Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định quá độ hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - CAO THỊ XUÂN THÙY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - CAO THỊ XUÂN THÙY NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) Họ tên TT Chức danh Hội đồng TS.Huỳnh Châu Duy Chủ tịch TS.Trần Vinh Tịnh Phản biện PGS.TS Trương Việt Anh Phản biện TS.Võ Hoàng Duy TS.Đặng Xuân Kiên Uỷ viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày…… tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Cao Thị xuân Thùy Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1979 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1441830050 I- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định độ hệ thống điện II- Nhiệm vụ nội dung: - Giới thiệu đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan ổn định động - Nghiên cứu ứng dụng STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản kháng nâng cao ổn định điện áp - Sử dụng Matlab/Simulink để mô đáp ứng động STATCOM vào hệ thống điện để điều khiển điện áp cải thiện đáp ứng độ - Kết luận hướng nghiên cứu phát triển III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 12/2015 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 06/2016 V- Cán hƣớng dẫn CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) : TS Nguyễn Hùng KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn với nội dung “Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định độ hệ thống điện” cơng trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn TS Nguyễn Hùng Các số liệu, kết mô nêu luận văn trung thực, có nguồn trích dẫn chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu khác Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn này, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc TS Nguyễn Hùng, người Thầy hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn cung cấp cho tài liệu vô quý giá trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn tập thể Thầy Cô giáo giảng dạy, truyền đạt tri thức giúp học tập nghiên cứu trình học cao học trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau đại học khoa Điện - Điện tử Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập làm luận văn cao học trường Xin chân thành cảm ơn anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện” đóng góp ý kiến cho tơi trình thực luận văn Trong trình làm báo cáo trình độ lý luận kinh nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp từ Thầy, Cơ để tơi học thêm nhiều kinh nghiệm hoàn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên iii TÓM TẮT Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định độ hệ thống điện”thiết kế mơ hình mơ hệ thống điện, sâu phân tích ổn định độ hệ thống điện Nghiên cứu thiết bị FACTS sâu vào nghiên cứu cấu trúc ngun lý hoạt động bản, mơ hình mạch động lực, mạch điều khiển STATCOM Nghiên cứu xây dựng mơ hình mạch điều khiển STATCOM để điều khiển dòng sâu nghiên cứu ảnh hưởng STATCOM việc đáp ứng động vào hệ thống điện Luận văn sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mơ hình mơ chế độ bình thường, chế độ cố ngắn mạch ứng dụng STATCOM vào hệ thống điện 500 kV Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm, quan sát đánh giá khả ổn định điện áp hệ thống điện thiết bị STATCOM mang lại Luận văn hy vọng cung cấp công cụ mô hữu ích với phần mềm thơng dụng Matlab/Smulink cho nhà nghiên cứu, kỹ sư, sinh viên việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM để điều chỉnh điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện chế độ làm việc bình thường chế độ cố ngắn mạch , từ đánh giá hiệu thiết thực việc nâng cao ổn định điện áp bù công suất phản kháng cho hệ thống điện thiết bị STATCOM mang lại iv ABSTRACT The thesis “Applied research of STATCOM to improve stability of transient power system” designs simulation model of the power system, in which analyses deeply the stability of transient power system The aims to study the FACTS devices, in which studies deeply the structure and basic operating principles, dynamic circuit model, control circuitsof STATCOM Research to model the control circuits of STATCOM to control the current and study in depth the impact of STATCOM in dynamic response to the electrical system The thesis used Matlab softwar to build simulation model in normal mode and short_circuited mode when applied STATCOM into 500 kV power system Southern STATCOM consists of three nodes, thesis observes and evaluates voltage stability of power system thanks to STATCOM devices Thesis hopes to provide a useful simulation tool with common software such as Matlab/ Simulink for researchers, engineers, students In the research and application of STATCOM device to adjust the voltage and reactive power compensation for power systems in normal mode and short-circuit problem mode, which can assess the practical effects in improving the stability of the voltage and reactive power compensation resistance to electrical systems with STATCOM device v MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh mục biểu đồ, đồ thị, hình ảnh .vii Danh mục từ viết tắt xi Chƣơng Tổng quan đề tài nghiên cứu 01 1.1 Đặt vấn đề 01 1.2 Tính cấp thiết đề tài 02 1.3 Mục tiêu đề tài 02 1.4 Nội dung nghiên cứu 03 1.5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 03 Chƣơng 04 04 07 12 2.4 13 2.5 16 2.6 23 Chƣơng 30 3.1 30 3.2 32 3.3 33 3.4 34 3.5 36 3.6 Phạm vi sử dụng STATCOM so với tụ bù, SVC, máy bù đồng 43 Chƣơng Mô 4.1 T 46 46 vi 4.2 Chƣơng Kết luận 47 76 5.1 Kết luận 76 5.2 Hướng 76 Tài liệu tham khảo 77 63 Như thiết lập ban đầu cố xảy t t s kết thúc thời điểm 60 s Thời điểm bắt đầu xảy cố pha A, pha B, pha C t 60 s dòng điện 60 ngắn mạch tăng từ lên pu sau dao động giá trị 0,7 pu, điện áp hệ thống pha A, Pha B, pha C giảm nhanh từ xuống 0.4pu Sau thời gian t s 60 điện áp có dao động nhỏ thời gian ngắn trở trạng thái ban đầu, dòng điện dao động tăng sau giảm dần ổn định sau t 0.2s thể hình 4.28 Hình4.29 áp ứng công suất tác dụng công suất phản kháng đường dây ngắn mạch ba pha Quan sát hình 4.29 xảy ngắn mạch công suất tác dụng P giảm từ 970MW xuống 0MW, công xuất phản kháng tăng từ -68Mvar đến Mvar giữ nguyên giá trị thời gian ngắn mạch Sau ngắn mạch Q tiếp tục giảm xuống -148Mvar sau dao động tăng khoảng thời gian từ t s đến t 0.4s , cơng suất tác dụng P có dao động nhỏ giá trị lớn định mức thời gian ngắn Hệ thống ổn định sau sau t 0.45s 64 Hình4.30 áp ứng điện áp cơng suất phản kháng STATCOM Ban đầu điện áp tham chiếu Vref thiết lập 1pu, công suất phản kháng tham chiếu Qref thiết lập Khi xảy cố ngắn mạch chạm đất pha A, pha B, pha C thời điểm t s điện áp đo Vm giảm từ xuống 0.4pu (Vm< Vref), 60 công suất phản kháng Qm giảm từ xuống -0.4pu (Qm < Qref) Statcom đáp ứng lại tạo công suất phản kháng bù cho hệ thống Q=0,4pu Sau thời gian xảy cố t s Vm tăng vọt 1.04pu ổn định sau thời gian t 0.2s , công suất phản 60 kháng Qm tiếp tục giảm đến -1pu Statcom tiếp tục bù công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp hệ thống Sau thời gian t 0.2s hệ thống ổn định hình 4.30 • Nhận xét: Qua chế độ mô hệ thống: Chế độ bình thường, ngắn mạch pha chạm đất, ngắn mạch pha ngắn mạch pha Các kết mô cho ta thấy STATCOM đáp ứng cách nhanh nhạy chế độ nhu cầu bù công suất phản kháng cho hệ thống (hoặc hút cơng suất phản kháng từ hệ thống) có thay đổi điện áp hệ thống cách đột ngột, đặc biệt chế độ ngắn mạch Điều cần thiết, 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 65 4.2.4 Mô cho đƣờng dây 500kV Phú Mỹ -Nhà Bè – Phú Lâm 4.2.4.1 Sơ đồ đơn tuyến mơ hình nghiên cứu Hình 4.31 Sơ đồ đơn tuyến đường dây 500kV Phú Mỹ - Phú Lâm có sử dụng STATCOM Lưới điện bao gồm nguồn 500 kV tương ứng nhà máy điện Phú Mỹ 3600 MVA, nhà máy điện Phú lâm 6000 MVA nối với đường dây truyền tải: Đường dây 500kV Phú Mỹ - Nhà Bè (L1) dài 50 km, Nhà Bè - Phú Lâm (L2) dài 20 km, bù đồng tĩnh STATCOM sử dụng để điều chỉnh điện áp hệ thống, có cơng suất 100 MVVAR đặt trạm 500kV Nhà Bè hình 4.31 4.2.4.2 Mơ hình mơ STATCOM thiết bị FACTS Nguyên lý hoạt động dựa chuyển đổi điện áp nguồn (VSC), STATCOM điều chỉnh điện áp hệ thống cách hấp thụ phát công suất phản kháng 4.2.4.3 Mạch điều khiển STATCOM Mạch điều khiển điều khiển STATCOM trình bày 4.2.1 4.2.4.4 Thiết lập tham số cho phần tử mơ hình mơ 4.2.4.4.1 Thiết lập tham số cho STATCOM Mở hộp thoại STATCOM chọn controller Chọn kiểu hoạt động (Mode operation), ta chọn kiểu hoạt động cho STATCOM điều chỉnh điện áp (Voltage regulation) - Ban đầu Vref thiết lập pu - Bộ điều chỉnh khuếch đại điện áp AC (Vac Regulator Gains) thiết lập hệ số 66 Kp - Kp - Kp hệ số K i 1150 Bộ điều chỉnh khuếch đại dòng (Current Regulator Gains) thiết lập hệ số 0.3 , hệ số Ki 10 , K f 0.22 Bộ điều chỉnh khuếch đại điện áp DC (Vdc Regulator Gains) thiết lập hệ số 0.1e , hệ số Ki 20e Hình 4.32 Thơng số điều khiển STATCOM 4.2.4.4.2 Thiết lập tham số cho nguồn điện + Nhà máy điện Phú Mỹ: Thiết lập tham số cho nguồn điện từ nhà máy điện Phú Mỹ thể hộp thoại hình 67 Hình 4.33 Các thông số hoạt động nguồn điện Phú Mỹ Phụ tải nối với trạm Phú Mỹ: Hình 4.34.Sơ đồ thông số hoạt động phụ tải nguồn điện Phú Mỹ Thiết lập tham số cho phụ tải nối với trạm Nhà Bè thể hộp thoại hình 4.35 68 Hình 4.35 Thông số phụ tải trạm Nhà Bè + Nhà máy điện Phú Lâm: Thiết lập tham số cho nguồn điện từ nhà máy điện Phú Lâm thể hộp thoại hình 4.36 Hình4.36 Thơng số số hệ thống qui trạm 500kV Phú Lâm 69 Phụ tải nối với trạm Phú Lâm: Thiết lập tham số cho phụ tải nối với trạm Nhà Bè thể hợp thoại hình 4.37 Hình4.37 Thơng số hoạt động phụ tải trạm Phú Lâm • Thiết lập tham số cho đường dây Đường dây Phú Mỹ - Nhà Bè (L1): Thiết lập tham số cho đường dây (L1) thể hợp thoại hình 4.38 Hình4.38 Thơng số đường dây 500kV Phú Mỹ -Nhà Bè 70 Đường dây Nhà Bè-Phú Lâm (L2): Thiết lập tham số cho đường dây (L2) thể hộp thoại hình 4.39 Hình4.39 Thơng số đường dây 500kV Nhà Bè-Phú Lâm 4.2.4.4.3 Sơ đồ Simulink cho hệ thống điện 500kV Phú Mỹ-Nhà Bè -Phú Lâm Hình4.40.Sơ đồ Similink hệ thống điện 500kV Phú Mỹ-Nhà Bè- Phú Lâm 4.2.4 Kết mô đáp ứng động STATCOM 4.2.4.1 Khi chưa ngắn mạch 71 Hình4.41 Hình4.42 áp ứng điện áp dịng điện chưa ngắn mạch áp ứng công suất tác dụng công suất phản kháng đường dây chưa ngắn mạch 72 Hình4.43 áp ứng điện áp cơng suất phản kháng STATCOM 3.2.4.2 Ngắn mạch pha 3.2.4.2.1 Sơ đồ Simulink ngắn mạch pha từ Phú Mỹ Phú Lâm Hình 4.44.Sơ đồ Simulink ngắn mạch hệ thống điện 500kV Phú Mỹ-Nhà Bè-Phú Lâm 73 Hình 4.45 Tạo cố ngắn mạch pha Hình4.46 đáp ứng điện áp dòng điện Như thiết lập ban đầu cố xảy t t s kết thúc thời điểm 60 s Thời điểm bắt đầu xảy cố pha A, pha B, pha C t 60 s dòng điện 60 ngắn mạch tăng nhanh lên 1,1pu sau giảm nhẹ 1pu giữ nguyên giá trị này, điện áp hệ thống pha A, Pha B, pha C giảm nhanh từ xuống 0.45pu Sau thời 74 gian t s điện áp trở trạng thái ban đầu, dòng điện dao động giảm nhẹ 60 Hệ thống ổn định sau t Hình 4.47 0.1s hình 4.46 áp ứng cơng suất tác dụng cơng suất phản kháng Quan sát hình xảy ngắn mạch công suất tác dụng P, công xuất phản kháng Q giảm nhanh giữ nguyên giá trị thời gian ngắn mạch Sau ngắn mạch Q tiếp tục tăng dao động khoàng thời gian t t 0.12s , P dao động nhẹ thời gian t sau sau t s đến t 60 s đến 60 0.1s Hệ thống ổn định 0.12s Hình4.48 đáp ứng điện áp cơng suất phản kháng STATCOM 75 Ban đầu điện áp tham chiếu Vref thiết lập 1pu, công suất phản kháng tham chiếu Qref thiết lập Khi xảy cố ngắn mạch chạm đất pha A, pha B , pha C thời điểm t s điện áp đo Vm giảm từ xuống 0.48 pu (Vm< 60 Vref), công suất phản kháng Q m giảm từ xuống -0.98pu (Qm < Qref) Statcom đáp ứng lại tạo công suất phản kháng bù cho hệ thống Q=0,53pu Sau thời gian xảy cố t s Vm tăng 0.98pu ổn định sau thời gian t 60 0.1s , công suất phản kháng Qm tiếp tục dao động giảm đến -0.95pu Statcom tiếp tục bù công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp cho hệ thống Hệ thống ổn định sau t hình 4.48 0.12s 76 Chƣơng KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Luận văn trình bày tổng quan ổn định động hệ thống điện Mô hoạt động thiết bị bù tỉnh đồng (STATCOM) Kết so sánh miền thời gian với cố ngắn mạch pha, hai pha, ba pha hệ thống thể tính hiệu Statcom việc ổn định hệ thống điện Kết mơ cho thấy có tham gia Statcom cải thiện rõ rệt chất lượng điện ổn định hệ thống nghiên cứu 500kV Phú Mỹ- Nhà Bè– Phú Lâm trường hợp cố xảy Với kết luận văn đạt ta thấy hồn tồn triển khai xây dựng mơ hình thực tế 5.2 Hƣớng nghiên cứu phát triển Từ kết đạt được, luận văn phát triển hướng nghiên cứu sau: - Có thể triển khai mơ hình mơ hệ thống điện nút phát triển thành mô hình hệ thống điện có số lượng nút số nguồn nhiều với dạng cố khác - Tính tốn tối ưu vị trí dung lượng tối ưu cho STATCOM 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Đắc Lộc Thiết bị FACTS hệ thống điện Nhà xuất xây dựng, 2013 [2] Nguyễn Hồng Việt, Phan Thị Thanh Bình Ngắn mạch ổn định hệ thống điện, 2013 [3] Lâm Hoàng Linh Ứng dụng thiết bị FACTS để cao khả ổn định góc rotor máy phát Đại học Thái Nguyên, 2009 [4] Phạm Văn Huy Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng truyền tải điện năng, 2013 [5] Nguyễn Tùng Lâm, Trần Thị Hằng, Nguyễn Văn Nhật Sử dụng đường cong PV/QV phân tích ổn định điện áp Tuyển tập báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ Đại học Đà Nẵng, năm 2010 [6] Quyền Huy Anh Vận hành tối ưu hệ thống điện, 2012 [7] Nguyễn Văn Hưng Tính tốn, phân tích đề xuất giải pháp cao vận hành an toàn lưới điện công ty truyền tải điện đến năm 2015, năm 2013 [8] Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền “Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điện 500kV Việt Nam” – Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà Nẵng [9] Nguyễn Xuân Dũng Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền trung Đại học Đà Nẵng, 2012 [10] Võ Hồ Huy Hàn Huỳnh Thế Bảo Bài báo “Ứng dụng thiết bị FACTS truyền tải, 2014 [11] Dr Nadarajah Mithunanthan, Mr.Arthit Sode-yome and Mr.Naresh Acharya Application of FACTS Contronllers in Thailand Power Systems, 2005 [12] Prof Dr Grega Bizjak Voltage control in the power supply network of oil platform with static compensators University of Ljubljana, 2014 [13] Mania PAVELLA, Damien ERNST Daniel RAIZ-VEGA Transient stability of power system, 2012 [14] Electricity and New Energy, 2014 Static Synchronous Compensator (STATCOM) ... Nghiên cứu tổng quan ổn định động - Nghiên cứu ứng dụng STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản kháng nâng cao ổn định điện áp - Sử dụng Matlab/Simulink để mô đáp ứng động STATCOM vào hệ thống. .. áp tần số Quá trình phân loại ổn định hệ thống điện trình bày sơ đồ sau: Hình2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện Ổn định điện áp khả hệ thống điện để trì điện áp ổn định tất hệ thống điện sau... thuật điện MSHV: 1441830050 I- Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định độ hệ thống điện II- Nhiệm vụ nội dung: - Giới thiệu đề tài nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan ổn định động