Nghiên cứu thiết bị bù bán dẫn trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI XUÂN DINH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN MÃ SỐ NGÀNH: 2.06.07 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2005 Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập-Tự Do-Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: MAI XUÂN DINH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1975 Nơi sinh: Đà Nẵng Chuyên ngành: Thiết bị, mạng & nhà máy điện MSHV: 01803451 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trình bày tổng quát thiết bị bù Facts hệ thống điện Khảo sát mô hình toán học & phương pháp điều khiển thiết bị bù SSSC Xây dựng mô hình mô thiết bị bù SSSC Matlab 7.0.1 III NGÀY GIAO NGHIỆM VỤ: 09 – 02 –2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25– 06 – 2005 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN QUỐC DŨNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH TS.PHAN QUỐC DŨNG TS.NGUYỄN HỮU PHÚC TS.NGUYỄN HỮU PHÚC Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua ĐHBK.HCM, ngày PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC tháng năm 2005 KHOA QUẢN LÝ NGÀNH CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS PHAN QUỐC DŨNG Cán chấm nhận xét 1:………………………………………………………………………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2:………………………………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM Ngày tháng năm 2005 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô Giáo trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh đặc biệt Thầy Phan Quốc Dũng tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ trình làm luận văn Xin cảm ơn TS Nguyễn Văn Nhờ, TS Phan Thị Thanh Bình Thầy giáo hướng dẫn có góp ý định hướng cho đề tài buổi bảo vệ Đề cương, giúp cho đề tài mở rộng phạm vi nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn người bạn, người thân gia đình giúp đỡ qúa trình học tập hoàn thành luận văn này… TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Nghiên cứu thiết bị bù bán dẫn hệ thống điện Đề tài chia làm hai nội dung sau: + Nghiên cứu tổng quát thiết bị bù bán dẫn hệ thống điện, mà điển hình thiết bị bù: SVC, STATCOM, SSSC, UPFC, IPFC, UPQC, UPLC + Mô thiết bị bù SSSC với phần mềm Matlab 7.01 việc điều khiển khâu hiệu chỉnh PID, điều khiển ứng dụng mạng neural nhân tạo Qúa trình mô để chứng tỏ khả thay đổi công suất tác dụng đường dây SSSC khả cản dao động Đề tài gồm có chương sau: Chương 1: Mở đầu Chương2: Các thiết bị bù bán dẫn hệ thống điện Chương3: Bù kết hợp thiết bị facts Chương4: Mô thiết bị bù SSSC Matlab 7.01 Chương5: Ứng dụng mạng Neural nhân tạo điều khiển thiết bị bù SSSC Chương6: Hướng phát triển luận văn Chương7: Kết luận MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Chương 1: Mở đầu Chương2: Các thiết bị bù bán dẫn hệ thống điện 2.1 Giới thiệu thiết bị ứng dụng công nghệ Facts A Các loại mô hình Facts B Hai công nghệ điều khiển thiết bị Facts 2.2 So sánh khả hoạt động thiết bị Facts 2.3 Những lợi ích dùng thiết bị bù sử dụng công nghệ facts 11 2.4 Khả hoạt động thiết bị bù Facts 11 2.5 Khảo sát thiết bị bù SVC Cấu tạo cấu SVC 13 a Thyristor controller reactor (TCR) 14 b Thyristor switched capacitor (TSC) 14 c Sơ đồ điều khiển SVC-Controller SVC 15 d Khả tải đường dây vấn đề ổn định 16 2.6 Khảo sát thiết bị bù TCSC Cấu tạo TSSC 17 a Xét mô hình TSSC 18 b Xét mô hình TCSC 18 c TCSC hạn chế khuyết điểm TSSC 19 d Những mặt hạn chế TCSC TSSC 19 e Sơ đồ điều khiển TCSC-Controller TCSC 19 f Khả tải đường dây có TCSC 20 2.7 Khảo sát thiết bị bù STATCOM Cấu tạo Statcom 20 a Định nghóa STATCOM 20 b Xét mô hình STATCOM 21 c Khả tải đường dây vấn đề ổn định 23 d So sánh khả hoạt động STATCOM SVC 23 e Thiết bị Bess Smes 24 f Sơ đồ điều khiển STATCOM-Controller STATCOM 26 2.8 Khảo sát thiết bị bù SSSC Cấu tạo SSSC 26 a Định nghóa SSSC-Static-Synchronous Series Compensator 27 b Mô hình SSSC 27 c Khả tải đường dây vấn đề ổn định 28 d Một vài đặt điểm cần ý với SSSC 29 e Sơ đồ điều khiển SSSC-Controller SSSC 29 Chương3: Bù kết hợp thiết bị facts 3.1 Khảo sát thiết bị bù UPFC Cấu tạo UPFC 31 a Định nghóa UPFC-Unified Power Flow Controller 31 b Mô hình UPFC 32 c Trường hợp UPFC điều khiển công suất tác dụng 32 phản kháng d Trường hợp UPFC điều khiển công suất phản kháng 32 e Khả tải đường dây vấn đề ổn định 33 f Quan điểm thứ hai UPFC 34 f.1 Chức thứ UPFC 34 f.2 Chức thứ hai cảu UPFC 34 g Vectơ dòng điện điện áp bơm vào lưới UPFC 35 3.2 Khảo sát thiết bị bù UPQC Cấu tạo UPQC 36 a Định nghóa UPQC 36 b Bộ Series controller 37 c Bộ Shunt controller 37 d Công dụng UPFC 37 e Các phận có khả lọc UPQC 38 e.1 Các mạch lọc thụ động RLC, hay RL đầu vào 38 biến đổi e.2 Chức lọc Shunt active filters 38 e.3) Chức lọc Series active filters 39 e.4) Bộ lọc kết hợp hỗn hợp Hybrid filters 39 e.5) Bộ lọc tụ DC Link mang lại 40 f Một dạng khác UPQC 40 3.3 Khảo sát thiết bị bù UPLC Cấu tạo UPLC 41 a Định nghóa UPLC 41 b Bộ Shunt controller 41 c Bộ Series controller 42 3.4 Khảo sát thiết bị bù IPFC Cấu tạo IPFC 43 a Định nghóa IPFC 43 b Sơ đồ IPFC đa kết nối 44 Chương4: Mô thiết bị bù SSSC Matlab 7.01 4.1 Xây dựng mô hình điều khiển controller SSSC 46 A Sơ đồ kết nối sssc vào hệ thống 49 Ảnh hưởng động học SSSC(SSSC Dynamic Response) 50 SSSC cản dao động công suất(SSSC damping power oscillation)50 B Mô hình khối điều khiển pod (power oscillation damping) 51 C Mô hình khối sssc 51 + Khối Series converter 51 + Khoái PLL & Measurement system 52 + Khoái Controller SSSC 52 + Khoái Converter output voltage computing 53 + Khoái DC voltage 54 + Khối Signals 55 D Mục đích luận văn 55 E Kết qủa đạt 57 F Những tồn tại, hướng khắc phục 57 4.2 Sơ đồ kết nối sssc vào hệ thống 58 4.3 Sơ đồ khối điều khiển pod (power oscillation damping) 59 4.4 Sơ đồ khối sssc 60 4.5 Kết qủa mô A.Chế độ vận hành bình thường +Sssc làm việc pod 69 +Sssc làm việc có pod 69 B Khi có ngắn mạch pha chạm đất +Sssc làm việc pod 70 +Sssc làm việc có pod 70 C.