Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ lọc để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện. Cơ sở của nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn các nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để phòng tránh hiện tượng cộng hưởng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 7, 2020 47 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘ LỌC ĐỂ LOẠI TRỪ SỰ CỐ CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ, ÁP DỤNG CHO LƯỚI ĐIỆN IEEE FIRST BENCHMARK USING THE BLOCKING FILTER TO PREVENT SUBSYNCHRONOUS RESONANCE, APPLICATION TO IEEE FIRST BENCHMARK SYSTEM Lê Đức Tùng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; tung.leduc1@hust.edu.vn Tóm tắt - Bài báo này trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ Abstract - This paper presents the method of using the blocking lọc để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống filters to prevent subsynchronous resonance problems in electrical điện. Cơ sở của nghiên cứu xuất phát từ yêu cầu ngăn chặn các power systems. The basis of the study stems from the requirement nguồn sóng có tần số thấp từ lưới điện truyền vào máy phát để to prevent low frequency wave sources from the grid to the phòng tránh hiện tượng cộng hưởng. Tác giả đã xây dựng thuật generator, to avoid resonance. The author has developped an toán xác định thông số bộ lọc để loại bỏ các tần số có khả năng algorithm to define filter parameters to eliminate frequencies that gây ra dao động cộng hưởng trên các đoạn trục tuabin-máy phát. can cause resonant oscillations on turbine-generator shaft Kết quả tính toán trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark đã sections. The calculation results on the IEEE First Benchmark kiểm nghiệm được hiệu quả phương pháp sử dụng bộ lọc đề xuất standard model have tested the efficiency of the filter method trong bài báo này. Các phân tích tính toán thông qua phương pháp proposed in this paper. The computational analysis through the trị riêng và phương pháp mô phỏng miền thời gian cũng được thực eigenvalue methods and the time domain simulation are also hiện và so sánh đánh giá. performed and compared. Từ khóa - Ổn định hệ thống điện; cộng hưởng dưới đồng bộ Key words - Power system stability; SubSynchronous Resonance (SSR); tuabin-máy phát nhiệt điện; bộ lọc thụ động. (SSR) ; thermal turbine-generator; passive filter. 1. Đặt vấn đề Chính vì cấu tạo gồm nhiều đoạn trục – khối nên bản thân Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đoạn trục có các tần số dao động tự nhiên của chính nó. các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như thiết bị Để tránh các hiện tượng cộng hưởng ở tần số cao, người ta điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được kết nối với nhau, thường chế tạo các đoạn trục tuabin có tần số tự nhiên nằm có nhiệm vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng. trong khoảng từ 10 đến 40 Hz đối với nhà máy nhiệt điện Đặc điểm cơ bản của hệ thống điện là quá trình quá độ xảy và dưới 10 Hz đối với nhà máy thủy điện [1-3]. Khi tần số ra rất nhanh, yêu cầu rất cao về tính liên tục và hoạt động fm có giá trị gần với một tần số dao động tự nhiên nào đó ổn định. Do đó, việc nghiên cứu quá trình quá độ cơ điện của trục thì