Nỗ lực của bài báo là phối hợp giữa phương pháp phân tích lưới điện truyền thống với mô phỏng bằng Matlab để trình bày những hoạt hoạt động cơ bản của hệ thống điện thông qua một mô hình nghiên cứu tối giản nhưng vẫn đảm bảo tính tổng quát, trong đó có ứng dụng công nghệ FACTS.
Ngơ Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): - PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN KÍN VÀ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ FACTS CHO ĐIỀU KHIỂN DỊNG CƠNG SUẤT Ngô Đức Minh* Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Nỗ lực báo phối hợp phương pháp phân tích lưới điện truyền thống với mô Matlab để trình bày hoạt hoạt động hệ thống điện thơng qua mơ hình nghiên cứu tối giản đảm bảo tính tổng qt, có ứng dụng cơng nghệ FACTS Nội dung gồm: Xây dựng mơ hình lưới điện kín điển hình suy từ sơ đồ chuẩn IEEE để phục vụ chung cho nhiều hướng nghiên cứu; Phân tích lưới, đánh giá yếu tố ảnh hưởng đến dòng cơng suất lưới xét riêng cho yếu tố cụ thể điện áp nút; Ứng dụng công nghệ FACTS với thiết bị STATCOM-PWM bù công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp nút điều khiển dòng cơng suất lưới; Mơ hình mơ MatlabSimulink lưới điện kín có STATCOM-PWM với cấu hình nghịch lưu Multi-level; Phân tích đánh giá kết nghiên cứu thu đề xuất nghiên cứu Từ khóa: Lưới điện kín, DCS, STATCOM-PWM, Điện áp nút, multi-level, FACTS ĐẶT VẤN ĐỀ* FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) đề xuất vào năm 1988 viện EPRI (Electric Power Research Institute) Hoa Kỳ Đây khái niệm hệ thống điện linh hoạt Có nghĩa thơng số hệ thống điều khiển, đáp ứng nhanh chóng theo đầu vào thay đổi điểm làm việc Công nghệ FACTS dựa sở biến đổi VSI (Voltage Source Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất lớn [1],[2] Do phát triển công nghệ sản xuất thiết bị điển tử công suất lớn GTO, IGTO, IGBT,… cho phép ứng dụng vào hệ thống điện nhằm nâng cao khả điều khiển dòng cơng suất (DCS) độ lớn, phương chiều chất lượng lưới điện kín Đây mạnh giúp cho FACTS đời phát triển bền vững Cho đến nay, FACTS ngày phát triển hầu giới Vì thế, vấn đề tiếp cận ứng dụng cơng nghệ FACTS tất yếu cho giảng dạy, nghiên cứu ứng dụng hệ thống điện Việt Nam FACTS tập hợp phong phú nhiều thiết bị Tuy nhiên, chia thành * Tel: 0982 286428 nhóm theo hình thức kết nối: nối tiếp, song song, hỗn hợp Đặc tính hoạt động chúng suy từ hai kiểu bù nối tiếp bù song song lý tưởng Hình Mơ hình lưới điện kín nguồn, nút Khi phân tích lưới điện kín, giả sử theo mơ hình IEEE chuẩn hóa hình 1, thuật toán áp dụng nhằm xác định độ lớn, phương chiều dòng cơng suất tuyến đường dây tối ưu hóa tốn theo tiêu chí nhằm đáp ứng u cầu cụ thể vận hành hệ thống điện [3],[4] Tuy nhiên, không kể đến chế độ cố nặng gây tan rã lưới (phạm vi báo không xét đến chế độ cố nặng), thực tế thông số vận hành hệ thống vượt ngồi phạm vi điều kiện đầu