Điều khiển trao đổi điện qua biên giới việt trung bằng liên kết điện một chiều cao áp sử dụng bộ biến đổi đa mức kiểu Module

Bài viết Điều khiển trao đổi điện qua biên giới việt trung bằng liên kết điện một chiều cao áp sử dụng bộ biến đổi đa mức kiểu Module trình bày liên kết HVDC là một giải pháp cầ n được tính đến trong lập kế hoạch xây dựng liên kết lưới điện với các quốc gia láng giềng, khai thác và sử dụng hiệu quả mạng điện, cũng như sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên đất nước,... Mời các bạn cùng tham khảo.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐIỀU KHIỂN TRAO ĐỔI ĐIỆN QUA BIÊN GIỚI VIỆT - TRUNG BẰNG LIÊN KẾT ĐIỆN MỘT CHIỀU CAO ÁP SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC KIỂU MODULE VIETNAM-CHINA BORDER POWER EXCHANGE CONTROLLING BY MODULAR MULTILEVEL CONVERTER BASED HVDC INTERCONNECTION Nguyễn Phúc Huy Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Kết nối truyền tải điện chiều (HVDC) giải pháp tốt để trao đổi công suất hai mạng điện khác nhờ ưu việt Bài báo tiến hành nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ hệ thống kết nối HVDC sử dụng biến đổi đa mức điện áp kiểu module, mô ph n tích trường hợp trao đổi cơng suất theo thực tế vận hành Việt Nam Trung Quốc Bên cạnh ưu điểm chất lượng sóng dòng điện điện áp đầu tốt, vấn đề điều khiển công suất tác dụng phản kháng độc lập ưu rõ rệt vận hành linh hoạt hệ thống Liên kết HVDC giải pháp cần tính đến lập kế hoạch xây dựng liên kết lưới điện với quốc gia láng giềng, khai thác sử dụng hiệu mạng điện, sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên đất nước Từ khóa: Bộ biến đổi đa mức module, MMC, HVDC, điều khiển công suất, mạng điện liên kết Abstract: High voltage direct current (HVDC) interconnection is a suitable solution for exchanging power between two separate power networks because of its benefits This paper deals with the simulation model of Modular Multilevel Converter (MMC)-based HVDC system Case studies based on power exchange situation between Vietnam and China are simulated and analysed Beside the high quality output voltage and current waves, the independent control of active and reactive power is an obvious advantage in the flexible operation of the connected networks Consequently, HVDC interconnetion should be taken into account in planning and designing networks connecting between neighbour countries, effectively exploiting power grids and national resources as well Key words: Modular Multilevel Converter, MMC, HVDC, power control, interconnection Ngày nhận bài: 28/11/2017, ngày chấp nhận đăng: 8/12/2017, phản biện: TS Phạm Thị Thùy Linh 60 Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MỞ ĐẦU Hiện tại, Việt Nam Trung Quốc có liên kết lưới điện xoay chiều 220 kV từ Guman - Lào Cai Malutang - Hà Giang Tổng sản lượng điện Việt Nam mua Trung Quốc năm 2016 1.500 GWh với mức công suất khoảng 300 MW [1] Liên kết lưới điện xoay chiều hai hệ thống có số khó khăn kỹ thuật việc điều khiển dòng cơng suất, ổn định hệ thống, ảnh hưởng qua lại lớn có cố phía Trong đó, liên kết hệ thống truyền tải điện cao áp chiều (HVDC) lựa chọn hai hệ thống khác tần số [2] So với cấu hình HVDC sử dụng biến đổi nguồn dòng (LCC-HVDC) sớm phát triển, cấu hình liên kết sử dụng biến đổi nguồn áp (VSC-HVDC) có nhiều ưu điểm vượt trội độc lập điều khiển công suất tác dụng phản kháng, van bán dẫn IGBT có khả tự chuyển mạch, dễ dàng kết nối với lưới điện xoay chiều Trong hệ VSCHVDC, biến đổi đa mức nguồn áp (MMC) hệ công nghệ biến đổi, linh hoạt điều khiển điện áp đầu với mức sóng hài thấp [2-4] Cấu hình hệ thống HVDC sử dụng biến đổi MMC (sau gọi tắt MMC-HVDC) thể hình Hình Cấu hình MMC-HVDC Trong phần báo, nội dung trình bày cấu Số 14 tháng 12-2017 tạo phương pháp điều chế MMC, vòng điều khiển tương ứng hệ điều khiển MMC-HVDC phù hợp với kết nối hai lưới điện xoay chiều Phần mô tập trung vào trường hợp trao đổi cơng suất, phân tích số trường hợp vận hành thực tế liên kết trao đổi điện Việt Nam Trung Quốc BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP KIỂU MODULE 2.1 Cấu tạo Bộ biến đổi đa mức nguồn áp kiểu module (MMC) sử dụng nhiều module thành phần (SM) nối tiếp với tạo thành (hình 2) Mỗi cầu pha có số SM 2N bố trí thành hai nửa cầu đối xứng nối tiếp với kháng điện Hình Cấu trúc MMC (a), module thành phần (b) 2.2 Phƣơng pháp điều chế NLM cho MMC MMC làm việc dựa nguyên tắc cộng dồn điện áp SM có kết hợp trạng thái làm việc van 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) bán dẫn Tại thời điểm số lượng SM cầu pha đưa vào hoạt động N, số lượng SM hai nửa cầu điện áp [2-5] Việc điều chế xung đóng cắt SM thực phương pháp NLM (Nearest Level Modulation) phổ biến dành cho MMC [2,4] Trong báo này, nguyên lý NLM áp dụng, việc so sánh bậc điện áp với sóng hình sin tham chiếu để tạo xung điều khiển đóng cắt SM tương ứng Nếu gọi us(t) sóng điện áp tham chiếu, UC điện áp tụ điện SM, thời điểm, số SM nửa cầu cần đóng vào np nửa cầu nn tính sau: u  N  round  s   UC  u  N nn   round  s   UC  np  (1) (2) Khi dòng điện vào SM theo chiều nạp, SM có mức điện áp thấp đưa vào Ngược lại dòng điện vào theo chiều phóng tụ, SM có điện áp tụ cao đóng vào Sơ đồ khối điều khiển tạo xung đóng mở SM thể hình U sref U dc Tìm số nguyên n/d d U C ref Thuật toán Xung xếp điều cân điện khiển áp tụ Trong hình 1, gọi điện kháng MBA X, lấy điện áp điểm kết nối Us gốc, điện áp đầu MMC Uc trễ pha δ so với Us, ta có cơng suất truyền từ hệ thống MMC là: Điều kiện N=np + nn ln đảm bảo, tương ứng với sóng điện áp đầu có N+1 bậc Q 62 n ĐIỀU KHIỂN MMC-HVDC P Đối với MMC, việc tích trữ lượng phía chiều thực nhiều tụ điện SM ghép nối với nhau, cần phải điều khiển giá trị điện áp chiều tổng cân điện áp tụ SM Để thực cân điện áp tụ, thuật toán biết đến nhiều thuật toán xếp lựa chọn SM đưa vào làm việc [6, 7] Thuật toán thực sau: (1) Điện áp tụ thời điểm chu kỳ điều khiển đo xếp theo nhóm tăng dần giảm dần U dref NΣ Hình Sơ đồ khối tạo xung theo NLM (2) 2.3 Điều khiển cân điện áp tụ module thành phần U dc  U sref U  dc  U sref U pref  U sU c sin  X (3) U s U s  U c cos  X (4) Có thể thấy rằng, công suất tác dụng chủ yếu phụ thuộc vào δ, cơng suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào hiệu UsUc.cosδ Thông qua điều khiển δ độ lớn Uc mà điều khiển độ lớn phương hướng P Q Phương pháp điều khiển thường dùng phương pháp điều khiển vectơ, tác động thông qua việc điều khiển thông số công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp chiều, điện áp xoay chiều, tần số [2-4] Trong liên kết lưới điện hai hệ thống xoay chiều nghiên cứu này, lựa chọn cặp thơng Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) số điều khiển cho phía phát điện (phía chỉnh lưu) P Q, phía nhận điện (phía nghịch lưu) Udc Q MMC điều khiển để thông số bám theo giá trị đặt ban đầu 3.1 Mơ hình tốn học MMC dẫn đến điện áp tương hỗ trục d-q với lượng bù  Liq  Lid , sử dụng điều khiển PI có hệ phương trình mơ tả tín hiệu điện áp tham chiếu để điều khiển MMC (7), sơ đồ thể hình Sơ đồ thay pha x (x=a,b,c) MMC hình R0 L0 điện trở điện kháng kháng điện pha, Upx điện áp nửa cầu Unx điện áp nửa cầu pha x Áp dụng luật Kierchhoff vài biến đổi ta có: L dix  t  dt  R.ix  t   ucx  t   ux  t  (5) đó: Hình Bộ điều khiển dòng điện ux  t    unx  u px  / 2; R0=2R ; L0 = 2L u px ix R0 L0 + - U dc ucx R0 L0 (7) + unx 3.3 Bộ điều khiển vòng ngồi - Hình Sơ đồ thay pha x (a,b,c) MMC Trong hệ đơn vị dq hệ phương trình biểu diễn thành :   R  sL  id  s   ucd  s   ud  s    Liq  s     R  sL  iq  s   ucq  s   uq  s    Lid  s  (6) 3.2 Bộ điều khiển vòng Bộ điều khiển vòng (bộ điều khiển dòng điện) điều khiển dòng điện pha bám theo giá trị tham chiếu Có thể thấy từ (6), dòng điện trục d-q có quan hệ tương hỗ, Số 14 tháng 12-2017 udref  ucd   Liq  k p1  idref  id     ki1   idref  id  dt   uqref  ucq   Lid  k p  iqref  iq    ki   iqref  iq  dt   Bộ điều khiển vòng ngồi vào giá trị công suất tác dụng phản kháng phía phát điện; cơng suất phản kháng điện áp chiều phía nhận điện để tính tốn dòng điện tham khảo cho điều khiển dòng điện Công suất tức thời hệ dq là:  P  u i   s ,dq sd d  Q   u i s , dq sd q   (8) Có thể thông qua id iq để điều khiển Ps 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Qs, tức điều khiển độc lập Ps Qs Để giảm thiểu sai số ta dùng điều khiển PI mơ tả hình Bộ điều khiển vòng ngồi hệ thống phía điều khiển theo P Q phía điều khiển theo Udc Q Sơ đồ khối điều khiển trạm biến đổi liên kết MMC-HVDC hình Cả hai trạm biến đổi thiết kế đầy đủ điều khiển, dễ dàng chuyển đổi từ chỉnh lưu sang nghịch lưu MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Hình Bộ điều khiển cơng suất PQ Cơng suất phía xoay chiều cơng suất phía chiều, ta có quan hệ (9) idc  usd id U dc (9) Như vậy, thơng qua id để điều khiển Udc Bộ điều khiển điện áp chiều theo giá trị đặt Udcref tiến hành điều chỉnh công suất tác dụng truyền tới phía chiều để giữ Udc (hình 7) Hình Bộ điều khiển điện áp chiều Với cấu trúc hệ thống hình 1, máy biến áp có cấp điện áp 220 kV (phía lưới AC) 110 kV (phía biến đổi) Mỗi nửa cầu pha MMC bố trí số mơ đun N=10 có UC=20 kV, tổng điện áp chiều 200 kV Tụ điện SM chọn đảm bảo giá trị điện áp có xét tới dao động điện áp tụ Cuộn kháng pha lựa chọn để giảm thiểu ảnh hưởng dòng điện vòng mạch cầu pha dòng cố qua MMC [4,5,8] Các thơng số mơ hình cho bảng bảng Các trường hợp nghiên cứu xây dựng vào thực tế trao đổi cơng suất, Trung Quốc phía phát điện (AC2) Việt Nam phía nhận điện (AC1)  Trường hợp 1: Truyền 200 MW công suất tác dụng thay đổi lên mức 300 MW 0,75 s, không phát công suất phản kháng  Trường hợp 2: Khi vận hành 300 MW, điều khiển biến đổi phát công suất phản kháng lên lưới AC, phía Việt Nam s phía Trung Quốc 1,25 s Hình Sơ đồ khối tổng quan điều khiển trạm biến đổi 64  Trường hợp 3: tác động điều khiển giảm P=0 1,5 s trì mức phát cơng suất phản kháng Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Thơng số mạch mơ hình MMC-HVDC Đại lượng Ký hiệu Giá trị Công suất định mức Pđm 300 MW Điện áp định mức module thành phần USM 20 kV Điện áp DC định mức Udc 200 kV Điện trở nhánh cầu Rarm 0,02 Ω Điện cảm nhánh cầu Larm 0,06367 H Tụ điện module CSM 1680 μF MMC2 MMC1 Bảng Thông số điều khiển Bộ điều khiển Kp Ki Điện áp chiều 0,163 0,177 Cơng suất phản kháng 0,095 0,518 Dòng điện: d q 15,534 15,236 0,949 1,043 Công suất tác dụng 0,042 0,597 Cơng suất phản kháng 0,014 5,218 Dòng điện: d q 15,666 15,9 0,126 0,107 Hình cho thấy kết dòng điện điều khiển bám sát dòng điện tham chiếu tạo từ vòng điều khiển Hệ thống điều khiển ổn định, giá trị công suất đầu hệ thống bám sát giá trị đặt mong muốn điều khiển Công suất tác dụng công suất phản kháng điều khiển hồn tồn độc lập Ngồi ra, hệ thống cho phép mức truyền công suất tác dụng 0, phát cơng suất phản kháng Có thể quan sát kỹ hình 10 cơng suất tác dụng phía nhận điện (Ps1) nhỏ chút so với phía phát điện (Ps2) có tổn thất hệ thống Dòng điện phía xoay chiều thay đổi ổn định theo mức thay đổi cơng suất (hình 11) Điện áp PCC (tính qui cấp 110 kV) dao động hai phía hệ thống (hình 12) Hình 13 cho thấy điểm PCC, sóng điện áp gần đạt dạng sin chuẩn Điện áp nửa cầu pha a có dạng bậc thang 11 cấp điện áp, kết hợp với điện áp nửa cầu có dạng tương ứng có điện áp đầu biến đổi có đặc tính tốt y y Dong dien duoc dieu khien bam thao cac gia tri tham chieu 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0 -2.5 -5.0 -7.5 -10.0 -12.5 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -6.0 0.00 Idref Isd Isq Iqref 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Hình Dòng điện điều khiển dòng điện tham chiếu Số 14 tháng 12-2017 65 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Cong suat trao doi giua hai phia 1.0k Ps2 Qs2 Ps1 Qs1 0.8k P (MW), Q( MVAr) 0.6k 0.4k 0.2k 0.0 -0.2k -0.4k -0.6k -0.8k 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Hình 10 Sự thay đổi cơng suất tƣơng ứng hai đầu hệ thống pu Dong dien tai diem PCC 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 Is Is 6.0 4.0 pu 2.0 0.0 -2.0 -4.0 -6.0 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Hình Dòng điện pha điểm kết nối PCC phía Trung Quốc (trên) phía Việt Nam (dƣới) Dien ap pha a tai diem PCC kV 100 Ung_TQ -100 Ung_VN kV 100 -100 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Hình 12 Điện áp pha a điểm kết nối PCC phía Trung Quốc (trên) phía Việt Nam (dƣới) 66 Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Dien ap pha a U_pA_tren Bien (kV) 120 -120 Ucona Bien (kV) 120 -120 Unga Bien (kV) 120 -120 Thoi 1.680 1.690 1.700 1.710 1.720 1.730 1.740 Hình 13 Điện áp pha a phía Việt Nam (từ xuống): nửa cầu trên, đầu biến đối, PCC Điện áp DC điều chỉnh giá trị ổn định 200 kV có dao động nhỏ thời điểm có thay đổi cơng suất điều khiển (hình 14) Dien ap phia