trục sẽ dao động ở tần số tự nhiên này nhưng có ý nghĩa quan trọng để đảm bảo vận hành hệ thống điện với biên độ tăng dần và trở thành hiện tượng cộng hưởng. đảm bảo được yêu cầu đề ra. Các nhà nghiên cứu gọi hiện tượng này gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ có thể gây ra mỏi trục và nguy hiểm hơn là Nhà máy điện là các cơ sở công nghiệp làm nhiệm vụ gây phá hủy hoặc hỏng hóc trục tuabin máy phát. sản xuất ra điện năng từ các dạng năng lượng tự nhiên khác nhau như nhiệt năng của than khi đốt cháy, phản ứng hạt nhân, thế năng từ nước, năng lượng gió… Máy phát điện là thiết bị cơ điện, được kết nối với hệ thống điện. Do đó, hoạt động của máy phát chịu ảnh hưởng rất lớn từ các phát sinh bất thường trong hệ thống. Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR được ghi nhận trên thế giới lần đầu tiên bắt nguồn từ các sự cố tại Hình 1. Trục tuabin nhà máy nhiệt điện Vũng Áng nhà máy nhiệt điện Mohave, Hoa Kì vào hai năm liên tiếp Trước năm 2015, hệ thống điện Việt Nam chưa có ghi 1970, 1971 [1]. Sự cố đã gây hư hỏng nghiêm trọng trục nhận cụ thể về sự xuất hiện của hiện tượng SSR. Tuy nhiên tuabin máy phát. Khi phân tích các dữ liệu thực tế sự cố ghi vào năm 2015, tổ máy số một của nhà máy nhiệt điện Vũng lại bởi các thiết bị đo (Oscillographs), người ta nhận thấy, Áng đã xảy ra sự cố gây nứt trục tuabin và ngừng hoạt động ngoài dòng điện ở tần số đồng bộ còn có sự xuất hiện của tổ máy. Tuy chưa có báo cáo chính thức về sự cố trên thành phần tần số điện fe nhỏ hơn tần đồng bộ. Khi nghiên nhưng các phân tích sơ bộ đã chỉ ra rằng, nguyên nhân là cứu chi tiết các giá trị tần số thu được, các nhà nghiên cứu do hiện tượng SSR. đã tìm thấy giá trị tần số phụ fm =fs –fe, mà fm trùng với một Hiện tượng SSR đã và đang được nghiên cứu rộng rãi tần số dao động tự nhiên của trục tuabin (ở đây, fs là tần số trên thế giới [1-13]. Ở trong nước, những năm gần đây có đồng bộ của hệ thống điện) [1]. Nghiên cứu lý thuyết đã nhiều nghiên cứu được thực hiện. Trong [2, 3], tác giả đã xây chỉ ra rằng, sự xuất hiện của tần số điện fe là do tụ bù dọc dựng mô hình chuẩn trong các công cụ tính toán phục vụ cho trên đường dây gây nên [1, 2]. việc tính toán mô phỏng SSR. Các phương pháp nghiên cứu Mặt khác, như ta đã biết trong trục tuabin máy phát về SSR cũng được xem xét và phân tích [2, 4]. Một số giải nhiệt điện có nhiều đoạn trục nối giữa các khối như tuabin pháp đã được đề xuất như thay thế tụ bù dọc bằng thiết bị bù cao áp, hạ áp, roto máy phát, kích từ với nhau (Hình 1). công suất phản kháng linh hoạt để loại trừ SSR [5].
48 Lê Đức Tùng Bài báo này trình bày phương pháp sử dụng bộ lọc thụ (hình 4), cụ thể là điểm cuối phía trung tính của cuộn dây động để loại trừ sự cố SSR trong hệ thống điện. Phương cao áp máy biến áp (Hình 5) [6]. pháp này vẫn cho phép sử dụng tụ bù dọc trên đường dây 1.2. Lựa chọn thông số bộ lọc để loại trừ SSR để nâng cao khả năng truyền tải và độ ổn định hệ thống. Bộ Phương pháp sử dụng bộ lọc để loại trừ SSR xuất phát lọc thụ động áp dụng cho việc giảm thiểu tác hại của SSR. từ nguồn tác nhân tạo ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng 1.1. Cấu tạo và nguyên lý của bộ lọc bộ là dòng điện có tần số điện fe gây ra bởi tụ bù dọc. Như Một bộ lọc gồm cuộn cảm L, điện trở