Tài liệu Nghiên cứu nâng cao ổn định lưới điện 374 e17.1 mộc châu sơn la có sự tham gia các thủy điện nhỏ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ DUY THANH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH LƯỚI ĐIỆN 374 - E17.1 MỘC CHÂU-SƠN LA CÓ SỰ THAM GIA CÁC THỦY ĐIỆN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - 2020 ii ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Đỗ Duy Thanh NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH LƯỚI ĐIỆN 374 - E17.1 MỘC CHÂU-SƠN LA CÓ SỰ THAM GIA CÁC THỦY ĐIỆN NHỎ Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8.52.02.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Nguyễn Hiền Trung Thái Nguyên – 2020 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu tham khảo khác nhau. Qua số liệu thu thập thực tế, tổng hợp tại Công ty Điện lực Sơn La nơi tôi làm việc, không sao chép bất kỳ luận văn nào trước đó và dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Hiền Trung - giảng viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Các số liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, các đánh giá, kiến nghị đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm làm việc trong Công ty Điện lực Sơn La; kết quả nghiên cứu này chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội Đồng đánh giá luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ kỹ thuật”. Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên. . Thái Nguyên, ngày 15 tháng 8 năm 2020 Học viên Đỗ Duy Thanh iv LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Hiền Trung đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ; Các đồng chí lãnh đạo và tập thể cán bộ công nhân viên của Điện lực Mộc Châu - Công ty Điện lực Sơn La đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu, thu thập các số liệu để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; các đồng nghiệp là những người đã hoàn thành chương trình cao học, đã dành thời gian đọc, đóng góp, chỉnh sửa cho luận văn thạc sĩ này hoàn thiện tốt hơn; Những người thân trong gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này; Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình và người thân. Xin trân trọng cám ơn. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................................iii LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................ iv MỤC LỤC .................................................................................................................................. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ......................................................................................................viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................................viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................................ 2 3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................. 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Cấu trúc của luận văn ...................................................................................................... 3 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 374-E17.1 MỘC CHÂU-SƠN LA VÀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ................................................................................................... 4 1.1. Đặc điểm hiện trạng lưới điện 35kV Mộc Châu – Sơn La ........................................... 4 1.1.1. Cấu trúc lưới .......................................................................................................................4 1.1.2. Đặc điểm vận hành .............................................................................................................6 1.1.3. Thông số kỹ thuật các nhà máy thủy điện đấu nối vào lưới điện 374-E17.1 [4] ................6 1.1.2. Hệ thống kích từ ...............................................................................................................10 1.2. Vấn đề điều khiển hệ thống điện ................................................................................ 