Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió

Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn năng lượng điện gió

MỤC LỤC

1.3 Hướng giải quyết vấn đề 12

2.2 Tổng quan về tương tác dưới đồng bộ (SSI- Sub Synchronous Interaction) 14

2.3.2 Phân loại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ 17 2.3.2.1 Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect) 17 2.3.2.2 Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction) 18 2.3.2.3 Mô men xoắn quá độ (TT - Transient Torque) 19

2.3.3.1 Phương pháp quét tần số ( Frequency scan) 21 2.3.3.2 Phương pháp phân tích giá trị riêng (Eigenvalue analysis) 21 2.3.3.3 Phương pháp phức hợp hệ số mô men xoắn (Complex torque

2.3.4.3 Bộ lọc giảm xóc bypass (Bypass Damping Filters) 27

2.4 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS – Flexible Alternating

2.4.2.1 Bộ điều khiển FACTS nối tiếp (series FACTS controllers) 30

2.4.2.2 Bộ điều khiển FACTS mắc song song (Shunt FACTS controllers)

31

b Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) 32 2.4.2.3 Bộ điều khiển FACTS kết hợp nối tiếp – song song (combined shunt

a Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) 34

b Bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (IPFC) 35 Chương 3 MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN TÍCH HỢP DFIG CHO VIỆC NGHIÊN CỨU

3.2.1.2 Mô hình hệ thống cơ giữa tua bin – máy phát 38

3.2.1.5 Mô hình điều khiển bộ chuyển đổi của DFIG 41

Chương 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG THIẾT BỊ TCSC ĐỂ GIẢM CỘNG

Chương 5 ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP GIẢM CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

SSI : Tương tác dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Interaction)

SSR : Cộng hưởng dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Resonance)

SSTI : Tương tác xoắn dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Torque

Interaction) SSCI : Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Control

Interaction) DFIG : máy phát điện cảm ứng nguồn kép (Doubly Fed Induction

Generator) FSC : Tụ bù dọc cố định (Fixed Series Capacitor)

FACTS : Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible

Alternating Current Transmission System) TCSC : Bộ bù dọc điều khiển bởi thyristor (Thyristor Controlled Series

Compensator) STATCOM : Bộ bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator)

HVAC : Điện xoay chiều cao áp (High Voltage Alternating Current)

HVDC : Điện một chiều cao áp (High Voltage Direct Current)

VSC : Bộ biến đổi điện áp (Voltage Source Converter)

Bảng 3.3: Thông số đường dây của hệ thống điện [38] 44

Bảng 5.1: So sánh độ giảm dao động mô men điện của các kịch bản hoạt động ở

giây thứ 4 65

Bảng 5.2: So sánh giá các thiết bị bù [48] 66

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Mối liên hệ công suất – góc pha xét đến cấp độ bù khác nhau 14

Hình 2.2: Phân loại SSI và mối liên hệ giữa các thiết bị với nhau 15

Hình 2.3: Mạch tương đương đơn giản của máy phát điện liên quan đến IGE 18

Hình 2.4: Đặc tính liên hệ giữa biên độ xoắn và chu kì phá hủy [14] 20

Hình 2.5: Cấu trúc của bộ lọc tĩnh 26

Hình 2.6: Cấu trúc của bộ ổn định động 27

Hình 2.7: Cấu trúc của bộ lọc giảm xóc bypass 27

Hình 2.8: Cấu trúc của bộ giảm xóc SSR NGH 28

Hình 2.9: Cấu trúc đơn giản của TCSC 30

Hình 2.10: Cấu trúc đơn giản của SSSC 31

Hình 2.11: Cấu trúc đơn giản của SVC 32

Hình 2.12: Cấu trúc đơn giản của STATCOM 33

Hình 2.13: Cấu trúc đơn giản của UPFC 34

Hình 2.14: Cấu trúc đơn giản của IPFC 35

Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến của mô hình IEEE First Benchmark tích hợp DFIG 36 Hình 3.2: Mối liên hệ giữ công suất cơ, tốc độ tua bin và tốc độ gió 38

Hình 3.4: Mô hình động học của tụ điện DC-link 41

Hình 3.6: Vòng lặp điều khiển GSC 42

Hình 3.7: Mô hình mô phỏng hệ thống nghiên cứu SSR sử dụng Matlab / Simulink.

44

Hình 3.8: Hiệu suất động của hệ thống DFIG khi bù 50%: (a) Mô men điện;

(b) Điện áp đầu ra; (c) Phân tích FFT của mô men điện 45

Hình 3.9: Hiệu suất động của hệ thống DFIG khi bù 60%: (a) Mô men điện;

(b) Điện áp đầu ra; (c) Phân tích FFT của mô men điện 46

Hình 3.10: Hiệu suất động của hệ thống DFIG khi bù 70%: (a) Mô men điện;

(b) Điện áp đầu ra; (c) Phân tích FFT của mô men điện 47

Hình 4.1: Cấu hình tiêu biểu của TCSC 49

Hình 4.2: Dạng sóng tiêu biểu của TCSC 50

Hình 4.3: Hướng dòng điện TCSC trong chế độ chặn thyristor 51

Hình 4.4: Hướng dòng điện TCSC trong chế độ bypassed thyristor 52

Hình 4.5: Hướng dòng điện TCSC trong chế độ Vernier: (a) Chế độ điện cảm;

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng giải pháp 1 của kịch bản 1: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 58

Hình 5.3: Kết quả mô phỏng giải pháp 1 của kịch bản 2: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 59

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng giải pháp 1 của kịch bản 3: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 60

Hình 5.5: Mô hình lưới điện có kết nối TCSC trên Matlab / Simulink 61

Hình 5.6: Kết quả mô phỏng giải pháp 2 của kịch bản 1: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 62

Hình 5.7: Kết quả mô phỏng giải pháp 2 của kịch bản 2: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 63

Hình 5.8: Kết quả mô phỏng giải pháp 2 của kịch bản 3: (a) Mô men điện;

(b) Công suất tác dụng; (c) Công suất phản kháng; (d) Điện áp đầu ra DFIG 64

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay nhu cầu năng lượng đang là vấn đề thời sự cho sự phát triển của nền kinh tế, trong đó năng lượng điện đóng vai trò then chốt Hệ thống điện liên tục được

mở rộng và phát triển

Việc sử dụng nguồn nguyên liệu hoá thạch trong các nhà máy nhiệt điện sẽ tạo

ra một lượng lớn các khí thải gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của con người Hơn nữa, nguồn nguyên liệu hoá thạch là nguồn tài nguyên có hạn và đang dần cạn kiệt Vì lý do này, nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam ứng dụng thêm nhiều nguồn năng lượng tái tạo để tạo ra điện Trong đó, nguồn năng lượng gió đang được phát triển một cách nhanh chóng trong thời gian gần đây

Các tua bin gió tốc độ thay đổi đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện gió, điển hình là tua bin gió máy phát điện nguồn kép (DFIG – Doubly fed Induction Generator) Các DFIG có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các loại tua bin tốc độ cố định như: hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt, giảm độ ồn, …

Vì các nhà máy điện gió lớn thường đặt xa nơi các hộ dân sinh sống, nên cần phải có một đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện Việc truyền tải điện trên đường dây dài sẽ làm giảm đi công suất truyền tải, do đó việc lắp đặt thêm các

hệ thống tụ bù dọc trên đường dây truyền tải sẽ làm tăng khả năng truyền tải công suất và ổn định lưới điện với chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng thêm đường dây truyền tải mới Một nghiên cứu được thực hiện bởi ABB cho thấy rằng tăng công suất đường dây truyền tải từ 1300 MW đến 2000 MW bằng cách sử dụng tụ bù dọc sẽ có giá thấp hơn 90% so với xây dựng đường dây mới [1]

