Nâng cao độ ổn định hệ thống điện truyền tải cao áp có tích hợp thiết bị bù Statcom
NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRUYỀN TẢI CAO ÁP CÓ
TÍCH HỢP THIẾT BỊ BÙ STATCOM
STABILITY ENHANCEMENT OF POWER SYSTEM INTEGRATED
STATCOM
Nguyen Thi Mi Sa1, Nguyen Tuan Vu2
1Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
2 Học viên Cao học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Để nâng cao chất lượng điện năng và ổn định điện áp cho hệ thống điện đã có rất nhiều công
trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng. Tuy nhiên các thiết bị
bù đó chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột
ngột về nhu cầu công suất phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible
Alternating Current Transmission Systems – FACTS) đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng
nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc. Bài
báo này nghiên cứu về những vấn đề trên nhằm đưa ra vị trí lắp đặt các thiết bị bù đồng bộ tĩnh
(Static Synchronous Compensator – STATCOM) thích hợp cho lưới chuẩn IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) 14 nút. Quá trình nghiên cứu tính toán sử dụng sơ đồ hệ
thống điện 14 nút chuẩn IEEE và việc tính toán bù công suất phản kháng tập trung chủ yếu vào
các khu vực có mật độ tải dày đặc và có thể gia tăng đột biến trong các chế độ làm việc khác
nhau.
Từ khóa: Thiết bị bù đồng bộ tĩnh (STATCOM); Nâng cao ổn định; Hệ thống điện; FACTS.
ABSTRACT
In order to improve the voltage quality and voltage stability in power system, lots of research
into the application of reactive voltage compensator have been conducted. However, they have
not met the requirements for fast reactions when an abrupt change of reactive power demand
takes place in the system. The FACTS devices can satisfy these requirements as well as the
optimal compensating capacity for a power system in any working condition mode. The purpose
of this dissertation it to study the issues mentioned above and show the appropriate location to
install STATCOM in the standard IEEE-14 bus power system. In this paper, the graph of IEEE-
14 bus power system is used. Also the calculation of reactive voltage compensation mainly
focuses on areas with heavy load and probable sudden increase in voltage in different working
conditions.
Keywords:
Static Synchronous Compensator (STATCOM), Stability Enhancement; Power grid; FACTS.
khác nhau) 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
1.GIỚI THIỆU
Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng
để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định
điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả
thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể
các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi
làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng
cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà
nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể
phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ
điều khiển được, gọi là sụp đổ điện áp.
Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định
và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng
đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi
phụ tải tăng bất thường và đột biến.
Từ sơ đồ cấu tạo ta có mạch điện tương
đương như sau:
Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn
định và sụp đổ điện áp mà bài báo này đưa ra
là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc
nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh
hoạt FACTS (Flexible Alternating Current
Transmission System). Với độ nhanh nhạy,
chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị
FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và
nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ
Hình 2. Mạch điện tương đương
Với rp là điện trở chuyển mạch của bộ VSC,
V2 là điện áp đầu ra của STATCOM, rs, xs lần
lượt là điện trở và điện kháng của MBA và
đường dây, Iq dòng điện phản kháng, V1 là
điện áp lưới.
thống.
Thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static
Synchrnous Compensator) là một thiết bị
chuyển đổi nguồn áp (Voltage Source
Converter - VSC), nó chuyển đổi nguồn điện
áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù
công suất phản kháng cho hệ thống.
STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều
chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá trị cài
đặt (Vref ) thông qua việc điều chỉnh biên độ
và góc pha của điện áp rơi giữa STATCOM và
hệ thống.
STATCOM là một bộ biến đổi điện áp
(VSC) công suất lớn [1], [2] có thể điều chỉnh
điện áp bằng cách thay đổi công suất phản
kháng trong một đường dây truyền tải dài. Các
mô hình của bộ điều khiển chuyển đổi dựa trên
khi hai hoặc nhiều VSC gắn với một liên kết.
Các vị trí tối ưu của STATCOM trong đường
truyền cho các lợi ích cao nhất có thể trong
điều kiện bình thường và sẽ được nghiên cứu.
Các yêu cầu tối ưu vị trí lắp đặt STATCOM
linh hoạt trong hệ thống truyền dẫn bằng cách
tính toán cho điều kiện tải khác nhau sẽ được
chứng minh. Cách tiếp cận để giảm chấn dao
động liên vùng trong một mạng lưới điện lớn (1)
Ta có P và Q trao đổi giữa 2 nguồn [3][4]:
P = ꢁ ꢁ ꢄꢅꢆ ꢇ
ꢂ
ꢃ
ꢈ
Q = ꢁ (ꢉ -ꢉ cos ꢀ)
sử dụng nhiều STATCOM sẽ được đưa ra.
