Bài viết Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ lọc để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện. Cơ sở của nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn các nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để phòng tránh hiện tượng cộng hưởng.
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 47
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘ LỌC ĐỂ LOẠI TRỪ SỰ CỐ CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN IEEE FIRST BENCHMARK
USING THE BLOCKING FILTER TO PREVENT SUBSYNCHRONOUS RESONANCE,
APPLICATION TO IEEE FIRST BENCHMARK SYSTEM
Lê Đức Tùng
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tung.leduc1@hust.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo này trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ
lọc để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống
điện Cơ sở của nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn các
nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để
phòng tránh hiện tượng cộng hưởng Tác giả đã xây dựng thuật
toán xác định thông số bộ lọc để loại bỏ các tần số có khả năng
gây ra dao động cộng hưởng trên các đoạn trục tuabin-máy phát
Kết quả tính toán trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark đã
kiểm nghiệm được hiệu quả phương pháp sử dụng bộ lọc đề xuất
trong bài báo này Các phân tích tính toán thông qua phương pháp
trị riêng và phương pháp mô phỏng miền thời gian cũng được thực
hiện và so sánh đánh giá
Abstract - This paper presents the method of using the blocking
filters to prevent subsynchronous resonance problems in electrical power systems The basis of the study stems from the requirement
to prevent low frequency wave sources from the grid to the generator, to avoid resonance The author has developped an algorithm to define filter parameters to eliminate frequencies that can cause resonant oscillations on turbine-generator shaft sections The calculation results on the IEEE First Benchmark standard model have tested the efficiency of the filter method proposed in this paper The computational analysis through the eigenvalue methods and the time domain simulation are also performed and compared
Từ khóa - Ổn định hệ thống điện; cộng hưởng dưới đồng bộ
(SSR); tuabin-máy phát nhiệt điện; bộ lọc thụ động Key words - Power system stability; SubSynchronous Resonance (SSR) ; thermal turbine-generator; passive filter
1 Đặt vấn đề
Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp,
các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị
điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được kết nối với nhau,
có nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng
Đặc điểm cơ bản của hệ thống điện là quá trình quá độ xảy
ra rất nhanh, yêu cầu rất cao về tính liên tục và hoạt động
ổn định Do đó, việc nghiên cứu quá trình quá độ cơ điện
có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo vận hành hệ thống điện
đảm bảo được yêu cầu đề ra
Nhà máy điện là các cơ sở công nghiệp làm nhiệm vụ
sản xuất ra điện năng từ các dạng năng lượng tự nhiên khác
nhau như nhiệt năng của than khi đốt cháy, phản ứng hạt
nhân, thế năng từ nước, năng lượng gió… Máy phát điện
là thiết bị cơ điện, được kết nối với hệ thống điện Do đó,
hoạt động của máy phát chịu ảnh hưởng rất lớn từ các phát
sinh bất thường trong hệ thống
Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR được ghi
nhận trên thế giới lần đầu tiên bắt nguồn từ các sự cố tại
nhà máy nhiệt điện Mohave, Hoa Kì vào hai năm liên tiếp
1970, 1971 [1] Sự cố đã gây hư hỏng nghiêm trọng trục
tuabin máy phát Khi phân tích các dữ liệu thực tế sự cố ghi
lại bởi các thiết bị đo (Oscillographs), người ta nhận thấy,
ngoài dòng điện ở tần số đồng bộ còn có sự xuất hiện của
thành phần tần số điện fe nhỏ hơn tần đồng bộ Khi nghiên
cứu chi tiết các giá trị tần số thu được, các nhà nghiên cứu
đã tìm thấy giá trị tần số phụ fm =fs –fe, mà fm trùng với một
tần số dao động tự nhiên của trục tuabin (ở đây, fs là tần số
đồng bộ của hệ thống điện) [1] Nghiên cứu lý thuyết đã
chỉ ra rằng, sự xuất hiện của tần số điện fe là do tụ bù dọc
trên đường dây gây nên [1, 2]
Mặt khác, như ta đã biết trong trục tuabin máy phát
nhiệt điện có nhiều đoạn trục nối giữa các khối như tuabin
cao áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ với nhau (Hình 1)
Chính vì cấu tạo gồm nhiều đoạn trục – khối nên bản thân các đoạn trục có các tần số dao động tự nhiên của chính nó
Để tránh các hiện tượng cộng hưởng ở tần số cao, người ta thường chế tạo các đoạn trục tuabin có tần số tự nhiên nằm trong khoảng từ 10 đến 40 Hz đối với nhà máy nhiệt điện
và dưới 10 Hz đối với nhà máy thủy điện [1-3] Khi tần số
fm có giá trị gần với một tần số dao động tự nhiên nào đó của trục thì trục sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng với biên độ tăng dần và trở thành hiện tượng cộng hưởng Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ có thể gây ra mỏi trục và nguy hiểm hơn là gây phá hủy hoặc hỏng hóc trục tuabin máy phát
Hình 1 Trục tuabin nhà máy nhiệt điện Vũng Áng
Trước năm 2015, hệ thống điện Việt Nam chưa có ghi nhận cụ thể về sự xuất hiện của hiện tượng SSR Tuy nhiên vào năm 2015, tổ máy số một của nhà máy nhiệt điện Vũng Áng đã xảy ra sự cố gây nứt trục tuabin và ngừng hoạt động
tổ máy Tuy chưa có báo cáo chính thức về sự cố trên nhưng các phân tích sơ bộ đã chỉ ra rằng, nguyên nhân là
do hiện tượng SSR
Hiện tượng SSR đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới [1-13] Ở trong nước, những năm gần đây có nhiều nghiên cứu được thực hiện Trong [2, 3], tác giả đã xây dựng mô hình chuẩn trong các công cụ tính toán phục vụ cho việc tính toán mô phỏng SSR Các phương pháp nghiên cứu
về SSR cũng được xem xét và phân tích [2, 4] Một số giải pháp đã được đề xuất như thay thế tụ bù dọc bằng thiết bị bù công suất phản kháng linh hoạt để loại trừ SSR [5]
Trang 248 Lê Đức Tùng Bài báo này trình bày phương pháp sử dụng bộ lọc thụ
động để loại trừ sự cố SSR trong hệ thống điện Phương
pháp này vẫn cho phép sử dụng tụ bù dọc trên đường dây
để nâng cao khả năng truyền tải và độ ổn định hệ thống Bộ
lọc thụ động áp dụng cho việc giảm thiểu tác hại của SSR
1.1 Cấu tạo và nguyên lý của bộ lọc
Một bộ lọc gồm cuộn cảm L, điện trở R và tụ C Được
nối với nhau như hình 2
Hình 2 Các phần tử của bộ lọc thụ động
Chức năng của bộ lọc là tạo ra tổng trở có giá trị cao đối
với một dòng điện có tần số cần chặn, nhưng lại tạo tổng trở
thấp đối với dòng điện có tần số khác (Hình 3) Như vậy, ta
cần số bộ lọc bằng với số “Mode” của trục tuabin
Hình 3 Tổng trở của một bộ lọc theo tần số
Hình 4 Bộ lọc nối tiếp với máy phát (BL: Bộ lọc)
Hình 5 Vị trí lắp đặt bộ lọc
Để ngăn chặn sóng có tần số thấp chạy vào máy phát,
bộ lọc được đặt nối tiếp ở giữa máy phát và hệ thống điện
(hình 4), cụ thể là điểm cuối phía trung tính của cuộn dây cao áp máy biến áp (Hình 5) [6]
1.2 Lựa chọn thông số bộ lọc để loại trừ SSR
Phương pháp sử dụng bộ lọc để loại trừ SSR xuất phát
từ nguồn tác nhân tạo ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng
bộ là dòng điện có tần số điện fe gây ra bởi tụ bù dọc Như vậy, chỉ cần tìm cách chặn dòng điện ở tần số này bằng cách lắp bộ lọc thụ động nối tiếp trước máy phát Mỗi đoạn trục tuabin của máy phát nhiệt điện có một tần số dao động
tự nhiên Do đó, để ngăn chặn cộng hưởng thì mỗi đoạn trục này cần được bảo vệ bởi một bộ lọc riêng biệt Chúng
ta hãy xem xét phương pháp xác định thông số bộ lọc gồm các giá trị R, L và C [6, 7]
Hình 6 Sơ đồ quy trình tính toán thông số bộ lọc
Tổng trở nhìn từ hai đầu bộ lọc được xác định như sau: 𝑍(𝜔) = (𝐿𝑛𝑡𝑅)//𝐶 = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿
1 + 𝑗𝜔𝑅𝐶 − 𝜔2𝐿𝐶 (1)
Khi R nhỏ, 𝑍(𝜔) lớn nhất tại tần số cộng hưởng
𝜔𝑝= 1
Khi đó, tại tần số cộng hưởng 𝜔𝑝, tổng trở có giá trị:
𝑍𝑝=𝑅 + 𝑗𝜔𝑝𝐿
Khi 𝜔0𝐿 >> 𝑅, ta có (Q lớn):
𝑍𝑝= 𝐿
Trong đó, Q là hệ số chất lượng của cuộn kháng:
id iq
L
C
U d U q R
HT
X Cn X Ln
R n
LV
HV
K
X C1 X L1
R 1
X Cn X Ln
R n
K
X C1 X L1
R 1
X Cn X Ln
R n
MF
n = nMode
A C
MBA
HT
K
X C1 X L1
R 1
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 49
𝑄 = 2𝜋𝑓𝑜𝐿
Tổng trở tại tần số cơ bản:
𝑍𝑓𝑜 = − 𝜔𝜔0𝐿
0
𝜔𝑝− 1
Chúng ta nhận thấy: giá trị L lớn dẫn tới tổng trở tại tần
số cộng hưởng 𝑍𝑝 lớn (bộ lọc hoạt động hiệu quả), tuy
nhiên lại dẫn tới tổng trở tại tần số cơ bản 𝑍𝑓𝑜 tăng theo
Điều này giống như việc tăng mức độ bù của tụ bù dọc [6]
Giá trị điện trở R càng nhỏ thì Q càng lớn, tuy nhiên
trong thực tế Q có giá trị lý tưởng là nằm trong khoảng từ
50 đến 200 [7]
Hình 6 trình bày sơ đồ thuật toán xác định thông số cho
bộ lọc với đầu vào là tần số tự nhiên của các đoạn trục tuabin
2 Áp dụng cho mô hình chuẩn IEEE
Hình 7 Sơ đồ mô hình First BenchMark
Hình 8 Sơ đồ trục tuabin mô hình First BenchMark
Bảng 1 Thông số lưới mô hình First BenchMark [8]
Thông số thứ tự thuận Thành phần thứ tự không Thành phần
Điện trở đường dây 0,02 0,5
Điện kháng của MBA 0,14 0,14
Điện kháng đường dây 0,5 1,56
Điện kháng hệ thống 0,06 0,06
Kháng của tụ điện (ứng với
trường hợp bù 74,2%) 0,371 0,371
Bảng 2 Thông số tuabin mô hình First BenchMark [8]
Quán tính Hằng số quán
tính (H) Khối trục Độ cứng K
(pu)
Khối HP
Khối IP
Khối LPA
Khối LPB
Khối GEN
Khối EXC
0,092897 0,155589 0,858670 0,884215 0,868495 0,0342165
HP-IP IP-LPA LPA-LPB LPB-GEN GEN-EXC
19,303 34,929 52,038 70,858 2,82
Mô hình chuẩn First BenchMark (FBM) được IEEE xây
