Nghiên cứu giải thuật điều khiển STATCOM trong việc nâng cao chất lượng điện năng

Nội dung text: Nghiên cứu giải thuật điều khiển STATCOM trong việc nâng cao chất lượng điện năng

1. NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN STATCOM TRONG VIỆC NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CONTROL ALGORITHM OF STATCOM IN PROVING ELECTRIC QUALITIES OF POWER SYSTEMS HVTH: Phùng Ngọc Lan Khóa 2014-2016A, Khoa Điện, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM GVHD: TS. Nguyễn Hùng Khoa Cơ Điện tử, Trường Đại học Công nghệ HUTECH TÓM TẮT Ở Việt Nam chưa có nhiều công trình nghiên cứu về STATCOM được công bố. Đối với các công trình đã công bố, hầu hết tập trung chủ yếu vào việc lựa chọn và xác định vị trí tối ưu để lắp đặt trên lưới điện, nâng cao ổn định điện áp, ứng dụng trong truyền tải điện năng và chưa có nhiều công bố về giải thuật điều khiển STATCOM đối với các bài toán hệ thống điện. Việc nghiên cứu các giải thuật điều khiển tiên tiến khác và áp dụng vào việc điều khiển STATCOM nhằm nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, nâng cao hiệu quả làm việc của STATCOM và góp phần vào việc điều chỉnh các thông số của hệ thống điện, đồng thời việc đảm bảo ổn định biên độ điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu tác động nhiễu lớn là rất cần thiết và quan trọng. Bài báo này nghiên cứu về những vấn đề trên và mô phỏng hệ thống điện 500kV Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm trên môi trường Matlab/Simulink dùng giải thuật điều khiển PID cho STATCOM để điều khiển điện áp như mong muốn và hỗ trợ điện áp khi ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 3 pha. Từ khóa: STATCOM, PID, chất lượng điện năng, ổn định điện áp. ABSTRACT In Vietnam, there have been few studies on STATCOM was announced. For studies published, mostly concentrated on the selection and locate optimal for installation on the grid, improve voltage stability, application in power transmission and no many published about STATCOM control algorithms for power system problems. The research of advanced control algorithms and applied to improve the quality STATCOM controller, improving the efficiency of STATCOM work and contribute to the adjustment of system parameters power while ensuring stable voltage amplitude normal operation or stability after large disturbances impacts is essential and important. This paper studies on the above problems and power system simulation 500kV Phu My – Nha Be – Phu Lam on the environment Matlab / Simulink used PID control algorithm for STATCOM for voltage control as expected and support short-circuit voltage 1-phase, 2- phase, 3-phase. Key words: STATCOM, PID, electric qualities, voltage stability 1. Đặt vấn đề 1
