ổn định quá độ trong hệ thống điện

Chương ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ (Ổn định động –Transient Stability) Ts NGUYỄN Đăng Toản HTĐ-EPU toannd@epu.edu.vn 0966691586 NDT 11/9/2010 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 (2004): – ÔĐQĐ khả HTĐ (gồm nhiều MPĐ đồng nối với nhau) giữ đồng sau trải qua kích động lớn t/h t/h2 t/h 0 N/nhân NM, Mất đ/d, MPĐ Thay đổi tải Góc rotor  HTĐ đáp ứng với kích động lớn Kích động lớn Hệ p/t vi phân phi tuyến Mô hình hóa HTĐ dx  f (x, t) dt t(s) ??? Tình trạng làm việc HTĐ Sự nguy hiểm kích động Vấn đề phải giải pt Cấu hình HTĐ Loại cố/vị trí Thời gian tồn cố NDT 11/9/2010 4.2 Các phương pháp nghiên cứu • Phương pháp cân diện tích (EAC=Equal Area Criterion) – Bằng việc so sánh diện tích tăng tốc hãm tốc ta hiểu tượng, vùng ổn định, giới hạn ổn định… – Đơn giản, trực quan, dễ hiểu áp dụng cho HTĐ đơn giản (1 mpđ nối với HTĐ vô lớn, MPĐ) Vgg E’’ ~ G ZL1 jXd’ MBA Vg1 E’1 Pe V ZL2 Pm ZL Vg2 e ~ A1 jXd’2 Zs1 Zs2 Khi cố c b jXd’1 Sau cố A2 a E’2 ~ 11/9/2010 Trước cố d o c max  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’’ ~ G ZL1 jXd’ MBA ZL2 V T/hợp Góc roto  Vgg T/hợp T/hợp 0 CCT t(s) Critical clearing time NDT 11/9/2010 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(u) KE(c) 0 11/9/2010 C u 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 NDT 11/9/2010 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 – (Preventive method) ngăn chặn nguy xảy ổn định, tiến hành trước xảy cố • Cứu vãn- (Corrective method) 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, p/p số 11/9/2010 NDT 4.3 Phương pháp cân diện tích • Xét HTĐ:1 MPĐ nối với góp vô V  lớn E’’ g g ZL1 ~ G V ZL2 MBA • Phương trình chuyển động: H d 2  Pm - Pe  Pa f0 dt2 – Pa công suất tăng tốc, , góc rotor, Pm,Pe công suất cơ, điện, số H: d2 f  Pm - Pe  dt H • Nhân hai vế với 2d/dt: d d2 2f0 Pm - Pe  d  dt dt H dt NDT 11/9/2010 4.3 Phương pháp cân diện tích • Có thể viết lại • P/t (4-1): biến thiên sau: góc rotor với thời gian d 0 • Để HTĐ ổn định d  d   2f0 d Pm - Pe      dt  dt   H dt dt   P 0  d 2  2f0 Pm - Pe d d    H  dt   • Hay • Lấy tích phân hai vế từ 0 đến  2f0   d  Pm - Pe d    H 0  dt  • Suy d dt 11/9/2010  2f  Pm - Pe d H 0 m - Pe d  (4- 2) • Giả sử: Chế độ làm việc cân ban đầu, 0, tương ứng với Pm0=Pe0, hình vẽ (trang sau) • Nếu có kích động làm tăng lượng công suất đầu vào đến giá trị Pm1 (4 -1) NDT 10 4.3 Phương pháp cân diện tích Pe  Pmax sin • Khi Pm>Pe => Pa>0 tạo lượng tăng tốc chứa rotor 1  P 0 • m1 - Pe d  A1 (4 - 3) Khi = max Lúc PmPa= Pm-Pe tăng tốc • Khi  giảm Pa=PmPe giảm tốc • => điểm tới hạn • Điểm điểm làm việc lâu dài??? b hay b’ – Điểm b: làm việc lâu dài ( Ps >0) 11/9/2010 NDT 12 4.3 Phương pháp cân diện tích 1 A1  Pm1(1  0 )   Pmax sind  A2 • A Khi có tăng lên đột ngột công suất đầu vào: – Dùng để xác định: Lượng công suất lớn thêm vào Pm mà trì tính chất ổn định 0 max A2   1 • Pmax sind  Pm1(max  1) Lấy tích phân ta có Pm1 ( max   )  Pmax (cos  cos max ) • Thay Pm1=Pmaxsinmax =Pmaxsin1 (max  0 ) sin max  cosmax  cos0 (4 - 6) • Pm0 Phương trình phương trình đại số phi tuyến, giải phương pháp lặp để tính max NDT 13 11/9/2010 4.3 Phương pháp cân diện tích • Khi tính max ta tính công suất Pm có thêm vào mà giữ ổn định • Bắt đầu từ giá trị ban đầu /2 htđ ổn định 11/9/2010 NDT 68 34 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • tc = 0,4 giây => htđ ổn định 11/9/2010 NDT 69 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • tc = 0,5 giây => htđ ổn định 11/9/2010 NDT 70 35 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 xác cao [t,x]=ode23(‘xprime’,tspan,x0) [t,x]=ode45(‘xprime’,tspan,x0) • đó: – Tspan=[0,tfinal] khoảng thời gian mô – x0 cột véc tơ gía trị điều kiện đầu với thời điểm: t0.xprime NDT 71 11/9/2010 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta • Giả sử cần giải phương trình y( x )  f ' ( x, t ) h • Sử dụng sấp xỉ: x ( t  t )  x  g1  2g  2g  g  g1  f ' ( x , t ) • đó: g  f ' ( x  t.g1 , t ) g  f ' ( x  t.g , t ) g  f ' ( x  t.g , t ) t k 1  t k  t x ( t )  x (k.t )  x k 11/9/2010 NDT 72 36 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 73 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 74 37 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta 11/9/2010 NDT 75 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 76 38 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=TLCS) – Tính dòng điện MPĐ:  * P  jQ S i I  i  i , i  1,2 m i * *  V V i i • Trong đó: m số MPĐ, Vi điện áp đầu cực MPĐ, Pi,Qi công suất tác dụng phản kháng MPĐ  ' V   jX ' I – Sau tính toán điện áp độ E’i : E i i d i  i0  – Các phụ tải biến đổi dạng: y S i * Vi  Pi  jQ i Vi NDT 77 11/9/2010 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn n+1 ~ n+2 ~  n- góp Tải biến đổi dạng tổng dẫn không đổi n+m ~  I1      Y 11  I    Y21          I n    Yn1    I n 1   Y     ( n 1)1      I n  m      Y( n  m )1   11/9/2010   Y 1n   Y2 n  Y 1( n 1)  Y ( n 1)    V      V2  2(n  m)          V n  Yn ( n  m )      E ' n 1   Y ( n 1)( n  m )          E ' n  m   Y ( n  m )( n  m )        Y 1( n  m )   Y     Y nn   Y ( n 1) n    Yn ( n 1)   Y  ( n 1)( n 1)     Y (n  m) n    Y ( n  m )( n 1)  NDT 78 39 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Điện áp Vn bỏ  V    0Y nn n  Ynm E ' m I  Y  t nm V  Y  E ' m n mm m   Y  1Y  E ' • Từ p/t ta có V n nn nm m • Thay vào p/t ta có:   I  Y  Y  t nm Y  1Y  E ' m mm nn nm m I  Y  reduced bus E ' m m • Trong ma trận tổng dẫn rút gọn   reduced bus  Y  Y  t nm Y  1Y  Y mm nn nm  NDT 79 11/9/2010 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn  V  • Các phương trình I nút  Y nút nút • Tính Ynút bao gồm tổng dẫn tải điện kháng độ MPĐ Giảm bậc Ynút cách loại trừ tất nút, trừ m nút MPĐ  0 Y nn  I    t  m  Y nm   V   Y nm n     Ymm  E'm  • C/s phức điện MPĐ thứ i Sei  E' i Ii m • Với dòng điện: I i   E ' j Y ij j1 • Công suất tác dụng Pei  Re al E' i Ii*  m Pei   E' i  E' j Yij cos  ij   i   j *   j 1 11/9/2010 NDT 80 40 4.5 Nghiên cứu Ổn định độ HTĐ lớn • Ở điều kiện ban đầu ta có Pmi=Pei(0), E 'i  E'i i m Pmi   E 'i E' j Yij cosij  i ( 0)   j( 0)    Y  Y ij ij ij j1 • Viết phương trình cho mpđ m H i d 2i  P  E'i E' j Yij cosij   i   j   mi f dt j1 Hi  S Gi 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 81 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) d i  i , i  1, , m dt di f  Pm  P f e   dt Hi • Mỗi máy phát điện có biến trạng thái i i, (Dùng hàm ODE23 , ODE 45 matlab để giải… ) 11/9/2010 NDT 82 41 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 NDT 83 11/9/2010 P1: trước cố P3: sau cố P2: cố 11/9/2010 NDT 84 42 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 85 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 86 43 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 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 87 4.6 Các biện pháp nâng cao ổn định • Sử dụng hệ thống kích từ đáp ứng nhanh độ khuếch đại lớn (Gain lớn) – Hệ thống kích từ đại thiết kế để tác động nhanh với độ khuếch đại 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 – Thường trang bị AVR PSS • 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 88 44 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/powertransmission-distribution/power-technologiesinternational/software-solutions/psse.htm#content=PSS%C2%AEE%20University – Advanced user, in both Electrical engineering and English – Google.com “PSS/E student version download” NDT 89 11/9/2010 Tổng kết chương • Định nghĩa/ yếu tố ảnh hưởng/ phương pháp nghiên cứu • Nội dung pp Cân diện tích? Các ứng dụng • Nội dung phương pháp Euler, euler hiệu chỉnh • Các biện pháp nâng cao ổn định độ? 11/9/2010 NDT 90 45 [...]... thanh góp vô cùng lớn có điện áp V=1/_0 (pu), tải 0,55 (pu), với cos=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) 2 1 E’ ~ ZL 100  Thanh góp vô cùng lớn 11/9/2010 NDT 25 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 sức điện động quá độ • Tính đặc tính công suất... (pu), Qe=0,074 (pu), điện áp V=1/_00(pu), Xl1=Xl2=0,3 (pu), Xmba=0,2(pu) • Tính thời gian cắt tới hạn khi ngắn mạch đầu cực • 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? 2 1 E’ ~ 11/9/2010 ZL V00  NDT 33 • • • • • Gợi ý Lập sơ đồ thay thế Tính dòng điện trên đường dây Tính sức điện động quá độ E’ Tính các đường... • tc = 0,3 giây => htđ ổn định 11/9/2010 NDT 68 34 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • tc = 0,4 giây => htđ ổn định 11/9/2010 NDT 69 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • tc = 0,5 giây => htđ mất ổn định 11/9/2010 NDT 70 35 4.4.3 Phương pháp Runge-Kutta • Có nhiều phương pháp khác để giải pt vi phân • Trong đó phổ biến nhất là Runge-Kutta • Trong matlab: có hai hàm...  1max  – trong đó: P1max  E' V X1 – X1 là điện kháng trước sự cố • Roto đang chạy với tốc độ đồng bộ, và không có sự thay đổi về tốc độ góc: 0  0 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: P2 max  E' V X2 – với X2 là điện kháng trong khi sự cố NDT 54 27 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • Phương trình chuyển động: d 2... (t0,x0) – trong đó dx là độ dốc dt x 0 • Quá trình cứ tiếp tục 0 dx • Giá trị của x tại t0+t x i 1  x i  dt t (4 - 18) xi là: dx x1  x0  x  x0  t • Cứ tiếp tục lặp , ta sẽ dt x0 có giá giá trị x(t) từ giá trị (t0,x0) 11/9/2010 NDT 50 25 4.4.2 Phương pháp Euler hiệu chỉnh • Phương pháp Euler giả sử rằng độ dốc là không đổi trong khoảng đầu và cuối t, tuy nhiên có thể cải tiến bằng cách tính độ. .. • Công suất tải là: V=100 jXdây jXd’ I Stải P 0,55 S  tai   36,870  0,687536,870 ( pu) cos 0,8 • Dòng điện chạy trong mạch là: * I  S  * V 0,6875  36,870  0,6875  36,870 ( pu) 100 ̇ =1,025-30 ??? NDT 27 11/9/2010 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • Sức điện động quá độ là:   E '  V  jX ' d  jX mba  jX dây I ̇ =1,025-30 ???  10   j 0,3  j 0,2  j 0,3 / 2  * 0,6875... I ~ Stải MPĐ • Sơ đồ thay thế: jXMBA E’ ~ • Công suất tải là: V=100 jXdây jXd’ I Stải S  0,8  j0,074( pu) • Dòng điện chạy trong mạch là: * I  S *  V 0,8  j0,074  0,8  j0,074( pu) 100 V=1,025-30 ??? NDT 37 11/9/2010 4.3 Phương pháp cân bằng diện tích • Sức điện động quá độ là:   E '  V  jX ' d  jX mba  jX dây I  10 0   j 0,3  j 0, 2  j 0,3 / 2 * (0,8  j 0,074 )  1,17 ... toán cho hệ thống các phương trình vi phân mô tả HTĐ – Tìm kiếm một lời giải x(t) thỏa mãn hệ phương trình mô tả HTĐ là 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 NDT 47 11/9/2010 4.4 Phương pháp số • Phương pháp số có thể đc áp dụng để giải gần đúng hệ phương trình vi phân • Có nhiều phương pháp giải các hệ phương... chỉnh để tính góc  và  tại t=0,02s (sau 2 bước lặp) biết  t=0,01s 11/9/2010 NDT 58 29 4.4.2 Phương pháp euler hiệu chỉnh cho HTĐ đơn giản • Gợi ý: – Lập sơ đồ thay thế – Tính công suất, dòng điện, điện áp quá độ – Lập các đường đặc tính công suất khi • Trước sự cố • Đang sự cố • Sau sự cố – Tính 0= sin-1(Pm/P1max) và 0=0 – Sử dụng công thức euler hiệu chỉnh 4-22, 4-23, 4-24, 4-25, 4-26 để tính các... thời gian loại trừ sự cố lớn nhất 2 1 E’ ~ ZL 100  Giả sử: NM ở đầu cực mpđ, điện áp đầu cực giảm về 0, => không có công suất truyền tải về phía thanh góp vô cùng lớn • Năng lượng tăng tốc là: c c 0 0 A1   (Pm  Pe )d   Pmd (do Pe  0) • Năng lượng giảm tốc là: A2   max c Pmax sin   Pm d • Điều kiện để ổn định là  c 0 Pmd  max c Pmax sin   Pm d NDT 21 11/9/2010 4.3 Phương