Ngơ Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ tốn tối ưu đưa trạng thái hệ thống xa rời chế độ tối ưu đặt Nếu tính từ phía N1: Hoặc tính từ phía N2: n Những thơng số thường bị thay đổi là: - Tổng trở đường dây bị thay đổi trường hợp đóng cắt lộ cặp đơi đường dây song song; - Thay đổi tải nút; - Điện áp nút thay đổi thao tác đóng cắt lưới: đóng cắt tải, đường dây, máy biến áp, nguồn… ngắn mạch xa Các tác động làm thay đổi DCS đường dây, dịch chuyển điểm phân bố công suất ban đầu dẫn đến xuất trạng thái bất thường Ví dụ như: xuất đường dây không mang tải, mang tải thành phần P Q, đổi chiều DCS, hoăc DCS P Q ngược chiều Theo cách tiếp cận này, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu báo theo nội dung chính: - Phân tích lưới nhằm tường minh hóa chất vật lý hoạt động lưới điện, tác động làm thay đổi DCS - Ứng dụng công nghệ FACTS điều chỉnh dòng cơng suất lưới theo mong muốn PHÂN TÍCH LƯỚI 122(08): - S1 S N1 3U pdm (U N U N ) Z S Z i 1 i i (1) Z n S S N 3U pdm (U N U N1 ) Z S Z ' i 1 i i (2) Z Giả thiết, thông số đường dây sơ đồ ghi bảng 1, Bảng Thông số đường dây Thông số đường dây km ro R jX Z 14.3 48.4 14.3+48.4i 0.44 2.86 9.68 2.86+9.68i 0.44 2.86 9.68 2.86+9.68i 0.13 0.44 2.86 9.68 2.86+9.68i 0.13 0.44 2.86 9.68 2.86+9.68i 0.13 0.44 2.86 9.68 2.86+9.68i Tổng 110 L1 22 0.13 L2 22 0.13 L3 22 L4 22 L5 22 xo Xét chế độ đặc biệt, phụ tải có giá trị giống nhau, cụ thể ghi bảng Bảng Phụ tải nút S Sa Sb Sc Phụ tải nút P Q S 5+j1 5+j1 5+j1 Trường hợp thứ nhất: Thông số nguồn giống độ lớn góc pha Hình Sơ đồ lưới điện kín Nguyên lý chung Trong lưới điện kín, nút phụ tải có khả cấp điện từ hai phía Thực chất sơ đồ lưới hình hay lưới phức tạp xem mở rộng từ dạng sơ đồ sơ đồ hình với 03 nút A, B, C ; 05 tuyến đường dây L1… L5; 02 nguồn cung cấp N1 N2.Biểu thức tổng qt tính dòng cơng suất chạy đường dây xác định theo (1) (2), [3]: Áp dụng (1) (2) tính cơng suất chạy đoạn đường dây kết thu thể biểu đồ hình Trong đó, chiều DCS quy ước theo chiều mũi tên sơ đồ hình Nếu cơng suất âm hiểu dòng cơng suất thực đường dây ngược chiều mũi tên Hình Biểu đồ dòng cơng suất Quan sát hình thấy hai đường dây L3 L4 không mang tải Nếu thay đổi thông số đường Ngô Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ dây, DCS đường dây thay đổi theo Ví dụ: - Thay đổi giảm nửa chiều dài L2=11km, tương đương chế độ chuyển từ sang vận hành hai đường dây song song Kết tính thể biểu đồ hình cho thấy DCS L3 L4 khác không DCS tăng cường từ phía nguồn N1 122(08): - Từ biểu đồ hình cho thấy DCS tác dụng P chạy từ nguồn có điện áp cao sang phía nguồn có điện áp thấp, DCS phản kháng Q ngược lại (dòng chậm sau 900) Trên đường dây dòng công suất P Q chạy ngược chiều b) Hai nguồn khác pha độ lớn, giả sử: UN1 = 1080.137 kV, UN2 = 1060.194 kV Kết tính tốn thu thể biểu đồ hình Hình Giảm L2, DCS L3 dương - Tăng gấp đôi chiều