Taylor, Power System Voltage Stability.[r]
(1)Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): -
MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỒNG THỜI BỘỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT(PSS)
VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)
Phạm Thị Hồng Anh* Trường Đại học Công nghệ Thông tin &Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT
Sự ổn định hệ thống điện (HTĐ) thường phụ tải hệ thống thay đổi, công suất làm việc máy phát cần thay đổi theo Do có sụt áp điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệch khỏi trị sốđịnh mức Nếu khơng có biện pháp điều chỉnh, độ lệch đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện
Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt cần phải loại bỏ làm suy giảm tới mức tối thiểu nhiễu loạn hệ thống Mất ổn định góc rotor máy phát điện xem nguyên nhân dẫn đến số cố tan rã HTĐ gần Đứng quan điểm phòng ngừa cố ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển cách lắp đặt thêm thiết bị cản hay thêm mơ men cản có dao động cơng suất như: thiết bịổn định công suất máy phát điện (power system stabilizers-PSS) thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)… Bài báo đề xuất sử dụng đồng thời bộổn định công suất (PSS) thiết bị bù ngang SVC cho mục đích
Từ khóa: PSS, SVC, ổn định hệ thống điện, PSS/E, máy phát điện
ĐẶT VẤN ĐỀ*
Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung HTĐ
Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách thức như: sự tăng lên nhanh của nhu cầu phụ tải, cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như
than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn thủy điện) Tất cả yếu tố làm cho HTĐ ngày trở lên rộng lớn về qui mơ, khó khăn quản lý, vận hành phối hợp
điều khiển Chính vậy mà một số HTĐ có thể đang được vận hành gần với giới hạn ổn định HTĐ trở lên “nhạy cảm” với sự cố có thể
xảy có thể dẫn đến mất ổn định Trong
đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rotor máy phát
điện Chính vậy mà việc nghiên cứu về
nâng cao ổn định HTĐ một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung HTĐ Việt Nam nói riêng [1], [2], [3]
Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã
được xem như một những nguyên nhân dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ
gần đây Đứng quan điểm phòng ngừa sự
cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách
*
Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com
lắp đặt thêm thiết bị cản hay thêm mơ men cản có dao động công suất như: thiết bịổn định công suất ở máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)…Trong đó thiết bị PSS, SVC đã được chứng minh có tác dụng rất lớn việc nâng cao ổn định góc rotor Trong thực tế, HTĐ thường rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc số lượng các thiết bịđiều khiển thường hạn chế về
số lượng lý kinh tế kỹ thuật, đó một vấn đềđặt phải lựa chọn thiết bị tối
ưu để nâng cao ổn định Do vậy, báo đề
cập đến vấn đề sử dụng đồng thời bộổn định công suất PSS thiết bị bù ngang tĩnh SVC nhằm nâng cao khả năng ổn định góc rotor máy phát điện
ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO
(2)Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 99(11): -
Ổn định góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến khả năng của máy phát điện (MPĐ) đồng bộ một HTĐ liên kết vẫn giữđược sựđồng bộ hóa sau trải qua kích động có thể xảy HTĐ Nó liên quan đến khả năng trì, phục hồi sự cân bằng giữa mô men điện từ mô men cơ khí của mỗi máy phát điện đồng bộ HTĐ Sự mất ổn
định có thể xảy có sự tăng lên của góc rotor của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với MPĐ khác HTĐ Ổn
định góc có thể được phân loại thành loại:
ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), ổn định góc độ (transient stability)
THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER (PSS) Mơ hình thiết bị
Hình 2: Sơđồđiển hình hệ thống kích từ
Mơ hình ví dụ về PSS được Kundur mơ tả như
hình vẽ
Hình 3: Sơđồ hệ thống kích từđơn giản với thiết bị AVR PSS
Trong đó PSS gồm khối sau:
- Khối bù pha (phase compensation 5): cung cấp đặc tính sớm pha tương thích để bù sự trễ
pha giữa đầu vào bộ kích từ mơ men điện từ máy phát (khe hở khơng khí)
- Khối lọc cao tần (signal washout 4) với hằng số thời gian TW đủ lớn để cho phép tín hiệu ghép nối với dao động bộ lọc cao tần
không thay đổi Khơng có những thay đổi
ổn định về tốc độ sẽ dẫn đến thay đổi điện áp
đầu cuối
- Khối khuếch đại ổn định (stabilizer gain 3) KSTAB để khuếch đại tín hiệu, xác định giá trị của momen cản được đưa vào bởi hệ thống kích từ Lý tưởng khối khuếch
đại thiết lập tại một giá trị tương ứng với giá trị cản lớn nhất
Sử dụng PSS để nâng cao ổn định
Chức năng của thiết bị PSS thêm momen cản để giảm dao động của rotor máy phát
điện Điều đạt được bằng cách điều chỉnh kích thích máy phát điện để cải thiện một thành phần của mô- men điện đồng pha với
độ lệch tốc độ rotor Tốc độ trục rotor, tích phân công suất tần số cuối một tín hiệu đầu vào thường được sử dụng đểđưa vào PSS
THIẾT BỊ SVC
SVC thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ
cơng suất phản kháng có thểđiều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor,
được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt cơng suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ
vận hành)
- Thành phần điều khiển bao gồm thiết bị điện tử như thyristor hoặc tri ác có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR
Hình 4: Sơđồ nguyên lý thiết bị SVC Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển
(3)Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): - - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể
cốđịnh giá trịđiện áp
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù
- Giới hạn thời gian cường độ điện áp xảy sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong HTĐ
- Tăng cường tính ổn định của HTĐ
- Giảm sự dao động công suất xảy sự
cố HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột Ngồi ra, SVC cịn có chức năng phụ đem lại hiệu quả tốt trình vận hành HTĐ như:
- Làm giảm nguy cơ sụt áp ổn định tĩnh - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây - Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả
năng vận hành của đường dây
- Giảm tổn thất công suất điện năng MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Để mô phỏng ứng dụng của PSS SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor với ổn
định độ, phần tác giả giới thiệu mơ hình hệ thống điện chuẩn theo Kundur như hình
Trong mơ hình này, hệ thống ba pha 50 Hz, 230 kV chỉ thể hiện một pha như hình vẽ, bao gồm máy phát điện có cơng suất 900MVA và điện áp 20kV, được chia thành hai hệ
thống điện nối với thông qua đường dây tải điện kép có chiều dài 220km
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ĐỘNG HTĐ
Qua tính tốn phân tích q trình ổn định góc rotor cho HTĐ chuẩn theo IEEE Chương trình PSS/E [6] được dùng để mô phỏng động hệ thống điện Các thông số của HTĐ chuẩn Kundur bao gồm thông số trào lưu công suất, thông số động của MPĐ cũng như
hệ thống kích từ, điện áp tại cũng
được mơ phỏng
Như đã phân tích ổn định độ ta thấy nguyên nhân của mất ổn định góc roror máy phát điện liên quan trực tiếp đến hiện tượng thiếu mô men cản dao động HTĐ, dao động công suất Vì vậy, để giảm nguy cơ mất ổn định cần phải có thêm thiết bị cung cấp mô men cản dao động
thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ
Ởđây ta xét đồng thời ảnh hưởng của thiết bị
PSS SVC hệ thống điện nghiên cứu Mơ hình PSS được lấy bởi model STAB1 trong thư viện của PSS/E với thông số điển hình mơ hình SVC được lấy bởi model tụ điện tĩnh CSTATT thư viện PSS/E
Hình 5: Mơ hình hệ thống
Hệ thống điện chưa có thiết bị PSS SVC
Tại thời điểm t=1s xảy ngắn mạch
đường dây 8-9 mạch 2, sau đó 0,3s đường dây bị cắt Kết quả góc rotor của máy phát điện thay đổi đó điện áp tại thanh góp của hệ thống cơng suất
đường dây cũng dao động Hình vẽ mơ phỏng cho ta thấy rõ sự thay đổi của góc rotor máy phát điện, điện áp góp dịng cơng suất đường dây 7-8, 8-9 mạch 1 có sự cố ngắn mạch đường dây 8-9 mạch Theo đó ta thấy, tín hiệu góc của máy phát G1 G2 có hình dáng giống nhau, góc rotor ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng dao động trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ kết quả của biên độ dao
động ngày tăng trạng thái cuối là tăng tốc mất ổn định hoàn toàn Tương tự như vậy góc rotor của máy phát G3 G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor ổn