dựng nhằm mục đích nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới
đồng bộ (Hình 7) Việc nghiên cứu trên mô hình chuẩn rất
thuận lợi vì thông số đã cho rất phù hợp với thông số thực tế, hơn nữa IEEE cũng đã đưa ra kết quả nghiên cứu sơ bộ, từ đó giúp cho các nhà nghiên cứu có cơ sở để so sánh và kiểm tra kết quả làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo Thông số của mô hình được giới thiệu trong Bảng 1 và Bảng 2 [8]
Mô hình này gồm một máy phát, tuabin gồm 6 khối HP,
IP, LPA, LPB, GEN và EXC, nối tiếp với một máy biến áp tăng áp, một đường dây có gắn tụ bù dọc và cuối cùng là nút vô cùng lớn Như vậy, đối với mô hình FBM, trục tuabin - máy phát có 5 Mode và sẽ phải dùng 5 bộ lọc để loại bỏ các tần số dao động riêng như trong Bảng 3 [4]
Bảng 3 Tần số dao động tự nhiên của trục tuabin máy phát
Mode Phần ảo của trị riêng Tần số dao động (Hz)
Mode 1 98,71 15,71 Mode 2 126,98 20,21 Mode 3 160,53 25,55 Mode 4 202,88 32,29 Mode 5 298,19 47,46
2.1 Trị riêng và véc-tơ riêng khi dùng bộ lọc
Bảng 4 Kết quả tính toán thông số bộ lọc
L (H) C (F) R (Ôm)
Bộ lọc Mode 1 0,026362994 0,000489862 0,033128715
Bộ lọc Mode 2 0,018873138 0,000847755 0,023716684
Bộ lọc Mode 3 0,055101344 0,000387279 0,069242391
Bộ lọc Mode 4 0,043281793 0,000761913 0,054389505
Bộ lọc Mode 5 0,1405641 0,001145233 0,176638058
Bảng 5 Kết quả tính trị riêng khi có bộ lọc
Bậc trị riêng
Phần thực trị riêng
Phần ảo trị riêng
Tần số (Hz)
1,2 -1,4667 ±12324,000 1961,43 3,4 -0,7413 ±10778,000 1715,37 5,6 -1,1087 ±11687,000 1860,04 7,8 -1,0918 ±11456,000 1823,28 9,10 -4,5803 ±5534,900 880,91 11,12 -5,2121 ±4578,800 728,74 13,14 -2,7809 ±686,690 109,29 15,16 -1,1588 ±640,850 101,99 17,18 -1,0971 ±617,540 98,28 19,20 -1,1332 ±579,440 92,22 21,22 -1,0723 ±538,900 85,77 23,24 -0,6283 ±551,130 87,72 25,26 -0,0000 ±298,180 47,46 27,28 -0,9674 ±214,980 34,22 29,30 -0,0266 ±202,920 32,30 31,32 -0,6283 ±202,850 32,28 33,34 -0,9654 ±174,470 27,77 35,36 -0,0267 ±160,580 25,56 37,38 -0,8771 ±136,360 21,70 39,40 -0,1080 ±127,010 20,21 41,42 -0,8648 ±112,800 17,95 43,44 -0,0410 ±99,034 15,76 45,46 -0,5267 ±67,643 10,77 47,48 -1,2655 ±14,973 2,38
Trang 450 Lê Đức Tùng
Áp dụng thuật toán theo sơ đồ hình 6, chúng ta xác định
được thông số của 5 bộ lọc như bảng 4 Các trị riêng và
véc-tơ riêng (Bảng 5) cho thấy, tất cả các phần thực của trị riêng
đều âm, tức mọi trị riêng đều nằm bên trái trục ảo Theo tiêu
chuẩn ổn định, ta có thể kết luận hệ thống ổn định hay nói
cách khác, hiện tượng SSR sẽ không xảy ra khi lắp bộ lọc
2.2 Mô phỏng trong miền thời gian
Tác giả sử dụng công cụ mô phỏng EMTP tiến hành mô
hình hoá sơ đồ IEEE FBM và xây dựng mô hình 5 bộ lọc
với thông số như Bảng 4 Kịch bản mô phỏng và có kích
thích ngắn mạch tại nút 3 (Hình 7) ở thời điểm 0,1s trong
khoảng thời gian 0,075s với các trường hợp bù khác nhau,
trước và sau khi lắp bộ lọc
Kết quả mô phỏng như Hình 9 là phù hợp với kết quả
IEEE đã đưa ra Biên độ dao động momen giữa các trục có
xu hướng tăng lên nhiều lần (dạng cộng hưởng) sau sự cố
Như vậy SSR đã xảy ra
Hình 9 Mô-men (pu) trên các trục khi bù 74,2% (không có bộ lọc)
Hình 10 Mô-men (pu) trên các trục khi bù 74,2%
(khi lắp bộ lọc)
Khi lắp bộ lọc, kết quả mô phỏng ở Hình 10 cho thấy,
dao động mômen giữa các trục có xu hướng tắt dần Như
vậy, cùng với một kịch bản, SSR đã không xảy ra đối với hệ
thống được lắp bộ lọc Kết quả mô phỏng này cũng phù hợp
với kết quả của phương pháp trị riêng đã đưa ra ở Mục 3
3 Kết luận
Trong bài báo này, tác giả đã trình bày phương pháp sử dụng bộ lọc thụ động để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện Nguyên lý hoạt động và sơ
đồ thuật toán xác định thông số bộ lọc cũng đã dược giới thiệu Các kết quả tính toán với mô hình chuẩn của IEEE
đã minh chứng được tính đúng đắn, tính khả quan của phương pháp được đề xuất Cả phương pháp trị riêng và phương pháp mô phỏng trong miền thời gian đều cho cùng một kết quả, khẳng định bộ lọc có thể được sử dụng để ngăn ngừa sự cố SSR Các nghiên cứu áp dụng bộ lọc để loại trừ SSR vào hệ thống điện Việt Nam sẽ được đầu tư phát triển trong thời gian tới
Lời cảm ơn: Tác giả gửi lời cảm ơn sinh viên Lê Gia Thi
(Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tính toán
cho nghiên cứu này
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 Sept/Oct, pp 1878- 1889, 1975
[2] Lê Đức Tùng, "Mô phỏng các mô hình chuẩn IEEE trong ATP/EMTP
phục vụ cho nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ", Tạp
chí khoa học-công nghệ các trường kỹ thuật, 110, 1-6, 2016
[3] T.N Minh, L.Đ Tùng, N.H Việt, N.T Đức và L.G Thi “Xây dựng
mô hình máy phát - turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên
cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ”, Tạp chí KH&CN - Đại học
Đà Nẵng, 5(114), trang 61-65, 2017
[4] Lê Đức Tùng, "Phương pháp trị riêng trong phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ Áp dụng cho mô hình IEEE FIRST
BENCHMARK", Tạp chí khoa học&công nghệ- Đại học Thái
Nguyên, 6, trang 229-236, 2020
[5] 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, 7, pp 71-75, 2015
[6] Xiaorong Xie, “Applying Improved Blocking Filters to the SSR
Problem of the Tuoketuo Power System”, IEEE Transactions on
Power Systems, Vol 28, No.1, February 2013
[7] D.J.N Limebeer, R.G Harley, M.A Lahoud, Suppressing
subsynchronous resonance with static filters, IEE PROC, Vol 128,
Pt Q No 1, January 1981
[8] IEEE SSR Task Foree, “First Benchmark Model For Computer
Simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Trans on Power
Apparatus and Systems, 96(4), pp.1565-1572, 1977
[9] 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)
[10] IEEE SSR Task Foree, “Second Benchmark Model For Computer
Simulation of Subsynchronous Resonance” IEEE Trans on Power
Apparatus and Systems, pp 1057-1066, 1985
[11] P.M Andreson, B.L Agrawal, J.E Van Ness, “Subsynchronous
Resonance In Power Systems”, IEEE PRESS, pp 9-18, 1990
[12] 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), pp 734-738, 2019
[13] X Yanhui and S Ge, "Effect of shaft parameter uncertainty on
subsynchronous resonance simulation”, 2012 Power Engineering
and Automation Conference, Wuhan, pp 1-4, 2012
(BBT nhận bài: 08/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/7/2020)
