Đánh giá định lượng các giải pháp hạn chế tác động của quá trình quá độ do đóng tụ ở trạm biến áp

Bài viết cho thấy, tụ bù ngang được sử dụng phổ biến để điều chỉnh điện áp ở các cấp điện áp khác nhau trong hệ thống điện. Trong vận hành, sự biến thiên của phụ tải trong ngày yêu cầu đóng cắt tụ để thay đổi lượng công suất bù phù hợp đưa vào hệ thống điện.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ĐÁNH GIÁ ĐỊNH LƯỢNG CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ TÁC ĐỘNG CỦA QUÁ TRÌNH Q ĐỘ DO ĐĨNG TỤ Ở TRẠM BIẾN ÁP QUANTITATIVE EVALUATION OF BACK-TO-BACK CAPACITOR SWITCHING TRANSIENT CONTROLS AT POWER SUBSTATION Ma Thị Thương Huyền1, Vũ Hoàng Giang1,*, Đoàn Văn Đạo2 GIỚI THIỆU CHUNG TÓM TẮT Tụ bù ngang sử dụng phổ biến để điều chỉnh điện áp cấp điện áp khác hệ thống điện Trong vận hành, biến thiên phụ tải ngày yêu cầu đóng cắt tụ để thay đổi lượng công suất bù phù hợp đưa vào hệ thống điện Bên cạnh hiệu kỹ thuật sử dụng tụ bù ngang mang lại q trình đóng cắt cịn dẫn đến nhiều tác động khơng mong muốn Vì vậy, hệ thống tụ bù ngang thường trang bị thêm phần tử hạn chế tác động trình độ kết hợp thêm lựa chọn thời điểm đóng tụ phù hợp Bài báo giới thiệu phương pháp phân tích phổ để đánh giá giải pháp hạn chế tác động trình độ đóng tụ liền kề Các giải pháp bao gồm đặt kháng điện nối tiếp với tụ, đóng tụ qua điện trở phụ đặt kháng hai giàn tụ nối liền kề Mỗi giải pháp mô phần mềm cho tụ bù ngang 110kV trạm biến áp 220kV Mai Động Dữ liệu dòng điện điện áp tụ thu thập phân tích phổ với giải thuật STFT (Short-Time Fourier Transform) Kết mơ phân tích phổ cho thấy biên độ thành phần tần số cao xuất xung dịng áp sử dụng làm số cho tính hiệu giải pháp Từ khóa: Đóng cắt tụ, phân tích phổ, q trình q độ, sóng hài, tụ bù ngang ABSTRACT Shunt capacitors have been widely used for regulating the voltage module at various voltage levels in power systems The daily variation of loads requires capacitor switching in order to appropriately adjust the amount of compensating reactive power injected into the power system Apart from the technical effect that the utilization of shunt capacitors can offer, it leads to several unexpected consequences Hence, a shunt capacitor system is commonly either equipped with some elements to mitigate the negative impact due to capacitor switching transient or combined with the appropriate selection of switching time points This article presents the spectral analysisbased technique to evaluate the back-to-back capacitor switching transient controls The mitigating methods that are investigated include the use of a series inductor to the capacitor, capacitor switching via an additional resistor, and the installation of an inductor between two capacitor banks Each method applied to 110kV capacitor banks of 220kV Mai Dong substation is simulated The capacitor voltages and currents are recorded and analyzed by using the algorithms of STFT (Short-Time Fourier Transform) Simulation results show that the magnitude of high frequency can be used to indicate the effectiveness of each method Keywords: Capacitor switching, spectral analysis, transient, harmonics, shunt capacitor Trường Đại học Điện lực Ban Quản lý dự án truyền tải điện, Tổng Công ty Truyền tải điện quốc gia * Email: giangvh@epu.edu.vn Ngày nhận bài: 04/9/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 08/10/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/10/2021 