định ở hai chu kỳđầu tiên, nhưng sau hai chu kỳ biên độ dao động ngày tăng trạng thái cuối mất ổn định hồn tồn, góc rotor lúc giảm thấp
Điện áp tại góp 8, xảy ngắn mạch giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau cắt ngắn mạch giá trị điện áp tại đây tăng lên
(4)Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 99(11): -
được thể hiện hình 8, 9; giá trị cơng suất trên đường dây trước xảy ngắn mạch 200 MVA, ngắn mạch xảy công suất giảm về không Sau khoảng thời gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc công suất nhảy vọt: công suất đường dây 7-8 nhảy vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, dao động với biên độ lớn nhất 325 MVA, dao động tăng dần mất ổn định
Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện áp công suất đường dây đều dao động với biên độ ngày tăng, kết quả cuối cùng mất ổn định hoàn toàn
Mô phỏng động trước sau sử dụng thiết bị PSS, SVC
Chương trình PSS/E được dùng để mô phỏng
đáp ứng đồng thời của hệ thống không trang bị có trang bị PSS,SVC với giả thiết sự cố ngắn mạch pha đường dây 8-9 mạch Sự dao động của tham số giảm tắt dần sau xảy sự cố chứng tỏ tác dụng cản dao động của thiết bị PSS/SVC Góc rotor máy phát G1, G2, G3, G4 dao động chu kỳđầu tiên sau đó dần trở nên ổn định,
đạt đến giá trịđồng bộ sau khoảng 10 giây Nếu so sánh sự ổn định của hệ thống khơng có PSS/SVC có PSS/SVC, các hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 chỉ rằng: chưa có PSS/SVC, góc rotor máy phát
điện, điện áp góp dịng cơng suất đường dây 7-8, 8-9 mạch (base-case: đường màu đỏ) dao động lớn trạng thái cuối mất ổn định hoàn toàn Khi có PSS/SVC dao động tắt nhanh hơn và nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau khoảng 5s
Hình 6: Góc rotor máy phát G1 hai trường hợp không có sử dụng PSS/SVC
Hình 7: Góc rotor máy phát G2 hai trường hợp không có sử dụng PSS/SVC
Hình 8: Góc rotor máy phát G3 hai trường hợp không có PSS/SVC
Hình 9: Điện áp góp khơng có sử dụng PSS/SVC
Hình 10: Cơng suất đường dây 7-8 mạch khi khơng có sử dụng PSS/SVC
(5)Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): -
Để làm rõ thêm tác dụng của hai thiết bị
PSS/SVC ta xét ba trường hợp, khơng có PSS/SVC (đường màu xanh nước biển), khi chỉ có PSS (đường màu xanh cây) khi có cả PSS/SVC (đường màu đỏ) Từ hình vẽ ta thấy rằng dùng đồng thời PSS SVC (đường màu đỏ) có hiệu quả cao hơn trong việc nâng cao ổn định độ Trong hình vẽ 12, 13 đã chứng tỏ hiệu quả của PSS và SVC việc cản dao động góc rotor cơng suất truyền tải giữa hai hệ thống Trong trường hợp cơ bản dao động nhiều hơn và nhanh chóng mất ổn định, có PSS thì dao động hơn nhanh chóng đến trạng thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu khi chưa xảy ngắn mạch, đặc biệt thêm SVC dao động tắt nhanh hơn giá trị điện áp đạt giá trị tốt hơn (bằng giá trịđiện áp khi chưa xảy ngắn mạch) hay nói cách khác hệ thống điện an tồn hơn
Hình 12: Cơng suất đường dây 8-9 mạch trong trường hợp khơng có PSS/SVC, chỉ
có PSS, có PSS/SVC KẾT LUẬN
Bài báo đã giới thiệu về cấu tạo nguyên lý làm việc, mô hình cũng như lợi ích của việc sử dụng đồng thời PSS SVC Các kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm PSS/E công cụ dùng để tính tốn, chứng minh hiệu quả của thiết bị PSS, SVC việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết quả sẽ giúp ích rất lớn cơng tác
nghiên cứu tính tốn, thiết kế cũng như vận hành hệ thống điện Đặc biệt
đầu tư lắp đặt đồng thời thiết bị PSS, SVC sẽ
cho hiệu quả tốt việc nâng cao ổn định hệ thống điện
Hình 13: Điện áp góp trường hợp khơng có PSS/SVC, có PSS,
khi có PSS/SVC
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1].Prabha Kundur, Power System Stability and Control New York: McGraw-Hill, 1994
[2].Carson W Taylor, Power System Voltage Stability New York: McGraw-Hill, 1994 [3].Sami Repo, "On-Line Voltage Stability Assessment of Power System – An Approach of Black-Box Modelling," Doctoral thesis at Tampere University of Technology, available at [4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout Review," available at website:
http://www.indiec.com/Meeting%20Schedule/200 4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html [5]."2003 North America Blackout," available at website: http://www.answers.com/topic/2003-North-america-blackout