dài L2=44km, kết tính thể biểu đồ hình cho thấy DCS L3 L4 âm (đổi chiều), DCS tăng cường từ phía nguồn N2 Hình DCS L3 L4 đổi chiều Trường hợp thứ hai: Thông số nguồn khác độ lớn góc pha a) Hai nguồn chùng pha khác độ lớn, giả sử UN1=108 kV, UN2=106 kV Theo (1), dòng cơng suất đường dây tính thể biểu đồ hình Hình DCS đường dây UN1 UN2 Trong đó, thành phần DCS khơng cân tách riêng thể biểu đồ hình Hình Dòng công suất P,Q Nhận xét: Các biểu đồ làm rõ công thức (1) (2) Xét trường hợp này, DCS đoạn đường dây phụ thuộc vào hai yếu tố, là: - Tổng trở đường dây, - Độ chênh hai đầu đường dây Trong đó, khác góc pha thực chất khác trị số điện áp xét theo thời gian tức thời (độ chênh thế) Rõ ràng, DCS tác dụng có chiều từ phía nguồn N2 có điện áp 106kV thấp sang phía nguồn N1 có điện áp 108kV cao N2 có góc phát sớm Hay điễn đạt điều theo cách khác thơng qua mơ hình lưới điện kín có sơ đồ hình Hình Mơ hình lưới điện kín nguồn DCS tác dụng P DCS phản kháng Q xác định theo (3) (4), [4] (3) V N1V N P N2 Q Hình DCS khơng cân UN1 UN2 N2 X sin L V N 1V N (cos V N ) X L V (4) N1 Ngơ Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 122(08): - Trong đó, để giá trị điện áp dùng ký hiệu chữ V; hiệu góc pha điện áp hai nguồn = 1 - 2 ỨNG DỤNG STATCOM-PWM ĐIỀU CHỈNH DỊNG CƠNG SUẤT Lựa chọn STATCOM Thay cho cấu hình STATCOM trước thường sử dụng van bán dẫn Thyristor có điều khiển góc mở chậm nên DCS phản kháng STATCOM phát có chất lượng thấp, độ méo dạng sin lớn góc lớn, ví dụ hình 10, [5] Ua Ua, Ia (pu) Ia -1 0.78 0.8 0.82 0.84 0.86 0.88 Time (s) 0.9 0.92 0.94 Hình 10 Dòng điện STATCOM–PWM Trong năm gần đây, STATCOM có nhiều tiến cấu trúc mạch lực hệ điều khiển Trong báo này, ứng dụng STATCOM-PWM có cấu hình cao mơ tả hình 11 Trong đó: - Các Bridge1 Bridge2 dùng van TGBT làm việc theo nguyên lý PWM, - Hệ điều khiển áp dụng phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM, nghịch lưu multi-level, [5],[6],[7],[8] Hình 11 Cấu trúc sơ đồ khối STATCOM-PWM Thiết kế sơ đồ mô STATCOMPWM lưới điện kín Mục tiêu đề cho STATCOM-PWM: - Bù điện áp nút để điều chỉnh DCS đường dây; - Ổn định dao động công suất trường hợp điện áp bị kích động từ phía nguồn Từ đó, cấu trúc mơ Matlab lưới điện kín hình có STATCOMPWM thiết kế hình 12 Hình 12 Cấu trúc sơ đồ mơ Matlab lưới điện kín có STATCOM-PWM Trên hình 12, vị trí kết nối STATCOM-PWM tính chọn nút A Các mục tiêu thiết kế đạt thể qua kết mơ sau: Hình 13: Khi STATCOM chưa hoạt động, chế độ đối xứng khoảng từ (0-5)s, đường dây L3 không tải P3,Q3 (MW,MVAr) Như vậy, dòng cơng suất đường dây thay đổi thơng qua điều chỉnh giá trị điện áp nút thay đổi tổng trở đường dây Bài báo lựa chọn giải pháp điều chỉnh điện áp nút thiết bị bù song song STATCOMPWM Bởi lẽ, với nút xa nguồn việc điều chỉnh điện áp thực từ máy phát bất cập (công nghệ cũ) Mặt khác lưới phức tạp có nhiều nút, việc lựa chọn vị trí số lượng STATCOM tốn khó mà kỹ sư lượng phải đối mặt Tuy nhiên, thực tế lưới điện thường có cấu trúc không phức tạp Các nghiên cứu áp dụng cho sơ đồ hình hồn tồn đảm bảo tính tổng quát -2 0.1 0.2 0.3 0.4 Time (s) 0.5 0.6 0.7 0.8 Hình 13 DCS L3 Hình 14a: Sau thời điểm 5s, phụ tải Sb (hoặc Sc) có biến động (giả thiết đóng tải 5MVA), điện áp nút thay đổi, tương ứng DCS đường dây thay đổi Khi Ngơ Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ STATCOM bù công suất phản kháng Q đường dây L2 để bù (tăng) áp nút A, tăng thêm khoảng 1,5MW lượng DCS tác dụng P truyền tải L3 từ A đến B, công thiết kế đường dây L3 đưa vào khai thác Kết mô thấy rõ so sánh với hình 14b khơng có STATCOM Tuy nhiên, mức bù STATCOM tính theo giới hạn phát nóng đường dây L2, đồng thời có kể tới phối hợp L1 dòng điện cảm chậm sau điện áp 90 sang dòng điện dung vượt trước điện áp 900 Bảng Mức dao động điện áp DCS Đường dây L2 Khơng có Có STATCOM STATCOM Dao động điện áp Điện áp max 1,07 1,00 0,94 0,975 0,13 0,025 (pu) Điện áp (pu) Biên độ dao động 1.1 U2 (pu) 122(08): - Dao động DCS 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 Time (s) 0.5 0.6 0.7 0.8 5,67 4.8 DCS (pu) 4,20 4.3 Biên độ dao 1,57 0,5 động 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Time (s) 0.5 0.6 0.7 0.8 U,I statcom (pu) P2, Q2 (MW, MVAr) Hình 14a Điện áp L2 DCS max (pu) -1 0.15 0.2 0.25 0.3 Time (s) 0.35 0.4 0.45 Hình 15 Dòng điện bù STACOM-PWM 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Time (s) 0.5 0.6 0.7 0.8 Hình 14c DCS L2 khơng có STATCOM Mặt khác, STATCOM có ý nghĩa ổn định điện áp nút ổn định DCS điện áp bị kích động từ phía nguồn Giả sử điện áp nguồn N1 thay đổi bảng Hình 16: Dòng áp L3 thay đổi liên tục không méo dạng, đảm tốt tiêu chuẩn chất lượng điện truyền tải u2 (pu), i2 (kA) P2, Q2 (MW, MVAr) Hình 14b DCS L2 có STATCOM-PWM -2 0.3 0.35 0.4 time (s) 0.45 0.5 Hình 16 Điện áp dòng điện L3 Bảng Điện áp nguồn N1 thay đổi Thời gian (s) 0.20 0.30 0.4 KẾT LUẬN Điện áp nguồn N1 (pu) 1.0 1.08 0.92 1.0 Nội dung báo cô đọng khối lượng kiến thức tổng hợp rộng rãi từ nhiều nguồn tài liệu chuyên ngành Hệ thống điện thơng qua việc phân tích số hoạt động lưới điện kín, ứng dụng FACTS Mơ hình nghiên cứu đơn giản lại đảm bảo tính tổng quát, tính kế thừa tính phát triển Kết mơ thu hình 14a, hình14b hình 14c Số liệu cụ thể đo bảng cho thấy mức dao động điện áp điểm A STATCOM lớn lần so với có STATCOM (0,13/0,025), hình 14a tương ứng so sánh mức dao động DCS đường dây L2 lần (1,57/0,5) hình 14b,c Hình 15: Dòng điện bù STATCOM ln có dạng sin (khơng bị méo) kể đổi chiều dòng bù thời điểm 0.3s chuyển từ Tác giả hy vọng sản phẩm đóng góp thêm cho nguồn tài liệu tham khảo sinh viên, học viên chuyên ngành hệ thống điện Qua có nhiều câu hỏi Ngơ Đức Minh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ đặt ra, ví dụ: Trong thực tế, đoạn đường dây cao áp Uđm ≥110 kV với chiều dài hàng trăm km (L4 ≥ 100km), DCS tác dụng điều xảy ra? Tính kinh tế - kỹ thuật nào? Phạm vi báo tác giả đề cập đến yếu tố ảnh hưởng đến phân bố DCS lưới điện kín điện áp nút Những yếu tố khác đề cập báo TÀI LIỆU THAM KHẢO Xiao-Ping Zhang, Christian Rehtanz, Bikash Pal Flexible AC Transmission Systems: Modelling and Control Narain G Hingorani, Laszlo Gyugyi Understanding FACTS_ Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems 122(08): - Enrique Acha, Claudio R Fuerte-Esquivel, Hugo Ambriz-Pe´rez, Ce´sar Angeles-Camacho FACTS Modelling and Simulation in Power Networks P.Kundur, Power System Stability and Control E Acha, V.G Agelidis, O Anaya Lara, T.J.E Miller Power Electronic Control in Electrical Systems Ngoducminh, Letienphong Application of bidirectional power converters to overcome some disadvantages of SVC substation Journal of Energy and Power Engineering, USA Giroux P., Sybille G., Power System simulation Laboratory, IREQ Hydro-Quybec Ph.D Thesis, M.Sc Mariusz Malinowski Sensorless Control Strategies for Three - Phase PWM Rectifiers Warsaw, Poland – 2001 SUMMARY ANALYSE CLOSED GRID AND APPLY FACTS TECHNOLOGY TO CONTROL POWER FLOW Ngo Duc Minh* College of Technology - TNU This paper combines the traditional method to analyse grid and Matlab simulation that present basic operations of power system in a simple model using FACTS technology Main contents include: Building a typical closed grid model provided from standard diagram of IEEE to serve many different researches; Analysing grid, evaluating factors that affect on power flow in grid, and considering a particular factor being node voltage; Using STACTCOM-PWM in FACTS technology to compensate reactive power in grid to adjust node voltage and power flow on the line; Simulating closed grid in Matlab/Simulink having STATCOM-PWM in forming multilevel inverter; Analysing and evaluating received research results and proposing further researches Keywords: Closed grid, DCS, STATCOM-PWM, node voltage, multi-level, FACTS Ngày nhận bài:01/7/2014; Ngày phản biện:21/7/2014; Ngày duyệt đăng: 25/8/2014 Phản biện khoa học: TS Nguyễn Đức Tường – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN * Tel: 0982 286428 ... chính: - Phân tích lưới nhằm tường minh hóa chất vật lý hoạt động lưới điện, tác động làm thay đổi DCS - Ứng dụng công nghệ FACTS điều chỉnh dòng cơng suất lưới theo mong muốn PHÂN TÍCH LƯỚI 122(08):... nguồn giống độ lớn góc pha Hình Sơ đồ lưới điện kín Nguyên lý chung Trong lưới điện kín, nút phụ tải có khả cấp điện từ hai phía Thực chất sơ đồ lưới hình hay lưới phức tạp xem mở rộng từ dạng sơ... tiêu đề cho STATCOM-PWM: - Bù điện áp nút để điều chỉnh DCS đường dây; - Ổn định dao động công suất trường hợp điện áp bị kích động từ phía nguồn Từ đó, cấu trúc mơ Matlab lưới điện kín hình