Sử dụng bộ điều khiển bù công suất phản kháng statcom ổn định hệ thống điện 220kv Bạc Liêu

Nội dung text: Sử dụng bộ điều khiển bù công suất phản kháng statcom ổn định hệ thống điện 220kv Bạc Liêu

1. SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG STATCOM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 220kV BẠC LIÊU RESEARCH TOPICS ABOUT POWER COMPENSATION SYSTEMS LIKE STATCOM SYSTEM STBILYZING VOLTAGE OF 220Kv BẠC LIÊU Nguyễn Hải Tâm Trường cao đẳng cộng đồng Bình Thuận Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM TÓM TẮT Bài báo này đề xuất cách phân tích ổn định điện áp hệ thống điện 220 kV Bạc Liêu bằng cách sử dụng công cụ đường cong QV, ổn định quá độ trong phần mềm chuyên dụng PowerWorld Simulator 18. Từ việc thiết lập các sự cố, ta vẽ được các đường cong QV, ổn định quá độ cho từng trường hợp. Dựa vào đó có thể xác định được các nút yếu về ổn định điện áp, các sự cố gây ảnh hưởng lớn đến ổn định điện áp. Trên cơ sở đó có các biện pháp cần thiết để cải thiện độ dự trữ ổn định điện áp tại các nút yếu. Từ khóa: Đường cong QV, ổn định quá độ, ổn định điện áp, cải thiện độ dự trữ điện áp ABSTRACT This thesis propose the method for analyzing the voltage stability of 220kV power system in Bạc Liêu by using QV, transient stability curve in the professional software PowerWolrd Simulator 18. By setting up contingencies, we draw the QV, transient stability curve for each case. Based on this, weak bus that are related to the voltage stability and contingencies that a great deal affect the voltage stability can be defined. From all of these, there are necessary methods to improve the stable voltage storage at weak bus. Keywords: using QV curve, transient stability curve, voltage stability, improve the stable voltage 1. GIỚI THIỆU của mạng lưới truyền tải. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống nằm trong Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là phạm vi cho phép (tùy vào tính chất mỗi nút sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống mà cho phép điện áp dao động trong phạm vi điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào chính trị, xã hội. Do đó, ổn định điện áp được trong thái ổn định khi xuất hiện các kích động quan tâm, nghiên cứu ở nhiều nước trên thế như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều giới cũng như ở Việt Nam để có các biện kiện của mạng lưới hệ thống, Các thay đổi pháp ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp. đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy Các thiết bị điện tử công suất hoặc hệ ra và nặng nhất là có thể rơi vào tình trạng thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ (FACTS) cung cấp các giải pháp kỹ thuật để điện áp. Nguyên nhân chủ yếu gây ra mất ổn giải quyết các vấn đề về ổn định điện áp. Nhờ định điện áp là hệ thống không có khả nâng độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong nhanh, các thiết bị bù công suất kháng như mạng. Các thông số có liên quan đến sụp đổ SVC, STATCOM có thể cung cấp trạng thái điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất phản kháng cùng với điện dung, điện kháng lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông ~ 1 ~
2. thường [1-3]. hiện công suất tác dụng và phản kháng truyền 2. MÔ HÌNH STATCOM TRONG HỆ giữa điện áp hệ thống để điều khiển là Vl và THỐNG ĐIỆN điện áp được tạo ra bởi VSC là E. STATCOM 2.1. Mô hình STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện STATCOM là một thiết bị chuyển đổi áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt Vref nguồn áp (VSI-Voltage -Source Inverter), nó (reference voltage – Vref) thông qua việc chuyển đổi nguồn điện áp một chiều thành điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi điện áp xoay chiều để bù công suất tác dụng giữa STATCOM và HTĐ. hoặc công suất phản kháng cho hệ thống. STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều khiển điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh điện áp và góc pha từ STATCOM Bằng cách khống chế điện áp của STATCOM, cùng pha với điện áp hệ thống, 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 của STATCOM thấp hơn Hình 2: Nguyên lý hoạt động cơ bản của điện áp hệ thống, dòng điện và dòng công STATCOM suất chạy từ lưới vào STATCOM, do vậy hạn Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp chế quá điện áp trên lưới điện [4]. phát ra bởi STATCOM E là cùng pha với VS (δ = 0), do đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải. Bằng cách điều khiển điện áp E tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp VS của hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc này dòng điện Iq hoạt động như một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống, qua đó nâng cao điện áp hệ thống lên. Ngược lại, nếu điện áp E tạo ra bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp VS của hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ Hình 1: Mô hình STATCOM hệ thống vào STATCOM, lúc này dòng điện 2.2. Nguyên lý hoạt động của STATCOM. Iq hoạt động như một điện cảm tiêu thụ công Việc thay đổi công suất phản kháng được suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của quá điện áp trên lưới điện. Nếu điện áp E tạo máy biến áp. VSC sử dụng các linh kiện điện ra bởi VSC và điện áp hệ thống VS bằng tử công suất (GTO, IGBT hoặc IGCT) để nhau thì không có trao đổi công suất phản điều chế điện áp xoay chiều ba pha E từ kháng. nguồn một chiều. Nguồn một chiều này được Hệ thống lưới điện Bạc Liêu năm 2015 lấy từ tụ điện. Nguyên lý hoạt động của được đưa vào khảo sát. Lưới điện Bạc Liêu STATCOM được chỉ rỏ trong hình 2.3, thể kết nối với Nhà máy điện gió Bạc Liêu có ~ 2 ~
3. tổng công suất 99 (MW) và nối vào lưới điện quốc gia 500 (kV). Trên hệ thống lưới điện trong khu vực được xem xét thực hiện bù công suất kháng do đây là nơi xa nguồn và nhà máy điện gió Bạc Liêu có công suất nguồn phát không ổn định. Kịch bản nghiên cứu ở đây là xây dựng đường đặc tuyến Q-V và đặc tuyến ổn định quá độ ở bus đặt thiết bị bù STATCOM và các bus lân cận. Dựa vào các đặc tuyến phân tích sự ổn định điện áp khi phụ tải tăng, nhà Hình 5: Đường cong Q-V trong phân tích ổn máy điện gió Bạc Liêu dao động công suất, định điện áp đường dây cung cấp điện hay STATCOM bị Để biểu diễn đường cong QV, một máy sự. phát tưởng tượng được đặt tại nút phân tích. Mô phỏng sơ đồ đơn tuyến khu vực Bạc Trục tung biểu diễn đầu ra của máy phát ảo Liêu kết hợp với nhà máy điện gió Bạc Liêu (MVAr). Trục hoành biểu diễn điện áp