Phân tích ổn định động của hệ thống truyền tải 500KV việt nam

Như vậy với khối lượng xây dựng các công trình lưới điện truyền tải và lượng công suất truyền tải lớn như trên song song với tính toán trào lưu công suất, thiết kế lưới điện việc khảo sá

MỤC LỤC

MỤC LỤC… 1

Lời cảm ơn… 4

Lời cam đoan 5

MỞ ĐẦU… 6

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HTĐ, LƯỚI 500KV VIỆT NAM 8

I Hệ thống điện Việt Nam giai đoạn 2005-2010 8

1.1 Hiện trạng tiêu thụ điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010 8

1.2 Tình hình sản xuất điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010 10

1.3 Hiện trạng lưới điện 500kV toàn quốc 13

II Phát triển nguồn và lưới điện 500kV giai đoạn 2011-2015 17

2.1 Phát triển nguồn điện giai đoạn 2011-2015 1Error! Bookmark not defined 2.2 Phát triển lưới điện 500kV Việt Nam giai đoạn 2011-2015 21

Chương 2: KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG 29

I Các chế độ của Hệ thống điện, khái niệm ổn định 29

1.1 Các chế độ của Hệ thống điện 29

1.2 Các khái niệm ổn định 29

II Mục tiêu khảo sát ổn định 30

III Hậu quả sự cố mất ổn định 31

IV Sơ lược các biện pháp nâng cao ổn định 32

V Các phương pháp khảo sát ổn định 32

VI Phương pháp phân tích ổn định động 35

6.1 Các kích động lớn trong hệ thống điện 35

6.2 Điện kháng và sức điện động của máy phát điện 36

6.3 Sơ đồ thay thế của hệ thống điện khi ngắn mạch3Error! Bookmark not defined 6.4 Chọn điểm ngắn mạch 38

6.5 Khảo sát ổn định động của hệ thống điện đơn giản 39

6.5.1 Đặc tính công suất 39

6.5.2 Quá trình quá độ trong máy phát điện khi xảy ra ngắn mạch 42

Chương 3: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN 500kV VIỆT NAM BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E 29 44

I Giới thiệu về chương trình tính toán PSS/E 44

II Tổng quan về cách tính 46

2.1 Tính toán chế độ xác lập trước sự cố 47

2.2 Số liệu động 47

2.3 Kiểm tra số liệu 57

2.4 Chạy chương trình mô phỏng 58

2.5 Phân tích ổn định động 59

III Trình tự các bước tính toán mô phỏng ổn định động bằng chương trình PSS/E .60

3.1 Phương pháp tính toán 60

3.2 Chuẩn bị Các file cần thiết, sơ đồ khối tính toán của chương trình 62

3.3 Các bước tính toán 64

3.4 Xem kết quả tính toán 71

3.5 Mô phỏng các trường hợp sự cố Error! Bookmark not defined.2 IV Các kết quả tính toán và đánh giá 74

KẾT LUẬN CHUNG 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập, nghiên cứu tại Khoa Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, dưới sự giúp đỡ của các thầy cô và các đồng nghiệp bản luận văn cao học của tôi đến nay đã được hoàn thành Với tất cả sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, cho phép tôi được gửi lời cảm ơn chân thành tới:

 Thầy giáo PGS-TS Trần Bách –Khoa Điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

 Các thầy, cô giáo khoa Điện, cán bộ Trung tâm đào tạo và bồi dưỡng sau đại học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này

 Sự giúp đỡ của lãnh đạo và các đồng nghiệp trong Ban Kế hoạch cũng như các Ban khác của Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn

Hà Nội, tháng 02 năm 2012

Học viên

Lê Nam Bình

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu, tính toán của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả

Lê Nam Bình

MỞ ĐẦU

Theo quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến

năm 2030 (Tổng Sơ đồ VII) đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định

số 1208/QĐ-TTg ngày 21/7/2011, riêng trong giai đoạn 2011-2015 khối lượng

đường dây và trạm biến áp 500/220kV cần đưa vào vận hành là rất lớn

(17.100MVA trạm 500kV; 3.833km đường dây 500kV, 35.800MVA trạm 220kV;

10.637km đường dây 220kV) Mặt khác trong mùa khô giai đoạn 2013-2015, miền

Nam cần huy động một lượng lớn công suất tăng dần từ 2760MW (năm 2013) lên

đến 3957MW (năm 2014) và tăng cao hơn nữa trong năm 2015 Lượng công suất

cần này sẽ được truyền tải từ miền Bắc, Tây Nguyên vào miền Nam thông qua các

đường dây 500/220kV đặc biệt là qua trạm biến áp 500kV Pleiku công suất

3x450MVA (Gia Lai)