DC Udc 300 250 kV 200 150 100 50 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 Hình 14 Điện áp phía chiều hệ thống KẾT LUẬN Từ kết phân tích nhận thấy, việc ứng dụng MMC-HVDC việc liên kết trao đổi điện Việt Nam - Trung Quốc có số ưu điểm: Số 14 tháng 12-2017 a Phương pháp điều chế NLM thuật toán xếp cân điện áp tụ cho sóng điện áp có dạng gần sin chuẩn Điều cho phép MMC-HVDC không cần thêm lọc sóng hài cấu hình khác VSC 67 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) b Công suất tác dụng phản kháng điều khiển hồn tồn độc lập Mức truyền cơng suất thay đổi linh hoạt, thuận lợi cho điều độ vận hành hai quốc gia c MMC-HVDC cho phép phát công suất phản kháng lên lưới xoay chiều không truyền công suất tác dụng Điều đặc biệt có lợi việc huy động cơng suất phản kháng để điều chỉnh chế độ lưới điện điều chỉnh điện áp cần thiết Đó tiền đề để nghiên cứu sâu kinh tế vấn đề kỹ thuật khác ứng dụng MMC-HVDC Việt Nam TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] EVN, 2016 Vietnam Electricity Annual Report, http://www.evn.com.vn/ [2] Mircea Eremia (Editor), Advanced Solutions in Power Systems: HVDC, FACTS, and Artificial Intelligence, IEEE Press, United State of America, First edition, 2016 [3] Dragan Jovcic, High voltage direct current transmission: converters, systems and DC grids, Wiley John&Son, United State of America, First edition, 2015 [4] Zheng Xu, and others, Flexible high voltage direct current transmission system [in Chinese], China Machine Press, China, first edition, 2013 [5] Qingrui, and others, Parameter design principle of the arm inductor in modular multilevel converter based HVDC, 2010 International Conference on Power System Technology (POWERCON), Zhejiang, China, p.1-6, 24-28 Oct 2010 [6] Trần Hùng Cường cộng sự, Phương pháp điều chế NLM thuật toán c n lượng cho biến đổi đa mức cấu tr c module, Hội nghị toàn quốc lần thứ điều khiển tự động hóa, Thái Nguyên, Việt Nam, P.1-7, 28-29.11.2015; [7] Byung Moon Han, Jong kyou Jeong, Switching-Level Simulation Model of MMCbased Back-to-Back Converter for HVDC Application, Conference in Power Electronics (IPEC), Hiroshima, Japan, p 937 - 943, 2014 [8] Beddard, A.Barnes, M., Modelling of MMC-HVDC Systems – An Overview, Energy Procedia, Vol 80, Supplement C, p.201-212, 2015 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ hệ thống điện tự động hóa Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, ứng dụng điện tử công suất, độ tin cậy hệ thống điện 68 Số 14 tháng 12-2017 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 14 tháng 12-2017 69 ... hợp vận hành thực tế liên kết trao đổi điện Việt Nam Trung Quốc BỘ BIẾN ĐỔI ĐA MỨC NGUỒN ÁP KIỂU MODULE 2.1 Cấu tạo Bộ biến đổi đa mức nguồn áp kiểu module (MMC) sử dụng nhiều module thành phần... thơng qua id để điều khiển Udc Bộ điều khiển điện áp chiều theo giá trị đặt Udcref tiến hành điều chỉnh công suất tác dụng truyền tới phía chiều để giữ Udc (hình 7) Hình Bộ điều khiển điện áp chiều. .. hình Bộ điều khiển vòng ngồi hệ thống phía điều khiển theo P Q phía điều khiển theo Udc Q Sơ đồ khối điều khiển trạm biến đổi liên kết MMC-HVDC hình Cả hai trạm biến đổi thiết kế đầy đủ điều khiển,