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)

Nội dung text: 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)

1. Ph ạm Th ị H ồng Anh Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 99(11): 3 - 8 MỘT PH ƯƠ NG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊ NH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ D ỤNG ĐỒNG TH ỜI BỘ ỔN ĐỊ NH CÔNG SU ẤT(PSS) VÀ THI ẾT B Ị BÙ NGANG T ĨNH (SVC) Ph ạm Th ị H ồng Anh * Tr ường Đạ i h ọc Công ngh ệ Thông tin &Truy ền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM T ẮT Sự m ất ổn đị nh c ủa hệ thống điện (HT Đ) th ường do ph ụ t ải c ủa h ệ th ống thay đổ i, công su ất làm vi ệc c ủa máy phát c ần thay đổ i theo. Do có s ụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầ u c ực máy phát bị bi ến thiên, l ệch kh ỏi tr ị s ố đị nh m ức. N ếu không có bi ện pháp điều ch ỉnh, độ l ệch s ẽ rất đáng k ể ảnh h ưởng đế n ch ất l ượng điện n ăng. Để đả m b ảo cho h ệ th ống làm vi ệc t ốt thì c ần ph ải lo ại b ỏ được ho ặc làm suy gi ảm t ới m ức t ối thi ểu nh ững nhi ễu lo ạn trên h ệ th ống. M ất ổn đị nh góc rotor máy phát điện đã được xem nh ư là một trong nh ững nguyên nhân chính d ẫn đế n m ột s ố s ự c ố tan rã HT Đ g ần đây. Đứ ng trên quan điểm phòng ng ừa s ự c ố m ất ổn đị nh góc rotor máy phát điện, c ần ph ải nâng cao h ệ th ống điều khi ển b ằng cách l ắp đặ t thêm các thi ết b ị c ản hay thêm các mô men c ản khi có dao độ ng công su ất nh ư: các thi ết b ị ổn đị nh công su ất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) ho ặc các thi ết b ị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) Bài báo đề xu ất s ử d ụng đồng th ời b ộ ổn đị nh công su ất (PSS) và thi ết b ị bù ngang SVC cho m ục đích này. Từ khóa: PSS, SVC, ổn đị nh h ệ th ống điện, PSS/E, máy phát điện ĐẶT V ẤN ĐỀ * lắp đặ t thêm các thi ết b ị c ản hay thêm các mô Các h ệ th ống điện (HT Đ) nói chung và HT Đ men c ản khi có dao độ ng công su ất nh ư: các Vi ệt Nam đang ph ải đố i m ặt v ới nhi ều thách thi ết b ị ổn đị nh công su ất ở các máy phát điện th ức nh ư: s ự t ăng lên quá nhanh c ủa nhu c ầu (power system stabilizers-PSS) ho ặc các thi ết ph ụ t ải, c ạn ki ệt v ề tài nguyên thiên nhiên nh ư bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) Trong đó thi ết b ị PSS, than đá, d ầu m ỏ (k ể c ả ti ềm n ăng v ề ngu ồn SVC đã được ch ứng minh là có tác d ụng r ất th ủy điện). T ất c ả các y ếu t ố này làm cho lớn trong vi ệc nâng cao ổn đị nh góc rotor. HT Đ ngày càng tr ở lên r ộng l ớn v ề qui mô, Trong th ực t ế, HT Đ th ường là r ộng l ớn, v ới khó kh ăn trong qu ản lý, v ận hành và ph ối h ợp nhi ều đường dây liên l ạc trong khi s ố l ượng điều khi ển. Chính vì v ậy mà m ột s ố HT Đ có th ể các thi ết b ị điều khi ển thì th ường h ạn ch ế v ề đang được v ận hành g ần v ới gi ới hạn ổn đị nh. số l ượng vì lý do kinh t ế và k ỹ thu ật, do đó HT Đ tr ở lên “nh ạy c ảm” v ới các s ự c ố có th ể một v ấn đề đặ t ra là ph ải l ựa ch ọn thi ết b ị t ối xảy ra và có th ể d ẫn đế n m ất ổn đị nh. Trong ưu để nâng cao ổn đị nh. Do v ậy, bài báo đề đó có r ất nhi ều s ự c ố liên quan tr ực ti ếp đế n cập đế n v ấn đề s ử d ụng đồ ng th ời b ộ ổn đị nh hi ện t ượng m ất ổn đị nh góc rotor máy phát công su ất PSS và thiết b ị bù ngang t ĩnh SVC điện. Chính vì v ậy mà vi ệc nghiên c ứu v ề nh ằm nâng cao kh ả n ăng ổn đị nh góc rotor nâng cao ổn đị nh HT Đ là m ột nhu c ầu c ấp máy phát điện. thi ết đố i v ới HT Đ nói chung và HT Đ Vi ệt ỔN ĐỊ NH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO Nam nói riêng [1], [2], [3]. Sự c ố m ất ổn đị nh góc rotor máy phát điện đã được xem nh ư là m ột trong nh ững nguyên nhân chính d ẫn đế n m ột s ố s ự c ố tan rã HT Đ ầ đ Đứ đ ể ừ ự g n ây. ng trên quan i m phòng ng a s cố m ất ổn đị nh góc rotor máy phát điện, c ần ph ải nâng cao h ệ th ống điều khi ển b ằng cách Hình 1: Góc rotor ph ản ứng v ới m ột nhi ễu lo ạn * Tel: 0985 504561, Email: [email protected] thoáng qua 3
2. Ph ạm Th ị H ồng Anh Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 99(11): 3 - 8 Ổn đị nh góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến không thay đổi. Không có nó nh ững thay đổ i kh ả n ăng c ủa các máy phát điện (MP Đ) đồng ổn đị nh v ề t ốc độ s ẽ d ẫn đế n thay đổ i điện áp bộ trong m ột HT Đ liên k ết v ẫn còn gi ữ được đầu cu ối. sự đồ ng b ộ hóa sau khi tr ải qua các kích độ ng - Kh ối khu ếch đạ i ổn đị nh (stabilizer gain 3) có th ể x ảy ra trong HT Đ. Nó liên quan đến KSTAB để khu ếch đại tín hi ệu, và xác định kh ả n ăng duy trì, ph ục h ồi s ự cân b ằng gi ữa giá tr ị c ủa các momen c ản được đưa vào b ởi mô men điện t ừ và mô men c ơ khí của m ỗi hệ th ống kích t ừ chính. Lý t ưởng kh ối khu ếch máy phát điện đồ ng b ộ trong HT Đ. S ự m ất ổn đại thi ết l ập t ại m ột giá tr ị t ươ ng ứng v ới giá định có th ể x ảy ra khi có s ự t ăng lên c ủa góc tr ị c ản l ớn nh ất. rotor của m ột s ố MP Đ d ẫn đế n s ự m ất đồ ng Sử d ụng PSS để nâng cao ổn đị nh bộ hóa so với các MP Đ khác trong HT Đ. Ổn định góc có th ể được phân lo ại thành 2 lo ại: Ch ức n ăng c ủa thi ết b ị PSS là thêm momen ổn đị nh góc v ới nhi ễu lo ạn nh ỏ (small signal cản để gi ảm dao độ ng c ủa rotor máy phát stability), và ổn đị nh góc khi quá độ (transient điện. Điều này đạt được b ằng cách điều ch ỉnh stability). kích thích máy phát điện để c ải thi ện m ột thành ph ần c ủa mô- men điện đồ ng pha v ới THI ẾT B Ị ỔN ĐỊ NH CÔNG SU ẤT – độ l ệch t ốc độ rotor. T ốc độ tr ục rotor, tích POWER SYSTEM STABILIZER (PSS) phân công su ất và t ần s ố cu ối m ột trong các Mô hình thi ết b ị tín hi ệu đầ u vào th ường được s ử d ụng để đưa vào PSS. THI ẾT B Ị SVC SVC là thi ết b ị bù ngang dùng để tiêu th ụ công su ất ph ản kháng có th ể điều ch ỉnh b ằng cách t ăng hay gi ảm góc m ở c ủa thyristor, được t ổ h ợp t ừ hai thành ph ần c ơ b ản: - Thành ph ần c ảm kháng để tác độ ng v ề m ặt công su ất ph ản kháng (có th ể phát hay tiêu Hình 2: Sơ đồ điển hình v ề h ệ th ống kích t ừ th ụ công su ất ph ản kháng tùy theo ch ế độ Mô hình ví d ụ v ề PSS được Kundur mô t ả nh ư vận hành). hình v ẽ. - Thành ph ần điều khi ển bao g ồm các thi ết b ị điện