Nghiên cứu ứng dụng thiết bị acts nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện

Công nghệ FACTS hiện nay gồm các loại bù nối tiếp, bù song song, với khả năng thay đổi tổng trở đường dây, điều khiển dòng điện, điện áp, góc pha và thậm chí có thể làm giảm dao động côn

LỜI CẢM ƠN Được sự phân công của bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện – Điện tử trường đại học Bách Khoa TP HCM và sự đồng ý của thầy Nguyễn Văn Liêm, em thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS nhằm nâng cao

ổn định hệ thống điện”

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô của trường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là thầy Nguyễn Văn Liêm và quý thầy cô của bộ môn Hệ thống điện của trường đại học Bách Khoa TP HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường

Khi thực hiện bài tốt nghiệp, em đã cố gắng tham khảo các tài liệu nước ngoài lẫn trong nước, phân tích các kết quả đạt được để đưa ra những kết luận tốt nhất Nhưng do tài liệu và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, do

đó em kính mong quý thầy cô có những góp ý cho đề tài tốt nghiệp lần này của em Những góp ý của quý thầy cô sẽ là kiến thức cần thiết cho công việc sau này của

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

ABSTRACT

Do nhu cầu điện năng ngày một tăng, hệ thống điện đang ngày càng phát triển rộng lớn và phức tạp để đáp ứng sự mở rộng hệ thống Nhưng đi kèm với sự phát triển hệ thống cũng cần phải xét đến những sự cố để có thể bảo vệ, can thiệp kịp thời Một trong những sự cố nghiêm trọng cần được xét đến là sự cố ngắn mạch ở các thanh cái hay đường dây có khả năng gây mất ổn định,… Với mục đích nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống, cụ thể hơn là duy trì ổn định đồng bộ của rotor máy phát khi gặp phải các sự cố hệ thống, trong khuôn khổ luận văn này sẽ nghiên cứu ổn định quá độ của máy phát Bằng cách thực hiện đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện" sẽ đưa ra những cái nhìn cụ thể hoạt động của máy phát đối với sự cố Các vấn đề được trình bày trong luận văn:

- CHƯƠNG 1: Giới thiệu, mục tiêu nghiên cứu, điểm mới của đề tài, đóng góp của luận văn, khái niệm ổn định hệ thống điện và giới thiệu tổng quan về thiết

bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System), SVC (Static Var Compensator)

- CHƯƠNG 2: Thiết bị FACTS, thiết bị SVC và những ứng dụng của thiết bị FACTS đối với hệ thống điện

- CHƯƠNG 3: Mô hình động các phần tử trong hệ thống điện bao gồm mô hình máy phát, tải, đường dây, mô hình thiết bị SVC

- CHƯƠNG 4: Các tiêu chuẩn, phương pháp dùng để đánh giá tính ổn định của

hệ thống Gồm có tiêu chuẩn diện tích, và phương pháp tích phân số

- CHƯƠNG 5: Giới thiệu phần mềm ETAP và cách sử dụng để mô phỏng ổn định quá độ

- CHƯƠNG 6: Sử dụng sơ đồ một phần mạng điện thực tế đã được tách lưới của hệ thống điện Việt Nam để thực hiện mô phỏng và đánh giá các đáp ứng của hệ thống Các số liệu của hệ thống gồm đường dây, máy biến áp, phụ tải, thiết bị SVC

- CHƯƠNG 7: Các trường hợp mô phỏng để nghiên cứu ứng dụng của thiết bị SVC đối với hệ thống điện thực tế, kết quả của quá trình mô phỏng, đánh giá các thay đổi của hệ thống khi có và không có thiết bị FACTS (SVC)

- Kết luận, lợi ích của việc sử dụng thiết bị FACTS trên hệ thống điện thực tế và hướng phát triển của đề tài

Due to the increasing demand for electricity, the power system is increasingly developing vastly and intricately to meet system expansion But with the development of the system also need to consider the incidents to be able to protect and intervene in time One of the serious problems that need to be considered is the short circuit in the busbars or lines that are likely to cause instability, etc In order to improve the stability of the system, more specifically, only maintain the synchronous stability of the generator rotor when encountering system problems, in the framework of this thesis, we will study the transient stability of the generator

By implementing the project: "Research and application of FACTS equipment to improve the stability of the electrical system" will give a specific view of the operation of the generator to the incident The issues are presented in the thesis:

- CHAPTER 1: Introduction, research objectives, new points of the topic, contributions of the thesis, concepts of electrical system stability and an overview of FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System), SVC ( Static Var Compensator)

- CHAPTER 2: FACTS equipment, SVC equipment and applications of FACTS equipment for electrical systems

- CHAPTER 3: Dynamic model of electrical system components including generator model, load, line, SVC device model

- CHAPTER 4: Standards and methods used to assess the stability of the system Includes Equal – Area criterion and Fractional method

- CHAPTER 5: Introduction of ETAP software and how to use it to simulate transient stability

- CHAPTER 6: Using a partially mapped electric network diagram of Vietnam electricity system to perform simulation and evaluate the system's responses The data of the system includes lines, transformers, loads, SVC equipment

- CHAPTER 7: Simulation cases to study the application of SVC equipment to the actual electrical system, the results of the simulation process, evaluate the changes of the system with and without FACTS equipment (SVC)

- Conclusion, benefits of using FACTS equipment on the actual power system and the development direction of the topic

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là bài luận văn nghiên cứu của riêng em Tất cả các kiến thức lý thuyết đều được em tham khảo và tự tổng hợp từ các tài liệu trong và ngoài nước, các số liệu và kết quả mô phỏng đều do em tự thực hiện và chưa có trong bất

kì bài nghiên cứu của người khác Nếu không đúng với tất cả những gì đã cam đoan, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài của mình

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.1.2 Điểm mới của đề tài 1

1.2 Khái niệm ổn định hệ thống điện 2

1.2.1 Các chế độ của hệ thống điện 2

1.2.2 Khái niệm về ổn định 2

1.2.3 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ 3

1.3 Giới thiệu thiết bị FACTS 3

1.4 Giới thiệu thiết bị bù tĩnh SVC 4

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ FACTS – THIẾT BỊ SVC 5

2.1 Giới thiệu chung về thiết bị FACTS 5

2.2 Thiết bị SVC 8

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TCR 10

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TSC 12

2.3 Những ứng dụng của thiết bị SVC 14

2.3.1 Điều chỉnh điện áp ở giữa đoạn dây truyền tải 15

2.3.2 Điều khiển điện áp ở cuối đường dây 17

2.3.3 Nâng cao ổn định quá độ 17

2.3.4 Giảm dao động công suất 19

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 21

3.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ 21

3.1.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ 21

3.1.2 Phép biến đổi dq0 25

3.1.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát 27

3.1.4 Phương trình chuyển động của rotor 31

3.1.5 Tổng kết về mô hình máy phát điện đồng bộ 32

3.2 Phụ tải 32

3.2.1 Khái niệm phụ tải trong hệ thống điện 32

3.2.2 Mô hình tải tĩnh 33

3.2.3 Mô hình tải động 35

3.3 Máy biến áp 36

3.4 Đường dây truyền tải 39

3.4.1 Đường dây ngắn và trung bình 39

3.4.2 Đường dây dài 43

3.5 Thiết bị SVC 44

3.5.1 Mô hình hoạt động trong vùng điều khiển 44

3.5.2 Mô hình hoạt động ngoài vùng điều khiển 48

CHƯƠNG 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 52

4.1 Khái niệm chung 52

4.2 Trạng thái của hệ thống khi xảy ra kích động 52

4.3 Tiêu chuẩn diện tích 55

4.4 Phương pháp tích phân số 57

4.4.1 Phương pháp Euler 57

4.4.2 Phương pháp Euler cải tiến 59

4.4.3 Phương pháp Runge – Kutta 60

4.5 Nhược điểm của các phương pháp tích phân số 60

CHƯƠNG 5 GIỚI THIỆU VỀ PHẦM MỀM ETAP 62

5.1 Tổng quan về phần mềm ETAP 62

5.2 Giao diện của phần mềm ETAP 62

5.3 Thanh công cụ của ETAP 63

5.4 Phân tích ổn định động bằng ETAP 66

5.4.1 Thanh công cụ phân tích ổn định quá độ 66

5.4.2 Tạo các sự kiện trong phân tích ổn định quá độ 67

5.4.3 Thực hiện mô phỏng và xem kết quả 71

CHƯƠNG 6 SỬ DỤNG LƯỚI ĐIỆN THỰC TẾ MÔ PHỎNG ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 73

6.1 Giới thiệu sơ đồ lưới điện thực hiện mô phỏng 73

6.2 Thông số của sơ đồ tách lưới 75

6.2.1 Thông số máy phát 75

6.2.2 Thông số đường dây 75

6.2.3 Thông số máy biến áp 77

6.2.4 Thông số nút 78

6.2.5 Thông số phụ tải 79

6.3 Mô hình động và thông số của mô hình phân tích ổn định quá độ trong ETAP 81 6.3.1 Mô hình động máy phát đồng bộ 81

6.3.2 Thiết bị SVC 82

6.3.3 Thông số các phần tử được sử dụng để phân tích ổn định 84

CHƯƠNG 7 KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CỦA SVC TRONG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 87

7.1 Các trường hợp khảo sát ứng dụng của SVC trong ổn định hệ thống điện 87

7.1.1 Khảo sát ứng dụng của thiết bị SVC trong chế độ vận hành xác lập 87

7.1.2 Khảo sát ứng dụng ổn định quá độ của thiết bị SVC khi xảy ra sự cố 87

7.2 Kết quả mô phỏng các trường hợp ứng dụng của thiết bị SVC 90

7.2.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của SVC trong chế độ vận hành xác lập 90

7.2.2 Khảo sát ứng dụng của SVC trong ổn định quá độ khi xảy ra sự cố 101

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 112

 Kết luận 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

THÔNG TIN LIÊN LẠC 115

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện 3

Hình 2.1 Thiết bị điều khiển bù nối tiếp 6

Hình 2.2 Thiết bị điều khiển bù song song 6

Hình 2.3 Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp 6

Hình 2.4 Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp và song song 6

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển sử dụng nguồn áp và nguồn dòng 7