10 1.2.1. Nhiệm vụ điều khiển HTĐ ...............................................................................................10 1.2.2. Cấu trúc điều khiển HTĐ .................................................................................................12 1.3. Ổn định góc tải (góc rotor) ......................................................................................... 16 1.3.1. Góc tải (góc rotor) ............................................................................................................16 1.3.2. Ổn định các tín hiệu nhỏ...................................................................................................18 1.4. Bộ ổn định HTĐ – PSS .............................................................................................. 20 1.5. Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 22 Chương 2. MÔ HÌNH HÓA LƯỚI ĐIỆN 374-E17.1 MỘC CHÂU –SƠN LA ...................... 23 2.1. Giới thiệu chung về ETAP [16] ................................................................................. 23 2.2. Giải tích lưới bằng phần mềm ETAP ......................................................................... 27 2.2.1. Phương pháp Newton-Rapshson ......................................................................................27 2.2.2. Phương pháp Adaptive Newton-Rapshson.......................................................................28 2.2.3. Phương pháp Fast-Decoupled ..........................................................................................28 2.2.4. Phương pháp Accelerated Gauss-Seidel...........................................................................28 2.3. Áp dụng ETAP mô hình hóa mô phỏng lưới điện 374-E17.1.................................... 29 2.3.1. Mô hình hóa mô phỏng lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La ..................................29 2.3.2. Ứng dụng chức năng phân tích ổn định quá độ trong ETAP ...........................................38 vi 2.4. Đánh giá hiện trạng ổn định lưới điện 374-E17.1 xét đến các thủy điện nhỏ ............ 42 2.4.1. Kết quả mô phỏng nhà máy Suối Tân 1 ...........................................................................42 2.4.2. Kết quả mô phỏng nhà máy Suối Tân 2 ...........................................................................44 2.4.3. Kết quả mô phỏng nhà máy SơVin ..................................................................................46 2.5. Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 48 Chương 3. NÂNG CAO ỔN ĐỊNH LƯỚI ĐIỆN 374-E17.1 MỘC CHÂU-SƠN LA ............ 49 3.1. Mô hình máy phát điện kinh điển .............................................................................. 49 3.2. Mô hình kích từ và bộ điều chỉnh điện áp .................................................................. 52 3.3. Mô hình turbine và bộ điều chỉnh tốc độ ................................................................... 55 3.3.1. Mô hình turbine ................................................................................................................55 3.3.2. Mô hình bộ điều tốc .........................................................................................................56 3.4. Xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ của hệ máy phát kết nối với HTĐ ........................... 57 3.5. Phân tích ảnh hưởng của PSS đối với ổn định tín hiệu nhỏ ....................................... 63 3.6. Phân tích cấu trúc PSS ............................................................................................... 68 3.3.1. PSS đầu vào đơn – PSS1A ...............................................................................................68 3.3.2. PSS đầu vào kép ...............................................................................................................69 3.7. Kết quả mô phỏng ...................................................................................................... 71 3.7.1. Ổn định tĩnh hệ thống điện khi sử dụng hệ thống kích từ AC1A và PSS ........................71 3.7.2. Ổn định tĩnh hệ thống điện khi dùng hệ thống kích từ ST1 và PSS .................................73 3.7.3. Ổn định động của hệ thống điện khi xảy ra ngắn mạch 3 pha..........................................84 3.8. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 89 PHỤ LỤC ................................................................................................................................. 