NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LỆ QUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC) Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện Mã số : 60.52.50 THÁI NGUYÊN - 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Trần Thị Lệ Quyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS. Nguyễn Đăng Toản Trƣờng Đại học Điện lực Hà Nội. Thái Nguyên, ngày 25 tháng 6 năm 2012 Trần Thị Lệ Quyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trƣờng, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng nhƣ sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Hiện nay, các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tƣợng mất ổn định góc rôto máy phát điện. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hƣởng, các phƣơng pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ dành để phân tích ƣu nhƣợc điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện. Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới nhƣ PSS và SVC cũng nhƣ là cơ sở để nâng cao hiệu quả ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam. Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, nghiên cứu về thiết bị PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định góc rotor máy phát điện, PSS, SVC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 10 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11 CHƢƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 13 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 14 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định góc rotor máy phát điện 14 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS - SVC 15 1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 16 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 17 CHƢƠNG II : ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR 18 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 18 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 18 2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện 30 2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện 33 2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện 36 2.2 ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO 36 2.2.1 Định nghĩa 36 2.2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến ổn định quá độ 38 2.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản 2.2.4 Phƣơng pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện 42 2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 44 2.4 KẾT LUẬN 47 CHƢƠNG III : NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PSS VÀ SVC 49 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 49 3.2 THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER- PSS 49 3.2.1 Mô hình thiết bị PSS 49 3.2.2 Sử dụng PSS để nâng cao ổn định 51 3.2.3 Bộ ổn định dựa trên tần số 54 3.3 THIẾT BỊ SVC 55 3.3.1 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) 57 3.3.2 Tụ đóng mở bằng thyristor TSC (thyristor switch capacitor) 58 3.3.3 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (thyristor switch reactor) 59 3.3.4 Ứng dụng của SVC trong thực tế 60 3.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 63 CHƢƠNG IV : MÔ HÌNH THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG -PSS/E 65 4.1 PHẦN MỀM PSS/E 65 4.1.1 Giới thiệu chung về PSS/E 65 4.1.2 Giới thiệu tổng quan về chƣơng trình PSS/E 65 4.1.3 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E 68 4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN 72 4.2.1 Mô hình máy phát điện GENROE 74 4.2.2 Mô hình thiết bị kích từ SEXS 75 4.2.3 Mô hình thiết bị PSS 76 4.2.4 Mô hình SVC 78 4.2.5 Máy biến áp 80 4.2.6 Đƣờng dây 81 4.3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản 4.3.1 Mô phỏng động hệ thống điện khi chƣa có thiết bị PSS, và SVC 82 4.3.2 Mô phỏng động khi thêm thiết bị PSS, và SVC 87 4.4 KẾT LUẬN 97 CHƢƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 5.1 KẾT LUẬN 98 5.1.1 Nghiên cứu các sự cố 98 5.1.2 Nghiên cứu về PSS, SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện 98 5.2 KIẾN NGHỊ 99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987 21 Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500 kV – WSCC – USA – 1996 23 Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 23 Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20] 24 Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 27 Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trƣớc và sau khi 3h 25 phút 33 giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 28 Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trƣớc và sau khi tan rã [17] 30 Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 33 Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 35 Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 36 Hình vẽ II-11: Góc Rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua [1] 37 Hình vẽ II-12: Minh họa phƣơng pháp cân bằng diện tích 40 Hình vẽ II-13: Minh họa phƣơng pháp hàm năng lƣợng quá độ 41 Hình vẽ III-1: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ 49 Hình vẽ III-2: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với thiết bị AVR và PSS 50 Hình vẽ III-3: Sơ đồ khối bộ ổn định Delta – P – Omega. 54 Hình vẽ III-4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC 56 Hình vẽ III-5: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR 57 Hình vẽ III-6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 59 Hình vẽ III-7: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSR 60 Hình vẽ III-8: Hình ảnh SVC đƣợc lắp đặt tại ESKOM – Nam phi 62 Hình vẽ III-9: Hình ảnh SVC đƣợc lắp đặt tại Enelpower, Brazil 63 Hình vẽ IV-1: Sơ đồ khối của PSS/E 68 Hình vẽ IV-2: Mô hình hệ thống điện chuẩn 72 Hình vẽ IV-3: Mô hình máy phát điện GENROE trong thƣ việc PSS/E 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản Hình vẽ IV-4: Mô hình thiết bị kích từ SEXS trong thƣ việc PSS/E 75 Hình vẽ IV-5: Mô hình kích từ 76 Hình vẽ IV-6: Mô hình bộ ổn định công suất STAB1 trong thƣ viện của PSS/E 77 Hình vẽ IV-7: Mô hình bộ ổn định tốc độ 78 Hình vẽ IV-8: Mô hình thiết bị SVC 80 Hình vẽ IV-9: Mô hình máy biến áp 2 dây quấn 81 Hình vẽ IV-10: Mô hình đƣờng dây tải điện 82 Hình vẽ IV-11: Góc rotor máy phát G1 khi không có PSS, SVC 83 Hình vẽ IV-12: Góc rotor máy phát G2 khi không có PSS, SVC 84 Hình vẽ IV-13: Góc rotor máy phát G3 khi không có PSS/SVC 84 Hình vẽ IV-14: Góc rotor máy phát G4 khi ngắn mạch khi không có PSS/SVC 85 Hình vẽ IV-15: Điện áp trên thanh góp 8 của hệ thống điện khi không có PSS/SVC 85 Hình vẽ IV-16: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86 Hình vẽ IV-17: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86 Hình vẽ IV-18: Góc rotor máy phát G1 khi có thiết bị PSS/SVC 88 Hình vẽ IV-19: Góc rotor máy phát G2 khi có PSS/SVC 88 Hình vẽ IV-20: Góc rotor máy phát G3 khi có PSS/SVC 89 Hình vẽ IV-21: Góc rotor máy phát G4 khi có PSS/SVC 89 Hình vẽ IV-22: Điện áp trên thanh góp 8 khi có PSS/SVC 90 Hình vẽ IV-23: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi có PSS/SVC 90 Hình vẽ IV-24: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi có PSS/SVC 91 Hình vẽ IV-25: Góc rotor máy phát G1 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 92 Hình vẽ IV-26: Góc rotor máy phát G2 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 92 Hình vẽ IV-27: Góc rotor máy phát G3 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 93 Hình vẽ IV-28: Góc rotor máy phát G4 trong hai trƣờng hợp không có và có PSS/SVC 93 Hình vẽ IV-29: Điện áp trên thanh góp 8 khi không có và có PSS/SVC 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9 Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Người HDKH:TS.Nguyễn Đăng Toản Hình vẽ IV-30: Công suất trên đƣờng dây 7-8 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 94 Hình vẽ IV-31: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 95 Hình vẽ IV-32: Công suất trên đƣờng dây 8-9 mạch 1 trong các trƣờng hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC 96 Hình vẽ IV-33: Điện áp tại thanh góp 8 trong các trƣờng hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hƣởng, các phƣơng pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện Trong đó, có nhiều tác giả tập trung vào nghiên cứu khả năng nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện bằng thiết bị ổn định công suất (power system stabilize- PSS) và thiết bị FACTS -SVC... việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phƣơng án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS - SVC Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã đƣợc xem nhƣ là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến... phân trong việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, chúng tả phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất nhƣ: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission... là một thiết bị bù ngang tĩnh, đƣợc lắp đặt tại các nút để nhanh chóng điều chỉnh điện áp, và cũng có tác dụng nâng cao ổn định Chính vì vậy trong luận văn này sẽ dành để phân tích ƣu nhƣợc điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới nhƣ PSS và SVC... kịch do việc mất thêm thiết bị nhƣ là mất đƣờng dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m2)) Làm phát sinh các vấn đề ổn định HTĐ nhƣ mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto, làm quá tải các thiết bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữa các máy phát điện Việc mất cân bằng công suất phát/ tải làm nảy sinh sự sụp đổ về tần số và đồng bộ hóa  Việc thiếu... thạc sĩ kỹ thuật 17 PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn IEEE đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn Chƣơng V trình bày các kết luận chủ yếu và các kiến nghị 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn chỉ đƣa ra phân tích so sánh giữa thiết bị PSS và SVC, và tác dụng của hai loại thiết bị này đối với nâng cao độ ổn định góc rotor Phƣơng pháp thực... số máy Vùng phụ tải ở xa vùng phát điện, bất thƣờng dẫn đến phát, đƣờng dây, tụ đƣờng dây truyền hay tải tăng đột bù, máy bù … tải dài ngột Thiếu công suất tác dụng và phản kháng dự trữ Nặng tải và điện áp thấp ở một số nút trong HTĐ HỆ THỐNG ĐIỆN Bắt nguồn bởi một sự cố nguy kịch: Mất một đƣờng dây, máy phát điện quan trọng… Mất ổn định tần số Mất ổn định điện áp Giảm từ từ điện áp tại các nút Tổn... nút Tổn thất c/s phản kháng tăng mạnh Quá tải các thiết bị khác ULTC đạt đến nấc cao nhất Mất ổn định góc rôto Vấn đề đồng bộ hóa HTĐ Máy phát/ bù đạt đến giới hạn phát c/s phản kháng Thiếu mô men cản dao động Cắt các thiết bị quá tải khác trong HTĐ Mất đồng bộ Sụp đổ điện áp Sự cắt nhanh các đƣờng dây, máy phát và thiết bị điện trong HTĐ Tan rã hệ thống điện Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ... hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sự mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân chính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu nâng cao ổn định nhiễu góc rotor máy phát điện đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này Chƣơng III, giới thiệu về thiết bị Học viên: Trần Thị Lệ Quyên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu... quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/ tải tăng lên mạnh hơn nữa, và dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác, và làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống  Cơ chế tan ra HTĐ có liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto Sự tổng kết về cơ chế tan rã HTĐ . CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LỆ QUYÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH. máy phát điện 14 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS