Mô phỏng quá trình mất ổn định điện áp trong hệ thống điện

TRẦN HỒNG CƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - TRẦN HỒNG CƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỆN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN KHOÁ 2012B Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN HỒNG CƯƠNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS.NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT Hà Nội – Năm 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Tôi tổng hợp thực Các kết phân tích hoàn toàn trung thực, nội dung thuyết minh chưa công bố Luận văn có sử dụng tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Trần Hồng Cương LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, Tôi xin chân thành cám ơn đến TS Nguyễn Xuân Hoàng Việtđã hướng dẫn tận tình, bảo cặn kẽ để hoàn thành luận văn Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy, cô giáo Viện Điện, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ trình hoàn thành luận văn Nam Định, ngày 15 tháng 09 năm 2014 Tác giả luận văn Trần Hồng Cương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 MỤC tiêu VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 1.1.1 Mục đích nghiên cứu luận văn 1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu luận văn 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10 CHƯƠNG ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN 10 2.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 10 2.1.1 Định nghĩa 10 2.1.2 Các dạng ổn định điện áp 10 2.2 XÉT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN 12 2.2.1 Đặc tính quan hệ P - V 14 2.2.2 Đường cong QV 16 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 17 2.3.1 Hướng tiếp cận dựa mô động 19 2.3.2 Hướng tiếp cận tĩnh 20 2.4 MỘT SỐ KỊCH BẢN XẢY RA MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DẪN ĐẾN TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN 21 2.4.1 Kịch 1: Mất phần tử HTĐ (do trình độ) 21 2.4.2 Kịch 2: Tải tăng từ từ (trong khoảng thời gian dài hạn) 21 2.4.3 Kịch 3: Hiện tượng bên phụ tải 22 2.4.4 Kịch 4: Sụt áp đồng 22 i 2.5 NHỮNG SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 23 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E 31 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E 31 3.1.1 Tổng quan 31 3.1.2 Mô hình thiết bị điện PSS/E để nghiên cứu ổn định điện áp 34 3.2 KẾT LUẬN 48 CHƯƠNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 50 4.1 sƠ ĐỒ LƯỚI ĐIỆN MÔ PHỎNG 50 4.1.1 Trường hợp tách máy phát khỏi hệ thống 53 4.1.2 Trường hợp tách máy phát G5 khỏi hệ thống 55 4.1.3 Trường hợp tách máy phát G9 khỏi hệ thống 57 4.1.4 Trường hợp tách máy phát G1 khỏi hệ thống 59 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G2 khỏi hệ thống 65 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G4 khỏi hệ thống 67 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G6 khỏi hệ thống 68 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G7 khỏi hệ thống 70 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G8 khỏi hệ thống 71 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G10 khỏi hệ thống 73 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình vẽ 2.1 Sơ đồ thay Hệ thống điện đơn giản 12 Hình vẽ 2.2 Đồ thị đường cong P-V 15 Hình vẽ 2-4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp [2] 19 Hình vẽ 2-5 Sụp đổ điện áp ngày 12/1/1987 HTĐ Pháp 25 Hình vẽ 2-6 Đồ thị sụp đổ điện áp hệ thống 500kV 26 Hình vẽ 2-7 Các thông số điện áp, công suất, dòng điện 29 ĐZ Đắc Nông - Phú Lâm 29 Hình vẽ 2-8 Các thông số điện áp, công suất, dòng điện ĐZ Đắc Nông Pleiku 29 Hình vẽ 2-9 Sụp đổ điện áp trạm Tân Định 30 Hình vẽ 3-1 Sơ đồ khối chương trình PSS/E 33 Hình vẽ 3-2 Mô hình thay tải động 37 Hình vẽ 3-3 Mô hình thay đường dây ngắn trung bình 41 Hình vẽ 3-4 Sơ đồ thay MBA có điều chỉnh phân áp 42 Hình vẽ 3-5 Sơ đồ khối đầu vào, máy phát điện cực ẩn GENROU 43 Hình vẽ 3-6 Sơ đồ khối đầu vào, máy phát điện cổ điển GEN CLS 43 Hình vẽ 3-7 Sơ đồ kích từ SEXS 44 Hình vẽ 3-8 Sơ đồ kích từ ESDC1A 44 Hình vẽ 3-9 Mô hình OXL 45 Hình vẽ 4-2 Phản ứng điện áp tách máy 53 Hình vẽ 4-3 Phản ứng tốc độ tuabin tách máy 54 iii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Hệ số mũ α , β ứng với loại tải 35 Bảng 3-2 Các đại lượng giá trị máy phát điện cực ẩn GENROU 43 Bảng 3-3 Các đại lượng giá trị máy phát điện cổ điển GENCLS 43 Bảng 3-4 Thông số động kích từ SEXS 44 Bảng 4-1 Thông số máy phát điện 51 Bảng 4-2 Thông số phụ tải 51 Bảng 4-3 Thông số bảo vệ kích từ MAXEX 52 iv CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CIGRE International Council on Large Electric systems (Hiệp hội hệ thống điện lớn) EPRI Electric Power Research Institute (Viện nghiên cứu điện lực Mỹ) FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt HTĐ Hệ thống điện HVDC Đường dây tải điện chiều MPĐ Máy phát điện OXL Bộ giới hạn kích từ máy phát điện PSS Bộ ổn định công suất SVC Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh TCSC Thiết bị bù dọc điều khiển Thyristor OLTC Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp tải CĐXL Chế độ xác lập CSTD Công suất tác dụng CSPK Công suất phản kháng v CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong năm qua, với phát triển kinh tế, nhu cầu điện gia tăng mạnh mẽ công suất, quy mô tính chất Hệ thống điện có vai trò quan trọng phát triển kinh tế, xã hội, trị quốc gia, yếu tố chi phối toàn kinh tế Do hệ thống điện phải đầu tư, mở rộng để đáp ứng nhu cầu xã hội Tuy nhiên, HTĐ nói chung HTĐ Việt Nam nói riêng gặp phải với vướng mắc tồn như: - Thứ nhất, khó khăn việc đầu tư nguồn điện, hệ thống truyền tải: Hiện nay, việc đầu tư đồng hóa nguồn điện lưới điện truyền tải khó khăn Theo Tổng công ty truyền tải điện Quốc Gia nhu cầu vốn để phát triển lưới điện truyền tải giai đoạn 2011 - 2020 200 nghìn tỷ đồng, chiếm 34% tổng vốn đầu tư phát triển điện lực; giai đoạn 2021 - 2030 gần 500 nghìn tỷ đồng, chiếm 35% Hiện có vài cá nhân nước đầu tư số thủy điện nhỏ có công suất không đáng kể, nhà đầu tư nước thời điểm chưa quan tâm nhiều đến đầu tư vào ngành điện - Thứ hai, tăng trưởng nhanh chóng phụ tải: Theo số liệu Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia, tốc độ tăng trưởng phụ tải từ năm 2009 trở lại cao 10% (Năm 2009: 12,5%; Năm 2010: 14%; Năm 2011: 15%; Năm 2012: 16,8%) Dự kiến năm từ 2013 đến 2020 tốc độ tăng trưởng phụ tải khoảng 12% - 16% - Vần đề thứ ba tài nguyên thiên nhiên để sản xuất điện ngày khan hiếm: Ở nước ta, nguồn tài nguyên thiên nhiên dùng để sản xuất điện cung cấp cho phụ tải chủ yếu hồ thủy điện (nhà máy thủy điện), từ khí đốt (nhà máy nhiệt điện khí), than (nhà máy nhiệt điện than) Theo EVN, phương án tăng trưởng điện 13% nhu cầu khí cho điện phải đạt 8,2 tỷ m3/năm, than Các mô cho trường hợp tách máy phát lại trình bày phần Phụ lục Với 10 cố tách máy phát xét, có trường hợp dẫn đến sụp đổ điện áp rã lưới, tương ứng với cố tách máy phát 2, 3, 5, 6, 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Qua phân tích cố rã lưới gần giới Việt Nam nhận thấy: Hệ thống điện giới nói chung HTĐ Việt Nam nói riêng phải đối mặt với nhiều thách thức, khó khăn việc cung cấp điện an toàn, liên tục ổn định Các HTĐ vận hành gần với giới hạn ổn định nên xảy cố lưới, khả xảy cắt điện lan truyền tương đối lớn Việc nghiên cứu để xây dựng HTĐ vận hành an toàn, liên tục, ổn định vấn đề thách thức khó khăn quốc gia giới Các kịch xảy rã lưới HTĐ giới nhìn chung đa dạng: Với cố rã lưới Bắc Mỹ năm 2003, kiện khởi đầu cắt tổ máy phát công suất lớn Sự cố rã lưới Italy năm 2003 khởi đầu từ cố cắt mạch đường dây liên thông Ý Thụy Sỹ Sự cố Nhật Bản năm 1987 phụ tải tăng trở lại nhanh sau nghỉ trưa … Việc đánh giá hết khả xảy cố lan truyền đòi hỏi khối lượng mô lớn, đặc biệt với hệ thống thực tế có hàng trăm hàng nghìn máy phát Trong khuôn khổ luận văn, thời lượng có hạn, tác giả tập trung nghiên cứu trình độ hệ thống với loại kiện: cắt điện tổ máy phát đồng cố Đối tượng nghiên cứu hệ thống điện New England (lưới điện IEEE 39) Trong 10 trường hợp mô phỏng,có đến 5/10 trường hợp xét hệ thống điện bị sụp đổ điện áp, thời gian sụp đổ điện áp diễn thời gian vài chục giây Nguyên nhân xảy rã lưới sụp đổ điện áp đồng máy phát điện Các kịch nhìn chung phù hợp với tượng quan sát cố rã lưới thực tế Trong mô luận văn, phần tử đóng vai trò quan trọng bảo vệ kích từ OXL Khi máy phát bị tải OXL tác động, thiếu hụt CSPK lan sang máy phát khác dẫn đến tác động lan truyền Các nghiên 61 cứu khác rằng, phận tự động điều chỉnh điện áp tải nguyên nhân gây tượng sụt áp lưới truyền tải, dẫn đến sụp đổ điện áp [11] Bên cạnh đó, mô hình hệ thống điện cần bổ sung đầy đủ mô hình hệ thống rơ le bảo vệ, thiết bị điều chỉnh điều khiển để đánh giá kịch xảy cố lan truyền Trên thực tế, rơ le sa thải phụ tải theo điện áp sử dụng, tránh nhiều tình rã lưới sụp đổ điện áp Trong số trường hợp, việc cắt máy phát dẫn đến sụt giảm tần số, dẫn đến hệ thống sa thải phụ tải làm việc Các phụ tải bị cắt đồng thời làm giảm gánh nặng CSTD CSPK, giúp HTĐ trở trạng thái ổn định Các kết đạt cho thấy sử dụng công cụ mô để khảo sát trình ổn định điện áp dài hạn hệ thống Phương pháp có ưu điểm mô tả xác chi tiết trình tự xảy kiện Tuy nhiên, nhược điểm lớn thời gian tính toán lớn Việc phân tích cố lan truyền hệ thống điện lớn, đòi hỏi có chiến lược mô hợp lý, kết hợp phân tích N -1 CĐXL, mô chi tiết trình độ nhằm đánh giá đầy đủ, xác mức độ an toàn tin cậy hệ thống, với khối lượng tính toán mức độ phù hợp 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Bảo vệ Hệ thống điện – GS.VS Trần Đình Long [2] Lưới điện Hệ thống điện – PGS Trần Bách [3] Ổn định Hệ thống điện – PGS Trần Bách [4] Phân tích điều khiển ổn định Hệ thống điện – PGS.TS Lã Văn Út Tài liệu Tiếng Anh [1] Prabha Kundur (1994), Power System Stability and Control New York: McGraw.Hill [2] Carson W Taylor (1994), Power System Voltage Stability New York: McGraw.Hill [3] Brant Eldridge "August 2003 Blackout Review," available at website: http://www.indiec.com/Meeting%20Schedule/2004/IEC%20Program%20Ag enda%202004.html [4] S Corsi and C Sabelli (June 2004), "General Blackout in Italy Sunday September 28, 2003, h 03:28:00," IEEE Power Engineering Society General Meeting, vol 2, pp 1691.1702 [5] "U.S.Canada Power System Outage Task Force Final Report on the August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada: Causes and Recommendations," Available at website: http://www.nerc.com.,2004 [6] S Larsson and E Ek (2004), "The Black.out in Southern Sweden and Eastern Denmark, September 23, 2003," IEEE Power Engineering Society General Meeting" [7] C D Vournas, V C Nikolaidis, and A Tassoulis (2005), "Experience from the Athens Blackout of July 12, 2004," in IEEE Power Tech Russia [8] UCTE, "Final Report System Disturbance on November 2006," available at website: http://www.ucte.org/_library/otherreports/Final.Report.20070130.pdf [9] Dang Toan NGUYEN (2008), "Contribution l’analyse et la prévention des blackouts de réseaux électriques," in GIPSA.Lab Grenoble INP, 63 [10] Prabha Kundur et al (May 2004), "Definition and Classification of Power System Stability IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions," IEEE Transactions on Power Systems, vol 19, no 3, pp 1387.1401 [11] Voltage Stability and Distance Protection Zone – Master of Science Thesis in the Programme of Electric Power Engineering – Shedhu Abba-Aliyu [12] PSS/E Manual 64 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G2 khỏi hệ thống Channel Plot 1.25 0.75 0.5 0.25 0 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp kích từ tách máy G2 Channel Plot 0.225 0.2 0.175 0.15 0.125 0.1 0.075 0.05 0.025 -0.025 10 20 30 40 50 60 Time (seconds) Đáp ứng tốc độ máy phát tách máy G2 65 70 Channel Plot 4.5 3.5 2.5 1.5 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp kích từ máy phát tách máy G2 Tóm tắt trình tự kiện liệt kê hình Model MAXEX1 Bus 32 [32 AT TIME= 22.000] Machine "1 " : 42.72 TIMER TIMED OUT, LIMITER APPLIED Model MAXEX1 Bus 33 [33 AT TIME= 22.000] Machine "1 " : 54.36 TIMER TIMED OUT, LIMITER APPLIED Network not converged at TIME = 57.0264 66 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G4 khỏi hệ thống Trong trường hợp HTĐ ổn định Channel Plot 1.05 1.025 0.975 0.95 0.925 0.9 0.875 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp máy phát tách máy G4 Channel Plot -0.001 -0.002 -0.003 -0.004 -0.005 -0.006 -0.007 -0.008 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng tốc độ máy phát tách máy G4 67 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G6 khỏi hệ thống Channel Plot 4.5 3.5 2.5 1.5 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp kích từ máy phát tách máy G6 Channel Plot 0.2 0.175 0.15 0.125 0.1 0.075 0.05 0.025 -0.025 10 20 30 40 50 60 Time (seconds) Đáp ứng tốc đô máy phát tách máy G6 68 70 Channel Plot 0.75 0.5 0.25 0 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp máy phát tách máy G6 Trong trường hợp tách máy G6, hệ thống ổn định Sụp đổ điện áp xảy 65s 69 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G7 khỏi hệ thống Trong trường hợp HTĐ ổn định Channel Plot 1.05 1.04 1.03 1.02 1.01 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp máy phát tách máy G7 Channel Plot -0.001 -0.002 -0.003 -0.004 -0.005 -0.006 10 20 30 40 50 60 Time (seconds) Đáp ứng tốc độ máy phát tách máy G7 70 70 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G8 khỏi hệ thống Channel Plot 4.5 3.5 2.5 1.5 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp kích từ máy phát tách máy G8 Trường hợp HTĐ mấtổn định, OXL máy 4, 7, tác động liên tiếp từ 40 đến 45s, gây sụp đổ điện áp : Model MAXEX1 Bus 37 [37 AT TIME= 22.000] Machine "1 " : 40.32 TIMER TIMED OUT, LIMITER APPLIED Model MAXEX1 Bus 33 [33 AT TIME= 22.000] Machine "1 " : 41.62 TIMER TIMED OUT, LIMITER APPLIED Model MAXEX1 Bus 36 [36 AT TIME= 22.000] Machine "1 " : 45.09 TIMER TIMED OUT, LIMITER APPLIED 71 Channel Plot 0.75 0.5 0.25 0 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng điện áp máy phát tách máy G8 Channel Plot 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -0.05 10 20 30 40 50 60 Time (seconds) Đáp ứng tốc độ máy phát tách máy G8 72 70 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G10 khỏi hệ thống Trong trường hợp HTĐ ổn định Channel Plot 0.002 0.001 0.001 -0.001 -0.001 -0.002 -0.002 -0.003 -0.003 -0.004 10 20 30 40 50 60 70 Time (seconds) Đáp ứng tốc độ máy phát tách máy G10 Channel Plot 1.1 1.075 1.05 1.025 0.975 0.95 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Time (seconds) Đáp ứng điện áp máy phát tách máy G10 73 65 70 74 ... Ta cú ng cong P-V vi cỏc h s cụng sut khỏc nhau: |V | = |V2| 1.4 1.2 Điện áp vận hành pf=0.97(sớm pha) pf=1 0.8 Độ dự trữ ổn định 0.6 pf=0.97(trễ pha) 0.4 0.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Hỡnh v 2.2 th... tihaythitbbự.Núchranhyvbinthiờncainỏp nỳtivilngcụngsutphnkhỏngbmvohoctiờuth 16 1.1 |V2| 0.9 Độ dự trữ ổn định 0.8 0.7 Pd=0.1pu, V1=1.0, B=1.0pu 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0.15 0.1 0.15 0.05 0.1 Công suất... li truyn ti 400(kV) ó gim xung 342(kV) 374(kV) Trong ú mt s ng dõy ó b ct bo v quỏ dũng, cng lm in ỏp b gim thp thờm na v sy sp in ỏp sau ú Trong quỏ trỡnh khụi phc li HT ó xy mt s c sp in