Như vậy với khối lượng xây dựng các công trình lưới điện truyền tải và

lượng công suất truyền tải lớn như trên song song với tính toán trào lưu công suất,

thiết kế lưới điện việc khảo sát phân tích ổn định động để đảm bảo an toàn trong

vận hành và chỉnh định các hệ thống bảo vệ là hết sức cần thiết

Do thời gian hạn chế và quy mô lớn của hệ thống điện Quốc gia, trong khuôn

khổ luận văn này tác giả chỉ tập trung nghiên cứu phân tích và đánh giá khả năng

đảm bảo ổn định của hệ thống thông qua giả lập một số trường hợp sự cố xảy ra tại

các đường dây 500kV nối với trạm biến áp 500kV Pleiku và có xét thêm một vài

trường hợp sự cố ở xung quanh các trạm biến áp 500kV lớn thuộc 2 miền Nam, Bắc

Ngoài ra, mục tiêu tính toán ổn định động tìm tc rất quan trọng và cần thiết để phục

vụ cho việc chỉnh định các hệ thống bảo vệ Vì vậy luận văn đưa ra thêm một vấn

đề nghiên cứu chạy chương trình mô tả phỏng nhiều lần để dò tìm tc

Để thực hiện phân tích ổn định động cho hệ thống điện toàn quốc luận văn đã

sử dụng chương trình PSS/E (Power System Similator for Engineering) của hãng

PTI (Mỹ) Thông qua việc mô tả các máy phát, đường dây, trạm biến áp và các phụ

tải chương trình đã tự động thiết lập phương trình vi phân cho phép phân tích phản

ứng của hệ thống khi có các biến động lớn xảy ra

Về nội dung chính của luận văn bao gồm 3 chương và 2 phụ lục, cụ thể như

sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về lưới điện 500kV Việt Nam bao gồm hiện

trạng lưới điện, tình hình tiêu thụ, sản xuất điện toàn quốc giai đoạn

2005-2010; kế hoạch phát triển nguồn và lưới điện 500kV giai đoạn 2011-2015

Chương 2: Đưa ra các khái niệm chung về ổn định hệ thống điện, mục tiêu

khảo sát ổn định, hậu quả của mất ổn định, các phương pháp khảo sát ổn định

và các biện pháp nâng cao ổn định của hệ thống

Chương 3: Mô tả chi tiết phương pháp và quá trính sử dụng chương trình

PSS/E để tính toán khảo sát ổn định động của hệ thống bao gồm các bước

chuẩn bị, các tiêu chuẩn tính toán, các giả thiết sự cố và đưa ra các kết quả

tính toán, từ đó rút ra các nhận xét, kết luận chung về kết quả đó

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HTĐ, LƯỚI 500KV VIỆT NAM

I HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM GIAI ĐOẠN 2005-2010:

1.1 Hiện trạng tiêu thụ điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010

Trong những năm qua sản lượng điện thương phẩm cung cấp cho các ngành

kinh tế và sinh hoạt của nhân dân không ngừng tăng lên Điện thương phẩm tăng từ

44,83 tỷ kWh năm 2005 lên tới 87,86 tỷ kWh năm 2010, trong 6 năm tăng gấp gần

1.96 lần Tuy nhiên nhìn chung các năm 2007 đến năm 2009, tốc độ tiêu thụ điện

không tăng mạnh do lạm phát kinh tế gia tăng

Tình hình tiêu thụ điện toàn quốc giai đoạn 2005 – 2010 thể hiện trong bảng

Từ năm 2005 đến 2010, công suất cực đại qua các năm tăng với tốc độ thấp

hơn nhu cầu điện thương phẩm Năm 2005 công suất cực đại toàn hệ thống là

9.255MW, năm 2010 đạt 16.048 MW

Cơ cấu tiêu thụ điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010 chi tiết cho trong bảng

dưới đây

Bảng 1.2 Cơ cấu tiêu thụ điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010

Theo đó: từ năm 2005 đến nay, tỷ lệ điện dùng cho quản lý và tiêu dùng dân

cư có xu hướng giảm dần, tỷ lệ điện dùng cho công nghiệp và khối thương mại và

hoạt động khác lại tăng Tỷ trọng điện cung cấp cho sinh hoạt gia dụng giảm dần từ

43,9% năm 2005 xuống còn 39% năm 2010, trong khi đó, tỷ trọng điện công nghiệp

đã tăng từ 45,8% năm 2005 lên 51,3% năm 2010 Tuy cơ cấu điện sinh hoạt có

giảm nhưng chênh lệch công suất cao thấp điểm của hệ thống vẫn trên 2,5 lần, điều

này làm cho việc vận hành hệ thống điện rất khó khăn và không kinh tế, đồng thời

tạo nên sức ép lớn về đầu tư nguồn và lưới điện chỉ để đáp ứng nhu cầu phụ tải

trong 3-4 giờ cao điểm

Hiện nay, theo xu thế chung về phát triển kinh tế, tỉ trọng công nghiệp và

thương mại dịch vụ ngày càng tăng lên và tỉ trọng nông nghiệp và tiêu dùng dân cư

ngày càng giảm

Hình 2.1 Cơ cấu tiêu thụ điện năm 2005 và năm 2010

1.2 Tình hình sản xuất điện toàn quốc giai đoạn 2005-2010

Đến cuối năm 2005, tổng công suất đặt các nhà máy điện (NMĐ) là

9255MW Trong năm 2005, ngoài Phú Mỹ 3 – 733MW và tổ máy 2 - 39MW thuỷ

điện Cần Đơn (IPP) vào vận hành đầu năm, có thêm một số nguồn đưa vào vận

hành và chạy thử trong thời gian quý 3 và 4 như:

T.Mại &

K/Sạn, Nh/Hàng 5%

Nông nghiệp 1%

Các hoạt động khác 4%

Công nghiệp 47%

Cơ cấu tiêu thụ điện năm 2001

T.Mại &

K/Sạn, Nh/Hàng 5%

Các hoạt động khác

nghiệp 41%

4.9%

51 3 4.1%

39%

Cơ cấu tiêu thụ điện năm 2010

Cơ cấu tiêu thụ điện năm 2005

1.3%

45.8%

4.9%

43.9%

Bảng 1.3 Công suất các NMĐ hiện có (tính đến cuối năm 2010)

TT Tên nhà máy điện Công suất đặt

TT Tên nhà máy điện Công suất đặt

TT Tên nhà máy điện Công suất đặt

(*) Nguồn ngoài khác: gồm công suất các NMĐ Amata-13MW; VeDan-72;

Bourbon-24MW; Nomura-58MW; Bãi Bằng-28MW; Đạm Hà Bắc 36MW

1.3 Hiện trạng lưới điện 500kV toàn quốc

Cấp điện áp truyền tải chính của hệ thống điện Việt Nam là 500kV, 220kV,

ngoài ra đường dây 500kV còn đóng vai trò liên kết hệ thống điện các miền thành

hệ thống điện hợp nhất Hệ thống điện 500kV bắt đầu vận hành từ giữa năm 1994,

với việc đưa vào vận hành đường dây 500kV Bắc-Nam dài gần 1500km và hai trạm

500kV Hoà Bình và Phú Lâm tổng công suất mỗi trạm là 900MVA Năm 1999, hệ

thống 500kV được bổ sung thêm 26km đường dây 500kV mạch kép Yaly - Pleiku,

nâng tổng chiều dài các đường dây 500kV lên đến 1531km Giai đoạn sau đó lưới

điện 500kV càng ngày càng phát triển với sự xuất hiện mạch 2 xuất phát từ TBA

500kV Nho Quan kéo dài đến TBA 500kV Phú Lâm Tính đến cuối năm 2010 tổng

công suất các trạm 500kV trên tuyến Bắc Nam lên 9300MVA và tổng chiều dài các

đường dây 500kV được nâng lên đến 3285km

Lưới truyền tải 500kV có thể coi là xương sống của hệ thống điện Việt Nam

Chạy suốt từ Bắc vào Nam với tổng chiều dài trên 2000 km lưới điện 500kV đóng

một vai trò vô cùng quan trọng trong cân bằng năng lượng của toàn quốc và có ảnh

hưởng lớn tới độ tin cậy cung cấp điện của từng miền

Danh mục đường dây và trạm biến áp 500kV đến hết năm 2010 của Việt Nam

xem bảng sau:

Bảng 1.4: Danh mục đường dây 500kV của lưới điện VN năm 2010

Chiều dài Ghi chú

Bảng 1.5: Danh mục trạm biến áp 500kV năm 2010

STT Tên công trình Số máy x MVA

Trong năm 2011, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia (NPT) đã đưa vào

vận hành các công trình trạm và đường dây 500kV sau:

Mở rộng trạm 500kV Thường Tín quy mô 450MVA

Nâng công suất trạm 500kV Nho Quan quy mô 450MVA

Trạm 500kV Hiệp Hòa: quy mô 2x900MVA

Máy 2 trạm 500kV Quảng Ninh: 450MVA

ĐZ 500kV Nhà Bè – Ô Môn chiều dài 76km

Tổng hợp khối lượng đường dây và trạm biến áp tính đến cuối năm 2011 được

trình bày trong bảng 2.6

Bảng 1.6: Tổng hợp khối lượng ĐZ và trạm 500kV-năm 2011

Miền Khối lượng đường dây

Hiện nay toàn bộ 2 mạch 500kV đã được vận hành, tạo liên kết hệ thống Bắc

-Trung-Nam từ Hòa Bình tới Phú Lâm với công suất trao đổi khoảng trên 1500MW

Đường dây 500kV mạch 2 vào vận hành đã nâng cao truyền tải công suất và trao

đổi điện năng giữa các HTĐ Bắc -Trung – Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho việc

khai thác hợp lý các nguồn điện trong HTĐ Việt Nam, giảm khả năng thiếu điện

cục bộ, nâng cao ổn định toàn hệ thống điện

II PHÁT TRIỂN NGUỒN, LƯỚI ĐIỆN 500KV GIAI ĐOẠN 2011-2015

2.1 Phát triển nguồn điện giai đoạn 2011-2015

Theo Tổng sơ đồ VII đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, trong giai đoạn

