiết bị bù SVC để giảm thiểu tượng SSR: Để đánh giá SSR, tác giả trình bày mô-men xoắn T sinh đoạn trục nối tầng tuabin tuabin với máy phát Cụ thể trường hợp mô-men xoắn HP LP, LP roto Trường hợp 1: Khi khơng có tụ bù đường dây (XC /XL=0%) Hình Gia tốc khối Tuabin mơmen xoắn khơng có tụ bù dọc Kết mơ cho thấy, trường hợp có kích thích (sự cố ngắn mạch) mà khơng có bù đường dây: Các mômen xoắn (T2, T3) tăng lên (hình 6) Tuy nhiên, giá trị khơng tăng đột biến (đạt giá trị 0,6pu) sau giảm dần, nên không phá vỡ kết cấu trục tubin Trường hợp 2: Khi có tụ bù đường dây tỉ lệ XC/XL=30% Kết mô cho thấy, trường hợp có kích thích (sự cố ngắn mạch) mà khơng có bù đường dây: Các mơmen xoắn (T2, T3) tăng lên (hình 7) Tuy nhiên, giá trị không tăng đột biến (đạt giá trị 1,5pu) sau giảm dần Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 15 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Gia tốc khối Tuabin mômen xoắn tỉ lệ XC /XL=30% Trường hợp 3: Khi có tụ bù đường dây tỉ lệ XC /XL =55% Hình Gia tốc khối Tuabin mômen xoắn tỉ lệ XC/XL=55% Kết mô hình cho thấy, khi xảy tượng ngắn mạch pha phía đường dây hệ thống, mô men xoắn (T2, T3) dao động tăng dần với cường độ lớn (đạt gần 20 pu) Hiện tượng SSR xảy phá vỡ kết cấu trục tubin Yêu cầu đặt phải nhanh chóng tác động làm giảm mơ-men xoắn, để trục tuabin không bị phá hủy Giải vấn đề đơi cịn quan trọng cấp thiết toán ổn định hệ thống điện thời gian ngắn Bộ điều khiển SVC áp dụng để thay đổi thông số lưới điện, dẫn đến thay đổi tần số tự nhiên hệ thống loại trừ cố SSR 16 Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.3 Áp dụng thiết bị bù SVC để giảm thiểu tượng SSR bù 55% (XC/XL=55%) Hình Tốc độ quay roto khơng có SVC (bù 55%) Hình 10 Góc mở anpha số lượng TSC SVC (bù 55%) Hình 11 Gia tốc khối Tuabin mơmen xoắn có thiết bị bù SVC Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 17 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Kết mơ hình 10 hình 11 cho thấy, có kích thích tác động vào hệ thống: Các mô men xoắn (T2, T3) dao động sau cường độ giảm dần Trong khoảng thời gian mô 10s, mô-men giảm giá trị 0,2 pu Trong đó, trường hợp khơng có SVC tác động, momen xoắn đạt giá trị lớn (gần 20 pu) KẾT LUẬN Hiện tượng cộng hưởng điện tần số đồng SSR (Subsynchronous Resonance) cố nguy hiểm hệ thống điện Hiện tượng phá hủy nhà máy điện, làm ổn định hệ thống, ảnh hưởng đến an ninh trị quốc gia Trong phạm vi nghiên cứu này, tác giả trình bày phương pháp áp dụng thiết bị bù linh hoạt SVC để ngăn ngừa cố SSR Bộ điều khiển tích hợp thiết kế với đa mục tiêu, vừa điều khiển điện áp theo mục đích truyền thống SVC vừa điều khiển để ngăn ngừa SSR Các kết mô công cụ Matlab/Simulink minh chứng tính đắn phương pháp: Các mơ-men xoắn trục có xu hướng tắt dần, hệ thống khơng bị cộng hưởng hoạt động ổn định Tuy nhiên, ví dụ áp dụng dừng lại lưới điện chuẩn IEEE, tính tốn áp dụng cho lưới điện thực tế cần đầu tư phát triển thời gian tới Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn hỗ trợ mơ phỏng, tính tốn học viên Nguyễn Đức Hùng (trường ĐHBK Hà Nội) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.N.Walker, C.E Bowler, R.L Jackson and D.A Hodges, “Results of subsynchronous resonance test at Mohave”, IEEE Transactions on PAS, (1975), pp 1878- 1889 [2] Phạm Văn Kiên, Ngơ Văn Dưỡng, Lê Kim Hùng, Lê Đình Dương, “Nghiên cứu xây dựng chương trình đánh giá ổn định cho hệ thống điện 500kV Việt Nam có xét đến yếu tố bất định phụ tải”, Tạp chí KH&CN-Đại học Đà Nẵng, (2018), trang 38-42 [3] Lê Đức Tùng, "Mơ mơ hình chuẩn IEEE ATP/EMTP phục vụ cho nghiên cứu tượng cộng hưởng đồng bộ", Tạp chí Khoa học-Cơng nghệ trường kỹ thuật, (2016), trang 1-5 [4] T.N Minh, L.