t ử nh ư thyristor ho ặc tri ác có c ực điều khi ển, h ệ th ống điều khi ển góc m ở dùng các bộ vi điều khi ển nh ư 8051, PIC 16f877, VAR Hình 3: Sơ đồ m ột h ệ th ống kích t ừ đơn gi ản v ới thi ết b ị AVR và PSS Trong đó PSS g ồm 3 kh ối sau: - Kh ối bù pha (phase compensation 5): cung cấp đặ c tính s ớm pha t ươ ng thích để bù s ự tr ễ Hình 4: Sơ đồ nguyên lý c ủa thi ết b ị SVC pha gi ữa đầ u vào b ộ kích t ừ và mô men điện Sử d ụng SVC cho phép nâng cao kh ả n ăng t ải từ máy phát (khe h ở không khí). của đường dây m ột cách đáng k ể mà không - Kh ối l ọc cao t ần (signal washout 4) v ới h ằng cần dùng đến nh ững ph ươ ng ti ện điều khi ển số th ời gian TW đủ l ớn để cho phép tín hi ệu đặc bi ệt và ph ức t ạp trong v ận hành. Các ch ức ghép n ối v ới dao độ ng trong b ộ l ọc cao t ần năng chính c ủa SVC bao g ồm: 4
3. Ph ạm Th ị H ồng Anh Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 99(11): 3 - 8 - Điều khi ển điện áp t ại nút có đặ t SVC có th ể thi ết b ị ch ống dao động công su ất vào HT Đ. cố đị nh giá tr ị điện áp. Ở đây ta xét đồng th ời ảnh h ưởng c ủa thi ết b ị - Điều khi ển trào l ưu công su ất ph ản kháng PSS và SVC trên h ệ th ống điện nghiên c ứu. tại nút được bù. Mô hình PSS được l ấy b ởi model STAB1 trong th ư vi ện c ủa PSS/E v ới các thông s ố - Gi ới h ạn th ời gian và c ường độ quá điện điển hình và mô hình SVC được l ấy b ởi áp khi x ảy ra s ự c ố (m ất t ải, ng ắn m ạch ) model t ụ điện t ĩnh CSTATT trong th ư vi ện trong HT Đ. PSS/E. - Tăng c ường tính ổn đị nh c ủa HT Đ - Gi ảm s ự dao độ ng công su ất khi x ảy ra s ự cố trong HT Đ nh ư ng ắn m ạch, m ất t ải độ t ng ột Ngoài ra, SVC còn có các ch ức n ăng ph ụ đem l ại hi ệu qu ả khá t ốt trong quá trình vận hành HT Đ nh ư: - Làm gi ảm nguy c ơ s ụt áp trong ổn đị nh t ĩnh - Tăng c ường kh ả n ăng truy ền t ải c ủa đường dây Hình 5: Mô hình h ệ th ống - Gi ảm góc làm vi ệc δ làm t ăng c ường kh ả Hệ th ống điện khi ch ưa có thi ết b ị PSS và SVC năng v ận hành c ủa đường dây Tại th ời điểm t=1s thì x ảy ra ng ắn m ạch trên - Gi ảm t ổn th ất công su ất ra và điện n ăng. đường dây 8-9 m ạch 2, sau đó 0,3s thì đường dây b ị c ắt ra. K ết qu ả là góc rotor c ủa các MÔ HÌNH H Ệ TH ỐNG ĐIỆN máy phát điện thay đổ i và do đó điện áp t ại Để mô ph ỏng ứng d ụng c ủa PSS và SVC thanh góp 8 c ủa h ệ th ống và công su ất trên trong vi ệc nâng cao ổn định góc rotor v ới ổn đường dây c ũng dao độ ng. Hình v ẽ mô ph ỏng định quá độ , trong ph ần này tác gi ả gi ới thi ệu cho ta th ấy rõ s ự thay đổ i c ủa góc rotor các mô hình h ệ th ống điện chu ẩn theo Kundur máy phát điện, điện áp trên thanh góp 8 và nh ư hình 5. dòng công su ất trên đường dây 7-8, 8-9 m ạch Trong mô hình này, h ệ th ống ba pha 50 Hz, 1 khi có s ự c ố ngắn m ạch trên đường dây 8-9 230 kV ch ỉ th ể hi ện m ột pha nh ư hình v ẽ, bao mạch 2. Theo đó ta th ấy, tín hi ệu góc c ủa gồm 4 máy phát điện có công su ất 900MVA máy phát G1 và G2 có hình dáng gi ống nhau, và điện áp 20kV, được chia thành hai h ệ góc rotor là ổn đị nh ở hai chu k ỳ đầ u tiên, th ống điện con n ối v ới