R và tụ C. Được vậy, chỉ cần tìm cách chặn dòng điện ở tần số này bằng nối với nhau như hình 2. cách lắp bộ lọc thụ động nối tiếp trước máy phát. Mỗi đoạn L R trục tuabin của máy phát nhiệt điện có một tần số dao động tự nhiên. Do đó, để ngăn chặn cộng hưởng thì mỗi đoạn trục này cần được bảo vệ bởi một bộ lọc riêng biệt. Chúng id i q C ta hãy xem xét phương pháp xác định thông số bộ lọc gồm các giá trị R, L và C [6, 7]. Ud U q Hình 2. Các phần tử của bộ lọc thụ động Chức năng của bộ lọc là tạo ra tổng trở có giá trị cao đối với một dòng điện có tần số cần chặn, nhưng lại tạo tổng trở thấp đối với dòng điện có tần số khác (Hình 3). Như vậy, ta cần số bộ lọc bằng với số “Mode” của trục tuabin. Hình 3. Tổng trở của một bộ lọc theo tần số HT MF BL Hình 4. Bộ lọc nối tiếp với máy phát (BL: Bộ lọc) MBA A B HT Hình 6. Sơ đồ quy trình tính toán thông số bộ lọc MF HV C D Tổng trở nhìn từ hai đầu bộ lọc được xác định như sau: LV 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 𝑍(𝜔) = (𝐿𝑛𝑡𝑅)//𝐶 = (1) 1 + 𝑗𝜔𝑅𝐶 − 𝜔 2 𝐿𝐶 A B C Khi R nhỏ, 𝑍(𝜔) lớn nhất tại tần số cộng hưởng K K K 1 𝜔𝑝 = (2) XC1 XL1 XC1 XL1 XC1 XL1 √𝐿𝐶 R1 R1 R1 Khi đó, tại tần số cộng hưởng 𝜔𝑝 , tổng trở có giá trị: 𝑅 + 𝑗𝜔𝑝 𝐿 n=n Mode XCn XLn XCn Rn XLn XCn Rn XLn Rn 𝑍𝑝 = 𝑗𝜔𝑝 𝑅𝐶 (3) Khi 𝜔0 𝐿 >> 𝑅, ta có (Q lớn): Hình 5. Vị trí lắp đặt bộ lọc 𝐿 𝑍𝑝 = (4) Để ngăn chặn sóng có tần số thấp chạy vào máy phát, 𝑅𝐶 bộ lọc được đặt nối tiếp ở giữa máy phát và hệ thống điện Trong đó, Q là hệ số chất lượng của cuộn kháng:
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL. 18, NO. 7, 2020 49 2𝜋𝑓𝑜 𝐿 thuận lợi vì thông số đã cho rất phù hợp với thông số thực tế, 𝑄= (5) hơn nữa IEEE cũng đã đưa ra kết quả nghiên cứu sơ bộ, từ đó 𝑅 giúp cho các nhà nghiên cứu có cơ sở để so sánh và kiểm tra Tổng trở tại tần số cơ bản: kết quả làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo. Thông số 𝜔0 𝐿 của mô hình được giới thiệu trong Bảng 1 và Bảng 2 [8]. 𝑍𝑓𝑜 = − 𝜔 (6) 0 −1 Mô hình này gồm một máy phát, tuabin gồm 6 khối HP, 𝜔𝑝 IP, LPA, LPB, GEN và EXC, nối tiếp với một máy biến áp Chúng ta nhận thấy: giá trị L lớn dẫn tới tổng trở tại tần tăng áp, một đường dây có gắn tụ bù dọc và cuối cùng là số cộng hưởng 𝑍𝑝 lớn (bộ lọc hoạt động hiệu quả), tuy nút vô cùng lớn. Như vậy, đối với mô hình FBM, trục nhiên lại dẫn tới tổng trở tại tần số cơ bản 𝑍𝑓𝑜 tăng theo. tuabin - máy phát có 5 Mode và sẽ phải dùng 5 bộ lọc để Điều này giống như việc tăng mức độ bù của tụ bù dọc [6]. loại bỏ các tần số dao động riêng như trong Bảng 3 [4]. Giá trị điện trở R càng nhỏ thì Q càng lớn, tuy nhiên Bảng 3. Tần số dao động tự nhiên của trục tuabin máy phát trong thực tế Q có giá trị lý tưởng là nằm trong khoảng từ Mode Phần ảo của trị riêng Tần số dao động (Hz) 50 đến 200 [7]. Mode 1 98,71 15,71 Hình 6 trình bày sơ đồ thuật toán xác định thông số cho Mode 2 126,98 20,21 bộ lọc với đầu vào là tần số tự nhiên của các đoạn trục tuabin. Mode 3 160,53 25,55 Mode 4 202,88 32,29 2. Áp dụng cho mô hình chuẩn IEEE Mode 5 298,19 47,46 2.1. Trị riêng và véc-tơ riêng khi dùng bộ lọc Bảng 4. Kết quả tính toán thông số bộ lọc L (H) C (F) R (Ôm) Bộ lọc Mode 1 0,026362994 0,000489862 0,033128715 Bộ lọc Mode 2 0,018873138 0,000847755 0,023716684 Bộ lọc Mode 3 0,055101344 0,000387279 0,069242391 Bộ lọc Mode 4 0,043281793 0,000761913 0,054389505 Hình 7. Sơ đồ mô hình First BenchMark Bộ lọc Mode 5 0,1405641 0,001145233 0,176638058 Bảng 5. Kết quả tính trị riêng khi có bộ lọc Bậc trị Phần thực trị Phần ảo trị Tần số riêng riêng riêng (Hz) 1,2 -1,4667 ±12324,000 1961,43 3,4 -0,7413 ±10778,000 1715,37 5,6 -1,1087 ±11687,000 1860,04 Hình 8. Sơ đồ trục tuabin mô hình First BenchMark 7,8 -1,0918 ±11456,000 1823,28 Bảng 1. Thông số lưới mô hình First BenchMark [8] 9,10 -4,5803 ±5534,900 880,91 Thành phần Thành phần 11,12 -5,2121 ±4578,800 728,74 Thông số thứ tự thuận thứ tự không 13,14 -2,7809 ±686,690 109,29 Điện trở đường dây 0,02 0,5 15,16 -1,1588 ±640,850 101,99 Điện kháng của MBA 0,14 0,14 17,18 -1,0971 ±617,540 98,28 Điện kháng đường dây 0,5 1,56 19,20 -1,1332 ±579,440 92,22 Điện kháng hệ thống 0,06 0,06 21,22 -1,0723 ±538,900 85,77 Kháng của tụ điện (ứng với 23,24 -0,6283 ±551,130 87,72 0,371 0,371 trường hợp bù 74,2%) 25,26 -0,0000 ±298,180 47,46 Bảng 2. Thông số tuabin mô hình First BenchMark [8] 27,28 -0,9674 ±214,980 34,22 Hằng số quán Độ cứng K 29,30 -0,0266 ±202,920 32,30 Quán tính Khối trục tính (H) (pu) 31,32 -0,6283 ±202,850 32,28 Khối HP 0,092897 HP-IP 33,34 -0,9654 ±174,470 27,77 19,303 Khối IP 0,155589 IP-LPA 35,36 -0,0267 ±160,580 25,56 34,929 Khối LPA 0,858670 LPA-LPB 52,038 37,38 -0,8771 ±136,360 21,70 Khối LPB 0,884215 LPB-GEN 70,858 39,40 -0,1080 ±127,010 20,21 Khối GEN 0,868495 GEN- 2,82 41,42 -0,8648 ±112,800 17,95 Khối EXC 0,0342165 EXC 43,44 -0,0410 ±99,034 15,76 Mô hình chuẩn First BenchMark (FBM) được IEEE xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới 45,46 -0,5267 ±67,643 10,77 đồng bộ (Hình 7). Việc nghiên cứu trên mô hình chuẩn rất 47,48 -1,2655 ±14,973 2,38
50 Lê Đức Tùng 49 -20,5040 0 0 3. Kết luận 50 -33,5420 0 0 Trong bài báo này, tác giả đã trình bày phương pháp sử 51 -3,8721 0 0 dụng bộ lọc thụ động để ngăn ngừa sự cố cộng hưởng dưới 52 -0,4833 0 0 đồng bộ trong hệ thống điện. Nguyên lý hoạt động và sơ đồ thuật toán xác định thông số bộ lọc cũng đã dược giới Áp dụng thuật toán theo sơ đồ hình 6, chúng ta xác định thiệu. Các kết quả tính toán với mô hình chuẩn của IEEE được thông số của 5 bộ lọc như bảng 4. Các trị riêng và véc- đã minh chứng được tính đúng đắn, tính khả quan của tơ riêng (Bảng 5) cho thấy, tất cả các phần thực của trị riêng phương pháp được đề xuất. Cả phương pháp trị riêng và đều âm, tức mọi trị riêng đều nằm bên trái trục ảo. Theo tiêu phương pháp mô phỏng trong miền thời gian đều cho cùng chuẩn ổn định, ta có thể kết luận hệ thống ổn định hay nói một kết quả, khẳng định bộ lọc có thể được sử dụng để cách khác, hiện tượng SSR sẽ không xảy ra khi lắp bộ lọc. ngăn ngừa sự cố SSR. Các nghiên cứu áp dụng bộ lọc để 2.2. Mô phỏng trong miền thời gian loại trừ SSR vào hệ thống điện Việt Nam sẽ được đầu tư Tác giả sử dụng công cụ mô phỏng EMTP tiến hành mô phát triển trong thời gian tới. hình hoá sơ đồ IEEE FBM và xây dựng mô hình 5 bộ lọc với thông số như Bảng 4. Kịch bản mô phỏng và có kích Lời cảm ơn: Tác giả gửi lời cảm ơn sinh viên Lê Gia Thi thích ngắn mạch tại nút 3 (Hình 7) ở thời điểm 0,1s trong (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) đã hỗ trợ tính toán khoảng thời gian 0,075s với các trường hợp bù khác nhau, cho nghiên cứu này. trước và sau khi lắp bộ lọc. TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết quả mô phỏng như Hình 9 là phù hợp với kết quả [1] D. N. Walker, C. E. Bowler, R.L Jackson and D.A Hodges, “Results IEEE đã đưa ra. Biên độ dao động momen giữa các trục có of subsynchronous resonance test at Mohave”, IEEE Transactions xu hướng tăng lên nhiều lần (dạng cộng hưởng) sau sự cố. on PAS. Sept/Oct, pp. 1878- 1889, 1975. Như vậy SSR đã xảy ra. [2] Lê Đức Tùng, "Mô phỏng các mô hình chuẩn IEEE trong ATP/EMTP phục vụ cho nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ", Tạp chí khoa học-công nghệ các trường kỹ thuật, 110, 1-6, 2016. [3] T.N. Minh, L.Đ. Tùng, N.H. Việt, N.T. Đức và L.G. Thi “Xây dựng mô hình máy phát - turbine nhiệt điện trong Matlab phục vụ nghiên cứu cộng hưởng tần số dưới đồng bộ”, Tạp chí KH&CN - Đại học Đà Nẵng, 5(114), trang 61-65, 2017. [4] Lê Đức Tùng, "Phương pháp trị riêng trong phân tích hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ. Áp dụng cho mô hình IEEE FIRST BENCHMARK", Tạp chí khoa học&công nghệ- Đại học Thái Nguyên, 6, trang 229-236, 2020. [5] T. V. Dinh, H. A. Nguyen, and C. Q. Le, “Selection of Facts device to prevent Subsynchronous resonance at Vung Ang I, II Thermal Power Plants”, (in Vietnamese), DU Journal of Science and Technology, 7, pp. 71-75, 2015. [6] Xiaorong Xie, “Applying Improved Blocking Filters to the SSR Hình 9. Mô-men (pu) trên các trục khi bù 74,2% (không có bộ lọc) Problem of the Tuoketuo Power System”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 28, No.1, February 2013. [7] D.J.N. Limebeer, R.G. Harley, M.A. Lahoud, Suppressing subsynchronous resonance with static filters, IEE. PROC, Vol. 128, Pt. Q No. 1, January 1981. [8] IEEE SSR Task Foree, “First Benchmark Model For Computer Simulation of Subsynchronous Resonance”, IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, 96(4), pp.1565-1572, 1977. [9] ZHANG Zhi-qiang and XIAO Xiang-ning, “Analysis and Mitigation of SSR Based on SVC in Series Compensated System”, 2009 International Conference on Energy and Environment Technology (2009). [10] IEEE SSR Task Foree, “Second Benchmark Model For Computer Simulation of Subsynchronous Resonance”. IEEE Trans on Power Apparatus and Systems, pp. 1057-1066, 1985. [11] P.M. Andreson, B.L. Agrawal, J.E. Van Ness, “Subsynchronous Resonance In Power Systems”, IEEE PRESS, pp. 9-18, 1990. Hình 10. Mô-men (pu) trên các trục khi bù 74,2% [12] L. Dong, J. Kong, J. Feng and Y. Zhang, "Subsynchronous (khi lắp bộ lọc) Resonance Mitigation for Series Compensation Transmission System of DFIG Based on PR Control”, 2019 IEEE 10th Khi lắp bộ lọc, kết quả mô phỏng ở Hình 10 cho thấy, International Symposium on Power Electronics for Distributed dao động mômen giữa các trục có xu hướng tắt dần. Như Generation Systems (PEDG), pp. 734-738, 2019. vậy, cùng với một kịch bản, SSR đã không xảy ra đối với hệ [13] X. Yanhui and S. Ge, "Effect of shaft parameter uncertainty on thống được lắp bộ lọc. Kết quả mô phỏng này cũng phù hợp subsynchronous resonance simulation”, 2012 Power Engineering and Automation Conference, Wuhan, pp. 1-4, 2012. với kết quả của phương pháp trị riêng đã đưa ra ở Mục 3. (BBT nhận bài: 08/6/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 07/7/2020)