tiểu luận truyền tải xoay chiều linh hoạt và một chiều

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS ĐỂ NÂNG CAO MÔ ĐUN ĐIỆN ÁP TRONG VIỆC ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Tóm tắt: Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, phân bố công suất, giả

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

BÀI TIỂU LUẬN:

TRUYỀN TẢI XOAY CHIỀU LINH HOẠT

VÀ MỘT CHIỀU

GVHD: TS Phạm Thị Xuân Hoa

Thực hiện: Lê Thành Trí

TP Hồ Chí Minh, năm 2020

MỤC LỤC

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS ĐỂ NÂNG CAO MÔ ĐUN ĐIỆN ÁP TRONG VIỆC

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1

Tóm tắt: 1

Từ khóa: 1

1 GIỚI THIỆU 1

2 Phân bố công suất theo phương pháp Newton-Raphson 3

3 MÔ HÌNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN FACTS 3

3.1 Mô hình bộ bù tĩnh SVC 3

3.2 Mô hình bộ bù đồng bộ STATCOM 4

4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5

5 KẾT LUẬN 7

TÀI LIỆU THAM KHẢO 8

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 9

TÓM TẮT 9

1 Đặt vấn đề 9

2 Mô hình và nguyên lý hoạt động của thiết bị STATCOM 10

3 Ứng dụng STATCOM vào hệ thống lưới điện 500KV và 220KV Việt Nam 10

4 Kết luận 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 15

BÀI TẬP TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT VÀ MỘT CHIỀU 17

Bài tập 1: 17

Bài tập 2: 18

Bài tập 3: 19

Bài tập 4: 20

Bài tập 5 : 21

Bài tập 6 : 23

Bài tập 7: 24

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS ĐỂ NÂNG CAO MÔ ĐUN ĐIỆN ÁP TRONG

VIỆC ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Tóm tắt:

Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, phân bố công suất, giảm tổn thất phản kháng, và làm giảm dao động công suất cho các mức truyền tải công suất cao Nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp của hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng Điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị FACTS là một biện pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất của đường dây đến mức giới hạn nhiệt cho phép Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB để mô hình hóa và mô phỏng điều khiển điện áp hệ thống điện bằng thiết bị FACTS

và điều khiển ổn định điện áp nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định của hệ thống điện là rất cần thiết [1], tránh mất ổn định điện áp xảy ra khi xảy ra sự biến động ngẫu nhiên của một trạng thái xác lập là hết sức quan trọng

Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của hệ thống điện

là thiếu công suất phản kháng để hỗ trợ cho hệ thống Việc cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị FACTS (Flexible Ac Transmission System) [2] là một biện pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện

áp Trong bài báo này sẽ trình bày mô hình của hệ thống điện có các bộ điều khiển FACTS

để mô phỏng ổn định điện áp cho hệ thống điện bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB [4] Thanh cái cho biết trước công suất phát, phụ tải và các công suất trao đổi chạy qua các phần tử của đường dây truyền tải kết nối đến thanh cái này phải được cộng lại bằng không

Đó là các phương trình điều kiện “phương trình độ thay đổi công suất” tại thanh cái k có công thức như sau:

Trong đó:

Pk và Qk lần lượt là độ thay đổi công suất tác dụng và phản kháng tại thanh cái

k PGk và QGk lần lượt là công suất tác dụng và phản kháng được bơm vào bởi máy phát ở tại thanh cái k PLk và QLk lần lượt là công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải ở tại thanh

cái k

Công suất tác dụng và phản kháng đã biết trước:

Công suất tác dụng và phản kháng truyền tải cal Pk và Qkcal là những hàm của các điện áp nút, tổng trở và được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình phân

bố công suất Tổng công suất tác dụng và phản kháng thuần bơm vào ở thanh cái k là:

Mở rộng, “phương trình độ thay đổi công suất” cho trường hợp tổng quát là:

Hình 1 Cân bằng công suất tại thanh cái k:

(a) công suất tác dụng, (b) công suất phản kháng

2 Phân bố công suất theo phương pháp Newton-Raphson

Cơ sơ để mô phỏng bài toán ổn định điện áp dựa trên ma trận đạo hàm riêng Jacobian

có được từ bài toán phân bố công suất Newton-Raphson Phương trình ma trận mô tả sự thay đổi công suất của phương pháp lặp phân bố công suất Newton-Raphson như sau:

Ma trận biến số Jacobian của bài toán phân bố công suất Newton-Raphson có thể bao gồm (nb – 1) x (nb – 1) phần tử có dạng:

trong đó k = 1, , nb, vm = 1, , nb nhưng bỏ qua thanh cái Slack (nb là số thanh cái) Xem xét phần tử thứ l kết nối giữa thanh cái k và thanh cái m trong Hình 1, các số hạng Jacobian được cho như sau:

3 MÔ HÌNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN FACTS

Trong nghiên cứu ổn định điện áp, quan tâm đến bộ điều khiển bù tĩnh SVC và bộ điều khiển bù đồng bộ STATCOM Mô hình của chúng được xây dựng trên cơ sở các phương trình phân bố công suất và phương pháp phân bố công suất NewtonRaphson [5]

3.1 Mô hình bộ bù tĩnh SVC

Trong hình 2 bộ SVC có thể được xem như là một cuộn kháng điều chỉnh được có góc kích giới hạn hoặc tổng trở giới hạn Bằng cách thay đổi góc kích - mở công tắc điều khiển thyristor để điều chỉnh tổng dẫn song song BVSC

Hình 2 Mơ hình tổng dẫn song song thay đổi của bộ SVC

Tổng dẫn thay đổi theo góc kích- mở  SVC Thyristor của bộ SVC là:

Trong đó:

, lần lượt là điện kháng, điện dung và góc kích - mở công tắc điều khiển thyristor Phạm vi điều khiển góc  SVC là từ  /2 đến  Công suất phản kháng của bộ SVC theo góc kích – mở  SVC là:

3.2 Mô hình bộ bù đồng bộ STATCOM

Bộ STATCOM trình bày trong hình 3 bao gồm một bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC)

và một máy biến áp liên kết kiểu nối shunt Điện áp đầu ra của bộ STATCOM là:

Công suất của bộ STATCOM l:

Công suất tác dụng và phản kháng tại đầu ra của STATCOM:

Hình 3 Sơ đồ khối bộ bù đồng bộ STATCOM

Công suất tác dụng và phản kháng tại thanh cái nối STATCOM:

4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Xem xét mạng điện gồm 5 nút [3], tiến hành chạy phần mềm mô phỏng được lập trình bằng ngôn ngữ MATLAB cho các trường hợp khác nhau, thu được kết quả điện áp nút, trào lưu công suất, công suất bù, góc kích - mở thyristor, tổn thất công suất, điện áp

ra STATCOM Kết quả phân bố công suất khi có SVC đặt tại thanh cái 4, phụ tải tăng 40% so với phụ tải ở chế độ vận hành thông thường, SVC phát công suất phản kháng cần thiết 49.55 MVAr, ứng với góc kích - mở thyristor 140.50o để giữ điện áp tại thanh cái 4 bằng 1 p.u

Hình 4 Sơ đồ phân bố công suất khi phụ tải tăng 40%, có SVC tại thanh cái 4 Khi đặt SVC tại thanh cái 3, mạng điện vận hành ở các chế độ đặc trưng: bình thường, quá tải và non tải Bộ điều khiển SVC sẽ điều chỉnh góc kích - mở thyristor để phát/hấp thụ lượng công suất phản kháng cần thiết giữ điện áp tại thanh cái có nối SVC ở giá trị định mức

Khi đặt STATCOM tại thanh cái 3, ở chế độ phụ tải bình thường, nó phát 20.5 MVAr, điện áp đầu ra l 1.0205 p.u, để giữ ổn định điện áp thanh cái 3 bằng giá trị định mức

Hình 5 So sánh biên độ, góc pha điện áp thanh cái khi vận hành ở chế độ bình

để giữ ổn định điện áp cho thanh cái có nối SVC, STATCOM và nâng cao ổn định cho hệ thống

Hướng phát triển của nghiên cứu là xây dựng mô hình để mô phỏng điều khiển ổn định điện áp và trào lưu công suất trong hệ thống điện

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Thierry Van Custem, Costas Vournas; Voltage Stability Of Electric Power System; Kluwer Academis Publishers, America, 4, 2003

[2] Enrique Acha, Claudio R Fuerte – Esquivel, Hugo Ambriz-Pérez, César AngelesCamaccho; Modelling and Simulation in Power Networks; John Wiley & Sons, Ltd, England, 2004