này với nhu cầu điện là 201 tỷ kWh vào năm 2015, tổng công suất nguồn mới dự

kiến đưa thêm vào khoảng 26.938 MW

Bảng 1.7 Tiến độ nguồn điện đưa vào giai đoạn 2011-2015

10 TĐ An Khê - kanak 2x80+2x6.5 3-2011 EVN

13 TĐ Se Kaman 3 (Lào) 2x125 9-2011 CTCP Việt Lào

TT Tên nhà máy Công suất

21 NĐ An Khánh I # 1 50 9-2012 Cty CP NĐ An Khánh

TT Tên nhà máy Công suất

11 NĐ Hải Phòng II #1 300 7-2013 Cty CPNĐ Hải Phòng

12 NĐ Quảng Ninh II #1, 2 2 x 300 3-:-9-2013 Cty CPNĐ Quảng Ninh

NĐ An Khánh I # 2 50 3-2013 Cty CPNĐ An Khánh

Năm 2014

TT Tên nhà máy Công suất

13 TĐ Thượng Kontum 2x110 2014 Cty CPTĐ Vĩnh

Sơn-S.Hinh

16 NĐ Thái Bình II 2x600 6:-12-2014 PV Power

17 NĐ Thăng Long #1 300 12-2014 Cty CP NĐ Th.Long

TT Tên nhà máy Công suất

(MW)

Tiến độ theo

Năm 2015

8 TĐ Se Ka man 1 (Lào) 290 1-2015 CTCP Việt Lào

11 NĐ Thăng Long #2 300 12-2015 Cty CP NĐ Th.Long

2.2 Phát triển lưới điện 500kV Việt Nam giai đoạn 2011-2015

Trong giai đoạn này nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải tăng cao, đồng thời với sự

xuất hiện hàng loạt trung tâm nhiệt điện ở cả 3 miền đất nước, công tác xây dựng

lưới điện 500kV được tăng cường đẩy mạnh

+ Khu vực Miền Bắc sẽ hình thành lưới điện mạch vòng 500kV như Quảng

Ninh-Hiệp Hoà- Việt Trì-Sơn La-Hoà Bình-Nho Quan-Thường Tín nhằm cung cấp

điện an toàn cho các TBA 500kV, TBA 220kV và các phụ tải quan trọng trong hệ

thống điện Miền Bắc

+ Khu vực Miền Nam với ba mạch vòng 500kV như Phú Mỹ-Nhơn Trạch-Nhà

Bè-Phú Lâm-Hóc Môn-Tân Định-Sông Mây, Ômôn-Nhà Bè-Phú Lâm, Phú

Mỹ-Sông Mây-Tân Định-Di Linh đảm bảo cung cấp điện an toàn cho các phụ tải kinh tế

trọng điểm như Bình Dương, Thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai Ngoài ra trong

giai đoạn này với dự kiến xuất hiện các TTNĐ than ven biển cũng sẽ tiến hành xây

dựng các mạch đường dây truyền tải 500kV như Vĩnh Tân-Sông Mây, Duyên

Hải-Mỹ Tho, Long Phú-Ô Môn

Bảng 1.8: Các ĐZ 500kV dự kiến xây dựng giai đoạn đến năm 2015

6 Nâng dung lượng tụ bù dọc Lớn hơn hoặc bằng

2000A trên toàn tuyến

3 Nâng dung lượng tụ bù dọc Lớn hơn hoặc bằng

2000A trên toàn tuyến

Chuyển tiếp trên 2 mạch

ĐZ 500kV hiện tại, treo trước 2 mạch

8 Sông Mây - Tân Uyên 2 x 22 22 Sử dụng dây phân pha

Bảng 1.9: Các TBA 500kV dự kiến xây dựng giai đoạn đến năm 2015

STT Tên công trình Số máy x MVA Công

STT Tên công trình Số máy x MVA Công

Bản đồ lưới điện 500kV miền bắc

Miền nam

miền trung

CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHƯƠNG

PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG

I CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HTĐ, KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH

1.1 Các chế độ của Hệ thống điện

Các chế độ làm việc của HTĐ được chia làm 2 loại chính: Chế độ xác lập

(CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ) Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số

của hệ thống không thay đổi, hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn,

chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức Chế độ làm việc bình thường,

lâu dài của HTĐ là CĐXL (còn được gọi là CĐXL bình thường) Chế độ sau sự cố,

hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về CĐXL (còn gọi là

CĐXL sau sự cố) Ở các CĐXL sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch

khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục

Ngoài CĐXL còn diễn ra các CĐQĐ trong HTĐ Đó là các chế độ trung gian

chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác CĐQĐ thường diễn sau những sự cố hoặc

thao tác đóng cắt các phần tư đang mang công suất (những kích động lớn) CĐQĐ

được gọi là CĐQĐ bình thường nếu nó tiến đến CĐXL mới Trong trường hợp này

các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định

mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại, có thể diễn ra CĐQĐ với thông số hệ thống

biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 CĐQĐ khi đó được

gọi là CĐQĐ sự cố Nói chung, với mọi HTĐ yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo

cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang CĐXL mới, bởi

CĐQD chỉ có thể là tạm thời, CĐXL mới là chế độ cơ bản làm việc của HTĐ

1.2 Các khái niệm ổn định

Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong

thực tế Do các chế độ trong thực tế luôn luôn bị cá kích động từ bên ngoài Một chế

độ thỏa mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải

chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy

Các kích động đối với chế độ hệ thống điện được chia ra làm 2 loại: các kích

động nhỏ và các kích động lớn

Các kích động nhỏ xảy ra liên tục trong thời gian và có biên độ nhỏ, đó là sự

biến đổi liên tục công suất trong hệ thống điện do sự đóng cắt phụ tải và làm việc

không tốt của các thiết bị điều chỉnh Các kích động này tác động lên roto của máy

phát điện, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương

ứng bị dao động

Ổn định tĩnh chính là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban

đầu hoặc rất gần ban đầu sau khi bị các kích động nhỏ Như vậy ổn định tĩnh là điều

kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế

Các kích động lớn xảy ra ít hơn nhiều so với các kích động nhỏ, nhưng có biên

độ khá lớn, các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, phụ tải

và các sự cố như ngắn mạch các loại Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng

công suất cơ-điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất

mạnh

Ổn định động là khả năng HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc rất

gần ban đầu sau khi bị các kích động lớn Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện để cho

chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài

Ổn định tổng quát là khả năng của hệ thống điện lập lại chế độ đồng bộ sau

khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc ổn định động

Ổn định phụ tải là khả năng của Hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu

hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải

II MỤC TIÊU KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH

Một chế độ xác lập muốn tồn tại được trong thực tế cần phải có hai điều kiện:

i) Có sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng (Công

suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với công

suất tổn thất trong các phần tử của Hệ thống điện)

ii) Chế độ có ổn định, trước hết là ổn định tĩnh và ổn định phụ tải vì các

kích động nhỏ thường xuyên xảy ra

Việc đảm bảo ổn định động và ổn định tổng quát là đảm bảo cho các chế độ

làm việc lâu dài Trong thiết kế và vận hành HTĐ, các chế độ thỏa mãn về yêu cầu

chất lượng điện năng, độ tin cậy, kinh tế, ổn định tĩnh phải được đảm bảo vô điều

kiện, còn ổn định động và ổn định tổng quát được đảm bảo trong những điều kiện

nhất định

Như vậy, mục tiêu khảo sát ổn định của hệ thống là:

Xét khả năng ổn định của các chế độ vận hành có thể xảy ra đối với hệ thống

điện được thiết kế, quy hoạch, cũng như trong vận hành Nếu khả năng đó không đủ

yêu cầu thì phải thực hiện các biện pháp tăng cường nó sao cho hệ thống không bị

mất ổn định khi rơi vào các chế độ đó

Khả năng ổn định của chế độ được biểu diễn bằng độ dự trữ ổn định, đây là

đại lượng phản ánh sự so sánh giữa chế độ được xét ổn định và chế độ giới hạn ổn

định, tức là chế độ mà bắt đầu từ đó hệ thống mất ổn định Như vậy muốn tính được

độ dự trữ ổn định của một chế độ nào đó thì trước hết phải tính được chế độ giới

hạn của HTĐ

Độ dự trữ ổn định của Hệ thống điện là độ dự trữ của chế độ có độ dự trữ bé

nhất trong tất cả các chế độ có thể xảy ra của HTĐ

III HẬU QUẢ SỰ CỐ MẤT ỔN ĐỊNH

Khi xảy ra trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo nhưng sự cố nghiêm trọng có

tính chất hệ thống sau:

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra mất

những lượng công suất lớn trên hệ thống

- Tần số hệ thống bị thay đổi ảnh hưởng lớn đến các phụ tải

- Điện áp giảm thấp có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp

Các sự cố nghiêm trọng trên sẽ dẫn đến một số hậu quả sau:

- Bảo vệ rơ le tác động nhầm, cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải từng khu vực lớn sẽ dẫn đến

tan rã hệ thống Quá trình này sẽ gây mất điện trong thời gian dài vì cần khôi

phục lại hoạt động đồng bộ của các máy phát

Do vậy việc nghiên cứu đảm bảo ổn định động của hệ thống trong mọi tình

huống thao tác vận hành và kích động của sự cố là việc làm hết sức cần thiết, nhất là

khi lưới điện Việt Nam ngày càng phát triển thêm nhiều nguồn, trạm và các nút phụ

tải lớn khác

IV SƠ LƯỢC CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH

Việc đảm bảo cho hệ thống điện ổn định trong mọi điều kiện có tầm quan

trọng đặc biệt nhằm đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho các hộ tiêu thụ Trong

thực tế nhiều khi bản thân hệ thống điện với các thiết bị cơ bản không đủ để đảm

bảo ổn định, không đủ độ dự trữ ổn định cần thiết, người ta phải dùng các biện pháp

nhằm tăng cường ổn định của hệ thống điện

Các biện pháp nâng cao ổn định có thể chia làm 2 loại:

- Cải thiện các phân tử chính của hệ thống điện ( cải tạo tham số, cosφ máy

phát điện, thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, máy cắt điện cắt nhanh sự cố,

tự đóng lại đường dây tải điện, đường dây tải điện)

- Thêm vào hệ thống các phần tử phụ nhằm nâng cao khả năng ổn định của hệ

thống (nối đất các điểm trung tính của máy biến thế qua điện kháng hoặc

điện trở tác dụng, ghìm điện)

Như đã biết, khi xảy ra một kích động nào đó thì kích động này tác động lên

roto của máy phát điện và gây ra ở đó sự mất cân bằng công suất Sự mất cân bằng

này tạo ra quá trính quá độ cơ điện trong máy phát điện Nếu quá trình này tắt dần

thì có nghĩa là sự mất cân bằng công suất được khắc phục và hệ thống ổn định, còn

trong trường hợp ngược lại quá trình quá độ cơ điện trong máy phát điện không tắt

dần và sự mất cân bằng công suất ngày một tăng lên, hệ thống mất ổn định nghiêm

trọng

Việc khảo sát ổn định chính là khảo sát quá trình quá độ cơ điện xảy ra trong

máy phát điện khi có các kích động trong hệ thống điện

Quá trình quá độ cơ điện được diễn tả bằng phương trình chuyển động tương

đối của roto máy phát điện, do đó xét ổn định cũng chính là xét phương trình

chuyển động của các roto đó trong hệ thống khi xảy ra các kích động

Giả sử một máy phát điện đang làm việc với chế độ xác lập với các thông số

P0, Q0, U0, δ0… thì khi xảy ra một kích động, kích động này gây ra sự mất cân bằng

công suất ∆P trên trục roto

∆P = PT0 – P = P0 – P Trong đó PT0 là công suất ban đầu của tuabin và PT0 = P0, P là công suất điện

của máy phát sau khi xảy ra kích động

Công suất ∆P còn được gọi là công suất thừa, nó tác động lên Roto và gây ra

cho nó một gia tốc :

Tj là hằng số quán tính

δ là góc quay tương đối của roto, nó được xác định bởi vị trí của roto so với

một trục tính toán quay với tốc độ đồng bộ ω0 = 2.π.f0

Trước khi bị kích động roto đang quay với vận tốc đồng bộ ω0, công suất thừa

∆P = 0 Theo hình vẽ trên, như vậy roto quay cùng tốc độ với trục tính toán cho nên

góc δ là hằng số, do đó gia tốc α khi chưa có kích động là bằng 0

Sau khi bị kích động, do xuất hiện công suất thừa ∆P nên tốc độ góc của roto

sẽ khác với tốc độ đồng bộ 0 cho nên sẽ xuất hiện tốc độ quay tương đối của roto so

với trục tính toán quay đồng bộ

Lúc này α sẽ khác 0

Ta có phương trình chuyển động tương đối của roto máy phát điện như sau :

ω trục roto

δ

ω 0 trục tính toán

Trong công thức trên, kích động tương đối với hệ thống được thể hiện ở công

suất thừa ∆P Đây là một phương trình vi phân tuyến tính

Giải phương trình trên ta sẽ thu được quan hệ giữa góc quay tương đối theo

thời gian δ(t), xuất phát từ giá trị ban đầu khi δ0 khi t=0 Nếu hệ thống ổn định thì

sau một khoảng thời gian t nào đó sau khi bị kích động góc δ(t) sẽ trở về giá trị ban

đầu δ0 (đường a), hoặc một giá trị gần nó để rồi sau đó sẽ là hằng số theo thời gian t,

lúc đó ∆P sẽ bị triệt tiêu, các thông số khác của chế độ như P, Q, U, sau một thời

gian dao động sẽ trở về giá trị ban đầu hoặc gần ban đầu Ngược lại nếu hệ thống

mất ổn định thì góc δ(t) sẽ tăng vô hạn (đường b) và các thông số khác cũng biến

đổi không ngừng, hệ thống rơi vào chế độ không đồng bộ

Như vậy góc δ, đúng hơn là sự biến thiên của δ theo thời gian là biểu hiện trực

tiếp của sự ổn định hay không ổn định của hệ thống điện

Xét đến ổn định của hệ thống là xét đến hai trường hợp ổn định tĩnh và ổn

định động

Như vậy phương pháp khảo sát ổn định của hệ thống điện là:

- Xây dựng đường đặc tính công suất

- Xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động rồi tùy theo xét ổn định tĩnh