Trước những lợi ích to lớn của hệ thống bù dọc trên đường dây truyền tải mang lại, một yếu tố gây cản trở việc sử dụng rộng rãi hệ thống bù dọc là nguy cơ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR – Sub Synchronous Resonance) Cộng

hưởng dưới đồng bộ làm cho hệ thống điện mất ổn định, có thể phá hỏng các trục tua bin, gây hư hại nặng nề đến hệ thống điện gió

Vì vậy đề tài “Cộng hưởng dưới đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của nguồn

năng lượng điện gió” là đề tài sẽ thực hiện cho luận văn tốt nghiệp nhầm giải quyết

các vấn đề đã nêu trên

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Hướng nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR trong lưới điện

có tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió đang được các nhà khoa học trong lĩnh vực hệ thống điện rất quan tâm Hiện tượng SSR ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống điện mà trên đường dây truyền tải có các tụ bù dọc Việc nghiên cứu này đưa ra những kết quả mô phỏng chi tiết về SSR khi có mặt tham gia của hệ thống điện gió sử dụng DFIG, từ đó đưa ra đề xuất sử dụng thiết bị FACTS đặc biệt

là TCSC để làm giảm SSR cho hệ thống điện gió sử dụng DFIG

3 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Khảo sát hiện tượng SSR trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG Sử dụng TCSC

để giảm hiện tượng SSR trong hệ thống điện gió DFIG Kết quả nghiên cứu được của luận văn này làm tài liệu nghiên cứu cho các bạn học viên cao học và các nghiên cứu sinh ngành Kỹ Thuật Điện

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên mô hình lưới điện chuẩn

đẩu tiên IEEE có tích hợp hệ thống điện gió sử dụng DFIG

- Trình bày cơ sở lý thuyết của hiện tượng SSR, thiết bị FACTS và các thành phần trong mô hình lưới điện chuẩn IEEE

- Chạy mô phỏng lưới điện để phân tích hiện tượng SSR trên mô hình lưới điện

có tích hợp DFIG

- Sử dụng TCSC để giảm SSR và tiến hành mô phỏng để đánh giá kết quả

- Thu được kết quả đúng với mục tiêu ứng dụng TCSC giảm SSR trong lưới điện gió sử dụng DFIG

5 Đối tượng nghiên cứu

- Mô hình lưới điện chuẩn IEEE có tích hợp DFIG

- Mô hình toán học của máy phát điện gió DFIG, hệ thống bù dọc đường dây truyền tải và các phần tử của lưới điện

- Các thiết bị FACTS có khả năng giảm hiện tượng SSR, đặc biệt là TCSC

- Các phương pháp giảm SSR của các bài báo được tác giả công bố

6 Điểm mới của đề tài

Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện gió sử dụng DFIG dựa trên mô hình lưới điện chuẩn đầu tiên IEEE trên phần mềm Matlab/Simulink

Giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ bằng cách sử dụng thiết bị TCSC cho hệ thống điện gió sử dụng DFIG

7 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

7.1 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nguyên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR, mô hình các phần tử trong hệ thống lưới điện có tích hợp điện gió: Hệ thống bù dọc, máy phát điện gió DFIG,…

- Khảo sát hiện tượng SSR xảy ra dựa trên mô hình lưới điện chuẩn đầu tiên của IEEE có tích hợp điện gió DFIG trên phần mềm Matlab / Simulink

- Đề xuất phương pháp giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ bằng thiết bị TCSC

- Mô phỏng để đánh giá kết quả bằng phần mềm Matlab / Simulink

7.2 Phạm vi của đề tài

- Nguyên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR và đề xuất phương pháp giảm SSR trên mô hình lưới điện IEEE First Benchmark cho hệ thống điện gió

100 MW sử dụng tua bin DFIG trên phần mềm Matlab/Simulink

- Mô hình tua bin gió là mô hình tích hợp nhiều tua bin có cùng công suất và tốc

độ gió

- Ứng dụng thiết bị TCSC với mô hình điều khiển PI để giảm SSR trong lưới điện gió sử dụng DFIG

8 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo và kế thừa để phát triển từ các tài liệu liên quan

- Phân tích và tổng hợp

- Mô hình hoá và mô phỏng

- Để thực hiện luận văn này phương pháp thực hiện chủ yếu là:

+ Trao đổi với cán bộ hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan

+ Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet + Phân tích, tham khảo thuật toán từ những bài báo liên quan đến hiện tượng SSR trong hệ thống điện có tích hợp điện gió DFIG và các phương pháp làm giảm hiện tượng SSR

9 Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình lưới điện tích hợp DFIG để nghiên cứu SSR

Chương 4: Đề xuất giải pháp sử dụng thiết bị TCSC để giảm SSR

Chương 5: Đánh giá giải pháp giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ

Chương 6: Kết luận

10 Tiến độ thực hiện đề tài

- Tháng 5, 6, 7 năm 2020: Thu thập tài liệu, viết Chương Mở đầu, Chương 1

- Tháng 7 năm 2020: viết chương 2

- Tháng 8 năm 2020: Xây dựng và bảo vệ chuyên đề

- Tháng 9 năm 2020: Hoàn thiện chuyên đề theo góp ý của các ủy viên hội đồng

- Tháng 10 năm 2020: Viết Chương 3

- Tháng 11, 12 năm 2020: Viết Chương 4

- Tháng 02, 03 năm 2021: Hoàn thiện đề tài, viết tóm tắt, soạn trình chiếu

- Tháng 4 năm 2021: Bảo vệ đề tài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu

Ngày nay, việc đốt nhiên liệu hóa thạch trong các nhà máy điện có ảnh hưởng

đáng kể đến khí hậu toàn cầu do khí nhà kính và gây ô nhiễm không khí, làm ảnh

hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người Ngoài ra, nhiên liệu hóa thạch là một nguồn

tài nguyên hữu hạn, có khả năng bị cạn kiệt khi bị khai thác một cách quá mức Vì

những lý do này, ở nhiều quốc gia, việc sử dụng các nguồn năng lượng điện ít khí

thải và đáng tin cậy đang trở thành một chính sách năng lượng quan trọng Trong số

các loại tài nguyên năng lượng sạch khác nhau như năng lượng mặt trời, gió, thủy

điện, năng lượng sóng biển, v.v., Năng lượng gió là dạng năng lượng tái tạo phát triển

nhanh nhất ở thời điểm hiện tại

Tua bin gió máy phát tốc độ có thể điều chỉnh (ASGWT - adjustable speed

generator wind turbine) có những ưu điểm chính so với tua bin gió máy phát điện cố

định (FSGWT - fixed speed generator wind turbine) về mặt sản xuất năng lượng tăng,

cải thiện chất lượng điện năng, hiệu quả hệ thống cao và giảm tiếng ồn Một loại quan

trọng của ASGWT là máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG), đã trở nên phổ biến

với ngành sản xuất điện

Do sự tích hợp ngày càng tăng của các nhà máy điện gió sử dụng DFIG vào lưới

điện, nên cần phải truyền năng lượng được tạo ra từ các nhà máy gió đến lưới điện

hiện có thông qua đường dây truyền tải mà không bị tắc nghẽn Tuy nhiên, các nhà

máy điện gió, thường nằm ở vùng sâu vùng xa, cách xa phần lớn khu vực người dân

sinh sống, đòi hỏi các đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện Các tùy chọn

hệ thống truyền tải để truyền năng lượng điện gió qua khoảng cách xa là HVAC hoặc

HVDC Việc so sánh hai lựa chọn này đã được nghiên cứu trong tài liệu [2 - 3] Giải

pháp HVAC có khả năng cho khoảng cách truyền lên tới 250 km và khi kết hợp với

Trong thị trường điện mong muốn tăng khả năng truyền tải điện của các đường dây truyền tải hiện có với chi phí thấp nhất Bù dọc được coi là một giải pháp kinh tế hơn để tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có so với việc xây dựng các đường truyền mới Các nghiên cứu cho thấy, để tăng công suất truyền của đường dây truyền tải hiện có, tổng chi phí lắp đặt các tụ bù dọc cho đường dây thấp hơn nhiều so với chi phí xây dựng đường dây mới Lấy ví dụ, một nghiên cứu được thực hiện bởi ABB cho thấy việc tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có từ 1300 MW lên 2000 MW bằng cách sử dụng tụ bù dọc thấp hơn 90% so với chi phí xây dựng đường truyền mới [1]

Tuy nhiên, một yếu tố cản trở việc sử dụng rộng rãi của kỹ thuật bù dọc là nguy

cơ tiềm ẩn của cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), nó có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến nhà máy điện gió, nếu không được ngăn chặn [4] SSR trong các hệ thống điện gió là trạng thái mà nhà máy điện gió trao đổi năng lượng với lưới điện được kết nối ở một hoặc nhiều tần số tự nhiên của phần điện và phần cơ của hệ thống Tần số của năng lượng trao đổi nằm dưới tần số đồng bộ của hệ thống Ba loại SSR khác nhau trong các hệ thống điện có tích hợp điện gió dử dụng DFIG là:

• Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect)

• Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction)

• Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

Mặc dù việc phân tích và giảm SSR trong các hệ thống điện truyền thống rất được quan tâm và đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới Vấn đề cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện có tích hợp điện gió cần phải được nghiên cứu và phân tích nhiều hơn Đặc biệt, sau sự kiện SSR xảy ra trong Hội đồng An Toàn Điện Texas (ERCOT) năm 2009, ngành điện gió đã trở nên khá quan tâm đến các nghiên cứu SSR Trong sự việc xảy ra SSR của ERCOT, một đường dây bị sự cố và gây mất điện trong hệ thống điện gió lớn có kết nối với đường dây truyền tải có các tụ bù dọc, dẫn đến dao động dưới tần số đồng bộ gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho cả tụ điện bù dọc

và tua bin gió [5 - 6]

1.2 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Một số nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đã triển khai nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên các hệ thống điện và đưa ra các giải pháp để ngăn chặn cộng hưởng dưới đồng bộ, nhằm giảm tối đa những tổn hại mà cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra Tuy nhiên, việc nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ ở Việt Nam hiện nay là rất ít

Tóm tắt sơ lược các bài báo khoa học có liên quan đến đề tài:

1.2.1 Trong nước

Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu:

1 ” Doan Duc tung, Le Van Dai, Le Cao Quyen, “Subsynchronous Resonance

and FACTS-Novel Control Strategy for Its Mitigation”, Hindawi Journal of

Engineering Volume 2019, Article ID 2163908, 14 pages

Bài báo này phân tích hiện tượng SSR xảy ra thực tế ở nhà máy nhiệt điện Vũng

Án I của Việt Nam Một trục tua bin tổ máy số 1 của nhà máy Vũng Án I bị hư hại vào 24/11/2015, nguyên nhân gây ra SSR do hệ thống bù dọc trên đường dây truyền tải 500 kV Vũng Án – Đà Nẵng và Thanh Hoá – Đà Nẵng Từ kết quả đó tác giả đề xuất chiến lượt điều khiển cho mỗi thiết bị FACTS sau: the thyristor controlled series compensator (TCSC), static VAR compensator (SVC), and static synchronous compensator (STATCOM) Mô phỏng hệ thống điện Việt Nam 500/220 kV trên phần mềm EMTP-RV and PSS/E So sánh các kết quả thấy được SVC cho hiệu quả giảm SSR cao hơn, nên có thể ứng dụng để giải quyết khó khăn cho lưới điện Việt Nam

2 Đỗ Xuân Bình, “Nghiên Cứu Hiện Tượng Cộng Hưởng Cơ Điện Ở Tần Số

Dưới Đồng Bộ Trong Hệ Thống Điện”, Luận văn thạc sĩ Trường Đại học

phỏng để đánh giá hiện tượng SSR bằng phần mềm ATP/EMTP Từ các kết quả

mô phỏng tác giả đã đề xuất ra các định hướng để giảm hiện tượng SSR cho hệ thống điện

1.2.2 Ngoài nước

1 N N Shah and S R Joshi, "Modal analysis for selection of DFIG-based

wind farms for damping and reduction of the risk of SSR," in IET Energy

Systems Integration, vol 1, no 4, pp 252-268, 12 2019, doi:

10.1049/iet-esi.2018.0005

Nội dung bài báo này là phân tích hiện tượng SSR dựa trên mô hình mẫu IEEE-first benchmark model (FBM) bằng cách thay đổi nhiều thông số như: cấp độ của hệ thống bù dọc đường dây truyền tải, tốc độ gió và kích thước của

hệ thống điện gió Tác giả thực hiện bằng phương pháp phân tích giá trị riêng, tính toán các nhân tố tham gia trong mô hình và mô phỏng theo miền thời gian

Từ các kết quả phân tích, tác giả đề xuất cấu hình hệ thống điện gió phù hợp để giảm dao động và hiện tượng SSR Bài báo còn chứng minh rằng việc tính toán công suất của hệ thống điện gió thích hợp, điều chỉnh các thông số trong bộ chuyển đổi điện áp có sẵn trong các DFIG hợp lí và chấp nhận khoảng cách kết nối từ hệ thống điện gió đến hệ thống máy phát điện đồng bộ ngắn hơn sẽ ngăn chặn được SSR ở cấp độ bù 60%

2 H Jiang, J You, H Liu, W Ning and L Wu, "Impedance characteristics of

DFIGs considering the impacts of DFIG numbers and locations and its application on SSR analysis," 2017 IEEE Power & Energy Society General

Meeting, Chicago, IL, 2017, pp 1-8, doi: 10.1109/PESGM.2017.8274474 Nội dung bài báo này là phân tích các đặc tính trở kháng của các DFIG với số lượng khác nhau và ở những địa điểm khác nhau Phương pháp quét tần

số (frequency scan) được tác giả thực hiển để đo trở kháng của các DFG Qua

đó chứng minh rằng:

• Nguy cơ xảy ra SSR của hệ thống liên hệ đến số lượng DFIG và các cấp

độ bù dọc khác nhau

• Ở các tốc độ gió khác nhau sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng của

hệ thống Tốc độ gió của hệ thống điện gió gần hơn sẽ ảnh hưởng lớn hơn đến sự ổn định của hệ thống

3 H Jiang et al., "Application of UPFC to mitigate SSR in series-compensated

wind farms," in The Journal of Engineering, vol 2019, no 16, pp 2505-2509,

3 2019, doi: 10.1049/joe.2018.8533

Nội dụng bài báo này là trình bày chiến lược điều khiển và mô phỏng mô hình của UPFC (unified power flow controller) dựa trên phương pháp điều khiển tách rời dq (the dq decoupling control) Ứng dụng UPFC vào trong hệ thống điện gió có tụ bù dọc để giảm SSR Tác giả đã sử dụng phương pháp hệ

số mô men xoắn phức hợp và mô phỏng theo miền thời gian bằng phần mềm PSCAD/EMTDC

4 H Liu, X Xie, X Gao, H Liu and Y Li, "Stability Analysis of SSR in

Multiple Wind Farms Connected to Series-Compensated Systems Using Impedance Network Model," in IEEE Transactions on Power Systems, vol

33, no 3, pp 3118-3128, May 2018, doi: 10.1109/TPWRS.2017.2764159 Trong bài báo này, tác giả đề xuất mô hình mạng trở kháng (INM – Impedance Network Model) dựa trên phương pháp phân tích sự ổn định SSR

Mô hình trở kháng của các hệ thống điện gió và đường dây truyền tải được thiết lập và chúng được kết nối với nhau thành một mô hình trở kháng lớn Bằng cách phân tích những đặc điểm tần số của các INM sau khi tổng hợp dựa trên tiêu chí mới được phát triển để đánh giá độ ổn định của SSR Phương pháp được đề xuất này có tiềm năng lớn cho việc phân tích SSR trong các hệ thống điện gió rất lớn

5 L Dong, J Kong, J Feng and Y Zhang, "Subsynchronous Resonance

Mitigation for Series Compensation Transmission System of DFIG Based

on PR Control", 2019 IEEE 10th International Symposium on Power

Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Xi'an, 2019, pp

734-Bài báo này phân tích mô hình toán học của hệ thống bù dọc đường dây truyền tải của hệ thống điện gió dùng DFIG và các đặc điểm của đáp ứng tần số của phương pháp điều khiển tỉ lệ cộng hưởng PR (Proportion resonant) Sử dụng phương pháp điều khiển PR phía rô to để giảm dòng SSR của stato, điều khiển

PR phía lưới để giảm SSR của điện áp DC Link và công suất phản kháng Bài báo được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink Kết quả mô phỏng cho ra kết quả tốt trong việc giảm SSR

6 H Liu, X Xie, C Zhang, Y Li, H Liu and Y Hu, "Quantitative SSR Analysis

of Series-Compensated DFIG-Based Wind Farms Using Aggregated RLC Circuit Model," in IEEE Transactions on Power Systems, vol 32, no 1, pp

474-483, Jan 2017, doi: 10.1109/TPWRS.2016.2558840

Bài báo này tác giả đề xuất ra một phương pháp mới dựa trên mô hình mạch RLC để giải thích một cách trực quan và đánh giá định lương về SSR trong mô hình hệ thống điện gió DFIG có tích hợp tụ bù dọc Phương pháp đề xuất được áp dụng để phân tích SSR của một hệ thống điện gió thực tế ở miền Bắc Trung Quốc đã trải qua các sự cố SSR thực tế Sự thống nhất giữa các kết quả thu được và miền dữ liệu đo được xác minh tính hiệu quả của nó rất tốt H

ơn nữa, lợi thế của nó về độ chính xác so với các phương pháp dựa trên mô hình trở kháng hiện có được xác nhận bằng cả phân tích trị riêng và mô phỏng miền thời gian Phương pháp này cũng được sử dụng để đánh giá định lượng tác động đến sự ổn định của SSR từ các yếu tố khác nhau, bao gồm: tốc độ gió, số lượng DFIG và các thông số điều khiển của chúng

7 A Ratna, R K Pachauri and Y K Chauhan, "Mitigation of sub-synchronous

resonance in doubly fed induction generator based wind energy system,"

2016 IEEE 1st International Conference on Power Electronics, Intelligent Control and Energy Systems (ICPEICES), Delhi, 2016, pp 1-5, doi: 10.1109/ICPEICES.2016.7853451

Bài bào này phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR gây ra bởi hệ thống tụ bù dọc đường dây truyền tải của lưới điện có tích hợp máy phát

điện gió DFIG Thực hiện giảm SSR bằng cách điều khiển hai bộ chuyển đổi có sẵn trong DFIG là: bộ chuyển đổi phía rô to (RSC) và bộ chuyển đổi phía lưới điện (GSC)

1.3 Hướng giải quyết vấn đề

Có nhiều giải pháp đã được thực hiện để phân tích, đánh giá và làm giảm SSR trong hệ thống điện có tích hợp điện gió Tuy nhiên trong luận văn này chỉ tập trung vào việc sử dụng thiết bị TCSC để làm giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ và được thực hiện như sau:

Đầu tiên, nghiên cứu và trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ, các phương pháp cơ bản để phân tích và làm giảm SSR, cơ sở lý thuyết

về thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC

Kế tiếp, mô hình hóa lưới điện tích hợp hệ thống điện gió dựa trên mô hình lưới điện chuẩn First BenchMark của IEEE trên phần mềm Matlab / Simulink Phân tích các thông số ảnh hưởng đến mô hình

Từ các kết quả phân tích về SSR trên mô hình, ta đưa ra giải pháp sử dụng thiết

bị TCSC để làm giảm hiện tượng SSR Thực hiện mô phỏng và đánh giá kết quả thu được từ giải pháp đề xuất

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống tụ bù dọc

Việc ứng dụng các tụ dọc vào đường dây truyền tải được thực hiện từ những

năm 1930 Trong hệ thống truyền tải AC, công suất tối đa có thể truyền tải tỉ lệ nghịch

với trở kháng của đường dây truyền tải Do đó, bằng cách sử dụng tụ điện mắc nối

tiếp với đường dây truyền tải để làm giảm trở kháng của đường dây, tương đương với

việc giảm khoảng cách đường dây truyền tải, từ đó giúp cho lượng công suất truyền

tải tăng lên Đây là một giải pháp hiệu quả để đối phó với các thách thức truyền tải

điện hàng loạt so với việc xây dựng các đường dây truyền tải bổ sung [7] Ngoài ra,

tụ bù dọc có thể cân bằng điện áp do thay đổi trở kháng đường dây Do đó, độ ổn định

điện áp cũng được cải thiện

Truyền tải công suất tác dụng thông qua đường dây truyền tải được xác định bởi

điện áp ở mỗi điểm đầu và cuối đường dây truyền tải, và tỉ lệ nghịch với tổng trở của

hệ thống truyền tải Mối quan hệ có thể được thể hiện trong biểu thức (2.1):

sin

s R

t

V V P

trong đó, VS và VR lần lượt là điện áp ở điểm đầu và cuối đường dây, δ là độ lệch pha

điện áp giữa điểm đầu và điểm cuối đường dây, Xt là tổng trở của toàn hệ thống Xét

điện áp đầu và cuối không đổi, để truyền tải được công suất tối đa khi độ chênh lệch

pha 𝛿 bằng 90° Mối quan hệ giữa trở kháng tụ bù dọc và trở kháng đường dây truyền

tải được định nghĩa là cấp độ bù dọc, được kí hiệu là 𝑘

sc t

X k X

trong đó Xsc là trở kháng của tụ bù dọc, Xt là tổng trở kháng của hệ thống truyền tải

trước khi bù Hệ số k thường nhỏ hơn 1 Trong thực tế, k nằm trong khoảng từ 0,4

đến 0,7 [8]

Tổng trở kháng của hệ thống sau khi được bù tính được như sau:

Hình 2.1: Mối liên hệ công suất – góc pha xét đến cấp độ bù khác nhau

Theo Hình 2.1 khả năng truyền tải công suất bị ảnh hưởng rất lớn bởi cấp độ

bù Ở cấp bù là 30%, khả năng truyền tải công suất được nâng lên 50% Nếu cấp bù

đạt được 75%, khả truyền tải công suất được nâng lên đến 400%

2.2 Tổng quan về tương tác dưới đồng bộ (SSI- Sub Synchronous Interaction)

Tương tác trong phạm vi tần số dưới đồng bộ trong các hệ thống điện được gọi

là tương tác dưới đồng bộ (SSI) Trong các hệ thống điện, SSI có thể khác nhau Theo [9], lý do xảy ra SSI có thể là do hệ thống bù dọc hoặc hệ thống điều khiển, các bộ chuyển đổi Nói chung, có ba loại hiện tượng SSI dựa trên các thiết bị có liên quan

và nguồn gốc các thành phần dưới đồng bộ, Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), Tương tác xoắn dưới đồng bộ (SSTI) và Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

SSR xảy ra do việc lắp thêm các tụ bù dọc vào hệ thống, trong khi đó SSTI là

Góc pha (độ)

ẩn của cả SSR và SSTI trong hệ thống điện là sự tương tác với trục rô to máy phát điện và nghiêm trọng nhất có thể dẫn đến phá hủy trục rô to Một loại khác của SSI, được gọi là SSCI, xảy ra giữa hệ thống điều khiển và lưới điện truyền tải ở tần số bổ sung của các chế độ xoắn của hệ thống điều khiển Mức độ nghiêm trọng của các vấn