90 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú tiếng anh PSS Bộ ổn định HTĐ Power System Stabilizer AVR Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage Regulator LFO Dao động tần số thấp Low Frequency Oscillation LFC Điều khiển tần số–tải Load–frequency Control AGC Automatic Generation Control HTKT Hệ thống kích từ Excitation Systems CSTD Công suất tác dụng Active Power CSPK Công suất phản kháng Reactive Power HTĐ Hệ thống điện Power System MBA Máy biến áp Transformer AC Xoay chiều DC Một chiều p.u Đơn vị tương đối Per unit viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Danh mục các thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện 35 kV........................................ 5 Bảng 1-2. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện Suối Tân 1 ......................................................... 7 Bảng 1-3. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện Suối Tân 2 ......................................................... 8 Bảng 1-4. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện SơVin ................................................................ 9 Bảng 2-1. Trở kháng ngắn mạch tại thanh cái 110 kV Sơn La ................................................ 30 Bảng 2-2. Dữ liệu đầu vào kích từ AC1A các tổ máy trong ETAP ......................................... 42 Bảng 3-1. Dữ liệu đầu vào kích từ ST1A các tổ máy trong ETAP .......................................... 73 Bảng 3-2. Giá trị góc rotor các tổ máy ở các chế độ ................................................................ 74 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ một sợi lưới điện 35 kV Điện lực Mộc Châu -------------------------------------- 5 Hình 1.2. Sơ đồ lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La ------------------------------------------ 6 Hình 1.3. Các thành phần điều khiển liên quan trong một trạm phát điện [10] ----------------- 11 Hình 1.4. Cấu trúc điều khiển HTĐ ------------------------------------------------------------------- 12 Hình 1.5. Mô hình kích từ AC ------------------------------------------------------------------------- 14 Hình 1.6. Mô hình kích từ một chiều DC1A --------------------------------------------------------- 15 Hình 1.7. Mô hình kích từ ST1A đầy đủ ------------------------------------------------------------- 15 Hình 1.8. Điều khiển tần số và phân phối CSTD trong HTĐ-------------------------------------- 16 Hình 1.9. Đặc tính công suất của máy phát ---------------------------------------------------------- 17 Hình 1.10. Dao động cục bộ ---------------------------------------------------------------------------- 19 Hình 1.11. Dao động liên khu vực ----------------------------------------------------------------------- 19 Hình 1.12. Sơ đồ khối điều khiển HTKT có PSS --------------------------------------------------- 20 Hình 1.13. Cấu trúc cơ bản của PSS ------------------------------------------------------------------ 22 Hình 2.1. Các cửa sổ chính trong ETAP 16 ---------------------------------------------------------- 24 Hình 2.2. Các chức năng tính toán cơ bản trong ETAP 16 ---------------------------------------- 25 Hình 2.3. Thanh công cụ tính toán thông dụng ------------------------------------------------------ 25 Hình 2.4. Các phần tử AC ------------------------------------------------------------------------------ 26 Hình 2.5. Các thiết bị đo lường, bảo vệ --------------------------------------------------------------- 27 Hình 2.6. Sơ đồ mô phỏng lưới điện 374-E17.1 trong ETAP ------------------------------------- 29 Hình 2.7. Cửa sổ Info cài đặt thông số số nguồn ---------------------------------------------------- 30 Hình 2.8. Cửa sổ cài đặt thông số số nguồn ---------------------------------------------------------- 31 Hình 2.9.Trang Rating cài đặt thông số MBA 3 cuộn dây ----------------------------------------- 31 Hình 2.10. Cửa sổ cài đặt tổng trở máy biến áp 3 cuộn dây --------------------------------------- 32 ix Hình 2.11. Cửa sổ Info cài đặt thông số đường dây trên không ----------------------------------- 32 Hình 2.12. Cửa sổ cài đặt cấu hình đường dây trên