Tăng cường ổn định quá độ sử dụng UPFC và SVC cho lưới điện truyền tải

Tăng cường ổn định quá độ sử dụng UPFC và SVC cho lưới điện truyền tải do Đặng Hoàng Minh - Thạch Thị Via Sa Na (Trường Đại học Trà Vinh)

• Giải pháp đưa thương mại điện tử tăng trưởng bứt phá trong năm 2024
• "Tấm thảm bay" của thương mại điện tử xuyên biên giới
• Tập đoàn Bamboo Capital sẽ xây 2 nhà máy điện rác đầu tiên tại TP.HCM và Long An

TÓM TẮT:

Cùng với việc càng tăng cường sự ổn định quá độ, thì càng tăng tính quan trọng cho hoạt động tin cậy của hệ thống điện. Đánh giá sự ổn định quá độ của hệ thống điện lớn cực kỳ phức tạp và vấn đề phi tuyến cao. Một chức năng quan trọng của đánh giá sự ổn định quá độ là đánh giá khả năng của hệ thống chống lại tác động ngẫu nhiên nghiêm trọng. Vì vậy, một vài tình trạng khẩn cấp hoặc điều khiển ngăn ngừa có thể tránh tan rã hệ thống. Trong hoạt động thực tế, việc đánh giá đúng ổn định quá độ cho trạng thái hoạt động thật sự cần thiết và có giá trị cho việc vận hành hệ thống điện. Do vậy, bài nghiên cứu trình bày mô hình hệ thống điện và thiết bị FACTS (UPFC và SVC) nhằm đánh giá sự ổn định quá độ khi sử dụng FACTS cho lưới điện truyền tải.

Từ khóa: UPFC, SVC, lưới điện truyền tải, máy bù tĩnh, ổn định quá độ.

1. Đặt vấn đề

Một hệ thống điện bao gồm một mạng lưới phức tạp của một số lượng lớn máy phát, đường truyền, các loại tải khác nhau và máy biến áp. Kết quả của việc tăng nhu cầu công suất, một vài đường truyền mang tải nhiều hơn thiết kế khi nó được xây dựng. Với sự tăng tải của một đường truyền dài, vấn đề của ổn định quá độ sau một sự cố lớn có thể trở thành nhân tố giới hạn truyền tải [1].

Ổn định quá độ của một hệ thống được hiểu là để ổn định khi chịu một nhiễu lớn như sự cố ngắn mạch và chuyển mạch đường dây [2]. Kết quả kéo theo đáp ứng hệ thống lệch lớn góc rotor máy phát và làm ảnh hưởng bởi mối quan hệ góc công suất không phi tuyến. Ổn định phụ thuộc theo cả hai điều kiện hoạt động ban đầu của hệ thống và sự mãnh liệt của nhiễu. Ổn định điện áp, trạng thái ổn định và ổn định quá độ của một hệ thống điện phức tạp có thể cải thiện một cách có kết quả bởi sử dụng thiết bị FACTS [3] SVC là thiết bị FACTS thế hệ đầu tiên, có thể điều khiển điện áp ở bus yêu cầu bằng cách cải thiện biên dạng điện áp của hệ thống. Nhiệm vụ chính của một SVC là duy trì điện áp ở một Bus đặc biệt bởi sự bù công suất phản kháng (đạt được bởi sự thay đổi góc kích của Thyristor) [4-5]. SVCs được sử dụng để cải thiện tốt trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ khi so sánh với bù song song cổ điển. SVCs cũng được sử dụng để giản dao động công suất, cải thiện ổn định quá độ và giảm tổn thất hệ thống bởi tối ưu điều khiển công suất phản kháng [6].

Máy bù tĩnh là một thiết bị FACTS kết nối song song và sự vận hành của nó đóng vai trò quan trọng như một sự trợ giúp ổn định cho tác động nhiễu nhanh và lâu dài trong hệ thống điện. Đại diện của thiết bị FACTS thế hệ thứ ba là Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) [7]. UPFC bao gồm 2 bộ chuyển đổi nguồn điện áp sử dụng GTO, nó hoạt động từ một đường liên kết DC chung. Bộ điều khiển UPFC là thiết bị FACTS khác nó có thể được sử dụng để điều khiển dòng công suất phản kháng và tác dụng trên đường truyền. Giảm sự dao động hệ thống điện sau một sự cố 3 pha thì được phân tích với sự phân tích của sự ảnh hưởng của SVC và UPFC trên sự thực hiện ổn định quá độ của một hệ thống điện.

Trong bài báo này, động lực của hệ thống được so sánh với khi sử dụng và không sử dụng UPFC & SVC. Mô hình UPFC & SVC được sử dụng và ổn định hệ thống thì được phân tích sử dụng các thiết bị FACTS trên. Để đạt được hiệu quả tối ưu của sự bố trí đúng bộ phận điều khiển FACTS của những thiết bị này trong hệ thống thì quan trọng như là chiến lược điều khiển có hiệu quả.

2. Mô hình hệ thống điện và thiết bị FACTS (UPFC và SVC)

2.1. Mô hình máy đồng bộ

Mô hình toán học của máy đồng bộ thay đổi từ mô hình cơ bản chủ yếu để có nhiều tính chất hơn. Trong những mô hình chi tiết, quá độ và hiện tượng quá độ được xem xét. Ở đây, mô hình quá độ được sử dụng để thay mặt máy điện trong hệ thống với các hàm liên quan cần thiết. Để biểu diễn ảnh hưởng quá độ mạch điện 2 rotor, một cuộn kích từ trên trục d và cuộn dây giả thiết (cuộn cản) trên trục q tương ứng.

T'_do*(dE'_q | dt) + E'_q = E_fd - (X_d - X'_d)i      (1)

T'_qo*(dE'_q | dt) + E'_d  = (X_q - X'_q)i_q               (2)

Với: T'_do là hằng thời gian quá độ mạch hở trục d; T'_qo là hằng thời gian quá độ mạch hở trục q; E_fd là điện áp kích.

Lực rotor được biểu diễn bởi phương trình dao động:

2H*(dS_m | dt) = T_m -  T_e -  DS_m                (3)

(dδ | dt) = S_m * ϖ_b                                   (4)

Ở đó S_m ma sát trượt, ϖ_b là tốc độ đồng bộ và D là hệ số ma sát cản. T_m là moment xoắn ngõ vào, Te là moment điện ngõ ra được biểu diễn bởi:

T_e = E'_qi_q+ E'_di_d + (X'_d - X'_q)i_di_q      (5)

Quá độ Stator thì được bỏ qua và giảm stator để trở kháng đơn giản với thành phần điện kháng trên trục d và trục q. Stator biểu diễn bởi nguồn dòng độc lập IG mắc song song với điện dẫn YG. YG và IG.

2.2. Mô hình AVR

Hình 1: Mô hình AVR

Nguồn: Sưu tầm

Sơ đồ ổn định điện áp thì được vẽ ở Hình 2. Phương trình AVR là:

TA * (dE_A | dt) = - E_A + K_A(V_ref  -  V_t)     (6)

2.3. Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC)

Hình 2: Sơ đồ chung của UPFC

Nguồn: Sưu tầm

UPFC bao gồm 2 bộ chuyển mạch, cái mà trong sự thực hiện được xem xét như bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) sử dụng Gate Turn-Off (GTO) van thyristor được miêu tả tại Hình 3. Các bộ chuyển đổi này  hoạt động từ một nguồn DC chung liên kết cung cấp bởi bộ tụ DC. Sự sắp xếp này thực hiện chức năng chuyển AC đến AC. Bộ chuyển đổi công suất trong việc công suất tác dụng có thể dòng tự do trong cả 2 hướng giữa điện áp AC đầu cuối của 2 bộ chuyển đổi và mỗi bộ chuyển đổi có thể phát độc lập (hoặc hấp thu) công suất phản kháng của chính nguồn AC ngõ ra. Nguyên lý một UPFC có thể thực hiện trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động trong một số thiết bị.

Bộ điều khiển cho V_sep:

Hình 3: Bộ điều khiển cho V_sep

Nguồn: Sưu tầm

Cấu trúc của bộ điều khiển cho V_seq:

Hình 4: Cấu trúc bộ điều khiển cho V_seq

Nguồn: Sưu tầm

Mô hình của UPFC cho việc đánh giá ổn định quá độ: Cần chú ý rằng điện áp bơm nối tiếp là tổng của thành phần vuông góc và trong thành phần pha V_seq và V_sep. Tương tự như vậy, dòng song song được biểu diễn bởi 2 thành phần I_shq và I_shp. Độ lớn của dòng thực song song được xác định từ yêu cầu cân bằng công suất thực và được cho bởi:

I_shp = Real(V_seI₂*)/V₁          (7)

3. Trường hợp nghiên cứu

Nghiên cứu các trường hợp để dẫn tới việc đánh giá sự thực hiện của bộ điều khiển, trên 10 máy phát, 39 bus, hệ thống kiểm tra New England.

Cho hệ thống sau, máy phát 9 bị mất ổn định nghiêm trọng, bởi vậy đường cong dao động của máy phát 9 được khảo sát. Cả 2 mô hình chi tiết và cổ điển được xem xét cho nghiên cứu này. Một sự cố 3 pha ở bất cứ nút nào với thời gian là 60ms được xem xét để theo dõi ổn định quá độ và sự giảm dao động công suất.

Hình 5: Hệ thống thử nghiệm 10 máy phát điện, 39 nút

Nguồn: Sưu tầm

Những trường hợp theo sau thì được xem xét:

- Máy phát có số liệu sau:

Hình 6: Dòng điện xoay chiều của máy phát điện từ số 1 đến số 10

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023  

X_d = 1.6, X_d’ = 0.32, T_do’ = 6.0, X_q =1.55, X_q’ = 0.32, T_qo’ = 0.44, H = 5.0, f_B = 60 Hz Đường dây: X_tr = 0.1, XL₁ = XL₂ = 0.2, X_b = 0.1AVR: K_A = 200, T_A= 0.05, E_fdmin = -6.0, E_fdmax = 6.0

Điểm hoạt động ban đầu: V_g = 1.05, P_g = 0.75, E_b = 1.0

UPFC: Giới hạn V_sep and V_seq = 0.35 pu

Đường cong dao động cho tất cả 10 máy phát tương ứng với mô hình cổ điển được trình bày ở Hình 11. Một sự cố ngắn mạch 3 pha đối xứng ở bus 26 với thời gian 60ms, không làm mất điện đường dây thì được xem xét cho nghiên cứu. Quan sát từ Hình 8 ở đó máy phát 9 bị nhiễu nghiêm trọng, do đó đường cong dao động của máy phát 9 được quan tâm cho sự nghiên cứu ảnh hưởng của UPFC lên hệ thống.

4. Ảnh hưởng của vị trí UPFC

Hình 7: Góc lệch Rôtor tại nút 26 không cắt đường dây, UPFC ở đường dây 26-29

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên đường dây 26 đến 29 máy phát tại nút 26 có sự dao động của góc Rôtor nhờ đặt UPFC có thể thực hiện trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động, hệ thống ổn định trong thời gian cho phép mà không làm mất điện đường dây 26-29.

Hình 8: Góc lệch Rôtor tại nút 26 không cắt đường dây, UPFC ở đường dây 14-15

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên đường dây 14 đến 15 máy phát tại nút 26 có sự dao động của góc Rôtor nhờ có đặt UPFC có thể thực hiện trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động và hệ thống ổn định trong thời gian cho phép mà không làm mất điện đường dây 14-15.

Hình 9: Góc lệch Rotor - Sự cố tại nút số 26 và sự cố được cô lập

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên các đường dây có liên quan đến máy phát tại nút 26 nhờ có đặt UPFC có thể thực hiện trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động về trạng thái xác lặp ban đầu.

Hình 10: Góc lệch Rôtor khi sự cố không khắc phục tại nút 26 và nút số 28

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên các đường dây có liên quan đến máy phát tại nút 26 khi không có đặt UPFC để trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động hệ thống mất ổn định.

Hình 11: Góc rôtor - Sự cố tại nút 26, sự cố được khắc phục

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên các đường dây có liên quan đến máy phát tại nút 26 nhờ có đặt UPFC có thể thực hiện trợ giúp điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động về trạng thái ổn định ban đầu.

Hình 12: Góc Rôtor - Sự cố tại nút 29 và được khắc phục

Nguồn: Tác giả chạy kết quả, 2023

Nhận xét: Khi có sự cố trên các đường dây có liên quan đến máy phát tại nút 29 để thể thực hiện cải thiện điện áp, dòng công suất và cải thiện ổn định động về trạng thái ổn định ban đầu nhờ có đặt UPFC.

5. Kết luận

UPFC là kiểu mẫu như mô hình bơm dòng phụ thuộc. Việc tính toán dòng bơm mang lại cách thức đơn giản gồm có sự tham gia của UPFC trong chương trình ổn định quá độ tổng quát. Ổn định quá độ và giảm dao động công suất thì có giá trị với UPFC và SVC. Động lực của hệ thống được so sánh với sự có mặt hoặc không có mặt của UPFC và SVC trong hệ thống, kết quả cho thấy có sự cải thiện to lớn trong sự vận hành hệ thống với sự có mặt của SVC và UPFC.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả của UPFC rõ ràng hơn khi bộ điều khiển đặt ở gần nơi máy phát bị nhiễu lớn; và hiệu quả của UPFCcũng rõ ràng hơn khi bộ điều khiển đặt gần bus sự cố hơn lúc đặt ở vị trí xa. UPFC giúp cải thiện ổn định quá độ bởi cải thiện thời gian vượt qua tình trạng khẩn cấp.

Ổn định quá độ được cải thiện bởi sự giảm dao động đầu với UPFC và SVC.

SVC giúp cải thiện ổn định quá độ bởi cải thiện thời gian vượt qua tình trạng khẩn cấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Ngô Văn Dưỡng và Nguyễn Duy Dũng (2008). Đánh giá ảnh hưởng của Nhà máy Thủy điện A Vương đến các chế độ vận hành của hệ thống điện Việt Nam. Tạp chí Khoa học Công nghệ -Đại học Đà Nẵng, 2(25), 23-29.
2. Lê Tiên Phong, Dương Hòa An và Ngô Đức Minh (2012). Nghiên cứu phương pháp đánh giá ổn định cho hệ thống điện theo tiêu chuẩn diện tích. Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, 93, 23-28.
3. Nguyễn Phùng Quang (2004). Matlab và Simulink. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
4. Lã Văn Út (2000). Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
5. Hồ Văn Hiến (2003). Truyền tải và phân phối hệ thống điện. NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, TP. Hồ Chí Minh.
6. A Bettiol, Y Zhang, L Wehenkel, M & Pavella (1997). Transient stability investigations on a Brazilian network by SIME. 1997 Fourth International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, APSCOM-97, 11-14 November (pp. L1-L6)/ Hong Kong.
7. Hadi Saadat (1999). Power system analysis. McGraw-Hill, New York.

INCREASING TRANSITIONAL

STABILITY BY USING UPFC AND SVC

FOR POWER TRANSMISSION GRIDS

• DANG HOANG MINH¹

• THACH THI VIA SA NA¹

¹Tra Vinh University 

ABSTRACT:

It is important to strengthen the power system’s operation reliability when transient stability increases. The transient stability evaluation of large-scale power systems is an extremely intricate and highly non-linear problem. An important function of transient evaluation is to appraise the capability of the power system to withstand serious contingencies in time so that some emergencies or preventive control can be carried out to prevent system breakdown. Therefore, some emergencies or preventative controls can avoid system breakdown. In practice, a correct assessment of transient stability for given operating states is necessary and valuable for power system operation. This study presented the power system and equipment model FACTS (UPFC and SVC) and evaluated the transient stability when the FACTS is used for the power transmission grid.

Keywords: UPFC, SVC, transmission grid, static compensator, transient stabilizer.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 27 tháng 12 năm 2023]

• phản hồi

• cùng chuyên mục