TÍNH TOÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỂ NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ UPFC A CALCULATION FOR BUILDING A SIMULATION MODEL TO RESEARCH THE OPERATION SYSTEMS OF UPFC NGUYỄN H
Trang 1TÍNH TOÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐỂ
NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA THIẾT BỊ UPFC
A CALCULATION FOR BUILDING A SIMULATION MODEL TO RESEARCH THE OPERATION SYSTEMS OF UPFC
NGUYỄN HỒNG VIỆT PHƯƠNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGÔ VĂN DƯỠNG
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trên cơ sở nghiên cứu nguyên lý làm việc và mô hình tính toán của thiết bị UPFC, bài báo trình bày việc xây dựng các phần mềm tính toán và mô hình mô phỏng lắp đặt thiết bị UPFC trên đường dây truyền tải
để nghiên cứu các chế độ vận hành của thiết bị UPFC
ABSTRACT
On the basis of examining the working principle and calculated model of the UPFC, this article presents aimed at presenting to build calculated softwares and simulation models to install the UPFC on loading transmission lines for researching the operation systems of UPFC
1 Đặt vấn đề
Cùng với nhịp độ tăng trưởng của nền kinh tế và sự gia tăng dân số toàn cầu, nhu cầu tiêu thụ năng lượng không ngừng tăng lên trong đó năng lượng điện đòng vai trò then chốt Từ
đó hệ thống điện (HTĐ) cũng liên tục mở rộng và phát triển cả về nguồn và các đường dây truyền tải Do tính chất tiêu thụ điện ở các khu vực trong từng thời khác nhau cho nên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải liên tục thay đổi theo thời gian Kinh nghiệm vận hành HTĐ cho thấy tại một thời điểm trên hệ thống có những đường dây bị quá tải trong khi các đường dây khác non tải và ngược
lại Nếu có những biện pháp điều
chỉnh thông số HTĐ thích hợp có
thể làm thay đổi trào lưu công suất
làm giảm quá tải cho một số đường
dây mà không cần phải cải tạo
nâng cấp Ví dụ xét sơ đồ HTĐ
như trên hình 1a, giả thiết khả năng
PAB=PAC=2500MW, PBC=800MW,
như vậy ở trường hợp nầy đường
dây BC bị quá tải Nếu trên đường
dây AB lắp đặt một tụ bù dọc có
XC=-4 như hình 1b, lúc nầy công
suất truyền tải trên các đường dây
đều nằm trong giới hạn cho phép
Khi phụ tải tại B và C thay đổi như
12
8
4
2500 2000
1000
1500 3000
Hình 1a
- 4
12 8
4
2100 2400
600
1500 3000
Hình 1b
12
8
4
2750 1750
250
3000 1500
Hình 1c
- 3
12 8
4
2500 2000
500
3000 1500
Hình 1d
Trang 2STATCOM SSSC
Control
Hình 2
hình 1c sẽ dẫn đến đường dây AC bị quá tải, tương tự nếu lắp đặt tụ bù dọc có XC=-3 trên đường dây AB như hình 1d thì không có đường dây nào bị quá tải Như vậy nếu tụ C trên đường dây AB có thể điều chỉnh được XC sẽ giúp điều khiển linh hoạt trào lưu công suất truyền tải trên HTĐ theo chế độ vận hành đảm bảo khả năng tải của các đường dây
Từ năm 1980 công nghệ FACTs đã cho ra đời hàng loạt thiết bị có khả năng điều khiển linh hoạt trào lưu công suất trong hệ thống như: SVC, TCSC, STATCOM, TCPAR và UPFC Trong đó UPFC là thiết bị có khả năng điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng và cả góc pha điện áp Để tạo ra một công cụ cho phép nghiên cứu khả năng điều khiển của thiết bị UPFC, đề tài đã xây dựng mô hình mô phỏng hoạt động của thiết bị UPFC
2 Nguyên lý làm việc và mô hình tính toán của thiết bị UPFC
UPFC là một thiết bị của hệ thống
FACTs được kết hợp từ 2 thiết bị STATCOM
và SSSC SSSC có nhiệm vụ tạo ra một vectơ
điện áp nối tiếp trên đường dây có thể thay đổi
được cả về modul và góc pha STATCOM lấy
công suất tác dụng từ đường dây cung cấp cho
SSSC, đồng thời đóng vai trò điều khiển điện áp
cuối đường dây thông qua điều khiển công suất
phản kháng Thiết bị UPFC được sử dụng để
điều khiển công suất tác dụng, công suất phản
kháng và cả góc pha điện áp trên các đường dây
truyền tải Trong trường hợp được trang bị thêm
bộ phận dự trữ năng lượng vào mạch liên kết DC, nó sẽ hoạt động hiệu quả hơn đối với quá trình quá độ trên đường dây do khả năng điều khiển được năng lượng bơm vào hoặc lấy ra
khỏi hệ thống thay vì chỉ thay đổi tham số đường dây truyền tải Từ nguyên lý hoạt động, để sử dụng trong các bài toán giải tích mạng điện có thể sử dụng mô hình tính toán của thiết bị UPFC như sau: [1,3]
(1) )
cos(
) sin(
cos
) sin(
02 , 1 sin 02
, 0 2 2
j i j i nt jupfc
j i j i nt jupfc
i nt iupfc
j i j i nt i
nt iupfc
V V rb Q
V V rb P
V rb Q
V V rb V
rb P
3 Nghiên cứu xây dựng chương trình mô phỏng vận hành thiết bị UPFC
3.1 Chương trình mô phỏng điều khiển dòng công suất truyền tải bằng thiết bị UPFC
i
U
.
j
U
.