Hình 2.6 Thiết bị bù STATCOM 7

Hình 2.7 Thiết bị bù SVC 8

Hình 2.8 Thiết bị bù SSSC 8

Hình 2.9 Thiết bị bù TCSC 8

Hình 2.10 Sơ đồ kết nối SVC với hệ thống điện 9

Hình 2.11 Thiết bị SVC trong thực tế 9

Hình 2.12 Mô hình vận hành thiết bị bù SVC 10

Hình 2.13 Cấu tạo và nguyên lý làm việc TCR 11

Hình 2.14 Đặc tuyến hoạt động của TCR 12

Hình 2.15 Cấu tạo và nguyên lý làm việc TSC 13

Hình 2.16 Điều kiện để TSC hoạt động 13

Hình 2.17 Đặc tuyến hoạt động của TSC 14

Hình 2.18 Mô hình điều chỉnh điện áp ở giữa đường dây 15

Hình 2.19 Sơ đồ góc pha dòng điện và điện áp 15

Hình 2.20 Đặc tuyến quan hệ giữa công suất và góc lệch pha điện áp 16

Hình 2.21 Điều khiển điện áp ở cuối đường dây mang tải 17

Hình 2.22 Mô hình hệ thống điện đơn giản 18

Hình 2.23 Đặc tuyến quan hệ công suất và góc lệch 18

Hình 2.24 So sánh độ dự trữ khi không có và có thiết bị bù 19

Hình 2.25 Khả năng giảm dao động công suất 20

Hình 3.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ 21

Hình 3.2 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộ 22

Hình 3.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát 27

Hình 3.4 Mô hình tải tổng hợp 36

Hình 3.5 Mô hình máy biến áp lí tưởng 36

Hình 3.6 Mô hình máy biến áp có nấc phân áp 37

Hình 3.7 Mô hình máy biến áp khi quy đổi từ sơ cấp sang thứ cấp 38

Hình 3.8 Mô hình hình  của máy biến áp 38

Hình 3.9 Mô hình hình  của máy biến áp dựa theo thông số Y 39 e Hình 3.10 Mô hình mạng hai cửa của đường dây 39

Hình 3.11 Mô hình hình  đối với đường dây trung bình 41

Hình 3.12 Mạch tương đương của đường dây trung bình – ngắn và thông số 43

Hình 3.13 Mô hình hình  của đường dây dài 43

Hình 3.14 Đặc tuyến hoạt động trong vùng điều khiển 45

Hình 3.15 Mô hình đơn giản SVC 46

Hình 3.16 Mô hình ứng dụng SVC trong thực tế 46

Hình 3.17 Mô hình nguyên lý điều khiển SVC 47

Hình 3.18 Nguyên lý làm việc dựa trên đặc tuyến hoạt động V-I 48

Hình 3.19 Mô hình SVC hoạt động ngoài vùng điều khiển 49

Hình 3.20 So sánh khả năng phát công suất phản kháng giữa hai mô hình hoạt động

50

Hình 3.21 Đặc tuyến hoạt động V - Q 51

Hình 4.1 Sơ đồ một sợi xét ổn định hệ thống 52

Hình 4.2 Tương quan thay đổi góc rotor và công suất máy phát 53

Hình 4.3 Tiêu chuẩn diện tích ổn định 56

Hình 4.4 Biểu diễn đường cong phi tuyến bằng phương pháp tích phân số 57

Hình 4.5 Nhược điểm của phương pháp Euler 58

Hình 4.6 Phương pháp Euler cải tiến 59

Hình 5.1 Giao diện của phần mềm ETAP 62

Hình 5.2 Thanh Project Toolbar 63

Hình 5.3 Thanh Select ETAP System 63

Hình 5.4 Project View 64

Hình 5.5 Thanh Base and Revision Toolbar 64

Hình 5.6 Thanh công cụ các chế độ phân tích 64

Hình 5.7 a) Phân bố công suất b) Phân tích ổn định quá độ c) Phân tích ngắn mạch hệ thống d) Phân tích sóng hài 65

Hình 5.8 Các phần tử hệ thống 65

Hình 5.9 Thanh công cụ phân tích ổn định quá độ 66

Hình 5.10 Thanh công cụ Study Case 67

Hình 5.11 Cửa sổ Edit Study Case 67

Hình 5.12 Mục Events của Edit Study Case 68

Hình 5.13 Thêm các sự kiện trong mô phỏng hệ thống 69

Hình 5.14 Cửa sổ tùy chỉnh sự cố 69

Hình 5.15 Cửa sổ Plot trong Edit Study Case 70

Hình 5.16 Cửa sổ hiển thị thời gian và sự kiện các mô phỏng động 71

Hình 5.17 Cửa sổ tùy chỉnh vẽ đồ thị mô phỏng động 71

Hình 5.18 Đồ thị góc công suất của máy phát 72

Hình 6.1 Sơ đồ lưới điện thực hiện mô phỏng 73

Hình 6.2 Một phần của sơ đồ tách lưới 74

Hình 6.3 Một phần của sơ đồ tách lưới 74

Hình 6.4 Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ cực ẩn 81

Hình 6.5 Sơ đồ khối điều khiển SVC trong vùng điều khiển 82

Hình 6.6 Sơ đồ khối SVC ngoài vùng điều khiển 83

Hình 6.7 Thông số của máy phát đồng bộ cực ẩn 84

Hình 6.8 Thông số của thiết bị SVC 85

Hình 7.1 Sự cố 3 pha ở thanh cái CAMAU22 220kV 87

Hình 7.2 Sự cố 3 pha trên đường dây nhánh Branch_188_1 89

Hình 7.3 Thông số hệ thống khi tải nhiều và không có SVC 90

Hình 7.4 Phân bố công suất khi không sử dụng SVC 90

Hình 7.5 Phân bố công suất khi hệ thống sử dụng SVC 92

Hình 7.6 So sánh điện áp một số thanh cái 110kV trước và sau khi sử dụng SVC 94

Hình 7.7 Thông số hệ thống khi tải ít và không có SVC 95

Hình 7.8 Phân bố công suất khi không sử dụng SVC 96

Hình 7.9 Phân bố công suất khi có sử dụng SVC 98

Hình 7.10 So sánh điện áp một số thanh cái 110kV trước và sau khi sử dụng SVC 100