- Sau khi khảo sát rút ra các chế độ giới hạn, đem các chế độ vận hành so sánh

với chế độ giới hạn để đưa ra kết luận về khả năng ổn định Tính toán các

biện pháp bảo đảm và tăng cường khả năng ổn định, tính toán chỉnh định

thông số của các thiết bị điều chỉnh

6.1 Các kích động lớn trong hệ thống điện

Nghiên cứu ổn định động là nghiên cứu khả năng của hệ thống điện khôi

phục lại chế độ làm việc ban đầu sau khi bị các kích động lớn

Các kích động lớn xảy ra trong hệ thống điện do các nguyên nhân sau:

- Cắt hoặc đóng đột ngột các phụ tải lớn

- Cắt đường dây tải điện hoặc máy biến áp đang mang tải

- Cắt máy phát điện đang mang tải

- Ngắn mạch các loại

Trong các dạng kích động nói trên thì ngắn mạch là nguy hiểm hơn cả, vì

vậy trong luận văn này để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện Việt Nam chỉ xét

Thống kê cho thấy rằng 70-90% tổng số ngắn mạch là ngắn mạch một pha

chạm đất, 5-15% ngắn mạch hai pha các loại, ngắn mạch 3 pha chỉ xảy ra từ 5-10%

Tuy ít xảy ra nhưng ngắn mạch 3 pha là nguy hiểm hơn cả, nó làm cho mối liên hệ

giữa các nhà máy điện và các phụ tải, giữa các nhà máy điện với nhau hoàn toàn

gián đoạn, độ giảm công suất đạt giá trị cực đại làm cho các máy phát điện dao

động mạnh Do đó trong luận văn chỉ cần nghiên cứu đối với trường hợp sự cố ngắn

mạch 3 pha

UU*F

6.2 Điện kháng và sức điện động của máy phát điện

Trước khi xảy ra kích động lớn, máy phát làm việc ở trạng thái xác lập, các

đường đặc tính công suất của máy phát điện chính là các đường đặc tính công suất

như ổn định tĩnh Khi xảy ra ngắn mạch, chế độ biến đổi đột ngột và nhanh chóng,

các đường đặc tính công suất tĩnh không thể sử dụng để mô tả quá trình của máy

phát vì các thông số chế độ của máy phát sử dụng trong các đường đặc tính công

suất tĩnh đột biến

Để mô tả quá trình động của máy phát phải sử dụng đặc tính công suất động

của máy phát Khi xảy ra ngắn mạch, quá trình quá độ điện từ làm cho sức điện

động Eq tăng vọt lên E*q đồng thời làm cho điện áp trên cực máy phát giảm mạnh

xuống U*F (hình vẽ dưới đây), toàn bộ điện áp dọc theo điện kháng máy phát biến

đổi theo Trên đồ thị ta thấy có một chỗ điệp áp không đổi trong thời gian đầu của

quá trình quá độ, đó chính là sức điện động quá độ E’ đặt sau điện kháng quá độ X’d

Do đó ta lấy sức điện động quá độ E’ và điên kháng quá độ X’d để thay thế cho máy

phát điện, điều này làm cho nghiên cứu quá trình quá độ được dễ dàng hơn vì chỉ

Đúng ra thì X’d và E’ chỉ là hằng số ở thời điểm ban đầu, ngay sau khi xảy ra

ngắn mạch sau đó nó giảm dần, nhưng hằng số thời gian của chung lớn hơn nhiều

so với thời gian tác động cảu các rơ le và máy cắt Hơn nữa, nếu máy phát có TĐK

thì giá trị của E’ giảm càng chậm Bởi vậy ta có thể xem X’d và E’ là hằng số trong

suốt quá trình dao động của máy phát Đặc tính công suất như vậy sẽ được thể hiện

bằng E’, X’d và góc δ là góc giữa E’và trục tính toán

Sau khi cắt ngắn mạch, sự cố bị loại trừ, máy phát điện trở lại chế độ xác lập

sau sự cố, nó lại được đặc trưng bởi đường đặc tính công suất tĩnh tương ứng, tuy

nhiên để đảm bảo tính liên tục khi nghiên cứu quá trình quá độ, đặc tính công suất

sau sự cố của máy phát cũng được thể hiện bằng X’d và E’