Ổn định điện áp tụ dc (v=40kV) 71 Chương5: Ứng dụng mạng Neural nhân tạo điều khiển thiết bị bù SSSC 5.1 Lịch sử phát triển mạng neural 73 5.2 Mạng neural nhân tạo ứng dụng 81 5.3 Một số ứng dụng mạng neural thực tế 81 5.4 Ưu khuyết điểm mạng neural 81 5.5 Mạng neural 82 5.6 Phương pháp huấn luyện mạng 85 5.7 Mạng lan truyền ngược-BACK PROPAGATION NETWORK 86 5.8 Xây dựng mô hình điều khiển neural 88 A Mục đích thực 88 B Kết đạt 89 C Những tồn tại, hướng khắc phục 89 D Chương trình huấn luyện 90 E Kết huấn luyện mô 90 A Chế độ vận hành bình thường +Sssc làm việc pod 93 +Sssc làm việc có pod 93 B Khi có ngắn mạch pha chạm đất +Sssc làm việc pod 94 +Sssc làm việc có pod C Ổn định điện áp tụ dc (v=40kV) 94 95 Chương6: Hướng phát triển luận văn 96 Chương7: Kết luận 115 Tài liệu tham khảo HÌNH VẼ Hình 2-1 Khả hoạt động số thiết bị bù Facts Hình 2-2 So sánh khả hoạt động số thiết bị bù Facts Hình 2-3 Đặc tuyến VA-Hz khóa bán dẫn Hình 2-4 Phương pháp điều khiển PWM Hình 2-5 Cấu tạo SVC Hình 2-6 Cấu tạo TCR Hình 2-7 Cấu tạo TSC Hình 2-8 Sơ đồ điều khiển SVC Hình 2-9 Mô hình SVC Hình 2-10 Đường đặc tuyến công suất SVC Hình 2-11 Cấu tạo TSSC Hình 2-12 Mô hình TSSC Hình 2-13 Đường đặc tính công suất TSSC Hình 2-14 Cấu tạo TCSC Hình 2-15 Phân bố dòng áp TCSC Hình 2-16 Sơ đồ điều khiển TCSC Hình 2-17 Đường đặc tính công suất TCSC Hình 2-18 Cấu tạo STATCOM Hình 2-19 Phân bố vec tơ dòng áp STATCOM Hình 2-20 Mô hình STATCOM Hình 2-21 Đường đặc tính công suất STATCOM Hình 2-22 So sánh khả hoạt động STATCOM SVC Hình 2-23 Cấu tạo thiết bị nguồn dự trữ BESS, SMES SSG Hình 2-24 Thiết bị bù kết nối STATCOM-B2B Hình 2-25 Sơ đồ điều khiển STATCOM Hình 2-26 Cấu tạo SSSC Hình 2-27 Mô hình SSSC Hình 2-28 Đường đặc tính công suất SSSC Hình 2-29 Sơ đồ điều khiển SSSC Hình 3-1 Cấu tạo UPFC Hình 3-2.Sơ đồ chi tiết cấu tạo UPFC Hình 3-3.Mô hình UPFC Hình 3-4.Vectơ điện áp UPFC Hình 3-5.Đường đặc tính công suất UPFC Hình 3-6.Vec tơ dòng áp UPFC Chương Luận Văn Cao Học +Bộ điều khiển PID mạch khuếch đại thuật toán: Hình 6-16 Bộ điều khiển PID mạch khuếch đại thuật toán Học viên: Mai Xuân Dinh Trang107 Chương Luận Văn Cao Học +Bộ phận phát xung cắt phần tử bán dẫn: Là tổ hợp gồm nhiều cổng logic đáp ứng qui luật đóng cắt phần tử bán dẫn theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, sơ đồ dây: Hình 6-17 Bộ phận phát xung điều khiển vale bán dẫn 6.3 Mô hình điều khiển thiết bị Facts có thêm chứa nguồn[12] STATCOM+SMES Hình 6-18 Mô hình thiết bị Facts có thêm chứa nguồn Học viên: Mai Xuân Dinh Trang108 Chương Luận Văn Cao Học +Đồ thị so sánh khả kết hợp thành phần: Hình 6-19 So sánh khả cản dao động kết hợp thiết bị Facts với Smes POD POD: Power Oscillation Damping, mạch điện (POD Circuit Arrangement) có chức tăng cường cản dao động cho thiết bị Facts cách thay đổi giá trị đặt ban đầu thiết bị Facts để có giá trị đặt tốt +So sánh khả hoạt độâng SSSC SSSC+Bess[33] SSSC SSSC with BESS Active Power Control Active Power Control Limited Voltage Support Improved Voltage Support Good impact on transient stability Good impact on transient stability Good impact on oscillation damping Good impact on oscillation damping Limited impact on voltage stability Voltage stability improvement Hình 6-20 So sánh khả hoạt động SSSC SSSC+Bess Học viên: Mai Xuân Dinh Trang109 Chương Luận Văn Cao Học Hình 6-21 So sánh ổn định điện áp SSSC SSSC+Bess Hình 6-22 So sánh ổn định công suất tác dụng SSSC SSSC+Bess + So sánh khả hoạt độâng Statcom vaø Statcom+Bess[33] STATCOM STATCOM with BESS Voltage Support Voltage Support Reactive Powe Support Reactive Power Support Limited impact on transient stability Active Power Support Limited impact on oscillation damping Oscillation damping and transient stability improvement Hình 6-23 So sánh hoạt động Statcom Statcom+Bess Học viên: Mai Xuân Dinh Trang110 Chương Luận Văn Cao Học Hình 6-24 So ổn định điện áp Statcom Statcom+Bess Hình 6-25 So ổn định công suất công suất tác dụng Statcom Statcom+Bess Học viên: Mai Xuân Dinh Trang111 Chương Luận Văn Cao Học Hình 6-26 So ổn định điện áp Statcom+Bess, SSSC+Bess UPFC Hình 6-27 So sánh công suất tác dụng Statcom+Bess, SSSC+Bess UPFC Học viên: Mai Xuân Dinh Trang112 Chương Luận Văn Cao Học Như từ (hình vẽ 6-27) ta có kết luận: +Về ổn định điện áp: Statcom+Bess tốt UPFC UPFC tốt SSSC+Bess +Về ổn định công suất tác dụng: SSSC+Bess tốt Statcom+Bess Statcom+Bess tốt UPFC Từ hai nhận định ta có sơ đồ điều khiển linh động: Hoặc dùng SSSC+Bess, Statcom+Bess, UPFC+Bess theo yêu cầu chế độ tải khác mà sử dụng hiệu hình đây: Hình 6-28 Điều khiển thiết bị bù Facts+Bess PC+DSP Học viên: Mai Xuân Dinh Trang113 Chương Luận Văn Cao Học Hình 6-29 Điều khiển thiết bị bù Facts+Bess PC+DSP phóng rõ Học viên: Mai Xuân Dinh Trang114 Chương Luận Văn Cao Học CHƯƠNG KẾT LUẬN Học viên: Mai Xuân Dinh Trang115 Chương Luận Văn Cao Học Các thiết bị bù Facts ứng dụng khoa học điều khiển điện áp dòng điện online hệ thống lưới điện Ưu việt thiết bị bù Facts chỗ điều khiển cách tự động, ‘như hệ thần kinh thực vật người’ Bởi mà ‘chuyên gia vận hành lưới điện’ thay người làm việc mà người làm hệ thống lưới, nhiên vận hành công việc phạm vi mà có người tạo nên Một số thiết bị Facts thực công việc quan trọng khả giảm dòng hài khóa bán dẫn sinh qúa trình đóng cắt, nhờ sử dụng sơ đồ nghịch lưu đa bậc (multilevel inverters -MLI) mà điện áp, dòng điện phần tử không vấn đề quan trọng giảm nhỏ, góc mở vale bán dẫn nhỏ nên dòng hài sinh nhỏ Các thiết bị Facts sử dụng nghịch lưu áp đa bậc VSI (Multilevel voltage source inverter) gọi biến đổi nguồn áp Voltage source converter(VSC) Bộ nghịch lưu áp đa bậc với việc sử dụng phương pháp điều khiển (như PWM, SPWM, Sin PWM, SVPWM, OPWM, DSP…), kỹ thuật phân tích thành phần điện áp, dòng điện chuỗi Fourier nên có khả giảm hài Tuy nhiên theo minh họa hình dây khả triệt thành phần hài làm giảm mức độ đó[7][8]: Hình 7-1 Phân tích khả triệt thành phần hài nghịch lưu đa bậc Người ta cho triệt tới 60% thành phần hài, với nghịch lưu đa bậc sử thiết bị Facts Hệ số điều chế m( 0