1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LỆ QUYÊN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC) Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện Mã số : 60.52.50 THÁI NGUYÊN - 2012 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS. Nguyễn Đăng Toản Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Phản biện 2 : TS. Nguyễn Quân Nhu Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 15 giờ 30 phút ngày 25 tháng 07 năm 2012. Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 2 Mở đầu Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hướng thị trường hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Hiện nay, các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rôto máy phát điện. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hưởng, các phương pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ dành để phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện. Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới như PSS và SVC cũng như là cơ sở để nâng cao hiệu quả ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam. Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn. Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Các nguyên 3 nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện được trình bày cụ thể trong chương này. Chương III, nghiên cứu về thiết bị PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện. Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn được trình bày trong chương IV của luận văn. Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS. Nguyễn Đăng Toản trường Đại học Điện lực Hà Nội. 4 : GIỚI THIỆU CHUNG I.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Một HTĐ thường phân chia làm ba phần chính: Phần phát điện - hay phần nguồn điện - bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điện khác… Phần truyền tải, đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của một HTĐ bao gồm các đường dây cao áp, và máy biến áp truyền tải. Phần phân phối, nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải khác nhau. Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường thì HTĐ cần thỏa mãn các điều kiện về an ninh, tin cậy cung cấp điện, đảm bảo chất lượng điện năng, và yêu cầu về kinh tế. Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải: đặc biệt là với một nước đang phát triển nhanh như Việt Nam, đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nước nói chung: đó là làm sao phải đáp ứng được nhu cầu phụ tải. Vấn đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt, và cả nguồn thủy điện. Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc gia. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện ở nước ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về công nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu tư lớn. Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng tái tạo trên bình diện cả nước. Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này góp phần giảm 5 thiểu gánh nặng cho nghành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo sẵn có. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và phân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ. Một vấn đề nữa mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trường do các nhà máy điện gây ra. Do đó chúng ta cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này khi quyết định đầu tư xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện lớn. Vấn đề thứ năm đó là xu hướng thị trường hóa ngành điện. Nó làm thay đổi hoàn toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn toàn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh điện. Và đặc biệt là xu hướng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản lý, vận hành, điều khiển giám sát. Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Trong đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rôto 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. Đã có rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới về vấn đề này, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hưởng, các phương pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải 6 pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện. Trong đó, có nhiều tác giả tập trung vào nghiên cứu khả năng nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện bằng thiết bị ổn định công suất (power system stabilize- PSS) và thiết bị FACTS –SVC. Chính vì vậy trong luận văn này sẽ dành để phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện. Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới như PSS và SVC cũng như là cơ sở để nâng cao hiệu quả ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam. I.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN I.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định góc rotor máy phát điện I.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS - SVC I.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn được trình bày như sau: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn. Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu nâng cao ổn định nhiễu góc rotor máy phát điện được trình bày cụ thể trong chương này. Chương III, giới thiệu về thiết bị PSS và SVC dùng để nâng cao ổn 7 định góc rotor máy phát điện. Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn IEEE được trình bày trong chương IV của luận văn. Chương V trình bày các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. I.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn chỉ đưa ra phân tích so sánh giữa thiết bị PSS và SVC, và tác dụng của hai loại thiết bị này đối với nâng cao độ ổn định góc rotor. Phương pháp thực hiện là mô phỏng theo thời gian các tác động của bộ PSS và SVC khi có sự cố xảy ra trong HTĐ. Kết quả chỉ được áp dụng cho HTĐ ví dụ hoặc hệ thống điện chuẩn. : ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR I.5 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY I.5.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu…. Trong phần này, một số các sự cố điển hình được thảo luận tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19] I.5.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau. Trong luận văn này, chúng tôi tổng kết một số các nguyên nhân chính như sau: Nguyên nhân đầu tiên có thể bắt đầu ngay từ khâu qui hoạch và thiết kế. 8 Rất nhiều nguyên nhân nguy hiểm dẫn đến sự cố tan rã HTĐ xuất phát từ quá trình vận hành HTĐ. Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiềm ẩn, đặc biệt là các công việc bảo dưỡng bất thường, sự hư hỏng của các thiết bị điện quá cũ, thiếu những công việc bảo dưỡng định kỳ ( thậm chí là việc cắt tỉa cây trên hành lang tuyến). Ngoài ra còn nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management - ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA). Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hay hiện tượng thiên nhiên cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường của phụ tải hay hư hỏng thiết bị. I.5.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện Các cơ chế xảy ra sự cố rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên kết. Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và có thể được tổng kết như sau: • Ban đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần với giới hạn ổn định. Những điều kiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị giảm thấp. • Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cố cực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m≥2)). 9 • Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống, lỗi vận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn. • Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điều khiển điện áp. Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hệ thống. • Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/ tải tăng lên mạnh hơn nữa, và dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác, và làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống. • Cơ chế tan ra HTĐ có liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto. I.5.4 Các dạng ổn định hệ thống điện Như đã phân tích ở trên, mặc dù các sự cố tan rã HTĐ có nhiều nguyên nhân, nhưng nguyên nhân vật lý trực tiếp đó là sự mất ổn định HTĐ. Một tổng kết của IEEE/CIGRE về các loại ổn định được chỉ ra trong hình vẽ ở dưới đây: [1], [22]. 10 [...]... những phương pháp có hiệu quả nhất để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện trong HTĐ I.10 THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER- PSS I.10.1 Mô hình thiết bị PSS Cấu trúc một hệ thống kích từ điển hình được mô tả như hình vẽ: Bộ hạn chế và bảo vệ Bộ biến đổi điện áp đầu cực và bộ bù tải Bộ điều chỉnh AVR Máy kích từ Hệ thống điện MÁY PHÁT Bộ ổn định (PSS) Hình vẽ III-4: Sơ đồ điển hình... : NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PSS VÀ SVC I.9 GIỚI THIỆU CHUNG Như đã phân tích ở trên, nguyên nhân chính của vấn đề mất ổn định góc rotor máy phát điện là do thiếu mômen cản dao động và hiện tượng dao động công suất trong HTĐ Do đó để nâng cao ổn định góc rotor cần phải đặt thiết bị cung cấp mô men cản dao động và thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ Sử dụng thiết bị PSS và 17 thiết bị FACTS- SVC là... để nâng cao ổn định I.10.2.1 Ổn định dựa trên tín hiệu tốc độ trục (detla-omega Δω) I.10.2.2 Bộ ổn định Delta-P-omega Là bộ ổn định công suất PSS với cả tín hiệu công suất và tốc độ quay của roto Công thức của bộ ổn định này được minh họa bằng công thức toán học sau ∆ωeq = 1 M ∫ ( ∆P m − ∆Pe ) dt Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối bộ ổn định Delta – P – Omega I.10.2.3 Bộ ổn định dựa trên tần số I.11 THIẾT BỊ... càng tăng, và kết quả cuối cùng là mất ổn định hoàn toàn, I.14.2 Mô phỏng động khi thêm thiết bị PSS, và 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 Hình vẽ IV-24: Góc rotor máy phát G1 khi có thiết bị PSS/SVC 30 Hình vẽ IV-25: Góc rotor máy phát G2 khi có PSS/SVC Hình vẽ IV-26: Góc rotor máy phát G3 khi... THỐNG ĐIỆN Ổn định góc roto Ổn định với nhiễu loạn nhỏ Ổn định tần số Nhiễu loạn nhỏ Ổn định quá độ Ngắn hạn Ổn định điện áp Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Kích động lớn Dài hạn Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố tan rã HTĐ Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung vào nghiên cứu về vấn đề này I.6 ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTOR. .. I.6.4 Phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Để nâng cao ổn định động góc rotor máy phát điện, có thể sử dụng một trong các biện pháp sau: 14 I.6.4.1 Nâng cao khả năng truyền tải I.6.4.2 Ứng dụng các thiết bị bảo vệ tốc độ nhanh I.6.4.3 Ứng dụng hệ thống đóng lặp lại tốc độ cao I.6.4.4 Ứng dụng hệ thống đóng cắt một pha I.6.4.5 Sử dụng MPĐ với hằng số quán tính lớn, và điện kháng quá độ nhỏ... dao động và thiết bị chống dao động công suất vào HTĐ Bộ ổn định HTĐ (Power System Stabilizer - PSS) được coi là thiết bị chống dao động công suất có hiệu quả nhất Chức năng chính của một bộ PSS là đưa thêm vào tín hiệu điều chỉnh ổn định ở đầu vào bộ kích từ của máy phát Các công trình nghiên cứu nhằm tìm ra điểm đặt tối ưu và tính toán bộ ổn định HTĐ đã được thảo luận trong các tài liệu tham khảo [1],Error:... mạch xảy ra công suất giảm về không - 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 29 - Công suất trên đường dây 8-9 nhảy vọt lên giá trị khoảng 550 MVA, và dao động với biên độ lớn nhất là trên 600 MVA, dao động tăng dần và mất ổn định - Như vậy, giá trị góc rotor máy phát điện, điện áp và công suất trên... được trình bày trong luận văn Các sự cố tan rã là kết quả của một chuỗi những biến cố như: bắt đầu với các điều kiện tải bất lợi, không đủ dự phòng công suất tác dụng và công suất phản kháng… Trong luận văn này, chúng tôi tập trung vào phân tích về ổn định góc Một số định nghĩa có liên quan đến ổn định quá độ, các phương pháp nghiên cứu và cải thiện ổn định góc rotor cũng được thảo luận trong chương này... 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 vẽ IV-31: Góc rotor máy phát G1 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC Hình vẽ IV-32: Góc rotor máy phát G2 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC 33 Hình vẽ IV-33: Góc rotor máy phát G3 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC . ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LỆ QUYÊN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC) Chuyên. máy phát điện. Trong đó, có nhiều tác giả tập trung vào nghiên cứu khả năng nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện bằng thiết bị ổn định công suất (power system stabilize- PSS) và thiết bị. định nhưng rất khó xác định năng lượng tới hạn và quĩ tích của sự cố I.6.4 Phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Để nâng cao ổn định động góc rotor máy phát điện, có thể sử dụng