Phân tích và ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện :Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ QUỐC CHIẾN

PHÂN TÍCH VÀ NGĂN NGỪA HIỆN TƯỢNG

CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Văn Đại

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại

học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 15 tháng 08 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng

2. PGS.TS. Trương Đình Nhơn - Phản biện 1

3. TS. Nguyễn Nhật Nam - Phản biện 2

4. TS. Lê Văn Đại - Ủy viên

5. TS. Dương Thanh Long - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lê Quốc Chiến MSHV: 17112991

Ngày, tháng, năm sinh: 19/04/1992 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích và ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nghiên cứu và hiểu rõ bản chất của hiện tượng SSR đồng thời đề ra giải pháp tối ưu

chống lại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện nhằm góp phần

đảm bảo an toàn, đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành hệ thống điện.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

Theo QĐ giao đề tài số 2068/QĐ-ĐHCN ngày 02/12/2019 của Hiệu trưởng Trường

Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 27 tháng 04 năm 2021

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Văn Đại

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 04 năm 2021

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới Thầy hướng

dẫn là TS. Lê Văn Đại đã tận tình giúp đỡ Tôi từ những bước đầu tiên xây dựng

hướng nghiên cứu cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn.

Tôi xin cảm ơn đến khoa Công nghệ điện đã truyền đạt cho tôi kiến thức và tạo mọi

điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tôi xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, người thân, bạn bè về những

động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn.

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện tượng cộng hưởng cơ điện ở tần số dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance

– SSR) lần đầu tiên xuất hiện và gây sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện là vào

năm 1970 tại nhà máy điện Mohave, Mỹ. Sự cố đã phá hủy toàn bộ phần cơ của nhà

máy (các trục tuabin) và gây mất điện một vùng rộng lớn. Từ đó đến nay, hàng loạt

nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới được thực hiện nhằm đánh giá chính

xác và loại bỏ, giảm thiểu ảnh hưởng của các sự cố tương tự.

Trong phạm vi luận văn này, tác giả đã tìm hiểu nguyên nhân, cơ sở lý thuyết của

hiện tượng cộng hưởng cơ điện ở tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện. Tiếp đến

thông qua phần mềm mô phỏng PSCAD, tác giả đã mô phỏng sự cố SSR trên hệ thống

đặc trưng (được đề xuất bởi IEEE). Từ đó đề xuất các giải pháp có thể giảm thiểu tác

hại của SSR trong hệ thống điện.

Luận văn đã trình bày một cách tổng quát và chi tiết về hiện tượng cộng hưởng dưới

đồng bộ xảy ra trong hệ thống điện khi lắp đặt các tụ bù dọc.Trong luận văn này

chúng tôi đã đưa ra các trường hợp khác nhau để chứng minh cho nguyên nhân và

khả năng khi nào hệ thống xảy ra cộng hưởng dưới đồng bộ.

iii

ABSTRACT

Subsynchronous Resonance (SSR) first appeared and caused serious problems in the

electrical system in 1970 at the Mohave power plant, USA. The incident destroyed

the entire mechanical part of the plant (the turbine shafts) and caused extensive power

outages. Since then, a series of researches of scientists around the world are carried

out to accurately evaluate and eliminate and minimize the effects of similar incidents.

In the scope of this thesis, the author has explored the cause and the theoretical basis

of the electromechanical resonance phenomenon at sub-synchronous frequencies in

the electrical system. Next through PSCAD simulation software, the author simulated

the SSR problem on the characteristic system (proposed by IEEE). From there,

proposing solutions that can minimize the harmful effects of SSR in the electrical

system.

The thesis has presented a general and detailed description of the under-synchronous

resonance phenomenon that occurs in the electrical system when installing vertical

compensating capacitors.In this thesis, we have given different cases to prove

illustrate the cause and the possibility of when the system occurs under-synchronous

resonance.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Lê Quốc Chiến, là tác giả của luận văn “Phân tích và ngăn ngừa hiện tượng

cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện”, xin đam đoan như sau:

Luận văn này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của

TS. Lê Văn Đại, những kết quả số liệu trình bày trong luận văn là trung thực và chưa

được các tác giả công bố trong bất kỳ công trình nào.

Các trích dẫn về bảng biểu, kết quả nghiên cứu về các tác giả khác, tài liệu tham khảo

trong luận văn đều có nguồn gốc rõ ràng và đúng theo quy định.

Tôi xin cam đoan các nội dung ghi trên là đúng sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm

về toàn bộ nội dung nghiên cứu và kết quả luận văn.

Học viên

Lê Quốc Chiến

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................viiiiii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xii

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề… .......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3

a. Đối tượng: ........................................................................................................3

b. Phạm vi: ...........................................................................................................3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..........................................................3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài.................................................................................3

6. Cấu trúc của luận văn ..........................................................................................4

CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ ............................5

1.1 Giới thiệu ........................................................................................................5

1.2 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ ..............................................................5

1.2.1 Định nghĩa...................................................................................................5

1.2.2 Phân loại .....................................................................................................5

1.2.2.1 Tương tác xoắn (TI).......................................................................................6

1.2.1.2 Sự ảnh hưởng cảm ứng của máy phát điện (IGE)..........................................7

1.2.1.3 Sự khuếch đại mô men xoắn (TA).................................................................8

1.3 Sự nguy hiểm của SSR......................................................................................8

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến SSR.........................................................................9

1.5 Kết luận…. ........................................................................................................9

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SSR TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ....10

2.1 Phương pháp quét tần số .................................................................................10

2.2 Phân tích trị riêng ............................................................................................11

2.3 Phương pháp mô phỏng quá độ điện từ...........................................................12

2.4 Phương pháp hệ số mô men phức hợp ............................................................13

vi

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN

TÍCH SSR .................................................................................................................16

3.1 Giới thiệu.........................................................................................................16

3.1.1 Mô hình máy điện đồng bộ.......................................................................16

3.1.2 Mô hình hệ thống cơ khí của trục tua bin máy phát điện .........................20

3.1.3 Mô hình hệ thống kích từ..........................................................................25

3.1.4 Mô hình đường dây truyền tải ..................................................................27

3.2 Khảo sát hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên mô hình IEEE Fist

BenchMark….. ......................................................................................................31

3.3 Khảo sát hiện tượng dưới đồng bộ của nhà máy điện Quảng Trị ...................35

3.3.1 Mô hình hệ thống điện khảo sát................................................................35

3.3.2 Tính toán chế độ xoắn...............................................................................36

3.3.3 Phân tích cấu hình vận hành .....................................................................39

3.3.4 Phân tích hiện tượng tự kích.....................................................................45

3.3.5 Phân tích hiện tượng quá độ .....................................................................50

CHƯƠNG 4 BIỆN PHÁP ĐỐI PHÓ HIỆN TƯỢNG SSR TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN .........................................................................................................................57

4.1 Các biện pháp ngăn ngừa SSR hiện áp dụng trên thế giới ..............................57

4.1.1 Bộ lọc tần số thấp (BF).............................................................................57

4.1.2 Bộ giảm xóc SSR NGH (NGH SSR damper)...........................................58

4.1.3 Bộ ổn định động (Dynamic Stabilizer).....................................................59

4.1.4 Bộ điều khiển giảm xóc kích thích bổ sung (Supplementary Excitation

Damping Control-SEDC) ..................................................................................61

4.1.5 Bộ lọc giảm xóc bypass (Bypass Damping Filters)..................................62

4.1.6 Rơ le bảo vệ (Protective Relays) ..............................................................63

4.2 Sử dụng thiết bị FACTS ngăn chặn SSR ........................................................64

4.2.1 TCSC ........................................................................................................64

4.2.1.1 Cấu tạo của TCSC........................................................................................65

4.2.1.2 Nguyên lí hoạt động.....................................................................................65

4.2.1.3 Mô hình toán học của TCSC........................................................................68

4.2.1.4 Mô hình điều khiển của TCSC ....................................................................70

4.2.2 STATCOM ...............................................................................................72

4.2.2.1 Cấu tạo của STATCOM ..............................................................................72

4.2.2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM .........................................................73

vii

4.2.2.3 Mô hình toán học của STATCOM ..............................................................75

4.2.2.4 Mô hình điều khiển của STATCOM ...........................................................78

4.2.3 Bộ lọc tần số thấp .....................................................................................80

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP........................................83

5.1 Trường hợp sử dụng TCSC .............................................................................83

5.2 Trường hợp sử dụng STATCOM....................................................................85

5.3 Trường hợp sử dụng bộ lọc tần số thấp...........................................................88

5.4 Đánh giá… ......................................................................................................90

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................91

1 Kết luận…… ......................................................................................................91

2 Hướng phát triển.................................................................................................91

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................93

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN……………………………………………99

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IGE Induction Generator Effect - Ảnh hưởng cảm ứng của máy phát.

TA Torsional Amplifier - Khuếch đại xoắn.

TI Torsional Interaction - Tương tác xoắn.

SSR Sub Synchronous Resonance - Công hưởng dưới đồng bộ.