Đ Tùng, N.H Việt, N.T Đức L.G Thi “Xây dựng mô hình máy phát - turbine nhiệt điện Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số đồng bộ”, Tạp chí KH&CN-Đại học Đà Nẵng, (2017), trang 61-65 [5] Lê Đức Tùng, "Phương pháp trị riêng phân tích tượng cộng hưởng đồng Áp dụng cho mơ hình IEEE FIRST BENCHMARK", Tạp chí khoa học&cơng nghệ- Đại học Thái Nguyên, (2020), 6, trang 229-236 [6] T V Dinh, H A Nguyen, and C Q Le, “Selection of Facts device to prevent Subsynchronous resonance at Vung Ang I, II Thermal Power Plants,” (in Vietnamese), DU Journal of Science and Technology, (2015), 7, pp 71-75 [7] Y Wan, M A A Murad, M Liu and F Milano, "Voltage Frequency Control Using SVC Devices Coupled With Voltage Dependent Loads," in IEEE Transactions on Power Systems, (2019), vol 34, no 2, pp 1589-1597 [8] ZHANG Zhi-qiang and XIAO Xiang-ning, “Analysis and Mitigation of SSR Based on SVC in Series Compensated System”, 2009 International Conference on Energy and Environment Technology (2009) [9] IEEE SSR Task Foree, “First Benchmark Model For Computer Simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，(1977)，96(4), pp.1565-1572 [10] IEEE SSR Task Foree, “Second Benchmark Model For Computer Simulation of 18 Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Subsynchronous Resonance” IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, (1985), pp 1057-1066 [11] Lã Văn Út, “Phân tích điều khiển ơn định hệ thống điện”, Nhà xuất KH&KT, 2001 [12] Mohamed ABD-EL-AAL ABD-EL-REHIM, “Contribution l’étude de la résonance subsynchrone dans les systèmes d’énergie électrique simples ou multiple machines Détermination d’un procédé de stabilisation du phénomène”, Thèse de doctorat de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (INPG), Juin 1982 ABSTRACT APPLICATION OF SVC DEVICES TO THE MITIGATION OF THE SUBSYNCHRONOUS RESONANCE IN POWER SYSTEM An energy security plays an extremely important role in economic development as well as ensuring political stability and independent autonomy of the nation The safe operation of power plants, ensuring the stability of the electricity system has a decisive factor to electricity energy security In the paper, the method of applying SVC compensation device to the mitigation of the SSR problem in electrical power system is introduced The control diagram, simulation model applied to IEEE standard grid are presented and its analysis and evaluation have proved the validity of the proposed method Keywords: Electrical and electronic engineering; Electrical engineering; Power system stability; Subsynchronous resonance; FACTS device Nhận ngày 16 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 23 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường ĐHBK Hà Nội * Email: tung.leduc1@hust.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 19 ... nhiên hệ thống loại trừ cố SSR 16 Lê Đức Tùng, ? ?Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ 3.3 Áp dụng thiết bị bù SVC để giảm thiểu tượng SSR bù 55%... bị SVC … đồng hệ thống điện. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.2 Mơ hình mơ Matlab/Simulink Kịch nghiên cứu: Tại thời điểm 0,2s xảy ngắn mạch pha phía hệ thống điện Sự cố ngắn mạch giả thiết diễn... độ lệch điện áp (tức điện 12 Lê Đức Tùng, ? ?Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC … đồng hệ thống điện. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ áp tức thời so với điện áp bản) độ lệch (độ lệnh tốc độ roto máy