2. Việc đảm bảo ổn định biên độ điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu tác động nhiễu lớn là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do người viết lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giải thuật điều khiển STATCOM trong việc cải thiện chất lượng điện năng” nhằm nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM vào hệ thống điện truyền tải 500 kV để điều khiển biên độ điện áp theo như mong muốn góp phần nâng cao chất lượng điện năng. Nghiên cứu thực nghiệm giải thuật điều khiển PID cho STATCOM áp dụng vào hệ thống 500 kV điển hình và hệ thống 500 kV nối Phú Mỹ - Nhà Bè - Phú Lâm cho thấy hiệu quả vận hành khi sử dụng STATCOM để điều khiển điện áp như mong muốn và hỗ trợ điện áp khi xảy ra ngắn mạch. 2. Cấu trúc cơ bản STATCOM và nguyên lý hoạt động của thiết bị STATCOM 2.1. Cấu trúc cơ bản STATCOM STATCOM (Static Synchronous Compensator) là thiết bị bù đồng bộ tĩnh, trong đó có bộ chuyển đổi nguồn áp (VSC-Voltage Source Converter), nó là một bộ tự biến đổi công suất cung cấp từ một nguồn điện thích hợp và hoạt động tạo ra một bộ điều chỉnh điện áp nhiều pha.Thiết bị này được dùng trong lưới điện xoay chiều 3 pha để thực hiện điều chỉnh, điều khiển một cách độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng. Để điều khiển bù công suất phản kháng trong hệ thống điện thường sử dụng cấu hình STATCOM biến đổi. STATCOM đã được định nghĩa với ba chức năng hoạt động. Chức năng đầu tiên là bộ chuyển đổi tĩnh: nguyên lý dựa trên các thiết bị chuyển đổi không có thành phần quay, chức năng thứ hai là thiết bị đồng bộ : tương tự như một máy đồng bộ lý tưởng với điện áp ba pha hình sin tại tần số cơ bản, chức năng thứ ba là khả năng bù: cung cấp bù công suất phản kháng [9], [10]. Cơ sở của công nghệ STATCOM là sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất ở dạng một bộ biến đổi điện tạo nguồn điện áp để tổng hợp điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều. Điện áp xoay chiều Vc của bộ biến đổi điện được đấu nối với hệ thống điện (được thể hiện bằng điện áp hệ thống Vs và điện kháng hệ thống Xs), thông qua điện kháng đệm Xc. Bằng cách khống chế điện áp Vc của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống Vs, nhưng có biên độ lớn hơn, dòng điện và công suất phản kháng chạy từ STATCOM vào hệ thống, để nâng điện áp lên. Ngược lại, nếu điều khiển điện áp Vc thấp hơn điện áp hệ thống Vs, thì dòng điện và dòng công suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện. Hình 0.1: Cấu trúc cơ bản của STATCOM 1. 2.2 Đặc tính bù của STATCOM Mục tiêu điều khiển xác lập của STATCOM là điều khiển điện áp được thể hiện theo 2
3. đặc tính V- I và Q -V ở các Hình 2.13 và 2.14. Các giới hạn dòng điện vận hành của STATCOM trong đặc tuyến được suy ra từ các giới hạn dòng điện của các thiết bị bán dẫn trong bộ nghịch lưu áp. Hình 0.2: Đặc tuyến V – I của STATCOM Hình 0.3: Đặc tuyến V – Q của STATCOM Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q tác động như thế nào đến điện áp tại các nút. Tầm ảnh hưởng của đường đặc tuyến công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường cong Q –V, ổn định quá độ. Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ. Vì thế, chỉ tập trung nghiên cứu sử dụng thiết bị STATCOM ổn định điện áp trên hệ thống điện. 3. Ứng dụng STATCOM vào đường dây điện 500KV Phương pháp nghiên cứu: - Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu - Nghiên cứu thực nghiệm giải thuật điều khiển PID cho STATCOM áp dụng cho đường dây 500 kV nối Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink 3
4. 3.1. Sơ đồ đơn tuyến mô phỏng cho đường dây 500 kV Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm Bài toán đặt ra là dùng STATCOM để điều khiển điện áp giữa đường dây (nút B2) như mong muốn và hỗ trợ điện áp nút này khi xảy ra ngắn mạch tại nút B1. Sự cố ngắn mạch thoáng qua được tạo ra bằng cách đóng máy cắt nối nút B1 với đất qua tổng trở sự cố. Lưới điện bao gồm 2 nguồn 500 kV tương ứng nhà máy điện Phú Mỹ 3000 MVA, và nhà máy điện Phú lâm 25000 MVA nối với nhau bằng các đường dây truyền tải: Đường dây 500kV Phú Mỹ - Nhà Bè (L1) dài 50 km, Nhà Bè - Phú Lâm (L2) dài 25 km, và bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM được sử dụng để điều chỉnh điện áp hệ thống, có công suất là 100 MVAR được đặt tại thanh cái của trạm Nhà Bè như hình 0.6 PHÚ MỸ PHÚ LÂM 50 Km NHÀ BÈ 25 Km 500KV 250 MVA 500KV 3000MVA BÀ RỊA - VŨNG TÀU 200 + j30 25000MVA 150 + j 20 (MVA) (MVA) STATCOM Hình 0.4: Sơ đồ đơn tuyến đường dây 500 kV Phú Mỹ - Phú Lâm sử dụng STATCOM 3.2. Sơ đồ mô phỏng Simulink cho đường dây 500 kV Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm Hình 0.5 :Mô phỏng cho đường dây 500 KV Phú Mỹ - Phú Lâm sử dụng STATCOM trong phần mềm Matlab 3.2.1 Trường hợp điều khiển điện áp tại nút Nhà Bè: Ở chế độ bình thường khi chưa xảy ra ngắn mạch, sau khi thiết lập tham số, ta chạy mô phỏng và quan sát tín hiệu trên Signal & Scopes: - Kết quả mô phỏng đáp ứng của STATCOM khi Droop = 0.03 4
5. Hình 0.6: Đồ thị đáp ứng điện áp và công suất phản kháng của STATCOM cho đường dây Phú Mỹ - Phú Lâm Hình 0.7: Đồ thị đáp ứng công suất của đường dây L1 từ Phú Mỹ - Nhà Bè Hình 0.8: Đồ thị đáp ứng VI – STATCOM tại nút Nhà Bè 3.2.2. Trường hợp xảy ra ngắn mạch tại nút B1: - Trường hợp ngắn mạch 1 pha: 5
6. Hình 0.9: Mô phỏng cho trường hợp ngắn mạch 1 pha, Vref không đổi Thiết lập các thông số nguồn điện, và tải tại các trạm, STATCOM không thay đổi dung lượng, cho điện áp Vref bằng 1pu, tạo sự cố ngắn mạch 1 pha bằng cách thiết lập các tham số trên khối Fault Brk, kích hoạt tham số Phase A Fault, và chọn tham số Transition Times (thời gian chuyển tiếp) là t = 0.3 0.3 + 5/60. - Chạy mô phỏng và nhìn vào cửa sổ tín hiệu đáp ứng ngõ ra được thể hiện như sau: Biểu đồ hình 0.10 hiển thị tín hiệu điện áp tham chiếu, công suất phản kháng tham chiếu của STATCOM (đường màu xanh), và tín hiệu điện áp đo lường, công suất phản kháng đo lường (đường màu đỏ) khi ngắn mạch 1 pha và STATCOM đặt tại nút Nhà Bè. Hình 0.10: Đồ thị đáp ứng điện áp và công suất phản kháng của STATCOM khi ngắn mạch 1 pha tại nút Nhà Bè 6
7. Hình 0.11: Đồ thị đáp ứng công suất P, Q của đường dây L1 - Trường hợp ngắn mạch 2 pha: cách thiết lập như trường hợp 1 pha, chỉ thay đổi thiết lập các tham số trên khối Fault Brk, kích hoạt tham số Phase A Fault và Phase B Fault. Chạy mô phỏng ta thấy biểu đồ hình 0.12 hiển thị tín hiệu điện áp tham chiếu, công suất phản kháng tham chiếu của STATCOM (đường màu xanh), và tín hiệu điện áp đo lường, công suất phản kháng đo lường (đường màu đỏ) khi ngắn mạch 2 pha và STATCOM đặt tại nút Nhà Bè. Hình 0.12: Đồ thị đáp ứng điện áp và công suất phản kháng của STATCOM Nhìn vào biểu đồ dạng sóng này ta có thể đưa ra nhận xét như sau: Ban đầu Vref được thiết lập là 1 pu, lúc đó Qref=Qm=0. Tại t = 0.3 s khi Vm được giảm xuống còn 0.7 pu, lúc đó 7
8. Qm < Qref, STATCOM phát ra công suất phản kháng. Tại t = 0.4 s Vm được tăng lên đến 1.02 pu, lúc đó Qm gần bằng Qref , STATCOM tiếp tục phát 1 lượng công suất phản kháng để Vm thiết lập trở lại là 1pu. Tín hiệu được lấy ra ở Signals & Scopes, tín hiệu PQ của đường dây L1: Hình 0.13: Đồ thị PQ đường dây L1 khi xảy ra ngắn mạch 2 pha tại nút Nhà Bè - Trường hợp Droop = 0, cài đặt thông số STATCOM Kp= 8, Ki = 900 và chỉ thay đổi Vref để xem đáp ứng STATCOM trong mạch thì: Hình 0.14: Đồ thị đáp ứng VI - STATCOM 8
9. Hình 0.15: Đồ thị PQ đường dây L1 Hình 0.16: Đồ thị đáp ứng VI - STATCOM Nhận xét: Với kết quả mô phỏng như trên hình 0.14 ta thấy khi điện áp Vref thay đổi 1 lượng lớn, giảm còn 0.9pu và tăng đến 1.45pu thì khi đó Vm thay đổi 1 lượng rất ít tương ứng là 0.97pu và 1,03 pu sau đó đến thời điểm 0.7 giây thì Vm = Vref là 1pu, chứng tỏ STATCOM có thể điều khiển được điện áp như mong muốn, hệ thống đã trở lại ổn định như ban đầu. - Kết quả mô phỏng ngắn mạch 3 pha chạm đất: Tạo sự cố ngắn mạch 3 pha bằng cách thiết lập các tham số trên khối Three-phase Fault, tại hộp thoại Block Parameters của khối Three-Phase Fault ta kích hoạt các tham số: Phase A Fault và Phase B Fault và Phase C Fault để tạo ra sự cố ngắn mạch 3 pha . Chạy mô phỏng và nhìn vào Scope, tín hiệu ngõ ra được thể hiện như sau: 9
10. Hình 0.17 : Đồ thị đáp ứng điện áp và công suất phản kháng của STATCOM khi ngắn mạch 3 pha Hình 0.18 : Đáp ứng công suất tác dụng và công suất phản kháng của đường dây L1 khi ngắn mạch 3 pha 10
11. Hình 0.19 : Đồ thị đáp ứng điện áp và dòng điện của STATCOM Hình 0.20 : Đồ thị đáp ứng IdIq của STATCOM xảy ra khi ngắn mạch 3 pha Nhận xét: Với kết quả mô phỏng như trên hình 0.17, ta thấy tại thời điểm ngắn mạch 0.3 giây, điện áp Vm giảm còn 0.55pu và đến 0.4 giây thì Vm tăng 1.02 pu để sau thời điểm 0.45 giây thì hệ thống đã ổn định trở lại (Vm=Vref) và các giá trị VI – STATCOM, PQ – L1 có giá trị tương ứng như hình trên.  Tóm lại: 11
12. Qua các chế độ mô phỏng đường dây Phú Mỹ - Phú Lâm 500KV như trên ta thấy ở chế độ bình thường, ngắn mạch 1 pha chạm đất, ngắn mạch 3 pha, khi đặt thiết bị bù STATCOM tại nút Nhà Bè thì sẽ dễ điều khiển để giữ ổn định điện áp cho hệ thống điện và STATCOM luôn đáp ứng một cách nhanh nhạy ở mọi chế độ về nhu cầu bù công suất phản kháng cho hệ thống (hoặc hút công suất phản kháng từ hệ thống) khi có sự thay đổi điện áp trên hệ thống một cách đột ngột, đặc biệt ở chế độ ngắn mạch. Như vậy, ta hoàn toàn có thể triển khai mô hình mô phỏng phát triển hệ thống điện 500KV thành hệ nhiều nút hơn và nhiều nguồn hơn để áp dụng cho thực tế. 4. Kết luận Quá trình thực hiện mô phỏng, tác giả thấy rằng việc sử dụng bộ điều khiển PID cho STATCOM vào hệ thống truyền tải có nhiều thuận