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).
>
>
H
T1
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
2
Vvà góc lệch
giữa
1
Vvà
2
V, 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
1
c
pq
2
0
Hình 2b
nut j
Hình 3
Xnt
.
i
V .
j
V
nut i
.'
i
V
.
ij
I .
L
I
.
nt
V
.
ss
V
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 .
is
Svà .
js
S, 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
ijntntnt
nt jX
VV
VreIVjQPS
Qua một số phép biến đổi có thể xác
định được:
sin)sin( 2
intjijintnt 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):
.
j
V
Hình 4
bnt = 1/Xnt
.
i
V
nut i
nut j
.
nt
I
Pis + jQis
Hình 5
Pjs + jQjs
Xnt
.
i
V .
j
V
nut i
nut j
Hình 6
Pss + j0
Xnt
.
i
V .
j
V
nut i
nut j
Hình 7
Piupfc + jQiupfc Pjupfc + jQjupfc
Xnt
.
i
V .
j
V
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
1
2
3
P4upfc + jQ4upfc P2upfc + jQ2upfc
4
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
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
=0
o
=15
o
=30
o
=60
o
=90
o
)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
=0
o
=15
o
=30
o
=60
o
=90
o
Hình 12