[3] K R Padigar; FACTS controllers in power transmission and distribution; New Age International (P) Limited, India, 2007

[4] Phạm Thị Ngọc Yên; Cơ sở Matlab và ứng dụng; Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật; Hà Nội 2005

[5] Phương Hoàng Kim; Tối ưu hoá vận hành hệ thống điện có xét đến các thiết bị điều chỉnh trong hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt; Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật; Hà Nội 2008

ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ

THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM TÓM TẮT

Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam đã

có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên các thiết bị bù đó chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi

hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc Bài báo này nghiên cứu về những vấn đề trên nhằm đưa ra vị trí lắp đặt các thiết bị FACTS thích hợp cho hệ thống điện Việt Nam Trong quá trình phân tích bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng vào yếu tố kỹ thuật Quá trình nghiên cứu tính toán sử dụng sơ đồ hệ thống điện Việt Nam tháng 12 năm 2010 và việc tính toán bù công suất phản kháng tập trung chủ yếu vào các khu vực có mật độ tải dày đặc và có thể gia tăng đột biến trong các chế độ làm việc khác nhau Các kết quả tính toán trào lưu công suất hệ thống, phân tích đặc tính P-V, Q-V được khảo sát qua phần mềm PSS/E-30

1 Đặt vấn đề

Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng

Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích động Hệ thống

sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp

đổ

điện áp Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến

Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp mà bài báo này đưa ra là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) Với độ nhanh nhạy,

chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng

cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống

2 Mô hình và nguyên lý hoạt động của thiết bị STATCOM

STATCOM (Static Compensator) là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSC_Voltage Source Converter), nó chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để

bù công suất phản kháng cho hệ thống STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (V ref ) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi giữa STATCOM và hệ thống Bằng cách điều khiển điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến dòng công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên Ngược lại, nếu điều khiển điện áp của STATCOM thấp hơn điện áp chảy từ hệ thống vào STATCOM do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện

Hình 1 Mô hình STATCOM

3 Ứng dụng STATCOM vào hệ thống lưới điện 500KV và 220KV Việt Nam

Hình 2: Đặc tính P-V tại các nút 500kV Ô Môn, Nhà Bè, Phú Lâm, Sông Mây, Đăk Nông, Di Linh và Tân Định trong chế độ làm việc bình thường và sự cố N-1 (phần mềm

PSS/E)

Hệ thống lưới điện 500kV và 220kV Việt Nam (số liệu: 12/2010) được đưa vào khảo sát ở bài báo này Việc khảo sát tập trung chủ yếu tại các khu vực có mật độ tải lớn, dày đặc và có khả năng tăng tải bất thường từ đó tính toán lắp đặt STATCOM Phương pháp nghiên cứu là xây dựng đường cong P-V, Q-V và phân tích trào lưu công suất của

Hình 3: Đặc tính P-V tại các nút 220kV Châu Đốc, Cao Lãnh, Trà Vinh, Kiên Lương và Bạc Liêu trong chế độ bình thường và sự cố N-1(phần mềm PSS/E)

Theo đặc tính P-V ta thấy khi công suất truyền tải gia tăng trên 568.750 MW thì hiện tượng sụp đổ điện áp sẽ xuất hiện Tại biên độ giới hạn ổn định thì điện áp của nút 500kV Ô Môn là thấp nhất (0.882pu), các nút 220kV có điện áp thấp nhất là: Châu Đốc (0.797pu), Kiên Lương (0.858) Với giá trị công suất truyền tải là 568.750 MW và hệ thống đang đứng tại điểm sụp đổ điện áp, nếu có bất kì một sự cố nào làm các máy cắt đường dây 500kV khu vực miền Nam tác động thì hệ thống sẽ bị tan rã

Mặt khác xây dựng đặc tính Q-V của các nút trong hệ thống ta thấy nút 500kV Ô Môn, 220kV Châu Đốc là những nút có độ dự trữ ổn định thấp nhất Theo đặc tính P-V, Q-V đã xây dựng ta thấy cần bù công suất phản kháng cho các nút có điện áp giảm mạnh (theo đặc tính P-V) và có độ dự trữ ổn định thấp (theo đặc tính Q-V) Điện áp tại các nút đề nghị giới hạn như sau:

- Điện áp các nút 500kV: 0.95pu đến 1.05pu

- Điện áp các nút 220kV: 0.90pu đến 1.1pu

Nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống ngay cả trong chế độ sự cố (contingency N-1) ta đặt STATCOM tại những nút có điện áp giảm mạnh và có nguy cơ sụp đổ điện áp Các nút có khả năng mất ổn định điện áp nhất:

Hình 4: Đặc tính Q-V của nút 500kV Ô Môn tương ứng với các chế độ làm việc

của hệ thống (phần mềm PSS/E)

Hình 5: Đặc tính Q-V của nút 220kV Châu Đốc tương ứng với các chế độlàm việc

của hệ thống (phần mềm PSS/E)

Chế độ bình thường:

- Các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm

- Các nút 220kV: Châu Đốc, Kiên Lương và Cao Lãnh

Chế độ sự cố N-1:

- Các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm, Di Linh, HT-NQ1, ĐN-HT2

- Các nút 220kV: Châu Đốc, Kiên Lương, Thốt Nốt, Cao Lãnh và Trà Vinh

Từ kết quả trên ta đưa ra 3 phương án lựa chọn vị trí đặt STATCOM là:

Sau khi đặt STATCOM tại từng vị trí theo 3 phương án trên ta lựa chọn được

phương án tối ưu nhất:

- Tại các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm, Di Linh, Nho Quan

- Tại các nút 220kV: Châu Đốc

Phân tích dòng công suất huy động cho thấy công suất truyền tải sẽ rất lớn từ Đăk Nông-Phú Lâm (572.8 MW) và PleiKu-Tân Định-Phú Lâm (649.6 MW), trong trường hợp sự cố bất kì một đường dây thì đường dây còn lại sẽ tải lượng công suất 134%

PleiKu-so với bình thường và đường dây sẽ làm việc trong tình trạng quá tải Như vậy giới hạn công suất truyền tải trên đường dây sẽ là 568.75 MW Với giới hạn công suất này ta xác định được giới hạn bù của các STATCOM đặt tại các nút trên như bảng 1:

Bảng 1: Dải điều chỉnh bù công suất phản kháng của các thiết bị STATCOM

Sau khi đặt STATCOM vào những vị trí ở trên ta có các đặc tính P-V mới như sau:

Hình 6 Đặc tính P-V của các nút 500kV Ô Môn, Đăk Nông, Nhà Bè, Phú Lâm, Tân Định, Sông Mây, Di Linh trong chế độ bình thường và sự cố N-1(phần mềm PSS/E)

Hình 7: Đặc tính P-V của các nút 220kV Châu Đốc, Kiên Lương, Trà Vinh, Cao Lãnh

và Bạc Liêu trong chế độ làm việc bình thường và sự cố N-1 (phần mềm PSS/E)

Do đặc điểm nổi bật của STATCOM là phản ứng rất nhanh nhạy và linh hoạt nên tại các nút đặt STATCOM coi như công suất phản kháng được đáp ứng đủ trong mọi chế độ làm việc Như vậy sau khi ta đặt thiết bị STATCOM tại các nút ở trên thì biên độ giới hạn

ổn định điện áp được cải thiện từ 568.750MW lên 875.00MW và điện áp của hệ thống luôn được giữ ổn định trong mọi chế độ làm việc của hệ thống

4 Kết luận

Từ các kết quả tính toán ở trên ta rút ra kết luận rằng:

Sau khi lắp đặt STATCOM tại những vị trí trên thì biên độ ổn định điện áp của hệ thống tăng lên:

Điện áp của các nút trong hệ thống được cải thiên đáng kể sau khi lắp đặt STATCOM

cụ thể như:

Độ dự trữ ổn định của hệ thống tại các nút được đảm bảo:

Hệ thống điện Việt Nam làm việc ổn định và tin cậy hơn khi lắp đặt STATCOM ở những vị trí đã chọn ở trên, lúc sự cố N-1 xảy ra STATCOM tự động bù công suất phản kháng với dung lượng bù tối ưu thuộc dải điều chỉnh thể hiện ở hình 6 nên hầu như khắc phục kịp thời sự mất ổn định điện áp trong hệ thống

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền, “Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối

ưu cho lưới điện 500kV Việt Nam”, Tạp chí khoa học công nghệ đại học Đà Nẵng-số 3(26).2008