Nghiên cứu ứng dụng tụ bùn dọc có điều khiển để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện

B GIO DC V O TO TRNG I HC BCH KHOA H NI Nguyn c Thun NGHIấN CU NG DNG T B DC Cể IU KHIN NNG CAO KH NNG N NH CA H THNG IN Chuyờn ngnh : H thng in LUN VN THC S KHOA HC H THNG IN NGI HNG DN KHOA HC : TS L MINH KHNH H Ni Nm 2010 -3- Mục lục Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Mở đầu Chng Tổng quan phơng pháp tính toán phân tích ổn định động htđ 1.1 Khái niệm ổn định động hệ thống điện 1.2 Các phơng pháp nghiên cứu ổn định động 1.2.1 Phơng pháp tích phân số 1.2.2 Phơng pháp diện tích 1.2.3 Phơng pháp trực tiếp (phơng pháp thứ hai Lyapunov) 1.2.4 Phơng pháp diện tích mở rộng (EEAC) 1.3 Vấn đề nâng cao ổn định động 1.4 Kết luận chơng Chơng - Giới thiệu Các thiết bị FACTS ứng dụng hệ thống điện 2.1 Đặt vấn đề 2.2 Lợi ích sử dụng thiết bị FACTS, phân loại thiết bị FACTS 2.2.1 Các u điểm sử dụng thiết bị FACTS 2.2.2 Phân loại thiết bị FACTS 2.3 Một số thiết bị FACTS 2.3.1 Tụ bù dọc điều khiển thyristor (TCSC) 2.3.2 Tụ bù tĩnh điều khiển thyristor (SVC) 2.3.3 Tụ bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM) 2.3.4 Thiết bị điều khiển góc pha Thyristor (TCPAR) 2.3.5 Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp (UPFC) 2.4 Khả áp dụng thiết bị FACTS Việt Nam 2.5 Kết luận chơng hai Chơng - Hiệu tcsc việc nâng cao ổn định động cho hệ thống điện 3.1 Cuộn kháng có điều khiển Thyristor (TCR) 3.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động mô hình TCSC 3.2.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt động TCSC 3.1.2 Cấu trúc mô hình -1- Trang 03 04 06 07 08 10 14 14 17 17 23 25 26 27 29 30 30 31 31 31 34 34 35 36 38 39 41 42 43 43 46 46 49 3.1.3 Tín hiệu điều khiển TCSC 3.2 Thuật toán điều chỉnh TCSC 3.2.1 Điều khiển TCSC theo tín hiệu đóng cắt 3.2.2 Điều khiển TCSC theo tác động tối u 3.2.3 Hiệu điều khiển theo tín hiệu đo công suất truyền tải 3.2.4 Hiệu điều khiển theo tín hiệu đo dòng điện đờng dây 3.2.5 Hiệu điều khiển theo tín hiệu đo góc lệch 3.3 Kết luận chơng ba Chơng - nghiên cứu hiệu TCSC với lới điện nút ứng dụng tcsc cho lới điện việt nam 4.1 Hiệu nâng cao ổn định TCSC với lới nút điển hình 4.1.1 Mô mạng lới điện nút điển hình 4.1.2 Tổng quan phần mềm PSS/E 4.1.3 ứng dụng chơng trình PSS/E với lới nút điển hình 4.2 ứng dụng TCSC cho lới điện Việt Nam (sơ đồ năm 2010) 4.2.1 Đặt toán nghiên cứu cho lới điện Việt Nam 4.2.2 Kết tính toán ổn định cha có TCSC 4.2.3 Kết tính toán ổn định có TCSC tín hiệu điều khiển dòng công suất 4.2.4 Kết tính toán ổn định có TCSC tín hiệu điều khiển dòng điện 4.3 Kết luận chơng bốn KếT LUậN kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục -2- 51 52 52 54 58 59 60 60 62 62 62 65 69 78 78 80 80 82 83 84 85 86 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên riêng Các số liệu, kết tính toán xác trung thực Công trình cha đợc công bố tạp trí khoa học Nguyễn đức thuận -4- Lời cảm ơn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô Đại Học Bách Khoa Hà Nội, thầy cô Khoa Điện truyền đạt cho em nhứng kiến thức quý báu để em hoàn thành luận văn Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy Lã Minh Khánh tận tình hớng dẫn bảo em suốt trình thực luận văn Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình tạo điều kiện thuận lợi suốt trình học tập hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Trờng Đại Học Điện Lực tạo