Nghiên ứu điều khiển máy ắt điện để tăng tính ổn định động ủa hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việ song song

Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển đóng cắt máy cắt điện điều khiển

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O

-

Đề tài: Nghiên cứu đi ề u khiển máy cắ ệ ể t đi n đ tăng tính ổ ị n đ nh đ ộ ng của Hệ thố ng đi ệ n gồm hai nhà máy điện làm vi c song song ệ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Thị Nguyệt Hạnh

Hà Nội – Năm 2011

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính

ổn định động của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song” là công trình nghiên cứu của riêng tôi Nội dung trong luận văn có tham khảo sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các , trang web theo danh mục tài liệu của luận văn Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Hiền

LỜI CẢM ƠN

Trong su t quố á trình học tập và hoàn thiện luận văn này, tôi đã nhận được

sự hướng d n, giú ẫ p đỡ quý báu c a các thủ ầy cô, các anh chị, đồng nghiệp và các

bạn V i lòng kính tr ng v ớ ọ à biết ơn sâu sắc tôi xin được b y tà ỏ ới cảm ơn chân l

thành tới:

Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, Bộ môn Hệ thống điện trường

Đạ i H c Bách Khoa H ọ à N i ộ ã t đ ạo m ọi điều kiện thu n l i giúậ ợ p đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với cô giáo TS Nguyễn Thị

Nguyệt Hạnh, người đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã có sự cố gắng, nhưng vì thời gian và trình độ còn hạn chế nên

bản luận văn không thể tránh khỏi nhưng thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để có thể bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu vấn đề này

Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2011

Tác giả

M Ụ C LỤ C

PHẦN MỞ ĐẦU 10

30T Chương 1 30TTỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 12

30T 30T 1.1 Chế độ của hệ thống điện: 12

30T 1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ30T 16

30T 30T 1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ 18

30T1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh30T 18

30T1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua30T 19

30T1.3.3 Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp30T 20

30T1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện30T 22

30T 30T 1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động 23

30T1.4.1 Phương pháp tích phân số30T 25

30T1.4.2 Phương pháp diện tích30T 27

30T Kết lu n:ậ 30T 29

30T Chương 2

30T THUẬT TOÁN ĐIỀU KHI N MÁY C TỂ Ắ ĐỂNÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỒNG ĐIỆN GỒM HAI NHÀ MÁY ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG 30

30T 30T 2.1 Tổng quan 30

30T 2.2 Cơ sở lý thuyết của thuật toán.30T 31

30T 30T 2.3 Thuật toán 34

30T2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thuật toán:30T 35

30T2.3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển30T Error! Bookmark not defined 30T2.3.3 Các thông số sơ đồ:30T 39

30T2.3.4 Nguyên lý điều khiển:30T 39

30T 30T Kết luận: 40

30T 30T Chương 3 30T GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN30T 30T MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS /E30T 42

30T 3.1 Giới thiệu chung30T 42

30T 3.2 Giới thiệu chương trình PSS /E30T 43

30T 30T 3.3 Mô phỏng các ph n tầ ử íchnh trong hệ thống điện 44

30T3.3.1 Nút30T 44

30T3.3.2 Nhánh30T 46

30T3.3.3 Máy biến áp30T 47

30T 3.4 Các bước tính toán mô phỏng động HTĐ sử dụng chương trình PSS/E30T 48

30T3.4.1 Tính chế xáđộ c lập30T 49

30T3.4.2 Số liệu động.30T 49

30T3.4.3 Chạy chương trình mô ph ngỏ 30T 50

30T3.4.4 Phân tích ổn định động30T 52

30T Kết lu n:ậ 30T 53

30T 30T Chương 4 30T NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐIỆN ĐỂ TĂNG TÍNH ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GỒM HAI NHÀ MÁY ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E30T 54

30T 30T 4.1.Thông số hệ thống điện 54

30T4.1.1 Sơ đồ hệ thống điện:30T 54

30T4.1.2 Sơ đồ rút gọn:30T 57

30T 30T 4.2 Chế độ xác lập 58

30T 30T 4.3.Tính toán ổn định động 60

30T4.3.1 Mô hình và s liố ệu tính toán ổ ịnh độn đ ng trong PSS/E30T 60

30T4.3.2 Quá trình quá độ khi không áp dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện.30T 62

30T4.3.3 Kết quả tính toán khi sử dụng thuật toán điều khiển máy cắt đ ệi n 69 30T 30T Kết lu n:ậ 30T 95

30T 30T KẾT LUẬN CHUNG 96

30T 30T TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

30T 30T PHỤ Ụ L C 98

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TT Chữ viết tắt Ý nghĩa của cụm từ viết tắt

8 PSS/E Power System Simulation / Engineering

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

11 B ng 4ả 11 Điều tốc máy phá ủy điệt th n 60

12 B ng 4ả 12 Thông số máy phát tuabin hơi 59

13 B ng 4ả 13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện 60

14 B ng 4ả 14 Điều tốc máy phát nhiệt điện 61

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai nhà máy điện con 31

2 Hình 2.2 Đồ thị góc lệch giữa các vecto điện áp hai hệ thốngδ 31

3 Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ 32

4 Hình 2.4 Đặc tính công cuất tác dụng theo góc δ 32

5 Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song song được liên kết bởi 2 lộ đường dây 33

6 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (PR T R) và góc (δ) của hệ

7 Hình 3.1 Mô ph ng núỏ t trong chương trình PSS/E 43

8 Hình 3.2 Mô ph ng nút phỏ ụ ải trong chương tr t ình PSS/E 44

9 Hình 3.3 Mô ph ng nút máy pháỏ t trong chương trình PSS/E 44

10 Hình 3.4 Mô ph ng nháỏ nh trong chương trình PSS/E 45

11 Hình 3.5 Mô phỏng đường dây trong chương trình PSS/E 45

12 HìPSS/E nh 3.6 Mô ph ng máy biỏ ến áp hai cuộn dây trong chương trình 46

13 HìPSS/E nh 3.7 Mô ph ng máy biỏ ến áp ba cuộn dây trong chương trình 47

14 Hình 3.8 Sơ đồ tính toán các bước không gian tr ng thái ạ 51

16 Hình 4.2 Sơ đồ ệ ống điệ h th n rút gọn 56

18 Hìcắt Dnh 4.4 Đường đặc tính công suất trên hai đường dây sau khi

19 Hình 4.5 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt DR 1 R

20 Hình 4.6 Điện áp tại n 2 sau khi cắt Dút R 1 R (tR nm R=0,25s) 64

21 Hìcắt Dnh 4.7 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây sau khi

22 Hình 4.8 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt DR 1 R

23 Hình 4.9 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt DR 1 R (tR nm R=0,32s) 67

24 Hì(t nh 4.10 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0

26 Hình 4.12 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,44s (tR nm R=0,25s) 71

27 Hìcắt Dnh 4.13 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi

32 Hình 4.18 Điện áp tại nút 2 tại thời điểm t=1,9s (tR nm R=0,25s) 78

33 Hình 4.19 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0 (t

36 Hình 4.cắt D 22 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi

42 Hình 4.28 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,97s (tR nm R=0,25s) 88

43 Hình 4.29 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi cắt D

P HẦN MỞ ĐẦU

Điện năng l ạng năng lượng được sử ụng r ng rộ ổ ến nhấ

th gi i ế ớ do c ưu điểm quan trọng l ễ ng chuyể đổi sang các dạng năng lượng ó à d dà n khác Hơn nữa điện năng là dạng năng lượng dễ ng trong s n xu t, truy n t i v dà ả ấ ề ả à

s dử ụng Hệ ống điện của mỗi qu c gia ngày càng phát tri th ố ển để áp đ ứng sự ớn l

mạnh của nền kinh tế xã hội Cùng với xu thế toà ần c u hóa nền kinh tế, hệ th ng ốđiện cũng đ , đang vã à s hình thành các mối liên k t giẽ ế ữa các khu v c trong mự ỗi quốc gia, giữa các qu c gia trong khu vố ực hình thành cá ệ thống điện hợp nhất có c h

quy mô lớn

Mang đầy đủ c đặc trưng của một hệ ống điện lớn, hệ ống điện Việt Nam v i trớ ục đường dây siêu cao áp 500kV nối li n các trung tâm ph tải với các ề ụnhà má ó y c công su t lấ ớn l ền đềà ti thuận lợi cho việc mở ộng ph r ạm vi lưới, phát triển nhi u lo i nguề ạ ồn điện để áp đ ứng được nhu cầu điện khí hóa đ t nư c Tuy ấ ớnhiên hệ thống điện càng l n sớ ẽ càng phức tạp trong vi c nghiên cệ ứu quy ho ch xây ạdựng và vận hành Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính ch t ngấ ẫu nhiên, trong hệ ống điện còn c th ó các kích động l n diớ ễn ra đột ngột như các sự ố c

ngắn m ch, sé ánh làm cạ t đ ắ ột đ t ngột đường dây khi n m t cân b ng công suế ấ ằ ấ ảt nh hưởng đến ổn định toàn hệ ống, c th ó th ể gây h u quậ ả ặ n ng n Nên c n cề ầ ó các phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện và các biên pháp nhằm ổn định và tái

đồng bộ h thệ ống điện

Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện Chính vì vậy đã xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ tải Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết bị tự động sẽ chia hệ thống

điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ Điều này hoàn toàn không được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ thống điện sau khi đường dây này bị cắt

Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ

ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái lập đồng bộ hệ thống

Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên lạc nối các hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện và nghiên cứu tính hiệu quả của thuật toán này áp dụng cho hệ thống điện đơn giản

Với các lý do và mục đích trên, bản luận văn có nội dung chính như sau:Chương 1: Trình bày t ng quan vổ ềổn định hệ ống điện v th à các phương pháp nâng

cao ổn định động hệ thống điện

Chương 2: Trình bày thu t toáậ n điều khi n máy cể ắ ểt đ tăng tính ổn định hệ th ng ố

điện

Chương 3: Giới thi u ph n mệ ầ ềm PSS/E

Chương 4: Nghiên cứu thuật toán điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định

động của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song sử dụng chương trình PSS/E

Chương 1

N TỔNG QUAN VỀ Ổ ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Chế độ của hệ thống điện:

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện

Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của

hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của ệh

thống điệ thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường) Chế độ sau sự cố, hệ n thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau

sự cố) Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục

Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong ệ thống điệ Đó

là các chế độ trung gian chuyển từ ế độch xác lập này sang chế độ c l p khác Ch ế xá ậ

độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn) Ch quá ế độ độ được gọi là ế độch quá bình độthường nếu nó tiến tới ế độch xác lập mới Trong trường hợp n y các thông số của à

hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 Ch quá ế độ độ khi đó gọi

là ch quá ế độ độ sự cố Nói chung, với mọi ệh thống điệ yêu cầu nhất thiết phải n đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang ếch

độ xác lập mới, bởi ế độch quá độ chỉ có thể tạm thời, ế độch xác lập mới là chế độ

cơ bản làm việc của ệ ống điệh th n

ch xá p

Tại ế độ c lậ và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc

độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0 Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột

ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm mất cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột Ch xác lập ế độ tương ứng bị dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc làm thay đổi góc lệch roto.

Từ khái niệm về các chế độ ệ ống điệ và để đưa ra định nghĩa về ổn định động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau những kích động lớn Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị cắt ra đột ngột

Hình 1.1 Công suất PR T R được coi là không đổi Công suất điện từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp δ

do quán tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy phát chuyển từ a → b Công suất điện từ PR T R > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c Đến thời điểm góc lệch bằng δ’R 01 R thì tương quan công suất trở nên cân bằng Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng

do quán tính Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là là động năng tích lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm điểm làm việc tiếp , tục chuyển từ c→d Đến điểm d ứng với ời điểm góc lệch bằng δ th R max R động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng nữa thời điểm góc lệch cực đại Sau – thời điểm này, không còn động năng mà P(δ)>PR T R (momen hãm lớn hơn momen phát động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d

về c Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao động của góc lệch δ Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ’R 01 RP Pcủa chế độ xác lập mới Theo định nghĩa ếch quá độ độ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động Phần diện tích giới hạn giữa dặc tính PR T Rvà P(δ) Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượngtích lũy trong roto và năng lượng hãm Trong khoảng góc lệch δR 01 R→ δ’R01R là năng lượng tăng tốc ứng với quá trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’R 01 R

→ δR max R là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích lũy.

Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài) đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn Trong trường hợp này, khi góc lệch δ tăng nó không dừng lại ở trị số δR max R trước khi tiến tới điểm δ’R 02 R Đó là vì công hãm (tỷ lệ với phần diện tích giới hạn đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công suất tuabin PR T R) nhỏ hơn động năng tích lũy trước đó của động năng máy phát (tỷ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới PR T R) Sau khi vượt qua δ’02R R tương quan công suất lại đổi chiều PR T R> P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng Dễ thấy tương quan PR T R> P(δ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy phát Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, lên trị số rất lớn Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động

Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho ệh ống điệ như trong hình 1.2

Hình 1.2 Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát Trong trường hợp này đặc tính công suất phả kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp n

U sẽ giao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của sự cố - cắt ít hay nhiều công suất của máy phát

Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống Chẳng hạn đặc tính công suất phát QR F R bị giảm xuống quá thấp, không cắt đặc tính QR t R Trong các trường hợp như vậy hiển nhiên quá trình quá độ không ổn định vì không có điểm cân bằng Nói khác đi sự tồn tại ế độch xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định động

Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này không hoàn toàn tương đương nhau Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn định động như sau đối với ệ ống điệh th n

Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ

Khi hệ thống rơi vào mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra làm mất những lượng công suất lớn

- Tần số hệ thống bị th y đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.a

- Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các phụ tải

Hậu quả kéo theo:

- Bảo vệ rơle tác động nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình phục hồi có thể làm ngừng cung

cấp điện trong những thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các máy phát

Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành

h thệ ống điệ cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:n

- Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình t ường và hsau sự cố

- Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để ệ ống điệ có thể làm việc h th n bình thường với các biến đổi thường xuyên các thông số chế độ

- Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao thác vận hành và kích động của sự cố Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động

có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng).Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đối với ệh thống điện Ngoài ra, còn hàng loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại quá trình quá dộ diễn ra

đủ ngắn

1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ

1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh

Hình 1.3 Hình 1.4 Cắt nhanh ngắn mạch là biện pháp hiệu quả và được áp dụng phổ biến để cải thiện ổn định động hệ thống Hiệu quả của phương pháp này dễ dàng giải thích ở b i việc làm giảm được thời gian gia tốc cho roto các máy phát Khi đó, đồng thời với việc làm giảm diện tích gia tốc còn có thể làm tăng diện tích hãm tốc Như vậy cắt nhanh ngắn mạch làm tăng được khả năng truyền tải công suất trên đường dây theo giới hạn ổn định động

Bằng phương pháp diện tích cũng có thể xây dựng quan hệ giữa giới hạn ổn định động với thời gian tồn tại ngắn mạch Kết quả cho thấy giới hạn công suất truyền tải giảm khá nhanh theo thời gian tồn tại ngắn mạch (hình 1 ) Đối với hệ 4thống phức tạp không thể sử dụng được phương pháp diện tích để phân tích như trên vì quá trình quá độ sau ngắn mạch diễn ra phức tạp hơn Tuy nhiên, dễ nhận thấy rằng, khi thời gian tồn tại ngắn mạch giảm thì năng lượng toàn phần gây ra bởi kích động cũng giảm, hạn chế chuyển mạch quá độ dẫn đến mất ổn định động Đó cũng là cơ sở để kết luận định tính nói chung cho hiệu quả các thiết bị bảo vệ cắt nhanh ngắn mạch về phương diện nâng cao tính ổn định động hệ thống

1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua

Hình 1.5 Hình 1.6 Thiết bị tự động đóng trở lại đường dây bị cắt ra do ngắn mạch thường được

áp dụng khá rộng rãi do xác xuất xảy ra ngắn mạch thoáng qua tương đối lớn Chẳng hạn, đường dây bị ngắn mạch do phóng điện sét sẽ không còn sự cố sau khi cắt nhanh ra khỏi nguồn một thời gian ngắn (đủ để hồ quang bị dập tắt) Sau đó nếu đường dây được đóng trở lại nó sẽ làm việc bình thường Ngoài ý nghĩa tăng cường

