Đề tài Ứng dụng thiết bị statcom để nâng cao độ ổn định điện áp hệ thống điện Việt Nam

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 106 ỨNG DỤNG THIẾT BỊ STATCOM ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM APPLICATION STATCOM DEVICE FOR ENHANCEMENT VOLTAGE STABILITY OF VIETNAM’S POWER SYSTEM SVTH: Lê Đức Hiền, Trần Phương Châu, Trần Văn Dũng, Hà Đình Nguyên Lớp 05D1B, Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa GVHD: PGS. TS. Đinh Thành Việt Khoa Điện, Trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam 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 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 FACTS thích hợp cho hệ thống điện Việt Nam. Trong quá trình phân tích bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng vào yếu tố kỹ thuật. Quá trình nghiên cứu tính toán sử dụng sơ đồ hệ thống điện Việt Nam tháng 12 năm 2010 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. Các kết quả tính toán trào lưu công suất hệ thống, phân tích đặc tính P-V, Q-V được khảo sát qua phần mềm PSS/E-30. ABSTRACT In order to improve the voltage quality and voltage stability in VietNam’s 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 paper it to study the issues mentioned above and show the appropriate location to install FACTS in the power system in VietNam. The analysis is based on technical specifications without taking into account of economic facts. In this paper, the graph of VietNam’s power system dated December 2010 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. The results of PV, QV curve analysis are examine by using the PSS/E-30. 1. Đặt vấn đề 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 các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ 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 thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể 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 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 107 không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. 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 thống. 2. Mô hình và nguyên lý hoạt động của thiết bị STATCOM STATCOM (Static Compensator) là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSC_Voltage Source Converter), 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 (V ref ) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi giữa STATCOM và hệ thống. Bằng cách điều khiển điện áp của STATCOM cùng pha với điện áp hệ thống nhưng có biên độ lớn hơn 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 của STATCOM thấp hơn điện áp của hệ thống, thì dòng công suất chảy từ hệ thống vào STATCOM do vậy hạn chế quá điện áp trên lưới điện. 3. Ứng dụng STATCOM vào hệ thống lưới điện 500KV và 220KV Việt Nam Hình 2: Đặc tính P-V tại các nút 500kV Ô Môn, Nhà Bè, Phú Lâm, Sông Mây, Đăk Nông, Di Linh và Tân Định trong chế độ làm việc bình thường và sự cố N-1 (phần mềm PSS/E) Filter -+ C Vi, I, Vref V, Hình 1. Mô hình STATCOM Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 108 Hệ thống lưới điện 500kV và 220kV Việt Nam (số liệu: 12/2010) được đưa vào khảo sát ở bài báo này. Việc khảo sát tập trung chủ yếu tại các khu vực có mật độ tải lớn, dày đặc và có khả năng tăng tải bất thường từ đó tính toán lắp đặt STATCOM. Phương pháp nghiên cứu là xây dựng đường cong P-V, Q-V và phân tích trào lưu công suất của hệ thống dưới hai chế độ làm việc khác nhau: chế độ bình thường (basecase model), chế độ sự cố N-1 (contingency N-1). Ta xây dựng các đặc tính P-V của hệ thống điện Việt Nam thông qua phương pháp phân tích, tính toán trào lưu công suất truyền tải với lượng công suất truyền từ miền Bắc (PTC-1) cung cấp cho nhu cầu phụ tải tăng dần ở khu vực miền Trung và Nam (PTC-2, PTC-3, PTC-4). Hình 3: Đặc tính P-V tại các nút 220kV Châu Đốc, Cao Lãnh, Trà Vinh, Kiên Lương và Bạc Liêu trong chế độ bình thường và sự cố N-1(phần mềm PSS/E) Theo đặc tính P-V ta thấy khi công suất truyền tải gia tăng trên 568.750 MW thì hiện tượng sụp đổ điện áp sẽ xuất hiện. Tại biên độ giới hạn ổn định thì điện áp của nút 500kV Ô Môn là thấp nhất (0.882pu), các nút 220kV có điện áp thấp nhất là: Châu Đốc (0.797pu), Kiên Lương (0.858). Với giá trị công suất truyền tải là 568.750 MW và hệ thống đang đứng tại điểm sụp đổ điện áp, nếu có bất kì một sự cố nào làm các máy cắt đường dây 500kV khu vực miền Nam tác động thì hệ thống sẽ bị tan rã. Mặt khác xây dựng đặc tính Q-V của các nút trong hệ thống ta thấy nút 500kV Ô Môn, 220kV Châu Đốc là những nút có độ dự trữ ổn định thấp nhất. Theo đặc tính P-V, Q-V đã xây dựng ta thấy cần bù công suất phản kháng cho các nút có điện áp giảm mạnh (theo đặc tính P-V) và có độ dự trữ ổn định thấp (theo đặc tính Q-V). Điện áp tại các nút đề nghị giới hạn như sau: Điện áp các nút 500kV: 0.95pu đến 1.05pu Điện áp các nút 220kV: 0.90pu đến 1.1pu Nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống ngay cả trong chế độ sự cố (contingency N-1) ta đặt STATCOM tại những nút có điện áp giảm mạnh và có nguy cơ Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 109 sụp đổ điện áp. Các nút có khả năng mất ổn định điện áp nhất: Hình 4: Đặc tính Q-V của nút 500kV Ô Môn tương ứng với các chế độ làm việc của hệ thống (phần mềm PSS/E) Hình 5: Đặc tính Q-V của nút 220kV Châu Đốc tương ứng với các chế độlàm việc của hệ thống (phần mềm PSS/E) Chế độ bình thường: Các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm. Các nút 220kV: Châu Đốc, Kiên Lương và Cao Lãnh. Chế độ sự cố N-1: Các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm, Di Linh, HT-NQ1, ĐN-HT2. Các nút 220kV: Châu Đốc, Kiên Lương, Thốt Nốt, Cao Lãnh và Trà Vinh Từ kết quả trên ta đưa ra 3 phương án lựa chọn vị trí đặt STATCOM là: Phương án 1: Các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm, Di Linh, Nho Quan Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 110 Các nút 220kV: Châu Đốc Phương án 2: Các nút 500kV: Nhà Bè, Tân Định, Di Linh, Hà Tĩnh Các nút 220kV: Kiên Lương Phương án 3: Các nút 500kV: Ô Môn, Nhà Bè, Đà Nẵng, Sơn La Các nút 220kV: Nho Quan Sau khi đặt STATCOM tại từng vị trí theo 3 phương án trên ta lựa chọn được phương án tối ưu nhất: Tại các nút 500kV: Ô Môn, Phú Lâm, Di Linh, Nho Quan. Tại các nút 220kV: Châu Đốc. Phân tích dòng công suất huy động cho thấy công suất truyền tải sẽ rất lớn từ PleiKu-Đăk Nông-Phú Lâm (572.8 MW) và PleiKu-Tân Định-Phú Lâm (649.6 MW), trong trường hợp sự cố bất kì một đường dây thì đường dây còn lại sẽ tải lượng công suất 134% so với bình thường và đường dây sẽ làm việc trong tình trạng quá tải. Như vậy giới hạn công suất truyền tải trên đường dây sẽ là 568.75 MW. Với giới hạn công suất này ta xác định được giới hạn bù của các STATCOM đặt tại các nút trên như bảng 1: Bảng 1: Dải điều chỉnh bù công suất phản kháng của các thiết bị STATCOM Sau khi đặt STATCOM vào những vị trí ở trên ta có các đặc tính P-V mới như sau: Hình 6. Đặc tính P-V của các nút 500kV Ô Môn, Đăk Nông, Nhà Bè, Phú Lâm, Tân Định, Sông Mây, Di Linh trong chế độ bình thường và sự cố N-1(phần mềm PSS/E) Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 111 Hình 7: Đặc tính P-V của các nút 220kV Châu Đốc, Kiên Lương, Trà Vinh, Cao Lãnh và Bạc Liêu trong chế độ làm việc bình thường và sự cố N-1 (phần mềm PSS/E) Do đặc điểm nổi bật của STATCOM là phản ứng rất nhanh nhạy và linh hoạt nên tại các nút đặt STATCOM coi như công suất phản kháng được đáp ứng đủ trong mọi chế độ làm việc. Như vậy sau khi ta đặt thiết bị STATCOM tại các nút ở trên thì biên độ giới hạn ổn định điện áp được cải thiện từ 568.750MW lên 875.00MW và điện áp của hệ thống luôn được giữ ổn định trong mọi chế độ làm việc của hệ thống. 4. Kết luận Từ các kết quả tính toán ở trên ta rút ra kết luận rằng: Sau khi lắp đặt STATCOM tại những vị trí trên thì biên độ ổn định điện áp của hệ thống tăng lên: Điện áp của các nút trong hệ thống được cải thiên đáng kể sau khi lắp đặt STATCOM cụ thể như: Nút Cấp điện áp Chưa có STATCOM Có STATCOM Điện áp (pu) Điện áp (pu) Ô Môn 500KV 0.882 0.923 Pleiku 500KV 0.899 0.950 Phú Lâm 500KV 0.92 0.967 Chế độ Chưa có STATCOM Có STATCOM P Bình thường 568.750MW 875.0MW 306.250MW Hư máy biến áp 500kV Ô Môn 100MW 287.50MW 187.50MW Đứt đường dây 500kV Di Linh- Tân Định 178.50MW 668.25MW 489.75MW Đứt đường dây 500kV Đăk Nông- Phú Lâm 318.50MW 762.50MW 444.00MW Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 112 Tân Định 500KV 0.939 0.958 Châu Đốc 220KV 0.797 0.851 Kiên Lương 220KV 0.850 0.883 Độ dự trữ ổn định của hệ thống tại các nút được đảm bảo: Nút Cấp điện áp Chưa có STATCOM Có STATCOM Độ dự trữ (MVAr) Độ dự trữ (MVAr) Pleiku 500KV 699.30MVAr 2563.46MVAr Dốc Sỏi 500KV 871.11MVAr 2435.20MVAr Yaly 500KV 918.00MVAr 2500.22MVAr Phú Lâm 220KV 168.92MVAr 617.34MVAr Hệ thống điện Việt Nam làm việc ổn định và tin cậy hơn khi lắp đặt STATCOM ở những vị trí đã chọn ở trên, lúc sự cố N-1 xảy ra STATCOM tự động bù công suất phản kháng với dung lượng bù tối ưu thuộc dải điều chỉnh thể hiện ở hình 6 nên hầu như khắc phục kịp thời sự mất ổn định điện áp trong hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hồng Anh, Lê Cao Quyền, “Lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điện 500kV Việt Nam”, Tạp chí khoa học công nghệ đại học Đà Nẵng-số 3(26).2008. [2] Wenjuan Zhang, Fangxing Li, Leon M. Tolbert, “Optimal allocation of Shunt Dynamic Var Source SVC and STATCOM: A survey”, Student Member, IEEE, Senior Member, IEEE,, Senior Member, IEEE. 2003. [3] PSS/E-30-User manual. [4] Abbas M. Abed, Chairman, “WSCC voltage stability criteria, undervoltage load shedding strategy, and reactive power reserve monitoring methodology”, IEEE Member, WSCC Reactive Power Reserve Work Group, May 1998. [5] C. W. Taylor, “Power System Voltage Stability”, McGraw Hill, 1994.