Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 Điều khiển VSC-HVDC - Ứng dụng truyền tải điện chiều Hội An – đảo Cù Lao Chàm Control of VSC-HVDC - Application of HVDC transmission Hoi An – Cu Lao Cham island PGS.TS Đoàn Quang Vinh Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Đinh Trung Kiên Công ty Tư vấn Xây dựng điện Miền Trung - Tổng Công ty Điện lực Miền Trung Email: dqvinh@dut.udn.vn, dtkien2006@gmail.com chuyển đổi VSC ba pha hai cấp cầu sáu xung nhằm mục tiêu cung cấp điện cho đảo Cù Lao Chàm với phụ tải 8MW Nội dung báo chia làm năm phần Ngoài phần mở đầu, phần hai trình bày nguyên tắc chung điều khiển VSC-HVDC Phần ba trình bày tính tốn cụ thể cho hệ thống điều khiển VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm Phần bốn trình bày kết mơ phần năm so sánh tổn thất điện với phương án truyền tải AC kết luận Tóm tắt Với phát triển điện tử công suất, hệ thống truyền tải điện chiều dựa chuyển đổi nguồn áp (VSC-HVDC) công suất nhỏ gồm hai trạm chuyển đổi kết nối qua đường cáp chiều mở khả truyền tải điện từ đất liền các đảo xa, góp phần phát triển kinh tế - xã hội đây, phù hợp với Quyết định số 568/QĐ-TTg ngày 28 tháng năm 2010 Thủ tướng Chính phủ việc Phê duyệt Quy hoạch phát triển kinh tế đảo Việt Nam đến năm 2020 Bài viết đề xuất hệ thống điều khiển cho VSCHVDC ứng dụng truyền tải điện chiều Hội An - đảo Cù Lao Chàm Nguyên tắc chung Điều khiển hệ thống VSC-HVDC điều khiển trao đổi lượng Có phương pháp khác để điều khiển hệ thống VSC-HVDC: phương pháp điều khiển trực tiếp phương pháp vec tơ sở điều khiển điện áp điều khiển dịng điện biến đổi VSC Tùy theo đặc tính lưới điện AC điểm kết nối, ta có cấu hình điều khiển đầu cuối VSC-HVDC khác [2], [3] Abstract: With the development of power semiconductors, the small power high voltage direct current transmission system based on Voltage Source Converters (VSC-HVDC) mainly consisting of two converter stations connected by a DC cable has led to the possibility transmission from the mainland to the island, contributing to economic development - social island This is in accordance with Decision No 568/QĐ-TTg April 28, 2010 the Prime Minister on approving the development plan Vietnam's economic island by 2020 This article presents the modelling and proposed the control system of VSC-HVDC application of direct current transmission Hoi An – Cu Lao Cham island 2.1 VSC-HVDC kết nối với lưới điện có phụ tải (khơng nguồn) Khi VSC-HVDC kết nối với lưới điện phụ tải, đầu kết nối với phụ tải cần ổn định điện áp AC điểm đấu nối khơng đổi Dịng cơng suất tác dụng phản kháng phụ thuộc vào công suất phụ tải chúng phụ thuộc Vì có nguồn điện áp AC nên không cần điều chỉnh tần số Do đó, dùng phương pháp điều khiển trực tiếp với điều khiển điện áp AC 2.2 VSC-HVDC kết nối với lưới điện có nguồn Khi VSC-HVDC kết nối với lưới điện AC có nguồn Giống trường hợp không nguồn, giữ cho điện áp điểm đấu nối không đổi Nếu nguồn ổn định, điện áp tự thân ổn định đầu cuối VSC-HVDC điều khiển dịng cơng suất phản kháng từ phía AC Trường hợp nguồn không ổn định, điện áp điều chỉnh bù công suất phản kháng Do tùy theo nguồn điện ổn định hay khơng mà ta có kiểu điều khiển công suất tác dụng không đổi hay điều khiển điện áp DC khơng đổi, ta có bốn kiểu khác để điều khiển đầu cuối hệ thống VSC-HVDC tác như: điều khiển P-VAC không đổi, điều khiển VAC-VDC không Chữ viết tắt AC DC HVDC VSC Alternating current Direct current Hight voltage direct current Voltage source converter Đặt vấn đề Với phát triển điện tử công suất, đặc biệt ứng dụng IGBT hệ thống truyền tải điện VSCHVDC với công suất nhỏ, có khả cung cấp điện ổn định cho phụ tải biệt lập đảo xa đất liền Bài báo đề xuất hệ thống điều khiển cho VSC-HVDC Hội An – đảo Cù Lao Chàm sử dụng VCCA-2011 400 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 đổi, điều khiển P-Q không đổi, điều khiển Q-VDC không đổi H đ tru ền t i n V C-HVDC Hội An – đ o Cù Lao Chàm Thông số cáp ngầm HVDC: Tính tốn cụ thể cho hệ thống VSCHVDC Hội An – Cù Lao Chàm Cáp HVDC-M(1x95)mm2 3.1 Thông số tính tốn hệ thống VSC-HVDC Thơng số VSC, điện kháng pha, tụ điện DC: Thông số VAC lưới VDC Giá trị 22 kV Sn L r Thông số Pmang tải CDC Giá trị 44 kV 10 MVA 0.039 H 0.487 51.65 F Lloc Cloc Giá trị 0.385 mH Rloc 16.43 F 4.84 Qf Qloc 15 2.5 MVAr Iđm r d g 17 MW 30kV 282 A 0.193/km 42mm 4.7 kg/m 3.2 Hệ thống điều khiển VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm 3.2.1 đ mạch điều khiển Sơ đồ mạch điều khiển điện áp AC phía trạm chuyển đổi VSC đảo Cù Lao Chàm (hình H 2) Sơ đồ mạch điều khiển DC cơng suất phản kháng phía trạm chuyển đổi VSC TBA 110kV Hội An (hình H 2) Thông số lọc AC: Thông số Vdc Thông số nguồn AC: Nguồn phía Hội An – TBA 110/22kV Hội An Thông số Snguồn SMBA Vsơ Vthứ L r Giá trị 100 MVA 16 MVA 115kV 22 kV 0.315 pu 0.024 pu H a đ mạch điều khiển phía trạm chu ển đổi V C đ o Cù Lao Chàm; b chu ển đổi V C TBA 110kV Hội An 3.2.2 Tổng hợp thông số điều khiển [1] Hàm truyền đạt (HTĐ) biến đổi với SPWM khâu trễ: VCCA-2011 (1) e T s / (1 Tw s) 1/ f s với fs tần số chuyển mạch w Tw biến đổi 401 đ mạch điều khiển phía trạm Hội nghị tồn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 Bộ điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) có hàm truyền đạt: R( s ) Kp Ki s K p Ti s Ti s (H 4) Sơ đồ khối điều khiển cơng suất phản kháng vịng ngồi: (H 5) Sơ đồ khối điều khiển điện áp AC: (H 6) (2) Hàm truyền đạt điện kháng pha có dạng: 1 L (3) ,t s.L r r t s r Sơ đồ khối điều khiển dòng điện vòng trong:(H 3) Sơ đồ khối điều khiển điện áp DC vịng ngồi: đ khối điều khiển dòng n vòng H H đ khối điều khiển n áp DC đ khối điều khiển công suất ph n kháng H H đ khối điều khiển n áp AC Hàm truyền đạt hở điều khiển dòng điện vòng trong: VCCA-2011 402 Gh1 K p1 Ti1 s 1 Ti1 s Tw s r t s Gh K p2 Ti s 1 Ti s Tw s r t s (4) Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 với = L/r Với tham số: Tw = 0.00025s, r = 0.001pu, Ti = = 0.08s Tổng hợp thông số điều khiển dịng điện theo tiêu chuẩn tối ưu mơ đun, ta có: Kp1 = Kp2 = 9.36; Ki1 = Ki2 = Kp1/Ti1 = 9.36/0.08 = 117 s-1 Hàm truyền hệ hở điều khiển dòng điện: 936 Gh1 0.00002s 0.08s H 10 Đ thị Bode mạch vòng điều khiển n áp DC Hàm truyền đạt hở điều khiển công suất phản kháng: Gh H Đáp ứng điều khiển dòng n H Đ thị Bode mạch vòng điều khiển dòng n K p4 Ti s 3Vxd Teq s (6) Tổng hợp thông số điều khiển Q phương pháp tối ưu mô: 3.12 Ki -2.08 s Gh 0.16025s s H 11 Đáp ứng điều khiển công suất ph n kháng Hàm truyền đạt hở điều khiển điện áp vịng ngồi: Gh3 K p3 Ti s 3V 1 xd Ti s Teq s 2VDC Cs (5) Teq tổng thời gian trễ vòng điều khiển dịng điện Tổng hợp thơng số điều khiển DC phương pháp tối ưu đối xứng, ta được: Kp3 = 0.66; Ki3 = 0.46 s-1 1.43s 0.99 Gh3 0.11s3 0.685s H 12 Đ thị Bode mạch vịng điều khiển cơng suất ph n kháng Hàm truyền đạt hở điều khiển điện áp AC: Gh5 K p5 Ti s 1 Ti s Tw s r t s Z L ZL jw L (7) r Tổng hợp thông số điều khiển điện áp AC phương pháp tối ưu mô đun, ta được: Kp5 = 0.76; Ki5 = 9.56 s-1 66.64 Gh5 0.00002s 0.08s H Đáp ứng điều khiển n áp DC VCCA-2011 403 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 H 13 Đáp ứng điều khiển n áp AC H 14 Đ thị Bode mạch vòng điều khiển n áp AC Kết mô 4.1 Mơ hình mơ (H 15) [4] H 15 đ tru ền t i n V C-HVDC Hội An – đ o Cù Lao Chàm Sóng điện áp dòng điện B2 đảo Cù Lao Chàm có tần số dao động f=50Hz (H 17) 4.2 Hệ thống VSC-HVDC hoạt động với phụ tải đảo Cù Lao Chàm khơng đổi Tại thời điểm t=0.05s, đóng máy cắt tải với P=8MW: ta thấy t=0.15s điện áp B2 ổn định giá trị định mức 1pu (H 16) 4.3 Hệ thống VSC-HVDC hoạt động với phụ tải đảo Cù Lao Chàm thay đổi Tại khoảng t=(0.5s 0.6s) cắt tải P3=1.5MW; t= (0.7s 0.8s) cắt tải P2=3MW, ta thấy Vabc không đổi, ổn định giá trị 1pu (H 18) H 16 óng cơng suất, n áp dòng n B2 đ o Cù Lao Chàm trường hợp t i khơng đổi H 18 óng cơng suất, n áp dòng n B2 đ o Cù Lao Chàm t=0.48s 0.85s 4.4 Hệ thống VSC-HVDC hoạt động trường hợp NM pha B2 đảo Cù Lao Chàm NM3 pha tồn khoảng t=(1s1.06s), ta thấy: thời điểm NM V, P, Q =0 I tăng lần; sau H 17 óng n áp dịng n B2 đ o Cù Lao Chàm kho ng t=0.5s0.6s VCCA-2011 404 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 thời điểm kết thúc NM t=1.2s V, P, Q ổn định Vabc =1pu (H 19) 4.5 Bảo vệ hệ thống VSC-HVDC Hội An - đảo Cù Lao Chàm [5] - Phía AC: dùng bảo vệ q dịng 50/51N, 67/67N - Phía DC: dùng bảo vệ so lệch 87 kết hợp rơ le quang 85 (H 20) H 19 óng cơng suất, n áp dịng n B2 đ o Cù Lao Chàm trường hợp ngắn mạch pha kho ng 0.95s đến 1.3s H 20 B o v phía DC h thống V C-HVDC Hội An – đ o Cù Lao Chàm má cắt AC r le b o v so l ch Kết ứng dụng đề tài sở nghiên cứu cho việc đưa điện lưới quốc gia đảo Cù Lao Chàm, góp phần phát triển kinh tế - xã hội đảo xa đất liền So sánh kết luận So sánh tổn thất công suất truyền tải: - Phương án truyền tải AC: tính trào lưu cơng suất phần mềm PSS/Adept-Siemens, tổn thất công suất tác dụng P= 1.033 MW (12.91%) (H.21) Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Doãn Phước: Lý thu ết điều khiển tu ến tính Nhà xuất Khoa học K thuật, 2008 [2] Tamiru Woldeyesus Shire: VSC-HVDC based Network Reinforcement M.Sc.Thesis Electrical power Engineering, Delft University of Technology, May 2009 [3] Temesgen Mulugeta Haileselassie: Control of Multi-terminal VSC-HVDC Systems M.Sc thesis, Norwegian University of Science and Technology, June 2008 [4] imPower stems™ User’s Guide © COPYRIGHT 1998–2011 by Hydro-Québec and The MathWorks, Inc [5] Bộ Công nghiệp: Quy phạm trang bị điện – Phần IV Bảo vệ tự động 11 TCN-212006 NXB Lao động - Xã hội, 2006 [6] HVDC Light transmission losses, www.abb.com/industries/db0003db004333/a c3bfe5336bf33c0c1257489002f1ce9.aspx H 21 Tính tốn trào lưu cơng suất tru ền t i AC - Phương án truyền tải DC: tổn thất đường cáp ngầm Pcap= 0.319 MW; theo tài liệu Tập đoàn thiết bị điện ABB tiêu chuẩn IEC 61803, tổn thất qua trạm chuyển đổi 1.6% so với công suất truyền tải qua trạm [6] Ptram= 0.256 MW, suy Ptong= 0.575MW (7.19%) Kết luận: Với mơ hình hệ thống điều khiển VSC-HVDC Hội An – Cù Lao Chàm đề xuất, kết mơ cho thấy hệ thống có khả kết nối truyền tải chiều từ TP Hội An đảo Cù Lao Chàm nhằm cung cấp điện cho đảo Về mặt tổn thất điện năng, phương án truyền tải DC có ưu điểm so với phương án truyền tải AC VCCA-2011 405 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 KS Đinh Trung Kiên Công ty Tư vấn Xây dựng điện Miền Trung - Tổng Công ty Điện lực Miền Trung Tốt nghiệp đại học ngành K thuật Điện năm 2000 Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Bảo vệ thành công luận văn Thạc s ngành Tự động hóa năm 2011 trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Biography PGS.TS Đoàn Quang Vinh Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tốt nghiệp đại học ngành K thuật Điện năm 1986 Trường Đại học Điện – Máy Plzen, Tiệp Khắc Nhận Tiến s ngành K thuật Điện năm 1996 trường Đại học Tây Tiệp, Cộng hòa Séc Từ năm 1987 đến nay: Cán trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng VCCA-2011 406