điều kiện giúp đỡ trình học tập thực luận văn Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Nguyễn Đức Thuận -5- DANH mục kí hiệu, chữ viết tắt HTĐ Hệ thống điện QTQĐ Quá trình độ CĐXL Chế độ xác lập FACTS Flexible AC Transmission Systems: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt OMIB One-machine-infinite-bus: Quá trình đẳng trị hoá hệ thống điện phức tạp thành mô hình đơn giản máy phát nối với nút hệ thống có công suât vô lớn EEAC Extend Equal-Area Criterion: Phơng pháp diện tích mở rộng SVC Static Var Compensator: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh UPFC Unified Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất hợp GTO Gate turn off: Các cửa đóng mở STACOM Static Compensator: Bộ bù tĩnh SVG Static Var Generator: máy phát công suất phản kháng tĩnh TCR Thyristor Controlled Reactor: Cuộn kháng điều khiển thyristor TSR Thyristor Switched Reactor: Cuộn kháng đóng cắt thyristor TSC Thyristor Controlled Capacitor: Tụ điện điều khiển thyristor SSSC Static Synchoronous Series Compensator: Bộ bù dọc đồng tĩnh IPFC Interline Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất đờng dây TCPAR ứng dụng Thyristor để điều chỉnh góc lệch pha điện áp pha đờng dây TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor: Tụ dọc điều khiển thyristor VSC Voltage Source Converter: Bộ chuyển đổi nguồn điện áp SVS Synchoronous Voltage Source: Nguồn điện áp đồng PSS/E Power System Simulator for Engineering: Chơng trình phân tích, tính toán hệ thống điện -6- Danh mục bảng Bảng 4.1 Thông số máy phát điện .63 Bảng 4.2 Thông số điện kháng máy phát.63 Bảng 4.3 Thông số máy biến áp 63 Bảng 4.4 Phân bố công suất phụ tải cấp điện áp máy phát ngày 64 Bảng 4.5 Phân bố công suất phụ tải trung áp ngày 64 Bảng 4.6 Các phơng pháp tính toán CĐXL PSS/E.68 -7- Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 15 Hình 1.2 Đặc tính công suất hệ thống đơn giản cắt đột ngột mạch đờng dây 15 Hình 1.3 Hình vẽ minh họa phơng pháp hình thang23 Hình 1.4 Đặc tính công suất đờng dây 23 Hình 2.1 Sơ đồ khối loại thiết bị FACTS 33 Hình 2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động TCSC 34 Hình 2.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động SVC 35 Hình 2.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động STATCOM 37 Hình 2.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động TCPAR.38 Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo UPFC39 Hình 3.1 Cuộn kháng đợc điều khiển Thyristor 44 Hình 3.2 Biến thiên dòng điện TCR44 Hình 3.3 Đặc tính điều chỉnh TCR (a) biên độ sóng hài bậc cao (b) 45 Hình 3.4 Cu to c bn ca TCSC 46 Hình 3.5 Đặc tính thay đổi dung kháng TCSC 49 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển TCSC 50 Hình 3.7 Mô hình kênh điều chỉnh ổn định TCSC 50 Hình 3.8 Mô hình điều khiển TCSC PSS/E 50 Hình 3.9 Sơ đồ HTĐ đơn giản 53 Hỡnh 3.10 Hiu qu tỏc ng úng ct t bự.53 Hình 3.11 Lựa chọn thời điểm tác động tối u 57 Hình 3.12 Hiệu tác động TCSC theo tín hiệu công suất.59 Hình 4.1 Sơ đồ lới điện nút .62 -8- Hình 4.2 Không gian trạng thái.71 Hình 4.3 Các bớc tính toán mô động72 Hình 4.4 Đặc tính góc lệch máy phát hệ thống cha có TCSC 73 Hình 4.5 Sơ đồ lới xét có TCSC73 Hình 4.6 Đặc tính góc lệch máy phát hệ thống có TCSC (tín hiệu điều khiển công suất).74 Hình 4.7 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển công suất 75 Hình 4.8 Dao động góc lệch roto cha đặt có đặt