Bài giảng ổn định hệ thống điện quá độ

Chương ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ (Ổn định động –Transient Stability) Ts NGUYỄN Đăng Toản HTĐ-EPU 11/9/2010 NDT MỤC LỤC CHƯƠNG ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ  Định nghĩa, phương pháp nghiên cứu  Phương pháp cân diện tích  Phương pháp số  Ổn định độ HTĐ lớn  Các biện pháp nâng cao ổn định độ 11/9/2010 NDT 4.1 Khái niệm chung • Định nghĩa IEEE/CIGRÉ: Kích động lớn HTĐ đáp ứng với kích động lớn Góc rotor δ – ÔĐQĐ Là khả HTĐ (gồm nhiều MPĐ đồng nối với nhau) giữ đồng sau trải qua kích động lớn Hệ p/t vi phân phi tuyến t/h t/h2 t/h δ Mô hình hóa HTĐ dx = f (x, t) dt NM, Mất đ/d, MPĐ Thay đổi tải nâ hn/ N t(s) Sự nguy hiểm kích động Tình trạng làm việc HTĐ Cấu hình HTĐ Loại cố/vị trí Thời gian tồn cố 11/9/2010 ??? Vấn đề phải giải pt NDT 4.1 Khái niệm chung • Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định độ – – – – – – – Sự nặng tải HTĐ C/s MPĐ trình cố Loại cố, vị trí cố Thời gian loại trừ cố Điện kháng HT truyền tải sau cố Điện kháng độ MPĐ Hằng số quán tính MPĐ (H lớn làm giảm khả tăng góc rôto, giảm diện tích tăng tốc – Điện áp độ MPĐ E’, phụ thuộc vào HT kích từ – Điện áp góp vô lớn 11/9/2010 NDT 4.2 Các phương pháp nghiên cứu • Phương pháp cân diện tích – Đơn giản, trực quan, dễ hiểu tượng, vùng ổn định… – Chỉ áp dụng cho HTĐ đơn giản (1 mpđ nối với HTĐ vô lớn, MPĐ) Vg∠δg E’∠δ’ ~ G ~ ZL1 jXd’ MBA Vg1 E’1 ZL 11/9/2010 Trước cố d ZL2 Pm Vg2 jXd’1 Zs1 Pe V∠δ E’2 jXd’2 Zs2 ~ Sau cố A2 a e A1 Khi cố c b δo δc δmax δ NDT 4.2 Các phương pháp nghiên cứu • Phương pháp số – Sau mô hình hóa HTĐ pt vi phân, người ta dùng p/p số để giải p/t – Vẽ đáp ứng có cố – Tính thời gian loại trừ cố lớn – Không xác định vùng ổn định E’∠δ’ ~ G ZL1 jXd’ MBA ZL2 V∠δ Góc roto δ Vg∠δg T/hợp δ T/hợp T/hợp t(s) CCT 11/9/2010 NDT 4.2 Các phương pháp nghiên cứu • Hàm lượng độ (P/p ổn định Lyapunov- Phương pháp trực tiếp) – Dễ hiểu, xác định giới hạn ổn định – Nhưng khó xác định n/lượng tới hạn quĩ tích cố Năng lượng Năng lượng tới hạn Năng lượng tới hạn =PE(δ u) KE(δc) δ0 11/9/2010 δC δu 1800 NDT 4.2 Các p/p nghiên cứu • Phương pháp hỗn hợp (SIME: SIngle Machine Equivalent) – Kết hợp phương pháp số phương pháp cân diện tích – Dễ hiểu, xác định giới hạn ổn định – Nhưng việc phân MPĐ thành nhóm khác khó khăn 11/9/2010 NDT 4.2 Các p/p nghiên cứu • Mục đích – Xác định xem HTĐ giữ trạng thái đồng sau trải qua kích động – Từ xác định giới hạn ổn định độ dự trữ ổn định – Đề biện pháp • Phòng ngừa (ngăn chặn nguy xảy ổn định) Tiến hành trước xảy cố • Cứu vãn (nhanh chóng khôi phục lại htđ) Tiến hành xảy cố để nhằm nhanh chóng khôi phục lại chế độ làm việc bt • Có nhiều p/p khác nhau: – tập trung vào p/p cân diện tích 11/9/2010 NDT 4.3 Phương pháp diện tích • Xét HTĐ:1 MPĐ nối với góp vô V ∠δ lớn E’∠δ’ Z g ~ G g L1 jXd’ MBA V∠δ ZL2 • Phương trình chuyển động: H d 2δ = Pm - Pe = Pa πf dt – Pa công suất tăng tốc, δ, góc rotor, Pm,Pe công suất cơ, điện, số H: d δ πf ( Pm - Pe ) = dt H • Nhân hai vế với 2dδ/dt: 11/9/2010 dδ d δ π f dδ ( Pm - Pe ) = dt dt H dt NDT 10 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 42 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 43 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Phương trình viết cho máy phát điện • Một số giả thiết: Mỗi MPĐ diễn tả E’, x’d, bỏ qua tính chất cực lồi,và từ thông móc vòng Bỏ qua ảnh hưởng điều tốc tuabin, công suất tuabin coi không đổi Sử dụng điện áp trước cố, tất tải biến đổi điện kháng không đổi Bỏ qua ảnh hưởng cuộn cản Một nhóm MPĐ nhà máy coi MPĐ tương đương 11/9/2010 NDT 44 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Các phương trình – Bước tính toán trình độ tính toán chế độ trước xảy độ:LoadFlow=TLCC) – Tính dòng điện MPĐ: S * P − jQ i I = i = i , i = 1,2 m i * *  V Vi i • Trong đó: m số MPĐ, Vi điện áp đầu cực MPĐ, Pi,Qi công suất tác dụng phản kháng MPĐ  '= V  + jX ' I E i i d i – Sau tính toán điện áp độ E’i : S i * Pi − jQ i yi0 = = 2 – Các phụ tải biến đổi dạng: Vi Vi 11/9/2010 NDT 45 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn ~ ~ n+1 n+n … ~ n+m  I1   I   Y11    Y 21          In  =  Y n1  I n +1      Y( n +1)1     I    n + m  Y( n + m )1   11/9/2010 n- góp Tải biến đổi dạng tổng dẫn không đổi  V1    V        V   Yn ( n + m )   n   E'n +1   Y( n +1)( n + m )           E ' n + m  Y( n + m )( n + m )      Y1( n +1)  Y1( n + m ) Y2 ( n +1)  Y2 ( n + m )     Y1n  Y2 n    Ynn  Y( n +1) n   Y( n +1)( n +1)   Y( n + m ) n Y( n + m )( n +1) Yn ( n +1) NDT 46 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Các phương trình I nút = Ynút Vnút • Tính Ynút bao gồm tổng dẫn tải điện kháng độ MPĐ Giảm bậc Ynút cách loại trừ tất nút, trừ m nút MPĐ    Ynn I  = Y t  m   nm Ynm   Vn     Ymm  E 'm  S = E ' I * ei i i • C/s phức điện MPĐ thứ i m Ii = ∑ E' j Yij • Với dòng điện: j =1 *   P = Re al E ' I • Công suất tác dụng ei i i m Pei = ∑ E' i ( E' j Yij cos θ ij − δ i + δ j ) [ ] j =1 11/9/2010 NDT 47 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Điện áp Vn bỏ Ynn Vn + Ynm E 'm = t I m Y nm Vn + Ymm E 'm −1 • Từ p/t ta có Vn = −Ynn Ynm E 'm • Thay vào p/t ta có: [ I m = Ymm − Y t nm −1 ] Ynn Ynm E 'm I m = Y red bus E 'm • Trong ma trận tổng dẫn rút gọn Y 11/9/2010 red bus = [Y mm −Y t nm −1 Ynn Ynm ] NDT 48 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Ở điều kiện ban đầu ta có Pmi=Pei(0) Pmi = ∑ E'i E' j Yij cos( θij − δ i ( ) + δ j( ) ) m j=1 • Viết phương trình cho mpđ H i d 2δ = Pmi − πf dt m ∑ E' i ( E' j Yij cos θ ij − δ i + δ j ) j =1 S Gi Hi = H Gi SB – đó: SGi công suất MPĐ thứ i (300MVA), HGi=2s hệ đv tương đối Hi =(300/100)*2=6s – SB công suất (=100MVA) 11/9/2010 NDT 49 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Nếu viết dạng biến trạng thái • (với giả thiết công suất điện MPĐ thứ i Pfe) dδ i = ∆ωi dt d∆ωi πf = Pm − P f e dt Hi ( 11/9/2010 ) NDT 50 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định độ – – – – – – – Sự nặng tải HTĐ C/s MPĐ trình cố Loại cố, vị trí cố Thời gian loại trừ cố Điện kháng HT truyền tải sau cố Điện kháng độ MPĐ Hằng số quán tính MPĐ ( H lớn làm giảm khả tăng góc rô to, giảm dt tăng tốc – Điện áp độ MPĐ E’, phụ thuộc vào HT kích từ – Điện áp góp vô lớn 11/9/2010 NDT 51 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Nâng cao khả truyền tải: • Nâng cao khả tải HTĐ nghĩa lượng truyền tải qua phần không cố khác HTĐ có cố xảy Hậu cố không nặng nề Có phương pháp sau: – Dùng hệ thống điện áp cao( giảm tổn thất, giảm dòng điện mang tải, đặc biệt quan trọng truyền tải điện xa, qua đường dây dài) – Xây dựng thêm đường dây truyền tải – Xây dựng lắp đặt đường dây MBA với điện kháng nhỏ – Xây dựng đường dây bù dọc để giảm điện kháng đường dây – Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng, FACTS 11/9/2010 NDT 52 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Ứng dụng thiết bị bảo vệ tốc độ nhanh – Nhanh chóng loại trừ cố khỏi HTĐ Điều có ý nghĩa quan trọng việc giảm hậu cố – Dùng hệ thống bảo vệ hiệu – Các MC đại • Ứng dụng hệ thống đóng lặp lại tốc độ cao – Phần lớn cố thoáng qua, việc đóng lặp lại có hiệu nhanh chóng khôi phục lại khả truyền tải đường dây – Cần ý đóng lặp lại vào cố trì, lúc MC phải cắt không tiếp tục đóng lặp lại, lúc MC ngắt ra, loại trừ hoàn toàn cố trì 11/9/2010 NDT 53 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Ứng dụng hệ thống đóng cắt pha – Phần lớn cố ngắn mạch pha, việc cắt pha cố cho phép tiếp tục truyền tải công suất qua đường dây lại – Các nghiên cứu rằng, phần lớn cố NM pha thường tự triệt tiêu, việc đóng cắt, đóng lặp lại pha thường có hiệu lớn việc nâng cao ổn định • Sử dụng MPĐ với số quán tính lớn, điện kháng độ nhỏ – Một MPĐ có số quán tính (H) lớn cho phép giảm khả tăng tốc góc rotor giảm khả dao động góc rotor – Do tăng thời gian tới hạn loại trừ cố – Giảm điện kháng độ, cho phép tăng khả mang tải MPĐ thời gian cố, khoảng sau cố 11/9/2010 NDT 54 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Sử dụng hệ thống kích từ đáp ứng nhanh độ lợi lớn (Gain lớn) – Hệ thống kích từ đại thiết kế để tác động nhanh với độ lợi lớn cảm nhận giảm nhanh điện áp đầu cực MPĐ có NM – Hiệu tăng công suất đầu suốt trình cố sau cố Do thời gian tới hạn loại trừ cố tăng lên • Ứng dụng hệ thống van điều khiển tốc độ cao – Một số tuabin trang bị hệ thống van điều khiển dòng tốc độ cao, nhanh chóng giảm công suất đầu Khi cố xảy gần MPĐ, công suất điện đầu giảm, hệ thống van điều khiển tốc độ cao nhanh chóng tác động để cân công suất công suất điện – Điều giảm tăng tốc rôto tăng thời gian tới hạn loại trừ cố 11/9/2010 NDT 55 4.7 Ví dụ • Một số công cụ mô tính toán • Vào trang web http://www.powerworld.com/ – http://www.powerworld.com/downloads/demosoftware.a sp – 12 nút dùng thử, PV/QV, transient stability – Giao diện window thân thiện • Hoặc PSS/E University 50 nút – http://www.energy.siemens.com/us/en/services/power-t ransmission-distribution/power-technologies-internat ional/software-solutions/pss-e.htm#content=PSS%C2%AE E%20University – Advance user, in both Electrical engineering and English 11/9/2010 NDT 56 [...]... 11/9/2010 e m1 • Kết quả là rôtor dao động xung quanh điểm b • Htđ vẫn còn giữ được ổn định khi A1≤A2 • Góc δmax được xác định sao cho: A1 = A 2 (4 - 5) NDT 12 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích ∫ δ1 • A Khi có sự tăng lên đột ngột của công suất đầu vào: A1 = Pm1 ( δ 1 − δ 0 ) − – Dùng để xác định: Lượng công suất lớn nhất thêm vào Pm mà vẫn còn duy trì được tính chất ổn định • Lấy tích phân ta có A2 = ∫... Mục tiêu – Tìm lời giải bài toán cho hệ thống các phương trình vi phân mô tả HTĐ – Đối với một HTĐ có phương trình f(x)=0 – Tìm kiếm một lời giải x(t) thỏa mãn f(x(t))=0 • Phương pháp giải bài toán vi phân • Gần đúng bằng: – Phân tích chuỗi Taylor -Phương pháp Euler – Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 28 4.4 Phương pháp số • Phương pháp số có thể đc áp dụng để giải gần đúng hệ phương trình vi phân... Trong đó: P1max = X 1 – X1 là điện kháng trước sự cố • Roto đang chạy với tốc độ đồng bộ, và không có sự ∆ω0 = 0 thay đổi về tốc độ góc: 11/9/2010 E’ ZL ~ V ZL • Xem xét một sự cố NM 3 pha ở giữa đường dây: Đặc tính công suất khi đó là: E' V P2 max = X2 – với X2 là điện kháng trong khi sự cố NDT 35 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • Phương trình chuyển động: d 2δ dt 2 = πf 0 ( Pm −... rotor với thời gian dδ 2   →0 • Để HTĐ ổn định thì d  dδ  2πf 0 dδ    = dt  dt   H • Hay ( Pm - Pe ) dt  dδ  2  2πf 0 ( Pm - Pe ) dδ d    = H  dt   δ ∫ (P δ0 m - Pe )dδ = 0 (4 - 2) dt • Giả sử: Chế độ làm việc cân bằng ban đầu, δ0, tương ứng với Pm0=Pe0, như • Lấy tích phân hai vế từ δ0 hình vẽ (trang sau) đến δ 2 • Nếu có một kích động sẽ 2π f 0 δ  dδ  ( Pm - Pe )dδ ... Pe=0,8 (pu), Qe=0,074 (pu), điện áp V=1/_00(pu), Xl1=Xl2=0,3 (pu), Xmba=0,2(pu) • Khi có ngắn mạch giữa đường dây 1, sau khi ngắn mạch đường dây 1 bị cắt ra Tính góc cắt lớn nhất để htđ vẫn còn giữ được ổn định? • (Khi đường dây có R,X,B? ) 11/9/2010 NDT 22 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • Ví dụ:3 • Cho HTĐ như hình vẽ, H=4,5s, f=50Hz, x’d=0,28 (pu), Pe=0,78 (pu), Qe=0,08 (pu), điện áp V=1/_20(pu), Xl1=Xl2=0,27... • Trong đó dx là độ dốc dt • Quá trình cứ tiếp tục x0 • Giá trị của x tại t0+∆t là: dx x1 = x 0 + ∆x = x 0 + dt 11/9/2010 ∆t x0 x i +1 dx = xi + dt ∆t xi • Cứ tiếp tục lặp , ta sẽ có giá giá trị x(t) từ giá trị (t0,x0) NDT 31 4.4.2 Phương pháp Euler hiệu chỉnh • Phương pháp Euler giả sử rằng dộ dốc là không đổi trong khoảng đầu và cuối ∆t, tuy nhiên có thể cải tiến bằng cách tính độ dốc của điểm đầu... nối với HTĐ có các thông số như sau – Xd’=0,3 (pu), Xmba=0,2 (pu), Xl1=Xl2=0,3 (pu) – H=3,5s, f0 =50Hz – MPĐ được nối với thanh góp vô cùng lớn có điện áp V=1/_0 (pu), – tải 0,55 (pu), với cosϕ=0,8 chậm sau – Tính thời gian cắt tới hạn để MPĐ còn giữ được ổn định khi có ngắn mạch đầu cực (Pm=0,55pu) – ( tính toán tương tự nhưng Z1 =Z2 =0,01+j0,3) – ( Nhận xét khi đường dây có R,X,B thì tính toán ra sao?)... Phương trình trên là phương trình đại số phi tuyến, do đó NDT có thể được giải bằng 13 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • Khi đã tính được δmax thì ta tính được công suất Pm có thêm vào mà vẫn giữ được ổn định Pm1 = Pmax sin δ 1 (4 - 7) – trong đó δ 1 = π − δ max (4 - 8) • Lúc đó phương trình (4-6) được viết như sau: f(δmax)=c • Sử dụng phương pháp Newton-Raphson (xem lại phương pháp lặp N-R) 11/9/2010... xét khi đường dây có R,X,B thì tính toán ra sao?) Thanh góp vô cùng lớn 11/9/2010 NDT 17 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • Gợi ý: • Lập sơ đồ thay thế HTĐ • Tính công suất tải, tính dòng điện chạy trên đ/d, tính điện áp đầu cực • Tính đặc tính công suất (chú ý các trường hợp khi có R, và B) • Dựa vào công thức 4-8,9,10,11 để tính δc và từ đó tính tc 11/9/2010 NDT 18 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích... (4-6) df dδ k max δ ( k ) max ) c − f δ ( k ) max = (4 - 9) df dδ k max δ ( k ) max ( df dδ max là đạo ) = δ ( k ) max − δ 0 cosδ ( k ) max (4 - 10) δ ( k +1) max = δ ( k ) max + ∆ δ ( k ) max • Và • Quá trình sẽ dừng lại khi δ ( k +1) max − δ ( k ) max ≤ ε NDT 14 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • B Khi ngắn mạch ba pha ở thanh góp đầu cực MPĐ ∫ δc δ0 • Khi NM ở đầu cực mpđ, thì gần như không có ... 40 4. 4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 41 4. 4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 42 4. 4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 43 4. 5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Phương trình... 11/9/2010 NDT 38 4. 4.3 Phương pháp Runge-Kutta • Có nhiều phương pháp khác để giải pt vi phân • Trong phổ biến Runge-Kutta • Trong matlab: có hai hàm ODE23 ODE45 dựa xấp xỉ bậc 2-3 bậc 4- 5 để có độ... thêm vào mà giữ ổn định Pm1 = Pmax sin δ (4 - 7) – δ = π − δ max (4 - 8) • Lúc phương trình (4- 6) viết sau: f(δmax)=c • Sử dụng phương pháp Newton-Raphson (xem lại phương pháp lặp N-R) 11/9/2010