- Trang Chủ
- Điện - Điện tử
- Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark
Xem mẫu
- 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)
nguon tai.lieu . vn
