Một phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất (PSS) và thiết bị bù ngang tĩnh (SVC)

Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 3 - 8 3 MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG ĐỒNG THỜI BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT(PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC) Phạm Thị Hồng Anh* Trường Đại học Công nghệ Thông tin &Truyền thông – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Sự mất ổn định của hệ thống điện (HTĐ) thường do phụ tải của hệ thống thay đổi, công suất làm việc của máy phát cần thay đổi theo. Do có sụt áp trên điện kháng trong, điện áp đầu cực máy phát bị biến thiên, lệch khỏi trị số định mức. Nếu không có biện pháp điều chỉnh, độ lệch sẽ rất đáng kể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Để đảm bảo cho hệ thống làm việc tốt thì cần phải loại bỏ được hoặc làm suy giảm tới mức tối thiểu những nhiễu loạn trên hệ thống. Mất ổn định góc rotor máy phát điện đã được xem như là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) Bài báo đề xuất sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất (PSS) và thiết bị bù ngang SVC cho mục đích này. Từ khóa: PSS, SVC, ổn định hệ thống điện, PSS/E, máy phát điện ĐẶT VẤN ĐỀ* Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung và HTĐ Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều thách thức như: sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu phụ tải, cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ (kể cả tiềm năng về nguồn thủy điện). Tất cả các yếu tố này làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về qui mô, khó khăn trong quản lý, vận hành và phối hợp điều khiển. Chính vì vậy mà một số HTĐ có thể đang được vận hành gần với giới hạn ổn định. HTĐ trở lên “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra và có thể dẫn đến mất ổn định. Trong đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rotor máy phát điện. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về nâng cao ổn định HTĐ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng [1], [2], [3]. Sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện đã được xem như là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, cần phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách * Tel: 0985 504561, Email: honganhtnvn@gmail.com lắp đặt thêm các thiết bị cản hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS)Trong đó thiết bị PSS, SVC đã được chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định góc rotor. Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số lượng các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về số lượng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải lựa chọn thiết bị tối ưu để nâng cao ổn định. Do vậy, bài báo đề cập đến vấn đề sử dụng đồng thời bộ ổn định công suất PSS và thiết bị bù ngang tĩnh SVC nhằm nâng cao khả năng ổn định góc rotor máy phát điện. ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO Hình 1: Góc rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 3 - 8 4 Ổn định góc rotor IEEE/CIGR: liên quan đến khả năng của các máy phát điện (MPĐ) đồng bộ trong một HTĐ liên kết vẫn còn giữ được sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động có thể xảy ra trong HTĐ. Nó liên quan đến khả năng duy trì, phục hồi sự cân bằng giữa mô men điện từ và mô men cơ khí của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ. Sự mất ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rotor của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ. Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transient stability). THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER (PSS) Mô hình thiết bị Hình 2: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ Mô hình ví dụ về PSS được Kundur mô tả như hình vẽ. Hình 3: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với thiết bị AVR và PSS Trong đó PSS gồm 3 khối sau: - Khối bù pha (phase compensation 5): cung cấp đặc tính sớm pha tương thích để bù sự trễ pha giữa đầu vào bộ kích từ và mô men điện từ máy phát (khe hở không khí). - Khối lọc cao tần (signal washout 4) với hằng số thời gian TW đủ lớn để cho phép tín hiệu ghép nối với dao động trong bộ lọc cao tần không thay đổi. Không có nó những thay đổi ổn định về tốc độ sẽ dẫn đến thay đổi điện áp đầu cuối. - Khối khuếch đại ổn định (stabilizer gain 3) KSTAB để khuếch đại tín hiệu, và xác định giá trị của các momen cản được đưa vào bởi hệ thống kích từ chính. Lý tưởng khối khuếch đại thiết lập tại một giá trị tương ứng với giá trị cản lớn nhất. Sử dụng PSS để nâng cao ổn định Chức năng của thiết bị PSS là thêm momen cản để giảm dao động của rotor máy phát điện. Điều này đạt được bằng cách điều chỉnh kích thích máy phát điện để cải thiện một thành phần của mô- men điện đồng pha với độ lệch tốc độ rotor. Tốc độ trục rotor, tích phân công suất và tần số cuối một trong các tín hiệu đầu vào thường được sử dụng để đưa vào PSS. THIẾT BỊ SVC SVC là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành). - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc tri ác có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR... Hình 4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 3 - 8 5 - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp. - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù. - Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong HTĐ. - Tăng cường tính ổn định của HTĐ - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột... Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ đem lại hiệu quả khá tốt trong quá trình vận hành HTĐ như: - Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh - Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây - Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây - Giảm tổn thất công suất ra và điện năng. MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN Để mô phỏng ứng dụng của PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor với ổn định quá độ, trong phần này tác giả giới thiệu mô hình hệ thống điện chuẩn theo Kundur như hình 5. Trong mô hình này, hệ thống ba pha 50 Hz, 230 kV chỉ thể hiện một pha như hình vẽ, bao gồm 4 máy phát điện có công suất 900MVA và điện áp 20kV, được chia thành hai hệ thống điện con nối với nhau thông qua đường dây tải điện kép có chiều dài 220km. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ĐỘNG HTĐ Qua tính toán và phân tích quá trình ổn định góc rotor cho HTĐ chuẩn theo IEEE. Chương trình PSS/E [6] được dùng để mô phỏng động hệ thống điện. Các thông số của HTĐ chuẩn Kundur bao gồm các thông số trào lưu công suất, thông số động của các MPĐ cũng như hệ thống kích từ, điện áp tại thanh cái cũng được mô phỏng. Như đã phân tích ổn định quá độ ta thấy nguyên nhân chính của mất ổn định góc roror máy phát điện liên quan trực tiếp đến hiện tượng thiếu mô men cản dao động trong HTĐ, và dao động công suất. Vì vậy, để giảm nguy cơ mất ổn định thì cần phải có thêm các thiết bị cung cấp mô men cản dao động và thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ. Ở đây ta xét đồng thời ảnh hưởng của thiết bị PSS và SVC trên hệ thống điện nghiên cứu. Mô hình PSS được lấy bởi model STAB1 trong thư viện của PSS/E với các thông số điển hình và mô hình SVC được lấy bởi model tụ điện tĩnh CSTATT trong thư viện PSS/E. Hình 5: Mô hình hệ thống Hệ thống điện khi chưa có thiết bị PSS và SVC Tại thời điểm t=1s thì xảy ra ngắn mạch trên đường dây 8-9 mạch 2, sau đó 0,3s thì đường dây bị cắt ra. Kết quả là góc rotor của các máy phát điện thay đổi và do đó điện áp tại thanh góp 8 của hệ thống và công suất trên đường dây cũng dao động. Hình vẽ mô phỏng cho ta thấy rõ sự thay đổi của góc rotor các máy phát điện, điện áp trên thanh góp 8 và dòng công suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch 1 khi có sự cố ngắn mạch trên đường dây 8-9 mạch 2. Theo đó ta thấy, tín hiệu góc của máy phát G1 và G2 có hình dáng giống nhau, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng dao động và trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ là kết quả của các biên độ dao động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng là tăng tốc và mất ổn định hoàn toàn. Tương tự như vậy là góc rotor của máy phát G3 và G4 có hình dạng giống nhau, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau hai chu kỳ các biên độ dao động ngày càng tăng và trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn, góc rotor lúc này giảm thấp. Điện áp tại thanh góp 8, khi xảy ra ngắn mạch giảm từ 0,98 (pu) xuống 0,2 (pu), sau khi cắt ngắn mạch giá trị điện áp tại đây tăng lên và ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng sau đó dao động với biên độ ngày càng tăng với giá trị lớn nhất là 1,8(pu) và tần số dao động nhỏ. Sự mất ổn định ở góc rotor máy phát làm cho công suất trên đường dây cũng dao động, Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 3 - 8 6 được thể hiện trên hình 8, 9; giá trị công suất trên 2 đường dây này trước khi xảy ra ngắn mạch là 200 MVA, khi ngắn mạch xảy ra công suất giảm về không. Sau khoảng thời gian 0,3s (cắt ngắn mạch), lúc này công suất nhảy vọt: công suất trên đường dây 7-8 nhảy vọt lên giá trị khoảng 275 MVA, và dao động với biên độ lớn nhất là 325 MVA, dao động tăng dần và mất ổn định Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện áp và công suất trên đường dây đều dao động với biên độ ngày càng tăng, và kết quả cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn. Mô phỏng động trước và sau khi sử dụng thiết bị PSS, và SVC. Chương trình PSS/E được dùng để mô phỏng đáp ứng đồng thời của hệ thống khi không trang bị và có trang bị PSS,SVC với giả thiết sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 8-9 mạch 2. Sự dao động của tham số giảm và tắt dần sau khi xảy ra sự cố chứng tỏ tác dụng cản dao động của thiết bị PSS/SVC. Góc rotor máy phát G1, G2, G3, G4 dao động trong 2 chu kỳ đầu tiên sau đó dần trở nên ổn định, và đạt đến giá trị đồng bộ sau khoảng 10 giây. Nếu so sánh sự ổn định của hệ thống khi không có PSS/SVC và khi có PSS/SVC, thì các hình 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 chỉ ra rằng: khi chưa có PSS/SVC, thì góc rotor máy phát điện, điện áp trên thanh góp và dòng công suất trên đường dây 7-8, 8-9 mạch 1 (base- case: đường màu đỏ) dao động khá lớn và trạng thái cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn. Khi có PSS/SVC thì dao động tắt nhanh hơn và nhanh chóng đạt tới giá trị ổn định sau khoảng 5s. Hình 6: Góc rotor máy phát G1 trong hai trường hợp không và có sử dụng PSS/SVC Hình 7: Góc rotor máy phát G2 trong hai trường hợp không và có sử dụng PSS/SVC Hình 8: Góc rotor máy phát G3 trong hai trường hợp không và có PSS/SVC Hình 9: Điện áp trên thanh góp 8 khi không và có sử dụng PSS/SVC Hình 10: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1 khi không và có sử dụng PSS/SVC Hình 11: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 khi không và có sử dụng PSS/SVC Phạm Thị Hồng Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 99(11): 3 - 8 7 Để làm rõ thêm tác dụng của hai thiết bị PSS/SVC thì ta xét ba trường hợp, khi không có PSS/SVC (đường màu xanh nước biển), khi chỉ có PSS (đường màu xanh lá cây) và khi có cả PSS/SVC (đường màu đỏ). Từ hình vẽ ta thấy rằng khi dùng đồng thời PSS và SVC (đường màu đỏ) có hiệu quả cao hơn trong việc nâng cao ổn định quá độ. Trong hình vẽ 12, 13 đã chứng tỏ hiệu quả của PSS và SVC trong việc cản dao động góc rotor và công suất truyền tải giữa hai hệ thống con. Trong trường hợp cơ bản dao động nhiều hơn và nhanh chóng mất ổn định, và khi có PSS thì dao động ít hơn và nhanh chóng đến trạng thái ổn định với giá trị xấp xỉ giá trị ban đầu khi chưa xảy ra ngắn mạch, đặc biệt khi thêm SVC thì dao động tắt nhanh hơn và giá trị điện áp đạt giá trị tốt hơn (bằng giá trị điện áp khi chưa xảy ra ngắn mạch) hay nói cách khác là hệ thống điện an toàn hơn. Hình 12: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có PSS/SVC KẾT LUẬN Bài báo đã giới thiệu về cấu tạo và nguyên lý làm việc, các mô hình cũng như lợi ích của việc sử dụng đồng thời PSS và SVC. Các kết quả mô phỏng sử dụng phần mềm PSS/E là công cụ dùng để tính toán, chứng minh hiệu quả của thiết bị PSS, SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết quả này sẽ giúp ích rất lớn trong công tác nghiên cứu tính toán, thiết kế cũng như vận hành hệ thống điện. Đặc biệt là khi chúng ta đầu tư lắp đặt đồng thời thiết bị PSS, SVC sẽ cho hiệu quả tốt trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện. Hình 13: Điện áp tại thanh góp 8 trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Prabha Kundur, Power System Stability and Control. New York: McGraw-Hill, 1994. [2].Carson. W. Taylor, Power System Voltage Stability. New York: McGraw-Hill, 1994. [3].Sami Repo, "On-Line Voltage Stability Assessment of Power System – An Approach of Black-Box Modelling," Doctoral thesis at Tampere University of Technology, available at [4].Brant Eldridge, "August 2003 Blackout Review," available at website: 4/IEC%20Program%20Agenda%202004.html. [5]."2003 North America Blackout," available at website: North-america-blackout. [6]. Đại học Điện lực Hà Nội (2007), Áp dụng PSS/ADEAPT 5.0 trong lưới điện phân phối. [7]. Binns, D.F (1986), Economics of electrical power engineering, Electricial logic power Ltd., PO Box 14, Manchester M16 7QA.