Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark

Bài viết Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ lọc để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện. Cơ sở của nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn các nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để phòng tránh hiện tượng cộng hưởng.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 47 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘ LỌC ĐỂ LOẠI TRỪ SỰ CỐ CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN IEEE FIRST BENCHMARK USING THE BLOCKING FILTER TO PREVENT SUBSYNCHRONOUS RESONANCE, APPLICATION TO IEEE FIRST BENCHMARK SYSTEM Lê Đức Tùng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tung.leduc1@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp sử dụng khối lọc để ngăn ngừa cố cộng hưởng đồng hệ thống điện Cơ sở nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để phòng tránh tượng cộng hưởng Tác giả xây dựng thuật toán xác định thông số lọc để loại bỏ tần số có khả gây dao động cộng hưởng đoạn trục tuabin-máy phát Kết tính tốn mơ hình chuẩn IEEE First Benchmark kiểm nghiệm hiệu phương pháp sử dụng lọc đề xuất báo Các phân tích tính tốn thơng qua phương pháp trị riêng phương pháp mô miền thời gian thực so sánh đánh giá Abstract - This paper presents the method of using the blocking filters to prevent subsynchronous resonance problems in electrical power systems The basis of the study stems from the requirement to prevent low frequency wave sources from the grid to the generator, to avoid resonance The author has developped an algorithm to define filter parameters to eliminate frequencies that can cause resonant oscillations on turbine-generator shaft sections The calculation results on the IEEE First Benchmark standard model have tested the efficiency of the filter method proposed in this paper The computational analysis through the eigenvalue methods and the time domain simulation are also performed and compared Từ khóa - Ổn định hệ thống điện; cộng hưởng đồng (SSR); tuabin-máy phát nhiệt điện; lọc thụ động Key words - Power system stability; SubSynchronous Resonance (SSR) ; thermal turbine-generator; passive filter Đặt vấn đề Hệ thống điện bao gồm nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây tải điện thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) kết nối với nhau, có nhiệm vụ sản xuất, truyền tải phân phối điện Đặc điểm hệ thống điện trình độ xảy nhanh, yêu cầu cao tính liên tục hoạt động ổn định Do đó, việc nghiên cứu q trình q độ điện có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo vận hành hệ thống điện đảm bảo yêu cầu đề Nhà máy điện sở công nghiệp làm nhiệm vụ sản xuất điện từ dạng lượng tự nhiên khác nhiệt than đốt cháy, phản ứng hạt nhân, từ nước, lượng gió… Máy phát điện thiết bị điện, kết nối với hệ thống điện Do đó, hoạt động máy phát chịu ảnh hưởng lớn từ phát sinh bất