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Trong hệ thống điện, điện áp nút trì giới hạn cho phép cách điều khiển công suất phản kháng để cân công suất vào công suất khỏi nút Có nhiều phương tiện khác như: tổ máy phát điện, máy bù đồng bộ, tụ bù ngang thiết bị FACTS sử dụng để phát tiêu thụ cơng suất phản kháng Ngồi ra, việc điều chỉnh đầu phân áp điều áp máy biến áp cho phép thay đổi phân bố dịng cơng suất phản kháng hệ thống điện Trong thiết bị kể trên, tụ bù ngang sử dụng phổ biến cấp điện áp khác Thực tế vận hành cho thấy nhu cầu công suất phản kháng nút thường thay đổi phụ tải hệ thống điện biến thiên liên tục ngày Do đó, vận hành cần thực đóng cắt giàn tụ để thay đổi dung lượng bù phù hợp với thời điểm Bên cạnh lợi ích tụ bù ngang đề cập trên, q trình vận hành chúng cịn gây tác động không mong muốn [1]: - Làm cho vấn đề nhiễm sóng hài trầm trọng hơn, gây tượng cộng hưởng; - Tăng dòng xung kích độ máy biến áp, gây điện áp kéo dài tồn trình độ; - Tăng yêu cầu chức thiết bị đóng cắt, chúng chịu ứng suất vượt định mức quy định tiêu chuẩn tiêu chuẩn IEEE, ANSI (Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ); - Phóng điện mạch gây điện áp tiếp điểm thứ cấp máy biến dòng; Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 - Gây tác động tới tải nhạy cảm hệ thống truyền động điện dẫn đến dừng hoạt động hệ thống Hơn nữa, thân tụ điện phải chịu ứng suất trình độ dẫn đến kết nhiều tụ hư hỏng nhanh so với tốc độ già cỗi dự kiến Ví dụ, năm 2018, có nhiều tụ trạm biến áp 220kV Truyền tải điện Hà Nội quản lý xảy hư hỏng, số trường hợp thống kê minh họa bảng [2] Bảng Thống kê hư hỏng tụ bù ngang lưới Truyền tải điện Hà Nội năm 2018 TT Tên trạm biến áp Trạm 220kV Phố Nối Trạm 220kV Vân Trì Trạm 220kV Mai Động Trạm 220kV Chèm THÔNG SỐ GIỚI HẠN CỦA TỤ KHI VẬN HÀNH TRONG Q TRÌNH Q ĐỘ Trong q trình làm việc, tụ bị tải sóng hài, đặc biệt điều kiện cộng hưởng Tụ tiếp tục vận hành thông số điện áp, dịng điện cơng suất khơng vượt q giới hạn Các ngưỡng thông số bao gồm [3-5]: - Giá trị hiệu dụng điện áp không vượt 110% giá trị định mức [6]; - Giá trị đỉnh điện áp không vượt 1, 2 lần giá trị hiệu dụng định mức; - Dịng điện khơng vượt 135% dòng điện hiệu dụng định mức; Pha cố Số bình hư hỏng A C B 01 02 01 - Công suất phản kháng không vượt 135% công suất phản kháng định mức tụ A, B 01 (A) 04 (B) B B, C 02 (B) 01(C) Trong q trình đóng tụ, thường xuất q điện áp dịng điện xung kích Trong báo q trình q độ đóng tụ bù ngang mô phần mềm EMTP cho trạm biến áp truyền tải thực tế để lấy tín hiệu dịng điện điện áp tụ Sau đó, sử dụng phương pháp phân tích phổ cho sóng điện áp dòng điện nhằm phát thành phần sóng hài gây ảnh hưởng tới việc vận hành bảo vệ thiết bị hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng trình q độ việc đóng cắt tụ, nhiều giải pháp áp dụng Một số giải pháp kể đến như: - Đặt kháng điện nối tiếp để hạn chế xung dịng; - Đóng mạch qua điện trở; - Lựa chọn thời điểm đóng phù hợp; - Đặt thêm kháng điện nối giàn tụ Bên cạnh đó, số giải pháp khác sử dụng thực tế [1]: sử dụng chống sét van; chia giàn tụ lớn thành nhiều giàn tụ có dung lượng nhỏ; tránh sử dụng tụ đồng thời nhiều cấp điện áp để hạn chế khả cộng hưởng, đồng thời đặt MOV góp điện áp thấp; chuyển từ dạng tụ bù sang dạng tụ lọc để hạn chế xung dịng tần số nó; điều chỉnh nấc phân áp phù hợp có xét đến tăng lên điện áp tụ chế độ xác lập Bài báo thực đánh giá hiệu giải pháp thường sử dụng để hạn chế ảnh hưởng q trình q độ đóng tụ Việc đóng tụ 110kV trạm biến áp thực tế mô với giải pháp hạn chế khác Sau sử dụng phương pháp phân tích phổ (STFT) để xác định biên độ thành phần sóng hài bậc cao tín hiệu dịng điện điện áp tụ, từ cho phép định lượng tính hiệu giải pháp Phần báo bố cục sau: Mục giới thiệu thông số giới hạn tụ vận hành q trình q độ; Các phương pháp phân tích phổ giới thiệu mục 3; Mục trình bày kết mô áp dụng giải pháp cho tụ bù ngang 110kV; Cuối cùng, kết luận đưa mục GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHỔ Tín hiệu dịng điện điện áp q trình q độ thu tín hiệu khơng dừng (non-stationary) có tần số thay đổi theo thời gian nên việc sử dụng biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) để phân tích có hạn chế định, biến đổi FFT cho biết thông tin tần số tính trung bình tồn thời gian tín hiệu [7] Do đó, với tín hiệu biến đổi đột ngột q trình q độ, phân tích FFT khơng cịn đáp ứng độ xác khơng thể phát thành phần tần số đặc tính cho trước Vì vậy, nghiên cứu này, thuật toán STFT sử dụng để phân tích tín hiệu theo thời gian chế độ độ thành thành phần có tần số khác Đối với tín hiệu dịng điện, điện áp, việc thực cách cửa sổ hóa tín hiệu x(n) thành chuỗi liên tục cửa sổ xk, k = 1, 2, m gọi khung tín hiệu Độ rộng cửa sổ lựa chọn đủ ngắn để đoạn tín hiệu xem dừng đạt độ phân giải thời gian Hình Nguyên tắc phép biến đổi STFT Như vậy, nói nguyên tắc phương pháp STFT phân chia tín hiệu thành đoạn đủ nhỏ cho có Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 thể xem tín hiệu đoạn tín hiệu ổn định, sau thực biến đổi Fourier đoạn tín hiệu Mỗi đoạn phổ chứa thông tin tần số khoảng thời gian nhỏ Kết nối liên tiếp đoạn phổ xác định thơng tin tần số theo thời gian (hình 1) [8] Ma trận STFT cho bởi: X(f) = [X1(f), X2(f), Xm(f)] phần tử thứ k ma trận biểu diễn dạng:  Xk  f    x gn  kR  e i2 fn n n (1) đó: xn: Tín hiệu dòng điện điện áp tụ điện; g(n): Hàm cửa sổ có độ rộng M; Xk(f): Phân tích DFT (Distributed Fourier Transform) thời điểm kR; R: Bước nhảy hai DFT liên tiếp KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Mục trình bày kết mơ đóng tụ bù ngang 110kV gồm hai giàn tụ, công suất giàn 40MVAr đặt Trạm biến áp 220kV Mai Động Thông số tụ phụ lục Sơ đồ mơ thể hình với phần tử sau: - Nguồn: nguồn điện áp hình sin tần số 50Hz giá trị hiệu dụng điện áp dây 110kV; tổng trở tính theo cơng suất ngắn mạch góp 110kV cho kết ZN = 1,445; - Các tải đường dây tính tốn với giá trị thực tế thời điểm ngày; - Bỏ qua điện cảm góp dây dẫn Tiếp theo, mô tiến hành ứng với trường hợp có áp dụng giải pháp hạn chế q trình q độ đóng tụ khác 4.1 Mơ đóng cắt tụ với thông số thiết bị trạng trạm (TH1) Trường hợp mô trình đóng tụ chưa sử dụng biện pháp hạn chế tác động q trình q độ, đóng giàn tụ thời điểm t = 100ms đóng giàn tụ thời điểm t = 300ms Có thể thấy, sau đóng thêm giàn tụ vào, điện áp góp 110kV tăng lên có thêm nguồn cơng suất phản kháng đưa tới góp (hình 3) Tuy nhiên, giá trị điện áp góp sau đóng tụ nằm giới hạn cho phép (không vượt 110% giá trị định mức) Trước đóng tụ, điện áp đặt tụ dịng điện qua tụ Khi đóng giàn tụ thứ thời điểm 100ms, có xuất xung dòng điện điện áp giàn tụ Điện áp dòng điện giàn tụ dao động với biên độ giảm dần đạt giá trị ổn định Khi giàn tụ thứ đóng vào xung điện áp dịng điện lại xuất hai giàn tụ Dòng điện điện áp hai giàn tụ trình độ thể rõ độ biến dạng trì lâu sau thời điểm đóng (hình 4, 5) Biên độ lớn xung dòng điện 435A xung điện áp tụ 110kV, tiệm cận với giới hạn cho phép nêu mục Hình Điện áp góp Hình Sơ đồ mô đầy đủ giải pháp hạn chế tác động q trình đóng tụ a) - Điện kháng điện trở máy biến áp: góp cấp điện từ phía 220kV qua MBA tự ngẫu điện kháng điện trở máy biến áp XMBA1 = 23,232, RMBA1 = 0,27; - Điện cảm nối tiếp điện dung giàn tụ: L1 = L2 = 64,25mH; C1 = C2 = 9,6F - Điện kháng kháng điện L nối tiếp hai tụ XL = 15,08 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn b) Hình Điện áp pha A đầu cực tụ đóng trước (a) đóng sau (b) Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 hai tụ có xét đến điện cảm nối tiếp tụ, C điện dung tụ,  thơng số lựa chọn để có đặc tính phù hợp [9] Sau tính tốn, nghiên cứu này, giá trị R = 5 chọn để mơ Phân tích mật độ phổ cho thấy giảm xuống thành phần sóng hài (hình 7) a) Hình Mật độ phổ điện áp (trên) dịng điện (dưới) pha A b) Hình Dòng điện vào pha A tụ đóng trước (a) tụ đóng sau (b) Để thấy rõ tần số bậc cao có điện áp dịng điện, liệu mơ thu thập phân tích phổ Kết phân tích thể hình Ở tần số bậc cao xác định theo cơng thức [5]: Mơ đóng tụ: có đặt thêm kháng điện hai giàn tụ (TH3) Tác động trình độ đóng cắt tụ phụ thuộc trực tiếp vào thơng số R, L C mạch Trong điện cảm hai giàn tụ có tác dụng làm hạn chế trình độ biên độ tần số dòng điện độ finrush  2 L m C1C2 (C1  C2 ) (2) với Lm điện cảm hai tụ C1, C2 điện dung hai giàn tụ Hình Mật độ phổ điện áp (trên) dòng điện (dưới) pha A Thông số chọn XL = 15,08Ω (lấy theo giá trị điện kháng dự án đầu tư xây dựng lắp đặt dự kiến đưa vào vận hành năm 2021 trạm để hạn chế dịng ngắn mạch góp 110kV) để mơ Kết phân tích phổ giải pháp thể hình Hình Mật độ phổ điện áp (trên) dòng điện (dưới) pha A 4.2 Mô áp dụng giải pháp hạn chế tác động trình độ đóng tụ Mơ đóng tụ: có đặt thêm kháng điện hai giàn tụ có điện trở nối tiếp đóng trước (TH4) Mơ đóng tụ: có điện trở nối tiếp đóng trước (TH2) Tác động đóng máy cắt gây q trình q độ mạch RLC Nhờ có điện trở R trình q độ điều khiển cho tác động dòng điện điện áp độ bé Giá trị điện R tính tốn theo cơng thức: R Z0  Trong đó: tổng trở sóng Z0  (3) Hình Mật độ phổ điện áp (trên) dòng điện (dưới) pha A L với L điện cảm C Khi có trở nối tiếp với tụ điện cảm hai giàn tụ có tác dụng làm hạn chế q trình độ rõ rệt biên độ Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (10/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tần số dòng điện độ (hình 9) Thực tế trạm biến áp 220kV Mai Động, kháng điện hai góp đóng vai trị điện cảm trung gian hai giàn tụ Nhờ q trình q độ hạn chế Mơ thêm có mặt điện cảm trung gian cho thấy, ảnh hưởng trình q độ đóng tụ giảm nhiều (hình 9) KẾT LUẬN Thông tin thu từ mô phân tích phổ STFT cho thấy để hạn chế q trình q độ đóng tụ cần kết hợp giải pháp khác chọn thời điểm đóng phù hợp, đặt thêm kháng điện nối tiếp, kháng điện trung gian giàn tụ đặt điện trở nối tiếp trước tụ Hơn nữa, cần sử dụng thiết bị có khả đáp ứng nhanh xác để chọn thời điểm đóng xác cho tụ Ngồi kết phân tích mật độ phổ nghiên cứu cho thấy biên độ sóng hài bậc cao dòng điện điện áp độ số có tính định lượng tốt đánh giá tác động trình độ tính hiệu giải pháp áp dụng PHỤ LỤC Bảng thông số kỹ thuật giàn tụ bù ngang Nội dung TT Hình 10 Sự thay đổi mật độ phổ sóng hài bậc cao áp dụng giải pháp Tổng hợp kết bốn trường hợp cho thấy có tăng dần hiệu áp dụng nhiều giải pháp khác Biên