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)

Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 99(11): - 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) Phạm Thị Hồng Anh* Trường Đại học Công nghệ Thông tin &Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Sự ổn định hệ thống điện (HTĐ) thường phụ tải hệ thống thay đổi, công suất làm việc máy phát cần thay đổi theo Do có sụt áp điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức Nếu khơng có biện pháp điều chỉnh, độ lệch đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt cần phải loại bỏ làm suy giảm tới mức tối thiểu nhiễu loạn hệ thống Mất ổn định góc rotor máy phát điện xem nguyên nhân dẫn đến số cố tan rã HTĐ gần Đứng quan điểm phòng ngừa cố ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển cách lắp đặt thêm thiết bị cản hay thêm mô men cản có dao động cơng suất như: thiết bị ổn định công suất máy phát điện (power system stabilizers-PSS) thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)… Bài báo đề xuất sử dụng đồng thời ổn định công suất (PSS) thiết bị bù ngang SVC cho mục đích Từ khóa: PSS, SVC, ổn định hệ thống điện, PSS/E, máy phát điện ĐẶT VẤN ĐỀ* Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung HTĐ Việt Nam phải đối mặt với nhiều thách thức như: tăng lên nhanh nhu cầu phụ tải, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên than đá, dầu mỏ… (kể tiềm nguồn thủy điện) Tất yếu tố làm cho HTĐ ngày trở lên rộng lớn qui mơ, khó khăn quản lý, vận hành phối hợp điều khiển Chính mà số HTĐ vận hành gần với giới hạn ổn định HTĐ trở lên “nhạy cảm” với cố xảy dẫn đến ổn định Trong có nhiều cố liên quan trực tiếp đến tượng ổn định góc rotor máy phát điện Chính mà việc nghiên cứu nâng cao ổn định HTĐ nhu cầu cấp thiết HTĐ nói chung HTĐ Việt Nam nói riêng [1], [2], [3] Sự cố ổn định góc rotor máy phát điện xem nguyên nhân dẫn đến số cố tan rã HTĐ gần Đứng quan điểm phòng ngừa cố ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển cách * Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com lắp đặt thêm thiết bị cản hay thêm mơ men cản có dao động công suất như: thiết bị ổn định công suất máy phát điện (power system stabilizers-PSS) thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)…Trong thiết bị PSS, SVC chứng minh có tác dụng lớn việc nâng cao ổn định góc rotor Trong thực tế, HTĐ thường rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc số lượng thiết bị điều khiển thường hạn chế số lượng lý kinh tế kỹ thuật, vấn đề đặt phải lựa chọn thiết bị tối ưu để nâng cao ổn định Do vậy, báo đề cập đến vấn đề sử dụng đồng thời ổn định công suất PSS thiết bị bù ngang tĩnh SVC nhằm nâng cao khả ổn định góc rotor máy phát điện ỔN ĐỊNH Q ĐỘ GĨC ROTO Hình 1: Góc rotor phản ứng với nhiễu loạn thoáng qua Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Ổn định góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến khả máy phát điện (MPĐ) đồng HTĐ liên kết giữ đồng hóa sau trải qua kích động xảy HTĐ Nó liên quan đến khả trì, phục hồi cân mơ men điện từ mơ men khí máy phát điện đồng HTĐ Sự ổn định xảy có tăng lên góc rotor số MPĐ dẫn đến đồng hóa so với MPĐ khác HTĐ Ổn định góc phân loại thành loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), ổn định góc độ (transient stability) THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER (PSS) Mơ hình thiết bị Hình 2: Sơ đồ điển hình hệ thống kích từ Mơ hình ví dụ PSS Kundur mơ tả hình vẽ 99(11): - khơng thay đổi Khơng có thay đổi ổn định tốc độ dẫn đến thay đổi điện áp đầu cuối - Khối khuếch đại ổn định (stabilizer gain 3) KSTAB để khuếch đại tín hiệu, xác định giá trị momen cản đưa vào hệ thống kích từ Lý tưởng khối khuếch đại thiết lập giá trị tương ứng với giá trị cản lớn Sử dụng PSS để nâng cao ổn định Chức thiết bị PSS thêm momen cản để giảm dao động rotor máy phát điện Điều đạt cách điều chỉnh kích thích máy phát điện để cải thiện thành phần mô- men điện đồng pha với độ lệch tốc độ rotor Tốc độ trục rotor, tích phân công suất tần số cuối tín hiệu đầu vào thường sử dụng để đưa vào PSS THIẾT BỊ SVC SVC thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ cơng suất phản kháng điều chỉnh cách tăng hay giảm góc mở thyristor, tổ hợp từ hai thành phần bản: - Thành phần cảm kháng để tác động mặt cơng suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành) - Thành phần điều khiển bao gồm thiết bị điện tử thyristor tri ác có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng vi điều khiển 8051, PIC 16f877, VAR Hình 3: Sơ đồ hệ thống kích từ đơn giản với thiết bị AVR PSS Trong PSS gồm khối sau: - Khối bù pha (phase compensation 5): cung cấp đặc tính sớm pha tương thích để bù trễ pha đầu vào kích từ mô men điện từ máy phát (khe hở không khí) - Khối lọc cao tần (signal washout 4) với số thời gian TW đủ lớn phép tín hiệu ghép nối với dao động lọc cao tần Hình 4: Sơ đồ nguyên lý thiết bị SVC Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả tải đường dây cách đáng kể mà không cần dùng đến phương tiện điều khiển đặc biệt phức tạp vận hành Các chức SVC bao gồm: Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ - Điều khiển điện áp nút có đặt SVC cố định giá trị điện áp - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng nút bù - Giới hạn thời gian cường độ điện áp xảy cố (mất tải, ngắn mạch ) HTĐ - Tăng cường tính ổn định HTĐ - Giảm dao động công suất xảy cố HTĐ ngắn mạch, tải đột ngột Ngồi ra, SVC có chức phụ đem lại hiệu tốt trình vận hành HTĐ như: - Làm giảm nguy sụt áp ổn định tĩnh - Tăng cường khả truyền tải đường dây - Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả vận hành đường dây - Giảm tổn thất công suất điện MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN Để mơ ứng dụng PSS SVC việc nâng cao ổn định góc rotor với ổn định độ, phần tác giả giới thiệu mơ hình hệ thống điện chuẩn theo Kundur hình Trong mơ hình này, hệ thống ba pha 50 Hz, 230 kV thể pha hình vẽ, bao gồm máy phát điện có cơng suất 900MVA điện áp 20kV, chia thành hai hệ thống điện nối với thơng qua đường dây tải điện kép có chiều dài 220km KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ĐỘNG HTĐ Qua tính tốn phân tích q trình ổn định góc rotor cho HTĐ chuẩn theo IEEE Chương trình PSS/E [6] dùng để mô động hệ thống điện Các thông số HTĐ chuẩn Kundur bao gồm thông số trào lưu công suất, thông số động MPĐ hệ thống kích từ, điện áp mơ Như phân tích ổn định độ ta thấy nguyên nhân ổn định góc roror máy phát điện liên quan trực tiếp đến tượng thiếu mô men cản dao động HTĐ, dao động cơng suất Vì vậy, để giảm nguy ổn định cần phải có thêm thiết bị cung cấp mô men cản dao động 99(11): - thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ Ở ta xét đồng thời ảnh hưởng thiết bị PSS SVC hệ thống điện nghiên cứu Mơ hình PSS lấy model STAB1 thư viện PSS/E với thông số điển hình mơ hình SVC lấy model tụ điện tĩnh CSTATT thư viện PSS/E Hình 5: Mơ hình hệ thống Hệ thống điện chưa có thiết bị PSS SVC Tại thời điểm t=1s xảy ngắn mạch đường dây 8-9 mạch 2, sau 0,3s đường dây bị cắt Kết góc rotor máy phát điện thay đổi điện áp góp hệ thống công suất đường dây dao động Hình vẽ mơ cho ta thấy rõ thay đổi góc rotor máy phát điện, điện áp góp dòng cơng suất đường dây 7-8, 8-9 mạch có cố ngắn mạch đường dây 8-9 mạch Theo ta thấy, tín hiệu góc máy phát G1 G2 có hình dáng giống nhau, góc rotor ổn định hai chu kỳ đầu tiên, dao động trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ kết biên độ dao động ngày tăng trạng thái cuối tăng tốc ổn định hoàn toàn Tương tự góc rotor máy phát G3 G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor ổn định hai chu kỳ đầu tiên, sau hai chu kỳ biên độ dao động ngày tăng trạng thái cuối ổn định hoàn tồn, góc rotor lúc giảm thấp Điện áp góp 8, xảy ngắn mạch giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau cắt ngắn mạch giá trị điện áp tăng lên ổn định hai chu kỳ đầu tiên, sau dao động với biên độ ngày tăng với giá trị lớn 1,8(pu) tần số dao động nhỏ Sự ổn định góc rotor máy phát làm cho công suất đường dây dao động, Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ thể hình 8, 9; giá trị công suất đường dây trước xảy ngắn mạch 200 MVA, ngắn mạch xảy công suất giảm không Sau khoảng thời gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc công suất nhảy vọt: công suất đường dây 7-8 nhảy vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, dao động với biên độ lớn 325 MVA, dao động tăng dần ổn định Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện áp công suất đường dây dao động với biên độ ngày tăng, kết cuối ổn định hoàn tồn Mơ động trước sau sử dụng thiết bị PSS, SVC Chương trình PSS/E dùng để mô đáp ứng đồng thời hệ thống khơng trang bị có trang bị PSS,SVC với giả thiết cố ngắn mạch pha đường dây 8-9 mạch Sự dao động tham số giảm tắt dần sau xảy cố chứng tỏ tác dụng cản dao động thiết bị PSS/SVC Góc rotor máy phát G1, G2, G3, G4 dao động chu kỳ sau dần trở nên ổn định, đạt đến giá trị đồng sau khoảng 10 giây Nếu so sánh ổn định hệ thống khơng có PSS/SVC có PSS/SVC, hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 rằng: chưa có PSS/SVC, góc rotor máy phát điện, điện áp góp dòng cơng suất đường dây 7-8, 8-9 mạch (basecase: đường màu đỏ) dao động lớn trạng thái cuối ổn định hoàn toàn Khi có PSS/SVC dao động tắt nhanh nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau khoảng 5s 99(11): - Hình 7: Góc rotor máy phát G2 hai trường hợp khơng có sử dụng PSS/SVC Hình 8: Góc rotor máy phát G3 hai trường hợp khơng có PSS/SVC Hình 9: Điện áp góp khơng có sử dụng PSS/SVC Hình 10: Cơng suất đường dây 7-8 mạch khơng có sử dụng PSS/SVC Hình 6: Góc rotor máy phát G1 hai trường hợp khơng có sử dụng PSS/SVC Hình 11: Cơng suất đường dây 8-9 mạch không có sử dụng PSS/SVC Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ Để làm rõ thêm tác dụng hai thiết bị PSS/SVC ta xét ba trường hợp, khơng có PSS/SVC (đường màu xanh nước biển), có PSS (đường màu xanh cây) có PSS/SVC (đường màu đỏ) Từ hình vẽ ta thấy dùng đồng thời PSS SVC (đường màu đỏ) có hiệu cao việc nâng cao ổn định độ Trong hình vẽ 12, 13 chứng tỏ hiệu PSS SVC việc cản dao động góc rotor cơng suất truyền tải hai hệ thống Trong trường hợp dao động nhiều nhanh chóng ổn định, có PSS dao động nhanh chóng đến trạng thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu chưa xảy ngắn mạch, đặc biệt thêm SVC dao động tắt nhanh giá trị điện áp đạt giá trị tốt (bằng giá trị điện áp chưa xảy ngắn mạch) hay nói cách khác hệ thống điện an toàn 99(11): - nghiên cứu tính tốn, thiết kế vận hành hệ thống điện Đặc biệt đầu tư lắp đặt đồng thời thiết bị PSS, SVC cho hiệu tốt việc nâng cao ổn định hệ thống điện Hình 13: Điện áp góp trường hợp khơng có PSS/SVC, có PSS, có PSS/SVC TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 12: Cơng suất đường dây 8-9 mạch trường hợp khơng có PSS/SVC, có PSS, có PSS/SVC KẾT LUẬN Bài báo giới thiệu cấu tạo nguyên lý làm việc, mơ lợi ích việc sử dụng đồng thời PSS SVC Các kết mô sử dụng phần mềm PSS/E cơng cụ dùng để tính tốn, chứng minh hiệu thiết bị PSS, SVC việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết giúp ích lớn cơng tác [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 [4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout Review," available at website: http://www.indiec.com/Meeting%20Schedule/200 4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html [5]."2003 North America Blackout," available at website: http://www.answers.com/topic/2003North-america-blackout [6] Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng PSS/ADEAPT 5.0 lưới điện phân phối [7] Binns, D.F (1986), Economics of electrical power engineering, Electricial logic power Ltd., PO Box 14, Manchester M16 7QA ... mơ lợi ích việc sử dụng đồng thời PSS SVC Các kết mô sử dụng phần mềm PSS/E cơng cụ dùng để tính tốn, chứng minh hiệu thiết bị PSS, SVC việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết giúp... thiết lập giá trị tương ứng với giá trị cản lớn Sử dụng PSS để nâng cao ổn định Chức thiết bị PSS thêm momen cản để giảm dao động rotor máy phát điện Điều đạt cách điều chỉnh kích thích máy phát. .. men điện từ mơ men khí máy phát điện đồng HTĐ Sự ổn định xảy có tăng lên góc rotor số MPĐ dẫn đến đồng hóa so với MPĐ khác HTĐ Ổn định góc phân loại thành loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