lợi như: hiệu chỉnh các thông số thông qua việc thay đổi các thông số của bộ điều khiển STATCOM và STATCOM là một ứng dụng trong việc nâng cao chất lượng điện năng giải quyết hiệu quả lượng công suất phản kháng để điều khiển điện áp động trong hệ thống điện. Lợi ích chính của việc sử dụng STATCOM hơn hẳn so với các tụ bù được đóng cắt cơ khí, là chúng phản ứng gần như tức thời với sự thay đổi điện áp của hệ thống trong trạng thái xác lập hay xảy ra sự cố ngắn mạch 1 pha, 2 pha, 3 pha TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc; Đặng Anh Tuấn, “Sử dụng phần mềm phân tích và tính toán lưới điện PSS/ADEPT”, Trường ĐHBK TP.HCM, Công Ty Điện lực 2-Tập đoàn Điện lực Việt Nam , 4/2007 [2]. Thiết bị STATCOM cải thiện quá trình khôi phục điện áp, ngày truy cập: [2/3/2015], địa chỉ truy cập: [3]. Sheng Wang ; Lixue Li ; Xin Wang ; Yihui Zheng ; Gang Yao, “Direct output voltage control of a STATCOM using PI controller based on multiple models”, Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2011 6th IEEE Conference on [4]. Datta, S. ; Roy, A.K. , “Fuzzy logic based STATCOM Controller for enhancement of power system dynamic stability”, Electrical and Computer Engineering (ICECE), 2010 International Conference on [5]. Shahgholian, G. ; Mahdavian, Mehdi ; Emami, A. ; Ahmadzade, B. , “Improve power quality using static synchronous compensator with fuzzy logic controller” , Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2011 International Conference on [6]. 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. [7]. Đinh Thành Việt; Lê Đức Hiền; Trần Phương Châu; Trần Văn Dũng; Hà Đình Nguyên, “Ứng dụng STATCOM để nâng cao độ ổn định điện áp hệ thống điện Việt Nam”, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010. 12
13. [8]. Nâng cao chất lượng điện năng của mạng điện phân phối kết nối máy phát điện gió bằng việc sử dụng máy bù đồng bộ tĩnh, ngày truy cập: [26/7/2015], địa chỉ truy cập: . [9]. Singh, B. ; Saha, R. ; Chandra, A. ; Al-Haddad, K., “Static synchronous compensators (STATCOM): a review”, Power Electronics, IET Volume: 2 , Issue: 4 , 2009 , pp 297 - 324 . [10]. Nguyễn Hữu Vinh, Nguyễn Hùng và Lê Kim Hùng, “Using a STATCOM to Enhance Stability of a Grid Connected Wind Power System”, Tạp chí khoa học công nghệ Đại Học Đà Nẵng, Số 11 (96) - Quyển 2, 2015. [11]. Trần Bách, “Lưới điện và hệ thống điện”, Nhà xuất bản KH&KT – Hà Nội, 2004. [12]. Lã Văn Út, “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, Nhà xuất bản KH&KT – Hà Nội, 2010 [13]. Trần Đình Long, “Tra cứu về chất lượng điện năng”, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2013 [14.] Farhad Shahnia; Sumedha Rajakaruna; Arindam Ghosh (eds.), “Static Compensators (STATCOMs) in Power Systems”, Springer Verlag Singapur (2015). Thông tin liên hệ tác giả : Họ tên: Phùng Ngọc Lan Đơn vị: Khoa CNKT Điện – ĐTVT, Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật TP.HCM Điện thoại: 01267368756 Email: phungngoclan@ptec.edu.vn Chuyên ngành chính (hướng nghiên cứu): Kỹ thuật điện 13
14. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.