Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị SVC cho hệ thống điện Việt Nam

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 82 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN LỰA CHỌN VỊ TRÍ LẮP ĐẶT THIẾT BỊ SVC CHO HỆ THÔNG ĐIỆN VIỆT NAM A STUDY ON THE CALCULATION PROGRAM ESTABLISHMENT TO FIND LOCATIONS FOR SVC INSTALLATION FOR VIETNAM POWER SYSTEMS Ngô Văn Dưỡng, Đinh Thành Việt, Lê Hồng Lâm Đại học Đà Nẵng Lê Hữu Hùng Tổng công ty truyền tải điện quốc gia TÓM TẮT Đối với các hệ thống điện lớn nói chung hệ thống điện Việt Nam hiện nay nói riêng, trào lưu công suất trong hệ thống thay đổi nhiều theo chế độ vận hành. Cho nên thông số chế độ biến thiên trong phạm vi rộng dễ rơi ra ngoài phạm vi cho phép. Trong trường hợp này sử dụng các thiết bị bù cố định không thể điều chỉnh được mà phải sử dụng các thiết bị bù điều khiển nhanh như SVC hoặc STATCOM. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình mô phỏng hoạt động của thiết bị SVC. Đồng thời xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình FP_SVC cho phép tính toán tìm vị trí và công suất lắp đặt thiết bị SVC cho hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015. ABSTRACT In large power systems in general and in the Vietnamese power system in particular, power flow always changes depending on operating models. Thus, it is easy for the parameters with a wide range of changes to go beyond a permitted range. In this case, we can not use a fixed compensator to adjust them and it can be more reasonable to use a fast controlled compensator such as SVC or STATCOM. This paper presents the research results in the algorithm and simulation program of the SVC activities. Moreover, this algorithm and proposed FP_SVC program may allow us to find out the location and the SVC installation capacity for the Vietnamese power systems in the period from 2015 onwards. 1. Đặt vấn đề Trong những năm qua cùng với sự phát triển của nền kinh tế Hệ thống điện Việt Nam (HTĐVN) cũng liên tục phát triển cả về qui mô lẫn công nghệ. Từ khi mới hình thành năm 1994 tổng chiều dài đường dây truyền tải 500kV là 1.487 km, đến nay đã tăng lên 3.758 km và theo qui hoạch đến năm 2015 sẽ tiếp tục mở rộng và phát triển đạt tổng chiều dài là 4.500 km [1, 2]. Hệ thống điện Việt Nam hiện nay, có các đường dây siêu cao áp 500 kV liên kết nhiều nhà máy điện công suất lớn và các trung tâm phụ tải với đồ thị phụ tải khác nhau. Trào lưu công suất trong hệ thống sẽ liên tục thay đổi theo chế độ vận hành, kết quả thông số chế độ cũng liên tục thay đổi, đặc biệt là điện áp tại các nút thay đổi trong phạm vi rộng và dễ dàng rơi ra ngoài phạm vị cho phép. Đối với các hệ thống điện này không thể sử dụng các thiết bị bù cố định để điều chỉnh điện áp, vì nếu chọn dung lượng bù để điều chỉnh điện áp thoả mản ở chế độ này thì sẽ không thoả mản ở chế độ khác [5]. Ví dụ tại một nút trên đường dây truyền tải ở chế độ 1 có điện áp 1,08 pu lớn hơn giới hạn cho phép (UCPmax) và ở chế độ 2 có điện áp 0,96 pu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 83 nằm trong giới hạn cho phép, nếu lắp đặt kháng bù ngang để đưa điện áp ở chế độ 1 về 1,0 pu thì ở chế độ 2 điện áp sẽ thấp hơn giới hạn cho phép. Ngược lại tại một nút ở chế độ 1 có điện áp 1,04 pu nằm trong giới hạn cho phép và ở chế độ 2 có điện áp 0,9 pu thấp hơn giới hạn cho phép (UCPmin), nếu lắp đặt tụ bù ngang để đưa điện áp ở chế độ 2 về 1,0 pu thì điện áp ở chế độ 1 sẽ lớn hơn giới hạn cho phép. Trong trường hợp này chỉ có thể sử dụng các thiết bị bù có điều khiển như SVC hoặc STATCOM mới có khả năng điều khiển nhanh lượng công suất phản kháng trao đổi với hệ thống để giữ ổn định điện áp nút khi thay đổi chế độ vận hành. Từ các phân tích nêu trên cho thấy đối với HTĐVN cần thiết phải sử dụng các thiết bị bù có điều khiển để lắp đặt nhằm nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành cho hệ thống. Qua tìm hiểu nguyên lý làm việc và khả năng điều khiển nhanh lượng công suất phản kháng bù cho hệ thống của SVC (Static var compensator) cho thấy rất thích hợp để sử dụng lắp đặt cho HTĐVN giai đoạn đến năm 2015. 