Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM trên hệ thống truyền tải điện cao cấp

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng thiết bị statcom trên hệ thống truyền tải cao cấp, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Vũ
• Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Nâng cao độ ổn định của hệ thống điện sử dụng STATCOM
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Các vấn đề nghiên cứu của đề tài
• 1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2.2. Ý nghĩa luận văn
• 1.2.3. Tính thực tiễn của đề tài
• 1.2.4. Mục tiêu và nhiệm vụ
• 1.2.5. Phương pháp giải quyết
• 1.2.6. Giới hạn đề tài
• 1.2.7. Điểm mới của luận văn
• 1.2.8. Phạm vi ứng dụng
• 1.2.9. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện
• 2.1.1. Giới hạn điện áp
• 2.1.2. Giới hạn nhiệt
• 2.1.3. Giới hạn ổn định
• 2.2. Ổn định điện áp trong hệ thống điện
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH
• 3.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM
• 3.1.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM
• 3.1.2. Nguyên lý hoạt động của STATCOM
• 3.2. Bộ điều khiển điện tử công suất dựa trên các thiết bị bán dẫn
• 3.2.1. Bộ Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC)
• 3.2.2. Điều khiển điều chế độ rộng xung (PWM)
• 3.3. Hệ thống điều khiển của STATCOM
• 3.4. Các đặc tính của STATCOM
• 3.5. Mô hình hóa STATCOM
• 3.5.1. Mô hình mạch
• 3.5.2. Mô hình toán STATCOM
• 3.6. Chức năng, ứng dụng của STATCOM
• 3.7. Mô hình và thông số STATCOM trong PSAT
• 4. CHƯƠNG 4: NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG STATCOM
• 4.1. Tổng quan về hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút
• 4.2. Tính toán chế độ vận hành của hệ thống điện 14 nút
• 4.2.1. Xây dựng mô hình hệ thống điện 14 nút
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng STATCOM trong hệ thống truyền tải điện cao cấp

Hệ thống truyền tải điện cao cấp đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc duy trì chất lượng điện năng và ổn định điện áp. Việc ứng dụng công nghệ STATCOM (Static Synchronous Compensator) đã trở thành một giải pháp hiệu quả để cải thiện tình trạng này. STATCOM là một thiết bị bù công suất phản kháng, giúp điều chỉnh điện áp và cải thiện độ ổn định của hệ thống điện. Nghiên cứu này sẽ phân tích vai trò của STATCOM trong việc nâng cao chất lượng điện năng và khả năng truyền tải của hệ thống điện.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động của STATCOM

STATCOM là một thiết bị điện tử công suất, hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh công suất phản kháng. Thiết bị này có khả năng cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng một cách nhanh chóng, giúp duy trì điện áp ổn định trong hệ thống điện. Nguyên lý hoạt động của STATCOM dựa trên việc điều chỉnh điện áp đầu ra thông qua các bộ biến đổi điện áp (VSC).

1.2. Lợi ích của việc sử dụng STATCOM trong hệ thống điện

Việc ứng dụng STATCOM mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, bao gồm cải thiện độ ổn định điện áp, tăng cường khả năng truyền tải công suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. STATCOM cũng giúp giảm thiểu các dao động điện áp và cải thiện chất lượng điện năng, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.

II. Vấn đề và thách thức trong hệ thống truyền tải điện hiện nay

Hệ thống truyền tải điện hiện nay đang phải đối mặt với nhiều vấn đề nghiêm trọng, bao gồm sự gia tăng nhu cầu điện năng, sự không ổn định của điện áp và các sự cố mất điện. Những thách thức này đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến để đảm bảo chất lượng điện năng và độ ổn định của hệ thống. Việc không đáp ứng đủ công suất phản kháng cần thiết có thể dẫn đến tình trạng sụp đổ điện áp, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của hệ thống điện.

2.1. Tình trạng sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

Sụp đổ điện áp là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất trong hệ thống điện, xảy ra khi không đủ công suất phản kháng được cung cấp để duy trì điện áp ở mức cho phép. Điều này có thể dẫn đến việc ngừng hoạt động của các thiết bị điện và gây ra thiệt hại lớn cho hệ thống.

2.2. Tác động của sự gia tăng nhu cầu điện năng

Sự gia tăng nhu cầu điện năng trong các khu vực đô thị và công nghiệp đã tạo ra áp lực lớn lên hệ thống truyền tải điện. Điều này không chỉ làm tăng nguy cơ mất ổn định mà còn yêu cầu các giải pháp bù công suất phản kháng hiệu quả để duy trì chất lượng điện năng.

III. Phương pháp nghiên cứu và giải pháp ứng dụng STATCOM

Nghiên cứu này sử dụng mô hình hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút để phân tích và đánh giá hiệu quả của việc ứng dụng STATCOM trong việc cải thiện độ ổn định điện áp. Các phương pháp tính toán và mô phỏng sẽ được áp dụng để xác định vị trí lắp đặt tối ưu cho STATCOM, từ đó nâng cao khả năng truyền tải và chất lượng điện năng.

3.1. Mô hình hóa hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút

Mô hình hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút được sử dụng để thực hiện các tính toán và mô phỏng. Mô hình này bao gồm các thông số về tải, điện áp và công suất phản kháng, giúp đánh giá hiệu quả của việc lắp đặt STATCOM trong hệ thống.

3.2. Phân tích vị trí lắp đặt STATCOM

Việc xác định vị trí lắp đặt STATCOM là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu. Nghiên cứu sẽ phân tích các khu vực có mật độ tải cao và khả năng gia tăng đột biến trong các chế độ làm việc khác nhau để đưa ra các khuyến nghị về vị trí lắp đặt.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về STATCOM

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng STATCOM trong hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút đã mang lại những cải thiện đáng kể về độ ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất. Các mô phỏng cho thấy rằng việc lắp đặt STATCOM ở các vị trí tối ưu giúp giảm thiểu dao động điện áp và nâng cao chất lượng điện năng.

4.1. Kết quả mô phỏng và phân tích

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc lắp đặt STATCOM đã giúp cải thiện đáng kể điện áp tại các bus trong hệ thống. Sự ổn định điện áp được duy trì ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột về tải, cho thấy hiệu quả của STATCOM trong việc điều chỉnh công suất phản kháng.

4.2. Ứng dụng STATCOM trong thực tế

Việc ứng dụng STATCOM không chỉ giới hạn trong mô hình nghiên cứu mà còn có thể áp dụng cho các hệ thống điện thực tế. Các công ty điện lực có thể tham khảo kết quả nghiên cứu này để cải thiện độ ổn định và chất lượng điện năng trong hệ thống của họ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của STATCOM trong hệ thống điện

Nghiên cứu về ứng dụng STATCOM trong hệ thống truyền tải điện cao cấp đã chỉ ra rằng công nghệ này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện độ ổn định và chất lượng điện năng. Trong tương lai, việc phát triển và ứng dụng các công nghệ mới sẽ tiếp tục nâng cao hiệu quả của STATCOM, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu ngày càng tăng của hệ thống điện.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng việc ứng dụng STATCOM có thể cải thiện đáng kể độ ổn định điện áp và khả năng truyền tải công suất trong hệ thống điện. Các mô phỏng cho thấy rằng việc lắp đặt STATCOM ở các vị trí tối ưu là rất quan trọng.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ STATCOM

Trong tương lai, công nghệ STATCOM sẽ tiếp tục được phát triển và cải tiến, với mục tiêu nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng trong các hệ thống điện hiện đại. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới sẽ giúp đáp ứng tốt hơn nhu cầu điện năng ngày càng tăng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp đổ điện áp.

Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp mà bài báo này đưa ra là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System). Với độ nhanh nhạy, chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống. Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện: Ðể tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành dưới các giới hạn truyền tải công suất.

Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này được chia thành 3 dạng: giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định [7].1 Giới hạn điện áp: Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng. Nghiêm trọng hơn nữa là có thể phá hủy thiết bị.

Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong muốn trên đường dây của hệ thống. Ðiện áp rơi là nguyên nhân chính gây nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ thống. Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các nguồn phát khác là không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp sẽ bị giảm.

Hệ thống thường yêu cầu hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định theo giới hạn truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế công suất tác dụng truyền tải đến mức thấp hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủ để hỗ trợ điện áp. Giới hạn nhiệt Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.

Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏng quá nhiệt. Ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ở mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt. Việc hư hỏng này có thể là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện.

Ngoài ra trong hệ thống điện, các đường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt. Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng. Các thiết bị này được hạn chế dòng điện để chúng mang tải một cách an toàn. Ðối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do giảm cách 10 điện.

Hầu hết các thiết bị có thể được quá tải cho phép. Ðiều quan trọng là quá tải bao nhiêu và quá tải bao lâu. Giới hạn ổn định Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống điện được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành.

Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau. Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơn phần diện tích hãm tốc Sht. Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiên cứu đặc tính động của hệ thống điện. Ðặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của dòng công suất, điện áp, góc và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ.

Ổn định góc công suất là được chia thành hai dạng: ổn định quá độ và ổn định dao động bé. Đường cong công suất góc 11 2. Ổn định quá độ Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn. Nó được xác định bằng cách hệ thống đáp ứng được các nhiễu loạn lớn.

Hệ thống được gọi là ổn định quá độ nếu nó có thể vượt qua được nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, ngược lại hệ thống là không ổn định nếu nó không thể vượt qua được. Ðối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trị góc hệ thống bắt đầu tăng nhưng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ thống ổn định quá độ. Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotor máy phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độ lớn của nhiễu loạn.

Ðể minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống, xem Hình 2.2, hình này thể hiện góc lệch của hai hệ thống ổn định quá độ và không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn xảy ra. Sự thay đổi góc của hệ thống quá độ (a) và hệ thống mất ổn định (b) Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để lợi cho ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhà máy điện ở xa dễ mất ổn định. Phương pháp để phân tích giới hạn quá độ là nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của tất các các máy phát điện đồng bộ kết nối đến hệ thống sau khi hệ thống bị tác động nhiễu loạn lớn.

Kỹ thuật sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống.2 Ổn định dao động bé Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của hệ thống điện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là đặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện. Nhiễu loạn điện áp, tần số, góc và dòng công suất có thể được kích thích bởi nhiều sự kiện khác nhau. Điều này có thể trở thành vấn đề phức tạp khi hệ thống kích từ của máy phát bị sự cố.

Các nhiễu loạn đó có thể phát triển thành nhiễu loạn lớn đến nỗi hệ thống trở nên mất ổn định. Dao động mất ổn định có thể bắt đầu khi biên độ dao động công suất nhỏ và vô hại. Tuy nhiên, dao động này có thể phát triển lớn đến nỗi hệ thống bắt đầu tách ra. Đường dây truyền tải và máy phát điện có thể bị cắt do các dao động này.

Dao động mất ổn định có thể kéo dài hàng giờ hoặc nó có thể xảy ra trong 1 vài giây sau khi có nhiễu loạn lớn. Hệ thống có thể phục hồi từ các nhiễu loạn lớn nhưng nó cũng có thể dần chuyển sang giai đoạn dao động lớn và trở thành dao động mất ổn định.3 thể hiện hệ thống lần lượt là dao động bé ổn định, dao động ổn định và mất ổn định. Độ thay đổi góc của HT ổn định dao động bé (a), HT ổn định dao động (b), HT mất ổn định (c) 13 Giới hạn nhiệt luôn luôn cao nhất và được quan tâm đối với các đường dây truyền tải đến 170 km. Giới hạn điện áp luôn cao hơn giới hạn ổn định (quá độ hoặc dao động bé), giới hạn ổn định điện áp được quan tâm đối với các đường dây truyền tải có độ dài trung bình từ 170 km đến 500 km.

Các giới hạn biến đổi ổn định động là thấp nhất và liên quan đến các đường dây truyền tải có độ dài hơn 500 km. Nâng cao công suất truyền tải, nghĩa là di chuyển các giới hạn khác của hệ thống điện sang giới hạn nhiêt. Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp. Ổn định điện áp trong hệ thống điện: Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc rotor, điện áp và tần số.

Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong sơ đồ sau: Hình 2.5: Phân loại ổn định trong hệ thống điện Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tại tất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu loạn từ điều kiện vận hành trước đó. Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi trạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệ thống điện. Ổn định điện áp được phân thành hai dạng dựa theo thời gian mô phỏng: Ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động. Phân tích ổn định điện áp tĩnh liên quan đến việc giải các phương trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so với nghiên cứu ổn định điện áp động.

Sự mất ổn định xuất hiện dưới dạng thường thấy là điện áp tăng lên hoặc giảm xuống của một số các thanh cái.