đề về SSI đang gia tăng cùng với việc phát triển các kỹ thuật bù dọc và kỹ thuật HVDC trong hệ thống điện Hình 2.2 cho thấy sự phân loại hiện tượng SSI này

Tương tác dưới đồng

bộ (SSI)

Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR)

Tương tác xoắn dưới đồng bộ (SSTI)

Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

Hình 2.2: Phân loại SSI và mối liên hệ giữa các thiết bị với nhau

Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR)

SSR được gây ra bởi việc lắp đặt các tụ điện nối tiếp trên đường dây truyền tải

và là sự tương tác giữa hệ thống trục tua bin máy phát và mạng điện được bù dọc Có

ba loại hiện tượng SSR thường được quan sát được thảo luận trong phần 2.3

Tương tác xoắn dưới đồng bộ (SSTI)

Sự kiện SSTI đầu tiên được phát hiện vào năm 1977 tại Square Butte, giữa Bộ chuyển đổi điện áp (LCC- Line Commuted Converter) trong liên kết HVDC và tua bin máy phát Lý do của SSTI là bộ chuyển đổi điện áp làm việc như một bộ chỉnh lưu làm giảm đi độ giảm dao động điện trong dải tần số dưới đồng bộ Do đó, hệ thống tạo ra các sóng hài dưới đồng bộ, nó không thể bị làm giảm bởi mạng điện và các thành phần dưới đồng bộ này có thể tương tác với các chế độ xoắn tự nhiên của tua bin máy phát để gây ra SSTI

Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

SSCI xảy ra giữa hệ thống điều khiển thiết bị điện tử công suất và tụ điện bù dọc Hiện tượng SSCI đầu tiên được phát hiện vào năm 2009 giữa các hệ thống điều khiển điện tử công suất trong tua bin gió và tụ điện bù dọc trong Hội đồng An Toàn Điện Texas (ERCOT) Các tua bin gió sau đó bị hỏng trục ngang gây ra bởi các dòng dao động với các biến dạng dưới đồng bộ Sau sự kiện này, ERCOT yêu cầu một nghiên cứu chi tiết về tất cả các tua bin gió được kết nối trực tiếp với các tụ điện bù dọc nối tiếp để giải quyết các rủi ro SSCI [10]

2.3 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ (SSR)

2.3.1 Khái niệm

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR được phát hiện lần đâu tiên ở nhà máy điện Mohave của Mĩ SSR đã phá hỏng hai trục của tua bin máy phát điện vào năm 1970 và 1971 [11] Ngay sau đó có nhiều nghiên cứu ra đời phân tích và đưa ra các đánh giá về SSR Định nghĩa chính thức của SSR được đưa ra bởi IEEE Sub Synchronous Resonance Working Group như sau:

“Cộng hưởng dưới đồng bộ là một điều kiện trong hệ thống điện mà trong đó lưới điện trao đổi năng lượng với tua bin máy phát điện ở một hoặc nhiều tần số tự nhiên của hệ thống điện kết hợp lại dưới tần số đồng bộ của hệ thống sau khi có nhiễu loạn xảy ra.” [12]

Định nghĩa SSR bao gồm bất kì điều kiện nào có thể xảy ra sự tương tác hoặc trao đổi năng lượng tại các tần số dưới tần số đồng bộ của hệ thống Thông thường

sự cộng hưởng xảy ra ở hai chế độ là: tự nhiên và cưỡng bức Chế độ dao động tự nhiên là đặc điểm vốn có của hệ thống, ví dụ điển hình là hệ thống tụ bù dọc trên đường dây truyền tải tạo thành mạch R-L-C với tần số cộng hưởng dưới tần số đồng

bộ Đối với dao động cưỡng bức, nó được xem như là một dao động do các thiết bị điều khiển và các hệ thống điều khiển

Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ sẽ gây nhiều hậu quả rất nghiêm trọng về kỹ thuật và kinh tế:

• Các thiết bị bảo vệ thông thường trong hệ thống điện không thể phát hiện

và giảm được hiện tượng này

• Các dao động do SSR gây ra rất mạnh gây tổn hại nghiêm trọng đến các đoạn nối giữa các khối của trục tua bin máy phát Các đoạn nối trục có thể

bị nứt gãy, hư hỏng nặng nề

• Khi xảy ra SSR, các máy phát điện có thể bị hư hỏng, nhà máy điện ngưng hoạt động dẫn đến những tổn hại lớn về mặt kinh tế

2.3.2 Phân loại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ

Tương tác xảy ra giữa hệ thống điện và tua bin máy phát xảy ra theo nhiều cách khác nhau ở tần số dưới đồng bộ Thông thường SSR được chia ra làm ba loại:

• Ảnh hưởng cảm ứng của máy phát (IGE – Induction Generator Effect)

• Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction)

• Mô men xoắn quá độ (TT - Transient Torque)

2.3.2.1 Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect)

IGE là kết quả của hiện tượng tự kích xảy ra trong hệ thống điện [13] Theo Hình 2.3, điện trở rô to Rr có thể đạt giá trị âm do tác động của dòng điện dưới đồng

bộ Khi dòng điện dưới đồng bộ ở tần số nhỏ hơn tần số đồng bộ của lưới điện fn đi qua rô to thì rô to sẽ hoạt động như một máy điện cảm ứng trên tốc độ đồng bộ Dẫn đến độ trượt sẽ trở nên âm và được xác định bởi công thức:

0

n

f f f

• XC là tổng trở điện dung tụ bù dọc

• ΣX là tổng trở của toàn hệ thống: đường dây, máy biến áp, máy phát, …

Giá trị âm của điện trở rô to vượt qua giá trị dương của điện trở stato Trong trường hợp đó, trở kháng chung của mạch Reff trở nên âm và làm cho hệ thống mất

Để TI xảy ra cần có đủ các điều kiện sau:

• Chế độ lực xoắn cơ khí xảy ra ở trong dãy tần số dưới đồng bộ

• Khối máy phát điện phải tham gia với các khối xoay khác trong hệ thống tua bin ở tần số của chế độ xoắn

• Hệ thống điện phải tạo ra tần số điện cộng hưởng với tần số cơ học của tua bin

Trục tua bin của máy phát điện có thể có một số chế xoắn cơ học cố định trong dãy tần số dưới đồng bộ Mối liên hệ giữa tần số xoắn cơ học và tần số cộng hưởng điện được mô tả như sau:

Chế độ TI có thể xảy ra khi có một tác nhân bổ sung thêm tần số dưới đồng bộ, nếu độ giảm dao động của hệ thống không đủ lớn, thì các dao động sẽ tăng lên và hiện tượng SSR xảy ra Các thành phần điện ở tần số dưới đồng bộ có thể tìm thấy do nhiều nguyên nhân gây ra, nhưng thông thường là do hệ thống tụ bù dọc đường dây truyền tải hoặc do những thiết bị điện tử công suất trong các bộ biến đổi gây ra

2.3.2.3 Mô men xoắn quá độ (TT - Transient Torque)

Nguyên nhân chính gây ra TT là do những nhiễu loạn trong hệ thống như ngắn mạch, đóng cắt, Trong hệ thống điện xoay chiều, những tác động bất chợt xảy ra

có thế sinh ra dòng điện quá độ lớn, dòng điện quá độ này có xu hướng gây ra dao động ở tần số tự nhiên của lưới điện Nếu không có hệ thống tụ bù dọc thì dòng điện quá độ này chỉ là dòng điện DC và nhanh chóng được dập tắt bới thành phần giảm dao động của hệ thống Tuy nhiên với lưới điện có thành phần tụ bù dọc tham gia, dòng điện quá độ lại khác Với một lưới điện đơn giản có thành phần tụ bù dọc tham gia thì dòng quá độ sẽ có dạng biểu thức như sau:

Và sẽ tồn tại một hoặc nhiều tần số dao động phụ thuộc vào điện dung của các

tụ bù dọc cũng như điện kháng, điện trở của lưới điện Đối với một hệ thống điện đơn

giản R – L – C, thành phần tần số tự nhiên của lưới sẽ như phương trình trên

Nếu một trong những tần số tự nhiên này trùng với tần số dao động trên trục tua bin sẽ gây ra sự khuếch đại biên độ mô men rất lớn và các mô men này là tỉ lệ trực tiếp với biên độ của dòng dao động Dòng do ngắn mạch có thể sản sinh ra mô men trên trục rô to rất lớn ngay khi ngắn mạch cũng như sau khi ngắn mạch đã được loại trừ Trong hệ thống điện phức tạp có rất nhiều thành phần dưới đồng bộ khác nhau

và việc phân tích này vô cùng phức tạp Dựa vào hiện tượng SSR, thành phần tần số dưới đồng bộ của mô men xoắn có thể có biên độ lớn tức thời sau nhiễu loạn mặc dù

về thực tế vẫn có sự suy giảm Mỗi lần xuất hiện mô men quá độ có biên độ lớn dẫn đến sự giảm sút tuổi thọ của trục vì sự phá hỏng do mỏi Mỏi được xem là một quá trình thay đổi cấu trúc vĩnh cữu cục bộ, diễn ra trên vật liệu ở điều kiện có hình thành các ứng suất thay đổi và biến dạng tại một số điểm hoặc nhiều điểm, có thể biến dạng đạt đến cực điểm hoặc gãy hoàn toàn sau một số dao động bất thường Đó được xem như một quá trình tích lũy khi các sự kiện diễn ra được cộng dồn vào sự suy giảm tuổi thọ của lần mỏi trước Nếu có đủ số lần diễn ra quá trình mô men xoắn quá độ cao, độ mỏi tích lũy sẽ đạt đến ngưỡng và khả năng hình thành các vết nứt do mỏi ở trong vùng tập trung ứng lực cao sẽ đáng kể Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, sự phá hỏng sẽ lan rộng kích thước dẫn đến phá hỏng không có khả năng phục hồi và gãy trục hoàn toàn

Theo Hình 2.4, nếu biên độ mô men xoắn tác động trên trục tua bin khoảng 2

pu /lần, khả năng trục tua bin sẽ hư hỏng sau hơn 1000 lần bị tác động do mô men xoắn Với biên độ này mô men xoắn dưới 0,7 pu, trục tua bin có thể chịu mọi tác động mà không gây ra hư hỏng [14]

2.3.3 Phương pháp nghiên cứu SSR

2.3.3.1 Phương pháp quét tần số ( Frequency scan)

Có nhiều phương pháp để khảo sát hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR, nhưng phương pháp quét tần số được sử dụng rộng rãi và cho hiệu quả cao trong việc nghiên cứu SSR, đặc biệt là nghiên cứu IGE

Kỹ thuật quét tần số tính toán điện trở và trở kháng mạch tương đương nhìn từ phía máy phát điện, thường là phía sau cuộn dây stato của máy phát điện để xem xét trở kháng rô to cho việc nghiên cứu IGE Nếu điện trở và điện kháng tương đương gần bằng hoặc dưới không thì mạch điện có thể bị dao động Tuy nhiên, đây cũng là hạn chế của phương pháp quét tần số Trở kháng hệ thống phải được nhìn từ phía máy phát điện và các thành phần còn lại tương đương với mạch không có nguồn Trong mạng lưới phức hợp, để nhận ra nguy cơ xảy ra SSR cho các đơn vị máy phát điện khác nhau Quét tần số phải được lặp lại cho các điều kiện hệ thống khác nhau cho mỗi đơn vị máy phát điện [15 - 16]

Giới hạn của phương pháp này là cách nhìn điện kháng từ một điểm cố định trên

hệ thống, thường là trên các cuộn dây stato máy phát Quá trình thực hiện phải được lặp lại cho các điều kiện khác nhau của hệ thống ở các điểm máy phát khác nhau cần quan tâm

2.3.3.2 Phương pháp phân tích giá trị riêng (Eigenvalue analysis)

Phân tích giá trị riêng là một phương pháp tính cụ thể và chính xác dựa trên lý thuyết tuyến tính Để phân tích đặc trưng SSR bằng phương pháp phân tích giá trị riêng, cần phải thiết lập chi tiết mô hình toán học của từng thành phần hệ thống Sau

đó, mô hình không gian trạng thái tuyến tính thu được bằng cách tuyến tính hóa phương trình vi phân bậc nhất phi tuyến tính theo [17-18]:

( , )( , )

Xét hệ thống giao động trong chuyển động nhỏ, theo phương trình (2.10) các véc tơ x và y có thể viết lại như sau:

Tính ổn định trong hệ thống phi tuyến tính nhỏ có thể nhận thấy được bằng giá

trị riêng của ma trận A như sau:

• Nếu các giá trị riêng của phần thực có giá trị âm, hệ thống ổn định gần đến giá trị tiệm cận

• Nếu có ít nhất một giá trị riêng của phần thực dương thì hệ thống không ổn định

• Nếu các giá trị của phần thực bằng 0, hệ thống không thể xác định được giá trị cơ sở tính toán cho giá trị ước tính ban đầu

Nhược điểm của phương pháp phân tích giá trị riêng là chỉ phân tích được hệ thống nhỏ Phương pháp phân tích giá trị riêng yêu cầu mô hình hóa hệ thống với các biến trạng thái cần thiết để mô tả tình trạng hệ thống Trong các hệ thống lớn, ma trận

hệ thống có thể lên tới 500 phần tử, điều này làm cho việc tính toán trở thành một công việc kéo dài thời gian Một số cách để giải quyết các hệ thống lớn bằng cách chỉ chọn các biến trạng thái cần thiết và tối ưu hóa việc lập trình

Phương pháp phân tích giá trị riêng thuận tiện cho việc nghiên cứu tác động xoắn TI và ảnh hưởng cảm ứng của máy phát IGE Phương pháp này thường để nghiên cứu trên mô hình tuyến tính của hệ thống điện Các bước cơ bản của phương pháp phân tích giá trị riêng bao gồm [17 - 18]:

a) Phát triển mô hình thứ tự thuận của hệ thống điện

b) Mô hình hóa mạch điện của máy phát điện

c) Mô hình hóa hê thống các khối của tua bin máy phát điện

d) Tính toán các giá trị riêng của các thành phần kết nối với nhau trong hệ thống e) Phần thực của giá trị riêng tương ứng với chế độ dưới đồng bộ của khối trong

hệ thống trục tua bin máy phát cho thấy mức độ nghiêm trọng của hiện tượng tác động xoắn TI

f) Phần ảo của giá trị riêng tương ứng với tần số cộng hưởng của hệ thống điện g) Phần thực của giá trị riêng liên quan trực tiếp đến độ dao động âm hoặc dương cho mỗi chế độ SSR

2.3.3.3 Phương pháp phức hợp hệ số mô men xoắn (Complex torque coefficient method)

Phương pháp phức hợp hệ số mô men xoắn được áp dụng rộng rãi cho việc phân tích SSR So với những phương pháp khác như: phân tích giá trị riêng và phương pháp quét tần số, thì phương pháp này thực hiện đơn giản hơn vì nó không yêu cầu

sự tuyến tính trong hệ thống phức tạp Hạn chế của phương pháp này là chỉ áp dụng cho hệ thống chỉ gồm một tua bin và máy phát điện với các thành phần khác được cố định tần số [19]

2.3.3.4 Phương pháp mô phỏng quá độ điện từ (Electro – magnetic transient simulation)

Mô phỏng quá độ điện từ sử dụng các mô hình chi tiết có tính đến các đặc tính phi tuyến của các thành phần hệ thống điện Do đó, nó cho kết quả gần nhất với hoạt động thực tế của hệ thống điện Vì vậy, mô phỏng quá độ điện từ đã được sử dụng để nghiên cứu tương tác dưới đồng bộ trong hệ thống điện [12 - 13] Dao động của hệ thống khi có nhiễu loạn lớn như sự cố có thể được nghiên cứu chính xác bằng cách

sử dụng mô phỏng quá độ điện từ Do đó, các hiện tượng tín hiệu lớn như khuếch đại

mô men xoắn có thể được nghiên cứu chính xác bằng cách sử dụng mô phỏng quá độ điện từ Vì đầu ra của mô phỏng quá độ điện từ là sự biến thiên theo thời gian của các đại lượng điện và đại lượng khác nhau trong hệ thống, nên việc xác định nguyên nhân của vấn đề dao động của hệ thống có thể rất phức tạp

Chương trình phân tích quá độ điện từ (EMTP) là một chương trình tích hợp số của các phương trình vi phân hệ thống Không giống như chương trình ổn định tạm thời chỉ mô hình các đại lượng chuỗi, đại diện cho một hệ thống cân bằng hoàn hảo, EMTP trình bày mô hình ba pha đầy đủ của hệ thống với các mô hình chi tiết hơn về đường truyền, cáp, máy và các thiết bị đặc biệt như tụ điện nối tiếp Đơn vị máy phát tua bin có thể được mô hình chi tiết như các mô hình tham số gộp và khớp nối song song của hệ thống cơ và điện được bao gồm Nó cho phép mô hình hóa phi tuyến của các thành phần hệ thống phức tạp cung cấp tính linh hoạt cao cho các máy mô hình

và bộ điều khiển của chúng, sự cố tạm thời, hành động ngắt mạch và các loại sự kiện chuyển mạch khác Do tính linh hoạt và tính tổng quát của nó, EMTP có thể được sử dụng để nghiên cứu cả ba loại tương tác SSR

2.3.3.5 So sánh các phương pháp

Như đã trình bày ở trên, có nhiều phương pháp phân tích SSR Mỗi phương pháp khi sử dụng sẽ có những điểm mạnh và hạn chế riêng tùy vào trường hợp phân tích Bảng 2.1 so sánh đặc điểm cùng với điểm mạnh và hạn chế của bốn phương pháp chính được trình bày trong luận văn này [19-20]:

ra SSR hay không

• Hiệu quả về chi phí

• Phương pháp gần đúng

• Chỉ có thể thu được điểm cộng hưởng điện

• Kết quả cần được

• Để xác định IGE

và TI

• Để xác định các điều kiện hoạt động của hệ thống ảnh hưởng đến SSR

Bảng 2.1: So sánh các phương pháp phân tích SSR

mô phỏng miền thời gian

bộ hệ thống trong một lần tính toán

• Phân tích ảnh hưởng của các thông số đến hệ thống SSR

• Không phù hợp cho hệ thống lớn

từ 20 bus trở lên

• Không thể bao gồm các điểm phi tuyến tính

• Yêu cầu các đặc điểm chi tiết của

hệ thống

• Hữu ích cho nghiên cứu IGE

và TI

• Để xác định các điều kiện hoạt động của hệ thống xảy ra SSR

• Hữu ích trong việc thiết kế bộ điều khiển đối phó SSR

• Có thể thu được đường cong tần số giảm xóc

• Chỉ áp dụng cho

hệ thống chỉ gồm một tua bin và máy phát điện

• Sai số phân tích tần số thời gian lớn

• Để xác định các điều kiện hoạt động của hệ thống xảy ra SSR

• Hữu ích trong việc thiết kế bộ điều khiển đối phó SSR

độ nhiễu loạn

khác nhau

• Có thể được biểu diễn các đặc tính động của tất cả các thành phần hệ thống điện

• Yêu cầu chi tiết

về hệ thống

• Chỉ có thể đưa

ra kết quả phản hồi miền thời gian Rất khó để đưa ra trực tiếp

lý do SSR và cơ chế của sự mất

ổn định

• Thích hợp để phân tích các loại SSR

• Để xác nhận kết quả của phương pháp quét giá trị riêng và tần số

2.3 4 Các g i ải pháp thông thường đối với SSR

Các giải pháp sau đây thông thường dùng để giảm tác động của SSR trong hệ thống điện và các đơn vị máy phát điện:

2.3.4.1 Bộ lọc tĩnh (Static filter)

Một bộ lọc tĩnh với băng thông được chỉ định phù hợp với các chế độ SSR trong

hệ thống điện [21] Cấu hình của bộ lọc tĩnh có thể là bộ lọc L - C hoặc một mạch

giảm dao động Bộ lọc được đặt ở phía máy phát, nó cần phải mắc nối tiếp để chặn các dòng điện dưới đồng bộ chảy vào máy phát điện Hoặc bộ lọc tĩnh có thể được đặt song song với tụ bù dọc như một mạch giảm dao động Bộ lọc chặn tĩnh được cài đặt lần đầu tiên tại trạm Tạo Navajo ở Tây Hoa Kỳ vào năm 1976

L

Chống quá áp

Điều cần lưu ý về hoạt động của bộ ổn định động là trong điều kiện cộng hưởng, ngay cả một biến đổi nhỏ trong dòng điện của cuộn kháng dẫn đến dòng dao động lớn trong phần ứng máy phát do khuếch đại xảy ra khi cộng hưởng

• Ưu điểm của bộ ổn định động là:

▪ Kết nối như một thiết bị mắc song song loại bỏ được yêu cầu mang dòng tải máy phát liên tục (so với các bộ lọc chặn)

▪ Hoạt động không nhạy với các biến đổi trong tần số hệ thống hoặc nhiệt

• Nhược điểm của bộ ổn định động là: Nó không cung cấp bảo vệ chống lại các vấn đề IGE hoặc mô men xoắn quá độ Giảm xóc chỉ được cung cấp khi có dao động trên rô to

Bộ điều khiển góc kích

2.3.4.3 Bộ lọc giảm xóc bypass (Bypass Damping Filters)

Bộ lọc giảm xóc bypass là một điện trở giảm xóc mắc nối tiếp với một bộ cuộn kháng và tụ điện song song (Hình 2.7), được điều chỉnh đến tần số hệ thống Do

đó, sự kết hợp song song này cung cấp trở kháng cao đối với tần số hệ thống (để đảm bảo tổn hao tối thiểu) và trở kháng thấp ở tần số dưới đồng bộ

Bộ lọc này được kết nối song song với mỗi pha của bù nối tiếp Bộ lọc rất hiệu quả trong việc giảm thiểu loại IGE của SSR, vì nó tạo ra điện trở dương đáng kể ở tần số không đồng bộ lên đến khoảng 90% tần số danh định

Giải pháp này đã được triển khai trong các hệ thống phân phối và các hệ thống truyền tải có bù dọc Tuy nhiên, hiệu quả của bộ lọc bị giảm ở tần số cao hơn và giải pháp này có thể đắt tiền ở mức điện áp cao hơn

2.3.4.4 Rơ le bảo vệ (Protective relays):

Rơ le bảo vệ thường được sử dụng các phương pháp đối phó với SSR [23] Một

rơ le bảo vệ có thể phát hiện SSR trong mạng điện và gửi tín hiệu kiểm soát để kích hoạt các đơn vị khác như công tắc by-pass hoặc máy cắt Việc phát hiện ra hiện tượng SSR có thể được thực hiện bằng cảm biến tốc độ rô to hoặc cảm biến dòng điện

2.3.4.5 Giản đồ NGH (NGH scheme):

Năm 1981, một cấu hình dựa trên các mô đun thyristor được đề xuất bởi N G Hingorani [24] Cấu hình này bao gồm tụ điện mắc song song với một điện trở được điều chỉnh bởi mô đun thyristor mắc song song ngược nhau Khi dòng điện dưới đồng

bộ chảy qua tụ điện, điện áp trên tụ điện cũng bị ảnh hưởng bởi sự méo mó dưới đồng

bộ Bằng cách điều chỉnh các xung vào cổng thyristor, mạch song song có thể cung cấp thêm sự giảm xóc để giảm thiểu SSR

Tụ bù dọc

Bộ điều khiển

Thời gian đặt

T2

Hình 2.8: Cấu trúc của bộ giảm xóc SSR NGH

Thay đổi thời gian cài đặt cho phép thay đổi mục tiêu của bộ giảm xóc; thời gian

xoắn tức thời, khi thời gian được đặt nhỏ hơn một chút sẽ được sử dụng để giảm thiểu SSR ở trạng thái ổn định

2.4 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS – Flexible

FACTS được giới thiệu đầu tiên bởi Hingorani và Gyugyi năm 1988 FACTS ứng dụng các thiết bị công suất bán dẫn để điều khiển các thông số như điện áp, trở kháng, góc pha, dòng điện, công suất tác dụng và công suất phản kháng

Các thiết bị FACTS hoạt động bằng cách thay đổi điện kháng, bù vào hoặc hấp thụ công suất phản kháng (ảnh hưởng đến cường độ điện áp tại các nút) hoặc thay đổi góc pha điện áp giữa đầu và cuối đường dây Các thiết bị FACTS được thiết kế bằng các bộ điều khiển điện tử công suất tốc độ cao Khắc phục được những hạn chế của

hệ thống truyền tải xoay chiều được điều khiển bằng cơ học

Việc sử dụng các thiết bị FACTS đang được đẩy mạnh do sự phát triện mạnh

mẽ trong lĩnh vực điện tử công suất Trong các hệ thống thực tế, một số đường dây truyền tải trở nên quá tải nếu không có kế hoạch truyền tải từ trước Để tăng cường

độ ổn định cho hệ thống điện, các thiết bị FACTS phải được chọn và cài đặt các thông

số phù hợp phù hợp để phân phối lại công suất và điều chỉnh điện áp tại các nút [25]

2.4.1 Khái niệm

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) là tên gọi cho việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất để điều khiển dòng công suất và các đại lượng

khác trong hệ thống điện

Theo IEEE, FACTS được định nghĩa như sau:

FACTS: hệ thống điện xoay chiều kết hợp linh kiện điện tử công suất cơ bản với các bộ điều khiển tĩnh khác để tăng cường khả năng kiểm soát và tăng công suất truyền tải [26]

• Bộ bù dọc điều khiển bởi thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Compensator)

• Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh (SSSC - Static Synchronous Series Compensator)

➢ Bộ điều khiển FACTS mắc song song (Shunt FACTS controllers):

• Bộ bù công suất phản kháng tĩnh (SVC - Static VAr Compensator)

• Bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator)

➢ Bộ điều khiển FACTS kết hợp nối tiếp – song song (combined shunt and series FACTS controllers):

• Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC - Unified Power Flow Controller)

• Bộ điều khiển dòng công suất giữa các đường dây (IPFC - Interline Power Flow Controller)

2.4.2.1 Bộ điều khiển FACTS nối tiếp (series FACTS controllers)

a Bộ bù dọc điều khiển bởi thyristor (TCSC)

TCSC được đặt nối tiếp với đường dây truyền tải, một TCSC bao gồm hai nhánh mắc song song nhau như hình: một tụ điện, một cặp thyristor mắc nối tiếp với một cuộn kháng Cấu hình đơn giản của TCSC được thể hiện trong Hình 2.9

Nếu các thyristor bị ngắt thì TCSC sẽ thành một tụ điện nối tiếp và sẽ trở thành một biến trở khi chu kì đóng ngắt của các thyristor thay đổi Các ứng dụng của TCSC hiện tại là thay đổi trở kháng để giảm xóc cho các dao động của hệ thống điện

C

Bộ điều khiển thyristor

L

Hình 2.9: Cấu trúc đơn giản của TCSC

b Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh (SSSC)

SSSC được mắc nối tiếp với đường dây truyền tải và bao gồm bộ chuyển đổi điện áp hoạt đông mà không có nguồn điện từ bên ngoài Theo Hình 2.10, đây là cấu hình của một SSSC giống như tụ bù dọc có điện áp đầu ra lệch pha 90o và được điều khiển độc lập với dòng điện của đường dây truyền tải

Mục đích của SSSC là tăng hoặc giảm điện áp tổng thể trên toàn tuyến và do đó kiểm soát được công suất thực được truyền đi SSSC có thể bao gồm thiết bị lưu trữ năng lượng hoặc thiết bị hấp thụ năng lượng tạm thời để tăng cường ổn định động của hệ thống điện bằng cách bù thêm công suất thực tạm thời, để tăng hoặc giảm điện

áp thực (tổng trở) trên toàn đường dây trong giây lát Hành động này là để kiểm soát dòng công suất phản kháng trên đường dây [27]

Hình 2.10: Cấu trúc đơn giản của SSSC.

2.4.2.2 Bộ điều khiển FACTS mắc song song (Shunt FACTS controllers)

a Bộ bù cong suất phản kháng tĩnh (SVC)

Bộ bù công suất phản kháng tĩnh được sử dụng cho các ứng dụng hệ thống truyền tải là một nguồn công suất phản kháng động, sớm hoặc trễ pha Nó bao gồm một sự kết hợp của các nhánh điện kháng được kết nối song song với đường dây

truyền tải thông qua một máy biến áp tăng áp SVC được cấu hình với số lượng nhánh cần thiết để đáp ứng các đặc điểm yêu cầu trong Hình 2.11 [27]

Thông số kỹ thuật này bao gồm bù điện cảm và điện dung cần thiết Tổng điện cảm và điện dung là dải hoạt động của SVC Một hoặc nhiều điện kháng do thyristor

có thể điều khiển liên tục và hấp thụ điện cảm để điều chỉnh điện áp ở nút cao áp Sự biến đổi này được thực hiện bằng cách điều khiển sự đóng, mở của thyristor, dẫn đến dạng sóng của điện kháng có chứa các thành phần sóng hài thay đổi theo góc pha điều khiển Một nhánh lọc chứa một tụ điện và một hoặc nhiều điện kháng hoặc tụ điện hấp thụ đủ dòng điện sóng hài để đáp ứng các thông số kỹ thuật sóng hài và cung cấp

bù điện dung Tụ chuyển mạch dựa vào thyristor được bật hoặc tắt với thời gian chính xác để tránh dòng điện kích thích ở trạng thái quá độ [27]

đổi nguồn điện áp sử dụng các thiết bị điện tử công suất (thyristor, IGBT, hoặc GTO)

có khả năng làm gián đoạn dòng điện theo yêu cầu

Tương tự như một máy phát điện từ lý tưởng, STATCOM có thể tạo ra một bộ

ba điện áp xoay chiều, gần như hình sin ở tần số mong muốn với cường độ có thể kiểm soát được Góc của điện áp được đặt bởi STATCOM bị hạn chế gần như cùng pha với mạng điện tại điểm kết nối của máy biến áp Khi điện áp có cường độ cao hơn điện áp hệ thống, dòng điện phản kháng có góc pha 90 độ so với góc pha điện áp chảy qua máy biến áp Điều này tương tự như hoạt động của một tụ điện mắc song song Khi điện áp được tạo ra thấp hơn điện áp hệ thống, góc pha của dòng điện là 90

độ so với góc pha của điện áp tương tự như hoạt động của điện kháng mắc song song

Độ lệch góc pha điện áp sẽ hấp thụ năng lượng cần thiết cho các tổn thất trong mạch Đối với các ứng dụng công suất cao, một bộ sáu hoặc mười hai bộ biến đổi xung được vận hành song song để đáp ứng cả yêu cầu dòng điện và yêu cầu ổn định của mạng Hai kiểu chuyển mạch khác nhau, các bộ biến đổi dịch pha với các thiết bị điện tử được chuyển đổi một lần trên mỗi chu kỳ và điều chế độ rộng xung, đã được sử dụng