2. Xây dựng chương trình mô phỏng hoạt động của SVC 2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC Cấu tạo của SVC gồm 3 phần tử cơ bản như trên hình 1, đó là [3]: cuộn kháng điều khiển TCR (thyristor controlled reactor), cuộn kháng đóng cắt TSR (thyristor switched reactor) và tụ điện đóng cắt TSC (thyristor switched capacitor). Phối hợp điều khiển dòng điện qua điện kháng XK1 của bộ TCR với việc đóng mở cuộn kháng XK2 của bộ TSR và điện dung XC của bộ TSC, SVC có khả năng điều khiển lượng công suất phản kháng trao đổi với hệ thống từ Qmin (0). Điện dẫn phản kháng của bộ TCR có thể xác định theo góc mở α của thyristor [3,4] như sau: )2sin121(1)( 1 απαπα −−= KTCR XB (1) Từ đó có thể xác định điện dẫn phản kháng của cả bộ SVC như sau: BSVC (α) = BTCR(α) + BTSR - BTSC (2) 2.2. Sơ đồ mô phỏng lắp đặt SVC và thuật toán chương trình 2.2.1. Sơ đồ mô phỏng lắp đặt SVC: Để nghiên cứu quá trình hoạt động của SVC điều khiển thay đổi điện áp hệ thống, cũng như sử dụng SVC để giữ ổn định điện áp nút, đề tài đã chọn sơ TCR TSR TSC XK1 XK2 XC Hình 1 Bộ ĐK α HT U1 U2 U3 Pt+jQt PF Hình 2 TCR TSCTSR TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 84 đồ hệ thống điện đơn giản gồm một nút hệ thống (nút cân bằng), một nút nguồn và một nút tải có lắp đặt SVC như hình 2. Điều khiển góc mở α của bộ TCR, phối hợp với việc khoá và mở các thyristor của các bộ TSR và TSC sẽ điều khiển lượng công suất phản kháng trao đổi với hệ thống qua thanh góp U2, kết quả cho phép thay đổi điện áp hệ thống. Để giữ ổn định điện áp thanh góp U2 theo giá trị UYC, lấy tín hiệu điện áp trên thanh góp cung cấp cho bộ điều khiển (ĐK) như hình 2, khi đó nếu có sự thay đổi chế độ vận hành dẫn đến U2 ≠ UYC, bộ ĐK sẽ điều khiển lượng công suất phản kháng của SVC trao đổi với hệ thống sao cho U2 ≈ UYC. 2.2.2. Sơ đồ thuật toán: Trên cơ sở nguyên lý làm việc của SVC và các phân tích trong mục 2.2.1, xây dựng được sơ đồ thuật toán chương trình như trên hình 3. Trong đó phần tính toán chế độ xác lập hệ thống điện, sử dụng modul tính toán của chương trình CONUS, lấy kết quả từ file conus.res để cung cấp cho chương trình. 2.3. Chương trình mô phỏng hoạt động của SVC Từ sơ đồ thuật toán xây dựng chương trình OP_SVC, chương trình cho phép khảo sát hoạt động của SVC thông qua chức năng "điều khiển" và khả năng điều khiển giữ ổn định điện áp của SVC thông qua chức năng "tự động". Khởi động chương trình giao diện màn hình như trên hình 4, ở trạng thái SVC đang khoá hoàn toàn thì điện áp nút tải là 532,99 kV. Nếu điều khiển để đóng bộ TSR và góc mở α của bộ TCR là 25o thì điện áp nút tải sẽ giảm xuống còn 499,49 kV như hình 5. Nếu chọn chức năng "tự động" và chọn điện áp UYC nút tải là 520 kV, chương trình sẽ tính toán và điều chỉnh góc mở α là 22o như hình 6. Ở chế độ này nếu tăng tải Nhập số liệu Tính toán chế độ xác lập Hiển thị thông số chế độ lên sơ đồ Chế độ làm việc SVC Tự động Điều khiển Thay đổi thông số vận hành ααα ∆+= ααα ∆−= Đ Tăng Qb Đ S END Hình 3 U2 > UYC Đ S S Tính toán chế độ xác lập Hiển thị thông số chế độ lên sơ đồ Hình 4 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 85 lên (600 + j 500) MVA, chương trình sẽ tự động tính toán để điều khiển đóng bộ TSC và điều chỉnh góc mở α của bộ TCR là 23o như trên hình 7. 3. Xây dựng chương trình lựa chọn vị trí lắp đặt SVC cho hệ thống điện Việt Nam Nhóm tác giả đã xây dựng được chương trình tính toán lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị SVC cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 (tổng sơ đồ VI). Trên cơ sở phương pháp tính toán như mục 2 đã xây dựng được sơ đồ thuật toán như hình 8 và viết được chương trình FP_SVC, khởi động chương trình giao diện màn hình như trên hình 9. Chương trình có ba chức năng: a. Chức năng mô phỏng vận hành HTĐ Cho phép thay đổi các thông số Hình 5 Hình 6 Hình 7 Thay đổi thông số vận hành Nhập số liệu Tính toán chế độ xác lập Hiển thị thông số chế độ lên sơ đồ S END Chế độ làm việc Xác định công suất SVCTìm vị trí đặt SVC U > UYC Xác định các nút có: U>UCPmax và U<UCPmin Chọn nút đặt SVC và điện áp UYC, QSVC=0 QSVC + ∆Q QSVC - ∆Q ε<− YCUU Tính toán chế độ xác lập Thông báo các vị trí có thể lắp đặt ĐS Hình 8 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 86 vận hành như công suất phụ tải, công suất phát của máy phát, chương trình sẽ tính toán và hiển thị các thông số chế độ lên sơ đồ có thể quan sát trực tiếp trên màn hình máy tính. Chức năng này cho phép khảo sát các chế độ vận hành của HTĐ để phân tích chế độ làm việc của hệ thống. b. Chức năng tìm vị trí đặt SVC: Khi chạy chức năng này, chương trình sẽ tính toán chế độ xác lập, kiểm tra điện áp tất cả các nút để xác định các nút có điện áp nằm ngoài phạm vi cho phép (Uđm ± ∆UCP) và hiển thị các vị trí hợp lý để lắp đặt SVC như trên hình 10. c. Chức năng xác định công suất SVC: Khi chọn vị trí lắp đặt SVC và điện áp yêu cầu (UYC) cần giữ ổn định, chương trình sẽ tính toán và hiển thị giá trị công suất của SVC như hình 11. 4. Kết luận Qua nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc và phương trình tính toán điện dẫn của SVC theo góc mở α, tác giả đã xây dựng được chương trình mô phỏng hoạt động của SVC. Chương trình cho phép khảo sát khả năng điều chỉnh nhanh lượng công suất phản kháng của SVC trao đổi với hệ thống để giữ ổn định điện áp nút. Chương trình là một công cụ tốt giúp tìm hiểu nguyên lý làm việc và điều khiển thiết bị SVC. Trên cơ sở sử dụng modul tính toán chế độ xác lập của phần mềm Conus đã xây dựng được chương trình FP_SVC cho phép tính toán tìm vị trí và công suất lắp đặt SVC cho Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2015 nhằm nâng khả năng ổn định điện áp cho hệ thống. Bằng cách thu thập đầy đủ thông số hệ thống, thông số vận hành và số liệu dự báo về nhu cầu phụ tải Hình 9 Hình 10 Hình 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 87 và nguồn phát cập nhật cho chương trình FP_SVC, sử dụng các chức năng b và c tính toán với các chế độ vận hành khác nhau sẽ cho phép tìm được vị trí và công suất tối ưu để lắp đặt SVC cho hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Viện năng lượng - Tổng công ty Điện lực Việt Nam (2005), Tổng sơ đồ phát triển điện lực giai đoạn 2006-2015 có định hướng đến 2025, Hà Nội. [2] Operation Group Report, “Operation report on May 2005, December 2006 and September 2007”, National Load Dispatch Center – EVN, Việt Nam. [3] Yong Hua Song and Allan T Jhons (1999), Flexible AC transmission systems (FACT), The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom. [4] Narain G.Hingorani, Laszlo Gyugyi (2000), "Understanding FACTS", Concepts and technology of Flexible AC transmission systems, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., New York. [5] P. Kundur (1994), Power System Stability and Control, McGraw Hill, New York.