thường hệ thống Hiện tượng cộng hưởng đồng SSR ghi nhận giới lần bắt nguồn từ cố nhà máy nhiệt điện Mohave, Hoa Kì vào hai năm liên tiếp 1970, 1971 [1] Sự cố gây hư hỏng nghiêm trọng trục tuabin máy phát Khi phân tích liệu thực tế cố ghi lại thiết bị đo (Oscillographs), người ta nhận thấy, ngồi dịng điện tần số đồng cịn có xuất thành phần tần số điện fe nhỏ tần đồng Khi nghiên cứu chi tiết giá trị tần số thu được, nhà nghiên cứu tìm thấy giá trị tần số phụ fm =fs –fe, mà fm trùng với tần số dao động tự nhiên trục tuabin (ở đây, fs tần số đồng hệ thống điện) [1] Nghiên cứu lý thuyết rằng, xuất tần số điện fe tụ bù dọc đường dây gây nên [1, 2] Mặt khác, ta biết trục tuabin máy phát nhiệt điện có nhiều đoạn trục nối khối tuabin cao áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ với (Hình 1) Chính cấu tạo gồm nhiều đoạn trục – khối nên thân đoạn trục có tần số dao động tự nhiên Để tránh tượng cộng hưởng tần số cao, người ta thường chế tạo đoạn trục tuabin có tần số tự nhiên nằm khoảng từ 10 đến 40 Hz nhà máy nhiệt điện 10 Hz nhà máy thủy điện [1-3] Khi tần số fm có giá trị gần với tần số dao động tự nhiên trục trục dao động tần số tự nhiên với biên độ tăng dần trở thành tượng cộng hưởng Các nhà nghiên cứu gọi tượng gọi cộng hưởng đồng gây mỏi trục nguy hiểm gây phá hủy hỏng hóc trục tuabin máy phát Hình Trục tuabin nhà máy nhiệt điện Vũng Áng Trước năm 2015, hệ thống điện Việt Nam chưa có ghi nhận cụ thể xuất hiện tượng SSR Tuy nhiên vào năm 2015, tổ máy số nhà máy nhiệt điện Vũng Áng xảy cố gây nứt trục tuabin ngừng hoạt động tổ máy Tuy chưa có báo cáo thức cố phân tích sơ rằng, nguyên nhân tượng SSR Hiện tượng SSR nghiên cứu rộng rãi giới [1-13] Ở nước, năm gần có nhiều nghiên cứu thực Trong [2, 3], tác giả xây dựng mơ hình chuẩn cơng cụ tính tốn phục vụ cho việc tính tốn mơ SSR Các phương pháp nghiên cứu SSR xem xét phân tích [2, 4] Một số giải pháp đề xuất thay tụ bù dọc thiết bị bù công suất phản kháng linh hoạt để loại trừ SSR [5] Lê Đức Tùng 48 Bài báo trình bày phương pháp sử dụng lọc thụ động để loại trừ cố SSR hệ thống điện Phương pháp cho phép sử dụng tụ bù dọc đường dây để nâng cao khả truyền tải độ ổn định hệ thống Bộ lọc thụ động áp dụng cho việc giảm thiểu tác hại SSR 1.1 Cấu tạo nguyên lý lọc Một lọc gồm cuộn cảm L, điện trở R tụ C Được nối với hình R L id i q C (hình 4), cụ thể điểm cuối phía trung tính cuộn dây cao áp máy biến áp (Hình 5) [6] 1.2 Lựa chọn thông số lọc để loại trừ SSR Phương pháp sử dụng lọc để loại trừ SSR xuất phát từ nguồn tác nhân tạo tượng cộng hưởng đồng dịng điện có tần số điện fe gây tụ bù dọc Như vậy, cần tìm cách chặn dịng điện tần số cách lắp lọc thụ động nối tiếp trước máy phát Mỗi đoạn trục tuabin máy phát nhiệt điện có tần số dao động tự nhiên Do đó, để ngăn chặn cộng hưởng đoạn trục cần bảo vệ lọc riêng biệt Chúng ta xem xét phương pháp xác định thông số lọc gồm giá trị R, L C [6, 7] Ud U q Hình Các phần tử lọc thụ động Chức lọc tạo tổng trở có giá trị cao dịng điện có tần số cần chặn, lại tạo tổng trở thấp dịng điện có tần số khác (Hình 3) Như vậy, ta cần số lọc với số “Mode” trục tuabin Hình Tổng trở lọc theo tần số HT BL MF Hình Bộ lọc nối tiếp với máy phát (BL: Bộ lọc) MBA MF A B C D HV HT LV n=n Mode A B C K K K XC1 XL1 XC1 R1 XL1 XC1 R1 XL1 R1 XCn XLn XCn Rn XLn XCn Rn XLn Rn Hình Vị trí lắp đặt lọc Để ngăn chặn sóng có tần số thấp chạy vào máy phát, lọc đặt nối tiếp máy phát hệ thống điện Hình Sơ đồ quy trình tính tốn thơng số lọc Tổng trở nhìn từ hai đầu lọc xác định sau: 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 𝑍(𝜔) = (𝐿𝑛𝑡𝑅)//𝐶 = (1) + 𝑗𝜔𝑅𝐶 − 𝜔 𝐿𝐶 Khi R nhỏ, 𝑍(𝜔) lớn tần số cộng hưởng 𝜔𝑝 = (2) √𝐿𝐶 Khi đó, tần số cộng hưởng 𝜔𝑝 , tổng trở có giá trị: 𝑅 + 𝑗𝜔𝑝 𝐿 𝑍𝑝 = (3) 𝑗𝜔𝑝 𝑅𝐶 Khi 𝜔0 𝐿 >> 𝑅, ta có (Q lớn): 𝐿 (4) 𝑍𝑝 = 𝑅𝐶 Trong đó, Q hệ số chất lượng cuộn kháng: ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 7, 2020 2𝜋𝑓𝑜 𝐿 𝑅 Tổng trở tần số bản: 𝜔0 𝐿 𝑍𝑓𝑜 = − 𝜔 −1 𝜔𝑝 (5) 𝑄= (6) Chúng ta nhận thấy: giá trị L lớn dẫn tới tổng trở tần số cộng hưởng 𝑍𝑝 lớn (bộ lọc hoạt động hiệu quả), nhiên lại dẫn tới tổng trở tần số 𝑍𝑓𝑜 tăng theo Điều giống việc tăng mức độ bù tụ bù dọc [6] Giá trị điện trở R nhỏ Q lớn, nhiên thực tế Q có giá trị lý tưởng nằm khoảng từ 50 đến 200 [7] Hình trình bày sơ đồ thuật tốn xác định thông số cho lọc với đầu vào tần số tự nhiên đoạn trục tuabin Áp dụng cho mơ hình chuẩn IEEE 49 thuận lợi thông số cho phù hợp với thông số thực tế, IEEE đưa kết nghiên cứu sơ bộ, từ giúp cho nhà nghiên cứu có sở để so sánh kiểm tra kết làm tiền đề cho nghiên cứu Thơng số mơ hình giới thiệu Bảng Bảng [8] Mơ hình gồm máy phát, tuabin gồm khối HP, IP, LPA, LPB, GEN EXC, nối tiếp với máy biến áp tăng áp, đường dây có gắn tụ bù dọc cuối nút vô lớn Như vậy, mơ hình FBM, trục tuabin - máy phát có Mode phải dùng lọc để loại bỏ tần số dao động riêng Bảng [4] Bảng Tần số dao động tự nhiên trục tuabin máy phát Mode Mode Mode Mode Mode Mode Phần ảo trị riêng Tần số dao động (Hz) 98,71 15,71 126,98 20,21 160,53 25,55 202,88 32,29 298,19 47,46 2.1 Trị riêng véc-tơ riêng dùng lọc Bảng Kết tính tốn thơng số lọc L (H) Hình Sơ đồ mơ hình First BenchMark C (F) R (Ôm) Bộ lọc Mode 0,026362994 0,000489862 0,033128715 Bộ lọc Mode Bộ lọc Mode Bộ lọc Mode Bộ lọc Mode 0,018873138 0,055101344 0,043281793 0,1405641 0,023716684 0,069242391 0,054389505 0,176638058 0,000847755 0,000387279 0,000761913 0,001145233 Bảng Kết tính trị riêng có lọc Hình Sơ đồ trục tuabin mơ hình First BenchMark Bảng Thơng số lưới mơ hình First BenchMark [8] Điện trở đường dây Thành phần thứ tự thuận 0,02 Thành phần thứ tự không 0,5 Điện kháng MBA 0,14 0,14 Điện kháng đường dây Điện kháng hệ thống Kháng tụ điện (ứng với trường hợp bù 74,2%) 0,5 0,06 1,56 0,06 0,371 0,371 Thông số Bảng Thơng số tuabin mơ hình First BenchMark [8] Qn tính Khối HP Khối IP Khối LPA Khối LPB Khối GEN Khối EXC Hằng số quán tính (H) 0,092897 0,155589 0,858670 0,884215 0,868495 0,0342165 Khối trục Độ cứng K (pu) HP-IP IP-LPA LPA-LPB LPB-GEN GENEXC 19,303 34,929 52,038 70,858 2,82 Mơ hình chuẩn First BenchMark (FBM) IEEE xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu tượng cộng hưởng đồng (Hình 7) Việc nghiên cứu mơ hình chuẩn Bậc trị riêng 1,2 3,4 5,6 7,8 9,10 11,12 13,14 15,16 17,18 19,20 21,22 23,24 25,26 27,28 29,30 31,32 33,34 35,36 37,38 39,40 41,42 43,44 45,46 47,48 Phần thực trị riêng -1,4667 -0,7413 -1,1087 -1,0918 -4,5803 -5,2121 -2,7809 -1,1588 -1,0971 -1,1332 -1,0723 -0,6283 -0,0000 -0,9674 -0,0266 -0,6283 -0,9654 -0,0267 -0,8771 -0,1080 -0,8648 -0,0410 -0,5267 -1,2655 Phần ảo trị riêng ±12324,000 ±10778,000 ±11687,000 ±11456,000 ±5534,900 ±4578,800 ±686,690 ±640,850 ±617,540 ±579,440 ±538,900 ±551,130 ±298,180 ±214,980 ±202,920 ±202,850 ±174,470 ±160,580 ±136,360 ±127,010 ±112,800 ±99,034 ±67,643 ±14,973 Tần số (Hz) 1961,43 1715,37 1860,04 1823,28 880,91 728,74 109,29 101,99 98,28 92,22 85,77 87,72 47,46 34,22 32,30 32,28 27,77 25,56 21,70 20,21 17,95 15,76 10,77 2,38 Lê Đức Tùng 50 49 50 51 52 -20,5040 -33,5420 -3,8721 -0,4833 0 0 0 0 Áp dụng thuật tốn theo sơ đồ hình 6, xác định thông số lọc bảng Các trị riêng véctơ riêng (Bảng 5) cho thấy, tất phần thực trị riêng âm, tức trị riêng nằm bên trái trục ảo Theo tiêu chuẩn ổn định, ta kết luận hệ thống ổn định hay nói cách khác, tượng SSR khơng xảy lắp lọc 2.2 Mô miền thời gian Tác giả sử dụng công cụ mô EMTP tiến hành mơ hình hố sơ đồ IEEE FBM xây dựng mơ hình lọc với thơng số Bảng Kịch mơ có kích thích ngắn mạch nút (Hình 7) thời điểm 0,1s khoảng thời gian 0,075s với trường hợp bù khác nhau, trước sau lắp lọc Kết mơ Hình phù hợp với kết IEEE đưa Biên độ dao động momen trục có xu hướng tăng lên nhiều lần (dạng cộng hưởng) sau cố Như SSR xảy Hình Mơ-men (pu) trục bù 74,2% (khơng có lọc) Hình 10 Mô-men (pu) trục bù 74,2% (khi lắp lọc) Khi lắp lọc, kết mô Hình 10 cho thấy, dao động mơmen trục có xu hướng tắt dần Như vậy, với kịch bản, SSR không xảy hệ thống lắp lọc Kết mô phù hợp với kết phương pháp trị riêng đưa Mục 3 Kết luận Trong báo này, tác giả trình bày phương pháp sử dụng lọc thụ động để ngăn ngừa cố cộng hưởng đồng hệ thống điện Nguyên lý hoạt động sơ đồ thuật tốn xác định thơng số lọc dược giới thiệu Các kết tính tốn với mơ hình chuẩn IEEE minh chứng tính đắn, tính khả quan phương pháp đề xuất Cả phương pháp trị riêng phương pháp mô miền thời gian cho kết quả, khẳng định lọc sử dụng để ngăn ngừa cố SSR Các nghiên cứu áp dụng lọc để loại trừ SSR vào hệ thống điện Việt Nam đầu tư phát triển thời gian tới Lời cảm ơn: Tác giả gửi lời cảm ơn sinh viên Lê Gia Thi (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) hỗ trợ tính tốn cho nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D N Walker, C E Bowler, R.L Jackson and D.A Hodges, “Results of subsynchronous resonance test at Mohave”, IEEE Transactions on PAS Sept/Oct, pp 1878- 1889, 1975 [2] Lê Đức Tùng, "Mô mơ hình chuẩn IEEE ATP/EMTP phục vụ cho nghiên cứu tượng cộng hưởng đồng bộ", Tạp chí khoa học-cơng nghệ trường kỹ thuật, 110, 1-6, 2016 [3] T.N Minh, L.Đ Tùng, N.H Việt, N.T Đức L.G Thi “Xây dựng mơ hình máy phát - turbine nhiệt điện Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số đồng bộ”, Tạp chí KH&CN - Đại học Đà Nẵng, 5(114), trang 61-65, 2017 [4] Lê Đức Tùng, "Phương pháp trị riêng phân tích tượng cộng hưởng đồng Áp dụng cho mô hình IEEE FIRST BENCHMARK", Tạp chí khoa học&cơng nghệ- Đại học Thái Nguyên, 6, trang 229-236, 2020 [5] T V Dinh, H A Nguyen, and C Q Le, “Selection of Facts device to prevent Subsynchronous resonance at Vung Ang I, II Thermal Power Plants”, (in Vietnamese), DU Journal of Science and Technology, 7, pp 71-75, 2015 [6] Xiaorong Xie, “Applying Improved Blocking Filters to the SSR Problem of the Tuoketuo Power System”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 28, No.1, February 2013 [7] D.J.N Limebeer, R.G Harley, M.A Lahoud, Suppressing subsynchronous resonance with static filters, IEE PROC, Vol 128, Pt Q No 1, January 1981 [8] IEEE SSR Task Foree, “First Benchmark Model For Computer Simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, 96(4), pp.1565-1572, 1977 [9] ZHANG Zhi-qiang and XIAO Xiang-ning, “Analysis and Mitigation of SSR Based on SVC in Series Compensated System”, 2009 International Conference on Energy and Environment Technology (2009) [10] IEEE SSR Task Foree, “Second Benchmark Model For Computer Simulation of Subsynchronous Resonance” IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, pp 1057-1066, 1985 [11] P.M Andreson, B.L Agrawal, J.E Van Ness, “Subsynchronous Resonance In Power Systems”, IEEE PRESS, pp 9-18, 1990 [12] L Dong, J Kong, J Feng and Y Zhang, "Subsynchronous Resonance Mitigation for Series Compensation Transmission System of DFIG Based on PR Control”, 2019 IEEE 10th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), pp 734-738, 2019 [13] X Yanhui and S Ge, "Effect of shaft parameter uncertainty on subsynchronous resonance simulation”, 2012 Power Engineering and Automation Conference, Wuhan, pp 1-4, 2012 (BBT nhận bài: 08/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/7/2020) ... phương pháp sử dụng lọc thụ động để loại trừ cố SSR hệ thống điện Phương pháp cho phép sử dụng tụ bù dọc đường dây để nâng cao khả truyền tải độ ổn định hệ thống Bộ lọc thụ động áp dụng cho việc... phương pháp đề xuất Cả phương pháp trị riêng phương pháp mô miền thời gian cho kết quả, khẳng định lọc sử dụng để ngăn ngừa cố SSR Các nghiên cứu áp dụng lọc để loại trừ SSR vào hệ thống điện Việt... số cho lọc với đầu vào tần số tự nhiên đoạn trục tuabin Áp dụng cho mơ hình chuẩn IEEE 49 thuận lợi thơng số cho phù hợp với thông số thực tế, IEEE đưa kết nghiên cứu sơ bộ, từ giúp cho nhà nghiên