Phân tích và đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam

Phân tích và đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam

Trường đại học bách khoa hμ nội

_

Văn Xuân Anh

Phân tích vμ đánh giá

hiệu quả công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam

Chuyên ngành : Hệ thống điện

Mã số : 02.06.07

tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật

Hà Nội, 2007

1 Văn Xuân Anh Đánh giá so sánh các phương án truyền tải điện

một chiều trong HTĐ Việt Nam sử dụng chỉ số ổn định, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật số 55, 2005

2 Văn Xuân Anh, Trần Bách, Đánh giá khả năng hỗ trợ ổn định

hệ thống điện của công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật số 54,

2005

3 Văn Xuân Anh, Nâng cao chất lượng truyền tải điện, Tạp chí

Điện và đời sống, tháng 5 năm 2002

lượng-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Bách

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Viện Năng lượng

Trường Đại học Điện lực

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại……… vào hồi giờ ngày tháng…năm……

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Quốc Gia

Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hệ thống điện Việt Nam đang phát triển, trở thành một hệ thống có nhiều kết nối mạnh, hàng loạt các vấn đề kỹ thuật trong hệ thống điện đang xuất hiện Các vấn đề kỹ thuật này đều chưa được dự báo, phân tích tính toán trên cơ sở các nghiên cứu đánh giá chi tiết Công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều cũng chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ

2 Mục đích nghiên cứu

Luận án nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả công nghệ truyền tải một chiều trong hệ thống điện Việt Nam được thực hiện với các mục đích như sau:

• Nghiên cứu kết cấu, chức năng và nguyên tắc làm việc của các phần tử trong công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều

• Nghiên cứu xác định các phương án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam và đánh giá các phương án truyền tải

điện cao áp một chiều trong chế độ xác lập và quá độ của hệ thống

điện

• Mô phỏng phân tích ổn định động hệ thống điện Việt Nam với các phương án truyền tải điện cao áp một chiều dựa trên việc xây dựng phần mềm điều khiển trạm chỉnh lưu/nghịch lưu của hệ thống truyền tải điện cao áp một chiều

• So sánh và đánh giá hiệu quả ổn định hệ thống của các phương án truyền tải điện cao áp một chiều trong hệ thống điện Việt Nam dựa trên kết quả đạt được

• Dự tính vốn đầu tư phương án truyền tải điện cao áp một chiều so sánh với phương án truyền tải điện xoay chiều tương đương

3 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi của luận án bao gồm việc phân tích ổn định các phương án truyền tải điện một chiều trong HTĐ Việt nam trên cơ sở xây dựng mô hình

động bộ điều khiển truyền tải điện một chiều

Phạm vi nghiên cứu không tập trung vào các ứng dụng rộng lớn của truyền tải điện một chiều hạ áp hoặc trung áp như cấp điện cho giàn khoan dầu ngoài khơi, điều khiển động cơ điện Phạm vi của luận án cũng không bao gồm công nghệ truyền tải điện một chiều nhiều nút

âm để giảm nhiễu Sơ đồ có thể áp dụng trong truyền tải trạm tập trung, tức là trạm chỉnh lưu và nghịch lưu được xây dựng tại cùng một vị trí

Sơ đồ truyền tải điện một chiều nối nguồn: là sơ đồ truyền tải điện cao

áp một chiều nối trực tiếp với các máy phát thủy điện có cột nước cao hoặc các máy phát tuốc bin khí có vận tốc lớn (3000/3600 vòng/phút) Hệ thống có khả năng làm việc hiệu quả trong các trường hợp phụ tải biến thiên và chế độ máy phát thay đổi

1.2 Các phần tử cơ bản trong hệ thống truyền tải điện một chiều

Hệ thống truyền tải điện một chiều cao áp bao gồm các phần tử công nghệ cơ bản là các máy biến áp nâng điện áp lên điện áp truyền tải, bộ biến đổi chỉnh lưu, nghịch lưu biến đổi điện xoay chiều thành một chiều và ngược lại, các bộ thiết bị lọc sóng hài, thiết bị bù công suất phản kháng và đường dây truyền tải

Hình I-6: Sơ đồ cột đường dây 1 mạch, 2 mạch xoay chiều và 2 mạch một chiều

So sánh các sơ đồ đường dây cao áp thể hiện trên hình I-6 Trong đó sơ

đồ cột số 1 là sơ đồ đường dây xoay chiều 500kV 1 mạch Sơ đồ cột thứ 2 là sơ

đồ đường dây xoay chiều 500kV 2 mạch, sơ đồ cột số 3 là sơ đồ cột đường dây cao áp một chiều ±500kV Khả năng chuyên tải công suất của sơ đồ cột số 2 và

số 3 là tương đương nhau, số mạch bằng 2 và dây dẫn có tiết diện tương đương

So sánh giữa sơ đồ 2 và sơ đồ 3, số dây dẫn giảm đi một phần ba (6x4 so với 2x4), chiều cao cột và khối lượng cột giảm đi từ một nửa đến hai phần ba

Công nghệ truyền tải điện cao áp một chiều thực hiện được là nhờ bộ chỉnh lưu và nghịch lưu trong đó vai trò quyết định là thyristor công suất Thyristor bao gồm loại thyristor thông thường và các loại thyristor thế hệ mới như GTO hoặc IGBT Gần đây công nghệ thyristor đã phát triển loại thyristor LTT có thể điều khiển bằng xung quang

1.3 Các tham số cơ bản điều khiển bộ chỉnh lưu, nghịch lưu

Trong các sơ đồ chỉnh lưu, nghịch lưu, các tham số điều khiển chính là góc mở α điều khiển chỉnh lưu, góc tắt γ điều khiển nghịch lưu Thời gian trễ

mở thyristor gọi là góc mở, ký hiệu là α Góc mở do hệ thống điều khiển quyết

định Góc trùng dẫn μ đặc trưng cho sơ đồ mạch thyristor, phụ thuộc vào chế độ làm việc của mạch là thông số quan trọng nhưng không phải là tham số điều khiển Tại bộ chỉnh lưu, tham số điều khiển góc mở α điều khiển dòng điện một chiều hay công suất trên hệ thống một chiều Phạm vi điều chỉnh thực tế α =

10O ữ30O Tại bộ nghịch lưu, tham số điều khiển góc tắt γ kiểm soát điện áp trong phạm vi cho phép Phạm vi điều chỉnh thực tế γ = 15O ữ40O

Chương 2: mô hình máy phát vμ các bộ điều khiển máy phát trong tính toán phân tích QTQĐ HTĐ việt nam

2.1 Cơ sở tính toán và phân tích QTQĐ hệ thống điện

QTQĐ nghiên cứu ổn định động hệ thống sau các dao động sự cố thể hiện bằng hệ các phương trình: phương trình vi phân mô tả chuyển động quay của các máy phát, phương trình mô tả QTQĐ điện từ trong cuộn dây rôto và các phương trình vi phân mô tả các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, tự động điều chỉnh tuabin máy phát và các thiết bị điều chỉnh trên lưới điện (FACT)

2.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động hệ thống điện

Nghiên cứu ổn định động HTĐ dựa trên các phương pháp bao gồm: phương pháp phân tích hàm năng lượng trực tiếp và phương pháp tích phân số Phương pháp phân tích hàm năng lượng trực tiếp dựa trên các tiêu chuẩn thực dụng theo trường phái truyền thống của Lyapunov Phương pháp tích phân số cũng được tiến hành trên các mô hình đơn giản hoá HTĐ Trong quá trình nghiên cứu, có thể bỏ qua một số thành phần ít ảnh hưởng đến kết quả

nhưng cho phép đơn giản hoá quá trình tính toán, như: bão hoà mạch từ trong các cuộn dây máy phát và máy biến áp, thành phần chu kỳ trong dòng điện rôto của các máy phát, tương đương hoá tác động của cuộn cản bằng thành phần tỷ

lệ với hệ số trượt của máy phát

2.3 ảnh hưởng của các bộ tự động điều chỉnh đến ổn định hệ thống điện

Đối với ổn định hệ thống điện, mức độ ảnh hưởng của TĐK thể hiện là hằng số quán tính, là thời gian hay tốc độ tác động điều khiển đến kích từ máy phát Trong nghiên cứu ổn định hệ thống, khi diễn ra các kích động lớn TĐK ít tác dụng, tuy nhiên bộ tự động điều khiển điện áp kích từ (AVR) đi kèm lại có tác dụng đáng kể Hiệu quả của TĐK phụ thuộc vào tốc độ điều chỉnh, phạm vi

đáng kể trong giai đoạn sau của QTQĐ

Cắt ngắn mạch nhanh hay tự động đóng lặp lại các sự cố thoáng qua là biện pháp đặc biệt hiệu quả trong các biện pháp tăng cường ổn định động hệ thống điện Hiện nay các máy cắt với hệ thống điều khiển bảo vệ số cho phép tách phần tử sự cố khỏi hệ thống trong thời gian 0,1 đến 0,3s Máy cắt có tự

động đóng lại một pha đặc biệt hiệu quả trong cải thiện ổn định động hệ thống

điện Tổng dẫn liên kết và công suất điện từ sẽ khác không trong thời gian cắt ngắn mạch 1 pha, diện tích gia tốc giảm đi so với cắt cả 3 pha

Truyền tải điện một chiều cũng là giải pháp có thể tăng ổn định động

hệ thống Cảm kháng của đường dây truyền tải điện một chiều rất nhỏ, tốc độ

điều khiển các thông số hệ thống (điện áp nút, tần số, công suất) rất nhanh là

đặc điểm của truyền tải điện một chiều Các đặc điểm này có tác động mạnh

đến ổn định động hệ thống điện

2.4 Đặc điểm hệ thống điện Việt Nam

Đến cuối 2004 hệ thống điện Việt nam có tổng công suất đặt là

10 445MW, công suất khả dụng đạt 10 223MW Trong đó thuộc EVN là

8 747MW, chiếm 84% và các nguồn ngoài EVN là 1 698MW, chiếm 16% Trong giai đoạn 1995-2003, sản xuất điện năng năm 2003 tăng gấp 2,8 lần năm

1995, tốc độ tăng trung bình khoảng 13,7% Đến năm 2004, điện năng sản xuất

đạt 46,84 tỷ KWh điện, tăng 13,5% so với năm 2003 Năm 2005, công suất cực

đại của hệ thống điện vào khoảng 9512MW, lượng điện năng tiêu thụ khoảng 53,5 tỷ KWh Công suất cực đại của hệ thống đã tăng 2,6 lần tính từ năm 1996

đến năm 2004, với tốc độ trung bình khoảng 12,8%

2.5 Chương trình mô phỏng hệ thống điện Việt Nam

Hiện nay trên thế giới có nhiều chương trình phần mềm tính toán phân tích, nghiên cứu hệ thống điện Chương trình mô phỏng hệ thống điện PSS/E do công ty Power Technology của Mỹ xây dựng Chương trình cho phép mô phỏng chi tiết các phần tử cơ bản của hệ thống điện, tính toán phân bố công suất, phân tích sự cố và mô phỏng ổn định hệ thống điện lớn Đối với tính toán mô phỏng

ổn định HTĐ, số liệu, mô hình các máy phát, tự động kích từ, điều tốc có ảnh hưởng lớn đến bài toán nghiên cứu Do đó dựa trên các số liệu được xây dựng sát với thực tế HTĐ Việt Nam, chương trình PSS/E cho phép mô phỏng gần chính xác nhất

2.6 Mô hình động các máy phát trong HTĐ Việt nam

Luận án sử dụng các mô hình mô phỏng máy phát trong tính toán ổn

định động HTĐ Việt Nam trên cơ sở số liệu tính toán hệ thống điện của Công ty Tư vấn Xây dựng điện 1, Viện Năng lượng, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia, Tổng công ty Điện lực Việt nam

H×nh III-3: M« h×nh phÇn tö truyÒn t¶i ®iÖn mét chiÒu

HÖ ph−¬ng tr×nh m« pháng ph©n tö truyÒn t¶i ®iÖn cao ¸p mét chiÒu nh− sau:

Ua = T.Ea

Ud = U0

cosα - π

o d

d

U K

U

cos φ =

Trong đó: Ua: điện áp pha-đất; Ia: dòng điện xoay chiều; φ: góc lệch giữa P và Q Ea :điện áp thanh cái máy phát quy đổi của hệ thống; T: nấc điều chỉnh máy biến áp ; Id: dòng điện một chiều; φ: góc lệch điện áp K: hệ số phụ thuộc vào các góc mở tại chỉnh lưu, góc tắt tại nghịch lưu và góc trùng dẫn

Hệ phương trình không cân bằng công suất nút trong HTĐ được viết dưới dạng các ma trận Jacobian như sau:

J J

J

B C

[ ] [ ][ ] R = J Δ X

(III-8)

Trong đó: ΔP, ΔQ là độ lệch công suất tác dụng và phản kháng tại các nút, J là ma trận Jacobian của phần tử truyền tải điện một chiều, X là ma trận các thông số truyền tải điện một chiều trong HTĐ bao gồm: dòng điện một chiều (Id), điện áp một chiều (Ud), nấc máy biến áp (T, trong CĐXL), góc mở thyristor (góc α) JA, JB, JC, JD, là các ma trận con của ma trận Jacobian

P J

U

Q U J

Q J

là điện áp (U) và góc lệch (δ) tại các nút Điện áp và góc lệch tại các nút đầu và cuối của phần tử truyền tải điện một chiều là các thông số đầu vào tính toán mô phỏng phần tử truyền tải điện một chiều

Việc tách hai hệ phương trình cân bằng công suất là do bước thời gian tính toán của hệ thống xoay chiều lên đến 10ms trong khi bước thời gian tính toán của phần tử một chiều rất nhỏ (từ 50 đến 100μs)

Hình III-4: Sơ đồ khối tính toán truyền tải điện một chiều trong CĐXL

3.2 Mô hình động bộ điều khiển truyền tải điện cao áp một chiều

Truyền tải điện một chiều đặc trưng bằng điều khiển chế độ làm việc tại chỉnh lưu và nghịch lưu Tuy nhiên trong chương trình tính toán hệ thống

điện PSS/E không có bộ điều khiển một chiều Vì vậy, để có thể tiến hành phân tích tính toán và nghiên cứu ổn định hệ thống điện có phần tử truyền tải điện cao áp một chiều, cần thiết xây dựng mô hình động bộ điều khiển một chiều

Mô hình động bộ điều khiển truyền tải điện một chiều là sơ đồ lôgic các tham số điều khiển Các tham số điều khiển của mô hình phần tử truyền tải

điện một chiều được mô phỏng là một phần tử trong hệ thống điện

Sơ đồ thuật toán điều khiển của bộ điều khiển truyền tải điện một chiều được lập trên cơ sở bộ điều khiển CDC4 trong tài liệu về truyền tải điện một chiều của Công ty PTI (Mỹ), mô tả trong hình III-8

Tác dụng chính của bộ điều khiển là tính toán lặp nhiều lần trong thời gian rất nhỏ xác định chế độ làm việc của hệ thống điện một chiều Việc lựa chọn chế độ làm việc có ảnh hưởng quyết định tới công suất truyền tải điện một chiều Công suất truyền tải điện một chiều là cơ sở so sánh, nếu độ lệch công suất sau mỗi bước lặp có sai số nhỏ chấp nhận được, hệ thống hội tụ Nghĩa là

bộ điều khiển đã tác dụng đến quá trình ổn định sau sự cố trên hệ thống

Trong sơ đồ thuật toán các tham số tính toán, đặt các biến theo các thông số biến thiên của các phương trình, các phần tử ký hiệu như sau:

x1 = Ud1 : Điện áp một chiều tại trạm chỉnh lưu

x2 = Ud2 : Điện áp một chiều tại trạm nghịch lưu

x3 = Id : Dòng một chiều

x4 : Ràng buộc điện áp một chiều

v1 = Uset : Điện áp đặt là điện áp trên thanh cái xoay chiều

v2 = ∆I : Biến động dòng là sự thay đổi dòng trên thanh cái xoay

chiều đáp ứng yêu cầu điều khiển công suất hoặc điện áp

α : Góc mở thyristor, điều khiển dòng (công suất) tại chỉnh lưu

γ : Góc tắt thyristor, điều khiển điện áp tại nghịch lưu

Các phương trình mô phỏng hệ thống một chiều có dạng:

1 1

2

631

1

v x

T x

x

idc

+ +

=

3 1

4

1

1 1

1

x R T

x T

min x U

Ma trận Jacobian các thông số phần tử truyền tải điện một chiều và ma trận tham số điều khiển có dạng:

01

101

1

01

100

02

301

0001

1

dc idc vdc

idc

c vdc

R T T

T

X T

Sơ đồ logíc được lập trình dựa trên các phương trình tính toán biến thiên thông số của phần tử truyền tải điện một chiều Bộ điều khiển truyền tải

điện một chiều được lập trình bằng ngôn ngữ FORTRAN hoặc FLEX File điều khiển được dịch sang file chạy có dạng *.dll Lệnh tương tác CONEC trong chương trình “tải” file điều khiển *.dll vào bộ nhớ tạm thời của PSS/E trong quá trình tính toán ổn định động

Trên lý thuyết, tốc độ tính toán, mô phỏng bộ điều khiển truyền tải

điện một chiều yêu cầu có thể bằng 100μs/bước lặp Trong khi đó bước thời gian thực hiện mô phỏng ổn định là 10ms/bước lặp Với chênh lệch bước tính như vậy, khối lượng tính toán sẽ rất lớn Khi đó, kết quả tính toán sẽ bao gồm rất nhiều thành phần sóng hài bậc cao Thực tế, nghiên cứu vai trò ổn định của

hệ thống điện một chiều trong hệ thống không cần đến các kết quả chi tiết thành phần sóng hài bậc cao Do vậy có thể đơn giản hóa mô hình mô phỏng bộ

điều khiển truyền tải điện một chiều, lọai bỏ bớt các thành phần sóng hài bậc cao, tăng thời gian bước lặp lên đến 0,2s Phương pháp này được thực hiện phổ biến trong quá trình mô phỏng ổn định của hệ thống điện một chiều Sai số tính toán giữa các thông số ra/vào của truyền tải điện một chiều và với hệ thống xoay chiều là rất nhỏ, không đáng kể Trong chương trình, thời gian chuyển mạch và thời gian điều chỉnh dòng và điện áp được đặt bằng 0,2s

0 0

1 0

0 0

0 cos 2

6

π

X

Hình III-8: Sơ đồ thuật toán của bộ điều khiển truyền tải điện một chiều

Pd≠ Pd’

Pd=

Rc, Xc , α min , αmax, γmin,γmax của

hệ thống truyền tải điện một chiều

Điện áp phía xoay

Bộ điều khiển chế

độ làm việc

I min <I d ’<I max

s

+ 1 1

Khâu kiểm tra