MÔ PHỎNG các sự cố lớn về điện áp TRONG hệ THỐNG điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BÁO CÁO TỔNG HỢP NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CÁC SỰ CỐ LỚN VỀ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Hà Nội, tháng 12/2016 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mở đầu Tài liệu trích từ báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ GD-ĐT “Nghiên cứu xây dựng phần mềm mô hệ thống điện 500kV Việt Nam nhằm phát cảnh báo nguy rã lưới”, phục vụ cho khóa đào tạo “Điều độ, tính tốn phương thức hệ thống điện” cho chuyên gia Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) Người thực chính: • • TS Nguyễn Xn Tùng TS Nguyễn Đức Huy iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ xi DANH MỤC BẢNG .xvi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvii Chương GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Mở đầu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Cấu trúc báo cáo Chương TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CỦA CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN LỚN VÀ CƠ CHẾ CỦA CÁC SỰ CỐ DIỆN RỘNG 2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện 2.2 Mơ hình tốn học tốn nghiên cứu q trình ổn định dài hạn 2.2.1 Mơ hình tốn học 2.2.2 Quá trình ổn định 10 2.3 Một số cố gây ổn định điển hình giới Việt Nam 11 2.3.1 Sự cố Pháp ngày 19/12/1978 11 2.3.2 Sự cố Italia ngày 28/9/2003 11 2.3.3 Sự cố Tokyo – Nhật Bản ngày 23/7/1987 12 2.3.4 Sự cố tách lưới châu Âu ngày 4/11/2006 13 iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2.3.5 Sự cố diện rộng lưới điện Việt Nam ngày 22 tháng năm 2013 13 2.4 Cơ chế cố rã lưới cố diện rộng 13 2.5 Sự làm việc hệ thống rơ le bảo vệ cố diện rộng 14 2.5.1 Rơ le dòng điện 14 2.5.2 Rơ le khoảng cách 14 2.5.3 Rơ le phát đồng 15 2.5.4 Rơ le bảo vệ kích từ máy phát (OEL) 16 2.5.5 Rơ le sa thải phụ tải 17 Chương THIẾT BỊ ĐO ĐỒNG BỘ GÓC PHA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 19 3.1 Giới thiệu thiết bị đo đồng góc pha 19 3.2 Các ứng dụng thiết bị đo PMU 21 3.2.1 Các ứng dụng giám sát diện rộng 21 3.2.2 Các ứng dụng off-line 25 3.2.3 Xây dựng trình tự kiện xác định điểm cố 27 3.3 Các ứng dụng điều khiển bảo vệ diện rộng dựa PMU 28 3.3.1 Trợ giúp q trình khởi động đen khơi phục hệ thống điện 28 3.3.2 Bảo vệ chống đồng diện rộng 28 3.3.3 Điều khiển ổn định dao động công suất 28 Chương BÀI TOÁN TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ ĐẶT THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG ĐỒNG BỘ PHA TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN 30 4.1 Các luật quan sát PMU 30 4.1.1 Luật quan sát thứ 30 4.1.2 Luật quan sát thứ hai 31 v LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4.1.3 4.2 Luật quan sát thứ ba 32 Sơ đồ rút gọn 32 4.2.1 Máy biến áp 32 4.2.2 Các kháng điện, tụ bù ngang 33 4.2.3 Các tụ bù dọc 33 4.3 Bài toán xác định vị trí đặt tối ưu cho thiết bị PMU lưới điện 34 4.3.1 Bài tốn tối ưu vị trí PMU truyền thống 35 4.3.2 3.3.2 Bài tốn tối ưu vị trí đặt PMU có xét đến nút ZIB 35 4.3.3 Bài tốn tối ưu vị trí đặt PMU có xét đến PMU bị hư hỏng 36 4.3.4 Bài toán tối ưu điểm đặt PMU có xét đến nhánh bị cắt 37 4.3.5 3.3.5 Công cụ giải toán tối ưu 37 4.4 Kết áp dụng mơ hình lưới điện 38 4.4.1 Các lưới điện mẫu IEEE 38 4.4.2 Hệ thống điện 220 – 500kV Việt