Một phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất(PSS) và thiết bị bù ngang tĩnh (SVC)

MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỒNG THỜI BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤTPSS VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH SVC Phạm Thị Hồng Anh * Trường Đại học Công nghệ Thông tin

MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN

SỬ DỤNG ĐỒNG THỜI BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT(PSS)

VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

Phạm Thị Hồng Anh *

Trường Đại học Công nghệ Thông tin &Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Sự mất ổn định của hệ thống điện (HTĐ) thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo Do có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát

bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức Nếu không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng

Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống Mất ổn định góc rotor máy phát điện đã được xem như là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)… Bài báo đề xuất sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất (PSS) và thiết bị bù ngang SVC cho mục đích này

Từ khóa: PSS, SVC, ổn định hệ thống điện, PSS/E, máy phát điện

Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung và HTĐ

Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách

thức như: sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu

phụ tải, cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như

than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn

thủy điện) Tất cả các yếu tố này làm cho

HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về qui mô,

khó khăn trong quản lý, vận hành và phối hợp

điều khiển Chính vì vậy mà một số HTĐ có thể

đang được vận hành gần với giới hạn ổn định

HTĐ trở lên “nhạy cảm” với các sự cố có thể

xảy ra và có thể dẫn đến mất ổn định Trong

đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến

hiện tượng mất ổn định góc rotor máy phát

điện Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về

nâng cao ổn định HTĐ là một nhu cầu cấp

thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt

Nam nói riêng [1], [2], [3]

Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã

được xem như là một trong những nguyên

nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ

gần đây Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự

cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần

phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách

* Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com

lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết

bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)…Trong đó thiết bị PSS, SVC đã được chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định góc rotor Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số lượng các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về

số lượng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải lựa chọn thiết bị tối

ưu để nâng cao ổn định Do vậy, bài báo đề

cập đến vấn đề sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất PSS và thiết bị bù ngang tĩnh SVC nhằm nâng cao khả năng ổn định góc rotor

máy phát điện

ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO

Hình 1: Góc rotor phản ứng với một nhiễu loạn

thoáng qua

Ổn định góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến

khả năng của các máy phát điện (MPĐ) đồng

bộ trong một HTĐ liên kết vẫn còn giữ được

sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động

có thể xảy ra trong HTĐ Nó liên quan đến

khả năng duy trì, phục hồi sự cân bằng giữa

mô men điện từ và mô men cơ khí của mỗi

máy phát điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất ổn

định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc

rotor của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng

bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn

định góc có thể được phân loại thành 2 loại:

ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal

stability), và ổn định góc khi quá độ (transient

stability)

THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT –

POWER SYSTEM STABILIZER (PSS)

Mô hình thiết bị

Hình 2: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ

Mô hình ví dụ về PSS được Kundur mô tả như

hình vẽ

Hình 3: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với

thiết bị AVR và PSS

Trong đó PSS gồm 3 khối sau:

- Khối bù pha (phase compensation 5): cung

cấp đặc tính sớm pha tương thích để bù sự trễ

pha giữa đầu vào bộ kích từ và mô men điện

từ máy phát (khe hở không khí)

- Khối lọc cao tần (signal washout 4) với hằng

số thời gian TW đủ lớn để cho phép tín hiệu

ghép nối với dao động trong bộ lọc cao tần

không thay đổi Không có nó những thay đổi

ổn định về tốc độ sẽ dẫn đến thay đổi điện áp đầu cuối

- Khối khuếch đại ổn định (stabilizer gain 3) KSTAB để khuếch đại tín hiệu, và xác định giá trị của các momen cản được đưa vào bởi

hệ thống kích từ chính Lý tưởng khối khuếch

đại thiết lập tại một giá trị tương ứng với giá

trị cản lớn nhất

Sử dụng PSS để nâng cao ổn định

Chức năng của thiết bị PSS là thêm momen cản để giảm dao động của rotor máy phát

điện Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh

kích thích máy phát điện để cải thiện một thành phần của mô- men điện đồng pha với