nhau thông qua đường nh ưng dao động và tr ở nên b ất ổn đị nh sau dây t ải điện kép có chi ều dài 220km. hai chu k ỳ là k ết qu ả c ủa các biên độ dao KẾT QU Ả MÔ PH ỎNG ĐỘ NG HTĐ động ngày càng tăng và tr ạng thái cu ối cùng Qua tính toán và phân tích quá trình ổn đị nh là t ăng t ốc và m ất ổn đị nh hoàn toàn. T ươ ng góc rotor cho HT Đ chu ẩn theo IEEE. Ch ươ ng tự nh ư v ậy là góc rotor c ủa máy phát G3 và trình PSS/E [6] được dùng để mô ph ỏng độ ng G4 có hình d ạng gi ống nhau, góc rotor là ổn hệ th ống điện. Các thông s ố c ủa HT Đ chu ẩn định ở hai chu k ỳ đầ u tiên, nh ưng sau hai chu Kundur bao g ồm các thông s ố trào l ưu công kỳ các biên độ dao độ ng ngày càng t ăng và su ất, thông s ố độ ng c ủa các MP Đ c ũng nh ư tr ạng thái cu ối cùng là m ất ổn đị nh hoàn toàn, hệ th ống kích t ừ, điện áp t ại thanh cái c ũng góc rotor lúc này gi ảm th ấp. được mô ph ỏng. Điện áp t ại thanh góp 8, khi x ảy ra ng ắn m ạch Nh ư đã phân tích ổn đị nh quá độ ta th ấy gi ảm t ừ 0,98 (pu) xu ống 0,2 (pu), sau khi c ắt nguyên nhân chính c ủa m ất ổn đị nh góc roror ng ắn m ạch giá tr ị điện áp t ại đây t ăng lên và máy phát điện liên quan tr ực ti ếp đế n hi ện ổn đị nh ở hai chu k ỳ đầ u tiên, nh ưng sau đó tượng thi ếu mô men c ản dao độ ng trong dao động v ới biên độ ngày càng t ăng v ới giá HT Đ, và dao động công su ất. Vì v ậy, để gi ảm tr ị l ớn nh ất là 1,8(pu) và t ần s ố dao độ ng nh ỏ. nguy c ơ m ất ổn đị nh thì c ần ph ải có thêm các Sự m ất ổn đị nh ở góc rotor máy phát làm cho thi ết b ị cung c ấp mô men c ản dao động và công su ất trên đường dây c ũng dao độ ng, 5
4. Ph ạm Th ị H ồng Anh Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 99(11): 3 - 8 được th ể hi ện trên hình 8, 9; giá tr ị công su ất trên 2 đường dây này tr ước khi x ảy ra ng ắn mạch là 200 MVA, khi ng ắn m ạch x ảy ra công su ất gi ảm v ề không. Sau kho ảng th ời gian 0,3s (c ắt ng ắn m ạch), lúc này công su ất nh ảy v ọt: công su ất trên đường dây 7-8 nh ảy vọt lên giá tr ị kho ảng 275 MVA, và dao động với biên độ l ớn nh ất là 325 MVA, dao động tăng d ần và m ất ổn đị nh Hình 7: Góc rotor máy phát G2 trong hai tr ường Nh ư v ậy, giá tr ị góc rotor máy phát điện, điện hợp không và có s ử d ụng PSS/SVC áp và công su ất trên đường dây đề u dao độ ng với biên độ ngày càng t ăng, và k ết qu ả cu ối cùng là m ất ổn đị nh hoàn toàn. Mô ph ỏng độ ng tr ước và sau khi s ử d ụng thi ết b ị PSS, và SVC. Ch ươ ng trình PSS/E được dùng để mô ph ỏng đáp ứng đồ ng th ời c ủa h ệ th ống khi không trang b ị và có trang b ị PSS,SVC v ới gi ả thi ết Hình 8: Góc rotor máy phát G3 trong hai tr ường sự c ố ng ắn m ạch 3 pha trên đường dây 8-9 hợp không và có PSS/SVC mạch 2. S ự dao độ ng c ủa tham s ố gi ảm và t ắt dần sau khi x ảy ra s ự c ố ch ứng t ỏ tác d ụng cản dao độ ng c ủa thi ết b ị PSS/SVC. Góc rotor máy phát G1, G2, G3, G4 dao động trong 2 chu k ỳ đầ u tiên sau đó d ần tr ở nên ổn đị nh, và đạt đế n giá tr ị đồ ng b ộ sau kho ảng 10 giây. Nếu so sánh s ự ổn đị nh c ủa h ệ th ống khi không có PSS/SVC và khi có PSS/SVC, thì các hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ch ỉ ra r ằng: khi Hình 9: Điện áp trên thanh góp 8 khi không và có ch ưa có PSS/SVC, thì góc rotor máy phát sử d ụng PSS/SVC điện, điện áp trên thanh góp và dòng công su ất trên đường dây 7-8, 8-9 m ạch 1 (base- case: đường màu đỏ) dao độ ng khá l ớn và tr ạng thái cu ối cùng là m ất ổn đị nh hoàn toàn. Khi có PSS/SVC thì dao động t ắt nhanh h ơn và nhanh chóng đạt t ới giá tr ị ổn đị nh sau kho ảng 5s. Hình 10: Công su ất trên đường dây 7-8 m ạch 1 khi không và có s ử d ụng PSS/SVC Hình 6: Góc rotor máy phát G1 trong hai tr ường Hình 11: Công su ất trên đường dây 8-9 m ạch 1 hợp không và có s ử d ụng PSS/SVC khi không và có s ử d ụng PSS/SVC 6
5. Ph ạm Th ị H ồng Anh Tạp chí KHOA H ỌC & CÔNG NGH Ệ 99(11): 3 - 8 Để làm rõ thêm tác d ụng c ủa hai thi ết b ị nghiên c ứu tính toán, thi ết k ế c ũng nh ư v ận PSS/SVC thì ta xét ba tr ường h ợp, khi không hành h ệ th ống điện. Đặ c bi ệt là khi chúng ta có PSS/SVC ( đường màu xanh n ước bi ển), đầu t ư l ắp đặ t đồ ng th ời thi ết b ị PSS, SVC s ẽ khi ch ỉ có PSS ( đường màu xanh lá cây) và cho hi ệu qu ả t ốt trong vi ệc nâng cao ổn đị nh khi có c ả PSS/SVC ( đường màu đỏ). T ừ hình hệ th ống điện. vẽ ta th ấy r ằng khi dùng đồng th ời PSS và SVC ( đường màu đỏ) có hi ệu qu ả cao h ơn trong vi ệc nâng cao ổn đị nh quá độ . Trong hình v ẽ 12, 13 đã ch ứng t ỏ hi ệu qu ả c ủa PSS và SVC trong vi ệc c ản dao độ ng góc rotor và công su ất truy ền t ải gi ữa hai h ệ th ống con. Trong tr ường h ợp c ơ b ản dao độ ng nhi ều h ơn và nhanh chóng m ất ổn đị nh, và khi có PSS thì dao động ít h ơn và nhanh chóng đến tr ạng thái ổn đị nh v ới giá tr ị x ấp x ỉ giá tr ị ban đầ u khi ch ưa x ảy ra ng ắn m ạch, đặ c bi ệt khi thêm SVC thì dao động t ắt nhanh h ơn và giá tr ị Hình 13: Điện áp t ại thanh góp 8 trong các điện áp đạ t giá tr ị t ốt h ơn (b ằng giá tr ị điện áp tr ường h ợp không có PSS/SVC, khi ch ỉ có PSS, và khi có c ả PSS/SVC khi ch ưa x ảy ra ng ắn m ạch) hay nói cách khác là h ệ th ống điện an toàn h ơn. TÀI LI ỆU THAM KH ẢO [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 Hình 12: Công su ất trên đường dây 8-9 m ạch 1 [4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout trong các tr ường h ợp không có PSS/SVC, khi ch ỉ Review," available at website: có PSS, và khi có PSS/SVC KẾT LU ẬN 4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html. Bài báo đã gi ới thi ệu v ề c ấu t ạo và nguyên lý [5]."2003 North America Blackout," available at làm vi ệc, các mô hình c ũng nh ư l ợi ích c ủa website: vi ệc s ử d ụng đồ ng th ời PSS và SVC. Các k ết North-america-blackout. qu ả mô ph ỏng s ử d ụng ph ần m ềm PSS/E là [6]. Đại h ọc Điện l ực Hà N ội (2007), Áp d ụng công c ụ dùng để tính toán, ch ứng minh hiệu PSS/ADEAPT 5.0 trong l ưới điện phân ph ối. qu ả c ủa thi ết b ị PSS, SVC trong vi ệc nâng [7]. Binns, D.F (1986), Economics of electrical cao ổn đị nh góc rotor máy phát điện. Các k ết power engineering, Electricial logic power Ltd., qu ả này s ẽ giúp ích r ất l ớn trong công tác PO Box 14, Manchester M16 7QA. 7