6.3 Sơ đồ thay thế của Hệ thống điện khi ngắn mạch

Như ta đã biết, khi xảy ra ngắn mạch sẽ xuất hiện dòng điện ngắn mạch thứ

tự thuận, thứ tự nghịch và thứ tự không Sau đây ta xét ảnh hưởng của các dòng

điện ngắn mạch này đến máy phát điện

- Dòng điện thứ tự không không ảnh hưởng đến công suất của máy phát điện

bởi vì các máy biến áp tăng áp của các phát điện thương có tổ nối dây ∆/Y0

cho nên dòng điện thứ tự không sẽ khép mạch qua nối đất của cuộn dây cao

áp mà không đi sang phía hạ áp tức là phía máy phát điện

- Đối với dòng điện thứ tự nghịch, dong điện này có thể đi qua máy biến thế

vào máy phát điện và sinh ra trong đó momen quay với tần số 2ω so với Roto

Vì có quán tính rất lớn nên roto thực tế không kịp tác động theo momen này

Giá trị trung bình của momen này gần bằng 0, nó không ảnh hưởng đến

chuyển động của Roto Vì vậy dòng điện thứ tự nghịch cũng được bỏ qua

không xét đến khi tính toán ổn định động

- Như vậy ta rút ra một kết luận quan trọng làm cho việc tính toán đơn giản đi

rất nhiều, chế độ làm việc không đối xứng có thể quy về chế độ đối xứng, đó

là chỉ có dòng điện thứ tự thuận gây ảnh hưởng tới sự thay đổi công suất và

momen của máy phát điện

Để tính toán dòng điện thứ tự thuận ta dùng sơ đồ phức hợp Trên sơ đồ thay

thế bình thường của hệ thống điện tại điểm ngắn mạch được nối thêm tổng trở Z∆,

tổng trở này có giá trị phụ thuộc vào dạng ngắn mạch như sau:

Các giá trị điện kháng thứ tự không Z0 và điện kháng thứ tự nghịch Z2 của hệ

thống được tính từ sơ đồ thứ tự không và thứ tự nghịch của hệ thống điện Sau đó

Z∆ được tính từ Z0 và Z2 theo công thức tùy thuộc vào dạng ngắn mạch (như hình

vẽ) Sau khi thêm Z∆ vào sơ đồ của hệ thống điện, dòng điện thứ tự thuận và công

suất của máy phát điện được tính toán như ở chế độ xác lập

Trong luận văn chỉ đề cập đến trường hợp sự cố nặng nề nhất đó là sự cố

ngắn mạch 3 pha do đó Z∆=0

6.4 Chọn điểm ngắn mạch

Mức độ nguy hiểm của ngắn mạch phụ thuộc không chỉ phụ thuộc vào loại

ngắn mạch mà còn phụ thuộc vào vị trí của điểm ngắn mạch Như ta đã biết: dòng

điện ngắn mạch ở giữa đường dây nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch ở 2 đầu đường dây,

do đó ngắn mạch ở phía đầu đường dây nguy hiểm hơn Mặt khác công suất từ nhà

máy điện vào hệ thống phụ thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch, nếu ngắn mạch ở giữa

đường dây thì điện áp trên 2 đầu đường dây sẽ cao hơn so với khi ngắn mạch ở 2

đầu đường dây, do đó khi ngắn mạch ở đầu đường dây thì dòng công suất truyền

vào hệ thống qua đường dây lành sẽ nhỏ hơn so với khi ngắn mạch ở giữa đường

dây làm cho tình hình trở nên nguy hiểm

6.5 Khảo sát ổn định động của hệ thống điện đơn giản

6.5.1 Đặc tính công suất

Trong toàn bộ quá trình quá độ cơ điện xảy ra khi ngắn mạch gồm ba giai

đoạn: trước ngắn mạch, trong ngắn mạch và sau khi ngắn mạch Để có thể khảo sát

ổn định động ta phải xây dựng các đường đặt tính công suất tương ứng

a Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch

Máy phát điện được thay thế bằng X’d và E’, bỏ qua điện trở của các phần tử

như hình vẽ sau đây:

Đường đặc tính công suất sẽ là

Trong đó: X∑ = X’d + XB1 + XB2 + 1/2 Xdd

Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch sử dụng để tính chế độ ban đầu Khi

biết công suất tải Ppt0, Qpt0, điện áp U ta phải tính E’, δ0 và công suất tác dụng do

máy phát điện phát ở chế độ ban đầu P0

b Đặc tính công suất khi ngắn mạch

Đây chính là đường đặc tính công suất động của hệ thống điện, sơ đồ hệ

thống và sơ đồ thay thế như sau:

Trong sơ đồ thay thế, tại điểm ngắn mạch N có thêm điện kháng ngắn mạch

X∆ (bỏ qua điện trở) phụ thuộc vào dạng ngắn mạch như đã trình bày ở trên

Ta có:

Đường đặc tính công suất sẽ là:

Từ đường đặc tính có thể nhận thấy được ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch

đến đường đặc tính công suất

Khi ngắn mạch 3 pha X∆ = 0 và do đó X’∑ = ∞, khi đó PII = 0, như vậy có

nghĩa là khi ngắn mạch 3 pha công suất điện phát ra bằng 0, liên lạc giữa máy phát

và thanh cái nhận điện bị cắt hoàn toàn Tuy nhiên trên đồ thị ta thấy khi ngắn mạch

3 pha thực ra PII không bằng không mà còn có giá trị rất nhỏ, đó là tổn thất công

suất tác dụng trên đường dây từ máy phát đến chỗ ngắn mạch