tương và thiết bị bù công suất phản kháng ứng trong đơn vị tương đối( pu). Đường cong STATCOM. QV xác định tải MVAr lớn nhất trước khi sụp đổ điện áp. Điểm vận hành cơ bản được xác định tại giao điểm giữa trục hoành và đường cong. Đây là điểm mà máy phát ảo phát công suất phản kháng OMVAr. Khi vạch đường cong đi xuống, nó thể hiện máy phát ảo phát công suất phản kháng MVAr giảm. Sự giảm này thể hiện sự tăng tải MVAr. Tại một điểm, giá trị MVAr của máy phát ảo sẽ ngừng giảm và chạm tới đáy của đường cong. Điểm này thể hiện sự tăng lớn nhất của tải MVAr tại nút Hình 4: Mô phỏng sơ đồ đơn tuyến khu vực này. Bất kì tải MVAr nào cao hơn sẽ gây ra nhà máy điện gió Bạc Liêu trên phần mềm sụp đổ điện áp [5]. PowerWolrd 2.4. Sử dụng đường cong QV, ổn định quá 2.3. Đường cong Q-V, ổn định quá độ độ trong PowerWorld Simulator 18 để (Transient stability) trong phân tích ổn phân tích ổn định điện áp hệ thống điện định điện áp. khu vực Bạc Liêu. Sự ổn định được quyết định bởi sự thay Số liệu dùng trong việc phân tích ổn định đổi công suất tác dụng P và công suất phản điện áp lấy năm 2012. kháng Q tác động như thế nào đến điện áp tại Các sự cố xét ở đây là tất cả các sự cố tại các nút. Tầm ảnh hưởng của đường đặc tính bus đặt STATCOM (đường dây, máy biến áp công suất phản kháng phụ thuộc vào thiết bị STATCOM ngắn mạch, đường dây kết nối ở bù được biểu diến rõ ràng trong quan hệ các bus lân cận với STATCOM bị sự cố), đường cong Q-V. Nó chỉ ra độ nhạy và biến công suất phát nhà máy điện gió Bạc Liêu bị thiên của nút điện áp đối với lượng công suất dao động hoặc bị cắt hoàn toàn. phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ [12]. 2.4.1. Sử dụng đường cong QV Nút có độ ổn định càng cao khi độ dự trữ ~ 3 ~
4. công suất phản kháng càng lớn, tức là có trị tăng lên rõ rệt. Khi hệ thống dư Q, tuyệt đối Qmin của đường cong QV càng lớn STATCOM thu Q và tiêu tán. và ngược lại. STATCOM Khi chưa đóng Khi đóng Xét trường hợp cơ bản, sau khi phân tích Điện Góc Điện Góc thu và phát Q tại mỗi nút, kết quả thể hiện Tên bus qua đồ thị. áp pha áp pha Trường hợp khi STATCOM không phát Q, (pu) (độ) (pu) (độ) 0 (MWAr). KCN 0,884 -30,97 0,97 -28,32 Hưng Phú Châu 0,890 -28,46 0,96 -26,53 Thành Phụng 0,890 -24,44 0,94 -21,21 Hiệp Bảng 2: Thông số điện áp tại các nút vận hành khi chưa có và khi có STATCOM Dựa vào phân tích mô hình và số liệu tính toán ở bảng ta thấy rằng, điện áp phát tại bus nhà máy điện gió Bạc Liêu (u = 1,00 pu) và Hình 6: Đặc tuyến QV của bus khi chưa có bus STATCOM (u = 1.00 pu) khi đóng STATCOM STATCOM. Các giá trị điện áp tại các bus Trường hợp khi STATCOM phát Q, giá trị KCN Hưng Phú và các bus lân cận được nâng phát 10 (MWAr) lên. Điều này chứng tỏ khi đóng thiết bị bù công suất phản kháng STATCOM thì điện áp bus đặt vị trí STATCOM hay các bus lân cận được nâng lên rõ rệt, làm ổn định điện áp toàn khu vực. 2.4.2. Sử dụng đường cong ổn định quá độ. Hệ thống vận hành ở chế độ bình thường. Khi có sự tác động làm nhiễu loạn hệ thống thì các thông số ổn định quá độ của máy phát điện gió hay STATCOM sẽ làm ảnh hưởng đến toàn hệ thống, tuy nhiên sự tác động làm nhiễu loạn hệ thống không ảnh Hình 7: Đặc tuyến QV của bus khi có hưởng nghiêm trọng và sau đó hệ thống quay STATCOM về trạng thái vận hành ban đầu. Trường hợp khi STATCOM thu Q, giá trị Thời gian bắt đầu mô phỏng là 0s và kết thu là 10 (MWAr) thức là 5 phút. Khi STATCOM không phát Q, độ dự trữ Thời gian bắt đầu tác động làm nhiễu loạn công suất phản kháng và giá trị điện áp ở các hệ thống là hệ thống là 1 phút. bus vận hành thấp. Khi đóng STATCOM, giá trị phát Q là 10 (MWAr), lúc này công suất phản kháng và độ dự trữ điện áp tại các bus ~ 4 ~
5. Hình 8: Dao động tần số phát của nhà máy Hình 11: Dao động điện áp phát của nhà điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng máy điện gió và STATCOM đến bus KCN Phú. Hưng Phú. Hình 9: Dao động góc pha máy phát điện gió Hình 12: Dao động công suất phát Q của Bạc Liêu đến bus KCN Hưng Phú nhà máy điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú. Hệ thống vận hành bị sự cố.  Đường dây bị cắt ngắn mạch. Đặc tuyến ổn định quá độ của nhà máy điện gió và STATCOM cấp điện đến bus KCN Hưng Phú khi đường dây từ bus Châu Thành đến bus KCN Hưng Phú bị cắt ngắn mạch 3 pha. Hình 10: Dao động góc pha máy STATCOM đến bus KCN Hưng Phú ~ 5 ~
6. Hình 13: Dao động điện áp ở bus bus KCN Hình 15: Dao động điện áp của bus KCN Hưng Phú khi đường dây bị ngắn mạch 3 pha Hưng Phú và bus Châu Thành khi STATCOM Điện áp phát của nhà nhà máy điện gió bị cắt ngắn mạch 3 pha. đến bus KCN Hưng Phú dao động ở 1 (pu), Điện áp của bus KCN Hưng Phú và bus tuy nhiên điện áp phát STATCOM đến bus Châu Thành khi chưa cắt ngắn mạch lần lược KCN Hưng Phú giảm dần đến 0 (pu) là 0,998 (pu) và 0,958 (pu). Sau khi STATCOM bị sự cố, điện áp giảm xuống 0,901 (pu) và 0,889 (pu).  Khi nhà máy điện gió Bạc Liêu (tổ máy 1) bị sự cố Hình 14: Dao động công suất phát Q của nhà máy điện gió và STATCOM đến bus KCN Hưng Phú. Công suất phát Q của STATCOM giảm dần về 0 (MWAr). Hình 16: Dao động điện áp của bus KCN  STATCOM bị cắt ngắn mạch. Hưng Phú và bus Châu Thành khi nhà máy Đặc tuyến ổn định quá độ của bus KCN điện gió Bạc Liêu (tổ máy 1) bị cắt ngắn Hưng Phú và bus Châu Thành khi STACOM mạch 3 pha. bị sự cố bị ngắn mạch 3 pha. ~ 6 ~
7. 3. Kết quả nghiên cứu Trước sự cố Sau sự cố Sự cố Bus Điện áp P Q Điện áp P Q (MW) (MVAr (MW) (MVAr ) ) KCN Hưng Phú 1,033 16 2 0,00 0 0 Đường dây Châu Thành 0,97 12 2 0,27 1 1 Phụng Hiệp 0,94 12 2 0,53 4 1 KCN Hưng Phú 1,033 16 2 0,90 14 2 STATCOM Châu Thành 0,97 12 2 0,90 11 0 Phụng Hiệp 0,94 12 2 0,91 11 2 KCN Hưng Phú 1,033 16 2 0,97 16 2 Tổ máy điện Châu Thành 0,97 12 2 0,95 12 2 gió Phụng Hiệp 0,94 12 2 0,94 12 2 Bảng 2: Phân tích các thông số điện áp của các bus khi hệ thống bị sự cố. Dựa vào phân tích đặc tuyến ổn định điện gió. Giá trị điện áp này không nằm quá độ và số liệu bảng 2 ta thấy rằng, khi sự trong giới hạn vận hành cho phép. Sau sự cố cố ngắn mạch 3 pha ở nhà máy điện gió Bạc ngắn mạch máy biến áp STATCOM các giá Liêu thì giá trị điện áp tại các bus thấp trị P, Q ở các bus giảm đến giá trị 0. nhưng vẫn nằm trong phạm vi vận hành cho 4. Kết luận phép. Nếu sự cố ngắn mạch 3 pha tại máy Việc ứng dụng các thiết bị FACTS biến áp của STATCOM thì mức độ dự trữ vào hệ thống truyền tải điện đã mang lại điện áp tại các bus đặt gần hệ thống bù những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là về STATCOM giá trị điện áp rất thấp Vì vậy, độ ổn định điện áp tại các bus, tăng độ tin nút có mức độ ổn định càng cao thì khả năng cậy cung cáp điện và giảm các dao động cung cấp công suất phản kháng càng lớn, điện áp. Sau khi lắp đặt STATCOM tại bus nghĩa là độ dự trữ công suất phản kháng Qđt KCN Hưng Phú, độ dự trữ công suất ổn (Qđt = - Qmax) càng lớn. định, các bus lân cận luôn vận hành ở trạng - Theo mô phỏng ta thấy khi sự cố thái ổn định. đường dây từ KCN Hưng Phú đến Châu Để đảm bảo ổn định điện áp trong Thành bị giảm về 0 (là sự cố ảnh hưởng đến lưới điện 220 kV khu vực miền nam, cụ thể dao động điện áp tại các nút lân cận trong là lưới điện khu vực Bạc Liêu có kết hợp với khu vực nhất) khi sảy ra sự cố 3 pha trên điện gió, luận văn đề xuất sử dụng thiết bị đường dây. Khi đó công suất cấp đến các bù công suất phản kháng STATCOM. bus cũng giảm xuống, nếu không có biện Sau khi lắp đặt STATCOM dự trữ ổn pháp khắc phục thì hoàn toàn có thể bị rã định điện áp tại các bus có điện áp thấp được lưới. nâng lên rõ rệt, hệ thống an toàn và tin cậy - Đặc biệt khi sảy ra sự cố ngắn mạch hơn trong chế độ làm việc, hạn chế tối đa máy biến áp STATCOM, bus đặt hiện tượng mất ổn định điện áp tại bus đặt STATCOM và các bus lân cận đều giảm STATCOM cũng như làm ổn định điện áp ở điện áp hơn hẳn so với khi sự cố tổ máy phát các bus lân cận. ~ 7 ~
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Đắc Lộc. Thiết bị FACTS trong hệ thống điện . Nhà xuất bản xây dựng, 2013. [2] Nguyễn Hoàng Việt, Phan Thị Thanh Bình. Ngắn mạch và ổn định trong hệ thống điện, 2013. [3] Lâm Hoàng Linh. Ứng dụng thiết bị FACTS để năng cao khả năng ổn định góc rotor trong máy phát. Đại học Thái Nguyên, 2009. [4] Phạm Văn Huy. Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng trong truyền tải điện năng, 2013. [5] Nguyễn Tùng Lâm, Trần Thị Hằng, Nguyễn Văn Nhật. Sử dụng đường cong PV/QV phân tích ổn định điện áp. Tuyển tập báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng, năm 2010. [6] Quyền Huy Anh. Vận hành tối ưu hệ thống điện, 2012. [7] Nhà máy điện gió Bạc Liêu. Hạng mục đường dây và trạm biến áp. Công ty TNHH hệ thống điện Tinh Cầu. [8] Nguyễn Văn Hưng. Tính toán, phân tích và đề xuất giải pháp năng cao vận hành an toàn lưới điện công ty truyền tải điện 2 đến năm 2015, năm 2013. [9] 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 và công nghệ, Đại học Đà Nẵng. [10] Nguyễn Xuân Dũng. Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền trung. Đại học Đà Nẵng, 2012. [11]. Võ Hồ Huy Hàn và Huỳnh Thế Bảo. Bài báo “Ứng dụng thiết bị FACTS trong truyền tải, 2014. [12] Dr. Nadarajah Mithunanthan, Mr.Arthit Sode-yome and Mr.Naresh Acharya. Application of FACTS Contronllers in Thailand Power Systems, 2005. [13] Prof. Dr. Grega Bizjak. Voltage control in the power supply network of oil platform with static compensators. University of Ljubljana, 2014. [14] Mania PAVELLA, Damien ERNST và Daniel RAIZ-VEGA. Transient stability of power system, 2012. [15] Electricity and New Energy, 2014. Static Synchronous Compensator (STATCOM).Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Nguyễn Hải Tâm Đơn vị: Trường cao đẳng cộng đồng Bình Thuận Điện thoại: 0985 672 169 Email: nhtam@btu.edu.vn ~ 8 ~
9. 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.