Tính toán phân tíh ổn định động của hệ thống điện việt nam và nghiên cứu hệ thống điện việt nam và nghiên cứu hiệu qủa của thiết bị bù dọc có điều khiển tcsc

Trang 1 --- ĐẶNG QUỐC KHÁNH TÍNH TỐN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ NGHIấN CỨU THIẾT BỊ BÙ DỌC Cể ĐIỀU KHIỂN TCSC Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học CHUYấN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ T

-

ĐẶNG QUỐC KHÁNH

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN TCSC

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

Hµ Néi - 2005

-

ĐẶNG QUỐC KHÁNH

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ BÙ DỌC CÓ ĐIỀU KHIỂN TCSC

LuËn V¨n Th¹c SÜ Khoa Häc CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

GS – TS LÃ VĂN ÚT

Hµ Néi - 2005

Các chữ viết tắt và ký hiệu

CĐXL

Tự động điều chỉnh kích từ Flexible AC Transmission Systems - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

Gate Turn off - khoá đóng mở Static Synchronous Compensator - Thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor

Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh có điều khiển bằng thyristor

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator - Thiết bị điều chỉnh góc lệch pha của điện áp

Thyristor Controlled Series Compensator - Thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor

Thyristor Controlled Reactor - Kháng điện có điều khiển thyristor Thyristor Switched Reactor - Kháng điện đóng mở bằng thyristor Thyristor Switched Capacitor - Tụ điện đóng mở bằng thyristor Unified Power Flow Control - Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất

Mục Lục

Mục lục .ML1

Danh mục các chữ viết tắt và kí kiệu 1

Lời mở đầu .2

Chương 1 Tìm hiểu về các thiết bị điều khiển nhanh phân bố công suất trong hệ thống điện 6

1.1 Hệ thống điện hợp nhất và những yêu cầu điều chỉnh nhanh công suất trong các điều kiện làm việc bình thường và sự cố 6

1.1.1 Đặc điểm 6

1.1.2 Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện hợp nhất 7

1.1.3 Các vấn đề về bù công suất phản kháng .8

1.2 Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện 13

1.2.1.Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC) 13

1.2.2.Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) .14

1.2.3 Thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor (STATCOM) .16

1.2.4.Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) 17

1.2.5 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR) .18

1.2.6 Nhận xét .19

1.3 Kết luận .20

Chương 2 Vấn đề ổn định động và mô hình động các phần tử hệ thống điện trong tính toán phân tích quá trình quá độ .21

2.1 Các chế độ hệ thống điện và khái niệm ổn định động .21

2.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống điện .25

2.3 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động .26

2.3.1.Phương pháp tích phân số 27

2.3.2.Phương pháp diện tích 31

2.3.3.Phương pháp trực tiếp (Phương pháp thứ 2 của Lyapunov) 33

2.3.4.Phương pháp sử dụng tích phân số và diện tích bằng nhau 34

2.3.1.Một vài phương pháp khác 36

2.4 Mô hình động các phần tử hệ thống điện trong tính toán phân tích quá trình quá độ 37

2.4.1.Mô hình máy phát 37

2.4.2.Hệ thống kích từ 42

2.4.3.Bộ điều tốc và điều chỉnh sơ cấp 45

2.4.4.Mô hình thiết bị điều chỉnh tốc độ quay tuabin 46

2.4.5.Mô hình phụ tải 46

Chương 3 khai thác sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán phân tích ổn định động 49

3.1 Giới thiệu chung 49

3.2 Chương trình PSS/E - Phương pháp mô phỏng theo thời gian 50

3.2.1.Mô tả chức năng của PSS/E 50

3.2.2.Hoạt động của PSS/E 51

3.2.3.Mô tả các phần tử cơ bản của hệ thống điện trong PSS/E 52

3.3 Các bước mô phỏng động trong PSS/E 61

3.3.1 Tính toán chế độ xác lập trước sự cố 61

3.3.2 Số liệu động 62

3.3.3.Kiểm tra số liệu 65

3.3.4.Chạy chương trình mô phỏng ………….65

3.3.5.Phân tích ổn định động 67

Chương 4 Quy hoạch phát triển hệ thống điện Việt Nam đến năm 2010 và phân tích đánh giá ổn định động của hệ thống 68

4.1 Tổng hợp về sơ đồ và quy hoạch phát triển hệ thống điện Việt Nam đến năm 2010 68

4.1.1 Đặc điểm hiện trạng của hệ thống điện Việt Nam 68

4.1.2.Quy hoạch phát triển hệ thống điện giai đoạn 2005 - 2010 74

4.2 Tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện Việt Nam 77

4.2.1 Các tính toán phân tích ổn định động HTĐ Việt Nam 2004 .77

4.2.2 Các tính toán phân tích ổn định động HTĐ Việt Nam 2010 .89

Chương 5 Hiệu qủa của TCSC trong nghiên cứu nâng cao

ổn định động hệ thống điện Việt Nam 97

5.1 Nguyên lí hoạt động và mô hình thiết bị TCSC .99

5.1.1 Nguyên lí hoạt động của thyristor 99

5.1.2 Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR 100

5.1.3.Thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC 106

5.1.4.Khả năng ứng dụng TCSC trong điều khiển chế độ HTĐ 112

5.1.5.Mô hình TCSC trong chế độ quá độ 114

5.2 Tính toán hiệu quả đặt TCSC trong hệ thống điện Việt Nam 118

5.3 Kết luận .120

Kết luận chung 121

Tài liệu tham khảo .123

phụ lục .125

Mở Đầu

***

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng HTĐ của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội Cùng với xu thế toàn cầu hoá nền kinh tế, HTĐ cũng đã, đang

và sẽ hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên các HTĐ hợp nhất có quy mô rất lớn về cả quy mô công suất và lãnh thổ

Trong thập kỷ vừa qua, cùng với sự phát triển kinh tế ở tốc độ cao, nhu cầu tiêu thụ điện ở nước ta đã tăng trưởng không ngừng, đặc biệt là trong công cuộc công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, từng bước hội nhập với nền kinh tế khu vực và thế giới Để đảm bảo cung cấp điện an toàn và ổn định, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, HTĐ Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh mẽ Với việc xây dựng và đưa vào vận hành đường dây siêu cao áp 500kV Bắc - Trung - Nam dài gần 1500 km từ năm 1994, nước ta đã liên kết được các HTĐ của ba miền thành một HTĐ hợp nhất, cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế (khai thác và vận hành phối hợp tối ưu các nguồn thuỷ nhiệt điện, tối ưu hoá công suất nguồn ), cung cấp điện được an toàn và ổn định hơn khi vận hành riêng rẽ từng hệ thống, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Việc hợp nhất hệ thống còn là tiền đề thuận lợi cho phát triển các loại nguồn điện công suất lớn (ở bất cứ vị trí nào, ở mọi quy mô công suất)

và mở rộng nhanh chóng phạm vi lưới điện phân phối, điện khí hoá đất nước Từ quy mô công suất trên dưới 5000 MW vào những năm 90, năm 2004 tổng quy mô công suất nguồn toàn quốc đã lên trên 10.000 MW Dự kiến đến năm 2010 sẽ lên tới trên 20.000 MW và đến năm 2020 sẽ vào khoảng 40.000 MW Như vậy tốc độ tăng trưởng

có kích cỡ trên dưới 15% mỗi năm tính đến năm 2010 Lưới điện Việt Nam cũng không ngừng đổi mới: phát triển tự động hoá, trang thiết bị, hệ thống giám sát, điều khiển phục vụ cho việc vận hành ổn định, tin cậy, linh hoạt và tối ưu

M.1 HTĐ Việt Nam và các yêu cầu tính toán phân tích ổn định động

Mang đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống lớn, HTĐ Việt Nam được nâng cao độ tin cậy, cho phép khai thác tối đa khả năng vận hành kinh tế Trục đường dây siêu cao áp 500 kV nối liền các trung tâm phụ tải với các nhà máy có tổ máy công suất lớn là tiền đề thuận lợi cho việc mở rộng phạm vi lưới, phát triển nhiều loại nguồn điện để đáp ứng được nhu cầu điện khí hóa đất nước Tuy nhiên, HTĐ càng lớn

sẽ càng phức tạp trong việc nghiên cứu, quy hoạch xây dựng và vận hành Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn

có những kích động lớn diễn ra đột ngột như các sự cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt

đột ngột đường dây khiến mất cân bằng công suất, ảnh hưởng đến sự ổn định của toàn hệ thống, có thể gây hậu quả nặng nề Việc tính toán các chế độ hệ thống là bắt buộc nhưng không hề đơn giản, đặc biệt là các chế độ sự cố với quá trình quá độ điện

từ, điện cơ rất phức tạp

Với bước phát triển nhảy vọt, HTĐ Việt Nam tương lai sẽ có sự liên kết với các nước trong khu vực, điều đó càng đòi hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định Để nghiên cứu có hiệu quả và đáp ứng được các yêu cầu mong muốn cần phải sử dụng các phương pháp thích hợp Vấn đề không phải chỉ là đánh giá hệ thống có ổn định hay không ổn định trong một trạng thái vận hành nhất định mà vấn

đề còn là việc xác định các giới hạn chế độ vận hành khác nhau, xét khả năng chịu những kích động trong hệ thống và tìm ra các biện pháp hiệu quả cải thiện chỉ tiêu ổn

định HTĐ

M.2 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Phân tích ổn định động HTĐ thực chất là nghiên cứu các đặc trưng diễn biến của quá trình quá độ điện cơ diễn ra sau những kích động lớn (sự cố) Phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và độ nặng nề của các kích động (làm mất cân bằng công suất) mà sau một thời gian diễn biến QTQĐ hệ thống tiến đến một CĐXL mới - hệ thống ổn

định động, hay rơi vào trạng thái làm việc mất đồng bộ, các máy phát điện quay với những tần số khác nhau - hệ thống mất ổn định

Có nhiều phương pháp khác nhau để nghiên cứu ổn định động Tuy nhiên, phương pháp được áp dụng chủ yếu hiện nay vẫn là phương pháp tích phân số hệ thống phương trình vi phân mô phỏng QTQĐ Sự phù hợp và đầy đủ của hệ phương trình (còn gọi là mô hình QTQĐ) có ý nghĩa quyết định đối với kết quả nghiên cứu Mô hình không những phải phản ảnh được các quá trình động diễn ra bên trong các

phần tử chính của HTĐ (máy phát điện, MBA, đường dây tải điện ) mà còn phải phản ảnh được các tác động điều chỉnh điều khiển của các phương tiện tự động hoá khác nhau (tự động điều chỉnh kích từ, tự động điều tốc tua-bin ), các thiết bị bù công suất phản kháng, các phần tử của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

mà ngày càng được ứng dụng phổ biến trong các HTĐ lớn

Như vậy, sự phát triển của HTĐ hiện đại liên quan chặt chẽ với sự thay đổi các phương pháp nghiên cứu ổn định Các phương pháp dựa trên cơ sở phân tích đơn giản hoá, đẳng trị hoá QTQĐ sẽ không còn phù hợp với hầu hết các HTĐ ngày nay Nói riêng, sự phát triển của HTĐ Việt Nam đặt ra nhu cầu cấp bách phải áp dụng các phương pháp tính toán phân tích đầy đủ hơn các đặc trưng động của hệ thống

Thiết bị làm linh hoạt hệ thống truyền tải linh hoạt điện xoay chiều (FACTS Devices - Flexible AC Transmission System Devices) ra đời đã đánh dấu một bước ngoặt trong việc nâng cao tính ổn định, khả năng truyền tải và điều khiển trong hệ thống điện Các thiết bị trên thường được dùng nhằm tận dụng triệt để các thiết bị hệ thống hiện có

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghệ chế tạo các thyristor công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong HTĐ (SCADA, DCS ), nên các thiết bị bù dùng thyristor sử dụng rất nhiều thông tin trong toàn …HTĐ được nghiên cứu và áp dụng một số nước có trình độ công nghệ tiên tiến trên ởthế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của HTĐ Các thiết bị được dùng thường là: thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển thyristor (TCSC), Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành HTĐ một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha ) của chúng …

Đề tài luận văn được đặt ra không ngoài các mục đích nêu trên Hướng nghiên cứu chính của luận văn là áp dụng khai thác tối đa phần mềm PSS/E để phân tích ổn

định động hệ thống điện phức tạp, qua đó đánh giá hiệu quả các phương tiện, thiết bị nâng cao ổn định động hệ thống Kết quả nghiên cứu hướng tới áp dụng tính toán phân tích các đặc trưng ổn định động của HTĐ Việt Nam tương ứng với giai đoạn phát triển đến năm 2010, đồng thời cho biết hiệu quả sử dụng các phương tiện, thiết bị

điều khiển mới nhằm nâng cao tính ổn định, độ tin cậy, khả năng vận hành kinh tế và hiện đại hóa HTĐ Việt Nam

M.3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu trên, luận văn thực hiện theo bố cục nội dung sau:

• Chương 1: Tìm hiểu về các thiết bị điều khiển nhanh phân bố công suất trong hệ thống điện

• Chương 2: Vấn đề ổn định động và mô hình động của các phần tử hệ thống

điện trong tính toán phân tích quá trình quá độ

• Chương 3: Khai thác sử dụng phần mềm PSS/E để tính toán phân tích ổn

Xin trân trọng cảm ơn!

Chương 1

điều khiển nhanh phân bố công suất trong hệ thống điện

chỉnh nhanh công suất trong các điều kiện làm việc

bình thường và sự cố

1.1.1 Đặc điểm

Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các

đường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp thế

giới Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nâng cao

tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên Cụ thể:

+ Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả

năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát

+ Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư

vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ

+ Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn

phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện

có giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử

+ Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các

nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn

+ HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ

thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên

+ Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múi giờ

+ Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống

+ Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn

Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép

dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21

1.1.2 Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của

hệ thống điện hợp nhất

Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra

là rất lớn Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng

điện trường phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây Để hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:

+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây

+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km

+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian

và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này

1.1.3 Các vấn đề về bù công suất phản kháng

Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải

điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện

từ dọc theo đường dây Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là

±10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây

+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là:

Q = QE - QM = 3ω.C.Uf2.l - 3 Wω M.l

Q = 3 l.C Uω f2(

C.U

L.I-

f

2)

+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:

C.U

L.I-

Zc= là tổng trở sóng của đường dây

Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN Đối với đường dây dài hữu hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây Đây là chế độ tải công suất tự nhiên Trong trường hợp này, đường dây siêu cao

áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng

PTN =Z

3.U

C

2 F

Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp

1 Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp

Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Hơn nữa,

bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn Đây

là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam

A Bù dọc

Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu

và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn

định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém…

Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của

đường dây) bằng dung kháng Xc của tụ điện Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo

điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện

sẽ giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch giữa dòng điện phụ tải I và điện áp ϕ

cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha

δ giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều

Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:

a n định điện áp ổ

+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn

b n định về góc lệch ổ δδδδ

+ Làm giảm góc lệch trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao δ

độ ổn định tĩnh của hệ thống điện

+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây:

+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

1. 2 sinδ

L

X

UU

P=

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

L gh

X

UU

UUP

XX

UUP

c Giảm tổn thất công suất và điện năng

+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng

bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

KC = 100%

L

C

XX

Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc KC từ 40 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây

B Bù ngang

Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp Khi đặt ở phía cao

áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện

Dòng điện IL của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây

+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

+ Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị số cos cho phép ϕ

của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo ≈ 1MVAR/km) nên ta phải

đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ

200 - 500km

+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau:

QC = Udd2.b0.l Trong đó: Udd: Điện áp danh định của đường dây

l: chiều dài của đường dây

+ Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330 750kV thì ta có thể sử ữ

Như vậy công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:

Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL:

Trong đó: QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang

QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra

Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra

2 Nhận xét

- Đường dây siêu cao áp có nhiều đặc điểm riêng về kỹ thuật cần quan tâm khi thiết kế phát triển lưới điện, đặc biệt là về giới hạn ổn định và ổn định điện áp

- Mô hình đường dây siêu cao áp khi tính toán phải theo sơ đồ thông số rải Để

đưa về dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia thành những mắt xích nối tiếp

- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và điện dung lớn Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện áp khi vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang

- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế độ vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật

1.2 Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng

- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor, các cửa

đóng mở (GTO - Gate turn off)

SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor):

có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor - TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor

Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể

mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột

Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây δ

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

Thyristor Controlled Series Capacitor)

Tương tự như SVC, phần tử TCSC là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của

đường dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện Nó được tổ hợp từ một hay nhiều module TCSC, mỗi một module bao gồm hai thành phần cơ bản:

MBA bù

TCR

U N

- Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyistor

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như van thyristor; các cửa

đóng mở GTO,

Ngoài ra, TCSC còn có một số thiết bị phụ như bộ lọc f nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế

độ khác nhau của hệ thống điện

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình sau:

Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC

Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- Giảm góc làm việc làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây δ

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

Tuy nhiên, TCSC còn có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành các đường dây siêu cao áp nói riêng và HTĐ nói chung Tuỳ theo yêu cầu của từng đường dây siêu cao áp cụ thể và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể

mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ

| Z |

Cảm kháng Dung kháng

Vùng không HĐ

Biểu đồ hoạt dộng Sơ đồ nguyên lý

1.2.3 Thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor (STATCOM -

Static Synchronous Compensator)

STATCOM là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyistor và cửa đóng mở GTO So với SVC, nó có ưu

điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn như SVC và đặc biệt là nó

điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn

Cấu tạo của STATCOM và đặc tính hoạt động của nó như sau:

Hình 1.5: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM Các tính năng của STATCOM cũng giống như của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch ) trong hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột

Ngoài ra, STATCOM còn có đặc điểm nổi trội so với SVC như sau:

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ

- Có thể phát công suất phản kháng khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lưới

và ngược lại, tiêu thụ công suất phản kháng khi điện áp thanh cái lớn hơn điện

áp lưới

1.2.4 Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC -

Unified Power Flow Controller)

UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là trên các đường dây siêu cao áp nối giữa các HTĐ nhỏ UPFC là thiết bị làm cho lưới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả

Về nguyên lý cấu tạo, UPFC được hiểu như sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay

đổi góc pha (Static Synchoronous Series Compensator) với thiết bị bù ngang STATCOM Nó được cấu tạo từ 2 bộ chuyển đổi (converter) điều khiển thyristor có cửa đóng mở GTO Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở (GTO) và MBA trung gian điện áp thấp (xem hình 1.6)

Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của UPFC Máy biến áp nối với bộ chuyển đổi qua thanh cái làm việc (Buswork) và máy cắt

được mô tả trên hình Mỗi một bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào đó, converter còn lại có thể điều khiển vận hành độc lập

Về nguyên lý, UPFC có 3 chế độ vận hành, bao gồm:

XX

UT

Vectơ Điện áp

Chế độ 2: chế độ điều khiển điện áp trực giao U∆

U

UX

tgX

- X: Điện kháng của đường dây truyền tải

- : Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối của đường dây δ

Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ưu điểm hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi góc pha rất δ

nhỏ Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc (series compensator) giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo Hơn nữa, trong chế độ 1 và chế độ 2, công suất của thành phần bù ngang (shunt compensator) có thể giảm tối thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết 1 chiều (DC link) gần như bằng 0

Ngoài ra, thành phần bù ngang có thể điều khiển đồng thời cả dòng công suất phản kháng Q và công suất tác dụng P truyền tải trên đường dây

1.2.5 Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR -

Thyristor Controlled Phase Angle Regulator)

Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền tải trên đường dây

Về mặt cấu tạo, nó như một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đường dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đường dây

Các tính năng của TCPAR cũng như của các thiết bị bù có điều khiển khác nhưng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đường dây Khả năng

điều khiển trào lưu công suất rất cao

Các tính năng của TCPAR bao gồm:

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút bù

- Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện

- Tăng cường tính ổn định động của hệ thống điện

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột

- Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ

- Các thiết bị bù dọc và ngang trên đường dây tải điện xoay chiều đều có những

đặc điểm chung là khả năng nâng cao độ tin cậy trong vận hành hệ thống điện Tuy nhiên, giữa các thiết bị vẫn có sự khác biệt tuỳ theo yêu cầu trong từng hệ thống điện

cụ thể, chế độ vận hành cụ thể mà ta có thể lựa chọn các thiết bị hợp lý

- Trong thực tế vận hành, tuỳ theo yêu cầu điều chỉnh điện áp, trào lưu công suất, nâng cao ổn định hay giảm dao động công suất trên đường dây mà ta lựa chọn các thiết bị hợp lý dựa trên khả năng của chúng

MBA nối tiếp

Ta có bảng so sánh các chức năng của từng thiết bị bù có điều khiển bằng thyristor như sau:

Tên thiết bị Điều chỉnh

trào lưu công suất

Điều chỉnh

điện áp

ổn định tĩnh

ổn định

động

Chống dao

động công suất

- Việc lắp đặt các thiết bị bù dọc và bù ngang điều khiển nhờ thyristor là xu hướng rất được quan tâm trên thế giới vì nhờ chúng mà độ tin cậy và tính kinh tế trong vận hành HTĐ được tăng lên rất nhiều

- Các thiết bị bù dọc và bù ngang sử dụng thyristor có khả năng điều chỉnh gần như tức thời thông số của chúng Việc ứng dụng các thiết bị nói trên trong HTĐ làm nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp và giảm dao động công suất, đặc biệt là đối với các HTĐ hợp nhất có truyền tải bằng các đường dây siêu cao áp

- Các thiết bị bù có điều khiển thyristor chỉ đem lại hiệu quả rất cao khi thời

điểm tác động và giá trị dung lượng bù là hợp lý cho từng chế độ vận hành của hệ thống điện (trước sự cố, sự cố và phục hồi) Đây là một việc rất quan trọng khi vận hành HTĐ có các thiết bị bù dọc và ngang có điều khiển thyristor

- Với điều kiện địa lý như ở Việt Nam, đường dây truyền tải 500 kV rất dài, các nguồn phát ở xa trung tâm phụ tải thì khả năng ứng dụng thiết bị TCSC sẽ mang lại hiệu quả trong vận hành và tăng cường tính ổn định của HTĐ Việt Nam

C hươn g 2 Vấn đề ổn định động và mô hình động

các phần tử hệ thống điện trong tính toán phân tích quá trình quá độ

2.1 Các chế độ của hệ thống điện và khái niệm ổn

định động

Các chế độ làm việc của HTĐ nói chung được chia ra làm hai loại chính: chế

độ xác lập và chế độ quá độ Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số hệ thống không thay đổi, hoặc thay đổi trong những 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 HTĐ thuộc về CĐXL (còn gọi là CĐXL bình thường) Chế độ sau sự cố, HTĐ được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về CĐXL (còn gọi là CĐXL sau sự cố) ởcác 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 HTĐ Đó là các chế

độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích

động lớn) Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến đến CĐXL mới Trong trường hợp này, các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về 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, chế độ quá độ khi đó gọi là chế độ quá độ sự cố Nói chung, với mọi HTĐ yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các chế độ quá độ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới bởi chế độ quá độ chỉ có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của HTĐ

F B XD U

~

Tại CĐXL và duy trì cân bằng công suất, các máy phát chạy với tốc độ đồng

bộ, gia tốc của roto bằng không Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm cân bằng công suất cơ - điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao

động mạnh Khi đó công suất cơ của tuabin không thể thay đổi tức thì trong khi công suất điện từ của 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 của hệ thống điện 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, chẳng hạn với hệ thống điện trên hình 2.1, một trong hai đường dây đột ngột bị cắt ra

việc tại điểm cân bằng a Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống

XH tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2 trên hình 2.2) Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’

01(điểm cân bằng ổn định tĩnh) Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’

01 là QTQĐ, diễn ra theo đặc tính động của hệ thống Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’

01hoặc không, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy δ

phát chuyển từ a đến b Công suất điện từ PT > P( ) làm máy phát quay nhanh lên, góc δ

δ tăng dần, điểm làm việc dịch chuyển từ b đến c Đến thời điểm góc lệch bằng δ’

01

roto bắt đầu quá trình hãm tốc Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δmax (trên hình 2.2) động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch không tăng được nữa, đây là δ

thời điểm góc lệch cực đại Sau thời điểm này, không còn động năng, mà P( ) > Pδ δ T(momen hãm lớn hơn momen phát động), do đó roto quay chậm lại, góc giảm, điểm δ

làm việc lúc này chuyển từ d về điểm cân bằng c Khi điểm làm về đến c, do quán tính lại tiếp tục chuyển về a Cứ như vậy, tiếp tục phân tích, ta nhận được quá trình dao

động của góc lệch Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân δ

bằng δ’

01 của chế độ xác lập mới Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động

Phần diện tích giới hạn giữa đặc tính PT và P( ) sau khi cắt đường dây (phần δ

gạch chéo trên hình 2.2) tỷ lệ với năng lượng tích lũy trong roto và năng lượng hãm Trong khoảng góc lệch giữa δ01 và δ’

01 là năng lượng tăng tốc ứng với quá trình tích luỹ động năng của roto và giữa góc lệch δ’

01 và δmax là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích lũy

t

δ

Cũng với hệ thống trên nhưng xét trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị hệ thống (khi đường dây dài) Đặc tính công suất sau khi cắt một trong hai đường dây sẽ hạ thấp hơn, như trên hình 2.3 Trong trường hợp này, khi góc lệch δ tăng, nó không dừng lại ở trị số δmax trước khi

đến điểm δ’

02 Đó là vì công hãm (tỷ lệ với phần diện tích giới hạn bởi đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công suất tua bin PT) nhỏ hơn động năng tích luỹ trước đó của roto máy phát (tỷ lệ với phần diện tích gạch chéo nằm dưới PT) Sau khi vượt qua

δ’

02 tương quan công suất lại đổi chiều PT > P( ) nên góc lệch tiếp tục tăng Dễ thấy δ δ

tương quan công suất PT > P( ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số vượt quá 2 , nghĩa là mất δ δ π

đồng bộ tốc độ quay của máy phát Hơn thế nữa, quá trình tiếp tục tích luỹ động năng vào roto, lên trị số rất lớn (tỷ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới PT) Động năng này làm góc tăng trưởng vô hạn Hệ thống mất ổn định động δ

Phân tích trên cho thấy tính ổn định động gắn liền với khả năng giữ trạng thái làm việc đồng bộ của các máy phát nên cũng có thể gọi là ổn định đồng bộ n định ổ

động của hệ thống điện có thể được định nghĩa là khả năng giữ sự làm việc đồng bộ của tất cả các máy phát trong hệ thống sau khi có kích động lớn

Hình 2.3: Đặc tính công suất khi hệ thống có đường dây dài

Có thể xét tương tự cho QTQĐ diễn ra trong HTĐ thuộc sơ đồ hình 2.4 khi có

sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát Lúc này đặc tính công suất phát phản kháng

bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp U sẽ dao động tắt dần về

điểm cân bằng mới hoặc tiến đến 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của sự cố - cắt nhiều hay ít công suất máy phát Đặc tính công suất cũng được trình bày trên hình 2.4

Hình 2.4: Hệ thống nhiều nguồn cung cấp công suất phản kháng cho tảivà đặc tính

công suất phản kháng

Từ các ví dụ trên cũng còn 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 QF bị giảm xuống quá thấp (đường cong 3 trên hình 2.4), không cắt đặc tính Qt 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 chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định động

Có nhiều khái niệm về ổn định được đưa ra nhưng không hoàn toàn tương

đương nhau Người ta thường sử dụng định nghĩa ổn định động như sau đối với HTĐ:

ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi lại

được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

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

- Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ

- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút 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 từng khu vực lớn, có thể dẫn

đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện cho hệ thống trong những thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động

- Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác 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 HTĐ 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 độ diễn ra đủ ngắn

Trong những năm gần đây, sự mở rộng nhanh chóng về độ lớn cũng như độ phức tạp của các HTĐ, đòi hỏi phải có các tiêu chuẩn cao và phương pháp tốt để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện và sự làm việc đồng bộ của các máy phát Tính toán kiểm tra điều kiện ổn định động trở nên 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 tác 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 phải dựa vào

hệ phương trình vi phân mô tả QTQĐ Khác với nghiên cứu ổn định tĩnh, các phương trình vi phân phi tuyến ban đầu không có khả năng tuyến tính hóa vì các kích động lớn làm quá trình quá độ diễn ra phức tạp, các thông số có thể thay đổi mạnh trên phạm vi rộng của các đặc tính phi tuyến Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là tuyến tính sẽ mắc phải sai số đáng kể Để thuận lợi và chính xác trong việc đánh giá ổn định

động, hệ thống được mô tả bởi những mô hình ứng dụng khác nhau và mỗi trường hợp

có thể áp dụng các phương pháp phân tích ổn định động riêng

Phương pháp tích phân số có thể áp dụng đối với mọi mô hình và cấu trúc HTĐ bằng cách thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ, tìm ra sự biến thiên của góc lệch theo thời gian, từ đó đánh giá ổn định động hệ δ

thống Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, khó phân tích kết quả và mất nhiều thời gian để tìm góc cắt giới hạn hay nghiên cứu độ dự trữ ổn

định của hệ thống

Để đơn giản hóa, phương pháp trực tiếp của Lyapunov được xây dựng xuất phát

từ việc thiết lập và phân tích hàm Lyapunov để kết luận về tính ổn định theo miền kích động ban đầu Phương pháp này bị hạn chế chủ yếu bởi khó khăn trong việc xây dựng và phân tích hàm Lyapunov có nhiều giả thiết

Đối với hệ thống điện đơn giản, phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi nhất định, hệ thống có thể được đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ

để sử dụng phương pháp này

Đây là phương pháp tính toán các đặc trưng biến thiên của thông số hệ thống trong quá trình quá độ (như biến thiên của góc lệch, dao động công suất, sự thay đổi

điện áp các nút ) bằng việc tích phân số hệ phương trình vi phân dạng phi tuyến bất

kỳ, từ đó phán đoán được ổn định động của hệ thống điện Do vậy phương pháp này

có thể áp dụng cho hệ thống điện bất kỳ, nhất là hệ thống điện thực tế với nhiều máy phát Tuy nhiên việc giải phương trình vi phân phi tuyến với các điều kiện đầu đã biết cũng gặp rất nhiều khó khăn, dạng tổng quát của phương trình như sau:

dt

dx =

Trong đó x là véctơ trạng thái có n thông số phụ thuộc vào thời gian t Nội dung chính của phương pháp là tìm ra lời giải x, t thoả mãn phương trình với các giá trị ban đầu của là x0 và t0

Để phân tích ổn định động của hệ thống điện, không cần quan tâm chi tiết đến các đại lượng điện từ bên trong máy phát mà có thể áp dụng mô hình quá trình quá độ với độ chính xác cấp 3, bỏ qua ảnh hưởng của thành phần tự do tắt dần của quá trình quá độ điện từ trong các cuộn dây máy phát điện đến chuyển động điện cơ của roto cũng như ảnh hưởng của biến thiên tần số đến mô hình lưới Mô hình quá trình quá độ

Ei Ti 2

i 2 0

PTi = fi (x, x’, x’’, )

Eqei = ϕi (x, x’, x’’, )

Do giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của tần số đến mô hình các phần tử của lưới, hệ phương trình cân bằng công suất lưới trong quá trình quá độ (ở mỗi bước tích phân) hoàn toàn tương tự như trong CĐXL p dụng mô hình tuyến tính, thay thế phụ tải ábằng các tổng trở hằng, sử dụng đẳng trị hóa để đưa hệ thống về sơ đồ đơn giản chỉ bao gồm các nút nguồn sẽ được biểu thức công suất tác dụng cho n máy phát và biểu thức thành phần dòng điện dọc trục theo sức điện động EQ:

P E y sinα E E yijsin(δi δj αij)

n i 1 j Qj Qi ii

ii 2 Qi

≠

I E y cosα n E yijcos(δi δj αij)

i 1 j Qj ii

ii Qi

q

Qi E (X X I

X X

X X E X X

X X E

di qi

qi di ' qi ' di qi

' di di Qi

Cỏc bước tớnh toỏn quỏ trỡnh quỏ độ theo phương phỏp tớch phõn số:

- Từ chế độ xỏc lập trước sự cố xỏc định cỏc giỏ trị E’qi, δi làm điều kiện đầu (t = +0) cho chế độ sự cố

- Giải hệ phương trỡnh đại số tuyến tớnh xỏc định EQi (khi đú điện dẫn đó cú sự thay đổi)

- Giải hệ phương trỡnh vi phõn xỏc định cỏc giỏ trị tiếp theo của E’qi, δi Khi xột đến ảnh hưởng của cỏc bộ điều chỉnh cần phải bổ sung cỏc phương trỡnh (vi phõn và đại số) quy luật biến thiờn của PTi và Eqi Số biến trạng thỏi của hệ phương trỡnh cú thể tăng lờn đỏng kể

Sau khi có kết quả tích phân số, dựa vào sự biến thiên theo thời gian của góc lệch tương đối giữa các roto để phân tích ổn định của hệ thống Nếu trong khoảng thời gian xét mọi góc lệch tương đối đều nhỏ hơn 2 thì hệ thống được đánh giá là ổn π

động vì trong quá trình quá độ, các thông số có sự biến thiên mạnh (các bước nhảy

thường lớn) Còn phương pháp nhiều bước cần sử dụng trị số từ 2 điểm trở lên Được

áp dụng phổ biến nhất là 2 phương pháp tích phân đơn giản Euler và Runge - Kutta

A Phương phỏp Euler

Phương phỏp Euler đơn giản nhất và thiếu chớnh xỏc nhất trong cỏc phương phỏp tớch phõn số Xuất phỏt từ điểm ban đầu (x0, t0) để tớnh toỏn cỏc điểm tiếp theo dựa vào khai triển Taylor:

3!

∆t x 2!

∆t x

∆t x x x

3 0 2 0 0

t

∆t

t+ = + Phương pháp này chỉ tính đến phần tử vi phân thứ nhất của x khi khai triển chuỗi Taylor nên cũng được coi là chính xác cấp 1

Để có kết quả chính xác hơn, xét đến đạo hàm bậc 2 trong khai triển Taylor nhưng không phải tính lặp ở mỗi bước nhảy có thể sử dụng phương pháp dự báo và

điều chỉnh hay còn gọi là phương pháp hiện ẩn trung điểm Phương pháp này tính toán

đơn giản, cho kết quả chính xác hơn, hội tụ nhanh hơn:

dt

dx x

x dt

dx ( x

B Phương phỏp Runge - Kutta

Phương pháp này cũng dựa trên khai triển chuỗi Taylor, tuy nhiên không cần xét đến thành phần đạo hàm bậc cao mà ảnh hưởng của nó vẫn được tính đến qua một

số ước lượng của đạo hàm bậc 1 Tùy theo độ chính xác tính toán đến các đạo hàm bậc cao mà chia phương pháp Runge - Kutta thành nhiều cấp:

Phương phỏp Runge - Kutta cấp 2:

2

k k x

∆x x

x

2 1 n n n

1 n

+ +

= +

Phương phỏp Runge - Kutta cấp 4:

( 1 2 3 4)

n 1

6

1 x

kf(x

kf(x

là chúng chỉ cho phép nhận được lời giải ứng với một điều kiện đầu cụ thể, do đó rất khó nghiên cứu các đặc tính chung của hệ thống Hơn nữa, việc giải hệ các phương trình vi phân là rất phức tạp, thiếu chính xác và đòi hỏi thời gian tính toán kéo dài Chính vì vậy sử dụng phương pháp này khó có thể nghiên cứu quá trình quá độ kéo dài, xác định miền ổn định động hay thời gian cắt giới hạn, ít có khả năng ứng dụng tính toán và điều khiển on-line

Phương pháp diện tích được ứng dụng tính toán và phân tích ổn định hệ thống

điện đơn giản như trên hình vẽ 2.5 với giả thiết:

- Công suất cơ không đổi

- Không xét các yếu tố làm giảm dao động

- Máy phát có mô hình cổ điển

Hệ thống được đánh giá là ổn định nếu sau kích động góc lệch đạt giá trị cực δ

đại rồi dao động tắt dần quanh điểm cân bằng sau sự cố, gia tốc của roto sẽ đạt giá trị

bằng không Phương pháp này không cần giải hệ phương trình vi phân quá trình quá

độ mà căn cứ vào diện tích tăng tốc và diện tích hãm tốc tương ứng với động năng và thế năng của roto bị gia tốc khi có kích động

Hỡnh 2.5: Hệ thống điện đơn giản và đặc tớnh cụng suấtTrên hình vẽ 2.5 biểu diễn các đường đặc tính công suất: công suất cơ của tuabin không đổi, công suất điện từ của máy phát trước sự cố, khi sự cố và sau khi cắt

bỏ sự cố tương ứng là đường cong 1, 2, 3 Năng lượng của roto khi có gia tốc tỉ lệ với diện tích giới hạn bởi đường đặc tính cơ và đặc tính điện của máy phát Phần diện tích gạch dọc A1 đặc trưng cho động năng tích lũy khi roto tăng tốc và phần diện tích gạch ngang A2 đặc trưng cho công chống mômen hãm khi roto hãm tốc n định của hệ ổthống được đánh giá bởi hệ số dự trữ ổn định:

η = A2 – A1

Hệ thống ổn định khi > 0 và mất ổn định khi < 0 Trường hợp = 0 sẽ xỏc η η η

định được giới hạn ổn định, bất phương trỡnh > 0 giỳp tỡm được miền ổn định của η

hệ thống

Gần đây A J Khan đã đưa ra phần mền EAC_TSTAB ứng dụng tính toán, phân tích ổn định động hệ thống điện đơn giản dựa trên cơ sở tiêu chuẩn và phương pháp diện tích Phần mềm này có thể vẽ các đường cong dao động của góc lệch và tính toán

được góc cắt tới hạn từ việc cho diện tích tăng tốc và hãm tốc bằng nhau Phần mềm giúp ta hiểu rõ nhiều vấn đề trong nghiên cứu ổn định động hệ thống điện

Phương pháp diện tích có ưu điểm là đơn giản, dễ dàng thực hiện tính toán với thời gian nhanh và chính xác, cho phép nghiên cứu tìm ra miền ổn định, sắp xếp mức

độ nguy hiểm của từng loại sự cố và tính độ dự trữ ổn định cũng như góc cắt giới hạn tương ứng với trường hợp sự cố đó Hạn chế của phương pháp là không thể sử dụng với sơ đồ hệ thống phức tạp, nhưng ứng dụng vẫn rất thuận tiện và hiệu quả sau khi dùng các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ

Lyapunov)

Những năm 1930 - 1940 có rất ít nghiên cứu về phân tích ổn định động hệ thống điện nhiều máy phát Đầu năm 1960, sự xuất hiện phương pháp thứ 2 của Lyapunov đã thu hút được rất nhiều sự quan tâm

Phương pháp nghiên cứu ổn định thông qua việc thiết lập một hàm V mới dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi phân quá trình quá độ (kích động là độ lệch ban đầu

so với điểm cân bằng) Hàm V cần đảm bảo có những tính chất nhất định, qua đó

đánh giá được tính ổn định của hệ thống

Về nguyên tắc, phương pháp trực tiếp của Lyapunov rất hiệu quả, khẳng định

được chắc chắn hệ thống ổn định nếu tìm được hàm V với các tính chất cần thiết, có thể nghiên cứu được ổn định hệ thống với kích động bất kỳ Tuy nhiên việc áp dụng gặp khá nhiều khó khăn và hạn chế, nhất là đối với hệ thống điện vì việc thiết lập hàm không theo quy tắc chặt chẽ Với hàng loạt hệ thống có cấu trúc riêng người ta đưa ra

được quy tắc xây dựng hàm và hàm V bao giờ cũng được thiết lập nhưng các tính chất cần thiết đảm bảo cho hệ thống ổn định có thể có hoặc không, phụ thuộc độ lệch ban

đầu Ví dụ điển hình là dùng hàm năng lượng toàn phần làm hàm V, khi đó dấu của hàm luôn xác định dương nhưng dấu của đạo hàm toàn phần theo thời gian phụ thuộc vào độ lệch trạng thái so với điểm cân bằng Để đánh giá ổn định, năng lượng tích lũy trong quá trình quá độ sẽ được so sánh với năng lượng cực đại mà hệ thống có thể hấp thụ Tập hợp trạng thái quá độ của hệ thống được mô tả bởi một mặt năng lượng dạng bán cầu như hình 2.6 Mặt bán cầu tương ứng với miền ổn định của góc lệch roto, miệng bán cầu là giới hạn ổn định Ban đầu hệ thống như quả bóng nằm tại điểm cân bằng bền SEP (Stable Equilibrium Point) với thế năng nhỏ nhất Khi có kích động, roto máy phát bị gia tốc, quả bóng bị đẩy rời khỏi vị trí cân bằng Trong quá trình quá

độ, quả bóng lăn trên bề mặt năng lượng, có tích lũy và chuyển đổi liên tục giữa động năng và thế năng Nếu kích động lớn làm quả bóng văng khỏi mặt cầu thì hệ thống

mất ổn định Ngược lại, khi kích động nhỏ, động năng của bóng sẽ kịp chuyển hết thành thế năng trước tới miệng bán cầu, quả bóng dao động tắt dần và trở về điểm cân bằng bền

Hỡnh 2.6: Quả búng lăn trờn mặt cầuKhông phải lúc nào cũng tìm được hàm V nên việc áp dụng phương pháp trực tiếp của Lyapunov cho đến nay vẫn rất hạn chế Do ưu điểm của phương pháp có thể xác định được miền giới hạn ổn định nên nhiều công trình nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo hướng mở rộng đang được triển khai

Đây là phương pháp có thể tận dụng ưu điểm của phương pháp tích phân số và phương pháp diện tích để tính toán ổn định hệ thống điện Đặt thử thời gian cắt bỏ sự

cố rồi sử dụng phương pháp tích phân số sẽ xác định được sự biến thiên của các thông

số trong quá trình quá độ Các máy phát được chia làm 2 nhóm chính dựa theo độ dao

động của góc lệch: nhóm nghiêm trọng và nhóm ít nghiêm trọng Thực hiện giả định thay thế hệ thống phức tạp thành đơn giản 1 nguồn 1 nút với đặc tính cơ và đặc tính

điện (biến thiên theo góc lệch ) được tính toán tổng hợp từ các đặc tính riêng của δ

từng máy phát trong hệ thống ban đầu p dụng phương pháp diện tích để tính toán, áphân tích ổn định, đặc biệt là tìm ra độ dự trữ ổn định Như vậy ứng với mỗi thời gian loại bỏ sự cố sẽ xác định được độ dự trữ ổn định của hệ thống Bằng một vài phép lặp

ta có thể tính được thời gian cắt giới hạn của hệ thống

Phương pháp này có thể sử dụng với hệ thống phức tạp, tìm được thời gian cắt giới hạn khá chính xác mà khối lượng tính toán không lớn, thời gian tính toán nhanh Dựa trên phương pháp diện tích nhưng tính được ổn định cho hệ thống từ 2 máy phát trở lên nên phương pháp này còn được gọi là phương pháp diện tích mở rộng Các bước tính toán được thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7: Sơ đồ thuật toán phương pháp diện tích mở rộng

Việc tính toán hệ số dự trữ ổn định trong trường hợp mất ổn định và ở giới hạn

ổn định sử dụng biểu thức sau:

2 u

u M2

1

∫

= ur

δ

δ a

Pa = &a >

Ký hiệu “st” chỉ trường hợp bắt đầu giảm và triệt tiêu: δ ω

ϖ =0; P&a <0