Ứng dụng statcom để điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng cho hệ thống điện

Bài viết này đề xuất một phương pháp điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng cho hệ thống điện 500kV gồm có ba nút. Phương pháp này sử dụng một bộ bù STATCOM 48 xung xây dựng dựa vào bộ chuyển đổi nguồn áp VSC 6-xung, các bộ biến đổi nguồn áp VSC 6-xung liên kết với bốn máy biến áp dịch pha để khử được sóng hài ngõ ra đến mức thấp nhất.

Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆN Hà Văn Du(1) (1) Trường Đại học Thủ Dầu Một Ngày nhận 28/04/2020; Ngày gửi phản biện 03/05/2020; Chấp nhận đăng 24/05/2020 Liên hệ email: duhv@tdmu.edu.vn https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 Tóm tắt Bài báo đề xuất phương pháp điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện 500kV gồm có ba nút Phương pháp sử dụng bù STATCOM 48 xung xây dựng dựa vào chuyển đổi nguồn áp VSC 6-xung, biến đổi nguồn áp VSC 6-xung liên kết với bốn máy biến áp dịch pha để khử sóng hài ngõ đến mức thấp Trình tự bước thiết kế điều khiển STATCOM trình bày với mơ ứng dụng vào hệ thống điện Kết mô chế độ bình thường cố cho thấy đáp ứng hiệu phương pháp đề xuất Từ khóa: bù cơng suất phản kháng, điều chỉnh điện áp, Abstract STATCOM APPLICATION FOR VOLTAGE REGULATION AND REACTIVE POWER COMPENSATION FOR POWER SYSTEMS This paper proposes a method to adjust the voltage and reactive power compensation for the 500kV power system which consists of three bus This method uses a 48-pulse STATCOM made based on power converter 6-pulses VSC, topology of 6pulses VSCs is connected to four phase-shifting transformer to reduced to the level of harmonics lowest The order of the design steps of STATCOM controller is presented along with its simulation when applying to power systems The simulation results were in the normal state and fault state showed the effectiveness of its response to the proposed method Giới thiệu Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt chế độ, kể tình cố nghiêm trọng phải có thiết bị điều khiển đại lượng hệ thống Một đại lượng đại lượng điện áp Các cố tan rã hệ thống điện gần có liên quan đến sụp đổ điện áp ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sụp đổ điện áp thường không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cho hệ thống điện cách kịp thời Theo kết mô cho thấy việc đáp ứng hiệu STATCOM chế độ hệ thống điện phụ thuộc vào tính làm việc 101 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 điều khiển STATCOM Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn STATCOM hợp lý, dung lượng bù tối ưu phân tích chế độ xác lập, chế độ độ mối quan tâm hàng đầu việc đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện Trong báo tác giả đưa giải pháp đáp ứng công suất phản kháng cho hệ thống điện STATCOM điều khiển đa bậc với 48 xung để điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện Bộ STATCOM điều khiển đa bậc 48 xung gồm có chuyển đổi VSC bước