không----------------------------------------- 33 Hình 2.13. Trang Rating cài đặt thông số MBA 2 cuộn dây --------------------------------------- 33 Hình 2.14. Cửa sổ cài đặt tổng trở máy biến áp 2 cuộn dây --------------------------------------- 34 Hình 2.15. Cửa sổ Info của tải Lump Load ---------------------------------------------------------- 34 Hình 2.16. Cửa sổ cài đặt tải Lump Load ------------------------------------------------------------ 35 Hình 2.17. Trang Rating cài đặt thông số máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện Suối Tân 1 -- 35 Hình 2.18. Trang Imp/Model cài đặt mô hình động học máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện Suối Tân 1. ------------------------------------------------------------------------------------------ 36 Hình 2.19. Trang Rating cài đặt thông số máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện Suối Tân 2 -- 36 Hình 2.20. Trang Imp/Model cài đặt mô hình động học máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện Suối Tân 2. ------------------------------------------------------------------------------------------ 37 Hình 2.21. Trang Rating cài đặt thông số máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện SơVin -------- 37 Hình 2.22. Trang Imp/Model cài đặt mô hình động học máy phát H1/H2 nhà máy thủy điện SơVin. ------------------------------------------------------------------------------------------------ 38 Hình 2.23. Cửa sổ Info lựa chọn phương pháp tính phân bố công suất ban đầu ---------------- 39 Hình 2.24. Cửa sổ thiết lập sự kiện (kích động) phân tích ổn định ------------------------------- 39 Hình 2.25. Cửa sổ lựa chọn tổ máy (Device ID) và các tham số cần vẽ đồ thị (Plot Type) --- 40 Hình 2.26. Cửa sổ lựa chọn tổ máy (Device ID) và các tham số cần vẽ đồ thị (Plot Type) --- 41 Hình 2.27. Cửa sổ cài đặt thông số kỹ thuật cho hệ thống kích từ AC1A ----------------------- 41 Hình 2.28. Góc rotor của máy phát -------------------------------------------------------------------- 43 Hình 2.29. Dòng điện kích từ máy phát--------------------------------------------------------------- 43 Hình 2.30. Điện áp kích từ máy phát ------------------------------------------------------------------ 43 Hình 2.31. Công suất điện máy phát điện ------------------------------------------------------------ 44 Hình 2.32. Dòng điện đầu cực máy phát-------------------------------------------------------------- 44 Hình 2.33. Góc rotor của máy phát -------------------------------------------------------------------- 44 Hình 2.34. Dòng điện kích từ máy phát--------------------------------------------------------------- 45 Hình 2.35. Điện áp kích từ máy phát ------------------------------------------------------------------ 45 Hình 2.36. Công suất điện máy phát điện ------------------------------------------------------------ 45 Hình 2.37. Dòng điện đầu cực máy phát-------------------------------------------------------------- 46 Hình 2.38. Góc rotor của máy phát -------------------------------------------------------------------- 46 Hình 2.39. Dòng điện kích từ máy phát--------------------------------------------------------------- 46 Hình 2.40. Điện áp kích từ máy phát ------------------------------------------------------------------ 47 Hình 2.41. Công suất điện máy phát điện ------------------------------------------------------------ 47 Hình 2.42. Dòng điện đầu cực máy phát-------------------------------------------------------------- 47 Hình 3.1. Mô hình hệ thống máy phát điện kinh điển nối lưới ------------------------------------ 49 Hình 3.2. Sơ đồ khối máy phát điện kinh điển ------------------------------------------------------- 51 Hình 3.3. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều độc lập ---------------------------------------------- 52 Hình 3.4. Sơ đồ mạch máy kích từ một chiều tự kích thích---------------------------------------- 53 x Hình 3.5. Mô hình HTKT IEEE loại 1 ---------------------------------------------------------------- 55 Hình 3.6. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc cơ khí - thủy lực ------------------------------------- 56 Hình 3.7. Sơ đồ khối của hệ thống điều tốc điện tử - thủy lực ------------------------------------ 56 Hình 3.8. Mô hình hệ thống turbine và điều tốc đơn giản------------------------------------------ 57 Hình 3.9. Sơ đồ khối điều chỉnh kích từ máy phát nối lưới ---------------------------------------- 58 Hình 3.10. Mô hình HTKT IEEE loại 1 với tín hiệu nhỏ ------------------------------------------ 62 Hình 3.11. HTKT thyristor ST1 với AVR ------------------------------------------------------------ 62 Hình 3.12. Sơ đồ khối đã tuyến tính của máy phát bao gồm kích từ & AVR ------------------- 63 Hình 3.13. Đáp ứng tự nhiên của góc tải δ với các nhiễu nhỏ ------------------------------------- 64 Hình 3.14. Đồ thị vector các thành phần mô men với AVR --------------------------------------- 65 Hình 3.15. Sơ đồ khối đã tuyến tính hệ máy phát nối lưới với kích từ, AVR và PSS --------- 66 Hình 3.16. Đồ thị vector các thành phần mô men với kích từ, AVR & PSS -------------------- 68 Hình 3.17. Sơ đồ khối của PSS1A – loại đầu vào đơn --------------------------------------------- 69 Hình 3.18. Sơ đồ khối PSS2A -------------------------------------------------------------------------- 71 Hình 3.19. Góc rotor của 7 tổ máy có PSS ----------------------------------------------------------- 72 Hình 3.20. Dòng điện kích từ của 7 tổ máy có PSS ------------------------------------------------- 72 Hình 3.21. Điện áp kích từ của 7 tổ máy có PSS ---------------------------------------------------- 72 Hình 3.22. Công suất điện của 7 tổ máy có PSS ---------------------------------------------------- 73 Hình 3.23. Cài đặt thông số kích từ ST1-------------------------------------------------------------- 75 Hình 3.24. Cửa sổ cài đặt thông số PSS1A----------------------------------------------------------- 75 Hình 3.25. Kết quả hiển thị trên màn hình tính toán ổn định trong ETAP ở chế độ ban đầu. 76 Hình 3.26. Kết quả hiển thị trên màn hình tính toán ổn định trong ETAP ở thời điểm 20s --- 77 Hình 3.27. Góc rotor của máy phát khi ST1 và PSS1A -------------------------------------------- 78 Hình 3.28. Dòng điện kích từ máy phát ST1 và PSS1A-------------------------------------------- 78 Hình 3.29. Điện áp kích từ máy phát ST1 và PSS1A ----------------------------------------------- 78 Hình 3.30. Công suất điện máy phát điện ST1 và PSS1A ----------------------------------------- 79 Hình 3.31. Dòng điện đầu cực máy phát ST1 và PSS1A------------------------------------------- 79 Hình 3.32. Góc rotor của máy phát ST1 và PSS1A ------------------------------------------------- 79 Hình 3.33. Dòng điện kích từ máy phát ST1 và PSS1A-------------------------------------------- 80 Hình 3.34. Điện áp kích từ máy phát ST1 và PSS1A ----------------------------------------------- 80 Hình 3.35. Công suất điện máy phát điện ST1 và PSS1A ----------------------------------------- 80 Hình 3.36. Dòng điện đầu cực máy phát ST1 và PSS1A------------------------------------------- 81 Hình 3.37. Góc rotor của máy phát ST1 và PSS1A ------------------------------------------------- 81 Hình 3.38. Dòng điện kích từ máy phát ST1 và PSS1A-------------------------------------------- 81 Hình 3.39. Điện áp kích từ máy phát ST1 và PSS1A ----------------------------------------------- 82 Hình 3.40. Công suất điện máy phát điện ST1 và PSS1A ----------------------------------------- 82 Hình 3.41. Dòng điện đầu cực máy phát ST1 và PSS1A------------------------------------------- 82 Hình 3.42. Góc rotor của 7 máy phát có PSS1A ---------------------------------------------------- 83 Hình 3.43. Dòng điện kích từ của 7 máy phát ST1 và PSS1A ------------------------------------ 83 xi Hình 3.44. Điện áp kích từ của 7 máy phát với ST1 và PSS1A ----------------------------------- 83 Hình 3.45. Công suất tác dụng P của 7 máy phát ST1 và PSS1A--------------------------------- 84 Hình 3.46. Vị trí thanh cái Bus763 nơi xảy ra ngắn mạch 3 pha. --------------------------------- 85 Hình 3.47. Góc rotor của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,4s kể từ khi xảy ra ngắn mạch. --------------------------------------------------------------------------------------- 85 Hình 3.48. Công suất tác dụng P của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,4s kể từ khi xảy ra ngắn