Nam 41 4.5 Kết luận 42 Chương BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ TRẠNG THÁI 43 5.1 Giới thiệu toán đánh giá trạng thái 43 5.2 Thuật toán giải toán đánh giá trạng thái 44 5.2.1 Kỹ thuật ước lượng hợp lý cực đại (MLE maximum likelihood estimation) 44 5.2.2 Phương pháp bình phương cực tiểu có trọng số 45 5.3 Các bước thực SE 47 5.3.1 Tính tốn hàm số h(x) 47 5.3.2 Tính tốn ma trận Jacobian H(x) 49 vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5.4 Phát xác định liệu đo không xác 50 5.4.1 Chuẩn hóa sai số 51 5.4.2 Phát xác định liệu sai 51 5.4.3 Thuật toán áp dụng 52 5.5 Áp dụng 53 5.6 Kết luận 57 Chương 6.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 58 Mơ hình tốn học toán ổn định định thức ma trận Jacobi 58 6.1.1 Hệ phương trình vi phân đại số mơ tả q trình động học hệ thống điện 58 6.1.2 Hệ phương trình chế độ xác lập 59 6.1.3 Ổn định chế độ xác lập 59 6.1.4 Quan sát ma trận Jacobi lưới điện thu gọn 61 6.2 Phương pháp độ nhạy, xác định nút yếu 62 6.3 Giới hạn truyền tải công suất 64 6.3.1 Mơ hình tốn tối ưu phi tuyến tìm giới hạn truyền tải cơng suất 64 6.3.2 Phương pháp trào lưu công suất liên tục, đường cong P-V, đường cong V-Q 66 6.4 Phương pháp mạng cửa tương đương 67 6.4.1 Giới thiệu 67 6.4.2 Tổng trở mạng cửa tương đương 68 6.5 Phương pháp đánh giá ổn định dựa theo dõi độ dự trữ công suất phản kháng 70 6.6 Phương pháp đánh giá online độ nhạy công suất phản kháng 71 Chương Mơ phân tích cố diện rộng 73 vii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7.1 Phương pháp nghiên cứu 73 7.2 Lưới điện mẫu IEEE 39 nút (New England) 73 7.2.1 Kịch mô cắt máy phát G9 (nút 38) 74 7.2.2 Ảnh hưởng rơ le bảo vệ cố lưới điện New England 76 7.3 Lưới điện Nordic Test system 78 7.3.1 Mô tả lưới điện Nordic kịch cố sụp đổ điện áp 78 7.3.2 Đáp ứng lưới Nordic xét đến ảnh hưởng rơ le 82 7.4 Lưới điện Việt Nam năm 2012 83 7.4.1 Mô tả chế độ làm việc 83 7.4.2 Kịch 84 7.4.3 Kịch 93 7.4.4 Kết luận 105 7.5 Lưới điện Việt nam 500-220kV 105 7.6 Kết luận chương 108 Chương GIỚI THIỆU CÁC MÔ ĐUN CHƯƠNG TRÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 109 8.1 Mơ hình nghiên cứu tiêu chuẩn ổn định 109 8.2 Mơ đun chương trình đánh giá ổn định dựa định thức ma trận Jacobi 110 8.2.1 Kết với lưới New England 110 8.2.2 Kết với lưới điện Nordic 111 8.2.3 Kết với lưới điện Việt Nam 500-220kV 112 8.3 Mơ đun chương trình đánh giá ổn định dựa phân tích độ nhạy 113 8.3.1 Lưới điện New England 113 8.3.2 Lưới điện Nordic 115 viii LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8.3.3 8.4 Lưới Việt Nam 500-220kV 116 Mơ đun chương trình đánh giá ổn định dựa phương pháp biến thiên thông số 118 8.4.1 Lưới điện New England 118 8.4.2 Lưới điện Nordic 119 8.4.3 Lưới điện Việt Nam 120 8.5 Mô đun chương trình phân tích ổn định dựa phương pháp mạng cửa tương đương 121 8.5.1 Lưới điện New England 121 8.5.2 Lưới điện Nordic 122 8.5.3 Lưới điện Việt Nam 2012 123 8.5.4 Nhận xét 124 8.6 Mơ đun chương trình phân tích ổn định dựa phương pháp đánh giá độ dự trữ công suất phản kháng 124 8.6.1 Đánh giá độ nhạy lưới điện New England 125 8.6.2 Đánh giá độ nhạy lưới điện mẫu Nordic 126 8.6.3 Đánh giá độ nhạy lưới điện Việt Nam 2012 128 8.7 Kết luận 129 Chương 9.1 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NGĂN CHẶN RÃ LƯỚI 131 Sa thải phụ tải theo điện áp 131 9.1.1 Giới thiệu 131 9.1.2 Nguyên tắc chỉnh định 133 9.1.3 Đánh giá kết số HTĐ mẫu 136 9.2 Sa thải phụ tải thích nghi 139 ix LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9.2.1 Đánh giá khả tải dựa toán OPF với ràng buộc bổ sung 139 9.2.2 Kết mô 141 9.3 Kết luận chương 143 Chương 10 KẾT LUẬN 10-1 10.1 Kết luận chung 10-1 10.2 Hướng phát triển đề tài 10-3 Tài liệu tham khảo x LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Phụ lục A - Các thiết bị bảo vệ Chương trình bày tổng quan nguyên lý bảo vệ cho phần tử hệ thống điện khả tác động nhầm nguyên lý bảo vệ hay chế độ làm việc khơng bình thường hệ thống điện A.1 Phương thức bảo vệ máy phát Máy phát điện đồng phần tử quan trọng hệ thống điện, làm việc tin cậy máy phát điện có ảnh hưởng định đến độ tin cậy toàn hệ thống Vì với máy phát điện, đặc biệt máy có cơng suất lớn, người ta đặt nhiều loại bảo vệ khác để chống tất loại cố chế độ làm việc khơng bình thường xảy cuộn dây máy phát Tùy theo công suất máy phát điện, vai trò máy phát hệ thống, loại máy phát điện (nhiệt điện, thủy điện tích năng, điện nguyên tử, …) sơ đồ đấu dây nhà máy điện (có hệ thống góp điện áp máy phát với phụ tải địa phương hay máy phát điện nối theo sơ đồ với máy biến áp lên góp truyền tải) mà người ta lựa chọn phương thức bảo vệ thích hợp Tùy theo quan điểm người sử dụng yêu cầu độ tin cậy, mức độ dự phòng, độ nhạy, … mà người ta lựa chọn số lượng chủng loại rơ le hệ thống bảo vệ Đối với máy phát điện công suất lớn, đường dây truyền tải quan trọng, xu lắp đặt hai hệ thống bảo vệ độc lập với nguồn điện thao tác riêng, hệ thống bảo vệ bao gồm bảo vệ số bảo vệ dự phịng thực đầy đủ chức bảo vệ cho máy phát điện Các loại bảo vệ thường sử dụng cho máy phát biểu diễn Hình A - [19] Trong rơ le có khả tác động q trình rã lưới có sụp đổ điện áp tô màu cam LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 50 51 Relay dòng Máy biến áp tự dùng 87T Relay so lệch khối 78 Rơ le đồng 59 N Rơ le chạm đất stator (95%) 59F 59 40 26 64 F Bảo vệ chống chạm đất cuộn rotor 46 21 59N 87G 32 Rơ le kích từ Rơ le điện áp Rơ le kích từ Rơ le nhiệt Rơ le thứ tự nghịch Rơ le khoảng cách Rơ le chạm đất (100%) Rơ le so lệch máy phát Rơ le cơng suất ngược Hình A - Phương thức bảo vệ máy phát A.2 Phương thức bảo vệ đường dây Phương thức chủng loại thiết bị bảo vệ đường dây tải điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: đường dây không hay đường dây cáp, chiều dài đường dây, phương thức nối đất, công suát truyền tải tầm quan trọng đường dây Các đường dây truyền tải 500220kV thường sử dụng loại bảo vệ sau: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ▪ ▪ ▪ Bảo vệ so lệch (chức 87L) Bảo vệ khoảng cách (chức 21, 21N) Bảo vệ dòng dự phòng (Chức 51, 51N) Trong rơ le có khả tác động tô màu cam 87L 87 L 21 21 N 87L 21 21 N 51 27 67 51 27 67 Hình A - Phương thức bảo vệ đường dây A.3 Nguyên lý hoạt động rơ le A.3.1 Rơ le bảo vệ dòng Đây dạng bảo vệ xuất sớm nhất, đơn giản có giá thành rẻ số loại rơ le dùng phổ biến hệ thống điện Những rơ le dòng kiểu điện tử nghiên cứu chế tạo cách kỷ Mặc dù trải qua nhiều thay đổi hình thức, cấu tạo, nguyên lý làm việc, rơ le bảo vệ dòng thiết bị thiếu hầu hết sơ đồ bảo vệ phận khác hệ thống điện Nguyên tắc chung không thay đổi bảo vệ dòng từ rơ le điện đến rơ le số đo lường dòng cố phát tín hiệu cắt máy cắt hoặc/và báo tín hiệu giá trị vượt ngưỡng cho phép thời gian xác định Bảo vệ dòng phản ứng theo dịng điện mà khơng xét đến chiều dòng sơ cấp chạy qua thiết bị bảo vệ bảo vệ q dịng khơng hướng Bảo vệ q dịng khơng hướng phù hợp với lưới hình tia nguồn cấp từ phía Trên hệ thống điện từ 220kV trở lên, có kết lưới mạch vịng nên chức q dịng khơng hướng sử dụng cho chức chống tụt lèo hay dòng khẩn cấp (khi mạch áp cấp cho bảo vệ có hướng) Để tăng tính chọn lọc phù hợp với cấu hình lưới mạch vịng, bảo vệ q dịng có LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com hướng sử dụng Đây loại bảo vệ hoạt động dòng ngắn mạch chạy theo hướng xác định A.3.2 Rơ le bảo vệ khoảng cách Các bảo vệ q dịng có vùng làm việc thay đổi phụ thuộc vào chế độ làm việc hệ thống Với dạng lưới mạch vòng, dòng cố phụ thuộc nhiều vào kết lưới nên khả chọn lọc bảo vệ dòng kém, chí nhiều trường hợp khơng thể sử dụng bảo vệ dòng Bảo vệ khoảng cách làm việc nguyên lý đo khoảng cách (tổng trở), chế độ làm việc bình thường, điện áp đặt vào rơ le điện áp làm việc (xấp xỉ danh định) dòng điện qua rơ le dòng điện tải, tổng trở đo có giá trị lớn nên bảo vệ khơng tác động; có ngắn mạch, điện áp đặt vào rơ le giảm dòng điện qua rơ le dòng cố nên tăng cao, tức tổng trở đo giảm giảm bé giá trị tổng trở chỉnh định, bảo vệ gửi tín hiệu cắt máy cắt để cách ly cố Với khả định hướng tổng trở đo khơng phụ thuộc vào dịng cố nên bảo vệ khoảng cách sử dụng rộng rãi để bảo vệ đường dây tải điện từ 220kV trở lên Nguyên lý đo khoảng cách (tổng trở) sử dụng để bảo vệ lưới điện phức tạp có nhiều nguồn với hình dạng Tuy nhiên, thực tế có số yếu tố ảnh hưởng đến làm việc bảo vệ khoảng cách sai số biến dòng điện, biến điện áp, điện trở độ chỗ ngắn mạch, hệ số phân bố dòng điện nhánh bị cố với dòng điện qua chỗ đặt rơ le bảo vệ trình dao động điện Bảo vệ khoảng cách sử dụng hệ thống điện từ 220kV trở lên loại bảo vệ có hướng nhiều cấp bảo vệ Ngược lại với cách chọn thời gian bảo vệ q dịng điện (có đặc tính thời gian độc lập), với bảo vệ khoảng cách, ngắn mạch gần chỗ đặt bảo vệ loại trừ nhanh LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình A - Phối hợp tổng trở khởi động đặc tính thời gian vùng tác động bảo vệ khoảng cách Vùng 1: chức vùng cắt nhanh tốt cố bên đường dây bảo vệ AB, thời gian đặt trễ vùng rơ le khoảng cách thường 0s Do rơ le cắt không thời gian so với bảo vệ khác nên cố chắn nằm đường dây bảo vệ AB phép nằm vùng Tổng trở khởi động vùng bảo vệ đặt đầu A đường dây AB chọn theo cơng thức: 𝑍𝐴𝐼 = 𝐾𝑎𝑡 × 𝑍𝐴𝐵 Ở đây, hệ số an toàn 𝐾𝑎𝑡 = 0,75 – 0,9 có xét đến sai số mạch đo lường (dòng điện, điện áp), thân rơ le khoảng cách việc xác định thông số tổng trở • đường dây bảo vệ 𝑍𝐴𝐵 𝐾𝑎𝑡 < để đảm bảo chắn bảo vệ khoảng cách cấp không cắt nhầm gây chọn lọc cố xảy vùng lân cận B đường dây BC Vùng 2: Chức vùng bảo vệ đoạn cuối đường dây AB khu vực vùng bảo vệ đặt A, với yêu cầu bắt buộc phải bao trùm hồn tồn trạm B cho tất các cố xảy đường dây bảo vệ phải nằm vùng Ngồi ra, LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm nhiệm vụ dự phòng cho phần vùng bảo vệ đặt B Tổng trở khởi động vùng tính theo cơng thức: 𝑍𝐴𝐼𝐼 = 𝐾𝑎𝑡 × (𝑍𝐴𝐵 + 𝑍𝐵𝐼 𝐾𝐼 ) Cũng công thức trên, 𝐾𝑎𝑡 = 0,75 – 0,9 tức 𝐾𝑎𝑡 < nhằm đảm bảo vùng bảo vệ A không lấn sang vùng bảo vệ đặt B Ở đây, 𝐾𝐼 hệ số phân bố dòng điện Khi sau B có nhiều xuất tuyến đường dây, bảo vệ cho đường dây có chiều dài ngắn chọn để tính tốn phối hợp theo (3.12) Với cách thức tính tốn vậy, thời gian tác động vùng tất rơ le trạm thường đặt lớn vùng bảo vệ phía sau liền kề (B) Thời gian trễ vùng thường chọn 15 chu kỳ Vùng 3: Hiện nay, có nhiều cách tiếp cận phương pháp tính tốn tổng trở khởi động cho vùng bảo vệ khoảng cách như: coi vùng rơ le A túy dự phòng cho vùng rơ le B; vùng bảo vệ A đảm bảo phải trùm hết tất đường dây xuất tuyến từ B; vùng làm nhiệm vụ dự phịng tính tốn dựa vào tổng trở làm việc nhỏ tải… Tuy nhiên, lưới điện từ 220kV trở lên, cách thức tính tốn tổng trở vùng bảo vệ khoảng cách xuât phát từ yêu cầu rằng: vùng cấp dự phòng cuối nên phải đảm bảo bao trùm hét chiều dài đường dây dài xuất phát từ B ′ 𝑍𝐴𝐼𝐼𝐼 = 𝐾𝑎𝑡 × (𝑍𝐴𝐵 + 𝑍𝐵𝐶 𝐾𝐼 ) ′ Trong đó, hệ số an tồn 𝐾𝑎𝑡 = 1,2 – 1,5 hệ số an tồn có xét đến sai số mắc phải tính tốn Thời gian trễ vùng thường chọn 30 chu kỳ A.3.3 Rơ le đồng máy phát Những thay đổi đột ngột hệ thống điện đóng cắt đường dây, tăng giảm lượng lớn tải hay cố ngắn mạch dẫn tới dao động hệ thống điện làm thơng số dịng điện, biên độ góc pha điện áp thay đổi liên tục Hiện tượng gọi dao động công suất Trong trường hợp khơi phục được, dao động công suất giảm dần biến vài giây Tính đồng hệ thống khôi phục hệ thống điện trở trạng thái hoạt động ổn định Trong trường hợp khôi phục được, dao động công suất trở nên nghiêm trọng đến mức máy phát hệ thống bị đồng bộ, hay gọi trượt cực từ máy phát Trong trường hợp đó, việc tách vùng không đồng khỏi hệ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thống phải thực nhanh trước máy phát bị phá hỏng cố lan truyền hệ thống Trượt cực từ xảy công suất đặt vào máy phát lớn công suất điện mà hệ thống tiêu thụ từ máy phát Điều gây hậu tốc độ quay máy phát tăng lên, gây khác biệt tần số hoạt động hai hay nhiều máy phát Khi xảy trượt cực từ, có thay đổi đáng kể điện áp dòng điện nối máy phát hệ thống Trong trạng thái hoạt động bình thường hệ thống, kiện sau dẫn tới đồng ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Sự cố ngắn mạch Bộ điều tốc không hoạt động Bộ điều chỉnh kích từ khơng hoạt động (chạy khơng đồng bộ) Nối điện khu vực tách đảo với hệ thống mà khơng kiểm tra đồng Đóng cắt lượng lớn công suất vào hệ thống Ngày nay, với xuất hệ thống điện siêu cao áp, máy phát kích cỡ lớn với hệ thống làm mát với mở rộng hệ thống truyền tải, trở kháng hệ thống máy biến áp thay đổi tương đối nhiều Tổng trở hệ thống giảm tổng trở máy phát máy biến áp tăng áp lại tăng Kết xu hướng tâm tổng trở dao động công suất dịch chuyển phía máy biến áp tăng áp máy phát Rơ le sử dụng nguyên lý tổng trở dùng tín hiệu đầu vào điện áp dòng điện đầu cực máy phát Trong trình trượt cực từ, điện áp dòng điện thay đổi phạm vi lớn, dẫn tới thay đổi tương ứng tổng trở biểu kiến nhìn từ đầu cực máy phát, nhờ rơ le phát tình trạng đồng Xét lưới đơn giản gồm máy phát nối với hệ thống Hình A.5 đó: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Eg Suất điện động máy phát Zg Trở kháng máy phát Zt Trở kháng máy biến áp Zs Trở kháng tương đương hệ thống Es Điện áp hệ thống LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình A - Hệ thống đơn giản hóa Tổng trở biểu kiến nhìn từ đầu cực máy phát (điểm A) hàm tỉ số n suất điện động máy phát điện áp hệ thống góc lệch pha δ máy phát hệ thống: 𝑍𝑅 = (𝑍𝐺 + 𝑍𝑇 + 𝑍𝑆 ) 𝑛( 𝑛 − 𝑐𝑜𝑠 𝛿 − 𝑗𝑠𝑖𝑛 𝛿) − 𝑍𝐺 (𝑛 − 𝑐𝑜𝑠 𝛿 )2 + 𝑠𝑖𝑛2 𝛿 Với: 𝐸𝐺 Tỉ lệ độ lớn suất điện động máy phát so vơi điện áp hệ thống ▪ 𝑛= ▪ 𝛿 = 𝑎𝑟𝑔 𝐸𝐺 Góc lệch pha máy phát hệ thống 𝐸𝑆 𝐸 𝑆 Quỹ tích tổng trở biểu kiến nhìn từ điểm A (đầu cực máy phát) đường thẳng đường trịn tùy thuộc vào n (hình 3.10) Quỹ tích đường thẳng trung trực tổng trở hệ thống n=1 (EG = ES.) Nếu n>1 quỹ tích đường tròn nằm đường trung trực với tâm đường tròn nằm phần kéo dài đoạn GS Nếu n < quỹ tích đường tròn nằm đường trung trực với tâm đường tròn nằm phần kéo dài đoạn GS Đường kính tâm đường trịn hàm n tổng trở, biểu diễn Hình A.5 Chú ý rằng, đường đường đặc tính trường hợp đơn giản vẽ với giả định điện áp số q trình đồng Ngồi cịn số giả định như: bỏ qua thay đổi thời tổng trở cố hay giải trừ cố, bỏ qua phản ứng tụ tải nối shunt, bỏ qua phản ứng điều tốc kích từ, điện áp EA EB điện áp hình sin cân tần số LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình A - Quỹ tích tổng trở xảy đồng Cần ý góc pha tạo SL GL phía đường ML góc lệch pha δ máy phát hệ thống Trong dao động công suất phục hồi, δ dao động 360 độ Có số điểm đáng quan tâm đoạn ML Đầu tiên điểm mà góc δ 90 độ Điểm giao điểm đường trịn có đường kính tổng trở hệ thống (GS) quỹ tích tổng trở Nếu quỹ tích tổng trở khơng qua điểm hệ thống trở trạng thái đồng Tuy nhiên, đường quỹ tích đạt đến 120 độ hơn, hệ thống khơng khơi phục Điểm quỹ tích tổng trở cắt đường tổng trở hệ thống GS, góc lệch pha máy phát hệ thống 180 độ Khi quỹ tích qua điểm phía bên trái đường GS, góc pha tăng dần Một vịng trượt hồn thành đường quỹ tích chạm điểm nơi dao động bắt đầu Như nhắc đến trên, trở kháng máy phát hệ thống thay đổi nhiều vài thập niên trở lại Trong nhiều trường hợp, tâm điện hay tâm tổng trở nằm máy phát máy biến áp Mặt khác, hầu hết tình vận hành máy phát, suất điện động máy phát nhỏ 1,0 tương đối nhỏ điện áp hệ thống Bởi vậy, đường đặc tính quỹ tích đồng tương đối giống với đường đặc tính LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mà n < Hình A.5 Trên thực tế, đường quỹ tích thay đổi so với đường quỹ tích lý tưởng tác động nhiều nhân tố điều khiển điện áp, điều tốc… Khi hệ thống hoạt động đồng bộ, XG với điện kháng đồng Xd Và hệ số trượt 100% XG với điện kháng siêu độ Xd” Trong trường hợp điển hình, điện kháng máy phát với điện kháng độ Xd’ hệ số trượt 50% 2Xd’ hệ số trượt 0,33% Do hầu hết trường hợp đồng có hệ số trượt thấp khoảng 1%, nên lấy XG=2Xd’ (Hình A.6) 78 Máy phát Hệ thống XT Xd’ Xs X 0.3 Xs 0.2 XT 0.1 Làm việc bình thường Mất đồng 2Xd’ -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 R Hình A - Sơ đồ nối máy phát với lưới nguyên tắc chỉnh định rơ le phát đồng Hệ số trượt hệ thống máy phát thay đổi theo thời gian suốt chu kỳ trượt Tuy nhiên, coi tốc độ trượt máy phát số nửa chu kì trượt đầu, đoạn từ điểm làm việc máy phát đến góc δ 90 độ Tốc độ di động từ khoảng 250 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đến 400 độ/giây với máy phát điện tua bin đồng trục 400 đến 800 độ/giây với máy phát tua bin hỗn hợp riêng trục A.3.4 Rơ le giới hạn kích từ máy phát (OverExcitation Limiter - OEL) Để đảm bảo máy phát vận hành an tồn miền q kích từ xảy cố hệ thống điện, có hai vấn đề cần quan tâm Thứ đặc tính cơng suất phát máy phát miền ổn định miền độ Thứ hai hoạt động thiết bị bảo vệ, có giới hạn (limiter) hệ thống kích từ Đường cong đặc tính cơng suất phát máy phát nhà sản xuất cung cấp với máy phát Đường cong đặt giới hạn công suất tác dụng công suất phản kháng máy phát với mức nhiệt độ (hoặc áp suất) khác chất làm lạnh Những mức nhiệt độ (hoặc áp suất) thiết kế để trì nhiệt độ máy phát mức nhiệt độ giới hạn cho cách điện máy phát Trên Hình 3.12 đường đặc tính cơng suất phát máy phát Hình A - Đặc tính cơng suất máy phát 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đường đặc tính chia làm hai miền Phía trục hồnh vùng kích từ mà máy phát nhận cơng suất phản kháng Phía trục hồnh vùng q kích từ mà cơng suất phản kháng phát từ máy phát Vùng kích từ đặc tính cơng suất vùng liên quan trực tiếp đến bảo vệ giới hạn kích từ máy phát Đặc tính cơng suất phát miền kích từ giới hạn hai đường cong Trong đường cong bên phải thể giới hạn nhiệt độ cuộn stator, đặc trưng dòng điện stator, đường cong phía thể giới hạn nhiệt độ cuộn kích từ rotor, đặc trưng dịng điện kích từ Trong q trình vận hành hệ thống điện, có nhiều trạng thái vận hành hệ thống khiến cho máy phát hoạt động mức kích từ cao định mức (công suất phản kháng phát vượt lên đường giới hạn đặc tính cơng suất máy phát) thời gian đủ lớn, chẳng hạn sụp đổ điện áp hay chế độ tách đảo Bộ giới hạn kích từ máy phát (OverExcitation Limiter- OEL) hay gọi giới hạn dịng điện kích từ (Field Current Limiter) sử dụng để giới hạn dịng điện kích từ chạy rotor máy phát trường hợp này, nhằm đảm bảo máy phát vận hành an toàn Giới hạn kích từ bảo vệ OEL phải bảo vệ máy phát khỏi tượng nhiệt dòng kích từ lớn đồng thời cho phép dịng điện kích từ cưỡng tồn khoảng thời gian ngắn để đảm bảo ổn định hệ thống điện Do đó, bảo vệ OEL phải trễ khoảng thời gian lớn thời gian giải trừ cố Đường đặc tính cho việc hoạt động OEL đặt dựa theo khả tải công suất cho máy phát đồng rotor cực ẩn đưa tiêu chuẩn IEEE C50.13 1989 Tiêu chuẩn đưa mức cho phép điện áp kích từ máy phát thay dịng điện kích từ, với giả sử điện trở cuộn kích từ khơng đổi, hay chế độ ổn định điện áp kích từ tương đương dịng điện kích từ Đường cong đặc tính q kích từ tiêu chuẩn IEEE vẽ Hình A.8 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình A - Đặc tính khả chịu đựng điện áp kích từ theo thời gian Tất dạng thiết bị giới hạn kích từ cho máy phát hoạt động theo quy trình chung: Phát kích từ, cho phép trạng thái tải tồn khoảng thời gian định, sau giảm kích từ xuống mức an tồn Tuy đại lượng liên hệ trực tiếp với đường đặc tính cơng suất máy phát nhiệt độ cuộn kích từ, yếu tố kỹ thuật nên loại OEL ngày đo dòng điện, điện áp kích từ để xác định trạng thái tải Do vậy, khâu phát kích từ loại OEL tương đối giống Khác biệt loại OEL thể hai khâu lại Thời gian cho phép tồn kích từ phụ thuộc hay khơng phụ thuộc vào mức q kích từ Mức độ q kích từ giảm xuống cách hạ thấp điện áp đặt kích từ hay hạ thấp dần mức độ kích từ theo thời gian cách thay đổi tự động điều khiển kích từ Một dạng đơn giản OEL điểm khởi động cố định, thời gian trễ không phụ thuộc, điểm đặt kích từ giảm xuống giá trị an toàn sau hết thời gian trễ Một kiểu OEL thông dụng kết hợp đặc tính thời gian phụ thuộc đặc tính giới hạn lập tức, chuyển từ đặc tính giới hạn mức 160% dịng điện kích từ định mức sang đặc tính thời gian phụ thuộc khoảng 105% định mức Điểm đặt dịng điện kích từ khơng giảm từ từ, mà hạ xuống gần giới hạn tác động Đường cong đặc tính thời gian phụ thuộc, giá trị giới hạn tác động nhanh, giá trị giới hạn tác động có thời gian điều chỉnh Một số nhà sản xuất khác cung cấp OEL giảm dần điểm đặt kích từ theo thời gian Tỉ lệ giảm số phụ thuộc vào mức độ kích từ 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Một số hệ thống kích từ cũ khơng có OEL tác động Những hệ thống chuyển từ AVR sang điểm đặt cố định mức kích từ cao thời gian đủ dài Điểm đặt kích từ đặt để đảm bảo dịng kích từ lớn hoạt động thời gian dài đặt gần hệ số công suất đơn vị Trong hệ thống kích từ này, tác động điều chỉnh AVR bị bỏ qua A.3.5 Rơ le sa thải phụ tải theo tần số Mục đích rơ le sa thải phụ tải theo tần số phát tình trạng tần số thấp hệ thống điện cắt số tải tránh cho hệ thống ổn định Tần số nút quan sát trạm biến áp tần số giảm xuống ngưỡng đặt định f, đếm thời gian khởi động Khi thời gian trễ đạt đến giá trị đặt trước t, máy cắt xuất tuyến nhận tín hiệu cắt khối phụ tải d Chú ý tần số trở giá trị cao f trước thời gian trễ đạt đến t rơ le bị reset Hình A.9 mơ tả hoạt động rơ le sa thải phụ thải theo tần số cho lưới điện có tần số định mức 60 Hz Hình A - Hoạt động rơ le sa thải phụ tải Hầu hết rơ le sa thải phụ thải theo tần số có nhiều tầng sa thải phụ tải (thường từ đến tầng sa thải phụ tải) Một rơ le tần số thấp thiết kế để tác động nhiều lần nhiều rơ le sử dụng để tác động cho tầng khác Tất máy phát phải có tính bảo vệ cắt tần số thấp Tuy nhiên, việc cắt máy phát khỏi hệ thống máy khơng có khả hỗ trợ việc phục hồi từ trạng thái tần số thấp dẫn đến việc phải có tiêu chuẩn để phối hợp làm việc rơ le sa thải phụ tải 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tần số thấp rơ le cắt máy phát tần số thấp, ví dụ cắt thêm lượng tải tương đương với lượng công suất máy phát bị tách khỏi hệ thống Một số vấn đề kèm với việc cắt máy phát kiện tần số thấp giảm qn tính tồn hệ thống thiếu công suất phản kháng khu vực máy phát bị cắt làm tình trạng hệ thống xấu Bởi vậy, việc cắt máy cắt tần số thấp trước sa thải phụ tải tần số thấp hoạt động phải giới hạn tuân theo tiêu chuẩn khắt khe Sa thải phụ tải theo tần số thấp phải thiết kế cho điều kiện làm việc tải lớn phải đảm bảo sa thải đủ lượng tải để phục hồi tần số hệ thống hay đưa tần số mức chấp nhận với thời gian nhỏ Điều tránh việc cắt máy phát tần số hệ thống giảm thấp Với cố nặng nề, tần số hệ thống giảm xuống nhanh vòng vài giây Bởi vậy, việc sa thải phụ tải tay, sa thải phụ tải người vận hành SCADA nhìn chung không đủ nhanh để ngăn chặn việc sụp đổ phần tồn hệ thống Do đó, đơn vị quản lý lưới điện sử dụng rơ le sa thải phụ tải theo tần số thấp hoạt động tự động 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điện gọi quan sát đầy đủ điện áp tất nút hệ thống xác định (cả biên độ góc pha) Các giá trị dịng điện, điện áp, công suất thu thập từ thiết bị đo lường trạm điện đầu... đạc từ PMU Xây dựng ? ?áp ứng tần số hệ thống ? ?áp ứng tần số hệ thống điện kiện lớn hệ thống thông số quan trọng, cần cập nhật cách thường xuyên Số liệu ? ?áp ứng tần số hệ thống sử dụng nhiều tốn... định tần số hệ thống Trong chế độ xác lập hệ thống điện, tần số đo vị trí khác hệ thống Tuy nhiên, hệ thống trạng thái ổn định, có cố lớn xảy ra, tần số đo phụ thuộc vào vị trí điểm đo Sự diễn biến