Ứng dụng STATCOM để điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng cho hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ năm 2012Đề tài: ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO HỆ THỐNG ĐIỆNĐịnh dạng file wordMỤC LỤCChương 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN . 11.1 Tổng quan . 11.2 Tóm tắt một số bài báo liên quan 21.3 Nhận xét chung và hướng tiếp cận 71.4 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn . 81.5 Phạm vi nghiên cứu 81.6 Các bước tiến hành . 91.7 Điểm mới của luận văn . 91.8 Giá trị thực tiễn của luận văn 91.9 Nội dung của luận văn .10Chương 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNGĐIỆN 112.1 Ổn định điện áp trong hệ thống điện 122.2 Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện .142.2.1 Giới hạn điện áp .152.2.2 Giới hạn nhiệt .152.2.3 Giới hạn ổn định .162.2.3.1 Ổn định quá độ 172.2.3.2 Ổn định dao động bé .182.3 Cơ sở kiến thức trong điều khiển hệ thống điện 20Chương 3: TỔNG QUAN VỀ STATCOM VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG233.1 Tổng quan về STATCOM 233.1.1 Các thế hệ bù công suất phản kháng .253.1.1.1 Thế hệ đầu tiên là các thiết bị bù đóng ngắt bằng cơ học .253.1.1.2 Thế hệ thứ hai là các thiết bù đóng ngắt dựa trên Thyristor 253.1.1.3 Thế hệ thứ ba là các thiết bị bù dựa trên bộ chuyển đổi 253.1.2 Chức năng ứng dụng của STATCOM .253.2 Tổng quan về công suất phản kháng .263.2.1 Giới thiệu chung .263.2.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng .273.3 Các phương pháp bù công suất phản kháng 273.3.1 Các thiết bị bù công suất phản kháng 273.3.1.1 Tụ điện tĩnh .273.3.1.2 Máy bù đồng bộ 283.3.2 Một số thiết bị bù trong FACTS .283.3.2.1 Bộ bù đồng bộ tĩnh nối tiếp(SSSC) 283.3.2.2 Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng Thyristor(TCSC) .293.3.2.3 Bộ bù điều khiển trào lưu công suất hợp nhất(UPFC) 293.3.2.4 Bộ bù tĩnh(SVC) .303.3.2.5 Bộ bù đồng bộ tĩnh(STATCOM) .313.4 Nguyên lý bù trong hệ thống điện 313.4.1 Bù song song 333.4.2 Bù nối tiếp 343.5 Kết luận .35Chương 4: ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ BÙ CÔNGSUẤT PHẢN KHÁNG VÀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP .364.1 Đặt vấn đề 364.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM .364.2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM .364.2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM 374.3 Bộ điều khiển điện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn .394.3.1 Bộ Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) .414.3.2 Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM) .434.3.3 Nguyên tắc hoạt động của VSC 474.4 Hệ thống điều khiển của STATCOM .484.5 Các đặc tính của STATCOM .504.6 Mô hình hóa STATCOM .514.6.1 Mô hình mạch 514.6.2 Mô hình toán STATCOM .52Chương 5: SỬ DỤNG MATLAB/ SIMULINK ĐỂ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNGĐỘNG CỦA STATCOM VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN .575.1 Tổng quan về Matlab .575.1.1 Khái niệm về Matlab 575.1.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu của Matlab và các ứng dụng 575.1.3 Khái niệm về Simulink .575.2 Thiết kế bộ STATCOM cầu ba cấp 48 xung .585.2.1 Mô hình mạch động lực 585.2.1.1 Cấu tạo bộ chuyển đổi nguồn áp VSC . 595.2.1.2 Máy Biến Áp . 635.2.1.3 Tụ điện 635.2.2 Mô hình toán của bộ STATCOM 48 xung 645.2.3 Thiết kế bộ điều khiển cho STATCOM 48 xung:[13] .665.2.3.1 Khối hệ thống đo lường(Measurement System) . 685.2.3.2 Khối vòng khóa pha( Phase Looked Loop-PLL) 735.2.3.3 Khối hiệu chỉnh điện áp(Voltage Regulator) 745.2.3.4 Khối cân bằng điện áp DC(DC Balance Regulator) 755.2.3.5 Khối tính toán dòng Iq giới hạn và chọn Iqref . 765.2.3.6 Khối hiệu chỉnh dòng(Current Regulator) 765.2.3.7 Khối phát xung điều khiển(Firing Pulse Generator) . 775.3 Mô phỏng và kết quả đáp ứng động của STATCOM trong lưới điện 500 kVMiền Nam ba nút .795.3.1 Mô phỏng ở chế độ bình thường .795.3.1.1 Sơ đồ đơn tuyến của mô hình nghiên cứu 795.3.1.2 Mô hình mô phỏng 805.3.1.3 Mạch điều khiển của bộ điều khiển STATCOM 815.3.1.4 Thiết lập tham số cho các phần tử trong mô hình mô phỏng 815.3.1.5 Kết quả mô phỏng đáp ứng động của STATCOM 885.3.2 Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch .925.3.2.1 Sơ đồ đơn tuyến mô hình nghiên cứu có ngắn mạch 925.3.2.2 Mô hình mô phỏng có xảy ra ngắn mạch . 935.3.2.3 Mạch điều khiển của bộ điều khiển STATCOM 945.3.2.4 Thiết lập tham số cho các phần tử trong mô hình mô phỏng 945.3.2.5 Kết quả mô phỏng đáp ứng động của STATCOM GTO 48 xung khixảy ngắn mạch . 945.3.2.5.1 Kết quả mô phỏng ngắn mạch pha A chạm đất . 945.3.2.5.2 Kết quả mô phỏng ngắn mạch 2 pha . 99Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN 1056.1 Kết luận .1056.2 Hướng nghiên cứu phát triển 1066.3 Kiến Nghị 106Tài liệu tham khảo 108Phụ lục A .110Phụ lục B .123Phụ lục C .123Phụ lục D .123Phụ lục E .123Phụ lục F .124Phụ lục G .124TÓM TẮTLuận văn “ Ứng dụng STATCOM để điều chỉnh điện áp và bù công suất phảnkháng cho hệ thống điện” phân tích các giới hạn ổn định của hệ thống điện,trong đóđi sâu về phân tích giới hạn ổn định điện áp. Nghiên cứu các thiết bị FACTS trongđó đi sâu vào nghiên cứu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản, mô hình mạchđộng lực, mạch điều khiển, mô hình toán của STATCOM.Nghiên cứu xây dựng mô hình mạch động, mạch điều khiển, mô hình toán củabộ STATCOM 48 xung dùng VSC để điều khiển dòng và đi sâu nghiên cứu ảnh hưởngcủa bộ STATCOM điều khiển đa bậc 48 xung trong việc đáp ứng động vào hệ thốngđiện.Luận văn đã sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mô hình mô phỏng ở chếđộ bình thường, chế độ sự cố khi ứng dụng bộ STATCOM 48 xung 100 MVAR vào hệthống điện 500 kV Miền Nam gồm có 3 nút, quan sát và đánh giá khả năng ổn địnhđiện áp của hệ thống điện do thiết bị STATCOM mang lại.Luận văn cũng hy vọng sẽ cung cấp một công cụ mô phỏng hữu ích với phầnmềm thông dụng Matlab/Smulink cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên trongviệc nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM để điều chỉnh điện áp và bù công suấtphản kháng cho hệ thống điện ở chế độ làm việc bình thường và chế độ sự cố, từ đó cóthể đánh giá hiệu quả thiết thực trong việc nâng cao ổn định điện áp và bù công suấtphản kháng cho hệ thống điện do thiết bị STATCOM mang lại.ABSTRACTThesis “Application of STATCOM for voltage regulation and reactive powercompensation for power systems” analysis the stability limited of the power system,which is studied deeply for analyze the voltage stability limit. The FACTS devicesare researched about structure and basic principles operating, circuit modeldynamics, control circuits, mathematical model of STATCOM.To study the modeling circuit, control circuit, the mathematical model ofSTATCOM 48 pulse VSC used to control current and studied in depth the impact ofmulti-level STATCOM controller 48 pulse in the system dynamic responseelectrical system.Thesis used Matlab software to build simulation models in normal mode, faultmode when the application of 48 pulse 100 MVAR STATCOM at 500 kV powersystem consists of three nodes Southern STATCOM observe and stabilityassessment of power system voltage devices bring.Thesis hopes to provide a useful simulation tool for application software Matlab/Simulink for researchers, engineers, students In the study of the application deviceto adjust the voltage STATCOM and reactive power compensation for a real powersystem in normal mode and work mode problem, which can evaluate the practicaleffect in improving the voltage the voltage stability and reactive powercompensation actual power system.Chương 1GIỚI THIỆU LUẬN VĂN1.1 Tổng quanPhân tích và điều khiển ổn định điện áp trở nên rất cần thiết khi hệ thống điệnphải vận hành gần tới các giới hạn ổn định của chúng kể cả giới hạn ổn định điệnáp. Hệ thống điện phải làm việc ở trạng thái gần điểm giới hạn điện áp là do thiếuđầu tư thiết bị FACTS cho mạng điện và công suất truyền tải giữa các vùng là quálớn. Điện áp không ổn định đang trở thành mối quan tâm hàng đầu trong vận hànhhệ thống điện. Có những sự cố mất điện đã xảy ra liên quan đến sự mất ổn định điệnáp của hệ thống. Do đó việc phân tích và điều khiển ổn định điện áp nhằm nâng caođộ dự trữ ổn định của hệ thống điện là rất cần thiết, tránh mất ổn định điện áp xảy rakhi có biến động ngẫu nhiên của một trạng thái xác lập là hết sức cần thiết.Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chếtạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện,nên các thiết bị bù dùng thyristor sử dụng rất nhiều thông tin trong toàn hệ thốngđược nghiên cứu và ứng dụng. Ở một số nước có trình độ công nghệ phát triển tiêntiến trên thế giới, các thiết bị bù công suất phản kháng điều chỉnh bằng thyristor đãđược ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượngđiện áp của hệ thống điện. Các thiết bị bù thường dùng là: thiết bị bù tĩnh điều khiểnbằng thyristor (SVC), thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC,UPFC), thiếtbị bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệthống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờkhả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng,góc pha) của chúng.Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Namđã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suấtphản kháng. Tuy nhiên các thiết bị bù đó chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về phảnứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phảnkháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS như: STATCOMhay SVC đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng như dunglượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc. Luận văn này nghiêncứu về những vấn đề trên nhằm đưa ra việc ứng dụng lắp đặt thiết bị STATCOMthích hợp cho hệ thống điện và việc tính toán bù công suất phản kháng tập trung chủyếu vào các khu vực có mật độ tải dày đặc và có thể gia tăng đột biến trong các chếđộ làm việc khác nhau.Hệ thống truyền tải điện Việt Nam chúng ta hiện nay chưa có sử dụng thiết bịSTACOM chỉ sử dụng các bộ Tụ bù tĩnh, các Cuộn kháng cố định để điều chỉnhđiện áp và bù công suất phản kháng còn rất cứng nhắc, thiếu linh hoạt. Do đó khi cóngắn mạch xảy ra thì không thể ổn định được điện áp.Vì vậy việc nghiên cứu thiếtbị bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) vào hệ thống điện để nâng cao ổn định quá độ vàchất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai là nhiệm vụ rất cầnthiết, nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnhđiện áp và bù công suất phản kháng của hệ thống điện.Vì vậy việc thực hiện đề tài:“ Ứng dụng STACOM để điều chỉnh điện áp và bù công suất phản kháng cho hệthống điện” là hết sức cần thiết, áp dụng vào vận hành hệ thống truyền tải điện ViệtNam nhằm nâng cao ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải cho hệ thốngđiện.1.2 Tóm tắt một số bài báo liên quan· “STATCOM control with Robust Synchronizing Phase Locked Loop underThree Phase Power System Faults” : Prof. A.K.Panda, Yellasiri.Suresh,Mikkili.Suresh. IEEE International Conference on Industrial Electronics, Controland Robotics.[1]Bài báo này trình bày về vấn đề STATCOM ( bộ bù đồng bộ tĩnh ) hoạt độngdựa trên bộ chuyển đổi nguồn áp VSC có khuếch đại độ rộng xung được sự quantâm vì những chức năng nổi bất của nó và được sử dụng trong hệ thống truyền tảivà phân phối. Nó có thể đáp ứng công suất phản kháng VAR với tình trạng hệ thốngsự cố. Việc STATCOM hoạt động trong quá trình hệ thống sự cố có thể tác độngbất lợi tới bộ VSC là quá dòng và tác động ngắt VSC trong khi yêu cầu nâng caođiện áp là đòi hỏi cấp thiết nhất. Bộ PLL thông thường chỉ có thể nhận biết thôngtin về giá trị điện áp thứ tự thuận nhưng không thể nhận biết được thông tin về điệnáp thứ tự nghịch tại thanh cái khi hệ thống sự cố. Trong bài báo này đã xây dựngđược STATCOM với một PLL mạnh . Bộ PLL này có thể nhận biết chính xác giátrị điện áp thứ tự thuận và thứ tự nghịch tại thanh cái trong quá trình hệ thống sự cố.Với bộ PLL mạnh, STATCOM có thể tránh được quá dòng và tác động ngừnghoạt động trong và sau quá trình sự cố, đảm bảo STATCOM luôn hoạt động sẵnsàng cung cấp công suất phản kháng khi yêu cầu bù công suất phản kháng là thựcsự cấp thiết. Kết quả mô phỏng được trình bày trên bộ STATCOM VSC 48-xung100 MVAR kết nối 2 thanh cái hệ thống điện.Chương 2PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNHĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆNHệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. đường dây truyền tảiđiện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ thốngđiện. Các đường dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hướng đi mong muốn theosự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất mong muốn.Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiều cấu trúcmạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trước đây có nhiều cấu trúc hình tia,cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải xác đinh.Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố côngsuất song song hoặc mạch vòng. Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệ thốngmạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đường dây bị quá tảidưới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp.Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện. Nó làyêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệthống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động củacác thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi độtngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả củaviệc hư hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễuloạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫunhiên trở thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyềntải. Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề đãthảo luận trước đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải đượcgiới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đường dây và các giớihạn ổn định của hệ thống điện. Trong chương này chúng ta quan tâm đến các vấn đềcơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm đến việcđiều khiển công suất và các giới hạn ổn định.Tài liệu tham khảo[1] STATCOM control with Robust Synchronizing Phase Locked Loop underThree Phase Power System Faults: Prof. A.K.Panda, Yellasiri.Suresh,Mikkili.Suresh. IEEE International Conference on Industrial Electronics,Control and Robotics.Current Control of Angle Controlled STATCOM: Zhengping Xi, StudentMember, IEEE, and Subhashish Bhattacharya, Member, IEEE.Three-Level 24-Pulse STATCOM with Pulse Width Control at FundamentalFrequency Switching: Kadagala Venkata Srinivas, Student Member, IEEE andBhim Singh, Fellow, IEEE.[4] Simulation of Three-Lever 48-Pulses STATCOM: S.HADJERI, FatihaGHEZAL and S.A.ZIDI. ACTA ELECTROTEHNICA.[5]Novel controllers for the 48-pulse VSC STATCOM and SSSC for VoltageRegulation : M. S. El-Moursi and A. M. Sharaf, Senior Member, IEEE , IEEEtransactions on power systems, Vol. 20, No.4, November 2005.Application of STATECOM for damping torsional oscillation in seriescompensated AC systems: By K.V Patil, J. Senthil, J.Jiang R.M.Mathur:IEEE Transactions on energy conversion, Vo.,13 No. 3, September 1998.How FACTS controllers benefits AC transmission systems: John J. Paserba,Fellow IEEE.How FACTS improve the performance of electrical grid: Rolf Grunbaum,Ake Petersson, Bjom Thorvaldsson (ABB Review 3/2002).Improved statecom model for power flow analysis: Zhiping Yang, chen shen,Maresa L. Crow, Lingli Zhang. Pg 1121-1126 IEEE-2000.[10] Investigation of voltage regulation stability of static synchronous compensatorin power system: Li chum, Jiang Qirong, Xu Jianxin. Pg 2642-2647 IEEE-2000.[11] Modeling STATCOM into power system: H.F.Wang Uiniversity of bath,Bath BA2 7AY, UK.[12] Selection of passive elements for a three-level inverter based staticsynchronous compensator: By J.B. Ekanayake, N.Jenkins: IEEE Transactionon Power delivery, vol. 14, no 2, April 1999.[13] This demonstration illustrates operation of a +100 Mvar/-100 Mvar 48-pulseGTO STATCOM: P. Giroux ; G. Sybille (Hydro-Quebec).[14] A Novel Controller Based 48-Pulse STATCOM for Reactive PowerCompensation and Voltage Stabilization in High Voltage Applications:S.M. Padmaja, Dr. G. Tulasiram Das, Pro. Of Int. Conf on Advances inElectrical and Electronics 2010.[15] Detailed analysis of a multi-pulse STATCOM: Ricardo Dávalos Marín.