mạch. -------------------------------------------------------------------------- 85 Hình 3.49. Góc rotor của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,6s kể từ khi xảy ra ngắn mạch ---------------------------------------------------------------------------------------- 86 Hình 3.50. Công suất tác dụng P của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,6s kể từ khi xảy ra ngắn mạch. -------------------------------------------------------------------------- 86 Hình 3.51. Góc rotor của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,8s kể từ khi xảy ra ngắn mạch. --------------------------------------------------------------------------------------- 86 Hình 3.52. Công suất tác dụng P của 7 máy phát với ST1 và PSS1A khi cắt sự cố sau 0,8s kể từ khi xảy ra ngắn mạch. -------------------------------------------------------------------------- 87 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống lưới điện trung áp tỉnh Sơn La đã trải rộng đến hầu hết đến các xã, bản trên toàn địa bàn với tổng chiều dài là 4.112,35 km (trong đó đường dây 35 kV = 3.661,54 km; 22 kV = 389,16 km; 10 kV = 44,1 km; 6 kV = 17,57 km), có 2.208 TBA phân phối tổng dung lượng: 321.321 kVA; tài sản của khách hàng gồm 136,27 km đường dây trung áp và 358 TBA với công suất 105.272 kVA đấu nối vào hệ thống lưới điện do Công ty Điện lực Sơn La quản lý. Với đặc điểm là tỉnh miền núi, đường dây trung áp cung cấp cho các trạm biến áp phân bố rải rác trên một phạm vi lớn trải dài theo điều kiện tự nhiên và phân bố dân cư trong khu vực, đặc điểm phụ tải có tính chất không ổn định trong ngày (24h) do chủ yếu các phụ tải có tính chất dân sinh, ít phụ tải công nghiệp. Các đường dây trung áp do công ty quản lý đa số có chiều dài lớn, nhiều khu vực xây dựng các trạm trung gian 35/22 kV và 35/10 kV. Đặc biệt, trên lưới điện trung áp của tỉnh Sơn La có rất nhiều thủy điện nhỏ đấu nối vào, các thủy điện này có đặc điểm vận hành thụ động theo mùa. Từ các lý do trên đã làm cho khả năng vận hành lưới điện trung áp gặp một số vấn đề như: Chất lượng điện áp thấp, tổn thất điện năng lớn; Phương thức vận hành của lưới điện gặp nhiều khó khăn; Việc tính toán, chỉnh định các bảo vệ rơle phức tạp. Trong đó, đường dây 374 – E17.1 Mộc Châu là một trong những đường dây trung áp đặc trưng cho lưới điện trung áp của tỉnh Sơn La với nhiều nguồn đấu nối vào lưới điện này: + Nguồn cấp: TBA 110 kV E17.1 Mộc Châu 2x25 MVA. + Số thủy điện đấu nối: 03 Thủy điện: Thủy Điện Suối Tân 1: 2x1,0+0,5 MW; Thủy Điện Suối Tân 2: 2x2 MW và Thủy Điện Sơ Vin: 2x1,4MW. + Chiều dài: 340,15 km Trục chính sử dụng dây AC95, nhánh rẽ sử dụng dây AC70/AC50. + Số TBA phân phối: 121 TBA tổng dung lượng 20.174 kVA; 2 + Liên kết mạch vòng với đường dây trung áp 371- E17.5 Phù Yên; + Có 01 trạm trung gian 35/22 kV đấu nối vào: Trạm trung gian Vân Hồ: 2x3200 kVA – Mới đưa vào vận hành năm 2019. Qua khảo sát, hệ thống kích từ của các thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện 374E17.1 là loại dùng động cơ điện xoay chiều có đặc điểm là vận hành phức tạp, giá thành cao, chịu ảnh hưởng của sự thay đổi tần số và điện áp lưới (nhất là trong chế độ sự cố). Xuất phát từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu nâng cao ổn định lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La có sự tham gia các thủy điện nhỏ” để làm vấn đề nghiên cứu cho mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài này đặt mục tiêu chính là phân tích hiện trạng lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La; vấn đề ổn định của HTĐ và phân tích các cấu trúc của PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, từ đó thấy được sự cần thiết của PSS đối với việc nâng cao ổn định của HTĐ có sự tham gia các thủy điện SƠ VIN, SUỐI TÂN 1, SUỐI TÂN 2. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành; nghiên cứu cấu trúc HTKT, PSS. - Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu cấu trúc HTKT, PSS đang lắp đặt trong các nhà máy điện hiện nay ở Việt Nam, rồi phân tích lý giải so sánh. Kiểm chứng ảnh hưởng của các loại HTKT và PSS bằng mô phỏng trong ETAP. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống kích từ, PSS, Các nhà máy thủy điện nhỏ. Áp dụng đối với 374 có kết nối 03 thủy điện nhỏ địa phương thuộc lưới điện 35 kV huyện Mộc Châu có sơ đồ như bản vẽ 01. 3 Phân tích thực trạng vận hành lưới điện 374-E17.1 huyện Mộc Châu; thông số phụ tải, vận hành các thủy điện theo mùa...Trên cơ sở đó phát hiện những ưu nhược điểm, những tồn tại, bất cập của lưới điện hiện tại đồng thời đề xuất giải pháp khắc phục. 5. Cấu trúc của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm các chương sau đây. - Chương 1: Tổng quan về lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu-Sơn La và vấn đề ổn định hệ thống điện: Giới thiệu chung về lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La; Các nguồn thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện này (SƠ VIN, SUỐI TÂN 1, SUỐI TÂN 2); Vấn đề ổn định hệ thống điện. - Chương 2: Mô hình hóa lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La: Tính toán thông số lưới điện; Xây dựng mô hình mô phỏng lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La trong phần mềm ETAP; Mô phỏng các thủy điện SƠ VIN, SUỐI TÂN 1, SUỐI TÂN 2, lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La. - Chương 3: Nâng cao ổn định lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La: Hệ thống kích từ và thiết bị ổn định hệ thống điện PSS; Giải pháp kỹ thuật nâng cao ổn định lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La có sự tham gia các thủy điện SƠ VIN, SUỐI TÂN 1, SUỐI TÂN 2; Mô phỏng ảnh hưởng của thiết bị HTKT, PSS đến vấn đề ổn định hệ thống điện. 4 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 374-E17.1 MỘC CHÂU-SƠN LA VÀ VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Đặc điểm hiện trạng lưới điện 35kV Mộc Châu – Sơn La 1.1.1. Cấu trúc lưới Hệ thống điện Việt Nam nói chung và lưới điện tại tỉnh miền núi nói riêng được xây dựng và phát triển từng bước qua các nhiều giai đoạn nên thiếu sự đồng bộ và còn bất cập. Trong đó, có nhiều đường dây 35kV cung cấp cho các trạm biến biến áp phân bố rải rác, trải dài trên một phạm vi lớn theo điều kiện tự nhiên và phân bố dân cư trong khu vực, đặc điểm phụ tải có tính chất không ổn định trong ngày (24h) do chủ yếu các phụ tải điện sinh hoạt, ít phụ tải điện công nghiệp công suất nhỏ. Trong quá trình cải tạo phát triển, các đường dây 110kV và các trạm biến trung gian được xây dựng thêm làm thay đổi phân bố công suất khác so với thiết kế ban đầu. Đặc biệt, chính sách phát triển nguồn năng lượng tái tạo kết nối lưới cũng có tác động mạnh đến cấu trúc lưới và thay đổi các phương thức vận hành. Trong số đó, phải kể đến các thủy điện nhỏ công suất từ một vài MW đến vài chục MW có đặc điểm vận hành thụ động theo mùa (nguồn nước thay đổi). Từ các lý do trên đây đã phát sinh nhiều bất cập, ví dụ: - Cấu trúc lưới, và chủng loại, tiết diện dây dẫn một vài đoạn bất hợp lý. - Hạn chế tính năng làm việc, bảo vệ của các thiết bị điện. - Khó khăn trong lựa chọn phương thức vận hành lưới điện khi có các nguồn phân tán (thủy điện nhỏ, pin mặt trời, điện turbine gió,...). - Chất lượng điện năng thấp do điện áp thay đổi tăng, giảm phụ thuộc vào thuỷ điện nhỏ kết nối lưới. - Tổn thất điện năng trên lưới điện lớn. Trong bối cảnh này, những lưới điện trung thế thuộc địa bàn miền núi nói chung và cụ thể là lưới điện 374-E17.1 huyện Mộc Châu cần thiết phải được nâng cấp bởi các giải pháp tiến bộ, đáp ứng cơ chế quản lý và kinh doanh của EVN quy định tại các văn bản hiện hành, cụ thể như Thông tư số 39/TT-BCN năm 2015 của Bộ Công thương áp dụng đối với lưới điện phân phối trong hệ thống điện Việt Nam. Về tổng thể, lưới điện 35kV huyện Mộc Châu bao gồm 03 lộ đường dây như hình 1.1. Chi tiết xem bản vẽ PL1.1. 5 - Lộ 372 E17.1 là loại đường dây trên không có tổng chiều dài 139,983 km. - Lộ 374 E17.1 là loại đường dây trên không có tổng chiều dài 206,232 km. - Lộ 376 E17.1 một phần là loại đường dây cáp ngầm, một phần là loại đường dây trên không có tổng chiều dài 45,24 km. Hình 1.1. Sơ đồ một sợi lưới điện 35 kV Điện lực Mộc Châu Tổng số phụ tải gồm 232 trạm biến áp 35/0,4 kV với tổng công suất định mức là 30 MVA. Hệ thống đường dây bao gồm đường dây trên không sử dụng các loại dây sau: AC-50, AC-70, AC-95, AC-120. Có 01 trạm trung gian 35/22kV đấu nối vào trạm trung gian Vân Hồ. 2x3200kVA – mới đưa vào vận hành năm 2019. Trong lưới điện 35 kV có kết nối 04 nhà máy thủy điện nhỏ. Bảng 1-1. Danh mục các thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện 35 kV Tên gọi Stt Pđm (MW) Lộ kết nối 1 Suối Tân 1 2,4 374 2 Suối tân 2 4,0 374 3 SơVin 2,8 374 4 Mường Sang 2,5 372 6 Đường dây có dạng hình tia sử sụng cấu trúc mạch vòng liên kết với nhau bằng các máy cắt và dao cách ly với sơ đồ kết dây cơ bản như sau: Lộ 372 có dao cách ly 372-7/4A Tiểu Khu 77 thường mở, dự phòng cho kết nối với đường dây 35 kV Sơn La. Lộ 374 và 376 được cấp điện từ trạm biến áp Mộc Châu. Hình 1.2 là sơ đồ lưới điện 374-E17.1 (chi tiết xem bản vẽ PL1.2). Hình 1.2. Sơ đồ lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La 1.1.2. Đặc điểm vận hành - Do đường dây có tổng chiều dài lớn, rải rác vào các thôn bản hẻo lánh với nhiều đoạn rẽ nhánh nên các phụ tải phía cuối đường dây có điện áp thấp dưới mức quy định. - Nhiều loại đường dây được đầu tư từ 20 đến 25 năm trước đây với đoạn có tiết diện dây 50 mm2 xen lẫn đường dây có tiết diện 95 mm2,... không phù hợp, đặc biệt là khi áp dụng cấu trúc mạch vòng sẽ bộc lộ những bất cập về kỹ thuật. - Do đặc thù của các phụ tải chủ yếu là phụ tải dân sinh có tính chất thay đổi thất thường với biên độ dao động lớn trong ngày dẫn đến việc điều độ và công tác vận hành phức tạp. Đối với các nhánh rẽ, phụ tải ngày có thể dao động trong khoảng (5 ÷100)%Sđm, trong khi phụ tải máy biến áp phân phối dao động trong khoảng (20 ÷100)%Sđm. 1.1.3. Thông số kỹ thuật các nhà máy thủy điện đấu nối vào lưới điện 374-E17.1 [4] 1.1.3.1. Nhà máy thủy điện Suối Tân 1 (bản vẽ PL1.3) 7 Bảng 1-2. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện Suối Tân 1 Nội dung Số liệu Đơn vị - Hồ chứa: Mùa khô từ tháng 01 đến tháng 8, mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12 Cột nước m Dung tích hồ điều tiết m3 -Tuabin Kiểu - Máy phát: SFWE – W1000-6/1180 (H1, H2), SFW – W5006/850 (H3) 3 tổ máy Tổng công suất nhà máy 2,5 MW Công suất định mức H1 1 MW Công suất định mức H2 1 MW Công suất định mức H3 0,5 MW Dải công suất khả dụng 1 máy MW Thời gian khởi động nhỏ nhất phút Điện áp đầu cực máy phát 6,3 cos 0,8 Tốc độ quay định mức Tần số 1000 v/ph 50 Hz 1 máy - Máy biến áp Dung lượng 3200 Điệp áp 38.5  2x2.5%/6.3kV Tổ đấu dây kV kVA kV Y/-11 8 1.1.3.2. Nhà máy thủy điện Suối Tân 2 (bản vẽ PL1.4) Bảng 1-3. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện Suối Tân 2 Nội dung 1 Máy phát điện 1.1 Thông số danh định mỗi tổ máy Công suất danh định Hệ số công suất Số liệu Đơn vị 2 tổ máy 2500 kVA 0,8 Công suất phát cực đại MW Công suất phát cực tiểu MW Số pha 3 pha Tần số 50 Hz 1000 v/ph 6,3 kV Điện kháng đồng bộ dọc trục Xd 130,3 % Điện kháng đồng bộ ngang trục Xq 68,3 % Điện kháng quá độ dọc trục X’d 18,5 % Điện kháng siêu quá độ dọc trục X’’d 12,4 % Tốc độ quay Điện áp đầu cực máy phát Tỷ số ngắn mạch 1.2 Điện trở, điện kháng (tính tương đối trên công suất và điện áp danh định) Điện kháng thứ tự nghịch X2 % Điện kháng thứ tự không X0 % Điện trở rò stator cho mỗi pha (ở 750C) 0,0726 Điện kháng potier (ở 750C) 1.3 ohm Hằng số thời gian Hằng số thời gian quá độ hở mạch dọc trục T’d0 3,466 Hằng số thời gian quá độ hở mạch dọc trụcT’’d0 1.4 sec sec Hằng số quán tính GD2 2 ohm 3750 Máy biến áp Shuang Xing Cheng Du Dung lượng Kgm2 2 máy 2500 kVA 9 Điệp áp cao áp/trung áp 38,5/6,3 Tổ đấu dây Y/-11 Điện áp ngắn mạch giữa các cuộn dây 6,57 Hệ thống làm mát ONAN kV % 1.1.3.3. Nhà máy thủy điện Sơ Vin (bản vẽ PL1.5) Bảng 1-4. Số liệu kỹ thuật nhà máy thủy điện SơVin Nội dung 1 Máy phát điện ZHEJIANG JINLUN ELECTROMECANIC CO.LTD 1.1 Thông số danh định mỗi tổ máy Công suất danh định Hệ số công suất Số liệu Đơn vị 2 tổ máy 1750 kVA 0,8 Công suất phát cực đại MW Công suất phát cực tiểu MW Khả năng quá tải của máy phát 1.2 Số pha 3 pha Tần số 50 Hz Tốc độ quay 750 v/ph Điện áp đầu cực máy phát 6,3 kV Tỷ số ngắn mạch 1,04 Điện trở, điện kháng (tính tương đối trên công suất và điện áp danh định) Điện kháng đồng bộ dọc trục Xd 105,6 % Điện kháng đồng bộ ngang trục Xq 61,1 % Điện kháng quá độ dọc trục X’d 23,5 % Điện kháng siêu quá độ dọc trục X’’d 16,9 % Điện kháng thứ tự nghịch X2 17,84 % Điện kháng thứ tự không X0 3,54 % 0,2784 ohm Điện trở rò stator cho mỗi pha (ở 750C) Điện kháng potier (ở 750C) 1.3 Hằng số thời gian ohm