P iUPFC + j Q iUPFC P jUPFC + j Q jUPFC
Xnt
Hình 3
A
B
E Xnt
P EUPFC
j Q EUPFC
P DUPFC
j Q DUPFC
Trang 3Xét sơ đồ HTĐ như hình 4 gồm hai hệ thống HT1 và HT2 liên lạc với nhau qua đường dây truyền tải AB, đường dây cung cấp điện cho 2 trạm biến áp tại C và D Cuối đường dây
CD có lắp đặt một bộ UPFC, thiết bị UPFC được thay thế bằng mô hình tính toán như mục 2, trong đó PEUPFC, QEUPFC, PDUPFC, QDUPFC được xác định theo (1) Sử dụng chương trình CONUS để tính toán chế độ xác lập kết hợp với việc thu nhận thông tin về thông số vận hành (PC, QC, PD, QD) và thông số điều khiển của thiết bị UPFC (r, ) tác giả đã xây dựng thuật toán chương trình mô phỏng UPFC tự động khống chế dòng công suất truyền tải trên đường dây (hình 5) và mô phỏng điều khiển UPFC (hình 6)
BẮT ĐẦU
Vẽ sơ đồ lên màn hình
Đọc file số liệu HTĐ
U D =500kV, U E =500kV E =0, D =0, k=0
Nhận P D , P E , Q D , Q E
từ bàn mô phỏng
Tính và cập nhật P EUPFC ,
Q EUPFC , P DUPFC , Q DUPFC
Tính chế độ xác lập
m = E - D
Hiển thị các thông số lên sơ
đồ HTĐ trên màn hình
DỪNG
k
m
Lệnh dừng
k=m
Đ
S
C
K
Chọn công suất ĐK
= 0; r = r max /2; P= P dat = 90; r = r max /2; Q=Q dat
1
P dat P
dat
P
P
r=r+r r=r-r
Nhận P D , P E , Q D , Q E
từ bàn mô phỏng
Tính và cập nhật P EUPFC ,
Q EUPFC , P DUPFC , Q DUPFC
Tính chế độ xác lập
m = E - D
Hiển thị các thông số lên sơ
đồ HTĐ trên màn hình
k
m
Lệnh dừng
k=m
Đ
S
1
Q dat Q
dat
Q
Q
r=r+r r=r-r
K
C
Hình 5
Trang 43.2 Xây dựng bàn mô phỏng vận hành thiết bị UPFC
Đề tài đã xây dựng bàn mô phỏng Hệ thống điện có
lắp đặt thiết bị UPFC như hình 4 [2,4] Để mô phỏng
cácthông số vận hành (PD, QD, PE, QE) và thông số điều
khiển của UPFC (r, ) bằng tín hiệu tương tự, đề tài sử dụng
cầu phân áp như hình 7 để cung cấp điện áp thay đổi từ
(0-5)V cho bộ chuyển đổi tín hiệu AD/DA Trong bộ chuyển
đổi sử dụng con PIC lập trình để trao đổi tín hiệu giữa máy
tính và thiết bị ngoại vi Tín hiệu từ bàn mô phỏng thông qua
bộ chuyển đổi được cung cấp cho chương trình mô phỏng,
bằng các hệ số nhân thích hợp có thể điều khiển các thông số
thay đổi trong phạm vi giới hạn cho phép: PD = 0-PDmax, QD
= 0-QDmax, PE = 0-PEmax, QE=0-QEmax, r=0-rmax, =0-360o
Thông số hệ thống điện được cập nhật trước trong file số
liệu, bàn mô phỏng, card chuyển đổi AD/DA và máy tính
được kết nối như hình 8 Khởi động chương trình màn hình
mô phỏng như hình 9, chương trình liên tục cập nhật thông
tin theo chu ký 3sec/lần, tính toán và hiển thị thông số chế
độ của hệ thống điện lên màn
hình Khi thực hiện thay đổi
thông số vận hành (PD, QD, PE,
QE) và thông số điều khiển
UPFC (r, ) từ bàn mô phỏng,
thông số chế độ của hệ thống sẽ
thay đổi và có thể quan sát trực
tiếp trên màn hình như đang vận
hành hệ thống điện thực tế
Thực hiện một số chế độ vận hành trên bàn mô phỏng kết quả thu được như bảng 1
Bảng 1
Chế
độ
[độ]
r PD [MW]
QD [MVar]
PC [MW]
QC [MVar]
UC [V]
UD [V]
PCE [MW]
QCE [MVar]
PBD [MW]
QBD [MVar]
1 60 0.010 400 320 100 80 524.11 501.83 63.21 74.94 336.83 323.21
2 60 0.020 400 320 100 80 523.86 502.35 72.21 79.57 327.82 318.54
3 60 0.020 450 320 100 80 523.69 501.08 80.30 82.56 369.73 327.41
4 60 0.011 450 320 100 80 523.91 500.60 72.21 78.44 377.83 331.58 Qua bảng 1 cho thấy ở chế độ 1 dòng công suất PCE = 63,21 MW, nếu ta điều chỉnh hệ
số r từ r=0,010 lên r=0,020 thì PCE = 72,21MW (chế độ 2), tiếp tục tăng công suất tác dụng nút
D lên P =450MW khi đó dòng công suất trên đường dây CE tăng lên P =80,30MW (chế độ
Vẽ sơ đồ lên màn hình
Đọc file số liệu HTĐ
U D =500kV, E =500kV E =0, D =0, k=0
Nhận thông tin
r, , P D , P E , Q D , Q E
từ bàn mô phỏng
Tính và cập nhật
P EUPFC , Q EUPFC , P DUPFC ,
Q DUPFC vào file số liệu
Tính chế độ xác lập bằng CT CONUS
m = E - D
Hiển thị các thông
số lên sơ đồ HTĐ
DỪNG
k m
Lệnh dừng
k=m
Đ
S
C
K
Hình 6
o
o
R1
R2
0
+12
V
+5V
Hình 7
Trang 53), nếu điều chỉnh r=0,011 thì PCE=72,21MW (chế độ 4) Như vậy thiết bị UPFC hoàn toàn có thể khống chế dòng công suất truyền tải trên đường dây CE theo một giá trị cho trước khi phụ tải thay đổi Cũng có thể quan sát được tính chất nầy của thiết bị UPFC khi chuyển bàn mô phỏng sang chế độ tự động điều khiển dòng công suất truyền tải và cho chạy một số chế độ kết quả như bảng 2
Bảng 2 Chế
độ
[độ]
r P D
[MW]
Q D [MVar]
P C [MW]
Q C [MVar]
U C [V]
U D [V]
Giá trị đặt P CE [MW]
Q CE [MVar]
P BD [MW]
Q BD [MVar]
1 90 0.016 400 320 100 80 524.32 501.41 70 69.51 329.58 328.71
2 90 0.080 450 320 100 80 524.17 500.08 70 72.97 379.64 337.12
3 90 0.030 480 320 100 80 524.06 499.21 70 75.26 409.86 342.70
4 90 0.022 360 320 100 80 524.43 502.37 70 67.06 289.92 322.75 Khi chuyển sang chế độ nầy hệ số được giữ cố đình 90o, điều chỉnh thay đổi công suất tác dụng nút D một cách tuỳ ý, hệ thống điều khiển sẽ tự động điều chỉnh giá trị hệ số r để giữ cho dòng công suất trên đường dây CE theo giá trị đặt trước PCE=70MW
4 Kết luận
Nhờ khả năng điều khiển vectơ điện áp nối tiếp trên đường dây truyền tải cả về modul lẫn góc pha cho nên thiết bị UPFC cho phép điều khiển linh hoạt dòng công suất truyền tải trên đường dây và điện áp cuối đường dây theo chế độ vận hành
Qua nghiên cứu nguyên lý làm việc và mô hình tính toán đề tài đã xây dựng được mô hình mô phỏng vận hành thiết bị UPFC lắp đặt trên một đường dây truyền tải nối liền hai hệ thống điện có trao đổi công suất qua lại với nhau Mô hình cho phép nghiên cứu khả năng điều khiển dòng công suất truyền tải trên đường dây và tự động khống chế dòng công suất truyền tải theo một giá trị định trước khi cho các thông số vận hành thay đổi
UPFC là một loại thiết bị mới thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTs), giá thành cao hơn nữa việc lắp đặt một thiết bị trên một đường dây truyền tải thực tế
để phục vụ cho việc nghiên cứu là không thể thực hiện được Cho nên mô hình mô phỏng vận hành thiết bị UPFC là một công cụ tốt giúp cho sinh viên và cán bộ nghiên cứu khả năng ứng dụng loại thiết bị nầy để điều khiển trào lưu công suất trong hệ thống điện nhằm nâng cao khả năng tải của các đường dây truyền tải điện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Ngô Văn Dưỡng, Nghiên cứu sử dụng thiết bị UPFC để điều khiển dòng công suất trên
các đường dây truyền tải thuộc HTĐ Việt Nam, tạp chí KH&CN-ĐHĐN số
4(21)/2007, 2007
[2] Nguyễn Hồng Việt Phương, Nghiên cứu xây dựng bàn mô phỏng thiết bị UPFC, Đồ án
tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Hệ thống điện, 2007
[3] Yong Hua Song and Allan T Jhons (1999), Flexible AC transmission systems (FACT),
The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom
[4] A.Mete Vural, Mehmet Tumay (2004), Analysis ang modeling of Unified power flow
controller, Department of Electrical and Electronics Engineering, University of
Gaziantep, Sahinbey, Gaziantep, 27310, Turkey