Nghiên cứu sử dụng thiết bị UPFC để điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải thuộc hệ thống điện Việt Nam

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG THIẾT BỊ UPFC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN DÒNG CÔNG SUẤT TRÊN CÁC ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI THUỘC HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM RESEARCH ON APPLICATION OF UPFC TO CONTROL POWER FLOW ON THE TRANSMISSION LINES OF VIETNAM ELECTRICAL POWER SYSTEM NGÔ VĂN DƯỠNG Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày việc nghiên cứu mô hình tính toán của thiết bị UPFC để xây dựng chương trình mô phỏng điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải. Sử dụng chương trình để tính toán xây dựng các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ của dòng công suất trên đường dây với các thông số điều khiển của thiết bị, qua đó đánh giá khả năng áp dụng cho hệ thống điện (HTĐ) Việt Nam. ABSTRACT This article presents the research calculation models of UPFC to make simulation software to control power flow on the transmission lines. The software is used to show the relationship between the power flow on the transmission lines with the controller parameters of UPFC, which helps evaluate the possibility of using this device in Vietnam electrical power system. 1 Đặt vấn đề Nhu cầu năng lượng toàn cầu nói chung và Việt Nam nói riêng ngày một gia tăng trong đó năng lượng điện đóng vai trò quan trọng. Để đáp ứng nhu cầu trên Hệ thống điện (HTĐ) cũng ngày càng phát triển và mở rộng, nhiều đường dây truyền tải điện dài điện áp siêu cao được hình thành để liên kết các HTĐ của nhiều khu vực với nhau. Vai trò của các đường dây này vừa làm nhiệm vụ liên kết để hình thành HTĐ lớn, vừa làm nhiệm vụ truyền tải và trao đổi công suất giữa các khu vực nhằm đảm bảo vận hành kinh tế và nâng cao độ tin cậy cho HTĐ. Đối với Việt Nam, năm 1994 đã hoàn thành việc xây dựng đường dây 500 kV mạch 1 liên kết HTĐ của ba miền Bắc, Trung, Nam thành HTĐ hợp nhất Việt Nam. Qui hoạch đến năm 2020 HTĐ 500 kV sẽ mở rộng để liên kết các nhà máy điện lớn như Quảng Ninh, Mông Dương, Sơn La ở miền Bắc, Phú Mỹ, Ô Môn ở miền Nam, đồng thời cung cấp điện cho các trung tâm phụ tải lớn như khu lọc dầu Dung Quất ở miền Trung, các khu công nghiệp lớn ở miền Bắc và miền Nam và trong tương lai sẽ có sự liên kết để thực hiện việc mua bán điện với HTĐ Trung Quốc và Lào. Công suất truyền tải trên đường dây liên kết hai HTĐ trên hình 1 xác định theo điều kiện phân bố tự nhiên như biểu thức (1). > > HT1 HT2 V11 V22 P1 + jQ1 P2 + jQ2 Z Hình 1 )1( )cos(cos )sin(sin )cos(cos )sin(sin 1212 12 21 22 22 2 2 2 1212 12 21 22 22 2 2 2 1212 12 21 11 11 2 1 1 1212 12 21 11 11 2 1 1                      Z VV Z V Q Z VV Z V P Z VV Z V Q Z VV Z V P Qua (1) cho thấy công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc vào thông số đường dây và thông số chế độ ở hai đầu đường dây. Trong thiết kế và vận hành các đường dây truyền tải luôn tìm cách điều chỉnh dòng công suất trên đường dây nhằm nâng cao khả năng tải công suất tác dụng, giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện năng và đảm bảo ổn định cho HTĐ. Một số biện pháp thường sử dụng là bù ngang và bù dọc bằng điện kháng hoặc điện dung cố định hoặc điều khiển theo cấp. Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS ra đời vào cuối thập niên 1980 [3] đã giúp cho quá trình điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng. Mỹ, Canada, Brazil... là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải., các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCR, TCSC, STATCOM và UPFC [1,2,3]. Trong đó, thiết bị UPFC (Unifile Power Flow Controller) là thiết bị có khả năng điều khiển dòng công suất trên đường dây linh hoạt nhất, nó cho phép điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và cả góc pha.Việc nghiên cứu sử dụng thiết bị nầy cho HTĐ Việt Nam trong tương lai là rất cần thiết, nhất là sử dụng trên các đường dây liên kết để trao đổi mua bán điện với các HTĐ Trung Quốc và Lào. 2 Cấu trúc và nguyên lý làm việc của thiết bị UPFC Thiết bị UPFC có cấu tạo gồm hai bộ biến đổi công suất dạng nghịch lưu áp mắc theo kiểu lưng tựa lưng liên kết qua tụ DC để dự trữ công suất như hình 2a. Công suất tác dụng có thể trao đổi theo cả hai chiều tại điểm đối nối vào HTĐ xoay chiều của mỗi bộ biến đổi và mỗi bộ biến đổi còn có khả năng cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng. Bộ nghịch lưu thứ hai (NL2) thực hiện nhiệm vụ chính của UPFC là đặt nối tiếp vào đường dây một điện áp Vpq có biên độ và góc pha điều chỉnh được. Theo giản đồ véctơ hình 2b cho thấy UPFC có thể điều khiển được môdul  2V và góc lệch  giữa  1V và  2V , như vậy có thể điều khiển được dòng công suất truyền tải trên đường dây. Bộ nghịch lưu thứ nhất (NL1) hỗ trợ hoạt động cho bộ nghịch lưu thứ hai bằng cách thực hiện đưa vào mạch DC lượng công suất tác dụng yêu cầu cho quá trình thiết lập điện áp nối tiếp trên đường dây của bộ nghịch lưu thứ hai. 3 Mô hình tính toán của thiết bị UPFC Từ nguyên lý hoạt động có thể mô tả mô V1 Vc Vpq V2 0  Hình 2b nut j Hình 3 Xnt . iV . jV nut i . ' iV . ijI . LI . ntV . ssV Xss o    V1 Vc V2 Hình 2a NL1 NL2 DC hình tính toán thiết bị UPFC gồm hai nguồn điện áp như hình 3 [4], các nguồn áp Vnt và Vss có thể điều khiển cả biên độ và góc pha. Nguồn áp nối tiếp đặt vào đường dây có thể xác định: j int eVrV ..  (2) Trong đó: 0  r  rmax và 0    2 Nguồn áp nối tiếp trên có thể được thay thế bằng một nguồn dòng Int mắc song song với đường dây truyền tải như hình 4. .. ntntnt VjbI  (3) Trong đó: bnt = 1/Xnt Nguồn dòng Int cũng có thể được mô tả bằng các nguồn công suất bơm vào hai nút i và j như hình 5, từ đó có thể xác định các dòng công suất nầy như sau: (5) (4) )( *.. *.. ntjjsjsjs ntiisisis IVjQPS IVjQPS   Thay (3) vào (4) và (5), sử dụng công thức Ơ le và một số phép biến đổi để tách riêng phần thực và phần ảo của số phức . isS và . jsS , cho phép xác định được [1]:            )cos( )sin( cos sin 2 2     jintjijs jintjijs intis intis rbVVQ rbVVP VrbQ VrbP (6) Trong thiết bị UPFC nhánh song song được sử dụng chủ yếu để cung cấp công suất tác dụng cho HTĐ thông qua bộ biến đổi nối tiếp, khi đó mô hình toán học của thiết bị UPFC ở trạng thái ổn định như hình (6). Theo [4] ta có: ntss PP 02.1 (7) Công suất biểu kiến cung cấp bởi bộ biến đổi nối tiếp được tính như sau: * .. .*..             nt ji i j ijntntntnt jX VV VreIVjQPS  Qua một số phép biến đổi có thể xác định được:  sin)sin( 2intjijintnt VrbVVrbP  (8) Công suất phản kháng của bộ biến đổi 1 (nhánh song song) không đáng kể nên có thể xem Qss=0. Xếp chồng hai mô hình từ hình 5 và hình 6 ta có mô hình tính toán của thiết bị UPFC trên hình 7, với các thành phần công suất bơm vào nút i và j như biểu thức (9): . jV Hình 4 bnt = 1/Xnt . iV nut i nut j  . ntI Pis + jQis Hình 5 Pjs + jQjs Xnt . iV . jV nut i nut j Hình 6 Pss + j0 Xnt . iV . jV nut i nut j Hình 7 Piupfc + jQiupfc Pjupfc + jQjupfc Xnt . iV . jV nut i nut j Mô hình trên hình 7 và các công thức tính toán (9) được sử dụng để thay thế thiết bị UPFC trong các sơ đồ tính toán các bài toán giải tích mạng điện. 4. Xây dựng chương trình mô phỏng điều khiển thiết bị UPFC Xét sơ đồ hệ thống điện đơn giản có lắp đặt thiết bị UPFC trên đường dây truyền tải như hình 8, chọn nút số 1 làm nút cân bằng và sử dụng chương trình CONUS để tính toán trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải. Sử dụng kết quả nghiên cứu ở mục 3 xây dựng được sơ đồ thuật toán như hình 9. HT V1 V2 V3 P4upfc + jQ4upfc P2upfc + jQ2upfc V4 P3 + jQ3 P2 + jQ2 X Hình 8 Nhập số liệu HTĐ V2=500kV; V4=500kV 2=0; 4=0 Chọn giá trị r và  Tính và cập nhật P2upfc, Q2upfc, P4upfc, Q4upfc vào file số liệu Tính chế độ xác lập bằng chương trình CONUS  42  Biểu diễn thông số VH lên mô hình mô phỏng Thay đổi r và  DỪNG r = rmoi  = moi Đ S C K Hình 9 Hình 10 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 P[MW] r =0o =15o =30o =60o =90o Hình 11 )9( )cos( )sin( cos )sin(02,1sin02,0 2 2                jijintjupfc jijintjupfc intiupfc jijintintiupfc VVrbQ VVrbP VrbQ VVrbVrbP Từ sơ đồ thuật toán xây dựng được chương trình mô phỏng điều khiển thiết bị UPFC. Khởi động chương trình màn hình mô phỏng như hình 10. Thay đổi các giá trị r và  có thể điều khiển được dòng công suất trên đường dây từ nút số 3 đưa đến nút số 2 thông qua thiết bị UPFC. Kết quả chạy chương trình đề tài đã xây dựng được các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số r và  của bộ UPFC với dòng công suất trên đường dây như hình 11 và hình 12. 5. Kết luận Qua phân tích kết cấu và nguyên lý làm việc đã xây dựng được mô hình tính toán của thiết bị UPFC như hình 7 với các dòng công suất bơm vào các nút i và j được xác định theo (9). Đây là cơ sở để đưa vào mô hình tính toán các bài toán giải tích mạng điện của các HTĐ có lắp đặt thiết bị UPFC trên các đường dây truyền tải. Bài báo đã xây dựng được chương trình mô phỏng cho phép khảo sát các chế độ làm việc của thiết bị UPFC một cách trực quan trên màn hình máy tính. Qua nghiên cứu cho thấy đối với các đường dây truyền tải có lắp đặt thiết bị UPFC, chúng ta có thể điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng trên đường dây một cách linh hoạt, ngay cả có thể khống chế được dòng công suất chạy trên đường dây cố định khi công suất phụ tải và nguồn thay đổi. Từ các đồ thị trên hình 11 và hình 12 cho thấy khí điều chỉnh =900 thì công suất phản kháng trên đường dây gần như không thay đổi và ngược lại khi điều chỉnh =00 thì công suất tác dụng gần như không thay đổi khi ta thay đổi r. Như vậy khi cần điều chỉnh dòng công suất tác dụng trên đường dây thì ta cho =00 và ngược lại khi cần điều chỉnh công suất phản kháng thì điều chỉnh =900. Với khả năng có thể khống chế được dòng công suất chạy trên đường dây theo yêu cầu, thiết bị UPFC có thể được sử dụng để lắp đặt trên các đường dây liên kết giữa HTĐ Việt Nam với các HTĐ Trung Quốc và Lào để thực hiện việc trao đổi mua bán điện trong tương lai, tuy nhiên cũng cần có sự phân tích kinh tế để so sánh với một số thiết bị khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Duy Dũng, Nghiên cứu sử dụng thiết bị UPFC nhằm nâng cao khả năng tải của đường dây truyền tải điện xoay chiều siêu cao áp, Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng, 2006. [2] Yong Hua Song and Allan T Jhons (1999), Flexible AC transmission systems (FACT), The Institution of Electrical Engineers, London, United Kingdom. [3] 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. [4] A.Mete Vural, Mehmet Tumay (2004), Analysis ang modeling of Unified power flow controller, Department of Electrical and Electronics Engineering, University of Gaziantep, Sahinbey, Gaziantep, 27310, Turkey. 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Q[MVar] r =0o =15o =30o =60o =90o Hình 12