Ổn định điện áp với thiết bị D-VAR

Image[bkeps.com]Natchez là một trong những thành phố lâu đời nhất của bang Mississippi. Với ngành du lịch nhộn nhịp, ngành công nghiệp phát triển mạnh và tài nguyên thiên nhiên dồi dào, Natchez là một thành phố nhỏ đáng ao ước, dân số xấp xỉ 20.000 người. Vùng Natchez được cấp điện từ năm đường dây truyền tải 115 kV, nhà máy điện tuabin hơi chạy bằng khí Natchez 75 MW và nhà máy thủy điện Murray 20 MW.

Công ty Entergy Mississippi (trụ sở tại thành phố Jackson, bang Mississippi) cung cấp điện cho khoảng 427.000 khách hàng ở 45 hạt trong bang Mississippi, trong đó có hạt Adams nơi có thành phố Natchez. Năm 2005, trong khi nghiên cứu khả năng đưa nhà máy chạy bằng nhiên liệu hóa thạch 75 MW này sang chế độ dự phòng, Entergy đã nhận diện được những vấn đề tiềm tàng về ổn định điện áp động tại vùng Natchez.

Các vấn đề tiềm tàng

Mặc dù vẫn có thể huy động khoảng 20 MW công suất từ nhà máy thủy điện Murray ở gần đó, nhưng các nghiên cứu trạng thái ổn định cho thấy trong điều kiện nhà máy điện tuabin hơi Natchez được đưa vào dự phòng thì trong điều kiện sự cố ngẫu nhiên N-1 (sự cố một phần tử bất kỳ trong hệ thống điện) vào thời điểm phụ tải đỉnh trên hệ thống, có thể xảy ra các vấn đề quá tải nhiệt và điện áp thấp trong vùng. Các nghiên cứu động học cũng đã chỉ ra rằng một khi không được hỗ trợ công suất phản kháng từ nhà máy điện tuabin hơi Natchez,  thì chỉ cần sự cố bất ngờ đơn lẻ làm mất bất kỳ một trong năm đường dây cung cấp trong vùng cũng có thể dẫn đến sụt điện áp ở các trạm biến áp khác nhau và việc hồi phục điện áp sau sự cố cũng chậm. Các nghiên cứu động đã chỉ ra rằng nếu không tiến hành củng cố thêm, điện áp sẽ không thể hồi phục lại được sau sự cố bởi vì nhu cầu công suất phản kháng tăng cao từ phụ tải động cơ điện cảm ứng trong vùng.

Entergy xác định là có thể giảm nhẹ các vấn đề tiềm tàng về quá tải nhiệt theo các phương pháp thông thường để củng cố đường dây truyền tải. Entergy đã nghiên cứu khả thi để xác định liệu có thể biến máy phát 75 MW hiện nay ở nhà máy điện tuabin hơi Natchez thành máy bù đồng bộ hay không. Nghiên cứu này đã xác định rằng do có nhiều vấn đề về stato và roto nên giải pháp máy bù đồng bộ là không kinh tế. Do đó, Entergy đã quyết định nghiên cứu các giải pháp mới để khắc phục vấn đề nghiêm trọng hơn, đó là ổn định điện áp động.

Giải pháp hiệu quả

Điện áp không ổn định và sụp đổ điện áp, do thiếu hỗ trợ công suất phản kháng (VAR) (sự cố bất ngờ) hoặc do đặc tính của phụ tải khách hàng, từ lâu đã là mối đe dọa đối với độ tin cậy. Xu hướng phát triển lưới điện và tăng trưởng nhu cầu điện năng gần đây khiến cho những vấn đề này trở nên trầm trọng hơn, buộc ngành điện phải đưa việc giải quyết các vấn đề này lên mức ưu tiên cao.

Các kế hoạch phát triển hệ thống của Entergy qui định rằng phải cung cấp đủ công suất phản kháng tại các vị trí thích hợp trong hệ thống để duy trì điện áp hệ thống truyền tải trong phạm vi từ +5% đến -8% điện áp danh định khi xảy ra sự cố bất ngờ. Các tiêu chí của Entergy về đáp ứng động là phù hợp với các tiêu chí về phục hồi điện áp của Hội đồng điều phối điện lực miền Tây (Western Electricity Coordinating Council – WECC).

Sau khi nhận diện các vấn đề về điện áp động ở vùng Natchez, Entergy đã xác định các giải pháp thích hợp để có thể điều chỉnh điện áp một cách hiệu quả trong các điều kiện sự cố bất ngờ có thể lường trước được cho tới mùa hè năm 2015. Bởi vì giải pháp máy bù đồng bộ đã bị loại bỏ, nên việc bơm công suất phản kháng động trở thành phương án lựa chọn hợp lý. Đề xuất cuối cùng là lắp đặt hai bộ nguồn công suất phản kháng động (D-VAR) 8 MVAR của công ty American Superconductor (trụ sở tại Devens, bang Massachusetts) tại trạm 115 kV nhà máy điện Natchez cùng với hai dãy tụ điện 1 MVAR

Hai bộ D-VAR khống chế điện áp truyền tải cục bộ trong thời gian sự cố bất ngờ và phục hồi điện áp tới một mức chấp nhận được. Các bộ D-VAR cũng điều khiển một trong hai dãy tụ điện, sử dụng nó như là một “dãy tụ điện dự phòng” để tăng công suất phản kháng bơm vào từ các bộ D-VAR trong khoảng thời gian sụt điện áp lưới nghiêm trọng. Việc lựa chọn giải pháp cụ thể này cũng gặp thuận lợi bởi thực tế là Entergy đã có sẵn kinh nghiệm thành công với các thiết bị hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh động (flexible AC transmission system – FACTS) tương tự, ví dụ như là các bộ bù tĩnh (SVC) được lắp đặt ở trạm Ninemile gần New Orleans (bang Louisiana) và ở vùng Woodland ngay phía bắc thành phố Houston, bang Texas.

