Giải pháp ổn định điện áp tại trạm biến áp 110kv intel

GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TẠI TRẠM BIẾN ÁP 110KV INTEL

ELECTRIC STABILITY SOLUTION AT INTEL 110KV STATION

Nguyen Nhan Bon¹, Pham Hong Thai²

¹GV.Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

²HV.Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh

TÓM TẮT

Ổn định điện áp được quan tâm nhiều những năm gần đây do sự đòi hỏi ngày càng cao về

chất lượng điện năng của những phụ tải có yêu cầu chất lượng điện áp cao như: các dây chuyền sản

xuất vi xử lý, chip điện tử, và các thiết bị cần chất lượng để điều khiển chính xác khác. Mục đích

nghiên cứu nhằm đưa ra giải pháp ổn định điện áp tại trạm biến áp 110kV Intel đảm bảo phục vụ sản

xuất của nhà máy Intel nói riêng và khu công nghệ cao nói chung. Tổng hợp thu thập số liệu lưới

điện thực tế cung cấp nguồn cho trạm biến áp 110kV Intel, mô phỏng đánh giá các trường hợp dẫn

đến dao động điện áp, sử dụng thiết bị FACTS để ổn định điện áp, so sánh các giải pháp và chọn

giải pháp tối ưu nhất. Từ kết quả sự cố lưới điện và thay đổi phụ tải lớn so sánh dạng sóng khi áp

dụng SVC và STATCOM để ổn định điện áp. Sử dụng STATCOM cho kết quả điện áp ổn định

nhanh hơn và cao hơn so với SVC, chính vì vậy áp dụng STATCOM phù hợp để ổn điện điện áp tại

trạm biến áp 110kV Intel.

Từ khóa: Ổn định điện áp; Sự cố lưới điện; FACTS; SVC; STATCOM.

ABSTRACT

Voltage stabilization has been paid attention in recent years due to the increasing demand

for power quality of loads with high voltage requirements such as microprocessor chips, , and other

quality control devices for precision control. The purpose of this research is to provide voltage

stabilization solution at Intel 110kV substation to ensure production of Intel factory in particular and

hi-tech zone in general. The aggregate data collection grid actually provides power to the Intel

110kV substation, simulates the case of voltage fluctuations, uses FACTS to stabilize the voltage,

compares the solution And choose the best solution. From the result of the grid incident and the

large load changes compare the waveform when applied FACTS and STATCOM to stabilize the

voltage. Using STATCOM results in faster and more stable voltages than SVCs, thus applying the

appropriate STATCOM to stabilize the voltage at the 110kV substation.

Keywords: Voltage stabilization; grid Fault; FACTS; SVC; STATCOM.

điều kiện vận hành trong hệ thống. Các thay đổi

đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra

và nặng nhất là có thể rơi vào tình trạng không

thể điều khiển điện áp.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Chất lượng điện năng không đảm bảo có nhiều

nguyên nhân: mất cân bằng giữa công suất phát

và phụ tải, sự cố lưới điện bao gồm nhà máy

điện đường dây và trạm biến áp, đóng cắt các

thiết bị có công suất lớn hoặc tụ bù. do đó nó sẽ

gây gián đoạn điện hoặc gây dao động điện áp,

mất điện áp tạm thời.

Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại

tất cả các nút trong hệ thống nằm trong một

phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình

thường hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi

vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các

kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các

II. PHÂN LOẠI ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG

ĐIỆN

Sự ổn định hệ thống điện là một vấn đề chủ yếu.

Tuy nhiên, các dạng bất ổn định khác nhau mà

một hệ thống điện có thể trải qua không thể

được hiểu đúng và hiệu quả phân loại bằng cách

nghiên cứu nó. Do tính đa dạng và phức tạp cao

của vấn đề ổn định, nó giúp làm cho đơn giản

hoá các giả định để phân tích loại đặc trưng của

vấn đề cụ thể sử dụng một mức độ thích hợp của

trường hợp của hệ thống đặc trưng và kỹ thuật mất ổn định và các phương pháp phát triển để

phân tích thích hợp. Phân tích sự ổn định, bao cải thiện vận hành ổn định, làm cho dễ dàng hơn

gồm xác định các yếu tố chính góp phần gây rất nhiều bằng cách phân loại sự ổn định [2].

các nhóm thích hợp. Do đó phân loại là điều cần

thiết cho ý nghĩa phân tích thực tế và giải quyết

các vấn đề ổn định hệ thống điện [1].

