Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điện tử công suất để điều khiển chế độ làm việc của đường dây tải điện xoay chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BÙI VĨNH ĐÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI VĨNH ĐÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CÔNG NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA KHÓA 2006-2008 Hà Nội, 2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -BÙI VĨNH ĐÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGYỄN VĂN LIỄN H Ni, 2008 Lời cam đoan Tôi Bùi Vĩnh Đông, học viên lớp Cao học Tự động hóa, Khoá 2006 2008 Được giúp đỡ hưỡng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Liễn đà chọn thực đề tài luận văn có nội dung Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điện tử công suất để điều khiển chế độ làm việc đường dây tải điện xoay chiều Tôi xin cam đoan luận văn thực thân hưỡng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, với tài liệu đà trích dẫn phần tài liệu tham khảo phần cuối luận văn Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2008 Học viên Bùi Vĩnh Đông Mục lục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vÏ Mở đầu ch­¬ng 11 tỉng quan vỊ l­íi ®iƯn viƯt nam 11 Quy hoạch hệ thống điện Việt Nam đến năm 2020 11 1.1 Giai đoạn 2004 - 2010 11 1.2 Giai đoạn 2011-2020 12 Chương trình phát triển lưới điện truyền tải Việt Nam 13 Ch­¬ng 15 chế độ làm việc đường dây tải điện cao áp 15 2.1 Các chế độ làm việc cđa hƯ thèng ®iƯn 15 2.2 Mất cân công suất tác dụng hƯ thèng ®iƯn 20 2.3 Khái niệm ổn định quan hệ cân công suất phản kháng với ổn định lưới hƯ thèng, l­íi trun t¶i 20 2.3.1 ổn định 20 2.3.2 Quan hệ công suất phản kháng - điện áp 21 ch­¬ng 23 ứng dụng điện tử công suất để điều khiển thiết bị bù dọc bù ngang 23 3.1 Mục đích việc đặt bù 23 3.2 Bï dọc bù ngang đường dây siêu cao áp 24 3.2.1 Bï däc: 24 3.2.2 Bï ngang: 29 3.3 Các giải pháp thiết bị điều khiển công suất phản kháng đường dây tryền tải điện - ứng dụng thiết bị FACT hệ thống truyền tải điện xoay chiều 31 3.3.1 Mô hình thiết bÞ FACT 32 3.3.2 Các dạng thiết bị ®iỊu khiĨn FACTS 34 3.3.2.1 C¸c bé ®iỊu khiĨn ngang 34 3.3.2.2 Các điều khiển dọc 36 3.3.2.3 Các điều khiển tổ hợp dọc ngang 38 ch­¬ng 41 mô hình nguyên lý hoạt động thiết bị bù dọc có điều khiển tcsc 41 4.1 Mô hình TCSC 41 4.2 Nguyªn lý hoạt động kháng điều chỉnh Thyristor- TCR (Thyristor Controlled Reactor) 44 4.3 Kháng điều chỉnh Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor) 45 4.4 Bï däc b»ng ®iƯn dung cã ®iỊu chØnh - TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor ) 54 4.4.1 Mô hình TCSC 54 4.4.2 CÊu tróc ®iỊu khiĨn 61 4.4.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển TCSC 62 4.4.2.2 Sơ đồ khối hệ điều khiển phát xung cho thyristor TCSC 65 ch­¬ng 70 Khảo sát đặc tính làm việc TCSC 70 5.1 Thuật toán GA mô hình giảm bậc cđa hƯ thèng MIMO tun tÝnh sư dơng tht to¸n GA 70 5.1.1 Tãm t¾t 70 5.1.2 Giíi thiƯu 70 5.1.3 Mô tả thuật toán 72 5.2 ứng dụng Thuật toán GA khảo sát đặc tính làm việc TCSC 75 5.2.1 Mô hình hệ thống truyền tải máy phát điện 76 5.2.2 Mô hình hệ thống bï nèi tiÕp ®iỊu khiĨn b»ng Thyristor (TCSC) 77 5.2.3 CÊu tróc cđa bé ®iỊu khiĨn TCSC 78 5.2.4 Các vấn đề liên quan đến xây dựng công thức 79 5.2.5 Kh¸i qu¸t vỊ tht to¸n di chun (genetic algorithm - GA) 80 5.2.6 KÕt qu¶ 82 5.2.6.1 Trường hợp 1: Nhiễu gây lỗi pha 84 5.2.6.2 Tr­êng hỵp 2: Sự nhiễu loạn lưới truyền tải 88 5.2.6.3 Trường hợp 3: Các nhiễu loạn nhỏ tác động 92 5.3 Mô tác dụng điều khiển TCSC đường dây truyền tải điện xoay chiều trường hợp cố pha chạm đất 94 5.3.1 Xây dựng sơ đồ mạch mô 94 5.3.2 Kết mô pháng 97 5.3.2.1 Chế độ bình thường 97 5.3.2.2 Tr­êng hỵp cố chạm đất pha thời gian ngắn, điều khiển TCSC 98 5.3.2.3 Tr­êng hỵp cố chạm đất pha thời gian ngắn, cã bé ®iỊu khiĨn TCSC 99 5.3.2 NhËn xÐt 101 Tài liệu tham khảo 103 Tãm tắt luận văn thạc sỹ 104 summary 105 c¸c ký hiệu, chữ viết tắt CĐXL Chế độ xác lập CĐQĐ Chế độ độ HTĐ Hệ thống điện TBA Trạm biến áp ĐDSCA Đường dây siêu cao áp FACTS Flexible AC Transmission System – HƯ thèng trun t¶i ®iƯn xoay chiỊu linh ho¹t GA Genetic algorithm - Tht to¸n di chun SMIB Single machine infinite bus – HƯ thống truyền tải không dùng máy phát STATCOM Static Synchronous Compensator Thiết bị bù ngang điều khiển b»ng Thyristor SVC Static Var Compensator – ThiÕt bÞ bï tÜnh cã ®iỊu khiĨn b»ng Thyristor SSSC Static Sychronous Series Compensation - Máy bù đồng tĩnh TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor Bù tụ nối tiếp điều khiển Thyristor TCR Thyristor Controlled Reactor - Kháng điện điều chØnh b»ng thyristor UPFC Unified Power Flow Controller – ThiÕt bị điều khiển công suất tổ hợp Danh mục bảng Chương Bảng B1.1 Tổng công suất nguồn điện Việt Nam giai đoạn 2004-2010-2020 Bảng B1.2 Dự kiến phát triển lưới 500kV giai đoạn 2000-2020 Chương Bảng B3.1 Các dạng thiết bị FACTS Chương Bảng B4.1 Đặc điểm vùng làm việc Danh mục hình vẽ Chương Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản Hình 2.2 Sơ đồ hoán vị pha Chương Hình 3.1 Mô hình hệ thống điện đơn giản có tụ điện mắc nối tiếp đường dây Hình 3.2 Đồ thị véctơ U I đường dây có tụ bù dọc Hình 3.3 Đặc tính P() ứng với trường hợp tụ bù dọc có tụ bù dọc Hình 3.4 ảnh hưởng vị trí bù dọc đường dây Hình 3.5 Thiết bị FACT dạng A Hình 3.6 Thiết bị FACT dạng B Hình 3.7 Thiết bị FACT dạng C Hình 3.8 Sơ đồ sợi STATCOM Hình 3.9 Sơ đồ SVC Hình 3.10 Sơ đồ sợi UPFC Hình 3.11 Sơ đồ TCPST Chương Hình4.1 Mô hình TCSC Hình 4.2 : Sự thay đổi điện kháng TCSC với góc mở a Hình 4.3 Nguyên lý cấu tạo thyristor Hình 4.4 Dạng sóng mạch trở điều khiển thyristor Hình 4.5 (a) phần tử TCR; (b) dạng sóng dòng áp TCR Hình 4.6 Hình dáng dòng áp TCR góc mở a =1200 Hình 4.7 Đặc tính điều chỉnh liên tục TCR Hình 4.8 đặc tính điều khiển TCR Hình 4.9 Sóng tín hiệu dòng điện TCR Hình 4.10 Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt a Hình 4.11 Mô hình mạch TCSC biểu thị tương đương Hình 4.12 Mô hình TCSC (a) Mô hình bản; (b) Mô hình thực tế Hình 4.13 Mạch tương đương TCSC đơn giản Hình 4.14 : Sự thay đổi điện kháng TCSC với góc mở a Hình 4.15 Sơ đồ khối điều khiển góc mở Hình 4.16 Sơ đồ điều khiển điện kháng tổng TCSC Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển TCSC Hình 4.18 Sơ ®å khèi cđa hƯ ®iỊu khiĨn ph¸t xung cho thyristor TCSC Hình 4.19 Sơ đồ khối hệ điều khiển phát xung cho thyristor TCSC có cải thiện Hình 4.20 Sơ đồ khối hệ điều khiển phát xung cho thyristor TCSC có cải thiện Chương Hình 5.1 Sơ đồ thuật toán GA Hình 5.2 Hệ thống truyền tải máy phát điện với TCSC Hình 5.3 Module TCSC Hình 5.4 Cấu trúc điều khiển TCSC Hình 5.5 sơ đồ thuật toán di chuyền Hình 5.6 Mổ mô hình SMIB có dùng điều khiển TCSC Hình 5.7 Mô hình mô tính toán id, iq, Ed, Eq Pe Hình 5.8 Sự biến đổi Góc Rotor máy phát đồng có điều khiển TCSC nhiễu gây lỗi pha chu kỳ Hình 5.9 Sù biÕn ®ỉi cđa ®é lƯh tèc ®é Dw trường hợp Hình 5.10 Sự biến đổi công suất điện Pe trường hợp Hình 5.11 Sự biến điện áp Ed trường hợp Hình 5.12 Sự biến điện áp Eq trường hợp Hình 5.13 Sự biến đổi điện áp Efd trường hợp Hình 5.14 Sự biến đổi điện áp đầu cuối Vt trường hợp Hình 5.15 Sự biến đổi dòng điện Id trường hợp Hình 5.16 Sự biến đổi dòng điện Iq trường hợp Hình 5.17 Sự biến đổi XTCSC trường hợp Hình 5.18 Sự biến đổi Góc Rotor máy phát ®ång bé H×nh 5.19 Sù biÕn ®ỉi cđa ®é lƯh tốc độ Dw trường hợp Hình 5.20 Sự biến đổi công suất điện Pe trường hợp Hình 5.21 Sự biến điện áp Ed trường hợp Hình 5.22 Sự biến điện áp Eq trường hợp Hình 5.23 Sự biến đổi điện áp Efd trường hợp Hình 5.24 Sự biến đổi điện áp đầu cuối Vt trường hợp Hình 5.25 Sự biến đổi dòng điện Iq trường hợp Hình 5.26 Sự biến đổi XL trường hợp Hình 5.27 Sự biến đổi Góc Rotor máy phát đồng trường hợp Hình 5.28 Sự biÕn ®ỉi cđa ®é lƯh tèc ®é Dw tr­êng hợp Hình 5.29 Sự biến đổi công suất điện Pe trường hợp Hình 5.30 Sự biến đổi điện áp đầu cuối Vt trường hợp Hình 5.31 Sự biến đổi XTCSC trường hợp Hình 5.32 Mạch mô hệ thống truyền tải bï nèi tiÕp H×nh 5.33 CÊu tróc cđa Module bé bù nối tiếp TCSC Hình 5.34 Cấu trúc khâu bù pha Hình 5.35 Cấu trúc khâu Energy & Gap firing Hình 5.36 Đồ thị điện áp ba pha lưới truyền tải chế độ bình thường Hình 5.37 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải chế độ bình thường Hình 5.38 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B1 Hình 5.39 Đồ thị điện áp dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B2 Hình 5.40 Đồ thị điện áp ba pha lưới truyền tải điểm B1 Hình 5.41 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B1 Hình 5.42 Đồ thị điện áp dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B2 89 Hình 5.18 Sự biến đổi Góc Rotor máy phát ®ång bé H×nh 5.19 Sù biÕn ®ỉi cđa ®é lƯh tốc độ Dw trường hợp Hình 5.20 Sự biến đổi công suất điện Pe trường hợp 90 Hình 5.21 Sự biến điện áp Ed trường hợp Hình 5.22 Sự biến điện áp Eq trường hợp Hình 5.23 Sự biến đổi điện áp Efd trường hợp 91 Hình 5.24 Sự biến đổi điện áp đầu cuối Vt trường hợp Hình 5.25 Sự biến đổi dòng điện Iq trường hợp Hình 5.26 Sự biến đổi XL trường hợp 92 Kết mô rõ hiệu mô hình đưa kết điều chỉnh nhận Đà rõ hình điều khiển TCSC tối ưu theo GA đà có đặc tính dập nhiễu tốt có dao động tần số thấp nhanh chóng làm cho hệ thống vào ổn định có nhiễu nguy hiểm tác động vào 5.2.6.3 Trường hợp 3: Các nhiễu loạn nhỏ tác động Để xác định lại rõ hiệu điều khiển TCSC tối ưu dùng GA, nhiễu loạn nhỏ, công suất máy đưa máy phát giảm pu thời điểm 1s nhiễu bị giây thứ Đáp ứng hệ thống nhiễu nhỏ ngẫu nhiên rõ hình từ hình 5.27 đến hình 5.31 Hình 5.27 Sự biến đổi Góc Rotor máy phát đồng trường hợp Hình 5.28 Sự biến đổi độ lệh tốc độ Dw trường hợp 93 Hình 5.29 Sự biến đổi công suất điện Pe trường hợp Hình 5.30 Sự biến đổi điện áp đầu cuối Vt trường hợp 94 Hình 5.31 Sự biến đổi XTCSC trường hợp Ta thấy rõ ràng điều khiển tối ưu theo GA có đặc tính dập nhiễu tốt làm giảm dao động tần số nhanh chóng ổn định hệ thống có nhiễu nhỏ 5.3 Mô tác dụng điều khiển TCSC đường dây truyền tải điện xoay chiều trường hợp cố pha chạm đất 5.3.1 Xây dựng sơ đồ mạch mô Ta xét sơ đồ hệ thống truyền tải không đơn giản có máy phát điện với điều khiển TCSC hình 5.2, từ sơ đồ hệ thông ta xây dựng thành module mạch mô Matlab hình 5.32 Đường dây truyền tải điện xoay chiều không 500kV, 60Hz, có chiều dài 300 Km, Thiết bị bù công suất phản kháng đặt phía cuối đường truyền tải 95 Hình 5.32 Mạch mô hệ thống truyền tải bù nối tiếp Hình 5.33 Cấu tróc cđa Module bé bï nèi tiÕp TCSC 96 H×nh 5.34 Cấu trúc khâu bù pha Hình 5.35 CÊu tróc kh©u Energy & Gap firing 97 5.3.2 KÕt mô 5.3.2.1 Chế độ bình thường Hình 5.36 Đồ thị điện áp ba pha lưới truyền tải chế độ bình thường Hình 5.37 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải chế độ bình thường 98 5.3.2.2 Trường hợp cố chạm đất pha thời gian ngắn, điều khiển TCSC Hình 5.38 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B1 99 Hình 5.39 Đồ thị điện áp dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B2 5.3.2.3 Trường hợp cố chạm đất pha thời gian ngắn, có điều khiển TCSC 100 Hình 5.40 Đồ thị điện áp ba pha lưới truyền tải điểm B1 Hình 5.41 Đồ thị dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B1 101 Hình 5.42 Đồ thị điện áp dòng điện ba pha lưới truyền tải điểm B2 5.3.2 Nhận xét Từ kết mô ta thấy rằng: Trong trường hợp cố chạm đất pha thời gian ngắn, lưới truyền tải xoay chiều điều khiển TCSC dòng điện điểm phía đầu đường truyền (điểm B1) cuối đường truyền (điểm B2) dao động có biên độ cao Điện áp pha chạm đất phía cuối đường truyền gần không Trường hợp có điều khiển TCSC đồ thị hình dạng dòng điện đà cải thiện đáng kể Tại điểm phía đầu lưới truyền tải (điểm B1), sau chu kỳ dao động dòng điện nhanh chóng thiết lập trở lại gần với chế độ bình thường, biên độ dao động sau chu ky giảm đáng kể Điện áp pha chạm đất phía cuối đường truyền (điểm 102 B2) tồn hình dáng điện áp gần với hình Sin, nhiên biên độ bị giảm xuống Kết luận Như đà biết vấn đề bù công suất phản kháng đường dây truyền tải cao áp siêu cao áp có ý nghĩa tầm quan trọng đặc biệt, chúng mang lại kết quan trọng việc nâng cao khả truyền tải cải thiện chế độ làm, giúp mang lại lợi ích kinh tế to lớn Luận văn đà đưa giải vấn đề liên quan đến bù công suất phản kháng, ứng dụng bù công suất phản kháng điều khiển điện dung, tìm hiểu nghiên cứu TCSC, đồng thời thực mô chế độ làm việc đường dây truyền tải có điều khiển TCSC chế độ cố Với kết mô luận văn đà làm rõ việc áp dụng kỹ thuật điện tử công suất để điều chỉnh điện dung tụ bù dọc đường dây truyền tải, giúp nâng cao khả truyền tải, cải thiện thông số đường dây đặc biệt chế độ cố Tuy nhiên việc nghiên cứu mạch lực, mạch phát xung ®iỊu khiĨn cđa hƯ thèng ®iỊu khiĨn TCSC míi thực mức độ sơ đồ chức năng, sơ đồ khối 103 Tài liệu tham khảo Trần Bách (2007), Lưới điện & hệ thống điện, Tập 1, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Trần Bách (2007), Lưới điện & hệ thống điện, Tập 2, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Ngô Văn Dưỡng (2004), Truyền tải điện xoay chiều chiều, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Là Văn út (2001), Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện, NXB Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi L· Văn út (2000), Ngắn mạch hệ thống điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Viện lượng (2005), Phương án tiến độ đưa nguồn điện vào vận hành giai đoạn 2010 - 2020 N.G Hingorani and L.Gyugyi (2000), “ Understanding FACTS: Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systens” The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc, New York Hisham A Othman, cary; Kenvin J Timko, Apex, both of N.C (1995) “Thyristor – Controlled series Capacitor Triggering System” Date of Patent Sep.8,1998 R.M Mathur and R.K Verma (2002), “Thyristor – based FACT SSControllers for Electrical Transmission Systems” IEEE press, Piscataway 10 J Paserba, N Miler, E.Larsen, R.Piwko (1995), “Athyristor controlled series compensation model for power system stability analysis”, IEEE Tras.power System, Vol 10 11 J.Ramnarayan Patel, Vasundhara Mahajan, Vinay Pant (2006) “Modelling of TCSC Controller for Transient Stability Enhancement”, The Berkeyley Electronic Press, vol 7, Issure ... Chương chế độ làm việc đường dây tải điện cao áp 2.1 Các chế độ làm việc hệ thống điện Các chế độ làm việc HTĐ chia làm loại chính: chế độ xác lập (CĐXL) chế độ độ (CĐQĐ) Chế độ xác lập chế độ thông... -BÙI VĨNH ĐÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG... đường dây 18 Chế độ cắt tải đột ngột Khác với chế độ đóng không tải đường dây, chế độ cắt tải đột ngột đường dây diễn vào lúc điện áp đầu đường dây SCA điện áp máy phát mức cao Khi cắt tải đột