nghiên cứu ứng dụng của tcsc trong việc ngăn chặn mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀM ANH TUỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đàm Anh Tuệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng Toản trƣờng Đại học Điện lực Hà Nội. Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Đàm Anh Tuệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trƣờng, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng nhƣ sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Trong luận văn này, chúng tôi dùng phƣơng pháp hệ số phần dƣ để lựa chọn tối ƣu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Kết quả đƣợc thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC. Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định với nhiễu loạn nhỏ, hệ số phần dư, TCSC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN 3 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6 DANH MỤC CÁC BẢNG 7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8 Chương I GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 12 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ……………………………………………………………………… 12 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS…………………………………………………………… 13 1.3 CẤU TRÖC CỦA LUẬN VĂN 14 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 14 Chương II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 15 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 15 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới……………………… 15 2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện……………………………….27 2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện………………………………………… 30 2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện……………………………………………… 33 2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 33 2.2.1 Định nghĩa………………………………………………………………………33 2.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ……………… 35 2.2.3 Phƣơng pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ……………………… 42 2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 43 2.4 KẾT LUẬN 46 Chương III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN DO NHIỄU LOẠN NHỎ 47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 3.1 THIẾT BỊ TCSC 47 3.1.1 Giới thiệu chung……………………………………………………………… 47 3.1.2 Các lợi ích của việc dùng TCSC……………………………………………… 47 3.1.3 Mô hình TCSC………………………………………………………………….49 3.1.4 Phạm vi ứng dụng của TCSC trong thực tế…………………………………….54 3.2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM PSS/E 56 3.2.1 Giới thiệu chung……………………………………………………………… 56 3.2.2 Giới thiệu tổng quan về chƣơng trình PSS/E………………………………… 57 3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lƣu công suất…………………………….59 3.2.4 Tính toán tối ƣu trào lƣu công suất…………………………………………… 62 3.2.5 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E…………………… 73 3.3 KẾT LUẬN 77 Chương IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG 78 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 78 4.1.1 Tình trạng vận hành hiện tại của hệ thống điện Việt Nam…………………… 78 4.1.2 Quy hoạch phát triển năng lƣợng trong giai đoạn 2006-2010-2015……………88 4.2 CÁC TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG KHI CHƢA CÓ TCSC 102 4.3 DÙNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN DƢ ĐỂ LỰA CHỌN ĐIỂM ĐẶT TCSC 105 4.4 CÁC MÔ PHỎNG KHI CÓ TCSC 108 4.4.1 Các giá trị riêng……………………………………………………………… 108 4.4.2 Dao động điện với tín hiệu đầu vào khác nhau……………………………… 109 4.5 KẾT LUẬN 113 Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115 5.1 KẾT LUẬN 115 5.1.1 Nghiên cứu các sự cố………………………………………………………….115 5.1.2 Nghiên cứu về TCSC trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ……………115 5.2 KIẾN NGHỊ 116 Tài liệu tham khảo 117 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987 17 Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996 20 Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 20 Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20] 21 Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 24 Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trƣớc và sau khi 3h 25 phút 33 giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 25 Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trƣớc và sau khi tan rã [17] 27 Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 30 Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 32 Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 33 Hình vẽ II-11: Công suất trên đƣờng dây liên lạc California-Oregon trong quá trình sảy ra sự cố tan rã lƣới điện ngày 10/8 /1996 [20] 34 Hình vẽ II-12: Hàm truyền đạt 40 Hình vẽ III-1: Mô hình TCSC cơ bản 49 Hình vẽ III-2: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở  51 Hình vẽ III-3: Một TCSC điển hình 52 Hình vẽ III-4: Các nguyên lý vận hành cơ bản của TCSC 53 Hình vẽ III-5: TCSC lắp đặt trong HTĐ Brazil 56 Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối của PSS/E 59 Hình vẽ IV-1: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 79 Hình vẽ IV-2: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa mƣa. 103 Hình vẽ IV-3: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa khô. 104 Hình vẽ IV-4: Điểm đặt TCSC trên đƣờng dây 500kV lộ đơn của EVN2010 107 Hình vẽ IV-5: Các giá trị riêng của hệ thống khi đặt TCSC trên đƣờng dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng . 108 Hình vẽ IV-6: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào P 110 Hình vẽ IV-7: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào I 111 Hình vẽ IV-8: Dòng công suất trên đƣờng dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng với tín hiệu đầu vào P, I 111 Hình vẽ IV-9: Công suất phát của nhà máy HÕA BÌNH và HÀM THUẬN 112 Hình vẽ IV-10: Góc rotor của nhà máy điện Hoà Bình, Hàm Thuận, Phú Mỹ 113 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng III-1: Danh sách các TCSC đã đƣợc lắp đặt 54 Bảng IV-1: Điện năng tiêu thụ của Việt Nam từ 1995 - 2005 78 Bảng IV-2: Gia tăng nhu cầu phụ tải hàng năm từ 1995 - 2005 78 Bảng IV-3: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 79 Bảng IV-4: Các nhà máy điện hiện có 80 Bảng IV-5: Tổng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2000 - 2005 82 Bảng IV-6: Tổng nhu cầu điện năng 83 Bảng IV-7: Tóm tắt về đƣờng dây và các trạm biến áp 84 Bảng IV-8: Điện năng và công suất ở các trạm biến áp 500kV 85 Bảng IV-9: Các sự cố trên đƣờng dây 500kV 86 Bảng IV-10: Nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2006-2010-2020 88 Bảng IV-11: Tổng hợp nhu cầu điện năng của các miền 89 Bảng IV-12: Các nhà máy điện đƣợc đƣa vào vận hành đến năm 2015 90 Bảng IV-13: Danh sách đƣờng dây 500kV hiện có và đã đƣợc quy hoạch 98 Bảng IV-14: Danh sách trạm biến áp 500kV hiện có 100 Bảng IV-15: Hệ số phần dƣ của HTĐ trong mùa mƣa 105 Bảng IV-16: Hệ số phần dƣ của HTĐ trong mùa khô 106 8 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CIGRE Conseil International des Grands Réseaux Électriques or : International Council on Large Electric systems (Hiệp hội các hệ thống điện lớn) E.ON Netz A Transmission System Operator in Germany (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) EPRI Electric Power Research Institute (Viện nghiên cứu điện lực Mỹ) ESM Energy System Management (Hệ thống quản lý năng lƣợng) FACTS Flexible AC Transmission System (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) HTĐ Hệ thống điện HVDC High Voltage Direct Current (Đƣờng dây tải điện một chiều) IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ) MAM Modifier Arnoldi method (Phƣơng pháp Arnoldi hiệu chỉnh) MPĐ Máy phát điện PMU Phasor Measurement Unit (Hệ thống đo góc pha) PSS Power System Stabilizer (Bộ ổn định công suất) PSS/E Power System Simulation Engineering (Mô phỏng hệ thống điện) PTI Power Technology Inc. (Công ty phần mềm Inc - Mỹ) [...]... Transmission System) đã chứng tỏ tác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải... là sự mất ổn định HTĐ Một tổng kết của IEEE/CIGRE về các loại ổn định đƣợc chỉ ra trong hình vẽ ở dƣới đây: [1], [22] HỆ THỐNG ĐIỆN Ổn định góc roto Ổn định với nhiễu loạn nhỏ Ổn định tần số Nhiễu loạn nhỏ Ổn định quá độ Ngắn hạn Ổn định điện áp Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Kích động lớn Dài hạn Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng ổn định với nhiễu loạn nhỏ. .. các sự cố khác… trong 12 đó có một sự cố có liên quan trực tiếp đến hiện tƣợng mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung vào đề xuất các phƣơng án, nghiên cứu, và nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Ngày nay việc ứng dụng các công... có thể coi nhƣ là đủ nhỏ, không phá vỡ trạng thái làm việc của HTĐ ngay lập tức, do đó hệ phƣơng trình mô tả HTĐ có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ban đầu Phƣơng pháp sử dụng giá trị riêng, hệ số tham gia, hệ số phần dƣ đƣợc sử dụng chủ yếu để nghiên cứu, đánh giá hiện tƣợng ổn định với nhiễu loạn nhỏ ứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ, chúng tả phải nâng... lƣợng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải tối ƣu hóa điểm đặt các thiết bị này để nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ 14 Trong luận văn này, chúng tôi dùng phƣơng pháp hệ số phần dƣ để lựa chọn tối ƣu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ Kết quả đƣợc thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC 1.3... xảy ra trong HTĐ Nó liên quan đến khả năng duy trì/phục hồi sự cân bằng giữa mô 34 men điện từ và mô men cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể đƣợc phân loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ ( small signal stability), và ổn định. .. stability): Ổn định góc Rôto với nhiễu loạn nhỏ (hoăc ổn định góc Rôto với tín hiệu nhỏ ̣ hoặc ổn định tín hiệu nhỏ - SSS) là khả năng của một HTĐ vẫn còn duy trì đƣợc sự đồng bộ hóa khi trải qua các nhiễu loạn nhỏ (hay kích động nhỏ) Các nhiêu loạn ̃ đƣơc c oi la đủ nho để có thể dùng phƣơng pháp tuyên tí nh hoa xung quanh điểm ̣ ̀ ̉ ́ ́ cân băng hê thông điện cho muc đí ch phân tí ch tính chất ổn định. .. Trong đó việc mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính 13 Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ đƣợc tóm tắt ngắn gọn Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc điều... nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố tan rã HTĐ Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung vào nghiên cứu về vấn đề này 2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 2.2.1 Định nghĩa Môt sô đị nh nghĩ a của ổn định góc đƣơc biên soan bơi IEEE ̣ ́ ̣ ̣ ̉ /CIGRE [22] sẽ đƣơc trì nh bay trong phân nay ̣ ̀ ̀ ̀ Ổn định góc rô-to: liên quan đến khả năng của các MPĐ đồng bộ trong một HTĐ liên... này không những hữu ích cho việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phƣơng án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS Sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ đã đƣợc xem nhƣ là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan . tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Trong luận. đã chứng tỏ tác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và. KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐÀM ANH TUỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY