Bài viết ứng dụng kỹ thuật mô phỏng trên miền sóng hài để mô phỏng và khảo sát ảnh hưởng của TCSC trong việc lan truyền sóng hài trong lưới điện.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH LAN TRUYỀN SĨNG HÀI TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI KẾT NỐI BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN MODELLING AND ANALYSIS OF HARMONIC PROPAGATION IN CONNECTED THYRISTOR CONTROLLED SERIES COMPENSATION TRANSMISION LINES Nguyễn Phúc Huy Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 04/10/2019, Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2019, Phản biện: TS Nguyễn Xuân Trường Tóm tắt: Thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC) sử dụng đường dây truyền tải để nâng cao khả điều khiển cơng suất hệ thống điện Nó tạo cộng hưởng nhiều tần số khác bên cạnh đặc tính phát sinh sóng hài sử dụng van bán dẫn Sóng hài sinh sóng hài sẵn có lưới điện lan truyền lưới điện làm tăng độ méo điện áp nút Bài báo ứng dụng kỹ thuật mô miền sóng hài để mơ khảo sát ảnh hưởng TCSC việc lan truyền sóng hài lưới điện Kết mô cho thấy mức độ ảnh hưởng TCSC đến lan truyền sóng cần phải xét tới đánh giá độ méo điện áp nút Sự gia tăng độ méo sóng hài gây tải cho thiết bị lọc tác dụng phụ khơng mong muốn Từ khóa: Sóng hài, miền sóng hài, thiết bị dọc có điều khiển, TCR, lan truyền sóng hài Abstract: Thyristor controlled series capacitor (TCSC) are installed in transmission lines to enhance power controllability It could give rise to resonance at different frequencies additional to harmonic generating due to semiconductor valves Harmonics are generated by or existing harmonics propagated in power networks and increasing voltage distortion This paper deals with the use of harmonic domain technique to simulate and inspecting the effect of TCSC on harmonic propagation The result showed that the effect of TCSC on harmonic propagation and should be considered in distorted voltage investigation Consequently, the strong voltage distortion could make filters overload and undesirable side-effects Keywords: Harmonic, Harmonic domain, TCSCC, TCR, Harmonic propagation MỞ ĐẦU Sóng hài hệ thống điện sinh làm ảnh hưởng đến chất lượng làm việc thiết bị điện liền kề mà lan truyền hệ Số 21 thống điện Để nghiên cứu lan truyền sóng hài, kỹ thuật quét tần sơ cho thấy điểm cộng hưởng lưới điện, kỹ thuật mô miền thời gian cho dạng sóng thay đổi theo thời gian 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) chúng không cho thấy tương tác lưới điện thiết bị điện phi tuyến [1] Trên thực tế thiết bị điện tử công suất nguồn hài bị ảnh hưởng nhiều tín hiệu đầu vào ln có tương tác (modulation) sóng hài chúng lưới điện Kỹ thuật phân tích miền sóng hài kết hợp phân tích sóng hài miền thời gian miền tần số, áp dụng thuận lợi cho trường hợp phân tích hệ động, sóng hài trung gian (interharmonic) [2, 3] Theo xu hướng lưới điện truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, TCSC thiết bị hữu dụng việc nâng cao khả điều khiển công suất hệ thống điện Các mơ hình tĩnh phân tích siêu q độ điện từ khơng phù hợp với q trình động q trình đóng cắt TCSC, chúng có độ xác cao lại hạn chế thay đổi theo thời gian đặc tính phi tuyến [4-8] Mặc dù lưới điện Việt Nam chưa lắp đặt TCSC vấn đề chi phí đầu tư cao nghiên cứu cần thực để có nhìn tồn diện [9] Trong báo này, tác giả mô TCSC lưới điện miền sóng hài Ảnh hưởng TCSC đến q trình lan truyền sóng hài lưới điện khu vực có kết nối TCSC phân tích làm rõ trường hợp: phụ tải phi tuyến lưới điện phát sinh sóng hài, phía hệ thống có sóng hài truyền tới MƠ HÌNH TCSC TRÊN MIỀN SĨNG HÀI Cấu hình TCSC thể 12 hình 1, bao gồm kháng bù có điều khiển (TCR) nối song song với tụ điện, để nâng cao hiệu điều chỉnh công suất lưới điện [1,2] Hình Cấu hình TCSC Khả điều chỉnh TSCS phụ thuộc vào góc mở α tương ứng thyristor TCR Ở tần số dòng điện, điện kháng tương đương TCSC mơ tả (1): X TCSC X C X C X LC sin X LC cos k tan k tan XL (1) k 1/ 0 LC X LC X C X L , XC X L với X C X L dung kháng cảm kháng TCSC làm việc có ba chế độ bản: chế độ khóa, chế độ dẫn hồn tồn, chế độ dẫn phần Hình mơ tả đặc tính tổng trở TCSC tần số bản, phân biệt rõ ràng hai vùng làm việc, vùng cảm tính vùng dung tính Trong chế độ dẫn phần, phụ thuộc vào góc mở, điểm làm việc nằm hai vùng [2] Lý thuyết miền sóng hài tác giả [10] trình bày rõ Để phục vụ tốn phân tích lan truyền sóng hài, tổng dẫn TCSC mơ tả (2) Số 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) YTCSC = YTCR YC (2) YC C.D jh0 ma trận tổng dẫn tụ C điện dung nó; YTCR D1 jh0 S ma trận tổng L dẫn TCR; D ma trận vi phân, S ma trận hàm đóng cắt van bán dẫn thyristor [1] YR U R (5) đó, U ma trận đường chéo đơn vị Trong đó, mơ hình phụ tải tuyến tính sử dụng gồm điện trở nối tiếp với điện kháng Mơ hình miền sóng hài có là: Ytai Rtai U Ltai D jho 1 (6) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Phần mềm Matlab sử dụng làm công cụ hỗ trợ cho q trình mơ Mơ hình hình Nút tải có kết nối TCR đóng vai trò nguồn hài Lưới điện 230 kV dùng mơ có số liệu bảng [1] Hình Đặc tính tổng trở TCSC MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY VÀ PHỤ TẢI Trong tốn giải tích lưới điện, đường dây thay sơ đồ hình pi với tổng trở nối tiếp tổng dẫn nối song song Về bản, mô hình biểu diễn tượng vật lý liên quan đến đường dây truyền tải, với tổng trở nối tiếp gồm điện trở nối tiếp với điện kháng, đa phần trường hợp tổng dẫn nối shunt gồm thành phần điện dung ~ Hình Mơ hình lưới điện mơ Bảng Thông số lưới điện Từ nút Tới nút R (p.u.) X (p.u.) 0,01 0,05 0,01 0,05 0,02 0,06 (4) (phụ tải) 0,32 0,35 L C giá trị điện cảm điện dung đường dây (phụ tải) 1,04 0,48 Trong miền sóng hài, phần tử điện kháng điện dung mô tả sau: YL L D jh0 YC C D jh0 1 (3) Điện trở đường dây phần tử thụ động có giá trị khơng đổi Nếu ta gọi tổng dẫn điện trở R miền sóng hài có dạng sau: Số 21 Bộ TCSC có C = 67 p.u, L = 0,0026 p.u., TCR có Ltcr = 0,1 p.u Phương trình mơ tả quan hệ dòng điện vào nút điện áp nút sau: 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) I1 Y11 I Y = TCSC I YL I YTCSC Y22 YL1 YL Y33 YL U1 YL1 U × YL U3 Y44 U (7) đó: Y11 = YTCSC + YL2 Y22 = YTCSC + YL1 (8) Y33 = YL2 + YL3 + Ytai2 Trường hợp (TH3): Khi có TCSC làm việc vùng dung tính, góc mở van thyristor 150o, có sóng hài từ TCR nút ảnh hưởng Trường hợp (TH4): Khi có TCSC làm việc vùng dung tính, góc mở van thyristor 150o, bên cạnh sóng hài từ TCR nút có sóng hài bậc từ hệ thống truyền Y44 = YL1 + YL3 + Ytai1 + YTCR Vì nút nút cân hệ thống, mơ hình khơng có nguồn dòng điện bơm vào nút 2, và đó, hệ (7) viết gọn lại, xác định điện áp nút sau: U Y22 U = 3 U YL1 Y33 YL 1 YL1 YTCSC YL × YL × U1 Y44 (9) Sơ đồ khối mô mô tả hình 4, tất mơđun tạo nguồn điện áp, tính tổng dẫn phần tử miền sóng hài thiết lập chương trình Bài toán thực lặp Gause-Seidel với sai số 10-4 cho phép tính điện áp nút, dòng điện nhánh với giả thiết giữ U1 không đổi Để khảo sát ảnh hưởng TCSC việc lan truyền sóng hài lưới điện, ta xét trường hợp TCR kết nối nút làm việc với góc mở van 120o xét: Trường hợp (TH1): Khi chưa có TCSC, sóng hài phát sinh từ TCR lan truyền lưới điện; Trường hợp (TH2): Khi chưa có TCSC, ngồi sóng hài TCR có sóng hài bậc từ hệ thống truyền 14 Hình Sơ đồ khối mô Bảng Giá trị điện áp nút U2 (p.u.) U3 (p.u.) U4 (p.u.) TH1 / 0,9100 0,8443 TH2 / 0,9104 0,8451 TH3 1,1175 0,9408 0,9065 TH4 1,1148 0,9414 0,9078 Số 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (a)Pho hai dien ap nut (U(1) =1.1148 p.u.) p.u 0.05 THDU4 (%) TH1 / 5,49 12,29 TH2 / 8,19 14,36 TH3 1,76 5,48 11,82 TH4 4,77 8,11 13,75 10 15 20 25 0 10 15 20 25 (c)Pho hai dien ap nut (U(1) =0.9078 p.u.) 0.1 0.05 0 10 15 Bac song hai 20 25 Hình Phổ hài điện nút TH4 (a)Pho hai dien ap nut U(1) =1.1156 p.u 0.05 p.u THDU3 (%) 0.05 Bảng Tổng độ méo sóng hài điện áp THDU2 (%) (b)Pho hai dien ap nut (U(1) =0.9414 p.u.) p.u Tổng độ méo sóng hài sóng dòng điện điện áp bảng 3, Bảng cho thấy độ méo lớn xảy nút nút có nguồn hài bơm vào kéo theo méo sóng xảy cho điện áp nút Trong độ méo sóng điện áp sau TCSC khơng đáng kể Phổ hài điện áp nút trường hợp quan sát hình cho thấy rõ điều Giữa trường hợp tổng độ méo sóng hài điện áp nút lại thay đổi không đáng kể, chí giảm dòng điện nhánh khác lưới điện tăng lên mạnh, đặc biệt nhánh liên kết nút tải Tổng độ méo dòng điện nhánh qua TCSC thay đổi trường hợp (16,69%) trường hợp (17,16%) Điều thấy ảnh hưởng TCSC đến sóng hài lan truyền nhỏ trường hợp toán đặt p.u Kết điện áp cho trường hợp mô thấy bảng Có thể thấy, sau có TCSC (TH3&TH4) điện áp nút sau TCSC tăng lên cao, kéo theo điện áp nút tải nút tải tăng lên so với trường hợp trước có TCSC (TH1&TH2) 0 Bảng Tổng độ méo sóng hài dòng điện 10 15 20 25 (b)Pho hai dien ap nut U(1) =0.9412 p.u THDi13 (%) THDi34 (%) / 18,58 16,11 24,69 TH2 / 18,79 16,25 25,11 TH3 16,79 18,60 25,10 42,88 TH4 17,16 18,95 25,31 44,17 Đối với dòng điện nhánh thấy từ bảng 4, tổng độ méo dòng điện nguồn bơm vào nút gần không thay đổi, Số 21 0 10 15 20 25 (c)Pho hai dien ap nut U(1) =0.9074 p.u p.u TH1 THDi1 (%) p.u 0.05 THDitc sc (%) 0.05 0 10 15 Bac song hai 20 25 Hình Phổ hài điện nút TH4 hệ thống có sóng hài bậc 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tiến hành mô trường hợp hệ thống có sóng hài bậc 7, độ méo tăng cao tất nút (hình 6) Trường hợp TCSC hoạt động vùng cảm tính có kết tương tự trên, tổng hợp hai trường hợp quan sát hình KẾT LUẬN THD (%) Kỹ thuật mơ miền sóng hài cho thấy hiệu việc mô khảo sát dạng sóng tín hiệu phổ tần số 30 20 10 TH1 itcsc TH2 i1 i13 TH3 i34 v2 TH4 v3 v4 (a) TCSC làm việc vùng cảm tính THD(%) 50 40 30 20 10 itcsc TH1 i1 TH2 i13 TH3 i34 v2 TH4 v3 v4 (b) (b) TCSC làm việc vùng dung tính Hình Tổng hợp phổ hài điện áp nút dòng nhánh Bài báo phân tích sóng hài từ phụ tải phi tuyến từ nguồn hệ thống lan truyền lưới điện miền sóng hài Khi chưa có TCSC lưới, sóng hài lan truyền phụ thuộc vào tổng trở riêng nút lưới điện Khi có lắp đặt TCSC, đặc tính sóng hài lan truyền có số thay đổi xuất có điểm cộng hưởng khác Trong trường hợp mô phỏng, ảnh hưởng TCSC tới lan truyền sóng hài tương tự hai trường hợp vận hành vùng cảm tính vùng dung tính Kết khảo sát qua mô sở ban đầu cho việc đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng sóng hài TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Enrique Acha, Manuel Madrigal, Power Systems Harmonics: Computer Modelling and Analysis, Wiley-IEEE Press, United State of America, 1st edition, 2001 [2] R Mohan Mathur, Rajiv K Varma, Thyristor-based FACTS Controllers for Electrical Transmission Systems, Wiley-IEEE Press, United State of America, 1st edition, 2002 [3] IEEE Task Force on Harmonic Modeling and Simulation, Impact of Aggregate Linear Load Modeling on Harmonic analysis: A comparison of Common Practice and Analytical Methods, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 18, No 2, April 2003 [4] H García, J Segundo, M Madrigal, Harmonic analysis of power systems including thyristorcontrolled series capacitor (TCSC) and its interaction with the transmission line, Electric Power Systems Research, Volume 106, January 2014, Pages 151-159 16 Số 21 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [5] Uriel Vargas, Abner Ramirez, Reformulating Extended Harmonic Domain Models for Accurate Representation of Harmonics Dynamics, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.31, no.6, 2016 [6] Abner Ramirez, The Modified Harmonic Domain: Interharmonics, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.26, no.1, January 2011 [7] M.A.C Mercado, J R Orillaza, Harmonic state space model of a closed-loop balanced Thyristor Controlled Series Compensator, 17th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), Belo Horizonte, 2016, pp 587-592 [8] Ehsan Karami, Manuel Madrigal, and et…., Single-phase modeling approach in dynamic harmonic domain, IEEE Transactions on Power Systems, Vol.33, No.1, p.257-267, 2017 [9] Nguyễn Mạnh Cường, Giải pháp xây dựng hệ thống điện truyền tải linh hoạt, Hội nghị khoa học cơng nghệ Điện lực tồn quốc, Hà Nội, 13 trang, 15-16 tháng 11, 2017 [10] Nguyễn Phúc Huy, Phân tích sóng hài SVC điều kiện vận hành khơng lý tưởng miền sóng hài, Tạp chí khoa học công nghệ lượng - Trường đại học Điện lực, Số 19, trang 73-80 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ ngành hệ thống điện tự động hóa Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Lĩnh vực nghiên cứu: chất lượng điện năng, ứng dụng điện tử công suất, độ tin cậy hệ thống điện Số 21 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 18 Số 21 ... hợp phổ hài điện áp nút dòng nhánh Bài báo phân tích sóng hài từ phụ tải phi tuyến từ nguồn hệ thống lan truyền lưới điện miền sóng hài Khi chưa có TCSC lưới, sóng hài lan truyền phụ thuộc vào tổng... đầu vào ln có tương tác (modulation) sóng hài chúng lưới điện Kỹ thuật phân tích miền sóng hài kết hợp phân tích sóng hài miền thời gian miền tần số, áp dụng thuận lợi cho trường hợp phân tích. .. sinh sóng hài, phía hệ thống có sóng hài truyền tới MƠ HÌNH TCSC TRÊN MIỀN SĨNG HÀI Cấu hình TCSC thể 12 hình 1, bao gồm kháng bù có điều khiển (TCR) nối song song với tụ điện, để nâng cao hiệu điều