ꢂ
(2)
ꢊ
ꢋ
ꢈ
2. MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT
Với ꢀ là góc lệch pha giữa V1 và V2
ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ STATCOM
Khi điện áp của STATCOM và hệ thống cùng
pha (ꢀ = 0), từ công thức (1), (2) ta suy ra:
Hình 1 thể hiện cấu tạo của STATCOM
gồm máy biến áp ghép, 1 bộ chuyển đổi nguồn
áp (VSC) và bộ nguồn một chiều DC.
(3)
P = 0
ꢁ
(4)
ꢂ
Q = (ꢉ -ꢉ )
ꢊ
ꢋ
ꢈ
Bằng cách điều khiển điện áp STATCOM (V2)
có giá trị lớn hơn điện áp hệ thống (V1) khiến
dòng công suất phản kháng chạy từ
STATCOM vào hệ thống qua đó nâng cao
điện áp hệ thống lên. Ngược lại, nếu điều
khiển điện áp STATCOM (V2) thấp hơn điện
áp hệ thống (V1) khiến dòng công suất phản
kháng chảy từ hệ thống vào STATCOM do
vậy hạn chế quá áp trên lưới điện.
3. ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ
THỐNG ĐIỆN IEEE 14 BUS CHUẨN
Hình 1. Cấu tạo STATCOM.
Hình 3 mô tả sơ đồ nhất thứ hệ thống điện
IEEE 14 bus gồm một máy phát, 14 nút, 3 máy
biến áp với 3 cấp điện áp là 69kV, 13.8kV,
18kV [5].
Tỉ số
biến
áp
Nút Nút
R(p.u)
X(p.u)
B(p.u)
đi
đến
9
9
10 0.03181 0.0845 0.00
14 0.1271 0.27038 0.00
1
1
1
1
1
10 11 0.08205 0.19207 0.00
12 13 0.2209 0.19988 0.00
13 14 0.17093 0.34802 0.00
Dựa trên các thông số đã cho, ta tiến hành mô
hình hệ thống điện 14 bus trong phần mềm
PSAT. Kết quả được cho trong hình 4 như sau:
Hình 3. Sơ đồ đơn tuyến hệ thống IEEE 14
bus.
Bảng 1. Thông số các đường dây
Tỉ số
biến
áp
Nút Nút
R(p.u)
X(p.u)
B(p.u)
đi
đến
1
1
2
2
2
3
4
4
4
5
6
6
6
7
7
2
5
3
4
5
4
5
7
9
6
0.01938 0.05917 0.0528 1
0.05403 0.22304 0.0492 1
0.04699 0.19797 0.0438 1
0.05811 0.17632 0.0374 1
0.05695 0.17388 0.034
1
0.06701 0.17103 0.0346 1
0.01335 0.04211 0.0128 1
Hình 4. Hệ thống 14 bus trong phần mềm
PSAT
0.00
0.00
0.00
0.20912 0.00
0.55618 0.00
0.25202 0.00
0.978
Tiến hành tính toán mô phỏng cho hệ thống
được các giá trị của trị riêng như trong Hình 5.
Điều này cho thấy hệ thống ổn định vì các
nghiệm được bao quanh bởi vòng tròn có bán
kính bằng 1.
0.969
0.932
11 0.09498 0.1989 0.00
12 0.12291 0.25581 0.00
13 0.06615 0.13027 0.00
1
1
1
1
1
8
9
0.00
0.00
0.17615 0.00
0.11001 0.00
Reactive Power Profile
1
0.8
0.6
0.4
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Bus
#
Hình 8. Phân bố công suất phản kháng của hệ
thống 14 bus.
-1
-0.5
0
0.5
1
Real
Từ kết quả mô phỏng này dễ dàng nhận
thấy rằng điện áp ở bus 14 là thấp nhất.
Hình 5. Trị riêng của hệ thống 14 bus.
Tiếp theo ta tiến hành tính toán phân bố công
suất cho hệ thống và thu được các kết quả như
trong Hình 6, Hình 7 và Hình 8. Trong đó,
Hình 6 biểu diễn giá trị điện áp tại các bus và
các giá trị điện áp này nằm trong phạm vi cho
phép là trên 5% [5][6].
Tiến hành mô phỏng với trường hợp sự cố
hở mạch trên đường dây từ bus 2 đến bus 4 tại
thời điểm 2 giây để khảo sát đáp ứng tải của hệ
thống nói chung và của bus 14 nói riêng ta
nhận thấy rằng điện áp của bus này giảm
xuống dưới 5% như thể hiện trong hình 10 [7].
Voltage Magnitude Profile
1.2
1.15
1.1
1.05
1
0.95
0.9
0.85
0.8
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Bus
#
Hình 6. Điện áp của hệ thống 14 bus.
Real Power Profile
4
3
2
1
0
-1
-2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Bus
#
Hình 9. Hệ thống 14 bus trong phần mềm
PSAT khi sự cố đường dây 2, 4.
Hình 7. Phân bố công suất tác dụng của hệ
thống 14 bus.
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
Hình 10. Đáp ứng điện áp tại bus 14 khi đứt
đường dây giữa bus 2 và bus 4.
Có thể dễ dàng nhận thấy rằng sau khi
gắn STATCOM vào thì biên độ điện áp của
không những bus 14 được cải thiện mà điện áp
của các bus khác cũng được tăng lên[8].
Theo như kết quả mô phỏng cho thấy, cần
phải cải thiện biên độ điện áp tại bus 14 để
đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống.
Voltage Magnitude Profile
Để làm được điều này, như đã đề cập ở
trên, STATCOM là một trong những thiết bị
phù hợp. Với lý do đó, tác giả tiến hành lắp đặt
thiết bị STATCOM tại bus 14 và tiến hành mô
phỏng để đánh giá hiệu quả trong hình 11.
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Bus
#
Hình 13. Biên độ điện áp của 14 bus trước và
sau khi gắn STATCOM.
Với STATCOM, ngoài việc cải thiện
được biên độ điện áp thì thiết bị còn có khả
năng giảm dao động quá độ nhằm nâng cao độ
ổn định của hệ thống. Các kết quả mô phỏng
được trình bày trong hình 14 sau đây cho thấy
rõ điều đó.
Cụ thể là biên độ điện áp ở các bus
được cải thiện, đặc biệt là độ dao động điện áp
tại các bus cũng giảm.
Hình 11. Hệ thống 14 bus khi lắp đặt
1.075
STATCOM tại bus 14.
1.07
1.065
1.06
1.055
1.05
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
a. Đáp ứng điện áp tại bus 1.
Hình 12.Thông số cài đặt cho STATCOM
trong PSAT
1.065
1.06
Kết quả về biên độ điện áp tại 14 bus
được so sánh với giá trị điện áp trước khi gắn
STATCOM được thể hiện trong hình 13.
1.055
1.05
Trong đó màu đỏ là các giá trị sau khi
gắn STATCOM và màu xanh là trước lúc gắn
STATCOM.
1.045
1.04
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
b. Đáp ứng điện áp tại bus 2.
1.05
1.04
1.03
1.015
1.01
1.02
1.01
1
1.005
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
0.995
g. Đáp ứng điện áp tại bus 7
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
1.1
1.09
1.08
1.07
1.06
c. Đáp ứng điện áp tại bus 3
1.02
1.01
1
0.99
0.98
0.97
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
h. Đáp ứng điện áp tại bus 8
0.96
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
1.03
1.02
1.01
1
d. Đáp ứng điện áp tại bus 4
1.005
1
0.99
0.98
0.97
0.995
0.99
0.985
0.98
0.975
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
i. Đáp ứng điện áp tại bus 9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
1.04
1.02
1
e. Đáp ứng điện áp tại bus 5
1.15
1.1
1.05
1
0.98
0.96
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
0.95
j. Đáp ứng điện áp tại bus 10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
f. Đáp ứng điện áp tại bus 6
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày việc cải thiện sự
ổn định động của một hệ thống điện chuẩn
IEEE 14 bus. Để cung cấp công suất phản
kháng thích hợp cho hệ thống, thiết bị bù đồng
bộ tĩnh STATCOM đã được sử dụng và kết
nối tại bus yếu nhất của hệ thống.
1.055
1.05
1.045
1.04
1.035
1.03
1.025
Các kết quả mô phỏng khi có sự cố đứt tuyến
dây từ bus 2 đến bus 4 được giả lập để xác
định trạng thái làm việc của hệ thống. Các kết
quả mô phỏng được thực hiện bằng công cụ
PSAT chạy trên phần mềm MATLAB. Trong
đó có so sánh trong miền thời gian về đáp ứng
của điện áp khi sự cố xảy ra. Có thể kết luận từ
kết quả mô phỏng rằng STATCOM được đề
xuất có những đặc điểm đáp ứng tốt nhất để
cải thiện điện áp trên hệ thống cũng như giúp
tăng khả năng đáp ứng làm giảm dao động
giúp hệ thống nhanh chóng ổn địn.
1.02
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
k. Đáp ứng điện áp tại bus 11
1.04
1.03
1.02
1.01
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
l. Đáp ứng điện áp tại bus 12
1.05
1.04
1.03
1.02
1.01
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
m. Đáp ứng điện áp tại bus 13
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
time (s)
n. Đáp ứng điện áp tại bus 14
Hình 14. Đáp ứng của giá trị điện áp trong
miền thời gian khi có STATCOM (đường màu
đỏ) và không có STATCOM (đường màu xanh)
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
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở 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.
9 trang
09/01/2024
19140
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nâng cao độ ổn định hệ thống điện truyền tải cao áp có tích hợp thiết bị bù Statcom", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nang_cao_do_on_dinh_he_thong_dien_truyen_tai_cao_ap_co_tich.pdf