độ thành phần không thay đổi nhiều Như biên độ tín hiệu phân tích phụ thuộc vào biên độ thành phần tần số bậc cao Kết minh họa hình 10 Một số nhận xét rút sau: - TH1: máy cắt tụ có chọn thời điểm đóng có kháng điện nối tiếp hai giàn tụ Tuy nhiên, biên độ phổ thành phần tần số bậc cao ghi nhận mức cao cho dòng điện điện áp; - TH2: đưa điện trở nối tiếp đóng trước vào, biên độ phổ giảm rõ rệt; - TH3: đưa kháng điện vào hai giàn tụ cho phép hạn chế tác động đóng tụ tốt TH2; Giàn tụ xem cách ly với phần mạch đóng cắt tốc độ biến thiên xung dịng (di/dt) khơng vượt q tốc độ thay đổi lớn định mức dòng cắt máy cắt điện [9] Ở đó, tốc độ biến thiên xung dòng tỷ lệ thuận với tần số finrush nên tỷ lệ nghịch với điện cảm tương đương hai tụ (theo công thức (2)) - TH4: áp dụng đồng thời giải pháp TH2 TH3 cho thấy thành phần bậc cao dòng điện giảm thấp trường hợp thành phần tần số bậc cao tín hiệu điện áp mức thấp Như vậy, thấy giải pháp sử dụng kháng điện đặt hai tụ có tính khả thi tốt hạn chế đáng kể thành phần tần số bậc cao lặp đặt dễ dàng thực tế Mặc dù áp dụng cấp điện áp phân phối mức vài chục kV trở xuống, giải pháp sử dụng điện trở nối tiếp đóng trước có hiệu cao ứng dụng cấp điện áp từ 110kV trở lên chịu ràng buộc khả chế tạo điện trở làm việc điện áp công suất lớn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Hạng mục Giá trị/bình Kiểu loại Giá trị/bộ CHDE - 142 o Cđm (µF) 20 C 8/bình 9,6 Cơng suất (kVAR) 565 40.000 Uđm (kV) 123 123 Iđm (A ) 37,7 300 Năm sản xuất 2003 Nước sản xuất ABB - Thụy Điển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Das, 2005 Analysis and control of large shunt capacitor bank switching transients IEEE Transactions on Industry Applications [2] Hanoi Power Transmission Corporation, 2018 Bang tong hop cac hu hong tu bu ngang tai cac tram bien ap truyen tai đien Ha Noi quan ly [3] IEEE Standard 18, 2002 Standard for shunt capacitor banks [4] IEEE Standard C37.99, 2005 Guide for protection of shunt capacitor banks [5] J C Das, 2015 Power system harmonics and passive filter designs John Wiley & Sons [6] IEC 60871-1, 2014 Shunt capacitors for a.c power systems having a rated voltage above 000 V - Part 1: General [7] M Frigo, S G Jonson., 1998 FFTW: An Adaptive Software Architecture for the FFT Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing [8] J B Allen, L R Rabiner, 1997 A unified approach to short-time Fourier analysis and synthesis Proceedings of the IEEE [9] A Greenwood, 1991 Electrical Transients in Power Systems New York: John Wiley and Sons AUTHORS INFORNATION Ma Thi Thuong Huyen1, Vu Hoang Giang1, Doan Van Dao2 Electric Power University The Power Transmission Projects Management Board, Branch of the National Power Transmission Corporation Vol 57 - No (Oct 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY ... áp dụng giải pháp hạn chế trình độ đóng tụ khác 4.1 Mơ đóng cắt tụ với thông số thiết bị trạng trạm (TH1) Trường hợp mơ q trình đóng tụ chưa sử dụng biện pháp hạn chế tác động q trình q độ, đóng. .. Bài báo thực đánh giá hiệu giải pháp thường sử dụng để hạn chế ảnh hưởng trình q độ đóng tụ Việc đóng tụ 110kV trạm biến áp thực tế mô với giải pháp hạn chế khác Sau sử dụng phương pháp phân tích... Mô áp dụng giải pháp hạn chế tác động trình độ đóng tụ Mơ đóng tụ: có đặt thêm kháng điện hai giàn tụ có điện trở nối tiếp đóng trước (TH4) Mơ đóng tụ: có điện trở nối tiếp đóng trước (TH2) Tác