nâng cao ổn định góc rotor máy phát bằng thiết bị svc

Điều này có nghĩa phần mềm chỉ mô phỏng được bài toán phân bố công suất tối đa 50 nút và số biến cho file DYR cũng bị giới hạn • Mô phỏng động cho máy phát, kích từ và SVC chỉ dựa trên n

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

tahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh bai

tahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh bai

68Thursday, June 13, 20249:51:50 PM9:51:50 PM68Thursday, June 13, 20249:51:50 PM9:51:50 PM68Thursday, June 13, 20249:51:50 PM9:51:50 PM

tahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh bai

68tahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baiThursday, June 13, 2024

Trang 2

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

Trang 3

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:

1 Họ và tên sinh viên:

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

Trang 5

MỤC LỤC:

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: 2

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: 3

MỤC LỤC: 4

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ: 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 9

1.1 Khái quát: 9

1.2 Mục tiêu của đề tài: 10

1.3 Giới hạn của đề tài: 11

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT: 12

2.1 Tổng quan lý thuyết: 12

2.1.1 Phân bố công suất trên đường dây ngắn: 12

2.1.2 Giới hạn công suất truyền tải trên đường dây không có tổn thất: 14

2.1.3 Bù công suất phản kháng giúp tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng: 16

2.2 Các dạng ổn định của hệ thống điện: 18

2.3 Ổn định góc rotor: 18

2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quá độ: 21

2.5 Các phương pháp toán nghiên cứu ổn định hệ thống điện: 21

2.5.1 Phương pháp diện tích: 21

2.5.2 Phương pháp tích phân số: 27

2.5.3 Phương pháp phân tích ổn định trực tiếp theo đường cong theo đường cong quá trình quá độ của Lyapunov: 28

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

tahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh baitahg euohg hou tae kihh te euc eae ho trohg ruhg xah xuat tai xa tah hguyeh huyeh yeh bihh tihh yeh bai682413069:51:50 PM9:51:50 PM682413069:51:50 PM9:51:50 PM682413069:51:50 PM9:51:50 PM

Trang 6

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E 30

3.1 Phần mềm PSS/e: 30

3.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm PSS/E: 30

3.1.2 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E: 32

3.1.3 Chạy bài toán phân bố công suất: 32

CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ SVC 37

4.1 Các thành phần của SVC: 37

4.1.1 Thyristor switch capacitor: 38

4.1.2 Thyristor switch reactor: 40

4.1.3 Thyristor controlled reactor: 41

6.2 Những vấn đề đặt ra trong tương lai 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 60

PHỤ LỤC: 61123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

LỜI CẢM ƠN: 67

Trang 8

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ:

Hình 1.1: Hệ thống điện 14 nút của IEEE 10

Hình 2.1: Sơ đồ đơn tuyến của mô hình đường dây ngắn 12

Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến đường dây không có tổn thất 14

Hình 2.3: Hệ thống điện đơn giản gồm nguồn áp lý tưởng, đường dây truyển tải và tải 16

Hình 2.4: Hệ thống điện được mô hình hóa bằng mô hình π và một tụ điện mắc song song với tải 17

Hình 2.5: Các dạng ổn định của hệ thống 18

Hình 2.6: Diện tích tăng tốc và hãm tốc khi có ổn định 22

Hình 2.7: Diện tích tăng tốc và hãm tốc trường hợp giới hạn ổn định 23

Hình 2.8: Stt > Sht max trường hợp mất ổn định 24

Hình 2.9: Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng của thời gian cắt ngắn mạch của máy cắt 2 24

Hình 2.10: Ngắn mạch 3 pha đầu đường dây 2 25

Hình 2.11: Sơ đồ đơn tuyến 2 đường dây vận hành song song 26

Hình 2.12: Cắt một đường dây trong 2 đường dây vận hành song song 26

Hình 3.1: Sơ đồ khối của PSS/E 32

Hình 3.2: Giao diện của trang bus data 34

Hình 3.3: Giao diện của trang branch data 34

Hình 3.4: Giao diện của trang load data 35

Hình 4.1: Cấu trúc các thành phần phổ biến của SVC 38

Hình 4.2: Cấu trúc cơ bản của TSC 40

Hình 4.3: Đường đặc tính V – I của TSC với 3 dải bù 40

Hình 4.4: Dòng điện chạy qua TCR với các góc kích tương ứng 42

Hình 4.5: Đường đặc tính V – I của TCR 42

Hình 4.6: SVC được mô phỏng như một tụ điện mắc song song 44

Hình 4.7: Sơ đồ khối của mô hình SVC “Basic model 1” của IEEE 45

Trang 9

Hình 4.8: Sơ đồ khối của mô hình bộ điều áp “Basic model 1” của IEEE 45

Hình 4.9: Sơ đồ khối của SVC theo mô hình CSSCST trong thƣ viện PSS/E 45

Hình 5.1: Góc rotor máy phát tại nút 2 so với máy phát tại nút 1 47

Trang 10

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Khái quát:

Ổn định hệ thống là mối quan tâm hàng đầu khi trong việc thiết kế và vận hành hệ điện Trong những thập kỉ qua đã xảy ra nhiều sự cố mất điện ở những hệ thống điện lớn Ví dụ như:

• Sự cố mất điện ở nam Thụy Điển và đông Đan Mạch vào 3/2013 • Sự cố mất điện ở Mỹ và Canada vào năm 2003

• Sự cố mất điện ở Ý vào 9/2003 • Sự cố mất điện ở Ấn Độ vào 7/2012

Những sự kiện trên đã cho thấy vấn đề ổn định hệ thống điện vẫn cần rất nhiều sự quan tâm và nghiên cứu Và một trong những vấn đề trong ổn định hệ thống điện là ổn định góc rotor sẽ được nghiên cứu và trình bày trong đồ án này Vì nhu cầu tải ngày càng gia tăng đã gây áp lực lên hệ thống điện Trước kia, vấn đề này có thể khắc phục bằng cách thêm các tổ máy phát vào lưới hoặc xây dựng thêm các đường dây truyền tải

Hiện nay sẽ khó khăn trong việc tìm ra phương án thích hợp để xây dựng thêm đường dây truyền tải Như vậy vấn đề đặt ra là phải vận hành lưới điện hiện có hiệu quả hơn và vận hành lưới điện gần với giới hạn của nó Đồ án cũng sẽ giới thiệu một giải pháp nhằm tăng giới hạn ổn định cho hệ thống điện bằng cách thêm vào lưới những bộ điều khiển, điển hình là bộ SVC trong họ thiết bị FACTS

Hệ thống điện hiện đại rất phức tạp, bao gồm hàng ngàn máy phát, đường dây truyền tải và máy biến áp Trong đồ án sẽ nghiên cứu về hệ thống điện chuẩn IEEE 14 nút như hình 1.1

Trang 11

Hình 1.1: Hệ thống điện 14 nút của IEEE

Hệ thống điện 14 nút là một phần của hệ thống điện ở Mỹ vào tháng 2 năm 1962 Hệ thống bao gồm 14 nút, 5 máy phát và 11 tải Đặc biệt hệ thống điện 14 nút không có giới hạn đường dây So sánh với hệ thống điện này hệ thống điện những năm 1990, hệ thống 14 nút có điện áp điện áp thấp hơn

Nội dung chính của đồ án này sẽ trình bày khái niệm về ổn định góc rotor, các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định góc rotor và sự ảnh hưởng của thiết bị SVC vào việc ổn định hệ thống điện

1.2 Mục tiêu của đề tài:

Đề tài này được hướng đến trả lời những câu hỏi sau: • Khái niệm ổn định góc rotor là gì ?

• Những yếu tố ảnh hưởng đến việc ổn định góc rotor

• Liệu thiết bị SVC có thể tăng tính ổn định động cho hệ thống điện cũng như tăng khả năng truyền tải cho lưới điện

Trang 12

• Những lợi ích đạt được khi tính ổn định cũng như khả năng truyền tải của lưới điện được gia tăng

1.3 Giới hạn của đề tài:

Để thu hẹp phạm vi của đề tài này thì các giới hạn cần phải được xem xét Các giới hạn của đề tài bao gồm:

• Các mô phỏng sẽ được hiện bởi phần mềm PSS/E Xplore 34 free version Điều này có nghĩa phần mềm chỉ mô phỏng được bài toán phân bố công suất tối đa 50 nút và số biến cho file DYR cũng bị giới hạn

• Mô phỏng động cho máy phát, kích từ và SVC chỉ dựa trên những mô hình có sẵn trong PSS/E

Trang 13

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT:

2.1 Tổng quan lý thuyết:

Chương này sẽ khái quát một số lý thuyết cơ bản trong hệ thống điện, lý giải dòng công suất đi như thế nào và làm cách nào để nâng cao khả năng truyền tải của đường dây Và những lý thuyết trên sẽ được giải thích thông qua các ví dụ đơn giản Những ví dụ này sẽ làm rõ những nguyên lý cơ bản và trở thành lý thuyết nền tảng cho đồ án này

2.1.1 Phân bố công suất trên đường dây ngắn:

Mục này sẽ làm rõ làm sao để xác định dòng công suất trên đường dây ngắn Ta sẽ mô phỏng đường dây như là một trở kháng nối giữa 2 nút Cách mô phỏng này được áp dụng đối với đường dây có chiều dài dưới 80 km

Hình 2.1: Sơ đồ đơn tuyến của mô hình đường dây ngắn

Nút đầu phát được xem như là một nguồn áp và nút đầu nhận là nguồn áp Hai nút được liên kết bởi đường dây, được mô hình hóa bằng một trở kháng Bây giờ ta có công suất phức được bơm lên đường dây là:

Có thể viết lại như sau:

Trang 14

Từ phương trình trên, ta thấy chiều của dòng công suất tác dụng được xác định dựa vào góc và Hầu như mọi trường hợp, dòng công suất tác dụng đổ về nút có góc thấp

Nếu ta giả sử điện áp nút đầu phát và điện áp nút đầu nhận cùng pha với nhau [ , và bỏ qua thành phần điện trở, từ phương trình suy ra:

Từ phương trình và phương trình, ta thấy rằng dòng công suất phản kháng phụ thuộc vào biên độ điện áp của các nút Công suất phản kháng sẽ truyền từ nút có biên độ điện áp cao tới nút có biên độ điện áp thấp Vậy ta rút ra kết luận:

 Công suất tác dụng và góc điện áp có mối quan hệ chặt chẽ với nhau

 Công suất phản kháng và biên độ điện áp có mối quan hệ chặt chẽ với nhau

Bây giờ ta hãy xét tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống điện Tổn thất trên đường dây được mô hình hóa bởi trở kháng Z được tính như sau:

Trang 15

Trong đó ta có thể viết lại:

2.1.2 Giới hạn công suất truyền tải trên đường dây không có tổn thất:

Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến đường dây không có tổn thất

Trong ví dụ này, ta xét một hệ thông đơn giản như hình gồm một nguồn áp lý tưởng cấp nguồn cho một phụ tải có điện áp thông qua đường dây truyền tải chỉ xét thành phần điện kháng và bỏ qua thành phần điện trở Giả sử hệ thống đang hoạt động ở trạng thái cân bằng Điện áp tại phụ tải được xác định:

Công suất biểu kiến tiêu thụ bởi tải:

Tách phần thực và phần ảo ta có:

Trang 16

Ta có 2 nghiệm của phương trình là:

√ Để 2 nghiệm là nghiệm thật:

Rút gọn hệ phương trình ta có:

Ta có thể viết lại:

Ta có thể nhận thấy giới hạn công suất tác dụng bằng một phần 2 công suất ngắn mạch, trong khi giới hạn công suất phản kháng bằng một phần tư công suất ngắn mạch Do đó ta kết luận không dễ để truyền tải lượng lớn công suất phản kháng lên đường dây so với công suất tác dụng Nguyên nhân là vì bản chất vật lý của hệ thống điện và ví dụ trên cũng chứng minh sự cần thiết của việc thêm các nguồn cung cấp công suất phản kháng khác vào lưới Nếu công suất phản kháng được cung cấp ở gần tải hoặc ngay tại tải thì sẽ giảm được gánh nặng cho hệ thống điện

Trang 17

2.1.3 Bù công suất phản kháng giúp tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng:

Như ở mục (2.1.2), ta thấy sự khó khăn trong việc truyền tải công suất phản kháng Mục (2.1.1) cũng chỉ ra rằng truyền tải công suất phản kháng làm tăng sự tổn

thất trong hệ thống Vì thế, ta mong muốn rằng nguồn cung cấp công suất phản kháng đặt càng gần nguồn càng tốt Việc thêm các nguồn cung cấp công suất phản kháng vào hệ thống cũng giúp tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng

Một cách để thêm nguồn cung cấp công suất phản kháng vào hệ thống là lắp đặt tụ bù ngang Một tụ bù ngang cung cấp lượng công suất phản kháng là:

Trong đó là điện nạp của tụ và V là điện áp đặt lên tụ

Để mô tả làm cách nào tụ bù ngang có thể làm tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng, ta cùng xét ví dụ sau Ta xét một hệ thống điện đơn giản như hình:

Hình 2.3: Hệ thống điện đơn giản gồm nguồn áp lý tưởng, đường dây truyển tải và tải

Trong hệ thống trên, tải được cấp điện bởi nguồn áp , thông qua đường dây truyền tải được mô hình hóa bởi một trở kháng Dòng điện đi trên đường dây là:

Ta có công suất tác dụng cấp cho tải:

Ta giả sử tải có hệ số công suất là ta có:

Thế vào ta được:

Và công suất tác dụng cáp cho tải:

Trang 18

Nếu ta chỉ xét đến điện kháng đường dây và bỏ qua điện trở đường dây ( ) ta có thể tính được công suất tác dụng tốt đa có thể truyền tải với không thay đổi Nếu ta nối tải vào ta được:

√ √

Trong những ví dụ trên, ta mô hình hóa đường dây bởi một trở kháng Bây giờ hãy mở rộng mô hình hóa đường dây bằng “mô hình ᴨ” và gắn thêm điện nạp

Hình 2.4: Hệ thống điện được mô hình hóa bằng mô hình π và một tụ điện mắc song song với tải

Trong hình, điện náp mô phỏng điện dung hình thành bởi dây dẩn với đất và là điện nạp của tụ điện và là công suất tác dụng và công suất phản kháng cung cấp cho tải

Ta có điện áp Thevenin và tổng trở Thevenin:

Thế vào, ta có:

Trang 19

√ √ √ √

So sánh và, ta thấy được công suất tác dụng được truyền đi và điện áp tăng với cùng Thêm các nguồn cung cấp công suất phản kháng cũng sẽ làm tăng giới hạn công suất tác dụng Tuy nhiên nó cũng làm tăng điện áp tại tải Sự quá áp có thể gây ra các vấn đề (ví dụ như gây hư hỏng thiết bị, cách điện, …) nên cần phải được giám sát chặt chẽ và cần được xét đến trong quá trình thiết kế và vận hành lưới điện

2.2 Các dạng ổn định của hệ thống điện:

Hình 2.5: Các dạng ổn định của hệ thống

Có nhiều nguyên nhân gây mất ổn định, thậm chí gây ra tình trạng tan rã hệ thống điện, và ổn định góc rotor là mối quan tâm hàng đầu trong việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện Vì vậy nội dung đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về vấn đề này

2.3 Ổn định góc rotor:

Trang 20

Ổn định góc rotor là khả năng mà các máy phát được kết nối vào hệ thống điện vần giữ được sự đồng bộ hóa sau khi xuất hiện những nhiễu loạn xảy ra trong hệ thống Và nó phụ thuộc vào khả năng duy trì (hoặc phục hồi) sự cân bằng giữa momen cơ và momen điện của mỗi máy phát trong hệ thống Sư mất ổn định có thể làm tăng sự dao động của góc rotor máy phát và khiến các máy phát này mất sự đồng bộ hóa với các máy phát khác

Ở trạng thái xác lập, có sự cân bằng giữa momen cơ (đầu vào) và momen điện (đầu ra), và tốc độ quay của các máy phát được xem như không đổi Nhưng khi hệ thống điện xuất hiện các xung nhiễu, thì sự cân bằng bị phá vỡ, dẫn đến sự tăng tốc hoặc giảm tốc của rotor máy phát Nếu một máy phát quay nhanh hơn máy phát khác, góc rotor tương đối của máy phát quay nhanh hơn đối máy phát quay chậm hơn sẽ có xu hướng tăng Và sự chênh lệch góc rotor 2 máy phát này dẫn đến sự “dịch chuyển” tải từ máy phát có tốc độ thấp sang máy phát có tốc độ cao Điều này dẫn đến sự chênh lệch tốc độ và góc rotor giữa hai máy phát sẽ giảm dần Mối quan hệ công suất - góc rotor là phi tuyến Khi quá giới hạn xác định, góc rotor tương đối giữa hai máy phát tăng dẫn tới việc công suất điện truyền đi giảm dẫn tới hệ quả là góc rotor tương đối càng tăng Và sự mất ổn định sẽ xảy ra nếu hệ thống không có khả năng tiêu hao phần động năng sinh ra do sự chênh lệch tốc độ của các rotor máy phát Sự mất mất đồng bộ có thể xảy ra giữa một máy phát với các máy phát còn lại, hoặc giữa các tổ máy phát

Sự thay đổi của momen điện từ của máy phát trong quá trình dao động có thể được giải quyết thông qua 2 thành phần:

 Thành phần momen đồng bộ

 Thành phần momen cản

Sự ổn định của hệ thống điện tùy thuộc vào 2 thành phần kể trên Nếu momen đồng bộ không đủ sẽ dẫn sự mất ổn định không chu kỳ, trong khi đó nếu thiếu hụt momen cản sẽ dẫn đến sự mất ổn định có chu kì

Để thuận tiện cho việc phân tích có được cái nhìn sâu hơn vào bản chất của sự ổn định ổn đinh góc rotor được chia thành 2 hướng nghiên cứu:

 Ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ: quan tâm tới khả năng hệ thống điện có thể duy trì được sự đồng bộ dưới sự tác động của các nhiễu nhỏ Khi nhiễu được xem là nhỏ thì hệ thống được xem như là tuyến tính

Trang 21

o Ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ phụ thuộc cào trạng thái làm việc ban đầu của hệ thống Sự mất ổn định sẽ có 2 dạng:

 Góc rotor tăng và dao động không có chu kỳ do sự thiếu hụt của momen đồng bộ

 Góc rotor dao động có chu kì với biên độ ngày càng tăng do sự thiếu hụt momen cản

o Với hệ thống điện ngày nay, ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ thường liên quan đến sự thiếu hụt momen cản Tình trạng góc rotor dao động không có chu kỳ đã gần như được khắc phục bằng những bộ điều áp của máy phát; tuy nhiên tình trạng này vẫn có thể xảy ra khi các máy phát với kích từ không đổi được vận hành dưới sự điều tiết của các bộ giới hạn kích từ

o Vấn đề ổn định góc rotor khi có nhiều nhỏ có thể mang tính “địa phương” hoặc “toàn cầu” Vấn đề “địa phương” liên quan đến một phần nhỏ của hệ thống, và thường liên quan tới sự dao động góc rotor của các máy phát trong một nhà máy với các máy phát khác trong hệ thống Lúc này sự ổn định tùy thuộc vào hệ thống truyền tải, các bộ điều khiển kích từ máy phát và đầu ra của nhà máy

o Vấn đề “toàn cầu” thường gây ra bởi sự liên quan giữa các tổ máy lớn và có hiệu ứng lan truyền Chúng liên quan tới sự dao động của góc rotor tương đối giữa tổ máy phát này các tổ máy phát ỏ khu vực khác Các đường đặc tuyến rất phức tạp và rất khác so với khi chỉ xảy ra với tính chất “địa phương”

o Với ổn định góc rotor tín hiệu nhỏ sẽ tập trung vào khoảng thời gian 10-20s sau khi xảy ra nhiễu

 Ổn định góc rotor khi có nhiễu lớn hay ổn định quá độ góc rotor, quan tâm đến khả năng hệ thống duy trì được sự đồng bộ khi có các nhiễu lớn xảy ra trong hệ thống, ví dụ như ngắn mạch trên đường dây truyền tải Các nhiễu này sẽ làm cho góc rotor biến động đáng kể và lúc này hệ thống không còn được xem như là tuyến tính nữa

Trang 22

o Ổn định quá độ góc rotor phụ thuộc vào cả tình trạng làm việc của hệ thống trước sự cố và độ nghiêm trọng của sự cố Sự mất ổn định thường gây ra dạng sóng không có chu kỳ do sự thiếu hụt momen đồng bộ, biểu hiện trong chu kỹ dao động đầu tiên Tuy nhiên trong hệ thống điện lớn, sự mất ổn định động không phải lúc nào cũng xảy ra trong chu kỹ dao động đầu tiên; thay vào đó sự mất đồng bộ xảy ra do sự hiện tượng chồng chất Đây là kết quả của tính chất phi tuyến của hệ thống

o Với ổn định quá độ góc rotor sẽ tập trung vào khoảng thời gian 5s sau khi xảy ra sự cố và có thể lên đến 15-20s đối với những hệ thống lớn

3-2.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quá độ:

- Tình trạng làm việc của hệ thống trước khi xảy ra sự cố

- Thời gian các thiết bị bảo vệ tác động loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện - Các thông số của máy phát (như điện kháng quá độ, hằng số quán tính, …) - Điện kháng đẳng trị của hệ thống sau khi xảy ra sự cố

- Hệ thống kích từ của máy phát

2.5 Các phương pháp toán nghiên cứu ổn định hệ thống điện:

Trong phần trên, khi đưa ra khái niệm về ổn định tín hiệu nhỏ (ổn định tĩnh) được mô tả như một tính chất của trạng thái cân bằng Trạng thái cân bằng ổn định tĩnh nếu ở đó hệ thống có khả năng duy trì độ lệch nhỏ của các thông số dưới tác động của các xung nhiễu bé Còn ổn định động gắn liền với những kích động lớn làm mất cân bằng công suất đáng kể Quá trình quá độ diễn ra đối với một kích động lớn cụ thể nào đó được coi là ổn định nếu quá trình dao động tắt dần đến một trạng thái xác lập mới Hệ thống điện lúc đó được coi là có tính ổn định động Các khái niệm tương tự về ổn định đối với các hệ thống vật lý nói chung cũng đã được nghiên cứu từ rất sớm Tồn tại những định nghĩa theo toán học và các tiêu chuẩn đáng giá sự ổn định của hệ thống điện Hãy sơ lược một vài tiêu chuẩn đã được vận dụng để nghiên cứu ổn định của hệ thống điện

2.5.1 Phương pháp diện tích:

Xét một hệ thống điện đơn giản với phương trình chuyển động rotor:

Trang 23

Với Pa được gọi là công suất tăng tốc

Nhân hai vế phương trình trên với 2(d𝛅/dt) và lấy tính phân sẽ cho ra:

∫

Hệ thống sẽ ổn định nếu tại một thời điểm nào đó có d𝛅/dt = 0 và mất ổn định nếu d𝛅/dt > 0 trong một khoảng thời gian đủ lớn

Như vậy hai điều kiện sau là tương đương:

∫

Hệ thống ổn định nếu diện tích dưới Pa giảm tới 0 tại một giá trị nào đó của 𝛅 (hay diện tích tăng tốc phải bằng diện tích hãm tốc) nghĩa là phần diện tích dương bằng phần diện tích âm

Sau đây sẽ khảo sát một vài áp dụng của tiêu chuẩn diện tích

2.5.1.1 Tăng công suất cơ đột ngột trên máy phát:

Xét công suất cơ tăng đột ngột từ PT0 tới PT1 như hình

Hình 2.6: Diện tích tăng tốc và hãm tốc khi có ổn định

Trang 24

Hình 2.7: Diện tích tăng tốc và hãm tốc trường hợp giới hạn ổn định

Tại điểm a do PT1 – P > 0 nên rotor tăng tốc và tốc độ ω lớn hơn tốc độ đồng bộ Tại thời điểm b tuy có sự cân bằng công suất, tuy nhiên do ω > ω0 nên góc tiếp tục tăng Sau điểm b thì Pa < 0 và bắt đầu quá trình hãm tốc Tại c khi toàn bộ động năng tích lũy trong quá trình tăng tốc đã tiêu tán hết thì tốc độ bằng đồng bộ: Saa’b = Sbcc’ Do tại c không có sự cân bằng công suất nên máy phát lại giảm tốc (Δω < 0), hay góc rotor bắt đầu giảm Sau một vài dao động, do ma sát, góc sẽ đạt giá trị 𝛅b và máy phát làm việc ở điểm cân bằng mới là điểm b

Nếu tăng công suất cơ tói giá trị PT2 sao cho Stt = Shtmax (tức Sbef như trên hình : thì tại f, do diện tích tăng tốc Stt bằng với diện tích hãm tốc Sht (Sbef) nên ω = ω0 và do đó có sự cân bằng công suất nên điểm f sẽ là điểm làm việc mới Tuy nhiên f là điểm làm việc không ổn định Chỉ cần có nhiễu nhỏ tác động là 𝛅 sẽ thay đổi và không quay về giá trị băn đầu là 𝛅f Trường hợp này gọi là hệ thống đang làm việc trên ranh giới ổn định

Trang 25

Vậy điều kiện ổn định là: Stt = Sht

2.5.1.2 Ảnh hưởng thời gian cắt ngắn mạch:

Xét hệ thống điện như hình:

Hình 2.9: Sơ đồ khảo sát ảnh hưởng của thời gian cắt ngắn mạch của máy cắt 2

Giả sử trước khi xảy ra ngắn mạch ba pha thì đường dây 2 đang ở tình trạng không tải và đường đặc tính công suất - góc như trên hình Ngắn mạch ba pha xảy ra ở đầu đường dây 2 nên có thể coi công suất điện giảm tới giá trị 0 (điểm b trên hình) và rotor bắt đầu tăng tốc Tại c, máy cắt tác động cắt ngắn mạch và tại điểm d đường đặc

Trang 26

tính công suất góc trở lại như trước khi có ngắn mạch Tuy nhiên tại d tốc độ rotor máy phát vẫn lớn hơn tốc độ đồng bộ nên 𝛅 tiếp tục tăng Song do Pa < 0 nên rotor bắt đầu quá trình hãm tốc Tại e, động năng tích lũy trong quá trình tăng tốc đã tiêu tán hết: Stt = Sht và ω = ω0 Tuy nhiên ở đây chưa có sự cân bằng công suất và Pa < 0 nên tốc độ tiếp tục giảm, 𝛅 giảm và trở về điểm a

Hình 2.10: Ngắn mạch 3 pha đầu đường dây 2

Nếu giả sử cắt tại góc 𝛅cgh (góc cắt giới hạn) sao cho: Stt = Sht thì lập luận tương

tự như mục 2.3.1.1 sẽ cho ra tình trạng làm việc trên ranh giới ổn định Nếu cắt trễ hơn

nữa (ứng với góc cắt lớn hơn 𝛅cgh) thì hệ sẽ mất ổn định Xác định 𝛅cgh có thể từ phương trình sau:

∫ ∫

Trang 27

2.5.1.3 Cắt một đường dây trong 2 đường dây vận hành song song:

Hình 2.11: Sơ đồ đơn tuyến 2 đường dây vận hành song song

Ở chế độ ban đầu, khi có 2 đường dây vận hành song song, phương trình công suất góc là:

Hình 2.12: Cắt một đường dây trong 2 đường dây vận hành song song

Tại điểm b do có công suất cơ lớn hơn công suất điện nên rotor bắt dầu quá trình tăng tốc Tại điểm e có diện tích tăng tốc bằng với diện tích hãm tốc (A2 = A1) và

Trang 28

ω = ω0 Tuy nhiên do công suất điện lớn hơn công suất cơ nên tiếp tục giảm tốc, 𝛅 giảm và trở về vị trí 𝛅1 (tương ứng với điểm c)

Nếu điểm e trùng với điểm f, ta có trừng hợp giới hạn ổn định với góc tại f là:

(tại điểm k trên đường PI)

Kết quả là diện tích hãm tốc max tăng lên và Sc’dfkg > Sabcc’ Khi đó hệ sẽ ổn định

2.5.2 Phương pháp tích phân số: 2.5.2.1 Phương pháp euler:

Cho phương trình vi phân:

Tại x = x0; t = t0, lấy tiếp tuyến của đường cong x(t) cho ra:

|

| Trị của x tại t1 = t0 + Δt là:

Thay đổi Δt và xác định x2 ứng với t2 = t1 + Δt:

Trang 29

2.5.2.2.2 R – K bậc 4:

Với:

( )

Như vậy:

K1 – độ dốc (slope) ở bước đầu

K2 – xấp xỉ bậc 1 của độ dốc ở giữa bước K3 – xấp xỉ bậc 2 của độ dốc ở giữa bước K4 – độ dốc ở cuối bước

2.5.3 Phương pháp phân tích ổn định trực tiếp theo đường cong theo đường cong quá trình quá độ của Lyapunov:

Khái niệm ổn định theo Lyapunov dựa trên việc khảo sát đặt tính quỹ đạo chuyển động của hệ thống trong quá trình quá độ Vì thế, một trong những khả năng đánh giá ổn định là tính toán và xây dựng các đường cong dao động thông số hệ thống Với hệ phương trình vi phân mô phỏng quá trình quá độ, tương ứng với những kích động đã giả thiết, có thể tìm được lời giải cụ thể bằng phương pháp khác nhau, trong đó có phương pháp tích phân số Lời giải thực chất là các đường cong biến thiên thông số trạng thái hệ thống theo thời gian Đối với hệ thống điện, nói chung cấn sử dụng phương pháp tích phân số bởi hệ phương trình vi phân thường phi tuyến và phức tạp

Ta sẽ có đường cong dao động góc lệch của các máy phát trong một hệ thống điện phức tạp (nhận được theo phương pháp tích phân số) Dựa vào dạng các đường cong này có thể phán đoán được hệ thống điện có ổn định hay không sau khi xảy ra kích động (tại thời điểm t = 1) Với các máy phát, nếu trong quá trình quá độ, góc lệch giữa hai máy phát bất kì chưa vượt quá 3600 thì vẫn được coi là chưa mất sự đồng bộ,

Trang 30

ngược lại hệ thống đã bị mất ổn định Điều này dễ dàng kiểm tra được theo số liệu về các đường cong, từ đó kết luận về tính ổn định

Người ta cũng đưa ra những tiêu chuẩn khác nhau để khẳng định về tính ổn định của hệ thống dựa trên cơ sở đường cong Một trong những tiêu chuẩn như vậy, dựa trên cơ sở so sánh động năng tích lũy trong các rotor máy phát với công cản tối đa của momen điện từ có thể tồn tại tiếp theo, còn gọi là phương pháp diện tích Chính

trong mục 2.3.1 đã áp dụng phương pháp này để phân tích quá trình quá độ và đưa ra

khái niêm về ổn định động hệ thống điện

Nhược điểm của phương pháp phân tích trực tiếp ổn định theo đường cong là khối lượng tính toán lớn Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là có tính vạn năng đối với mọi mô hình hệ thống (nếu áp dụng phương pháp tích phân số) Chính vì thế, cho đến nay để phân tích ổn định động hệ thống điện phương pháp tích phân số hệ phương trình vi phân quá trình quá độ (để xây dựng đường cong) vẫn là phương pháp chủ yếu, được áp dụng phổ biến trong thực tế

Trang 31

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E

3.1 Phần mềm PSS/e:

3.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm PSS/E:

PSS/E là một chương trình tính toán chuyên dụng được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN Để chạy được chương trình này trên máy tính của bạn phải có dung lượng đĩa 255 MB và 8 đến 16 MB RAM rảnh, đồng thời trên máy phải lắp đặt khóa phần cứng (cắm vào cổng in) PSS/E làm việc trong môi trường Window nên có các giao diện thuận tiện cho người sử dụng

Chương trình PSS/E dựa trên các lý thuyết về năng lượng để xây dựng các mô hình cho các thiết bị trong hệ thống điện Việc mô hình hóa các thiết bị và thực hiện tính toán phụ thuộc rất nhiều vào giới hạn của các thiết bị tính toán Trước kia, do các máy tính có khả năng còn hạn chế nên việc tính toán trở nên khó khăn, chỉ thực hiện đối với các hệ thống nhỏ và độ tin cậy tính toán không cao Ngày nay, với các kỹ thuật hiện đại, máy tính có các tiện nghi như bộ nhớ ảo, bộ nhớ phân trang và tốc độ tính toán rất nhanh nên việc tính toán mô phỏng trở nên dể dàng và hiệu quả hơn

Các chức năng phân tích hệ thông điện mà phần mềm có thể thực hiện:

 Tính toán phân bố công suất

 Tối ưu hóa trào lưu công suất

 Tính toán, mô phỏng ổn định điện áp ở chế độ xác lập

 Phân tích sự cố ngắn mạch (cân bằng và không cân bằng)

 Mô phỏng quá trình quá độ

 Phân tích giới hạn tuyển tải

Cụ thể có thể tìm thấy các thông tin hướng dẫn trong tài liệu hướng dẫn của PSS/E với các nội dung sau đây:

 Hướng dẫn cài đặt và các tiện ích của chương trình PSS/E - Trình tự cài đặt chương trình cho máy tính cá nhân (PC) - Hướng dẫn vẽ hình và in ấn

 Hướng dẫn sử dụng chương trình PSS/E (gồm 2 tập)

Trang 32

- Giới thiệu tổng quan và hướng dẫn sử dụng các lệnh trong chương trình

- Đưa ra các thảo luận về cấu trúc của phần mềm và mô tả trình tự hoạt động từng module tính toán

 Hướng dẫn về các ứng dụng cho chương trình PSS/E (gồm 2 tập) - Mô tả cấu trúc của chương trình trong mô phỏng hệ thống điện

- Mô tả phương pháp mô phỏng HTĐ cho chương trình PSS/E và giải thích ý nghĩa của các kết quả thu được

 Hướng dẫn sử dụng chương trình vẽ đồ thị của PSS/E (PSSPLT)

- Hướng dẫn cách vẽ các đồ thị kết quả đầu ra khi tính toán quá trình quá độ điện cơ

- Tài liệu chỉ được sử dụng khi tính toán quá trình quá độ

 Hướng dẫn sử dụng IPLAN

- Hướng dẫn cách lập trình bằng ngôn ngữ lập trình IPLAN và cách biên dịch chương trình

 Hướng dẫn tính toán tối ưu hóa trào lưu công suất - Giới thiệu tổng quan về thuật toán

- Hướng dẫn các sử dụng các lệnh trong tính toán tối ưu hóa trao lưu công suất

 Các ứng dụng khác

- Bao gồm một hệ thống các ứng dụng khác, như tính toán đặc tính của động cơ điện, đặc tính V-P của máy phát điện, các chức năng biến đổi định dạng file

Trang 33

Hình 3.1: Sơ đồ khối của PSS/E

3.1.2 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E: 3.1.3 Chạy bài toán phân bố công suất:

 Nhấp vào biểu tƣợng PSS/E@Xplore trên desktop

 Để mở một file thông số đã đƣợc tạo, click File => Open => File cần mở Ta sẽ thấy danh sách các file thông số đã đƣợc tạo Chọn File mà ta muốn (file thông số sẽ có đuôi sav, các file có đuôi khác sẽ đƣợc nhắc

đến ở phần sau)

Trang 34

 Để tạo một file thông số mới, click File => New Một hộp thoại nhỏ sẽ

hiện lên với các lựa chọn Chọn “Case data” và click OK

 Sau đó sẽ hiện ra hộp thoại “Build new case” Nhập công suất cơ bản của hệ thống vào mục “Base MVA” Ta có thể để mục “Headline 1” và

“Headline 2” trống và click OK

 Sau khi thực hiện các bước trên, ta sẽ vào được giao diện để tiến hành xây dựng thông số hệ thống Để xây dựng thông số hệ thống, cần có những thông số sau:

+ Nếu là cân bằng thì nhập 3 + Nếu là nút máy phát thì nhập 2 + Nếu là nút phụ tải thì nhập 1

- Voltage (pu): Điện áp trong đợn vị tương đối, sau khi giải bài toán phân bố công suất ta sẽ có được thông số điện áp tại tất cả các nút - Angle (deg): Góc điện áp theo đơn vị độ, sau khi giải bài toán phân

bố công suất ta sẽ có được thông số góc điện áp tại tất cả các nút - Normal Vmax (pu): Điện áp max trong tình trạng làm việc bình