Hình 2.3 Võng điện áp tạm thời nguyên nhân do

động cơ điện khởi động

III. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP BẰNG THIẾT BỊ

FACTS

Hình 2.1 Phân loại ổn định trong hệ thống điện

3.1 Bù tĩnh SVC

Một bộ bù tĩnh (SVC), là một máy phát

công suất phản kháng tĩnh, giá trị dung lượng

ngõ ra có thể thay đổi hoặc dòng điện cảm ứng

để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể

của hệ thống điện, điển hình là điện áp bus [2].

[1]

Trong bài báo này chỉ khảo sát đánh giá ổn định

điện áp khi dao động lớn trong thời gian ngắn

hạn.

2.1 Võng điện áp do sự cố và khởi động

động cơ công suất lớn

Mục đích chính của SVC thường là điều

khiển nhanh điện áp tại các điểm yếu trong

mạng. có thể lắp đặt ở giữa các đường dây kết

nối hoặc trong các khu vực tải.

SVC có thể cải thiện vận hành của hệ

thống điện và khách hàng tiêu thụ bằng nhiều

cách như sau.

Ứng dụng hệ thống truyền tải [3]:

-

Ổn định điện áp trong điều kiện hệ thống

điện thiếu công suất.

Giảm tổn thất điện năng trong đường dây

truyền tải.

Tăng khả năng truyền tải để giảm, trì hoãn,

hoặc loại bỏ sự cần thiết cho đường dây

mới.

Hình 2.2 Võng điện áp nguyên nhân do sự cố.

(a) dạng sóng giá trị hiệu dụng võng điện áp, (b)

dạng sóng võng điện áp [2].

-

Bổ sung công suất và ổn định dao động điện

áp

Cải thiện điện áp và ổn định điều khiển

Là sự giảm điện áp hoặc dòng điện hiệu dụng

còn lại trong khoảng 0.1 – 0.9 pu trong thời gian

từ 0.5 chu kỳ đến 1 phút như mô tả qua hình

2.2. Võng điện áp thường kèm theo sự cố trên hệ

thống nhưng cũng có thể do sự đóng điện của

Ứng dụng hệ thống phân phối [3]:

-

Ổn định điện áp tại cuối đầu nhận của các

đường phân phối dài;

-

Giảm công suất phản kháng hấp thụ từ lưới Hình 3.2 Đặc tuyến V-I tổng hợp của SVC và hệ

điện chính dẫn đến tổn thất thấp hơn và

giảm giá thành.

Cân bằng tải không đối xứng.

Làm giảm sự dao động điện áp và nhấp

nháy ánh sáng.

thống điện

Xem xét các đặc tính V-I của hệ thống điện

tương ứng với ba giá trị khác nhau cho điện áp

cung cấp tương đương E_th⁽¹⁾, E_th⁽⁰⁾, E_th⁽²⁾. Đường

-

(0)

đặc tuyến giữa E_th- tương ứng với hệ thống

điện đang hoạt động trong điều kiện bình

thường, qua đặc tính bù tĩnh tại điểm này

V_A=V⁽⁰⁾và I_S= 0. Hai trường hợp được xác định

bổ sung [3]:

(1)

- Nếu điện áp hệ thống tăng lên đến E_thtiếp

theo giảm nhu cầu phụ tải, điện áp tại thiết bị

đầu cuối của mạch tăng lên V⁽¹⁾, khi mạch

không có thiết bị bù tĩnh kết nối vào, nếu

công suất phản kháng được hấp thụ một dòng

cảm ứng I_s=I_Bđược kết nối tại điểm kết nối

cuối, điểm vận hành sẽ thay đổi đến B và

điện áp giảm đến V_B>V_A(tham khảo giá trị).

(2)

Hình 3.1 Sơ đồ bộ bù tĩnh SVC

Bao gồm các thành phần:

- Nếu điện áp cung cấp giảm xuống đến E_th

,

- Thyristor-controlled reactor (TCR), nó điều

khiển liên tục điện cảm, giữa L = 0 (khi

thyristor đóng) và giá trị điện cảm L= Max

(khi thyristor dẫn hoàn toàn).

tiếp theo tăng nhu cầu phụ tải, điện áp tại

thiết bị đầu cuối của mạch tăng lên V⁽²⁾, khi

không có thiết bị bù tĩnh, nếu SVC phát ra

dòng dung được kết nối vào, điểm vận hành

sẽ chuyển đến điểm C và điện áp trở thành

V_C<V_A, nhưng V_C>V⁽²⁾.

- Thyristor-switched capacitors (TSC), nó là

công tắc đóng mở thiết bị cố định. Bằng cách

điều khiển thích hợp của TCR, một miền

kiểm soát liên tục của SVC giữa điện cảm lớn

nhất và điện dung lớn nhất đạt được. Sự kết

hợp này cho phép SVC hấp thụ / tạo ra chính

xác tổng công suất phản kháng cần thiết.

3.3 Bù tĩnh đồng bộ STATCOM

- Bộ lọc cố định, được sử dụng đặc biệt cho

việc lọc sóng hài thấp, được tạo ra bởi TCR.

Bao gồm các tụ điện trong bộ lọc sinh ra

công suất phản kháng.

3.2 Đặc tuyến V-I của SVC

Hình 3.3 Sơ đồ tổng quát của STATCOM

Nguyên lý hoạt động bao gồm việc duy trì

nạp vào tụ điện một điện áp DC V_dcvà tạo ra

qua cầu chuyển đổi, sử dụng năng lượng lưu trữ

trong tụ điện, điện áp AC V₀trong pha với điện

áp hệ thống V. Sự chênh lệch giữa biên độ của

các điện áp này qua điện kháng cảm ứng X_T

nguyên nhân là dòng điện cảm ứng chạy qua.

Độ lớn của điện áp này sự khác nhau được xác

định độ lớn của dòng phản kháng, và cực tính

xác định hướng của góc pha (+ hoặc – 90⁰) dòng

điện phản kháng liên quan đến điện áp hệ thống.

STATCOM sẽ "giám sát" bởi mạng lưới điện

như là một thành phần phản kháng của sự thay

đổi dòng điện phản kháng. Dòng phản kháng

được tạo ra bởi STATCOM chỉ phụ thuộc vào

biên độ điện áp AC V₀, giả sử rằng tụ điện được

nạp. Giá trị của điện áp V₀tương ứng với

voltage V_dccủa tụ điện DC [2].

Hình 3.4 Đặc tuyến V-I của (a) STATCOM và

(b) SVC

- SVC và STATCOM giống nhau trong chức

năng và khả năng bù của chúng, nhưng

nguyên lý hoạt động cơ bản là khác nhau [3].

- Chức năng STATCOM là kết nối song song

đồng bộ nguồn áp.

- Một SVC kết nối song song có tác dụng điều

khiển dẫn nạp công suất phản kháng.

- Tất cả sự khác nhau là STATCOM có đặc

điểm chức năng tốt hơn, vận hành tốt hơn, và

được áp dụng rộng rãi hơn đối với SVC đạt

được.

3.4 So sánh SVC và STATCOM

- Trong dãy đặc tuyến hoạt động đặc tuyến V-I

và chức năng khả năng bù của STATCOM và

SVC là tương tự nhau.

- Liên quan đến giới hạn hoạt động phi tuyến,

STATCOM có thể cung cấp đầy đủ dòng

dung ngõ ra tại một giá trị bất kỳ của hệ

thống trong khi đó SVC chỉ có thể cung cấp,

phần nhỏ dòng điện ngõ ra khi điện áp hệ

thống giảm.

- STATCOM hiệu quả hơn SVC khi hỗ trợ

cung cấp điện áp giảm lớn, trong khi điện áp

vượt ra khỏi bên ngoài đặc tuyến hoạt động

của thiết bị bù, khả năng STATCOM duy trì

đầy đủ dòng dung ngõ ra tại thời điểm điện

áp thấp, nó hiệu quả hơn SVC trong việc cải

thiện ổn định dao động thoáng qua.

- Thời gian đáp ứng và độ rộng giải điện áp

điều chỉnh của STATCOM tốt hơn nhiều so

với SVC.

- Trong trường hợp hệ thống cần cung cấp

công suất tác dụng STATCOM nó có thể

nhận công suất từ nguồn dự trữ DC của nó và

phát nguồn xoay chiều lên hệ thống, trong

khi đó SVC không có khả năng này [3].

IV. SƠ ĐỒ LƯỚI ĐIỆN

4.1 Lưới điện khu vực trạm biến áp 110kV

Intel

Từ sơ đồ lưới điện khu vực trạm 110kV

Intel được cung cấp điện đường dây 110kV Cát

Lái (171)- Thủ Đức Đông- Intel (171 và 177),

đường dây 2 từ trạm Cát Lái (172)- Thủ Đức

Đông- Tăng Nhơn Phú- Intel (172 và 174),

(b)

đường dây 3 từ trạm Thủ Đức 220kV (178)

– Thủ Đức Bắc – Intel (176 và 177).

Sơ đồ lưới điện cung cấp nguồn cho trạm

biến áp 110kV Intel được trình bày trong hình

Lưới điện khu vực cung cấp cho trạm Intel 4.1 dưới đây

có nhiều nhánh rẽ T rất phức tạp nguy cơ xẩy ra

sự cố cao.

Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện khu vực cung cấp điện cho trạm biến áp Intel

4.2 Giải pháp nâng cao độ tin cậy cho lưới

điện

Từ các thông số của hệ thống điện khảo sát,

ta tiến hành xây dựng mô hình trên phần mềm

Matlab để tiến hành khảo sát và thử nghiệm các

đề xuất để nâng cao chất lượng điện năng của hệ

thống, trong đó chất lượng điện áp là một trong

những thông số quan tâm hàng đầu.

Hình 4.6 trình bày biên độ điện áp của các

bus trong điều kiện vận hành được lựa chọn sao

cho điện áp tại các bus nằm trong giới hạn cho

phép.

Hình 4.2 Biên độ điện áp trong điều kiện ổn

định.

Để đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống quả giữa việc gắn các thiết bị này tại bus Intel

khi có các điều kiện vận hành khác nhau ta tiến để nâng cao chất lượng điện năng. Hình 4.3 là

hành các kịch bản sau:

kết quả mô phỏng trong miền thời gian của

trường hợp này trong đó đường màu xanh nước

biển là đáp ứng của hệ thống khi chưa có gắn

thiết bị bù, đường màu xanh lá là khi gắn SVC

và đường màu đỏ là trường hợp gắn STATCOM

dạng sóng được mô phỏng các nút trong trường

hợp này như sau:

4.3 Tăng tải tại bus của Intel

Giả sử tại bus Intel ta đóng thêm 1 tải động

có công suất tương đương 20% của trạm hiện tại

và tiến hành mô phỏng. Kết quả được cho trong

hình 4.3.

Hình 4.3 Biên độ điện áp sau khi tăng tải đột

ngột thêm 20%

Hình 4.5 Dạng sóng điện áp tại nút Thủ Đức

trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Dễ dàng nhận thấy rằng, điện áp tại các bus

giảm xuống, trong đó điện áp tại bus Intel là

thấp nhất khoảng 0.915 p.u. điều này sẽ ảnh

hưởng đến quá trình sản xuất củng như chất

lượng sản phẩm của khu công nghệ cao và nhà

máy Intel. Với kết quả này, tác giả đề xuất

gắn thêm thiết bị bù để nâng cao điện áp tại

bus Intel nói riêng, cũng như các bus trong

toàn hệ thống nói chung.

Hình 4.6 Dạng sóng điện áp tại nút Cát Lái

trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.4 Biên độ điện áp khi bù trường hợp tăng

tải đột ngột thêm 20%

Như phân tích ở trên, thiết bị bù SVC và

STATCOM là 2 thiết bị phù hợp cho việc nâng

cao ổn định điện áp cho hệ thống, vì vậy trong

nghiên cứu này, tác giả sẽ tiến hành so sánh kết

Hình 4.7 Dạng sóng điện áp tại nút Thảo Điền

trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.8 Dạng sóng điện áp tại nút Intel trường

hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.12 Dạng sóng điện áp nút Linh Trung 1

trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.9 Dạng sóng điện áp tại nút Thủ Đức

Bắc trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.13 Dạng sóng điện áp nút Linh Trung 2

trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

4.4 Ngắn mạch tại 1 trong 2 đường dây

220kV Thủ Đức và Cát Lái

Khi ngắn mạch tại 1 trong 2 đường dây

220kV Thủ Đức và Cát Lái được mô phỏng theo

Hình 4.14 với đặc tuyến đường màu xanh mô tả

dạng sóng chưa khi đưa STATCOM vào hệ

thống khi sự cố duy trì 2 chu kỳ, điện áp hệ

thống sụt giảm rất lớn. Trong trường hợp khi có

STATCOM tại nút thanh cái Intel điện áp các

nút được mô tả theo đường đặc tuyến màu đỏ đã

được bù vào đáng kể kết qủa như sau.

Hình 4.10 Dạng sóng điện áp nút Thủ Đức

Đông trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.11 Dạng sóng điện áp nút Tăng Nhơn

Phú trường hợp tăng tải đột ngột thêm 20%

Hình 4.14 Dạng sóng điện áp tại nút Thủ Đức

khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.18 Dạng sóng điện áp tại nút Thủ Đức

Bắc khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.15 Dạng sóng điện áp tại nút Cát

Lái khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.19 Dạng sóng điện áp tại nút Linh Trung

1 khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.16 Dạng sóng điện áp tại nút Thảo Điền

khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.20 Dạng sóng điện áp tại nút Thủ Đức

Đông khi sự cố đường dây 220kV

Hình 4.17 Dạng sóng điện áp tại nút Intel khi sự

cố đường dây 220kV

Hình 4.21 Dạng sóng điện áp tại nút Linh Trung

2 khi sự cố đường dây 220kV

Từ kết quả mô phỏng 2 trường hợp nói trên

và so sánh dạng sóng điện áp thu được giữa

SVC và STATCOM khi sự cố lưới điện khu

vực trạm biến áp 110kV Intel, kết quả cho thấy

việc sử dụng STATCOM cho kết quả bù điện áp

tại các nút tốt hơn so với SVC. Do đó chọn giải

pháp lắp đặt thêm thiết bị STATCOM là phù

hợp trong trường hợp này.

KẾT LUẬN

Từ lưới điện khu vực trạm biến áp 110kV

Bài báo đã mô phỏng và so sánh trường

hợp trường hợp sử dụng thiết bị bù SVC và

STATCOM, kết quả khi sử dụng STATCOM

cho điện áp ổn định nhanh hơn và độ sụt giảm

điện áp ít hơn so với dùng SVC.

Intel bài báo đã đưa ra hai trường hợp dao động

điện áp gồm: thay đổi tải lớn và sự cố đường

dây để đánh giá, từ kết quả mô phỏng đánh giá

so sánh khi không có thiết bị bù điện áp giảm

thấp xuống dưới mức cho phép, với trường hợp

có thiết bị bù là SVC hoặc STATCOM thì điện

áp giảm ít hơn và được phục hồi trạng thái ổn

định nhanh hơn.

Từ đó đề xuất sử dụng STATCOM để cải

thiện ổn định điện áp tại trạm biến áp 110kV

Intel là phù hợp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Prabha Kundur (Canada, Convener), John Paserba (USA, Secretary), Venkat Ajjarapu (USA),

Göran Andersson (Switzerland), Anjan Bose (USA), Claudio Canizares (Canada), Nikos

Hatziargyriou (Greece), David Hill (Australia), Alex Stankovic (USA), Carson Taylor (USA),

Thierry Van Cutsem (Belgium), and Vijay Vittal (USA), " Definition and Classificationof

Power System Stability" IEEE transactions on power systems, page (1387-1401) vol. 19, no. 2,

may 2004.

[2] Roger C. Dugan, Mark F. Mcgranaghan, Surya Santoso, H. Wayne Beaty "Electrical Power

Systems Quality, Second Edition". McGraw-Hill (2004), chapter 2, page 19-31.

[3] Mircea Eremia, Chen-Ching Liu, Abdel-Aty Edris."Advanced solutions in power systems hvdc,

facts, and Artificial Intelligence" Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey,

2016, chapter 5, page (271-293), chapter 8, page (459-476).

Ý kiến của cán bộ hướng dẫn khoa học

Học viên thực hiện

Phạm Hồng Thái

TS. Nguyễn Nhân Bổn

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bảnquyềntác phẩm đã được bảo hộ bởiLuậtxuất bảnvà LuậtSở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm

cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.