PHÂN TÍCH SÓNG HÀI SVC TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH KHÔNG LÝ TƯỞNG TRÊN MIỀN SÓNG HÀI

Rõ ràng rẳng trong các trường hợp vận hành không lý tưởng, sự không cân bằng điện áp các pha của nguồn điện sẽ dẫn tới ảnh hưởng chính tới các sóng hài đặc tính bậc lẻ, trong khi s[r]

PHÂN TÍCH SĨNG HÀI SVC TRONG ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH KHƠNG LÝ TƯỞNG TRÊN MIỀN SĨNG HÀI

HARMONIC ANALYSIS OF STATIC VAR COMPENSATOR UNDER NON-IDEAL OPERATING CONDITIONS IN HARMONIC DOMAIN

Nguyễn Phúc Huy

Trường Đại học Điện lực

Ngày nhận bài: 02/03/2019, Ngày chấp nhận đăng: 28/03/2019, Phản biện: TS Trần Quang Khánh

Tóm tắt:

SVC sử dụng trạm biến áp thuộc hệ thống truyền tải điện để nâng cao ổn định điện áp điều chỉnh độ lớn điện áp giá trị xác định Với đặc điểm cố hữu thiết bị dùng van bán dẫn mạch TCR, sóng hài sinh ảnh hưởng gây tác động xấu đến lưới điện Bài báo ứng dụng kỹ thuật mơ SVC miền sóng hài để khảo sát đặc tính phát sinh sóng hài SVC số trường hợp vận hành không lý tưởng Kết mơ cho thấy tính ưu việt kỹ thuật phân tích hài miền sóng hài Đối với SVC ngồi sóng hài đặc tính 3k±1, điều kiện không lý tưởng nguồn lưới điện thân nó, sóng hài bội xuất với tỉ lệ tương đối lớn TCR ba pha đấu ∆ Điều dẫn tới giải pháp bổ sung cần thực để giảm thiểu ảnh hưởng chúng tới lưới điện thiết bị điện trạm có đặt SVC

Từ khóa:

Sóng hài, miền sóng hài, thiết bị bù tĩnh, TCR, sóng hài bội

Abstract:

SVC is used in substations in the power transmission system to stabilize the voltage at a specific value Because of the characteristic of the TCR using semiconductor valves, the SVC generates harmonics which may cause negative effects to the electric network This paper deals with the use of harmonic domain technique to simulate SVC, inspecting its harmonic generating characteristic under non-ideal operating conditions The simulation results show that the harmonic domain technique is an effective one to analyze harmonics To the SVC, in addition to 3k±1 characteristic harmonics, under non-ideal operating conditions of the electric network and the SVC, the triplen harmonic appeared with the highest one is the third order despite the ∆ connection of 3-phase TCR It leads to additional methods may be needed to eliminate the effects of them to the electric networks and the installations within the SVC commissioned substations

Keywords:

Harmonic, Harmonic domain, SVC, TCR, triplen harmonic 1 MỞ ĐẦU

Sóng hài hệ thống điện

gian Trên miền tần số, sóng hài thể đầy đủ khảo sát tồn đặc tính cộng hưởng sóng hài hệ thống, phù hợp với toán chế độ xác lập [1] Để nghiên cứu đặc tính sóng hài hệ động, kỹ thuật phân tích miền sóng hài áp dụng phổ biến Đó kết hợp phân tích sóng hài miền thời gian miền tần số [1-3] Kỹ thuật áp dụng thuận lợi cho trường hợp phân tích sóng hài trung gian (inter-harmonics) [4], xét đến dịch pha nguồn [5]

Trong tốn giải tích mạng điện, SVC mơ nguồn phát cơng suất [6] phục vụ phân tích chế độ xác lập, nguồn phát với đặc tính sóng hài miền tần số [2] Bộ bù tĩnh (SVC) thiết bị bù ngang, kết hợp tụ bù kháng bù có điều khiển thyristor (TCR) giúp điều chỉnh trơn dòng điện phản kháng “bơm vào” hay “rút ra” khỏi lưới điện Cấu tạo TCR đóng mở thyristor khiến cho sinh sóng hài dịng điện [7] có ảnh hưởng lên lưới điện Trong báo này, phương trình mô tả SVC lưới điện thể miền sóng hài Mơ hình mơ xây dựng cho trường hợp SVC kết nối trạm trung gian 220 kV, số liệu tham khảo trạm 220 kV Việt Trì Thái Nguyên [9], chế độ làm việc khác mô để khảo sát đặc tính phát sinh sóng hài SVC, làm sở để thực biện pháp kỹ thuật cần thiết

2 LÝ THUYẾT MIỀN SÓNG HÀI

Hàm có chu kỳ T liên tục

với ∈ −∞, ∞ biểu diễn dạng chuỗi số Fourier phức phụ thuộc thời gian (1) [1,2]

    jn 0t

n

x t  X t e



 

(1) = / ; hệ số chuỗi Fourier phức phụ thuộc vào thời gian, xác định dạng vectơ động (dynamic phasors) (2):

   

t

jn n

t T

X t x e d

T

 

     

(2) Với lượng sóng hài cần khảo sát định ∈ −ℎ, ℎ , (1) viết lại:

   

h

jn t n

h

x t X t e



 

(3) Hay dạng ma trận viết:

  T   

x t  G t X t (4)

trong biểu diễn thành phần trực giao vectơ chứa hệ số sóng hài

              0 0 1 ;                                                  G X jh t h j t j t jh t h X t e X t e

t t X t

X t e X t e         (5)

Đối với hệ động mơ tả mơ hình không gian trạng thái:

                   

x t t x t t u t

y t t x t t u t

a b c e      (6) có dạng miền sóng hài sau:

 

 jh 

X = A - D X + BU

Y =CX + EU





trong D(jhω0) ma trận vi phân:

 

 

0

0 0 0

  

D jh

diag jh j j jh



   

(8) và ma trận A, B, C, E gọi ma trận Toeplitz có dạng sau:

0

1

0

1

1

1

1

h

h h

h

A A A

A

A A

A A A A A

A A

A

A A A

 



 



 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

A

(9)

3 ĐẶC TÍNH SĨNG HÀI CỦA SVC

Thiết bị bù tĩnh (SVC-Static VAR compensator) có cấu tạo hình gồm cuộn kháng điều chỉnh thyristor (TCR-thyristor-controlled reactor) nối song song với tụ điện (cố định điều khiển) để nâng cao hiệu điều chỉnh điện áp, cải thiện chất lượng điện Cơng suất phản kháng từ SVC thay đổi giải, từ tiêu thụ max tới phát max cách thay đổi góc mở α tương ứng thyristor phạm vi 90 < < 180 [6]

Dòng điện qua TCR, iTCR(t), biến thiên

theo thời gian phụ thuộc góc mở thyristor, góc mở lớn biên độ thành phần (ở f0=50 Hz) sóng

dịng điện nhỏ, tương ứng lượng sóng hài tăng Độ lớn thành phần dịng điện phụ thuộc góc mở van sau:

   

1  2 sin

L

U I

X

   

 (10)

trong U giá trị hiệu dụng điện áp uTCR(t), = cảm kháng

cuộn kháng, L điện cảm

Hình Sơ đồ nguyên lý SVC

Hình Quan hệ dịng áp TCR

Các thành phần sóng hài hàm góc mở thyristor tính sau :

  sin cos 2 os sin  



h

L

U h h c h

I

X h h

   



 (11)

trong h2k1, k 1, 2,3  bậc sóng hài

Theo luật Kierhoff điện áp, điện áp

u1(t)

uTCR(t)

u2(t)

cuộn kháng là:

  TCR  R

di t

u t L

dt (12)

Mặt khác, uR(t) biểu diễn theo

hàm cắt (hình 2) van [1]:      

R TCR

u t s t u t (13)

