Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 70 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Chơng 4 Các biện pháp nâng cao ổn định Việc đảm bảo cho HTĐ đợc ổn định trong mọi điều kiện có tầm quan trọng đặc biệt nhằm đảm bảo việc cung cấp điện năng liên tục cho các hộ tiêu thụ. Trong thực tế nhiều khi bản thân HTĐ với các thiết bị cơ bản không đủ để đảm bảo ổn định, không đủ độ dự trữ ổn định cần thiết, ngời ta phải dùng các biện pháp nhằm tăng cờng ổn định của HTĐ. Các biện pháp nâng cao ổn định có thể chia làm hai loại: 1. Cải thiện các phần tử chính của HTĐ. 2. Thêm vào hệ thống các phân tử phụ nhằm nâng cao khả năng ổn định của hệ thống. 4.1. Cải thiện đặc tính của những phần tử chính trong HTĐ 4.1.1. Máy phát điện a. Cải tạo tham số của MPĐ ở chơng 2, mục 2.2 đã nói về ảnh hởng của điện kháng của MPĐ X d đến ổn định tĩnh của HTĐ. Ta thấy rằng trong trờng hợp không có TĐK, nếu giảm X d thì sẽ tăng đợc dự trữ ổn định tĩnh. Đối với ổn định động thì việc giảm X d sẽ có tác dụng tốt (hình 4.1). Ngoài ra việc tăng hằng số quán tính j T sẽ có lợi đối với ổn định động ở chỗ nó cho cat t kéo dài hơn hoặc với cat t không đổi thì công suất truyền tải sẽ cao hơn (hình 4.2). Tuy nhiên nếu muốn tăng j T , giảm d 'X thì giá MPĐ tăng lên nhiều, do đó chỉ có thể làm các máy phát thủy điện có thông số theo yêu cầu, còn các máy phát nhiệt điện thì sản xuất hàng loạt với các thông số giống nhau. Cần chú ý rằng ở các MPĐ, nếu sử dụng TĐK loại mạnh thì hiệu quả của việc cải thiện các thông số của chúng sẽ giảm đi nhiều. b. Hệ số cos của các MPĐ Hệ số cos của MPĐ có ảnh hởng nhiều đến đặc tính công suất của nó. Ta hãy xét đồ thị véc tơ sau đây: Nếu giả thiết CSTD phát ra là không đổi thì: )(cos hsUhsIUP = = = P 0 t cắt X' d1 X' d2 X' d1 <X' d2 Hình 4.1 P 0 t cắt T j1 T j2 T j1 <T j2 Hình 4.2 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 71 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Do đó: hsII a ==cos. và đoạn thẳng htaht X.Icos.X.I = cũng không đổi. Vì thế nếu ta chỉ thay đổi cos bằng cách thay đổi CSPK thì đầu mút vector dòng điện sẽ trợt trên trục BB' và vector E sẽ trợt trên AA' để giữ cho a I và hta XI là hằng số. Ví dụ nếu ta tăng cos bằng cách giảm I 1 xuống I 2 thì sức điện động E 1 sẽ giảm xuống E 2 . Nh vậy đờng đặc tính công suất E 2 sẽ giảm thấp hơn E 1 và độ dự trữ ổn định tĩnh sẽ giảm đi. Khi cos = 1 thì sức điện động sẽ là 3 E , nếu cos đổi dấu thì E sẽ giảm tiếp và đến khi =90 0 thì vector B trùng với trục 0A, đạt giá trị nhỏ nhất, ứng với giới hạn ổn định. Trên hình 4.4 là quan hệ P max và cos MPĐ. Qua phân tích trên ta thấy rằng nếu cos của MPĐ càng cao thì càng không lợi về ổn định. Nhng sản xuất máy phát với cos thấp thì cùng một giá trị của CSTD P công suất biểu kiến sẽ lớn vì S =P/cos làm cho máy phát đắt tiền, trong thực tế ngời ta chọn giá trị thích hợp của cos. Trong khi vận hành, nếu cos của máy phát cao quá thì để bảo đảm ổn định cần phải có biện pháp giảm nó xuống, ví dụ nh đấu thêm dẫn kháng vào cực MPĐ để tăng lợng CSPK của máy phát, hạ thấp cos. 4.1.2. Thiết bị tự động điều chỉnh kích thích (TĐK) a. Nguyên lý cấu tạo Trên hình 4.5 là sơ đồ nguyên lý của TĐK. TĐK có bộ phận điều chỉnh 1 và 2. Bộ phận 2 làm nhiệm vụ điều chỉnh lúc bình thờng nhằm giữ cho sức điện động E nào đó là hằng số. Bộ phận 2 là bộ phận cờng hành kích thích, tác động lúc sự cố, có tác dụng giữ cho điện áp trên cực MPĐ không bị giảm thấp quá (hình 4.5a). I a I 2 I 1 B' B E 3 E 2 E 1 U A A' Hình 4.3 0 hsXI cosIX hta ht = = -0,85 -0,9 -0,95 0 0,95 0,9 0,85 0,8 cos P max 1,4 1,3 1,2 1,1 Hình 4.4 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 72 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện TĐK có 3 phần tử chủ yếu (hình 4.5b,c): 1 là phần tử biến đổi - biến đổi tín hiệu sơ cấp thành tín hiệu đầu vào của TĐK, 2 là bộ phận đo lờng, 3 là bộ phận khuyếch đại - khuyếch đại tín hiệu điều khiển. TĐK có 2 loại: 1. Loại tác động tỷ lệ, tác động theo độ lệch của điện áp (U) hay dòng điện (I) (hình 4.5b). Chính vì vậy nên TĐK loại này không thể giữ cho điện áp trên cực máy phát U F là hằng số, vì khi đó U = 0, tín hiệu điều chỉnh không có và U F lại tụt xuống. TĐK loại này chỉ giữ đợc sức điện động E x đặt sau X Fx , thờng là sức điện động quá độ E' đặt sau X' d là hằng số. 2. Loại TĐK tác động mạnh (hình 4.5c) là loại hiện đại, ngoài độ lệch điện áp và dòng điện nó còn tác động theo đạo hàm bậc 1 và 2 (bộ phận a, b). Vì thế nó có tác động mạnh và có thể giữ cho U F là hằng số, khi U =0 thì đạo hàm của dU/dt 0 cho nên TĐK vẫn tác động. b. Tác động của TĐK đến ổn định tĩnh Kích từ chính Má y p hát TĐK 1 2 a ) 2 13 b ) 2 1 3 c ) a b Hình 4.5 0 90 0 1 2 3 E qmax (U kmax ) P 0 P P 3max P 2max P 1max Hình 4.6 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 73 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Đã đợc trình bày rõ ở chơng 2 mục 2. ở đây chỉ nhấn mạnh thêm các yêu cầu với TĐK. Yêu cầu thứ 1: là tác động nhanh, tức là độ tăng của sức điện động E q theo thời gian phải lớn, tốc độ tăng này lại phụ thuộc vào tốc độ tăng của điện áp đặt trên cuộn kích thích U k . Trên hình 4.6 chỉ rõ ảnh hởng của độ tăng của E q đến đờng đặc tính công suất, E q tăng càng nhanh thì đờng đặc tính công suất càng dốc và max P càng lớn. Độ tăng của k U hiện nay đạt khoảng 200V/s, còn q E là 2000 - 3000V/s Yêu cầu thứ 2: là maxk U hay maxq E phải cao, vì điện áp của cuộn kích thích cũng nh q E không thể tăng vô hạn nó chỉ có thể tăng đến giá trị cực đại cho phép maxq E và maxk U . Khi q E đã đạt maxq E thì đờng đặc tính công suất thôi không tăng nữa mà sẽ trợt theo đờng đặc tính công suất với maxq E , cho nên q E càng cao thì max P sẽ càng lớn. Yêu cầu thứ 3: là TĐK phải rất nhậy không có vùng chết tức là vùng tuy đã có tín hiệu nhng TĐK vẫn không tác động, nhờ có độ nhậy rất cao MPĐ có thể làm việc đợc ở vùng ổn định nhân tạo. c. ảnh hởng đến ổn định động ảnh hởng của TĐK đến ổn định động không đáng kể bởi vì quá trình quá độ cơ điện xảy ra rất nhanh (0,1-0,2s) còn quá trình quá độ điện từ lại xảy ra chậm (1 giây). Tuy vậy trong trờng hợp cắt mạch chậm thì bộ phận cờng hành kích thích của TĐK cũng có tác dụng và giảm diện tích gia tốc (hình 4.7). Nếu không có TĐK tức là E'= hs thì diện tích gia tốc là F 1233'44' và diện tích hãm tốc là F 4'56, khi có TĐK thì E' sẽ tăng lên đến max 'E khi đó gt F = F 12344' và ht F = F 4'5786. Độ tăng của diện tích hãm tốc cũng phụ thuộc vào tốc độ tăng của E' và giá trị E' max cho nên đối với ổn định động yêu cầu cũng là tăng nhanh E' và max 'E phải cao. 4.1.3. Máy cắt điện Sử dụng máy cắt điện cắt nhanh sự cố là biện pháp cơ bản để đảm bảo ổn định động của HTĐ. a. Cắt nhanh sự cố 0 cat 1 8 7 E qmax (U kmax ) P 0 P Hình 4.7 6 5 4 4' 3' 3 2 P II P III P I 1 01 02 2cat 1ca t 1' 6 5 4 3 P III P 02 P 01 P Hình 4.8 6' 2' 2 P II P I 1 3' 3 5' 4'' 4 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 74 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Nh khảo sát ở chơng 3, nếu cắt ngắn mạch càng nhanh thì diện tích gia tốc càng nhỏ và diện tích hãm tốc càng lớn, máy phát có khả năng ổn định cao và đỡ bị dao động, công suất truyền tải P 0 đợc nâng cao. Ngoài ra việc cắt nhanh ngắn mạch còn có tác dụng ngăn chặn sự biến hoá của ngắn mạch không đối xứng thành ngắn mạch 3 pha. Ta hãy xét tác dụng tăng khả năng truyền tải của hệ thống đồ thị hình 4.8. Nếu ngắn mạch với góc 1cat thì theo điều kiện cân bằng diện tích hãm tốc và gia tốc có thể tải đợc công suất tối đa là P 01 lúc đó: '456ht1234gtl FFFF = = = Bây giờ nếu cắt sớm hơn ở 2cat t thì cũng theo điều kiện đó có thể tăng công suất tải lên 02 P khi đó: ''" '''' 5654FFFF 2ht43212gt = = = Sự phụ thuộc của công suất tải 0 P vào cat T ứng với các dạng ngắn mạch khác nhau cho trên đồ thị hình 4.9. Qua đó ta thấy rằng thời gian cắt ngắn mạch có tác dụng rất lớn đến công suất tải trong các trờng hợp ngắn mạch 3 pha và 2 pha chạm đất. Mặt khác mức độ nặng nhẹ của ngắn mạch còn phụ thuộc vào sơ đồ nối dây của hệ thống. Ta hãy xét 2 sơ đồ A và B (hình 4.10). Khi xảy ra ngắn mạch 2 pha chạm đất, ta thấy: - Ngắn mạch với sơ đồ B trầm trọng hơn sơ đồ A. - Tình trạng vận hành sau ngắn mạch thì sơ đồ B lại tốt hơn. Cho nên nếu cắt nhanh ngắn mạch thì sơ đồ B tốt hơn sơ đồ A, còn nếu cắt chậm thì sơ đồ A tốt hơn. Trên hình 4.10 là quan hệ giữa 0 P và cat P của 2 sơ đồ A và B. Cuối cùng ta hãy nói đến khả năng cắt nhanh của máy cắt: thời gian cắt của bản thân máy cắt từ khi có tín hiệu và đến khi dập xong hồ quang là 0,04 - 0,07s còn thời gian tác động của bảo vệ rơle là 0,01 - 0,03s cho nên thời gian cắt P 0 t cắt N (1) N (2) N (1,1) N (3 ) 100% Hình 4.9 N (1,1) Sơ đồ A Hình 4.10 Sơ đồ B a) b) N (1,1) 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,1 0,2 0,3 0,4 t cắt Dùn g sơ đồ B Dùn g sơ đồ A Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 75 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện của cả thiết bị bảo vệ và cắt là 0,05 - 0,1s. b. Tự đóng lại đờng dây tải điện TĐL Phần lớn các ngắn mạch xảy ra trên đờng dây là tạm thời, nên sau 1 thời gian nhất định đủ để khử Ion nếu ta đóng lại đờng dây thì nó có thể làm việc bình thờng. Thời gian khử Ion: 110kV 0,1 - 0,13s; 220kV 0,12 - 0,33s Thờng 80- 90% TĐL có kết quả. TĐL thờng dùng cho các đờng dây cụt một lộ đến các phụ tải để đảm bảo cung cấp điện. Nhng cũng đợc dùng cho các máy phát làm việc song song và có tác dụng đảm bảo ổn định động nhất là với các đờng dây liên lạc 1 lộ. Tác dụng của TĐL trên hình 4.11. Điều kiện để chọn thời gian TĐL là: - TDL t và cat t phải đủ nhỏ sao cho maxhtgt FF < . - t TĐL > t khử Ion. Điều hết sức quan trọng là TĐL chỉ có thể thực hiện đợc nếu ở hệ thống cho phép đóng phi đồng bộ. Đối với đờng dây 2 lộ TĐL có hiệu quả kém hơn so với đờng dây 1 lộ. 4.1.4. Đờng dây tải điện Điện thế của đờng dây tải điện đi xa đóng vai trò quan trọng nâng cao ổn định của HTĐ, nó làm giảm điện kháng tơng đối của đờng dây tải điện so với các phần tử còn lại vì. 2 dd cs ddodd U S .L.XX = Rõ ràng là X dd tỷ lệ nghịch với bình phơng điện áp của đờng dây tải điện. Do X dd giảm cho nên P max sẽ tăng lên. Trên hình 4.12 biểu diễn quan hệ giữa P max và điện áp U dd của đờng dây tải điện dài 200km. Đối với các đờng dây dài điện kháng tuyệt đối X dd của đờng dây cũng có tác dụng đáng kể đến độ dự trữ ổn định. Để giảm X dd ngời ta có thể thực hiện các biện pháp: 100 200 300 U dd (kV) P max 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Hình 4.12 0 cat TDL 4 3 2 1 5 6 F ht P 0 P Hình 4.11 8 7 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 76 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện - Bù dọc bằng cách đấu thêm c X vào đờng dây, do đó CLdd XXX = sẽ giảm đi. - Phân nhánh dây dẫn, làm tăng bán kính tơng đơng của dây dẫn do đó giảm điện kháng. - Đặt các trạm cắt trung gian để khi ngắn mạch chỉ cần cắt 1 đoạn đờng dây bị sự cố, nh vậy cải thiện chế độ của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch (hình 4.13). Đối với đờng dây siêu cao áp có thể đặt các máy bù động bộ ở dọc đờng dây hoặc các máy bù tĩnh (SVC) để tăng khả năng tải của hệ thống. 4.2. Các biện pháp phụ 4.2.1. Nối đất các điểm trung tính của máy biến thế qua điện kháng hoặc điện trở tác dụng Việc nối đất một số điểm trung tính của MBA qua điện kháng hoặc điện trở trong HTĐ trung tính nối đất trực tiếp sẽ làm cho tổng trở thứ tự không của hệ thống 0 Z khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng tăng lên. Việc tăng 0 Z sẽ làm cho tổng trở ngắn mạch Z tăng lên và tổng trở tơng hỗ 12 Z giảm đi vì: ++= Z ZZ ZZZ 21 2112 . . mà: 12 axImI Z EU P = cho nên axImI P sẽ tăng lên. Trong trờng hợp dùng điện trở tác dụng sẽ lớn hơn bởi vì điện trở tiêu thụ CSTD làm cho đặc tính công suất khi ngắn mạch đỡ giảm. Đối với ngắn mạch xứng các biện pháp trên không có tác dụng. Một biện pháp có thể khác để tăng 0 Z là giảm số điểm trung tính nối đất, tức là chỉ nối đất trung tính một số MBA trong HTĐ. Tuy nhiên nếu Z quá nhỏ sẽ làm cho dòng ngắn mạch một pha lớn quá có hại cho HTĐ, cho nên số điểm nối đất trung tính MBA cần đợc lựa chọn một cách hợp lý. 4.2.2. Ghìm điện C R a ) Hình 4.14 b ) R C Hình 4.13 X C Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 77 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Trong HTĐ có thể xảy ra trờng hợp t cắt rất nhỏ, đến mức bảo vệ rơle và máy cắt không đủ khả năng thực hiện, hoặc là thực hiện đợc nhng dộ dự trữ ổn định động không đảm bảo, khi đó ghìm điện đợc áp dụng để nâng cao ổn định động. Để nâng cao ổn định động đối với ngắn mạch 3 pha ngời ta đấu thêm các điện trở 3 pha vào mạch MPĐ (hình 4.14) gọi là ghìm điện (dynamic brake). Các điện trở này sẽ tác động khi xảy ra ngắn mạch 3 pha nh là các phụ tải tiêu thụ CSTD làm cho đờng đặc tính công suất đỡ giảm, và do đó máy phát đỡ tăng tốc hơn, rotor bị các điện trở này ghìm lại. ở sơ đồ a) máy cắt C ở vị trí đóng, nó mở ra khi ngắn mạch, ở sơ đồ b) thì ngợc lại máy cắt C sẽ đóng vào khi ngắn mạch. Tác dụng của ghìm điện đợc thấy rõ trên hình 4.15: sơ đồ a là quá trình không có ghìm điện, sơ đồ b có ghìm điện tác dụng. Ta thấy khi ghìm điện là việc diện tích tăng tốc bị giảm đi rất nhiều. 0 cat F ht P 0 P Hình 4.15a P I F gt P III P II 0 cat F ht P 0 P Hình 4.15b P I F gt P III P II . lý. 4. 2.2. Ghìm điện C R a ) Hình 4. 14 b ) R C Hình 4. 13 X C Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 77 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện. Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 70 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Chơng 4 Các biện pháp nâng cao ổn định Việc đảm bảo cho HTĐ đợc ổn. P I 1 3' 3 5' 4& apos;' 4 Chơng 4: các biện phấp nâng cao ổn định http://www.ebook.edu.vn - 74 - Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện Nh khảo sát ở chơng