kết nối bốn máy biến áp dịch pha để giảm sóng hài đến mức thấp phía AC, ứng dụng lĩnh vực công suất cao mà không cần lọc AC Bộ STATCOM điều khiển đa bậc 48 xung có ưu điểm điều khiển dòng để ngăn ngừa dòng VSC nên trì cung cấp cơng suất phản kháng hệ thống cố có sóng hài biến dạng Vì đáp ứng u cầu độ phản ứng nhanh, nhạy dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện chế độ làm việc Trong báo có sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô đáp ứng động STATCOM cho hệ thống điện 500 kV gồm có ba nút kết mơ trình bày để minh họa hiệu đáp ứng STATCOM 48 xung việc bù công suất phản kháng điều chỉnh điện áp chế độ cho hệ thống điện Thiết kế bù STATCOM 48 xung 2.1 Mơ hình mạch động lực Bộ chuyển đổi nguồn áp VSC: Gồm bốn cầu bước cấp 48 xung điều khiển từ điều khiển STATCOM để kích thiết bị GTO hoạt động Hình Mạch động lực STATCOM 48 xung 102 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 Cầu bước GTO nối đối song với Diod hình Các GTO tạo thành nghịch lưu biến đổi điện áp chiều thành xoay chiều Trong hình công tắc điện tử: Q1a, Q2a, Q3a, Q4a, Q1b, Q2b, Q3b, Q4b, Q1c, Q2c, Q3c, Q4c tượng trưng cho GTO Hình Cấu trúc cầu nghịch lưu bước Máy biến Áp: Trong cấu trúc mạch động lực STATCOM, MBA có cuộn sơ cấp nối với hệ thống cuộn thứ cấp liên kết với chuyển đổi nguồn áp VSC Trong cấu trúc liên kết với chuyển đổi nguồn áp VSC, cuộn thứ cấp MBA sử dụng để khử sóng hài bậc cao khơng mong muốn truyền tải Tụ điện: Được sử dụng điện áp chiều lưỡng cực cung cấp nguồn cho khối cầu bước hoạt động Chính mà STATCOM tạo điện áp 48 bậc tương đương với dạng sóng hình sin hình Hình Dạng sóng điện áp 48 xung Mơ hình tốn: Mơ hình tốn STATCOM cho cơng thức sau: 103 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 d ia (t )  Ria (t ) dt (1) d ebn (t )  vbn (t )  L ib (t )  Rib (t ) dt (2) d ecn (t )  vcn (t )  L ic (t )  Ric (t ) dt (3) Trong đó: van(t), vbn(t), vcn(t) - điện áp đầu chuyển đổi xác định tín hiệu cổng “g “ điện áp chiều DC Trạng thái mơ hình tốn STATCOM tần số cho công thức: ean (t )  van (t )  L x* (t )  AS x(t )  BS u(t ) (4) Trong đó: T x(t )  ia0 (t ), ib0 (t ), ic0 (t ), vDC (t ) u(t )  ean (t ), ebn (t ), ecn (t ) T  R  0 k1 sin(t   )   L   R    k1 sin(t    120 )  AS   L   R  0  k1 sin(t    2400 )  L   0   k2 sin(t   ) k2 sin(t    120 ) k2 sin(t    240 )   1 L  BS     0  L  0  0   L  k1  16 16 ; k2  L L ; Mô hình STATCOM chuyển đổi giá trị đo lường từ hệ thống abc thành giá trị dq0 từ hệ tham chiếu : * xdq  Adq xdq  Bdq 0udq (5) Trong đó: T xdq0  id , iq , i0 , vDC  T ; udq0  ed , eq , e0 ,0  R   L  R    L Adq    0  3  k2 cos   k2 cos  2  k sin    k1 cos     R  L   0   104 Bdq ; 1 L  0   0   0  0 L 0 L 0  0  0   0  1  C Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 Mơ hình mạch điều khiển: Ngun tắc điều chỉnh, điện áp hệ thống Vmeas thấp so với điện áp tham chiếu Vref Bộ điều chỉnh điện áp điều chỉnh đầu dòng điện Iq tăng, điều chỉnh dịng tăng chậm góc kích alpha () điện áp chuyển đổi điện áp hệ thống, tăng điện áp DC chuyển đổi phát điện áp AC cao điện áp hệ thống pha với điện áp hệ thống nên STATCOM làm việc chế độ dung phát công suất phản kháng lên hệ thống Ngược lại, điện áp hệ thống Vmeas cao so với điện áp tham chiếu Vref STATCOM chuyển từ làm việc chế độ dung sang làm việc chế độ cảm, giảm điện áp DC chuyển đổi phát điện áp AC thấp so với điện áp hệ thống, STATCOM hấp thụ công suất phản kháng tức công suất phản kháng chạy từ hệ thống vào STATCOM Khi điện áp hệ thống điện áp định mức STATCOM khơng phát cơng suất phản kháng vào hệ thống không hấp thụ cơng suất phản kháng từ hệ thống Hình Sơ đồ khối mạch điều khiển STSTCOM 48 xung 2.2 Thiết kế mơ hình mơ STATCOM 48-xung lưới điện 500kV gồm có nút Sơ đồ đơn tuyến hệ thống điện: Lưới điện bao gồm ba nguồn 500kV tương ứng nhà máy điện (NMĐ1) tương đương 6500 MVA, nhà máy điện (NMĐ2) tương đương 3200MVA nhà máy điện (NMĐ3) tương đương 2400MVA nối với đường dây truyền tải: Đường dây 500kV L1: NMĐ1-Trạm B1 dài 40km, L2: Trạm B1-Trạm B2 dài 20km, L3: Trạm B2-Trạm B3 dài 153km, L4: Trạm B3-Trạm B1 dài 154km bù đồng tĩnh STATCOM 48-xung sử dụng để điều chỉnh điện áp hệ thống, có cơng suất định mức 100 MVAR đặt trạm B1 hình 105 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 Hình Sơ đồ kết nối đơn tuyến STATCOM 48-xung lưới điện 500kV có nút Mơ hình mơ Hình Mơ hình mơ Matlab/Simulink Kết mô 3.1 Kết mô đáp ứng động STATCOM trường hợp hệ thống điện làm việc bình thường Tiến hành chạy mơ nhìn vào cửa sổ tín hiệu đáp ứng ngõ thể sau: Biểu đồ hình hiển thị tín hiệu điện áp tham chiếu Vref (pu)( nét màu tím) với điện áp đo lường thứ tự dương Vmeas (pu) STATCOM (nét màu vàng) 106 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 Hình Kết đáp ứng điện áp Vmes Vref Biểu đồ hình hiển thị tín hiệu điện áp thứ cấp tạo chuyển đổi VaSec(pu) (nét màu vàng) với điện áp sơ cấp Va(pu)( nét màu tím) dịng điện sơ cấp IaPrim (nét màu xanh) Hình Kết đáp ứng điện áp VaSec,Va IaPrim Biểu đồ hình thể đáp ứng công suất phản kháng Q(MVAR)( nét màu vàng) điện áp hệ thống Vmes thay đổi Hình Kết đáp ứng cơng suất phản kháng Q(MVAR) Biểu đồ hình 10 thể diễn biến điện áp DC (nét màu vàng) điện áp hệ thống thay đổi Vmeas (pu) Hình 10 Kết biến đổi điện áp DC 107 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 Biểu đồ hình 11 hiển thị tín hiệu dòng điện phản kháng tham chiếu Iqref (pu)( nét màu tím) với dịng điện phản kháng Iq (pu)( nét màu vàng) Hình 11 Kết biến đổi dịng điện Iq-Iqref Biểu đồ hình 12 thể diễn biến góc kích alpha (nét màu vàng) Hình 12 Kết biến đổi góc kích alpha Tiến hành phân tích diễn biến đáp ứng STATCOM 48-xung chế độ làm việc bình thường hệ thống Ban đầu hệ thống ổn định, điện áp DC 19,3 kV (hình 10) Tại thời điểm t = 0,02s điện áp hệ thống đột ngột tăng lên Vmeas = 1,01pu (hình 7), STATCOM phản ứng cách hút lượng công suất phản kháng 50 MVAR (hình 9) tương ứng điện áp nguồn DC giảm VDC = 19 kV(hình 10), đến thời điểm: t = 0,13s điện áp hệ thống giảm xuống Vmeas = 0,99pu, STATCOM phản ứng cách chuyển từ tính cảm sang tính dung bù cơng suất phản kháng lên hệ thống lượng 30MVAR tương ứng điện áp nguồn DC tăng lên VDC = 19,7 kV Tại thời điểm t = 0,22s, điện áp hệ thống lại tăng lên Vmeas = 1,04pu lúc STATCOM lại chuyển từ hoạt động tính dung sang tính cảm hút lượng công suất phản kháng Q=100 MVAR, tương ứng điện áp nguồn DC giảm xuống VDC = 17,8kV, đến thời điểm t=0,317s điện áp hệ thống giảm dần xuống Vmeas = 1,009pu STATCOM tiếp tục hút lượng công suất phàn kháng Q=37 MVAR điện áp nguồn DC tương ứng VDC = 18,7kV, điện áp hệ thống trì mức 1,01pu đến kết thúc mô Quan sát biểu đồ hình 11 ta thấy tương ứng với thời điểm mà STATCOM bù công suất phản kháng lên hệ thống dịng ngang trục Iq tăng lên, thời điểm STATCOM bù công suất phản kháng tới mức 30 MVAR dịng Iq đạt đến giá trị 108 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 0,25pu Tại thời điểm STATCOM thay đổi chế độ làm việc Iq có biên độ tăng giảm thay đổi theo Tương tự diễn biến dịng ngang trục Iq, quan sát biểu đồ hình 12 ta nhận thấy góc kích Alpha điều khiển STATCOM thay đổi để điều khiển STATCOM hoạt động bù hút công suất phản kháng để đáp ứng theo thay đổi điện áp hệ thống điện 3.2 Kết mô đáp ứng động STATCOM trường hợp hệ thống điện ngắn mạch pha A chạm đất đường dây L4 (Trạm B3-Trạm B1) Tạo cố ngắn mạch pha A chạm đất tiến hành chạy mơ phỏng, nhìn vào cửa sổ tín hiệu đáp ứng ngõ thể sau: Hình 13 hiển thị tín hiệu điện áp tham chiếu Vref (pu)( nét màu tím) với điện áp đo lường thứ tự dương Vmeas (pu) STATCOM (nét màu vàng) Hình13 Kết đáp ứng điện áp Vmes vàVref Hình 14 hiển thị tín hiệu điện áp thứ cấp tạo chuyển đổi VaSec(pu)( nét màu vàng) với điện áp sơ cấp Va(pu) (nét màu tím) dịng điện sơ cấp IaPrim (nét màu xanh) Hình 14 Kết đáp ứng điện áp VaSec,Va IaPrim Biểu đồ hình 15 thể đáp ứng công suất phản kháng Q(MVAR) (nét màu vàng) điện áp hệ thống Vmes thay đổi Hình 15 Kết đáp ứng công suất phản kháng Q (MVAR) 109 https://doi.org/10.37550/tdmu.VJS/2020.03.039 Biểu đồ hình 16 thể diễn biến điện áp DC (nét màu vàng) điện áp hệ thống thay đổi Vmeas (pu) Hình 16 Kết biến đổi điện áp DC Biểu đồ hình 17 hiển thị tín hiệu dịng điện phản kháng tham chiếu Iqref (pu) (nét màu tím) với dịng điện phản kháng Iq (pu)( nét màu vàng) Hình 17 Kết biến đổi dịng điện Iq-Iqref Biểu đồ hình 18 thể diễn biến góc kích alpha (nét màu vàng) Hình 18 Kết biến đổi góc kích alpha Tiến hành phân tích diễn biến cố hệ thống đáp ứng STATCOM 48xung sau: Thiết lập cố xảy thời điểm t = 1/60s kết thúc thời điểm t = 5/60s Thời điểm bắt đầu xảy cố ngắn mạch chạm đất pha A, thời điểm t = 1/60s dòng điện ngắn mạch tăng nhanh lên giá trị 3,2pu (hình 14), điện áp hệ thống giảm nhanh xuống giá trị 0,87pu (hình 13) STATCOM đáp ứng lại cách tạo lượng công suất phản kháng bù cho hệ thống Q = 72 MVAR (hình 15) dẫn đến điện áp DC tăng lên, lúc ta thấy điện áp DC tăng lên đến 36kV (hình 16) Sau đó, thời điểm t = 5/60s cố kết thúc, STATCOM tiếp tục bù CSPK Q=20 MVAR để điều chỉnh điện áp hệ thống thời điểm t = 0,24 s điện áp hệ thống tăng đạt đến giá trị 1,035pu, lúc ta thấy STATCOM đáp ứng linh hoạt, STATCOM chuyển trạng thái hoạt động từ tính dung sang tính cảm, hút 110 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 3(46)-2020 lượng công suất phản kháng Q = 100MVAR Tương ứng điện áp DC giảm xuống VDC = 18,8kV Quan sát hình 17 ta thấy tương ứng với thời điểm mà STATCOM bù cơng suất phản kháng lên hệ thống dòng ngang trục Iq tăng lên Thời điểm STATCOM bù cơng suất phản kháng 72 MVAR dịng Iq đạt đến giá trị 3,0pu, thời điểm STATCOM bù cơng suất phản kháng giảm dần Iq có biên độ giảm dần STATCOM hoạt động chế độ bình thường Tương tự diễn biến dịng ngang trục Iq, góc kích Alpha (hình 18) điều khiển STATCOM thay đổi để điều khiển STATCOM đáp ứng việc bù hút công suất phản kháng hệ thống Biên độ góc kích alpha thay đổi theo biến đổi điện áp hệ thống Kết luận Kết mô chế độ bình thường, ngắn mạch pha A chạm đất Các kết mô cho thấy STATCOM luôn đáp ứng cách nhanh nhạy chế độ nhu cầu bù công suất phản kháng cho hệ thống có thay đổi điện áp hệ thống cách đột ngột, đặc biệt chế độ ngắn mạch Điều cần thiết hoàn toàn phù hợp với phương pháp đề xuất điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện 500kV gồm có ba nút sử dụng STATCOM 48 xung Qua nghiên cứu kết mơ phương pháp đề xuất ta áp dụng vào vận hành hệ thống truyền tải điện Việt Nam nhằm nâng cao ổn định điện áp nâng cao khả truyền tải cho hệ thống điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] STATCOM control with Robust Synchronizing Phase Locked Loop under Three Phase Power System Faults: Prof A.K.Panda, Yellasiri.Suresh, Mikkili.Suresh IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control and Robotics [2] Current Control of Angle Controlled STATCOM: Zhengping Xi, Student Member, IEEE, and Subhashish Bhattacharya, Member, IEEE [3] Three-Level 24-Pulse STATCOM with Pulse Width Control at Fundamental Frequency Switching: Kadagala Venkata Srinivas, Student Member, IEEE and Bhim Singh, Fellow, IEEE [4] Simulation of Three-Lever 48-Pulses STATCOM: S.HADJERI, Fatiha GHEZAL and S.A.ZIDI ACTA ELECTROTEHNICA [5] This demonstration illustrates operation of a +100 Mvar/-100 Mvar 48-pulse GTO STATCOM: P Giroux ; G Sybille (Hydro-Quebec) 111 ... định điện áp cho hệ thống điện Trong báo tác giả đưa giải pháp ? ?áp ứng công suất phản kháng cho hệ thống điện STATCOM điều khiển đa bậc với 48 xung để điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho. .. với điện áp hệ thống, STATCOM hấp thụ công suất phản kháng tức công suất phản kháng chạy từ hệ thống vào STATCOM Khi điện áp hệ thống điện áp định mức STATCOM khơng phát cơng suất phản kháng vào... () điện áp chuyển đổi điện áp hệ thống, tăng điện áp DC chuyển đổi phát điện áp AC cao điện áp hệ thống pha với điện áp hệ thống nên STATCOM làm việc chế độ dung phát công suất phản kháng lên hệ