Hình 7.11 Đáp ứng góc Rotor máy phát Gen_116_1 khi không có SVC 101

Hình 7.12 Vị trí đặt SVC 102

Hình 7.13 Đáp ứng góc Rotor máy phát Gen_116_1 khi sử dụng SVC 102

Hình 7.14 Công suất phản kháng của SVC 103

Hình 7.15 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có thiết bị SVC 103

Hình 7.16 So sánh điện áp thanh cái bị sự cố CAMAU22 220kV 104

Hình 7.17 Thời gian tới hạn của sự cố 3 pha tại thanh cái 106

Hình 7.18 Công suất tại thời gian tới hạn khi có và không có SVC 106

Hình 7.19 Thời gian tới hạn khi có sử dụng SVC 107

Hình 7.20 Đáp ứng Rotor Gen_166_1 sự cố đường dây nhánh 188_1 không có SVC 108

Hình 7.21 Đáp ứng của Rotor Gen_166_1 sự cố đường dây 188_1 khi có SVC 109

Hình 7.22 So sánh góc Rotor Gen_166_1 khi có và không có SVC 109

Hình 7.23 So sánh công suất Gen_166_1 khi có và không có SVC 110

Hình 7.24 So sánh điện áp thanh cái CAMAU22 220kV khi có và không có SVC 110

DANH MỤC BẢNG

Bảng 5.1 Các sự cố để mô phỏng ổn định động bằng ETAP 69

Bảng 6.1 Thông số các máy phát của sơ đồ tách lưới 75

Bảng 6.2 Thông số các nhánh đường dây của sơ đồ tách lưới 75

Bảng 6.3 Thông số các máy biến áp của sơ đồ tách lưới 77

Bảng 6.4 Thông số định mức các thanh cái của sơ đồ tách lưới 78

Bảng 6.5 Thông số tải của sơ đồ tách lưới 79

Bảng 6.6 Thông số mô phỏng động của máy phát đồng bộ cực ẩn 84

Bảng 6.7 Thông số thiết bị bù SVC 85

Bảng 7.1 Thông số trong trường hợp tải nhiều 90

Bảng 7.2 Giá trị điện áp vận hành của các thanh cái khi không có SVC 91

Bảng 7.3 Giá trị điện áp vận hành các thanh cái khi có đặt thiết bị SVC 92

Bảng 7.4 So sánh giá trị điện áp một số thanh cái 110kV khi có và không có đặt SVC: 94

Bảng 7.5 Thông số trong trường hợp tải nhiều 96

Bảng 7.6 Giá trị điện áp vận hành của các thanh cái khi không có SVC 96

Bảng 7.7 Giá trị điện áp vận hành các thanh cái trong trường hợp sử dụng SVC 98

Bảng 7.8 So sánh điện áp thanh cái 110kV trước và sau khi đặt thiết bị SVC 99

Bảng 7.9 Thời gian tới hạn khi sử dụng SVC sự cố 3 pha tại thanh cái 107

Chương 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, ngoài điều kiện làm việc bình thường

ở chế độ xác lập, đôi khi thường hay xảy ra các sự cố, các nhiễu động làm ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống, nếu ở mức độ nặng có thể dẫn đến hệ thống mất

ổn định Ngoài ra, khi hệ thống vận hành ở chế độ xác lập nhưng vẫn chưa đạt được các giá trị vận hành yêu cầu về điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng,… cũng có thể gây mất ổn định, do đó đã có những nghiên cứu để khắc phục các vấn đề mà hệ thống điện đang đối mặt Trong khuôn khổ bài luận văn này sẽ nghiên cứu ứng dụng của thiết bị FACTS nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện, cụ thể là thiết bị bù tĩnh SVC, và ứng dụng SVC trên hệ thống điện thực tế Việt Nam

1.1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài luận văn nghiên cứu về các trạng thái của hệ thống điện khi có xảy ra các sự cố, các nhiễu loạn làm thay đổi cấu trúc vận hành, với mức độ nghiêm trọng khi xảy ra sự cố có thể dẫn đến mất đồng bộ các máy phát, sụp đổ điện áp,… để từ

đó đưa ra những biện pháp khắc phục cũng như cải thiện ổn định hệ thống điện Bên cạnh đó, việc ứng dụng thiết bị FACTS, để cải thiện quá trình vận hành của hệ thống, xét đến trường hợp vận hành trong chế độ xác lập cũng như trong trường hợp quá độ do xảy ra các nhiễu hay sự cố

Tiêu biểu ứng dụng của thiết bị FACTS là thiết bị bù tĩnh SVC SVC là một thiết bị bù ngang, có khả năng phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, kết hợp sử dụng công nghệ các thiết bị điện tử công suất có thể điều khiển dễ dàng, tức thời phù hợp với yêu cầu đáp ứng nhanh chóng của hệ thống điện

1.1.2 Điểm mới của đề tài

Đề tài được thực hiện bằng việc mô phỏng ứng dụng của thiết bị SVC trên sơ

đồ lưới điện thực tế Sơ đồ thực hiện mô phỏng là sơ đồ một phần nhỏ, đã được tách lưới của sơ đồ hệ thống điện Việt Nam, thực hiện mô phỏng bằng phần mềm ETAP

với nhiều hỗ trợ cho việc tính toán sẽ đưa ra những kết quả mô phỏng chính xác, góp phần đánh giá việc ứng dụng thiết bị FACTS cho hệ thống trong tương lai Việc mô phỏng dựa trên sơ đồ lưới điện thực tế, với các thông số vận hành thực tế cũng góp phần thu hẹp khoảng cách giữa mô phỏng và hệ thống điện hiện hành, vốn trước giờ chỉ thực hiện mô phỏng các sơ đồ tiêu chuẩn mẫu của quốc tế (sơ đồ IEEE,…)

Những nghiên cứu về thiết bị SVC sẽ góp phần đưa SVC cũng như thiết bị FACTS vào ứng dụng thực tế, vốn dĩ chưa được sử dụng rộng rãi trên lưới điện Việt Nam, trong khi đó đã được ứng dụng phần lớn tại các nước trên thế giới

1.2 Khái niệm ổn định hệ thống điện

CĐQĐ là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác sau khi xảy ra các tác động CĐQĐ sau tác động bị biến thiên nhưng sau một thời gian trở

về vị trí ban đầu hoặc có trị số gần định mức được gọi là CĐQĐ bình thường Ngược lại, CĐQĐ với thông số biến thiên mạnh nhưng sau đó tăng trưởng vô hạn hay bị giảm dần về giá trị 0, CĐQĐ đó được gọi là CĐQĐ sự cố [1]

1.2.2 Khái niệm về ổn định

Ổn định hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường và đạt đến trạng thái cân bằng mới với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tác động của nhiễu

Ổn định hệ thống có thể chia làm các loại như sau [1]:

Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện

1.2.3 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất những lượng công suất lớn

- Tần số hệ thống bị thay đổi, ảnh hưởng đến tải tiêu thụ

- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải

- Khiến cho bảo vệ relay tác động nhầm, cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

- Cắt nối tiếp các nguồn, các phụ tải lớn có thể dẫn đến làm tan rã hệ thống

1.3 Giới thiệu thiết bị FACTS

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, công suất phản kháng đóng một vai trò quan trọng đến vận hành hệ thống điện, trực tiếp liên quan đến điện áp tại các nút của hệ thống Việc điều chỉnh công suất phản kháng là việc cần thiết nhằm giảm tổn thất điện năng và nâng cao ổn định hệ thống điện

Hệ thống điện ngày nay đang dần phát triển và hoạt động phức tạp, công suất truyền tải trên hệ thống ngày một tăng, đi kèm với sự phát triển là sự rủi ro và mất

an toàn tăng cao Những vấn đề dễ dàng nhận thấy là không thể điều khiển kịp thời phân bố công suất, và không thể điều chỉnh được lượng công suất phản kháng phù hợp của hệ thống là những ví dụ điển hình Hệ thống điện hiện nay vận hành theo dạng kết lưới, do đó việc mất kiểm soát này có thể ảnh hưởng ở mức độ diện rộng Phần lớn các thiết bị trong hệ thống hoạt động bằng cơ khí Việc điều khiển các thiết bị và bảo vệ hệ thống đang dần được thực hiện bằng máy tính với tốc độ giao tiếp cao, tuy nhiên việc cải thiện tốc độ điều khiển chỉ dừng ở mức độ hệ thống máy tính Khi truyền đến thiết bị đóng, cắt bằng cơ khí, vẫn có thời gian trễ cho sự hoạt động cơ khí, nếu có vấn đề trục trặc về cơ khí thì việc đáp ứng nhanh chóng theo yêu cầu thực tế vận hành là một vấn đề khó khăn cần phải được giải quyết Việc phát triển công nghệ FACTS đã mở ra những cơ hội cho vấn đề phân bố công suất kịp thời và tăng khả năng truyền tải so với hệ thống hiện trạng Công nghệ FACTS hiện nay gồm các loại bù nối tiếp, bù song song, với khả năng thay đổi tổng trở đường dây, điều khiển dòng điện, điện áp, góc pha và thậm chí có thể làm giảm dao động công suất, dao động của Rotor máy phát

1.4 Giới thiệu thiết bị bù tĩnh SVC

Một trong những công nghệ, thiết bị điển hình của thiết bị FACTS là thiết bị

bù tĩnh Static Var Compensator, hay còn gọi tắt là thiết bị SVC, thế hệ đầu tiên bắt đầu phát triển vào khoảng năm 1970 Sự xuất hiện của thiết bị SVC đã giải quyết được những vấn đề mắc phải mà các thiết bị bù cổ điển còn khiếm khuyết như:

- Cải thiện điện áp vận hành hệ thống linh hoạt khi xảy ra sự cố

- Giảm biên độ dao động các máy phát đồng bộ

- Tăng khả năng truyền tải điện

- Thời gian đáp ứng nhanh

Trước khi trình bày về ứng dụng của thiết bị FACTS nhằm nâng cao ổn định

hệ thống điện, trong chương tiếp theo sẽ giới thiệu về cấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị FACTS nói chung và thiết bị SVC nói riêng

Chương 2 THIẾT BỊ FACTS – THIẾT BỊ SVC 2.1 Giới thiệu chung về thiết bị FACTS

Trước đây trong hệ thống điện, việc điều chỉnh công suất phản kháng được thực hiện bằng các thiết bị sản xuất hoặc tiêu thụ công suất phản kháng như máy bù đồng bộ (thực chất là máy phát đồng bộ nhưng vận hành ở chế độ bù công suất phản kháng), hoặc sử dụng các tụ điện, cuộn kháng Việc thực hiện điều chỉnh công suất phản kháng đối với các thiết bị này khá đơn giản, đối với máy bù đồng bộ thì thay đổi kích từ phù hợp với yêu cầu thực tế vận hành, đối với các tụ điện hay cuộn kháng thì thực hiện đóng, cắt các máy cắt cơ khí liên kết thiết bị với hệ thống, do đó dung lượng bù công suất phản kháng là cố định Việc điều chỉnh này khá thô sơ và thực hiện với tốc độ đáp ứng khá chậm

Ngày nay với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất với ưu điểm tốc

độ hoạt động nhanh chóng và dễ điều khiển, phù hợp với yêu cầu đáp ứng của hệ thống trong thời gian ngắn nhất, từ đó tạo điều kiện cho việc nghiên cứu và tạo ra thiết bị FACTS

Thiết bị FACTS, là viết tắt của Flexible Alternating Current Transmission System, có nghĩa là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, là hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển thông số của hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều Thiết bị FACTS có khả năng điều khiển tổng trở X của đường dây truyền tải, thay đổi tổng trở của đường dây truyền tải có thể dẫn tới điều khiển dòng điện trên đường dây, có thể thay đổi góc lệch pha điện áp dẫn tới điều khiển công suất tác dụng của hệ thống Thiết bị FACTS có thể bù công suất phản kháng, tăng khả năng điều khiển điện áp nút Tổng quát, thiết bị FACTS được chia làm bốn loại [2]:

- Thiết bị điều khiển bù nối tiếp

- Thiết bị điều khiển bù song song

- Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp

- Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp và song song

Hình 2.1 Thiết bị điều khiển bù nối tiếp

Hình 2.2 Thiết bị điều khiển bù song song

Hình 2.3 Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp

Hình 2.4 Kết hợp giữa các thiết bị bù nối tiếp và song song

Thiết bị FACTS gồm có hai nguyên lý điều khiển là sử dụng bộ chuyển đổi nguồn dòng và bộ chuyển đổi nguồn áp, sử dụng linh kiện bán dẫn thiết bị đóng cực cổng GTO (gate turn – off device), thiết bị GTO thường được sử dụng là Thyristor

Hình 2.5 Nguyên lý điều khiển sử dụng nguồn áp và nguồn dòng

Một số thiết bị FACTS có thể kể đến như sau:

Thiết bị bù song song: STATCOM (Static Synchronous Compensator), SSG (Static Synchronous Generator), SVC (Static Var Compensator),…

Hình 2.6 Thiết bị bù STATCOM

Hình 2.7 Thiết bị bù SVC

Thiết bị bù nối tiếp: SSSC (Static Synchronous Series Compensator), TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor), TSSC (Thyristor – Switched Series Capacitor),…

mở của Thyristor, công suất phản kháng ngõ ra có thể điều khiển liên tục trong khoảng điện dung cực đại cho đến điện cảm cực đại tại điểm thiết bị kết nối

Hình 2.10 Sơ đồ kết nối SVC với hệ thống điện

Hình 2.11 Thiết bị SVC trong thực tế

SVC đƣợc cấu tạo gồm hai phần chính bao gồm:

- TCR là viết tắt của Thyristor controlled reactor: Thyristor điều khiển dòng điện đi vào cuộn kháng, có thể điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu

thụ

- TSC là viết tắt của Thyristor swiched capacitor : Bộ tụ đóng mở bằng Thyristor, có chức năng phát công suất phản kháng

Hình 2.12 Mô hình vận hành thiết bị bù SVC

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TCR

TCR (Thyristor Controlled Reactor) có cấu tạo gồm một cuộn cảm L cố định đƣợc mắc nối tiếp với Thyristor điều khiển hai chiều nhƣ hình 2.13 [2] Thyristor điều khiển dòng điện đi vào cuộn cảm, biên độ dòng điện đƣợc Thyristor điều khiển

từ giá trị bằng 0 (khi cổng Thyristor mở) đến giá trị dòng điện cực đại (khi cổng Thyristor đóng) Thyristor hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển góc trễ (góc α), khi góc α = 0, cổng Thyristor sẽ đóng lại tại đỉnh của bán kì điện áp đặt vào Thyristor, dòng điện đi vào điện kháng sẽ lớn nhất, góc α trong khoảng từ 0 ≤ α ≤ 2

Hình 2.13 Cấu tạo và nguyên lý làm việc TCR

Từ góc điều khiển α, ta suy ra được góc ϭ với góc ϭ được định nghĩa là góc cho phép dòng điện đi qua:

2

Qua đó có thể nhận thấy khi góc α tăng, sẽ làm giảm góc ϭ, làm giảm biên độ dòng điện đi vào điện kháng, cũng như làm giảm công suất phản kháng phát ra Dòng điện đi vào điện kháng có thể điều khiển liên tục bằng góc trễ α từ giá trị dòng điện cực đại (khi α = 0) cho đến bằng 0 (khi α =

2

 ) Biên độ dòng điện cơ

bản có thể biểu diễn bằng phương trình theo góc α như sau:

LF

V I

Từ đó ta vẽ được đặc tuyến hoạt động V – I của TCR cũng như giá trị điện dẫn( )

L

B  được biễu diễn trên đồ thị như sau [2]:

Hình 2.14 Đặc tuyến hoạt động của TCR

2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của TSC

TSC (Thyristor switched capacitor) bao gồm một tụ điện C mắc nối tiếp với một Thyristor điều khiển hai chiều, và bên cạnh đó là một cuộn cảm nhỏ để giới hạn dòng điện trong trường hợp cổng Thyristor hoạt động không bình thường như hình 2.15 [2] Trong điều kiện hoạt động ổn định, khi cổng Thyristor đóng, TSC kết nối vào nguồn áp có phương trình vVsint, dòng điện qua TSC có phương trình:

2 2

X LC



Điện áp đặt trên tụ điện C trong trường hợp Thyristor dẫn có phương trình:

2 2

Hình 2.15 Cấu tạo và nguyên lý làm việc TSC

Khi Thyristor của TSC ngắt kết nối đồng nghĩa dòng điện qua TSC bằng 0, khi TSC bị ngắt ra khỏi hệ thống, TSC có thể kết nối lại với hệ thống tại đỉnh của chu kì điện áp phù hợp tiếp theo Khi TSC ngắt kết nối, thì tụ điện C sẽ phóng điện, điện

áp đặt trên tụ lúc này sẽ trong khoảng từ 0 cho đến 2 2

1

n V

n  , và điều kiện để Thyristor đóng cổng kết nối TSC với hệ thống trở lại gồm 2 trường hợp [2]:

Hình 2.16 Điều kiện để TSC hoạt động

Nếu điện áp trên tụ điện C nhỏ hơn điện áp cực đại V C V của nguồn thì Thyristor sẽ đóng khi điện áp tức thời của nguồn bằng với điện áp tụ điện C

Nếu điện áp tức thời trên tụ điện C bằng hoặc lớn hơn điện áp tức thời cực đại của nguồn thì Thyristor sẽ đóng tại giá trị cực đại của điện áp nguồn và điện áp trên Thyristor là nhỏ nhất

Dòng điện đi vào TSC thay đổi theo điện áp nguồn vào, do đó điện dẫn của tụ điện có dạng tuyến tính, từ đó vẽ được đặc tuyến hoạt động của TSC với điện áp cực đại và giới hạn dòng điện phụ thuộc vào thành phần thiết bị (điện áp cực đại tụ điện và giới hạn dòng Thyristor) [2]:

Hình 2.17 Đặc tuyến hoạt động của TSC

Có thể thấy sự khác biệt ở giá trị điện dẫn B của TCR và TSC, ở hình 2.14, TCR có khả năng điều khiển dòng điện, từ đó tùy chỉnh giá trị B, điện dẫn của TCR

là một vùng giá trị (được gạch chéo), ngược lại, TSC chỉ có khả năng đóng hoặc mở

cổng Thyristor (sự khác biệt giữa điều khiển và đóng cắt) nên điện dẫn B chỉ có giá

trị nằm trên đường thẳng tuyến tính như hình 2.17

2.3 Những ứng dụng của thiết bị SVC

Như đã giới thiệu ở phần trước, các thiết bị bù song song có khả năng tăng khả năng truyền tải công suất, cải thiện điện áp vận hành thực tế bằng cách bù công suất

phản kháng phù hợp, tránh các trường hợp quá điện áp khi tải ít, hoặc giữ điện áp ở mức ổn định khi hệ thống hoạt động nhiều tải Dưới đây là các khả năng của thiết bị

bù SVC [2]

2.3.1 Điều chỉnh điện áp ở giữa đoạn dây truyền tải

Xét mô hình truyền tải có hai nút, với thiết bị bù song song kết nối ở giữa đường dây Để mô hình hóa, đường dây truyền tải được biểu diễn bằng cuộn cảm, thiết bị bù tương đương một nguồn áp mắc song song có điện áp V m, giả sử rằng không có tổn thất trên đường dây, điện áp ở đầu đường dây, ở giữa đường dây, ở cuối đường dây là bằng nhau (V m   V s V r V)

Hình 2.18 Mô hình điều chỉnh điện áp ở giữa đường dây

Điểm bù công suất chia đường dây làm hai đoạn bằng nhau có tổng trở

2

X

, dòng điện qua trở kháng phía đầu đường dây là I sm , và dòng điện đi qua trở kháng

ở cuối đường dây là I mr , góc lệch pha giữa điện áp đầu gửi V s và điện áp đầu nhận

r

V kí hiệu là  Sơ đồ góc pha giữa điện áp và dòng điện thể hiện như hình 2.19

Hình 2.19 Sơ đồ góc pha dòng điện và điện áp

Ta viết được phương trình biên độ dòng điện và điện áp tại nút đặt thiết bị bù:

cos 4

sm sm mr mr

Thay phương trình dòng điện vào phương trình công suất ta có:

Hình 2.20 Đặc tuyến quan hệ giữa công suất và góc lệch pha điện áp

Có thể dễ dàng quan sát được, với thiết bị bù đặt giữa đường dây truyền tải, có thể làm tăng được khả năng truyền tải công suất tác dụng (cụ thể là gấp đôi so với trường hợp không bù công suất phản kháng) Thông thường trên đường dây truyền tải nối giữa hai thanh cái thì điểm đặt thiết bị bù để điều khiển điện áp tốt nhất là ở giữa đường dây

2.3.2 Điều khiển điện áp ở cuối đường dây

Đối với đường dây truyền tải ở hai đầu là nguồn thì điểm đặt thiết bị bù tốt nhất là ở giữa đường dây, nhưng xét đối với trường hợp ở cuối đường dây là tải tiêu thụ công suất thì thiết bị bù nên đặt ở cuối đường dây Tải tiêu thụ công suất thay đổi theo thời gian, thay đổi theo loại tải tiêu thụ (tải cảm hoặc tải dung), điện áp giảm nếu là tải cảm và điện áp tăng nếu là tải dung, và biên độ điện áp thay đổi lớn Nếu xảy ra trường hợp mất một nguồn máy phát công suất sẽ dẫn đến mất cân bằng công suất giữa tải và nguồn, có thể dẫn đến sự suy giảm điện áp nghiêm trọng Bù song song đặt ở cuối đường dây sẽ phần nào điều chỉnh điện áp khi có sự thay đổi

Hình 2.21 Điều khiển điện áp ở cuối đường dây mang tải

2.3.3 Nâng cao ổn định quá độ

Với việc điều khiển để bù công suất phản kháng nhanh và phù hợp, thiết bị bù song song có thể làm thay đổi phân bố công suất khi xảy ra các nhiễu động đối với

hệ thống, từ đó có khả năng làm tăng ổn định quá độ, góp phần làm giảm dao động công suất Để giải thích cho khả năng nâng cao ổn định quá độ có thể giải thích

bằng lý thuyết ổn định dựa trên tiêu chuẩn diện tích Xét một mô hình hệ thống điện đơn giản gồm đường dây nối hai thanh cái gắn với hai máy phát như sau:

Hình 2.22 Mô hình hệ thống điện đơn giản

Giả sử sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải tại điểm 2, đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa công suất truyền tải và góc lệch áp δ giữa hai nguồn trước, trong và sau khi sự cố diễn ra như hình 2.23:

Hình 2.23 Đặc tuyến quan hệ công suất và góc lệch

Đường cong thể hiện mối quan hệ dựa trên phương trình công suất điện truyền tải V V S R sin

P



 Đường cong (a) cho trường hợp trước khi xảy ra sự cố, đường

cong (b) trong khi xảy ra sự cố và đường cong (c) là sau khi đường dây bị sự cố được cắt ra khỏi hệ thống, trở kháng của hệ thống tăng lên

Tiêu chuẩn diện tích trong lý thuyết ổn định sẽ được trình bày ở chương sau

Có thể giải thích đơn giản A1 được gọi là diện tích tăng tốc của máy phát, A2 gọi là

diện tích hãm tốc của máy phát đồng bộ, crit là giới hạn của góc lệch điện áp, nếu góc   crit thì hệ thống sẽ mất ổn định, A margin được gọi là diện tích dự trữ, hay là

độ dự trữ so với điểm giới hạn ổn định

Đồ thị so sánh độ dự trữ của hệ thống trong trường hợp không bù và có bù công suất phản kháng khi xảy ra sự cố:

Hình 2.24 So sánh độ dự trữ khi không có và có thiết bị bù

Khi hệ thống có đặt thiết bị bù hình 2.24 (b), công suất truyền tải được tăng lên đáng kể, bên cạnh đó là độ dự trữ lớn hơn rất nhiều so với trường hợp không có đặt thiết bị bù hình 2.24 (a), từ đó có thể đưa ra nhận xét rằng ứng dụng của của thiết bị bù song song có thể nâng cao ổn định quá độ khi bất ngờ xảy ra các nhiễu động, hệ thống sẽ tránh đi vào tình trạng mất đồng bộ của các máy phát

2.3.4 Giảm dao động công suất

Trong trường hợp hệ thống không có khả năng đệm để giảm dao động, bất kì các nhiễu nhỏ nào tác động cũng sẽ làm hệ thống dao động quanh điểm cân bằng Dao động góc Rotor máy phát sẽ dẫn đến dao động công suất do không đủ yếu tố đệm để giảm dao động hệ thống, có thể là nguyên nhân làm giới hạn công suất truyền tải và trực tiếp ảnh hưởng đến tần số của toàn bộ hệ thống

Khi xảy ra sự cố, công suất điện truyền tải bị suy giảm, máy phát phải tăng tốc

để cân bằng giữa công suất cơ và công suất điện (do công suất cơ học không đổi),

và ngược lại khi hệ thống dần hoạt động ổn định sau sự cố, máy phát sẽ giảm tốc

Từ việc tăng tốc và giảm tốc máy phát dẫn đến dao động về mặt công suất và góc rotor của máy phát Khi máy phát tăng tốc, thiết bị sẽ tăng cường công suất phản kháng phát ra sẽ làm tăng điện áp tại nơi đặt thiết bị bù, và giảm khi máy phát giảm tốc

Sự so sánh khi có thiết bị bù và không có làm giảm dao động:

Hình 2.25 Khả năng giảm dao động công suất

Trên đây, luận văn đã trình bày về cấu tạo và nguyên lý làm việc của thiết bị SVC, chương tiếp theo, luận văn sẽ mô tả mô hình động của các phần tử trong hệ thống điện làm cơ sở để phân tích ổn định hệ thống điện và ứng dụng thiết bị FACTS nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện

Chương 3 MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

Do trong CĐQĐ có sự mất cân bằng công suất momen quay rotor của các máy phát, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái của hệ thống Góc pha và biên độ các suất điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào quy luật chuyển động cơ học của các máy điện quay

Vì vậy để phân tích ổn định, người ta đều dựa trên cơ sở các phương trình vi phân mô tả sự thay đổi của hệ thống khi xảy ra sự biến thiên của thông số hệ thống, hay cụ thể hơn là phương trình vi phân mô tả các phần tử quan trọng của hệ thống điện gồm máy phát, máy biến áp, đường dây,…

3.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ

3.1.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ

Máy điện đồng bộ bao gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng Phần cảm đặt ở rotor và phần ứng đặt ở stator Cuộn dây ở phần cảm (cuộn kích từ) được cung cấp dòng DC để tạo ra từ trường quay Phần ứng gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong không gian [3]

Hình 3.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ

Ngoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có cuộn dây cản có tác dụng làm tắt dần các dao động của máy phát