độ tin cậy cung cấp điện, việc thực hiện đóng lại đường dây (1 lần hay nhiều lần), nếu thành công còn có ý nghĩa nâng cao ổn định động Trên hình 1.5 và 1.6 minh họa hiệu quả đóng trở lại đường dây thành công theo phương pháp diện tích

Nếu hệ thống liên kết bằng một đường dây, sau đó đóng lặp lại thành công

hệ thống vẫn có khả năng giữ ổn định động (Hình 1.5) Với hệ thống được liên bằng đường dây kép, nếu đóng lại thành công khả năng giữ ổn định sẽ nhiều hơn vì diện tích hãm được tăng cường (Hình 1.6) Khi thực hiện đóng lại theo từng pha (chỉ cắt pha bị ngắn mạch) và đóng lại, nếu đóng lặp lại thành công (ngắn mạch thoáng qua) hiệu quả còn lớn hơn nhiều

1.3.3 Điều chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp

Điều chỉnh kích từ máy phát có hiệu quả rõ rệt đối với ổn định tĩnh, đặc biệt khi áp dụng hệ thống kích từ nhanh với TĐK tác động mạnh Tuy nhiên khi diễn ra quá trình qu độ đối với kích động lớn TĐK rất ít tác dụng Vấn đề ở chỗ TĐK á được cấu tạo trên cơ sở mô hình tuyến tính (xuất phát từ hệ phương trình vi phân đã tuyến tính hóa) còn quá trình quá độ diễn ra với kích động lớn lại rất phi tuyến Cũng vậy, cơ cấu tự động điều chỉnh tần số của tuabin vốn có tại các tổ máy, được thiết kế không theo yêu cầu nâng cao ổn định động Hiệu quả nâng cao ổn định động chỉ có thể có được khi điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp bằng quy luật riêng Về nguyên tắc luôn có thể chọn được các quy luật điều khiển với tác động tối ưu

Ví dụ khi điều khiển tuabin bằng một xung tác động vào động cơ sơ cấp nhằm nâng cao ổn định động hệ thống trong tình huống sự cố ngắn mạch Diện tích gia tốc có thể giảm được nếu có thể giảm nhanh công suất tuabin đến trị số cân bằng Muốn vậy ta tạo ra một xung với biên độ cực đại theo chiều làm giảm độ mở của cửa hơi ngay khi xảy ra ngắn mạch Quán tính của động cơ sơ cấp và quán tính giãn nở hơi làm công suất tuabin chỉ gảm được từ từ theo quy luật hàm mũ Hình 1.7 thể hiện hiệu quả của tác động xét theo phương pháp diện tích

Hình 1.7

Trong trường hợp đang xét hệ thống sẽ bị mất ổn định nếu không điều khiển

hạ thấp công suất tuabin Khi có điều khiển không những diện tích hãm tăng lên mà diện tích gia tốc cũng giảm đi một lượng Hệ thống giữ được ổn định với góc cắt ngắn mạch δR N R khá lớn Tuy nhiên góc lệch δR Rbị giao động mạnh, bởi quá trình trở về công suất điện lớn hơn đáng kể so với công suất tuabin Dễ thấy rằng nếu xung điều khiển bị kéo dài dao động diễn ra sẽ lớn hơn nhiều so với khi lựa chọn thích hợp Hơn nữa, yếu tố quán tính chuyển động của xu pap đóng mở cửa hơi có ảnh hưởng -tương đối nhiều đối với hiệu quả điều khiển Nếu quán tính quá lớn sẽ không còn tác dụng nữa Việc giảm công suất tuabin nước có thêm khó khăn khác là xung động sẽ rất mạnh khi khép đột ngột cửa nhận nước Để giải quyết khó khăn này người ta đã nghiên cứu kiểu cấu tạo riêng cửa nhận nước giành cho mục đích nêu trên Một buồng chân không được khóa kín nối liên thông với hệ thống ống dẫn nước vào Khi có tín hiệu điều khiển, cửa van được mở đột ngột, nước từ đường dẫn

chính dồn vào bình chân không, cắt lượng nước chảy vào tuabin Sau sự cố trạng thái chân không của bình lại được khôi phục sẵn sàng chờ lần sự cố tiếp theo.

Về nguyên lý, thực hiện kích thích cường hành (điều khiển trực tiếp điện áp kích từ) với chiều dài thời gian thích hợp cũng có thể tạo ra hiệu quả làm tăng momen hãm tương tự điều khiển cửa hơi (hoặc nước) Tuy nhiên, quán tính điện từ của cuộn roto khá lớn nên hiệu quả không cao (do momen điện từ thay đổi chậm).1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện

Các đường dây điện áp siêu cao thường được bù thông số Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh tăng lên do bù dọc làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng đường dây) Một cách gián tiếp giới hạn ổn định động cũng được tăng do nâng cao thêm đ ng cong công suất điện từ ườTuy nhiên, ổn định động hệ thống còn có thể cải thiện đáng kể nếu đặt thiết bị bù có điều khiển Đặc điểm quan trọng của các thiết bị bù cấu tạo với thyristor là có tác động điều khiển (làm thay đổi điện kháng) gần như tức thời, do đó hiệu quả điều khiển rất cao Kháng bù ngang có điều khiển thường được dùng nguồn cung cấp công suất phản kháng điều chỉnh nhanh cho mục đích ổn định điện áp, nâng cao ổn định tĩnh, còn thiết bị bù dọc có điều khiển thường dùng vào mục đích giảm dao động công suất và nâng cao ổn định động Hình 1.8 minh họa hiệu quả nâng cao giới hạn ổn định động và giảm biên độ dao động góc lệch (cũng có nghĩa là giảm dao động công suất) giữa hai hệ thống liên kết đường dây dài có tụ bù dọc và bù ngang tại điểm giữa

Sau khi cắt đoạn đường dây bị ngắn mạch, nếu không điều khiển dung lượng

bù điện dẫn liên kết hệ thống có trị số yR 0 R Khả năng tăng cường điện dẫn lên yR max Rhoặc giảm xuống yR min R có thể thực hiện bằng cách điều khiển tụ bù dọc Dễ nhận thấy, thời điểm đóng cắt thay đổi dung lượng bù có ý nghĩa hết sức quan trọng Tác động sai sẽ rất ít hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng thêm dao động dẫn đến làm mất

ổn định hệ thống

Hình 1.8

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động

Việc tính toán kiểm tra điều kiện ổn định động là hết sức cần thiết cho việc xây dựng và vận hành an toàn lưới điện, đặc biệt là giải quyết bài toán thời gian thực, đánh giá ổn định nhanh và chính xác để phục vụ thao thác điều khiển Có nhiều phương pháp phân tích ổn định động, chúng được nghiên cứu và ứng dụng với nhiều kiểu hệ thống khác nhau Để tính toán ổn định động cần dựa vào hệ

phương trình vi phân mô tả quá trình qu độ, do đó có các mô hình khác nhau mô tả á

hệ thống: mô hình đơn giản bỏ qua ảnh hưởng quá trình qu độ bên trong các bộ tự á động điều chỉnh và mô hình đầy đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này Mỗi trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích tính ổn định động Việc lựa chọn hợp lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ Khác với ổn định tĩnh, các phương trình vi phân ban đầu không có khả năng tuyến tính hóa Đó là vì các kích động lớn quá trình quá độ diễn ra có các thông số thay đổi mạnh, trên phạm vi rộng của các đặc tính phi tuyến Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là đoạn thẳng

sẽ mắc sai số đáng kể

Nghiên cứu ổn định động hệ thống điện theo hệ phương trình vi phân phi tuyến là rất khó khăn Về nguyên tắc có thể ứng dụng phương pháp trực tiếp của Lyapunov để kết luận tính ổn định theo miền kích động ban đầu Miền này có thể tính được dựa trên các yếu tố sự cố (ví dụ sự cố, thời gian tồn tại ngắn mạch ….) Tuy nhiên có rất nhiều khó khăn trong cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov theo phương trình quá trình quá độ của h thệ ống đ ệ Đó cũng là lý do chủ yếu hạn i nchế các ứng dụng thực tế của phương pháp này

Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn cả để nghiên cứu ổn định động ệ ống điệ Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ h th nphương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch δ, trên cơ sở đó đánh giá được ổn định động Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại mô hình và cấu trúc hệ thống điện Tuy nhiên, phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm rất cơ bản:

- Đòi hỏi khố lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế mất hiệu i quả ứng dụng trong các bài toán điều khiển nhanh

- Độ chính xác thấp khi tính quá trình qu độ trong thời gian dài á

- Khó phân tích kết quả

quá trình Đối với các hệ thống điện đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa

quá độ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi có thể

(với các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa

ưu điểm của phương pháp này

1.4.1 Phương pháp tích phân số

Với mô hình đơn giản (coi E’R q R= const) phương trình vi phân quá trình quá

độ di n ra trong hệ thễ ống đang xét, kể t thờ ểừ i đi m một đường dây c t ra cắ ó d ng ạsau:

' 2

q J

dδ = s

dt (1-3)

' 0

0

ds = (P - sin )

q II J

EX

P)

s(0) = 0suy ra từ điều ki n cệ ụ th cể ủa hệ ố th ng t i t = 0 sau khi cạ ắt đường dây

Kết quả nh toán nh tí ận được bằng phương pháp tích phân số ẽ s là các trị ố s

của g c ló ệ δ ở ững thời điểm khác nhau (đồch (t) nh ng thời c ng có cáũ c gi ị ủ ộá tr c a đ

lệch t n sầ ốs(t) bi n thiên theo th i gian) Cế ờ ó bithể ểu di n kễ ết quả dưới dạng đường cong hoặc bảng số đểphân tích Nếu tính toán thời gian đủ dà à mi m ở ọi thờ ểi đi m

đều có (t) < 2 δ πta nói quá trình qu độ ổn định Cũng cá ó th bể ằng trực giác, dựa vào dạng đường cong δ(t) để ết lu n v k ậ ề đặc trưng ổn định của hệ ống (dao độ th ng

tắt dần hay tăng trưởng vô hạn)

í d Trong v ụ trên m i l n tính toán ta nhỗ ầ ận được một đường cong duy nhất của g c ló ệch δ (và 1 đường cong dao động tần số góc s = ω – ωR 0 Rnếu quan tâm) Tuy nhiên cũng có th tiể ến hành tính toán nhi u lề ần để quan sát đặc trưng ổn định

của hệ ống theo cá th c điều ki n khá nhau, vệ c í d vụ ới trị ố công su t phát P s ấ R 0 R khác nhau, điện áp U của hệ thống khác nhau … Trên hình 1.9 là kết qu nh toán vả tí ới các giá tr Pị R 0 R khác nhau của v ụ đang x t Cí d é ó th thể ấy sau khi bị ắ ộ c t đ t ngột một đường dây nhưng vào lúc tải nhẹ h th ng ệ ố ổn định động Công su t t i càấ ả ng tăng khả năng mấ ổn địt nh càng lớn Thay đổi điện áp U ta c ng cũ ó các k t quả khác ếnhau: điện áp U càng gi m khả ả năng giữ ổn định động hệ ống càng k th ém

Hình 1.9Trong phương pháp tích phân số có một vấ ền đ v ề sai số ch l y Khi x tí ũ ét quá trình qu độ i, số bước tích phân lớn sai sốá dà có th làể m sai hẳn tính chất của quá trình qu độ ừ ổn định cá (t ó th tr thàể ở nh không ổn định) Vì th cế ần th n trậ ọng khi xét k t quế ả cáở c kho ng th i gian tả ờ ới vài giây

1.4.2 Phương pháp diện tích

Xét hệ ống điện đơn giản như trên h nh 1.10 do sự ố th ì c (ví d sé áụ t đ nh) một

đường dây bị cắt ra không đóng lại được Hệ th ng chuy n sang tr ng tháố ể ạ i vận hành

với một đường dây

Hình 1.10Trong khi phân tích ổn định động nội dung cơ bản c n xác đ nh chính xác đó ầ ị

là quá trình qu độá có ổn định hay không Với phương pháp di n tệ ích ta có th xáể c

định xem đường cong quá trình quá độ như trên hình 1.10 trong trường h p a) hay ợ

trong trường h p b) lợ à ổn định hay không ổn định m không c n bià ầ ết từng giá tr c ị ụ

th cể ủa các đường cong Sau thời điểm đường dây bị ắ c t t = 0 góc lệ δ tăng từ δch R 0 RP

I P

δ

II m

δ

A = (P - P sinδ)dδ∫

á trì ch Sau qu nh này góc lệ δ tăng tiếp tục từ δR 0 RP

II

P n đế δR max R(trường h p a) nợ ó thực hi n m t công Aệ ộ R 2 Rchống lại mômen hãm:

max II 0

δ

II m

n đế δR gh R(trường h p b) thợ ì công hãm sẽlà:

3 II 0

δ

II m 0 δ

Thay số ụ ể trong biểu thức, dễ ng kiểm tra được hệ thống c ổ định ó n

động hay không, ng vứ ới các thông số chế ã cho độ đ

Phương ph p v tiêu chu n vùẩ a nêu được gọi l phương ph p v tiêu chuẩn diện tích Đó là vì các trị ố ủa công gia tốc v công hãm tỉ ệ ới các di n tích gi s c à l v ệ ới hạn b i cáở c đường cong đặc tính công su t (còn g i lấ ọ à diện tích gia tốc và diện tích hãm tốc) Trường hợp chung c n biểầ u th các tr s ị ị ố công như là diện t ch gií ữa đường cong độ lệch công suất ∆P = PR T R – P với trục hoành (hình 1.11)

K ế t luận:

Khi hệ ống điện rơi v o tr ng thái mạ ấ ổn định sẽ gây ra nhi u sề ự ốnghiêm tr ng cọ ó tính ch t hấ ệ thống, có th dể ẫn đến tan rã h thệ ống, quá trình tái đồng bộ hệ thống điện để ph c hồi cung cấp n m t nhi u th i gian.ụ điệ ấ ề ờ

Có nhiều phương ph p đểá nâng cao ổ ịn đnh hệ ống điện v th à mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng nhưng chưa có phương pháp nào có th tái ể

đồng bộ h thệ ống điện m t cách nhanh chóng khi hệ thộ ống điện đã hoạt động ở

trạng thái mất đồng bộ sau sự ố Trong đồ n này tác giả ới thiệu phương ph c á gi áp điều khi n máy cể ắt đểnâng cao ổn định hệ thống nh m gi i quy t vằ ả ế ấn đề trên Tính toán quá trình quá độ, ổn dịnh động của hệ thống điện rất phức tạp, nên cần sử dụng chương trình mô phỏng để tính toán

Chương II

VIỆC SONG SONG

2.1 Tổng quan

Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện Chính vì vậy tại một số nước phát triển (Nga…) đã xuất hiện thiết bị tự động khắc phục chế độ không đồng bộ với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ tải Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết

bị tự động sẽ chia hệ thống điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ Điều này hoàn toàn không được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ thống điện sau khi đường dây này bị cắt Ở Việt Nam hiện nay không có thiết bị tự động nào tự động khắc phục chế độ không đồng bộ Do đó nếu xuất hiện chế độ không đồng bộ các rơle có thể tác động sai và gây rã lưới hệ thống

Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ

ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái lập đồng bộ hệ thống

Mục đích của luận án là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển

đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên kết các hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện.

Việc sử dụng máy cắt đã được các nhà khoa học Châu Âu và Châu Á đề xuất nhằm tăng ổn định của các hệ thống điện và giải quyết được khó khăn trong việc duy trì ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là hệ thống điện hiện đại khi nhu cầu tiêu thụ và sử dụng điện năng ngày càng tăng

Qua tài liệu tham khảo [6] ta thấy rằng, các nhà khoa học Nga và Nhật Bản

đã nghiên cứu, chứng minh được khả năng ứng dụng và tính hiệu quả của phương pháp điều khiển chế độ không đồng bộ bằng cách điều khiển đóng, cắt máy cắt điện trên đường dây truyền tải liên kết giữa các hệ thống, ngay cả khi hệ thống không giữ được ổn định bằng các phương pháp điều khiển thông thường Nhưng phương pháp này đòi hỏi phải biết góc lệch pha giữa các hệ thống điện Điều này đặc biệt khó khăn vì phải có thiết bị đo lường và truyền tin từ nhiều nhà máy điện và phải đồng bộ hóa các thông tin nhận được

Từ các xem xét trên dẫn đến đặt ra bài toán ứng dụng điều khiển chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện bằng cách điều khiển đóng cắt máy cắt điện, ứng dụng trên đường dây nối các hệ thống điện con và nghiên cứu các điều kiện chọn thời điểm đóng và cắt máy cắt điều khiển mà chỉ dùng các dữ liệu đo lường tại trạm điện nơi lắp đặt thiết bị điều khiển

Với việc áp dụng phương pháp này có tính kinh tế cao vì tận dụng được thiết

bị đã có sẵn trên đường dây nên hầu như không phải đầu tư nhiều về thiết bị so với các phương pháp khác, và có thể ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam

2.2 Cơ sở lý thuyết của thuật toán.

Xem xét nghiên cứu chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện đơn giản gồm hai nhà máy điện con (hình 2.1) Giả thiết rằng các máy phát trong mỗi nhà máy điện con giữ được sự đồng bộ cục bộ Giả thiết nhà máy điện con số 1 là nơi thừa điện năng, còn nhà máy điện con số 2 là nơi thiếu điện năng

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con

Ổn định động của hệ thống điện có thể được tăng lên nếu như điều khiển dòng điện năng trên đường dây sao cho năng lượng được truyền tối đa từ hệ thống 1 sang hệ thống điện 2

Khi xảy ra chế độ không đồng bộ các vectơ sức điện động có thể có tốc độ quay khác nhau và khác với tốc độ đồng bộ, góc δ sẽ biến đổi theo thời gian, gây nên hiện tượng dao động của điện áp, dao động của công suất truyền tải trên đường dây liên kết hai hệ thống Nghiên cứu đặc tính công suất, điện áp theo góc lệch δ trên đường dây trong chế độ không đồng bộ với giả thiết U1 = U2 = U const= ta

có quy luật biến thiên của các thông số chế độ trong chế độ không đồng bộ như sau:

Hình 2.2 Đồ thị góc lệch giữa các vecto δ điện áp hai hệ thống

Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ

Hình 2.4 Đặc tính công cuất tác dụng theo góc δ

Đặc tính công suất có dạng hình sin, giá trị cực đại đạt được khi góc lệch δ gần giá trị 90 độ, và khi góc lệch δ gần 180 độ thì hướng truyền điện năng trên đường dây quay ngược lại Đặc điểm này có thể được sử dụng trong việc xây dựng các điều kiện chọn thời điểm đóng và cắt máy cắt điện điều khiển

Mức độ dao động của điện áp tùy thuộc vào vị trí của điểm quan sát trên đường dây Càng gần tâm dao động điện thì giá trị điện áp càng giảm, điện áp có giá trị cực tiểu khi góc lệch δ gần giá trị 180 độ Đặc biệt ở trung tâm dao động điện giá trị điện áp này giảm đến không

2.3 Thuật toán

Dựa trên cơ sở lý thuyết của thuật toán, và các đường đặc tính công suất và điện áp theo góc δ ở chế độ không đồng bộ, ta sẽ xây dựng thuật toán điều khiển đóng và cắt máy cắt điện trên đường dây để nâng cao tính ổn định động của hệ thống

Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song song

được liên kết bởi 2 lộ đường dây

Hình 2.5 thể hiện hệ thống điện đơn giản gồm hai nhà máy điện làm việc song song được liên kết bởi 2 lộ đường dây Khi một lộ đường dây bị sự cố (ở luận văn này ta giả sử sự cố là ngắn mạch 3 pha duy trì), sau khi khắc phục sự cố lộ đường dây bị sự cố sẽ được cắt ra và không đóng trở lại được, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái vận hành với một đường dây, khi đó đường dây còn lại sẽ phải truyền tải toàn bộ công suất truyền tải từ hệ thống 1 thừa công suất sang hệ thống 2 thiếu công suất Việc truyền tải một lượng công suất lớn (gấp 2 lần công suất ở chế

độ định mức) này có thể dẫn đến sự mất ổn định động của hệ thống dẫn đến phải cắt

cả đường dây còn lại, khi đó hệ thống sẽ được tách ra thành hai hệ thống điện con sau khi khắc phục sự cố

Sự tách ra của hệ thống có thể gây ra hiện tượng mất đồng bộ máy phát và sa thải phụ tải do sự biến đổi tần số quá mức Sau đó để có thể đồng bộ lại hệ thống thì cần phải có một khoảng thời gian tương đối

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thuật toán:

Phương pháp điều khiển bằng máy cắt đề xuất được nghiên cứu dựa trên cơ

sở của tiêu cân bằng diện tích Cho rằng δR 1 R và δR 2 R ở tại vị trí trung tâm giao động điện (COI) của hệ thống 1 và hệ thống 2tương ứng Sự chuyển động linh hoạt của các COI của hệ thống 1 và 2 được xác định bởi công thức:

MR 1 R δR 1 R = PR m1 R– PR L1 R – PR T R (2-1)

R

RM2 R R δR 2 R = PR m2 R– PR L2 R + PR T R (2-2)

Trong đó MR 1 Rlà tổng của các hằng số quán tính của tất cả các máy phát của

hệ thống 1, PR m1 R là tổng công suất đầu vào của tất cả các máy phát trong hệ thống 1,

và PR L1 R là tổng phụ tải điện của hệ thống 1 MR 2, RPR m2 Rvà PR L2 R cũng được định nghĩa một cách tương tự

PR T R: Công suất truyền tải trên đường dây từ hệ thống 1 thừa công suất sang hệ thống 2 thiếu công suất

Sự chuyển động của COI của hệ thống 1 đối với hệ thống 2có thể xác định bởi:

Công thức ( 3) tương đương với phương trình chuyển động của một máy đơn với thanh cái hệ thống vô cùng lớn, tiêu chuẩn cân bằng diện tích có thể dễ dàng được sử dụng để phân tích sự ổn định quá độ của hệ thống bằng phương pháp điều khiên máy cắt điện.

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (PR T R) và góc (δ) của hệ thống

Hình 2.6 cho thấy mối quan hệ giữa công suất (PR T R) và góc (δ) của hệ thống Xem xét trong trường hợp có sự cố trên mạch kép đường dây truyền tải và hai hệ thống bị tách rời nhau sau khi khắc phục sự cố Bỏ qua sự ảnh hưởng của bộ điều tốc và sự phụ thuộc của điện áp theo đặc tính tải, có thể coi công suất đầu vào PR 0 Rcủa máy là không đổi

Hình 2.6 cũng chỉ ra rằng năng lượng gia tốc tăng nếu đường dây truyền tải đang ở trạng thái đóng trong khoảng thời gian mà π < δ < 2π Bởi vậy, đường dây truyền tải nên được ngắt ra khi π < δ < 2π nhằm giảm năng lượng gia tốc

Ngược lại, đường dây truyền tải lên được đóng lại trong khoảng thời gian mà 2π < δ < 3π nhằm tăng thêm năng lượng hãm tốc

Khi áp dụng phương pháp điều khiển đã đề xuất, năng lượng gia tốc của COI

hệ thống 1 đối với hệ thống 2 là tương đương với vùng diện tích SR 0 R và SR 1 R.Tương tự năng lượng hãm tốc là SR 2 R

Vì thế nếu:

SR 0 R+ SR 1 R< S2 R R (2-7)

δ

Xẩy ra thì hai hệ thống sẽ tự tái đồng bộ mà không cần phải sa tải.

Ngay cả khi bất đẳng thức ( 7) không xẩy ra, hai hệ thống vẫn có thể tái đồng bộ bằng cách đóng cắt điện liên tiếp đối với đường dây truyền tải nếu S- R 2 R> S-R

2-1 R

Nếu góc pha δ tăng lên:

- Ngắt đường dây truyền tải khi (2n 1) π < δ < 2nπ

Đóng đường dây truyền tải khi 2n π < δ < (2n+1)π

Kết thúc quá trình đóng cắt nếu hai hê thống được tái đồng bộ thành công Năng lượng hãm tốc SR 2 R-SR 1 R >0 đối với COI của hệ thống A tăng lên trong suốt quá trình đóng và cắt điện Bởi vậy hai hệ thống có thể tái đồng bộ bởi một chuỗi đóng cắt liên tiếp

Qua nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, các đặc tính công suất truyền tải và điện

áp theo góc lệch δ giữa hai hệ thống con, và phương pháp xây dựng thuật toán Trong luận văn này đưa ra giải pháp điều khiển máy cắt xoay chiều sau khi đã khắc phục sự cố để có thể tái đồng bộ nhanh chóng hệ thống này như sau:

Bước 1: Ngắt đường dây còn lại tại thời điểm khi công suất truyền tải trên đường dây đi qua giá trị không, thời điểm đó tương ứng với góc lệch pha bằng δ =

P và đóng trở lại khi δ =k.360P 0

P Trở lại bước 3 Phương pháp điều khiển bằng máy cắt được đề suất cho phép tái đồng bộ nhanh chóng giữa hai hệ thống điện con đã mất đồng bộ mà không phải sa thải phụ tải bằng các rơle tần số thấp bởi vì nó chỉ có thể truyền tải điện theo một hướng từ

hệ thống 1 sang hệ thống 2

Từ đó ta có sơ đồ thuật toán điều khiển máy cắt như sau

2.3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển

Đóng máy cắt điện

i:=0

Tái đồng bộ hệ thống điện thành

về trạng thái nghỉ

i= i+1

2.3.3 Các thông số sơ đồ:

+) Thông số cần đo:

UR d R: Điện áp đo được trên đường dây

PR d R: Công suất đo được trên đường dây

c

d : Góc lệch dcủa vecto điện áp tại đầu vào máy cắt điện điều khiển

' c

d : Góc lệch dcủa vecto điện áp tại đầu ra máy cắt điện điều khiển

+) Thông số kiểm tra:

0 e³ : Gía trị ngưỡng khởi động công suất tác dụng cho trước.

ng

U : Giá trị ngưỡng khởi động điện áp cho trước.

dd: Giá trị ngưỡng khởi động góc lệch δ cho trước

k: Số lần đóng cắt giới hạn (k 8 10 = ¸ )

' 12

d = dc- dc : Góc lệch d giữa hai đầu của máy cắt điện điều khiển

2.3.4 Nguyên lý điều khiển:

Điều kiện chọn thời điểm đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây ,

liên kết giữa hai hệ thống điện con khi xuất hiện chế độ không đồng bộ như sau:

+) Điều kiện chọn thời điểm cắt máy cắt điện điều khiển:

Đo các thông số UR d R, PR d R trên đường dây truyền tải và thực hiện so sánh với

các giá trị đặt Trước hết kiểm tra thông số điện áp đo được trên đường dây nếu:

- UR d R > U : Hệ thống tái đồng bộ thành công ng

- Khi UR d R < (1) thực hiện bước so sánh tiếp theo về giá trị

công suất đo được trên đường dây truyền tải với giá trị công suất đặt nếu:

- PR d R> ε: Không thực hiện điều khiển máy cắt điện

- Khi Pd R R< ε (2): Thực hiện điều khiển đóng máy cắt điện