TCSC điều chỉnh tín hiệu công suất (1-Cha đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC) 75 Hình 4.9 Đặc tính góc lệch máy phát hệ thống có TCSC (tín hiệu điều khiển dòng điện).76 Hình 4.10 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển dòng điện77 Hình 4.11 Dao động góc lệch roto cha đặt có đặt TCSC điều chỉnh tín hiệu dòng điện (1-Cha đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC)77 Hình 4.12 Sơ đồ lới 500 kV lắp đặt thêm TCSC79 Hình 4.13 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (Khi cha lắp đặt TCSC) 80 Hình 4.14 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi lắp đặt TCSC tín hiệu DDK công suất).81 Hình 4.15 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển công suất 81 Hình 4.16 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi lắp đặt TCSC tín hiệu DDK dòng điện)82 Hình 4.17 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển dòng điện83 -9- mở đầu Lý chọn đề tài Cùng với trình đổi phát triển kinh tế đất nớc, hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam có bớc phát triển nhảy vọt, quy mô, công suất lẫn phạm vi lới cung cấp điện Từ năm 1994 đờng dây siêu cao áp 500 kV Việt Nam, Với tổng chiều dài gần 1500 km đợc xây dựng xong đa vào vận hành, nối liền HTĐ khu vực (Bắc, Trung, Nam) thành HTĐ hợp Việc hình thành HTĐ hợp Bắc Trung Nam nâng cao hiệu kinh tế, độ tin cậy vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nhanh chóng nguồn điện đa dạng, công suất lớn, mở rộng phạm vi lới điện khắp miền đất nớc Tuy nhiên, với phát triển nhanh chóng sơ đồ HTĐ Việt Nam với cấu trúc ngày phức tạp, xuất kèm theo nhiều vấn đề kỹ thuật cần quan tâm giải quyết, có vấn đề đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy cho HTĐ hợp Theo dự báo quy hoạch phát triển sơ đồ HTĐ Việt Nam đến năm 2020 năm nhu cầu điện liên tục tăng trởng với tốc độ (10 - 15)% năm Nhiều nguồn điện cần đợc đa vào với quy mô công suất ngày lớn Lới điện 500 kV phát triển hầu nh khắp miền đất nớc: từ nhà máy thuỷ điện Sơn La đến Mũi Cà Mau Vấn đề điều chỉnh công suất (tác dụng phản kháng) để đảm bảo ổn định chất lợng điện trở thành vấn đề phải quan tâm đặc biệt Cùng với phát triển nhanh chóng quy mô hầu hết nớc giới, nhiều thiết bị phơng tiện điều khiển đời nhằm đáp ứng nâng cao độ tin cậy ổn định vận hành HTĐ phức tạp, đặc biệt hệ thống truyền tải điện áp cao siêu cao áp Đặc biệt thiết bị điều khiển nhanh, mềm dẻo áp dụng cho lới truyền tải điện xoay chiều (FACTS) Các thiết bị bớc đầu đợc nghiên cứu áp dụng cho HTĐ Việt Nam - 10 - Hình 4.12 Sơ đồ lới 500 kV lắp đặt thêm TCSC - 79 - 4.2.2 Kết tính toán ổn định cha có TCSC Qua đặc tính góc lệch roto máy phát cố ngắn mạch pha mạch đờng dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng, thời gian ngắn mạch kéo dài 100 ms (hình 4.20) thấy hệ thống ổn định động Hình 4.13 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (Khi cha lắp đặt TCSC) 4.2.3 Kết tính toán ổn định có TCSC tín hiệu điều khiển dòng công suất TCSC điều khiển: T1 =0.05, T2=0.08, T3=5, TW= 4, K=0.014, Xmin=-0.01 ( 25 ); Xmax=-0.018 ( 45 ); X0=-0.01 TCSC làm việc chế độ điều khiển dung kháng, tín hiệu ĐK : công suất - 80 - Hình 4.14 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi lắp đặt TCSC tín hiệu DDK công suất) Hình 4.15 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển công suất - 81 - 4.2.4 Kết tính toán ổn định có TCSC tín hiệu điều khiển dòng điện TCSC điều khiển T1 = 0.05, T2 = 0.08, T3 = 5, TW = 4, K = 0.014 Xmin = -0.01 ( 25 ) ; Xmax = -0.018 ( 40 ); X0 = -0.01 TCSC làm việc chế độ điều khiển dung kháng , tín hiệu ĐK : Dòng điện Hình 4.16 Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly (khi lắp đặt TCSC tín hiệu DDK dòng điện) - 82 - Hình 4.17 Điện kháng điều chỉnh TCSC tín hiệu điền khiển dòng điện Qua đặc tính dao động roto máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông Hinh, Yaly thấy hệ thống ổn định, dao động góc lệch giảm nhanh (hình 4.21 4.23) Trên hình 4.22 hình 4.24 biến thiên điện kháng TCSC (chọn X C = X C = 25 , X C max = 40 ) 4.3 Kết luận chơng Các phân tích, so sánh hiệu điều chỉnh tín hiệu đầu vào TCSC khác sơ đồ HTĐ nút sơ đồ HTĐ Việt Nam cho thấy u điểm nhợc điểm trờng hợp cố HTĐ Với tín hiệu đầu vào mặc định công suất truyền tải hay dòng điện đờng dây qua TCSC, điện kháng TCSC thay đổi tơng ứng trình điều chỉnh, cho phép giảm dao động công suất nâng cao khả ổn định động HTĐ Kết ứng dụng TCSC cho HTĐ Việt Nam có cố nặng nề cho thấy hiệu cao nhằm cải thiện QTQĐ Mặt khác việc lựa chọn tín hiệu điều khiển đầu - 83 - vào góp phần quan trọng nâng cao hiệu ứng dụng TCSC cho HTĐ Việt Nam trờng hợp có cố - 84 - Kết luận kiến nghị Kết luận Các thiết bị FACTS ngày đợc ứng dụng nhiều lĩnh vực điều khiển linh hoạt HTĐ đại Với HTĐ liên kết với đờng dây truyền tải dài, bên cạnh tác dụng làm giảm điện kháng đờng dây để điều khiển giới hạn công suất truyền tải, TCSC có vai trò quan trọng việc điều khiển QTQĐ Khi có tác động thích hợp, TCSC thiết bị linh hoạt hiệu để nâng cao ổn định động HTĐ liên kết Tính linh hoạt TCSC thể qua khả điều khiển động phạm vi rộng mà không làm thay đổi cấu trúc chung hệ thống điện Hiệu vận hành thiết bị FACTS nói chung thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC nói riêng phụ thuộc thuật toán điều khiển (tín hiệu đầu vào) Việc lựa chọn thuật toán điều khiển có vai trò định sử dụng TCSC Với phân tích phần quy luật điều khiển TCSC theo tín hiệu liên tục với tín hiệu đầu vào công suất dòng điện qua TCSC tín hiệu điều khiển ổn định động có hiệu Cùng cấu trúc điều khiển cấu tạo TCSC, tín hiệu điều đóng vai trò quan trọng, điều khiển công suất tác dụng có hiệu tốt với góc lệch dao động nhỏ (0 - 900) Với cố nặng, dao động mạnh, góc lệch vợt 900 đổi dấu công suất, hiệu bị hạn chế (tác dụng âm phạm vi trên) Điều khiển theo tín hiệu dòng điện có tác dụng trì đợc ổn định góc lệch dao động mạnh (kể với cố nặng) QTQĐ Tuy nhiên lại có hiệu thấp dao động nhỏ Nghiên cứu ứng dụng TCSC theo sơ đồ HTĐ Việt Nam 2010 nút 500kV Hà Tĩnh chứng tỏ tác động điều khiển TCSC hiệu để nâng cao ổn định động cho hệ thống điện Việt Nam - 85 - Kiến nghị Với tốc độ phát triển nhanh chóng HTĐ Việt Nam nh nay, để đảm bảo yêu cầu độ tin cậy ổn định vận hành nên có kế hoạch nghiên cứu ứng dụng TCSC vào HTĐ, đặc biệt vị trí nhạy cảm nh đờng dây 500kV Tuy nhiên để ứng dụng lắp đặt TCSC cho HTĐ, cần có nghiên cứu thuật toán điều khiển thích hợp nhằm nâng cao hiệu ứng dụng TCSC cho HTĐ Việt Nam Hớng nghiên cứu Nghiên cứu tìm vị trí đặt tối u, số lợng TCSC cho trờng hợp cụ thể Bài toàn điều khiển QTQĐ: Hiệu TCSC ứng với trờng hợp cố khác ảnh hởng chi tiết tín hiệu điều chỉnh TCSC trờng hợp cố - 86 - Tài liệu tham khảo R Mohan Mathur, Rajiv K Varma (2002), Thyristor Based FACTS Controllers For Electrical Transmission Systems, IEEE Press Athans M and Franb P L (1966), Power Flow and Transient Stability Models of FACTS, McGRAW-Hill, NewYork Narain G Hingorani, Laszlo Gyugyi, Understanding FACTS, IEEE Press, NewYork Lã Văn út (2001), Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa học kĩ thuật, Hà Nội Trần Bách (2001), ổn định hệ thống điện, NXB Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà Nội Đại Học Bách Khoa Hà Nội (2006), Báo cáo kết NCKH Nghiên cứu phát triển phơng pháp đảm bảo ổn định động vận hành hệ thống điện Việt Nam, Bộ Môn Hệ thống điện, Hà Nội Lã Minh Khánh (2007), Đánh giá mức độ ổn định hệ thống điện, Điện đời sống số 102, Hà Nội Lã Văn út, Lã Minh Khánh (2003), Nâng cao ổn định động hệ thống điện tác động điều khiển đóng cắt, Tạp trí ứng dụng khoa học, Hà Nội Lã Minh Khánh (2008), Nghiên cứu áp dụng phơng tiện điều chỉnh điều khiển để nâng cao tính ổn định làm việc tin cậy Hệ thống điện, Th Viện Tạ Quang Bửu, Hà Nội 10 Phòng phơng thức trung tâm điều độ quốc gia A0, Hớng dẫn sử dụng chơng trình PSS/E, Trung tâm điều độ quốc gia A0, Hà Nội - 87 - Phụ lục Phụ lục 1: Loại máy phát - 88 - - 89 - Phụ lục 2: Loại kích từ dùng cho máy phát - 90 - Phụ lục 3: Loại điều tốc dùng cho máy phát - 91 - Phụ lục 4: Other PSS/E models Thiết bị nâng cao ổn định - 92 - Phụ lục 5: Other PSS/E models Thiết bị nâng cao ổn định SLLP1 SLLP Tripping Relay Relay is located "from bus" # IBUS, "to bus" # JBUS, Circuit # ID, Relay slot (1 or 2) # RS ICON I I+1 I+2 I+3 I+4 I+5 I+6 I+7 I+8 Value 8 I+9 I+10 X I+11 X I+12 I+20 X Description - Monitor - Monitor and operate "From bus" number First transfer "To bus" trip number Circuit ID "From bus" number Second "To bus" transfer trip number Circuit ID "From bus" number Third "To bus" transfer trip number Circuit ID Permissive flag for self trip(1) Permissive flag for transfer trip(2) ICONs required for internal program logic (1)Set to and -1 by supervisory relay to block trip and force trip, respectively (2)Set to by supervisory relay to block trip CONs J J+1 J+2 J+3 J+4 Value 1.5 J+11 0.1 Description T1 (cycles) (>0) T2 (cycles) (>0) T3 (cycles) T4 (cycles) R1, resistance value of upper intersection (pu) X1, reactance value of upper intersection (pu) R2, resistance value of lower intersection (pu) X2, reactance value of lower intersection (pu) P1, perpendicular distance to inner center (pu) P2, perpendicular distance to middle center (pu) P3, perpendicular distance to outer center (pu) Threshold current (pu) J+5 J+6 1.4 J+12 Self trip breaker time (cycles) J+13 Transfer trip breaker time (cycles) J+7 J+8 J+9 J+10 VARs L L+1 L+2 L+3 L+4 L+5 DYRE Data Record: IBUS, SLLP1, JBUS, ID, RS, first 10 ICONs, CON list / - 93 - 0.9 Description Apparent R Apparent X Current VARs required for internal program logic ... đợc nghiên cứu áp dụng cho HTĐ Việt Nam - 10 - Đề tài chọn nhằm nghiên cứu phần vấn đề trên: nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù dọc có điều khiển để nâng cao khả ổn định cho HTĐ Lịch sử nghiên cứu. .. xoay chiều có khả điều chỉnh linh hoạt) [5] - Nghiên cứu áp dụng phơng tiện điều chỉnh điều khiển để nâng cao tính ổn định làm việc tin cậy Hệ thống điện [8] - Nghiên cứu thuật toán điều khiển hiệu... Vấn đề nâng cao ổn định động HTĐ Nhằm mục đích đảm bảo vận hành ổn định tin cậy cho hệ thống điện, việc nghiên cứu khả ổn định động hệ thống đóng vai trò quan Vấn đề - 27 - nâng cao ổn định động