độ lệch tốc độ rotor Tốc độ trục rotor, tích

phân công suất và tần số cuối một trong các tín hiệu đầu vào thường được sử dụng để đưa

vào PSS

THIẾT BỊ SVC SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor,

được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị

điện tử như thyristor hoặc tri ác có cực điều

khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các

bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR

Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển

đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức

năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể

cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng

tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện

áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch )

trong HTĐ

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự

cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột

ngột Ngoài ra, SVC còn có các chức năng

phụ đem lại hiệu quả khá tốt trong quá trình

vận hành HTĐ như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả

năng vận hành của đường dây

- Giảm tổn thất công suất ra và điện năng

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Để mô phỏng ứng dụng của PSS và SVC

trong việc nâng cao ổn định góc rotor với ổn

định quá độ, trong phần này tác giả giới thiệu

mô hình hệ thống điện chuẩn theo Kundur

như hình 5

Trong mô hình này, hệ thống ba pha 50 Hz,

230 kV chỉ thể hiện một pha như hình vẽ, bao

gồm 4 máy phát điện có công suất 900MVA

và điện áp 20kV, được chia thành hai hệ

thống điện con nối với nhau thông qua đường

dây tải điện kép có chiều dài 220km

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG HTĐ

Qua tính toán và phân tích quá trình ổn định

góc rotor cho HTĐ chuẩn theo IEEE Chương

trình PSS/E [6] được dùng để mô phỏng động

hệ thống điện Các thông số của HTĐ chuẩn

Kundur bao gồm các thông số trào lưu công

suất, thông số động của các MPĐ cũng như

hệ thống kích từ, điện áp tại thanh cái cũng

được mô phỏng

Như đã phân tích ổn định quá độ ta thấy

nguyên nhân chính của mất ổn định góc roror

máy phát điện liên quan trực tiếp đến hiện

tượng thiếu mô men cản dao động trong

HTĐ, và dao động công suất Vì vậy, để giảm

nguy cơ mất ổn định thì cần phải có thêm các

thiết bị cung cấp mô men cản dao động và

thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ

Ở đây ta xét đồng thời ảnh hưởng của thiết bị

PSS và SVC trên hệ thống điện nghiên cứu

Mô hình PSS được lấy bởi model STAB1 trong thư viện của PSS/E với các thông số

điển hình và mô hình SVC được lấy bởi

model tụ điện tĩnh CSTATT trong thư viện PSS/E

Hình 5: Mô hình hệ thống

Hệ thống điện khi chưa có thiết bị PSS và SVC

Tại thời điểm t=1s thì xảy ra ngắn mạch trên

đường dây 8-9 mạch 2, sau đó 0,3s thì đường

dây bị cắt ra Kết quả là góc rotor của các máy phát điện thay đổi và do đó điện áp tại thanh góp 8 của hệ thống và công suất trên

đường dây cũng dao động Hình vẽ mô phỏng

cho ta thấy rõ sự thay đổi của góc rotor các máy phát điện, điện áp trên thanh góp 8 và dòng công suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch

1 khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây 8-9 mạch 2 Theo đó ta thấy, tín hiệu góc của máy phát G1 và G2 có hình dáng giống nhau, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng dao động và trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ là kết quả của các biên độ dao

động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng

là tăng tốc và mất ổn định hoàn toàn Tương

tự như vậy là góc rotor của máy phát G3 và G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor là ổn

định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau hai chu

kỳ các biên độ dao động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn,

góc rotor lúc này giảm thấp

Điện áp tại thanh góp 8, khi xảy ra ngắn mạch

giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau khi cắt ngắn mạch giá trị điện áp tại đây tăng lên và

ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau đó

dao động với biên độ ngày càng tăng với giá

trị lớn nhất là 1,8(pu) và tần số dao động nhỏ

Sự mất ổn định ở góc rotor máy phát làm cho công suất trên đường dây cũng dao động,

được thể hiện trên hình 8, 9; giá trị công suất

trên 2 đường dây này trước khi xảy ra ngắn

mạch là 200 MVA, khi ngắn mạch xảy ra

công suất giảm về không Sau khoảng thời

gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc này công suất

nhảy vọt: công suất trên đường dây 7-8 nhảy

vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, và dao động

với biên độ lớn nhất là 325 MVA, dao động

tăng dần và mất ổn định

Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện

áp và công suất trên đường dây đều dao động

với biên độ ngày càng tăng, và kết quả cuối

cùng là mất ổn định hoàn toàn

Mô phỏng động trước và sau khi sử dụng

thiết bị PSS, và SVC

Chương trình PSS/E được dùng để mô phỏng

đáp ứng đồng thời của hệ thống khi không

trang bị và có trang bị PSS,SVC với giả thiết

sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 8-9

mạch 2 Sự dao động của tham số giảm và tắt

dần sau khi xảy ra sự cố chứng tỏ tác dụng

cản dao động của thiết bị PSS/SVC Góc rotor

máy phát G1, G2, G3, G4 dao động trong 2

chu kỳ đầu tiên sau đó dần trở nên ổn định, và

đạt đến giá trị đồng bộ sau khoảng 10 giây

Nếu so sánh sự ổn định của hệ thống khi

không có PSS/SVC và khi có PSS/SVC, thì

các hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 chỉ ra rằng: khi

chưa có PSS/SVC, thì góc rotor máy phát

điện, điện áp trên thanh góp và dòng công

suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch 1

(base-case: đường màu đỏ) dao động khá lớn và

trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn

Khi có PSS/SVC thì dao động tắt nhanh hơn

và nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau

khoảng 5s

Hình 6: Góc rotor máy phát G1 trong hai trường

hợp không và có sử dụng PSS/SVC

Hình 7: Góc rotor máy phát G2 trong hai trường

hợp không và có sử dụng PSS/SVC

Hình 8: Góc rotor máy phát G3 trong hai trường

hợp không và có PSS/SVC

Hình 9: Điện áp trên thanh góp 8 khi không và có

sử dụng PSS/SVC

Hình 10: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1

khi không và có sử dụng PSS/SVC

Hình 11: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1

khi không và có sử dụng PSS/SVC

Để làm rõ thêm tác dụng của hai thiết bị

PSS/SVC thì ta xét ba trường hợp, khi không

có PSS/SVC (đường màu xanh nước biển),

khi chỉ có PSS (đường màu xanh lá cây) và

khi có cả PSS/SVC (đường màu đỏ) Từ hình

vẽ ta thấy rằng khi dùng đồng thời PSS và

SVC (đường màu đỏ) có hiệu quả cao hơn

trong việc nâng cao ổn định quá độ Trong

hình vẽ 12, 13 đã chứng tỏ hiệu quả của PSS

và SVC trong việc cản dao động góc rotor và

công suất truyền tải giữa hai hệ thống con

Trong trường hợp cơ bản dao động nhiều hơn

và nhanh chóng mất ổn định, và khi có PSS

thì dao động ít hơn và nhanh chóng đến trạng

thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu

khi chưa xảy ra ngắn mạch, đặc biệt khi thêm

SVC thì dao động tắt nhanh hơn và giá trị

điện áp đạt giá trị tốt hơn (bằng giá trị điện áp

khi chưa xảy ra ngắn mạch) hay nói cách

khác là hệ thống điện an toàn hơn

Hình 12: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1

trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ

có PSS, và khi có PSS/SVC

KẾT LUẬN

Bài báo đã giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý

làm việc, các mô hình cũng như lợi ích của

việc sử dụng đồng thời PSS và SVC Các kết

quả mô phỏng sử dụng phần mềm PSS/E là

công cụ dùng để tính toán, chứng minh hiệu

quả của thiết bị PSS, SVC trong việc nâng

cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết

quả này sẽ giúp ích rất lớn trong công tác

nghiên cứu tính toán, thiết kế cũng như vận hành hệ thống điện Đặc biệt là khi chúng ta

đầu tư lắp đặt đồng thời thiết bị PSS, SVC sẽ

cho hiệu quả tốt trong việc nâng cao ổn định

hệ thống điện

Hình 13: Điện áp tại thanh góp 8 trong các

trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và

khi có cả PSS/SVC

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Prabha Kundur, Power System Stability and Control New York: McGraw-Hill, 1994

[2].Carson W Taylor, Power System Voltage Stability New York: McGraw-Hill, 1994 [3].Sami Repo, "On-Line Voltage Stability Assessment of Power System – An Approach of Black-Box Modelling," Doctoral thesis at

Tampere University of Technology, available at

[4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout Review," available at website:

http://www.indiec.com/Meeting%20Schedule/200 4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html [5]."2003 North America Blackout," available at website: http://www.answers.com/topic/2003-North-america-blackout

[6] Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng PSS/ADEAPT 5.0 trong lưới điện phân phối [7] Binns, D.F (1986), Economics of electrical power engineering, Electricial logic power Ltd.,

PO Box 14, Manchester M16 7QA.