Công việc thực tế

Bằng việc sử dụng phần mềm điều khiển và giám sát, hệ thống D-VAR phát hiện và bù các nhiễu điện áp bằng cách bơm công suất phản kháng sớm pha hoặc chậm pha, đo bằng VAR, vào nơi cần thiết trên hệ thống điện. Các hệ thống này có thể mở rộng được và có thể được triển khai tập trung thành khối lớn duy nhất hoặc phân tán trong cả vùng phụ tải. Và bởi vì các hệ thống này ở dạng môđun nên có thể mở rộng hoặc di chuyển chúng để đáp ứng nhu cầu trong tương lai.

thiet bi dvar.JPG

Thiết bị D-VAR                        

Entergy sử dụng giải pháp D-VAR để cung cấp công suất phản kháng liên tục, điều khiển riêng rẽ từng pha và có khả năng quá tải. Thông thường, việc bù công suất phản kháng từ bộ bù được bật lên khi điện áp hạ xuống dưới một mức định trước và tắt đi khi điện áp tăng trở lại tới một mức chấp nhận được, gần với điện áp danh nghĩa. Tại trạm 115 kV Natchez, khi phát hiện xảy ra điện áp thấp, bộ biến đổi sẽ hoạt động liên tục để cung cấp công suất phản kháng, cùng với dãy tụ điện. Nếu bộ biến đổi chỉ hoạt động trong khoảng thời gian tương đối ngắn trong chế độ khẩn cấp, bộ biến đổi có thể cho hoạt động theo kiểu quá tải để tạo ra lượng điện kháng lớn nhất. Trong trường hợp khác, bộ biến đổi có thể cho hoạt động ở chế độ ổn định, cung cấp một mức điện kháng thấp hơn trong khoảng thời gian vô hạn định.

Giải pháp D-VAR tại Natchez có khả năng cản dịu các biến động nhanh về điện áp và có thể hỗ trợ điện áp sau sự cố để giảm nhẹ mọi xu hướng dẫn tới sụp đổ điện áp. Giải pháp này cũng có tác dụng như một thiết bị hỗ trợ điện áp quá độ nhanh. Bằng việc tích hợp đầu ra D-VAR của thiết bị bù công suất phản kháng với dãy tụ được đóng cắt bằng cơ khí, giải pháp này là phương án kinh tế thay thế cho các bộ SVC mà lại có hiệu quả tương đương trong việc giải quyết các vấn đề thường gặp trên lưới truyền tải, ví dụ như điện áp không ổn định và điều chỉnh điện áp.

Tăng khả năng điều khiển và hiệu quả kinh tế

Trước đây, các bộ bù tĩnh (SVC) và các hệ thống bù đồng bộ tĩnh đã cung cấp lượng công suất phản kháng thay đổi nhanh chóng cần thiết để điều chỉnh điện áp và nhanh chóng đưa điện áp sau sự cố bất ngờ trở về mức chấp nhận được. Khung thời gian yêu cầu để giải pháp này phản ứng lại được là khoảng vài chu kỳ dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp (một chu kỳ là 16,7 ms đối với hệ thống điện tần số 60 Hz), cho dù chúng có khả năng phản ứng sau không đến một chu kỳ.

Entergy đã xác định rằng giải pháp của công ty AMSC là có hiệu quả nhất về chi phí và có thời gian cung ứng nhanh nhất cho tất cả các tình huống có thể xảy ra. Ban đầu, cả hai bộ D-VAR được bố trí trên lưới điện truyền tải của Entergy ở bang Texas và được vận hành như là các bộ tích trữ năng lượng từ siêu dẫn động (dynamic superconducting magnetic energy storage – D-SMES). Kể từ khi lắp đặt bộ SVC tại vùng Woodland thì các bộ D-SMES không còn cần thiết ở đó nữa. Sau khi có quyết định sử dụng các bộ D-SMES ở Natchez để hỗ trợ điện áp, các bộ này đã được cải tạo lại tại AMSC và chuyển tới Natchez để cho vận hành như là các bộ D-VAR. Với việc cải tạo và di chuyển các bộ này tới Natchez, Entergy đã tiết kiệm được một khoản chi phí vốn đáng kể. Các yếu tố kinh tế khác, theo đánh giá của Entergy, còn bao gồm cả việc cấp phép (không yêu cầu), các đánh giá về môi trường, cơ sở hạ tầng vật chất (dễ dàng bố trí trong trạm biến áp), và khả năng giám sát và điều khiển từ xa.

Theo KHCN Điện số 5/2008

Leave a Reply

Thư điện tử của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *