NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỤ BÙ DỌC 500KV
ĐẾN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT
NAM VÀ GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG TCSC ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU QUẢ VẬN HÀNH
A STUDY OF THE IMPACT OF 500KV SERIES CAPACITOR ON VOLTAGE
STABILITY OF VIETNAM POWER SYSTEM AND TCSC APPLICATION TO
IMPROVE THE OPERATION EFFECT
ĐINH THÀNH VIỆT
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
LÊ HỮU HÙNG
Công ty Truyền tải Điện 2 – EVN
TÓM TẮT
Bài báo trình bày ảnh hưởng của tụ bù dọc 500kV đến ổn định điện áp của hệ thống điện Việt
Nam và giải pháp ứng dụng thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC (Thyristor-
Controlled Series Capacitor) để nâng cao hiệu quả vận hành. Các kết quả phân tích được
thực hiện cho 1 số ngày đặc trưng trong các năm 2005-2006.
ABSTRACT
This paper presents the impact of 500kV series capacitor on voltage stability of Vietnam
power system and TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitor) application to improve the
operation effect. Analysis results are performanced for some typical days during 2005-2006.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hệ thống điện (HTĐ) 500kV Việt Nam được đưa vào vận hành từ ngày 27/5/1994 đã mang lại
hiệu quả rất lớn trong việc truyền tải và cung cấp điện. Hiện nay lưới điện 500kV có chiều dài đường
dây 500kV là 3466km và 10 trạm biến áp với tổng công suất là 6150MVA. Trên các đoạn đường dây
500kV có khoảng cách lớn đều lắp đặt tụ bù dọc (TBD) ở hai đầu trạm biến áp với mức độ bù là 60%.
Công suất truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, công suất trên đường dây 500kV Pleiku –
Đà Nẵng khoảng 1500MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở
các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường ở mức thấp. Vì vậy trong chế độ vận hành
này trạng thái làm việc của tụ bù dọc 500kV ảnh hưởng nhiều đến ổn định điện áp của hệ thống điện.
Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải
điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) có khả năng thay đổi nhanh,
liên tục điện kháng bù dọc. Vì vậy giải pháp ứng dụng lắp đặt TCSC tại điểm nút quan trọng của lưới
điện 500kV là một trong những giải pháp hữu hiệu để nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện
Việt Nam.
2. CÁC TÁC DỤNG CỦA TỤ BÙ DỌC VÀ MÔ HÌNH TCSC
2.1 Các tác dụng của tụ bù dọc
Mô hình hệ thống điện đơn giản có tụ điện mắc nối tiếp trên đường dây được cho ở hình 1.
U2
2
xcxL
1
U1
Hình 1. Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp
Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc:
sin
21
CL XX
UU
P
(1)
Khi có tụ bù dọc mắc nối tiếp vào đường dây có dung kháng XC thì sẽ làm tăng khả năng tải
của đường dây do điện kháng của đường dây giảm xuống.
Khi có tụ bù dọc thì CL
gh XX
UU
PP
21
max sẽ tăng lên do đó độ dự trữ ổn định tĩnh tăng lên.
Khảo sát các đường đặc tính công suất P(δ) như ở hình 2.
a1
o
0
PT
cmax
2
3
a2
Pmax
P
1
1
P
Pmax
a2 3
2
maxc
PT
0o
a1
(a) (b)
Hình 2. Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc (b)
Từ (1) nhận thấy rằng khi (XL - XC) giảm thì các đường đặc tính công suất P(δ) khi xảy ra sự
cố (2) và sau khi xảy ra sự cố (3) sẽ được nâng cao. Khi 2 đường đặc tính này nâng cao thì diện tích
tăng tốc A1 sẽ giảm xuống, còn diện tích hãm tốc A2 sẽ tăng lên. Như vậy độ dự trữ ổn định động sẽ
được tăng lên khi đường dây có tụ bù dọc [1, 2].
Tụ bù nối tiếp còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền
tải gây ra. Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do
tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra tỷ lệ thuận với bình phương
dòng điện QC=3I2XC). Khi tải tăng cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn, nhưng lúc này điện áp thanh cái
vẫn không bị sụt giảm mạnh do xuất hiện lượng công suất phản kháng của tụ bù dọc tỉ lệ thuận với
bình phương dòng điện.
2.2 Mô hình TCSC
TCSC là 1 dung kháng điều khiển nối tiếp có thể cho phép điều khiển liên tục công suất với
một dải rộng trên đường dây truyền tải điện xoay chiều. Nguyên lý của bù nối tiếp có điều khiển là
làm tăng điện áp tần số cơ bản qua tụ cố định bằng cách thay đổi góc mở
thích hợp. Điện áp gia
tăng này làm thay đổi giá trị dung kháng nối tiếp. Mô hình TCSC được trình bày như ở hình 3.
Hình 3. Mô hình TCSC (a) Mô hình cơ bản; (b) Mô hình thực tế
+
t
2
-
t
1
i
line
i
C
L
S
i
T
C
CB
+
-
C
t
2
t
1
L
S
L
d
(
a)
(
b)
Trong đó:
T1, T2: Thyristor,
Ls: Cuộn kháng bù nối vào mạch thyristor,
CB: Máy cắt,
MOV (Metal-Oxide-Varistor): Biến trở kim loại-ôxit,
Lcf: cuộn kháng cản dịu,
Ic: dòng điện qua tụ bù dọc C
IT: dòng điện qua mạch thyristor,
Iline: dòng điện trên đường dây.
Tổng trở tương đương Ztđ của mạch LC:
L
Cj
Ztđ
1
1
(2)
Nếu C - (1/L) > 0 hay L > (1/C) nghĩa là điện kháng của tụ C nhỏ hơn điện kháng của
cuộn cảm nối song song và mạch LC cho một điện kháng có tính dung thay đổi. Hơn nữa, điện kháng
cuộn cảm biến đổi làm cho điện kháng tính dung tương đương của mạch kết hợp LC lớn hơn cả dung
kháng của bản thân tụ C.
Nếu C - (1/L) = 0 thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng, tổng trở tương đương không xác định.
Đây là trạng thái không chấp nhận được.
Nếu C - (1/L) < 0, mạch kết hợp LC cho cảm kháng tương đương lớn hơn điện kháng của
cuộn cảm. Tình huống này tương ứng với chế độ cảm kháng vernier trong hoạt động của TCSC.
Trong chế độ dung kháng thay đổi của TCSC, khi điện kháng của cuộn cảm biến thiên tăng
lên thì điện kháng tính dung tương đương giảm xuống dần. Giá trị nhỏ nhất của điện kháng tính dung
tương đương khi điện kháng của cuộn cảm rất lớn hoặc khi cuộn cảm biến thiên bị hở mạch lúc này
giá trị bằng với điện kháng của chính tụ C.
Dòng điện đi qua cuộn cảm được xác định theo công thức [4, 5]:
t
k
tI
k
k
ti rmT
cos
cos
cos
cos
1
)( 2
2
(3)
với LC
r
1
L
Cr
X
X
CL
k
11
XC là điện kháng định mức của tụ cố định C.
Điện áp tụ ở trạng thái vận hành bình thường tại thời điểm
t = -
là:
)tancos(sin
1
2
1
kk
k
XI
vCm
C
(4)
Tại t= ; iT = 0, điện áp tụ được xác định:
12
)( CCC vvtv
(5)
Điện áp tụ sau khi tính toán là:
)sin
cos
cos
sin(
1
)( 2t
k
kt
k
XI
tv r
Cm
C
;
t (6)
)sin(sin)( 2
tXIvtv CmCC ;
t (7)
Điện kháng TCSC tương đương XTCSC được tính theo tỉ số của VCF và Im:
tantan
)1(
cos
)(
42sin2
)( 2
2
22
k
kXX
X
XX
X
X
I
V
X
LC
C
LC
C
C
m
CF
TCSC ; (8)
Điện kháng của TCSC trên đơn vị XC được biểu thị bằng Xnet = XTCSC / XC là:
)2/tan()2/tan(
)1(
)2/(cos
)(
4
sin
)(
12
2
kk
k
XX
X
XX
X
X
LC
C
LC
C
net ; (9)
Sự biến đổi của điện kháng TCSC theo góc mở được thể hiện ở hình 4.
-1.5
100 110 120 130 140 150 160 170 180
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
Capacitive
Induc tive
(deg.)
XTCSC (pu on Xc)
Hình 4: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở α
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA TỤ BÙ DỌC ĐẾN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ HIỆU QUẢ CỦA TCSC
3.1 Ảnh hưởng của tụ bù dọc 500kV đến ổn định vận hành HTĐ Việt Nam
3.1.1 Kết quả tính toán ở chế độ cao điểm tối ngày 17/5/2005
Tính toán trào lưu công suất HTĐ Việt Nam bằng chương trình PSS/E [3, 6]. Điện áp tại các
thanh cái 500kV trong các chế độ vận hành ngày 17/5/2005 như sau:
Thanh cái Điện áp vận hành bình
thường (kV) Điện áp khi nối tắt 1
TBD (kV) Điện áp khi nối tắt 2 TBD
(kV)
Hoà Bình 478,29 478,87 479,70
Hà Tĩnh 475,01 476,17 459,12
Đà Nẵng 476,47 464,11 456,79
Pleiku 487,29 479,42 474,75
Như vậy khi có 2 tụ bù dọc bị nối tắt (TBD tại Đà Nẵng của đường dây Đà Nẵng–Hà Tĩnh và
TBD tại Hà Tĩnh của đường dây Hà Tĩnh–Hoà Bình) thì điện áp của thanh cái Hà Tĩnh và Đà Nẵng
dao động mạnh và tụt xuống quá thấp gần với giới hạn dưới của điện áp cho phép vận hành ở chế độ
sự cố. Đồ thị điện áp quá độ của các thanh cái Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku thể hiện ở hình 2.6.
Hình 2.6. Đồ thị điện áp quá độ ở chế độ cao điểm nối tắt 2 TBD ngày 17/5/2005
3.1.2 Kết quả tính toán ở chế độ cao điểm tối của ngày 31/6/2006
Điện áp tại các thanh cái 500kV trong các chế độ vận hành khi đường dây Đà Nẵng – Pleiku
vận hành một mạch với công suất theo chiều từ Nam ra Bắc là 1300MW ngày 31/6/2006:
Thanh cái Điện áp vận hành bình
thường (kV) Điện áp khi nối tắt 1
TBD (kV) Điện áp khi mới nối tắt
2 TBD (kV)
Hoà Bình 480,27 481,19 463,69
Hà Tĩnh 483,29 485,16 448,21
Đà Nẵng 476,92 471,96 422,33
Pleiku 490,28 487,98 459,77
Ở chế độ vận hành này khi có 2 tụ bù dọc bị nối tắt (TBD tại Đà Nẵng của đường dây Đà
Nẵng–Hà Tĩnh 2 và TBD tại Đà Nẵng của đường dây Đà Nẵng – Pleiku) thì hệ thống mất ổn định
đồng bộ dẫn đến sụp đổ điện áp. Đồ thị điện áp quá độ biểu diễn sụp đổ điện áp như hình 2.8
Hình 2.8. Đồ thị điện áp quá độ của các thanh cái Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku trong chế độ đường dây
Đà Nẵng – Pleiku vận hành 1 mạch và 2 bộ tụ bù dọc nối tắt
3.2 Hiệu quả của TCSC khi lắp đặt trong HTĐ Việt Nam
Tính toán trào lưu công suất HTĐ Việt Nam khi giả thiết có lắp đặt TCSC tại trạm biến áp
500kV Đà Nẵng trên đường dây 500kV Đà Nẵng-Pleiku. Điện áp tại các thanh cái 500kV trong các
chế độ vận hành ngày 31/6/2006 như sau:
Thanh cái Điện áp vận hành
bình thường (kV) Điện áp khi nối
tắt 2 TBD (kV)
Điện áp khi nối tắt
2 TBD và
XTCSC=2,5XC (kV)
Điện áp khi nối
tắt 2 TBD và
XTCSC=3XC (kV)
Hoà Bình 480,27 475,93 486,87 488,80
Hà Tĩnh 483,29 473,94 497,11 501,19
Đà Nẵng 476,92 456,75 488,01 493,52
Pleiku 490,28 474,35 490,54 493,91
Như vậy khi có TCSC lắp đặt tại vị trí TBD Đà Nẵng của đường dây Đà Nẵng – Pleiku thì
điện áp tại thanh cái Đà Nẵng được cải thiện rất nhiều và điện áp tại thanh cái Hà Tĩnh cũng tăng lên
đến điện áp định mức. Điện áp được cải thiện phụ thuộc vào điện kháng của TCSC, với trị số XTCSC -
nhỏ thì điện áp tăng lên không nhiều nên ít hiệu quả, còn với trị số XTCSC lớn quá thì hiệu quả điều
khiển của TCSC rất thấp, chỉ với trị số XTCSC vừa phải tương ứng với sự gia tăng điện áp khá cao thì
mới có hiệu quả tốt nhất. Căn cứ kết quả tính toán thì nên tính chọn TCSC có trị số điện kháng cao
nhất có thể điều khiển được bằng khoảng 3 lần trị số dung kháng của tụ bù dọc cố định.