Kết hợp (12) (13), biểu diễn miền sóng hài ta có quan hệ đại lượng TCR:

ITCR = YTCRUTCR (14)

trong 1 

0 



YTCR D jh S

L  ma trận

tổng dẫn TCR

Kết hợp với tụ bù cố định, ta tính tổng dẫn SVC là:



YSVC = YTCR YC (15)

trong đóYC C.Djh ma trận tổng 0

dẫn tụ C điện dung 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Phần mềm Matlab sử dụng làm công cụ hỗ trợ cho q trình mơ Mơ hình hình bao gồm MBA 250 MVA 220/23kV, tổ đấu dây Y/∆, uN%=30, tỉ số X/R=10; tụ bù tĩnh

pha đấu Y (FC) có QFC=50MVAr;

TCR pha đấu ∆ có QTCR=100 MVAr

Hình Mơ hình lưới điện mơ

Phương trình mơ tả mạch tương mơ sau:

     

     

     

1 11 12 1

2 21 22 2

I Y Y U

= ×

I Y Y U (16)

trong đó:

Yij ma trận thành phần tổng dẫn

máy biến áp miền sóng hài (i=1,2; j=1,2) [8];

U1, I1 điện áp dịng điện phía sơ cấp

MBA qui đổi phía thứ cấp;

U2, I2 điện áp dịng điện phía thứ

cấp MBA, tức phía đấu nối SVC, coi tải MBA:

 

2 2

I = YSVC U (17)

Với YSVClà tổng dẫn SVC miền sóng hài

Thay (17) vào (16) biến đổi ta được:

 

22 21



    

2

U Y YSVC Y U (18)

Vì YSVClà hàm điện áp U2 nên

cần tiến hành lặp để giải (18)

Sơ đồ khối mơ cho mơ hình lưới điện hình mơ tả hình 4, tất mơđun tạo nguồn điện áp, tính tổng dẫn phần tử miền sóng hài thiết lập chương trình Bài tốn thực lặp Gause-Seidel với sai số 10-4 cho phép tính U2 với

giả thiết giữ U1 khơng đổi

Để khảo sát đặc tính sóng hài SVC, ta xét trường hợp vận hành lý tưởng nguồn pha đối xứng góc mở Thyristor TCR pha nhau, trường hợp không lý tưởng để so sánh:  Trường hợp (TH1): điều kiện lý tưởng điện áp nguồn sin chuẩn, TCR có góc mở van 110 ;

Y ∆

~

TCR(∆)

 Trường hợp (TH2): TCR có góc mở van 110 , điện áp nguồn đối xứng với tỉ lệ biên độ góc pha sóng điện áp pha thay đổi sau (p.u):

0

0,98 10

 

a

U ,   1,1 1200

b

U ,  1,0 1250

c

U

 Trường hợp (TH3): điện áp nguồn sin chuẩn, TCR có góc mở van pha tương ứng 110 , 100 , 112

 Trường hợp (TH4): TCR có góc mở van pha tương ứng 110 , 100 , 112 điện áp nguồn bị nhiễu sóng hài bậc với biên độ 5%

Hình Sơ đồ khối mô

Kết mô cho TH1 quan sát hình 5, Các sóng hài xuất chủ yếu 3k±1; tức bậc 5, 7, 11, 13… lớn sóng hài bậc

5, giảm dần cho thành phần khác công thức (11)

Các trường hợp khác quan sát hình So sánh đối chiếu với TH1, tính chất khơng cân nguồn góc mở van bán dẫn, xuất thành phần khơng cân sóng hài bội (3k) phía đầu TCR đấu ∆, thành phần bậc với biên độ tương đối lớn, xấp xỉ sóng hài bậc

Trong trường hợp khảo sát, sóng hài TCR không đổi dao động xung quanh 10% với sóng hài bậc Tuy nhiên TH4 (hình 6c) tỉ lệ sóng hài bậc dòng TCR giảm trường hợp khác Đồng thời lượng hài bậc tương ứng pha tín hiệu dịng điện FC giảm Điều lý giải sóng hài bậc từ nguồn tới, ngược chiều có xu hướng làm giảm sóng hài đặc tính bậc TCR Trong trường hợp TH2 khơng cân nguồn điện áp lưới điện có ảnh hưởng lớn (hình 6a), làm cân lớn pha làm sóng hài dịng điện qua FC tăng cao nhất, ảnh hưởng mạnh tới sóng hài đặc tính lẻ TH3 với góc mở van pha không đồng không gây biến động nhiều tới sóng hài đặc tính bậc lẻ, nhiên lại làm tăng sóng hài bội ba (hình 6b) Các sóng hài bội cần đặc biệt quan tâm làm phát nóng dây trung tính làm nhiễu nhiều thiết bị có nối đất

nhưng tỉ lệ chúng thay đổi nhiều Như hình , góc mở 120 sóng hài bậc lớn nhất, khoảng 140 sóng hài bậc lại tăng cao Tỉ lệ thành phần hài

bắt đầu tăng cao góc mở tiến dần tới 180 sai lệch thành phần giảm dần Điều tiến hành phân tích cụ thể để thiết kế lọc sóng hài

Hình Dạng sóng phổ hài điện áp SVC dòng qua phận TH1

(a) Trường hợp (b) Trường hợp (c) Trường hợp

Hình Phổ hài điện áp SVC dòng qua phận trường hợp khơng lý tưởng (trục tung % sóng hài so với bậc 1, trục hồnh bậc sóng hài)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 -2

0

(a)Song dong dien qua FC (kA)

1 101112131415

10 20 30

(b)Pho hai dong dien qua FC (%)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 -2

0

(c)Song dong dien qua TCR (kA)

1 101112131415

5 10

(d)Pho hai dong dien qua TCR (%)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 -20

0 20

(e)Song dien ap SVC (kV)

Thoi gian (s) 101112131415

2

(f)Pho hai dien ap SVC - pha a (%)

Bac song hai

1 10 11 12 13 14 15

20

40 Pho hai dong dien qua FC (%)

1 10 11 12 13 14 15

5

10 Pho hai dong dien qua TCR (%)

1 10 11 12 13 14 15

2

4 Pho hai dien ap SVC - pha a (%)

Bac song hai

1 10 11 12 13 14 15

10 20

30 Pho hai dong dien qua FC (%)

1 10 11 12 13 14 15

5

10 Pho hai dong dien qua TCR (%)

1 10 11 12 13 14 15

2

4 Pho hai dien ap SVC - pha a (%)

Bac song hai

1 10 11 12 13 14 15

10 20

30 Pho hai dong dien qua FC (%)

1 10 11 12 13 14 15

2

Pho hai dong dien qua TCR (%)

1 10 11 12 13 14 15

1

3 Pho hai dien ap SVC - pha a (%)

Hình Tỉ lệ thành phần hài khi góc mở TCR thay đổi KẾT LUẬN

Kỹ thuật mô miền sóng hài cho thấy hiệu việc mơ khảo sát dạng sóng tín hiệu phổ tần số

Trên miền sóng hài, dạng sóng phổ tần sóng hài đại lượng dòng điện SVC phân tích Rõ ràng rẳng trường hợp vận hành không lý tưởng, không cân điện áp pha nguồn điện dẫn tới ảnh hưởng tới sóng hài đặc tính bậc lẻ, làm việc không đối xứng van bán dẫn có ảnh hưởng nhiều đến sóng hài bội Trong đó, lưới điện có sóng hài truyền trùng với sóng hài đặc tính SVC lại có xu hướng làm giảm sóng hài SVC

Kết khảo sát qua mô sở ban đầu cho việc đề xuất giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng sóng hài, lý giải cho việc xuất lọc sóng hài bậc sóng hài đặc tính chủ yếu bậc bậc

PHỤ LỤC

% Code cho truong hop

Sn=250; uN=30; X_R=15; V2n=23; % Kv

w=2*pi*50;

Sncap=50; % MVAR Snrea=100;

alph_a=110*pi/180;

alph_b=110*pi/180;alph_c=110*pi/180 Xt = (uN/100)*V2n^2/Sn; % Ohm, Rt = Xt/X_R;

Xcap = V2n^2/Sncap; Xrea = V2n^2/Snrea; h=15; cycles=2; Vap=V2n*sqrt(2/3);

Vbp=V2n*sqrt(2/3); Vcp=V2n*sqrt(2/3); Va=Vap*[1]; num_ha=[1]; pha=0*num_ha; [Va1]=source_V1f(Va,pha,h,num_ha); Vb=Vbp*[1]; num_hb=[1]; phb=-120*num_hb;

[Vb1]=source_V1f(Vb,phb,h,num_hb); Vc=Vcp*[1]; num_hc=[1];

phc=120*num_hc;

[Vc1]=source_V1f(Vc,phc,h,num_hc); V1=[Va1;Vb1;Vc1];

[Va2]=source_V1f(Va,pha-30,h,num_ha); [Vb2]=source_V1f(Vb,phb-30,h,num_hb); [Vc2]=source_V1f(Vc,phc-30,h,num_hc); V20=[Va2;Vb2;Vc2];

[Yt11,Yt12,Yt21,Yt22]=transf(Rt,Xt,h) Ycap=inv(form_Zm(0,-Xcap,h));

Ycap_Ss=[Ycap 0; Ycap 0; 0 Ycap];

error=1; iter=0;

while error>0.0001 Ytcr_D=calc_TCR (Va2,Vb2,Vc2,alph_a,alph_b,alph_c,w,X rea,h);

Ysvc=Ytcr_D+Ycap_Ss;

V2=-inv(Yt22+Ysvc)*Yt21*V1; error=norm(V2-V20);

Va2=V2(1:2*h+1); Vb2=V2(2*h+2:4*h+2); Vc2=V2(4*h+3:6*h+3); V20=V2;

end

I1=(Yt11*V1+Yt12*V2); I2=Ysvc*V2;

Ifc=-Ycap_Ss*V2; Itcr=Ytcr_D*V2;

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Enrique Acha, Manuel Madrigal, Power Systems Harmonics: Computer Modelling and Analysis, Wiley-IEEE Press, United State of America, 1st edition, 2001

110 130

150 180

0 10 15

0 50 100

Goc mo (0)

Bac hai

%

s

o

voi

bac

[2] J.J Rico, et al., Harmonic domain modelling of three phase thyristor-controlled reactors by means of switching vectors and discrete convolutions, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.11, no.3, July 1996

[3] Uriel Vargas, Abner Ramirez, Reformulating Extended Harmonic Domain Models for Accurate Representation of Harmonics Dynamics, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.31, no.6, 2016 [4] Abner Ramirez, The Modified Harmonic Domain: Interharmonics, IEEE Transactions on Power

Delivery, Vol.26, no.1, January 2011

[5] Ehsan Karami, et al., A Step Forward in Application of Dynamic Harmonic Domain: Phase Shifting Property of Harmonics, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol.32, no.1, 2017

[6] Fatma Rabea, and others, Implementation of a Simplified SVC Model into Newton-Raphson Load Flow Algorithm, International conference on Innovative trend in computer engineering (ITCE2018), Aswan University, Egypt, p 374 – 379, 2018

[7] R Mohan Mathur, Rajiv K Varma, Thyristor-based FACTS Controllers for Electrical Transmission Systems, Wiley-IEEE Press, United State of America, 1st edition, 2002

[8] Maria Luiza Viana Lisboa, Three-phase Three-limb Transfrormer models in the harmonic domain, Thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical and Electronic Engineering at the University of Canterbury, Christchurch, New Zealand, 30 October 1996

[9] Tổng sơ đồ qui hoạch điện VII Giới thiệu tác giả:

Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ ngành hệ thống điện tự động hóa Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc