Ổn định hệ thống điện cho hệ nhiều máy

iv TÓM TẮT Hệ thống điện Việt Nam trong những năm qua đƣ có những bớc phát trin nhảy vọt về công suất và quy mô lãnh th. Ngành công nghiệp hệ thống điện là một lĩnh vực có sự thay đi liên tục và ngày càng trở nên phức tạp hn khi chúng liên kết với nhau. Do đó, vấn đề đặt ra là phải đảm bảo sự n đnh cho toàn hệ thống điện. Chính vì vậy, việc nghiên cứu đ tìm ra phng pháp đánh giá n đnh nhanh và chính xác thực sự trở nên cần thiết đối với hệ thống điện Việt Nam. Mục đích của đề tài này là khảo sát và đánh giá tính n đnh hệ thống điện cho hệ nhiều máy phát bằng phng pháp mô phỏng Đ đạt đợc mục đích nƠy ngời nghiên cứu tiến hành các công việc: - Xây dựng phng pháp đánh giá n đnh hệ thống điện. - Xây dựng chng trình tính toán phơn bố công suất trong hệ thống điện cho hệ nhiều máy bằng phần mềm Matlab - Xây dựng mô hình mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình m.file có trong phần mềm Matlab. - Mô phỏng vƠ đánh giá các kết quả đạt đợc từ việc đánh giá tính n đnh trong hệ thống điện 9 nút và 3 máy phát. Những kết quả mƠ đề tƠi đạt đợc đó lƠ: - Phng pháp đánh giá tính n đnh hệ thống điện - Công cụ đánh giá n đnh hệ thống 9 nút và 3 máy phát Có th kết luận rằng, phng pháp và công cụ đánh giá tính n đnh hệ thống điện cho hệ nhiều máy bằng phng pháp mô phỏng đƣ góp phần vào việc nghiên cứu tìm ra một phng pháp đánh giá chính xác, nhanh chóng vƠ trực quan đ có th ứng dụng vào thực tin đối với hệ thống điện Việt Nam. v ABSTRACT Vietnam's power system in recent years has seen dramatic development in power and territorial size. Industrial power system is a field with constantly changing and becoming more complex as they relate to each other. Therefore, the problem posed is to ensure the stability of the entire electrical system. Therefore, the research to find methods to evaluate stability quickly and accurately becomes really necessary for Vietnam's power system. The purpose of thesis is set up the method and tools to evaluate the dynamic stability of power system by simulation. To get this objective, the researcher have to carry out following steps: - Set up the method to evaluate the dynamic stability of power system. - Set up the calculated equations to distribute the power of power system with many generators by Matlab software. - Set up the simulation model by programming language m.file in Matlab software. - Simulation and accessing the result from 9 bus, 3 generators. The result of thesis reached: - The new method to evaluate dynamic stability of power system. - Tools to evaluate the dynamic stability of 9 bus, 3 generators system. It could be said that the algorithm and tools to evaluate the dynamic stability of power system through simulation method is contributed to find the method which has accurately, quickly and visually. This new method is able to apply in the power system in Vietnam. vi MỤC LỤC Trang tựa Quyết đnh giao đề tài Lý lch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm tạ iii Tóm tắt iv Abstract………………………………………………………….…………….v Mục lục vi Danh sách các hình ix Danh sách các bảng xii Chng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.1.1 Kết quả nghiên cứu trong nớc 4 1.1.2 Kết quả nghiên cứu ngoƠi nớc 4 1.2 Mục đích của đề tài 5 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 5 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 5 1.3.2 Giới hạn đề tài 5 1.4 Phng pháp nghiên cứu 5 Chng 2: C SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các chế độ hệ thống điện………………………………………………… 6 2.2 Các khái niệm về n đnh trong hệ thống điện………………………… 6 2.2.1 n đnh tĩnh trong hệ thống điện………………………………… 7 2.2.2 n đnh động trong hệ thống điện 11 2.3 S lợc về ứng dụng các phng pháp toán học nghiên cứu n đnh trong hệ thống điện………………………………………………………………… 13 vii 2.3.1 Phng pháp phơn tích vƠ đánh giá n đnh theo tiêu chuẩn năng lợng …………………………………………………….………… 14 2.3.2 Phng pháp phơn tích vƠ đánh giá n đnh theo Lyapunov …… 16 2.3.2.1 Phng pháp trực tiếp (hay còn gọi lƠ phng pháp thứ hai của Lyapunov)…… ……………………………………………… 20 2.3.2.2 Phng pháp xấp x bậc nhất của Lyapunov (hay còn gọi là phng pháp thứ nhất của Lyapunov)………………… …………22 2.4 Hậu quả của sự mất n đnh và các yêu cầu đảm bảo n đnh cho hệ thống điện …………………………… …………………………………………30 2.5 Kết luận ……………………… ………………………………………… 31 Chng 3: MÔ HÌNH TOÁN 3.1 Các giả thuyết………………… ………………………………………… 33 3.2 Giải thuật phơn tích vƠ đánh giá n đnh hệ nhiều máy bằng phng pháp mô phỏng……………… …………………………………………………….34 3.2.1 Phng pháp phơn bố công suất bằng phép lặp Gauss – Seidel… 36 3.2.2 Phng pháp phơn bố công suất bằng phép lặp Newton – Grapson 40 3.3 Thời gian cắt tới hạn 50 3.4 Kết luận 51 Chng 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN 4.1 Công suất điện của mỗi máy phát……………………….……… 52 4.1.1 Công suất điện của mỗi máy phát ngay tại thời đim xảy ra sự cố………………………………………………………………….……… 52 4.1.2 Công suất điện của mỗi máy phát tại thời đim sau khi sự cố xảy ra……………………………………………………………….…… 53 4.2 Trạng thái của các máy phát………………………….……………………53 4.2.1 Trạng thái của các máy phát tại thời đim sự cố xảy ra………………………………………………………………… 53 viii 4.2.2 Trạng thái của các máy phát sau khi sự cố xảy ra………………………………………………………………… 56 4.2.3 Trạng thái của các máy phát trong toàn bộ quá trình khi có sự cố xảy ra…………………………………………………….………… 57 4.3 Kết luận 57 Chng 5: KẾT QU MÔ PHNG 5.1 Hệ thống điện 3 máy – 9 nút………………………………………………58 5.1.1 Tính toán thông số đầu vào bằng phng pháp giải tích…… …… 60 5.1.2 Khảo sát vƠ đánh giá n đnh hệ thống điện 3 máy – 9 nút………….63 Chng 6: KẾT LUẬN VÀ HỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1 Tng kết …………………… ……………………………………………83 6.2 Những mặt còn tn tại vƠ hớng phát trin cho đề tƠi……………………84 TÀI LIU THAM KHO PHỤ LỤC ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: S đ một hệ thống điện đn giản 7 Hình 2.2: Đặc tính công suất điện từ của máy phát vƠ đặc tính công suất c của tuabin 7 Hình 2.3: S đ hệ thống điện xét nút phụ tải vƠ tng quan cơn bằng công suất phản kháng 10 Hình 2.4: Đặc tính Q _ V 11 Hình 2.5: Hệ thống n đnh động. 12 Hình 2.6: Hệ thống mất n đnh động 12 Hình 2.7: n đnh dao động bé theo Lyapunov 18 Hình 2.8: Tiêu chuẩn n đnh Mikhailov 28 Hình 2.9a: Quỹ đạo n đnh của hệ thống 30 Hình 2.9 b, c: Quỹ đạo không n đnh của hệ thống 30 Hình 3.1: Lu đ giải thuật phân tích n đnh hệ nhiều máy 35 Hình 3.2: S đ thay thế hình  39 Hình 3.3: S đ thay thế tng đng hệ thống điện 3 nút 40 Hình 3.4: S đ thay thế hệ thống điện nhiều máy 46 Hình 3.5: Lu đ thuật toán xác đnh thời gian cắt tới hạn 51 Hình 5.1: S đ hệ thống điện 9 nút – 3 máy 58 Hình 5.2: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (t c = 0.1s) 64 Hình 5.3: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (t c = 0.16s) 64 Hình 5.4: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (t c = 0.17s) 65 Hình 5.5: V trí góc pha của từng máy 65 x Hình 5.6: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (t c = 0.1s) 66 Hình 5.7: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (t c = 0.16s) 66 Hình 5.8: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (t c = 0.17s) 67 Hình 5.9: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 10%) 69 Hình 5.10: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 10%) 69 Hình 5.11: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 10%) 70 Hình 5.12: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 20%) 70 Hình 5.13: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 20%) 71 Hình 5.14: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 20%) 71 Hình 5.15: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 30%) 72 Hình 5.16: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 30%) 72 Hình 5.17: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 30%) 73 Hình 5.18: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 40%) 73 Hình 5.19: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 40%) 74 Hình 5.20: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 40%) 74 Hình 5.21: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 50%) 75 Hình 5.22: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 50%) 75 Hình 5.23: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 50%) 76 Hình 5.24: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 60%) 76 Hình 5.25: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 60%) 77 Hình 5.26: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 60%) 77 Hình 5.27: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 70%) 78 xi Hình 5.28: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 70%) 78 Hình 5.29: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 70%) 79 Hình 5.30: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 80%) 79 Hình 5.31: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 80%) 80 Hình 5.32: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 80%) 80 Hình 5.33: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn (tăng tải 90%) 81 Hình 5.34: V trí góc pha của từng máy (tăng tải 90%) 81 Hình 5.35: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w 21 và w 31 (tăng tải 90%) 82 xii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 5.1: Dữ liệu nút 59 Bng 5.2: Dữ liệu đờng dây và biến áp 60 Bng 5.3: Dữ liệu máy phát 60 Bng 5.4: Bảng kết quả phân bố công suất bằng phng pháp lặp Newton – Raphson 61 Bng 5.5: Ma trận tng dẫn nút đợc rút gọn trớc sự cố……………………… 62 Bng 5.6: Thông số điện áp tại đầu cực các máy phát… ……………………… 62 Bng 5.7: Ma trận tng dẫn ngay khi có sự cố và sau sự cố (sự cố xảy ra gần nút số 7 vƠ đoạn đờng dơy đợc cắt ra lƠ đoạn 5 – 7)……………………… 63 Bng 5.8: Bảng tăng tải 10% cho 3 nút 5, nút 6 và nút 8 68 1 Chng 1 TNG QUAN 1.1 Tng quan v lĩnh vc nghiên cu Lch sử phát minh và sử dng đin năng được đánh dấu bằng những sự kin rất đáng ghi nhớ.  Năm 1883, phát minh ra h thng đin xoay chiu 3 pha.  Năm 1884, tại Pháp lần đầu tiên đin năng đã được tải đi xa bằng dòng đin xoay chiu  Năm 1885, được đánh dấu bằng vic phát minh ra máy bin áp đin lực  Năm 1891, lần đầu tiên đưng dây tải đin 3 pha được vận hành thử nghim  khoảng cách 175km. Từ đó lch sử phát triển đin năng gắn lin với lch sử hình thành và phát triển h thng đin xoay chiu 3 pha công suất lớn: khoảng cách truyn tải đin ngày càng tăng, công suất đơn v các t máy phát đin đng b 3 pha ngày càng lớn, s t máy phát làm vic song song trong h thng ngày càng nhiu. Chính những đặc điểm cui cùng này đã dẫn đn yêu cầu phát triển lý thuyt n đnh h thng đin. Năm 1928, nhà bác học ngưi Mỹ R. Park lần đầu tiên đặt nn móng nghiên cứu n đnh h thng đin dựa trên cơ s thit lập h phương trình vi phân quá trình quá đ đin cơ ca các máy đin đng b trong h tọa đ quay. Gần như đng thi với Park, mt loạt các công trình được công b đc lập ca nhà bác học ngưi Nga A.A. Goriev trong những năm 1930 – 1935 v mô hình quá trình quá đ trong các máy đin quay đã làm phát triển lý thuyt nghiên cứu n đnh ca h thng đin thêm mt bước, sau này h phương trình đó được gọi tên là Park – Goriev. Mô hình quá trình quá đ ca h thng đin trong h tọa đ quay đã làm đơn giản đáng kể h phương trình vi phân mô tả trạng thái quá đ ca h thng đin. Dựa trên cơ s đó [...]... a h th ng, đó là tính chất n đ nh đ ng 2.1.1 n định tĩnh trong hệ thống điện n đ nh tĩnh là khả năng c a h th ng sau những kích đ ng nh ph c h i được ch đ ban đầu hoặc rất gần với ch đ ban đầu (trong trư ng hợp kích đ ng không được loại trừ) F B XD U ~ Hình 2.1: Sơ đ một hệ thống điện đơn giản P P(δ) Pe a b δ01 P0 Pm δ02 0 Hình 2.2: Đặc tính công suất điện từ của máỔ phát và đặc tính công suất cơ của... amáy phát, d thấy được ch có điểm cân bằng d là điểm cân bằng n đ nh Với điểm cân bằng c sau m t kích đ ng nh ngẫu nhiên đi n áp U sẽ xa dần tr s đi n áp U01, đi u này cũng có nghĩa là điểm cân bằng c là điểm cân bằng không n đ nh E3 E2 ~ ~ Q3 ~ Q2 E1 Q1 Qt Hình 2.3: Sơ đ hệ thống điện xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng 10 Hình 2.4: Đặc tính Q – V 2.1.2 n định động trong hệ. .. quá trình sẽ tắt dần  v điểm cân bằng  01 c a ch đ xác lập mới Theo đ nh nghĩa, ch đ quá đ trong trư ng hợp này di n ra bình thư ng và h th ng có tính chất n đ nh đ ng Hình 2.5: Hệ thống n định động Hình 2.6: Hệ thống mất n định động Cũng với h th ng trên nhưng xét trư ng hợp tr s đi n kháng đư ng dây chi m t l lớn hơn trong đi n kháng đẳng tr h th ng Đặc tính công suất sau khi cắt m t trong hai đư... và làm cho h th ng mất n đ nh đ ng Có thể xét tương tự cho quá trình quá đ di n ra sơ đ h th ng đi n hình 2.3 khi có sự c phải cắt đ t ng t m t vài máy phát Trong trư ng hợp này, đặc tính công suất phát phản kháng b hạ thấp đ t ng t sau th i điểm máy phát b cắt, đi n áp U sẽ dao đ ng tắt dần v điểm cân bằng mới hoặc ti n đ n 0 ph thu c vào tính nặng n c a sự c , cắt nhi u hay ít công suất c a máy phát... đi n kháng tương đương c a máy phát XB: là đi n kháng tương đương c a máy bi n áp XD: là đi n kháng tương đương c a m t đư ng dây đơn Hình 2.2 t n tại 2 điểm cân bằng a và b tương ứng với các góc l ch  01 và  02 Trong đó:  Pm    Pe   01  arcsin  (2.3)  Pm    Pe   02  180  arcsin  (2.4) Pm: là công suất cơ c a máy phát Pe: là biên đ công suất đi n từ c a máy phát 8 Tuy nhiên ch có... ngắn nhất để h th ng n đ nh đ i với h nhi u máy khi xảy ra sự c tại m t nút nào đó 1.3 Nhi m v c a đ tài và giới h n đ tài 1.3.1 Nhi m v c a đ tài  Mô hình toán phân tích và đánh giá n đ nh h th ng đi n nhi u máy phát  Xây dựng phương pháp đánh giá n đ nh h th ng đi n nhi u máy bằng phương pháp mô ph ng  Xây dựng công c đánh giá n đ nh h th ng đi n nhi u máy bằng phương pháp mô ph ng 1.3.2 Giới h... điện xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng 10 Hình 2.4: Đặc tính Q – V 2.1.2 n định động trong hệ thống điện n đ nh đ ng là khả năng c a h th ng sau những kích đ ng lớn ph c h i được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu, đó là trạng thái vận hành cho phép Để đưa ra khái ni m v n đ nh đ ng, xét các đặc trưng quá trình quá đ di n ra trong h th ng đi n sau những kích...  UEi   Qi U     cos  i X Di  X Di  (2.5) Trong đó: Qi (U): là đặc tính công suất phản kháng theo đi n áp U c a máy phát thứ i U: là đi n áp nút ph tải 9 XDi: là đi n kháng tương đương c a đư ng dây n i từ nút máy phát đ n nút ph tải   Ei  Ei  i : là đi n áp nút máy phát thứ i Đi n áp nút U ph thu c vào tương quan cân bằng công suất phản kháng T ng công suất phát QF (U) =  Q U  cân... khái ni m rõ hơn v tính chất n đĩnh tĩnh, xét trạng thái cân bằng công suất c a m t máy phát trong m t h th ng đi n đơn giản như hình 2.1, tương ứng với đặc tính công suất đi n từ c a máy phát và đặc tính công suất cơ c a tuabin hình 2.2 Trong đó: công suất cơ c a tuabin được coi là không đ i và công suất đi n từ c a máy phát có thể được biểu di n dưới dạng như sau: P    EU sin   Pe sin  XH (2.1)... i đảm bảo quỹ đạo nằm trong mi n  hữu hạn tạo thành m t mi n đ l ch cho phép mà h th ng có n đ nh Đó chính là mi n giới hạn n đ nh c a h th ng với những kích đ ng lớn n đ nh đ ng h th ng đi n có thể được nghiên cứu trên cơ s khái ni m này c a Lyapunov Xét lại ví d v n đ nh đ ng cho h th ng đi n đơn giản ch đ xác lập trước sự c , máy phát làm vi c với 2 đư ng dây có đặc tính công suất được biểu di . độ hệ thống điện ……………………………………………… 6 2.2 Các khái niệm về n đnh trong hệ thống điện ……………………… 6 2.2.1 n đnh tĩnh trong hệ thống điện ……………………………… 7 2.2.2 n đnh động trong hệ thống điện. đng hệ thống điện 3 nút 40 Hình 3.4: S đ thay thế hệ thống điện nhiều máy 46 Hình 3.5: Lu đ thuật toán xác đnh thời gian cắt tới hạn 51 Hình 5.1: S đ hệ thống điện 9 nút – 3 máy 58. đnh hệ thống điện cho hệ nhiều máy phát bằng phng pháp mô phỏng Đ đạt đợc mục đích nƠy ngời nghiên cứu tiến hành các công việc: - Xây dựng phng pháp đánh giá n đnh hệ thống điện.