Ổn đnnh tĩnh và chất lượng điện áp của hệ thống điện nhận công suất từ các nguồn xa

T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – ỔN ĐNNH TĨNH VÀ CH ẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA HỆ TH ỐNG ĐIỆN NH ẬN CÔNG SU ẤT TỪ CÁC NGU ỒN XA Vũ V ăn Th ắng (Tr ường Đạ i h ọc K ỹ thu ật công nghi ệp – ĐH Thái Nguyên ) 1. Đặt v ấn đề Trong nh ững năm g ần đây, t ốc độ phát tri ển ph ụ tải điện c ủa nước ta t ăng cao, đặc bi ệt trong giai đoạn 2006-2010 t ốc độ tăng tr ưởng ph ụ tải kho ảng 14%/n ăm [6]. Do đó, trong giai đoạn này hệ th ống điện Vi ệt Nam thi ếu hụt công su ất tr ầm tr ọng, v ới 780 MW thi ếu hụt năm 2007 và 261 MW thi ếu hụt năm 2008 c ủa hệ th ống điện mi ền Bắc. Để đảm bảo cân b ằng công su ất đáp ứng yêu c ầu của ph ụ tải, m ột trong các bi ện pháp được đư a ra là nh ập kh Nu điện năng từ Trung Qu ốc qua đường dây 220kV t ừ Tân Ki ều (Trung Qu ốc) cung c ấp cho khu v ực Lào Cai, Yên Bái, Phú Th ọ và Vĩnh Phúc. H ệ th ống điện khu v ực tách lưới có kho ảng cách truy ền t ải là 296.6 km, mang đặc điểm của lưới điện nh ận công su ất từ ngu ồn xa, do đó ch ất lượng điện áp và kh ả năng ổn định tĩnh của hệ th ống điện cần đặc bi ệt quan tâm. 2. Ph ươ ng pháp phân tích ch ế độ và đánh giá ổn định tĩnh hệ th ống điện 2.1 Ph ươ ng pháp phân tích ch ế độ Cơ sở để tính toán phân tích ch ế độ của hệ th ống điện là hệ ph ươ ng trình cân b ằng công su ất nút: Y U 2 + Y Uɺ Uɺ * + ... + Y Uɺ Uɺ * = P − jQ  11 1 12 2 1 1N N 1 1 1 Y Uɺ Uɺ * + Y U 2 + ... + Y Uɺ Uɺ * = P − jQ  21 1 2 22 2 2N N 2 2 2 .......... .......... .......... .......... .......... ....  ɺ ɺ * + ɺ ɺ * + + 2 = − YN1U1U N YN 2U 2U N ... YNN U N PN jQ N trong đó: Y là điện dẫn, U là điện áp nút và P, Q là công su ất nút. Hệ ph ươ ng trình là phi tuy ến và nhi ều bi ến s ố (ví d ụ, h ệ th ống điện có n nút, h ệ ph ươ ng trình có 2n ph ươ ng trình và 2n Nn) nên trong tính toán th ường s ử d ụng thu ật toán l ặp d ần đúng, m ột trong nh ững ph ươ ng pháp được s ử d ụng r ộng rãi và thu ận ti ện là ph ươ ng pháp Newton-Raphson. 2.2 Ph ươ ng pháp đánh giá ổn định tĩnh Ph ươ ng pháp đánh giá ổn định tĩnh hệ th ống điện gồm: Đánh giá theo tiêu chu Nn năng lượng, tiêu chu Nn Lyapunov, tiêu chu Nn đại số Hurwiz và các tiêu chu Nn th ực dụng. Trong tính toán th ường s ử d ụng tiêu chu Nn th ực d ụng Gidanov do tiêu chu Nn sử d ụng k ết qu ả c ủa ph ươ ng pháp Newton-Raphson b ằng cách xét d ấu c ủa ma tr ận Jacobi đã được xác đị nh. Vì v ậy, phân tích ch ế độ và đánh giá ổn đị nh t ĩnh h ệ th ống điện th ường được th ực hi ện đồ ng th ời để gi ảm kh ối l ượng tính toán và đánh giá được đầ y đủ thông s ố ch ế độ c ủa h ệ th ống điện. 3. Đặc điểm c ủa l ưới điện nh ận công su ất t ừ ngu ồn xa Hệ th ống điện nh ận công su ất t ừ các ngu ồn xa có nh ững đặ c điểm sau: 78 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – - Điện áp nút U b ị dao độ ng r ất m ạnh khi m ất cân b ằng công su ất ph ản kháng, do tiêu d∆Q chu Nn n ăng l ượng xác đị nh nh ư sau: < 0 dU Trong đó: ∆Q = Q F + Q D - Qt với QF là công su ất ph ản kháng phát c ủa máy phát, Q D là công su ất ph ản kháng truy ền t ải trên l ưới điện nh ận t ừ các ngu ồn xa và Qt là công su ất ph ản kháng c ủa ph ụ t ải. d∆Q dQ dQ dQ dQ Do đó: = F + D − t ≈ D < 0 dU dU dU dU dU - Gi ới h ạn công su ất tác d ụng truy ền t ải trên đường dây cung c ấp cho h ệ th ống ph ụ thu ộc dQ rất m ạnh vào công su ất ph ản kháng. Theo tiêu chu Nn , s ẽ t ồn t ại m ột mi ền gi ới h ạn ổn đị nh dU trên m ặt ph ẳng công su ất truy ền t ải nh ư trên hình 1. Khi công su ất tác d ụng truy ền t ải trên đường dây t ăng thì công su ất ph ản kháng gi ới h ạn truy ền t ải gi ảm đáng k ể, do đó khi ph ụ t ải c ủa hệ th ống điện dao độ ng theo chi ều t ăng thì s ẽ m ất cân b ằng công su ất ph ản kháng trong h ệ th ống dẫn đế n m ất ổn đị nh t ĩnh. - Kh ả n ăng điều ch ỉnh công su ất ph ản kháng phát t ại ch ỗ c ủa hệ th ống điện có ảnh hưởng nhi ều đế n kh ả n ăng nh ận công su ất tác d ụng t ừ ngu ồn xa cung c ấp cho ph ụ t ải. Công su ất ph ản kháng phát t ại ch ỗ t ăng làm t ăng nhanh gi ới h ạn nh ận công su ất tác d ụng t ừ ngu ồn xa, d ẫn dP đến h ệ th ống nâng cao được kh ả n ăng ổn đị nh theo tiêu chu Nn . dδ Bù công su ất ph ản kháng t ại ph ụ t ải là bi ện pháp h ữu hi ệu để nâng cao công su ất tác d ụng và ph ản kháng nh ận t ừ ngu ồn xa, t ừ đó cân b ằng công su ất ph ản kháng dẫn đế n nâng cao điện áp và kh ả n ăng ổn đị nh t ĩnh c ủa h ệ th ống điện. PP PMi n n đnh PQ P0 Hình 1: Mi ền ổn đị nh trên m ặt ph ẳng công su ất 4. C ấu trúc và thông s ố ch ế độ của hệ th ống điện (110-220)kV Lào Cai, Yên Bái, Phú Th ọ và Vĩnh Phúc giai đoạn nh ận điện t ừ Trung Qu ốc 4.1 C ấu trúc và thông s ố ch ế độ c ủa h ệ th ống điện Hệ th ống điện g ồm đường dây 220kV Tân Ki ều - Vĩnh Yên dài 296.6 km cung c ấp cho lưới điện 110 kV c ủa khu v ực Lào Cai, Yên Bái, Phú Th ọ và V ĩnh Phúc. T ổng chi ều dài truy ền t ải của đường dây 110 kV là 303.86 km v ới t ổng công su ất cao điểm là 372.3 MW và công su ất th ấp điểm là 229.0 MW. S ơ đồ h ệ th ống điện trên hình 2 và ph ụ t ải điện t ại các thanh cái trên b ảng 1. 79 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Hình 2: S ơ đồ h ệ th ống điện Bảng 1: Thông s ố ph ụ t ải Vi ệt Lâm Bãi Đồng Phú Lập B.Vi ệt Vĩnh Vĩnh Phúc Ngh ĩa Phù Yên Tr ạm Trì Thao Bằng Xuân Th ọ Th ạch Trì Tường Yên Yên Lộ Yên Bái Pmax (MW) 58 14 10 22 7.8 6.7 50 9.5 84.5 56.7 12.4 8.1 32.8 Qmax (MW) 17 6.5 4.5 5.3 3.8 3.3 14 4.3 35.8 20.8 4.5 2.5 11.3 Pmin (MW) 44.5 9.9 8 16.5 6.2 5.3 39.5 7.2 66.4 45.9 9.9 6.4 26.2 Qmin (MW) 16.9 6.3 4.3 5.1 3.2 3.2 13.3 3.9 31.3 20.4 4.2 2.3 10.6 Hệ th ống điện đã s ử d ụng thi ết b ị bù t ĩnh t ại tr ạm bi ến áp 220kV Vi ệt Trì và V ĩnh Yên với công su ất bù là 65 MVAR. 4.2 Ch ất l ượng điện áp và kh ả n ăng ổn đị nh c ủa h ệ th ống điện Kết qu ả tính toán thông s ố ch ế độ c ủa h ệ th ống điện khi bù t ĩnh t ại thanh cái 110kV tr ạm bi ến áp 220kV Vi ệt Trì và V ĩnh Yên 65 MVAR b ằng ph ần mềm CONUS khi ph ụ t ải c ực đạ i và cực ti ểu trên b ảng 2 và b ảng 3. Bảng 2: Điện áp t ại các nút ph ụ t ải khi ph ụ t ải c ực đạ i Vi ệt Lâm Bãi Đồng Phú Lập B.Vi ệt Vĩnh Phúc Vĩnh Ngh ĩa Phù 110Yên Thanh cái Trì Thao Bằng Xuân Th ọ Th ạch Trì Yên Yên Tường Lộ Yên Bái U (kV) 98.4 99.8 100.1 99.9 99.5 100.5 100.0 98.5 96.4 98.5 98.8 98.9 102.3 ∆∆∆U (%) -10.55 -9.27 -9.00 -9.18 -9.55 -8.64 -9.09 -10.4 -12.3 -10.4 -10.2 -10.1 -7.00 Bảng 3: Điện áp t ại các nút ph ụ t ải khi ph ụ t ải c ực ti ểu Vi ệt Lâm Bãi Đồng Phú Lập B.Vi ệt Vĩnh Phúc Vĩnh Ngh ĩa Phù 110Yê Thanh cái Trì Thao Bằng Xuân Th ọ Th ạch Trì Yên Yên Tường Lộ Yên n Bái U (kV) 118.8 118.5 118.7 118.0 118.1 119.1 118.8 118.0 116.4 118.0 116.3 116.4 116.8 ∆∆∆U (%) 8.00 7.73 7.91 7.27 7.36 8.27 8.00 7.27 5.82 7.27 5.73 5.82 6.18 80 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Từ b ảng 2 và b ảng 3 th ấy r ằng, điện áp t ại các nút ph ụ t ải ở ch ế độ ph ụ t ải c ực đạ i t ại một s ố nút có độ l ệch điện áp l ớn h ơn tr ị s ố cho phép nên không tho ả mãn yêu c ầu nh ư t ại thanh cái Phúc Yên, độ l ệch điện áp là -12.3%. T ại ch ế độ ph ụ t ải c ực ti ểu độ l ệch điện áp tại các nút ph ụ t ải đề u n ằm trong gi ới h ạn cho phép v ới độ l ệch l ớn nh ất là 8.0% t ại thanh cái Vi ệt Trì. Vậy, hệ th ống điện hi ện nay sử d ụng thi ết b ị bù t ĩnh t ại thanh cái 110kV tr ạm bi ến áp 220kV V ĩnh Yên và Vi ệt Trì v ới dung l ượng là 65 MVAR có th ể t ồn t ại được ch ế độ xác l ập. Tuy nhiên, khi ph ụ t ải c ực đạ i độ l ệch điện áp t ại m ột s ố nút ph ụ t ải vượt quá giá tr ị cho phép, do đó không đảm b ảo yêu c ầu v ận hành trong m ọi ch ế độ c ủa h ệ th ống điện. 5. Gi ải quy ết vấn đề ch ất lượng điện áp và ổn định tĩnh của hệ th ống điện Từ k ết qu ả tính toán trên m ục 4 th ấy r ằng, trong ch ế độ ph ụ t ải c ực ti ểu độ l ệch điện áp lớn nh ất là 8% và khi ph ụ t ải c ực đạ i là -12.3%, do đó có th ể điều ch ỉnh t ăng dung l ượng bù để gi ảm độ l ệch điện áp khi ph ụ t ải cực đạ i và t ăng độ l ệch điện áp khi ph ụ t ải c ực ti ểu th ỏa mãn độ lệch cho phép là ±10%. K ết qu ả tính toán v ới ph ần m ềm CONUS th ấy r ằng, khi điều ch ỉnh dung lượng bù t ại thanh cái 110kV tr ạm bi ến áp 220kV V ĩnh Yên và Vi ệt Trì v ới dung l ượng là 100 MVAR đồng th ời s ử d ụng kh ả n ăng điều ch ỉnh đầ u phân áp c ủa máy bi ến áp, độ l ệch điện áp của ph ụ t ải th ỏa mãn yêu c ầu trong m ọi tr ường h ợp v ới độ l ệch điện áp l ớn nh ất là 8.8% t ại thanh cái B ắc Vi ệt Trì. Thông s ố điện áp t ại các nút ph ụ t ải trên b ảng 4 và 5. Bảng 4: Điện áp t ại các nút ph ụ t ải khi ph ụ t ải c ực đạ i Vi ệt Lâm Bãi Đồng Phú Lập B.Vi ệt Vĩnh Phúc Vĩnh Ngh ĩa Phù 110Yên Thanh cái Trì Thao Bằng Xuân Th ọ Th ạch Trì Yên Yên Tường Lộ Yên Bái U (kV) 116.6 117.8 118.0 116.4 116.9 118.7 118.2 115.9 114.2 116.3 113.5 113.6 116.4 ∆∆∆U (%) 6.0 7.1 7.3 5.8 6.3 7.9 7.5 5.4 3.8 5.7 3.2 3.3 5.8 Bảng 5: Điện áp t ại các nút ph ụ t ải khi ph ụ t ải c ực ti ểu Vi ệt Lâm Bãi Đồng Phú Lập B.Vi ệt Vĩnh Phúc Vĩnh Ngh ĩa Phù 110Yên Thanh cái Trì Thao Bằng Xuân Th ọ Th ạch Trì Yên Yên Tường Lộ Yên Bái U (kV) 117.8 118.7 119.0 116.6 117.5 119.7 119.2 116.7 115.1 117.2 112.4 112.5 114.8 ∆∆∆U (%) 7.1 7.9 8.2 6.0 6.8 8.8 8.4 6.1 4.6 6.5 2.2 2.3 4.4 Ổn đị nh là điều ki ện đủ để hệ th ống điện có th ể làm vi ệc lâu dài, do đó ổn đị nh nói chung và ổn đị nh t ĩnh nói riêng là m ột ch ỉ tiêu đặc bi ệt quan tr ọng c ần ph ải nghiên c ứu tính toán kỹ l ưỡng trong thi ết k ế c ũng nh ư v ận hành hệ th ống điện. Theo tiêu chu Nn v ề ổn đị nh t ĩnh, hệ th ống điện s ẽ có kh ả n ăng ổn đị nh khi h ệ s ố d ự tr ữ ổn đị nh c ủa h ệ th ống điện l ớn h ơn 20%. Tuy nhiên, trong điều ki ện kh ắt khe hệ th ống điện có kho ảng cách truy ền t ải l ớn, c ấu trúc khá đơn gi ản thì h ệ s ố d ự tr ữ ổn đị nh t ĩnh cho phép đả m b ảo khi l ớn h ơn 15%. Xác định h ệ s ố d ự tr ữ ổn đị nh t ĩnh c ủa hệ th ống điện, sử d ụng ph ươ ng pháp làm n ặng thông s ố ch ế độ khi t ăng công su ất c ủa ph ụ t ải v ới b ước t ăng là 1.0% đến ch ế độ gi ới h ạn ổn định, k ết qu ả tính toán cho th ấy công su ất l ớn nh ất hệ th ống điện có th ể nh ận t ừ các ngu ồn điện khi có thi ết b ị bù ở ch ế độ gi ới h ạn ổn đị nh t ĩnh là 483.03MW, cùng v ới công su ất có th ể nh ận ở ch ế độ xác l ập đã tính toán là 417.45MW. H ệ s ố d ự tr ữ ổn đị nh t ĩnh c ủa toàn hệ th ống điện là: 81 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – P − P − = gh 0 = 483 .03 417 .45 = K T 100 .100 15 .71% P0 417 .45 Vậy, khi bù t ĩnh v ới dung l ượng bù là 100.0 MVAR t ại hai điểm là thanh cái 110kV Tr ạm bi ến áp 220kV V ĩnh Yên và Vi ệt Trì, h ệ th ống điện khu v ực tách l ưới s ẽ đả m b ảo ch ất lượng điện áp và h ệ s ố d ự tr ữ ổn đị nh t ĩnh để có th ể làm vi ệc trong m ọi ch ế độ v ận hành. S ơ đồ và thông s ố ch ế độ c ủa hệ th ống điện sau khi điều ch ỉnh th ể hi ện trên hình 3. Hình 3: S ơ đồ và thông s ố h ệ th ống điện 6. K ết lu ận Kết qu ả tính toán h ệ th ống điện (110-220)kV khu v ực Lào Cai, Yên Bái, Phú Th ọ và Vĩnh Phúc giai đoạn nh ận điện t ừ Trung Qu ốc b ằng ph ần m ềm CONUS có th ể đưa ra k ết lu ận: - Hệ th ống điện nh ận công su ất t ừ các ngu ồn xa luôn thi ếu h ụt và m ất cân b ằng công su ất ph ản kháng do gi ới h ạn truy ền t ải c ủa đường dây truy ền t ải t ừ ngu ồn xa gi ảm, công su ất c ủa máy phát t ại ch ỗ nh ỏ không đáp ứng được yêu c ầu c ủa ph ụ t ải, d ẫn đế n s ụp đổ điện áp trên toàn hệ th ống điện và m ất ổn đị nh t ĩnh. - Bù công su ất ph ản kháng là ph ươ ng pháp h ữu hi ệu để cân b ằng công su ất ph ản kháng, gi ảm dao độ ng điện áp khi ph ụ t ải dao độ ng t ừ ch ế độ ph ụ t ải c ực đạ i sang ch ế độ ph ụ t ải c ực ti ểu, nâng cao được kh ả n ăng ổn đị nh t ĩnh c ủa h ệ th ống điện Tóm t ắt Bài báo giới thi ệu và phân tích ch ế độ của hệ th ống điện nh ận công su ất từ ngu ồn xa là lưới điện (110-220)kV khu v ực Lào Cai, Yên Bái, Phú Th ọ và V ĩnh Phúc giai đoạn nh ận điện t ừ 82 T¹p chÝ Khoa häc & C«ng nghÖ - Sè 4 (44) /N¨m 2007 – Trung Qu ốc, đánh giá hi ệu qu ả các ph ươ ng pháp điều ch ỉnh đảm bảo ch ất lượng điện áp và ổn định tĩnh của hệ th ống điện, đồng th ời đề xu ất các bi ện pháp điều ch ỉnh mới nh ằm nâng cao ch ất lượng điện áp và kh ả năng ổn định tĩnh của hệ th ống điện trên. Summary Small sign Stability and Voltage Stability of Power System This article introduces and analyses the limitation of measures applied for Small sign stability and Voltage stability in power system (110-220) kV that supply power for Lao Cai, Yen Bai, Phu Tho and Vinh Phuc when it is get power from China. Tài li ệu tham kh ảo [1] Lã V ăn Út (2000), Phân tích và điều khi ển ổn đị nh H ệ th ống điện, Nxb Khoa h ọc K ỹ thu ật, Hà N ội. [4] Tr ần Bách (2001), Ổn đị nh c ủa H ệ th ống điện, Tr ường Đạ i h ọc Bách Khoa Hà N ội. [5] Ngô V ăn D ưỡng (2001), Phân tích nhanh tính ổn đị nh và xác định gi ới h ạn truy ền t ải công su ất trong H ệ th ống điện h ợp nh ất có các đường dây siêu cao áp , Lu ận án Ti ến s ĩ k ỹ thu ật, Hà N ội, [6] Tổng s ơ đồ phát tri ển điện l ực Vi ệt Nam giai đoạn 2001 - 2010 có xét tri ển v ọng đế n n ăm 2020 (TS Đ V - đề án hi ệu ch ỉnh), Vi ện N ăng l ượng, 2002. [7] Đề án đường dây 220kV Hà Kh Nu - Lào Cai ( đề án hi ệu ch ỉnh), Công ty T ư v ấn Thi ết k ế điện 1, 2006. [8] Edward Wilson Kimbark, Power System Stability Vol1&2 , Mc.Graw-Hill,Inc [9] P. kundur, Power System Stability and Control , Mc.Graw-Hill,Inc B. Gao [10] Voltage Stability Analysis of Large Power System , University of Canada,1992. 83