Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của hệ thống điện

Chính vì vậy đã xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của tôi Các kết quả tính toán của luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ 1 văn bản luận văn nào khác

Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả luận văn

Trần Văn Thắng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo bộ môn Hệ Thống Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tậm tình giảng dạy và dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình rèn luyện và học tập tại trường

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với cô giáo TS Nguyễn Thị Nguyệt Hạnh, người đã tân tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã có sự cố gắng, nhưng vì thời gian và trình độ còn hạn chế nên bản luận văn không thể tránh khỏi nhưng thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự góp ý chân thành của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để có thể bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu vấn

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 10

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 12

1.1 Chế độ của hệ thống điện: 12

1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ 16

1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ 17

1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh 17

1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua 18

1.3.3 Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp 19

1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện 21

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động 22

1.4.1 Phương pháp tích phân số 24

1.4.2 Phương pháp diện tích 26

Kết luận: 28

Chương 2

THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮTĐỂ NÂNG CAO

ỔN ĐỊNH HỆ THỒNG ĐIỆN 29

2.1 Tổng quan 29

2.2 Cơ sở lý thuyết của thuật toán .30

2.3 Thuật toán 33

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thuật toán: 34

2.3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển 36

2.3.3 Các thông số sơ đồ: 38

2.3.4 Nguyên lý điều khiển: 38

Kết luận: 39

Chương 3 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS /E 40

3.1 Giới thiệu chung 40

3.2 Giới thiệu chương trình PSS /E 41

3.3 Mô phỏng các phần tử chính trong hệ thống điện 42

3.3.1 Nút 42

3.3.2 Nhánh 44

3.3.3 Máy biến áp 45

3.4 Các bước tính toán mô phỏng động HTĐ sử dụng chương trình PSS/E 46

3.4.1 Tính chế độ xác lập 47

3.4.2 Số liệu động 47

3.4.3 Chạy chương trình mô phỏng 49

3.4.4 Phân tích ổn định động 50

Kết luận: 51

Chương 4 NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E 52

4.1.Thông số hệ thống điện 52

4.1.1 Sơ đồ hệ thống điện: 52

4.1.2 Sơ đồ rút gọn: 55

4.2 Chế độ xác lập 56

4.3.Tính toán ổn định động 58

4.3.1 Mô hình và số liệu tính toán ổn định động trong PSS/E 58

4.3.2 Quá trình quá độ khi không áp dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện 60

4.3.3 Kết quả tính toán khi sử dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện 67

Kết luận: 93

KẾT LUẬN CHUNG 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

PHỤ LỤC 96

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TT Chữ viết tắt Ý nghĩa của cụm từ viết tắt

3 CĐXL Chế độ xác lập

5 TĐK Tự động điều chỉnh kích từ

6 TĐT Tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin

8 PSS/E Power System Simulation / Engineering

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

4 Bảng 4.4 Thông số tải 55

5 Bảng 4.5 Kết quả tính toán tại nút 2 56

7 Bảng 4.7 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 1 57

8 Bảng 4.8 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 2 57

9 Bảng 4.9 Dữ liệu máy phát thủy điện 59

10 Bảng 4.10 Tự động kích từ máy phát thủy điện 59

11 Bảng 4.11 Điều tốc máy phát thủy điện 59

12 Bảng 4.12 Thông số máy phát tuabin hơi 59

13 Bảng 4.13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện 59

14 Bảng 4.14 Điều tốc máy phát nhiệt điện 60

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1 Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con 31

2 Hình 2.2 Đồ thị góc lệch δ giữa các vecto điện áp hai hệ thống 31

3 Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ 32

5 Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song

6 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (PT) và góc (δ) của hệ

7 Hình 3.1 Mô phỏng nút trong chương trình PSS/E 42

8 Hình 3.2 Mô phỏng nút phụ tải trong chương trình PSS/E 43

9 Hình 3.3 Mô phỏng nút máy phát trong chương trình PSS/E 43

10 Hình 3.4 Mô phỏng nhánh trong chương trình PSS/E 44

11 Hình 3.5 Mô phỏng đường dây trong chương trình PSS/E 44

12 Hình 3.6 Mô phỏng máy biến áp hai cuộn dây trong chương trình PSS/E 45

13 Hình 3.7 Mô phỏng máy biến áp ba cuộn dây trong chương trình PSS/E 46

14 Hình 3.8 Sơ đồ tính toán các bước không gian trạng thái 50

18 Hình 4.4 Đường đặc tính công suất trên hai đường dây sau khi

19 Hình 4.5 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1 (tnm=0,25s) 62

20 Hình 4.6 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,25s) 63

21 Hình 4.7 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây sau khi cắt D

22 Hình 4.8 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1

23 Hình 4.9 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,32s) 66

24 Hình 4.10 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0

25 Hình 4.11 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,44s

26 Hình 4.12 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,44s (tnm=0,25s) 70

27 Hình 4.13 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi cắt D

32 Hình 4.18 Điện áp tại nút 2 tại thời điểm t=1,9s (tnm=0,25s) 77

33 Hình 4.19 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0 (t

36 Hình 4.22 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi

42 Hình 4.28 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,97s (tnm=0,25s) 87

43 Hình 4.29 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi

PHẦN MỞ ĐẦU

Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do có ưu điểm quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác Hơn nữa điện năng là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, truyền tải và

sử dụng Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự lớn mạnh của nền kinh tế xã hội Cùng với xu thế toàn cầu hóa nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và sẽ hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành các hệ thống điện hợp nhất có quy mô lớn

Mang đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống điện lớn, hệ thống điện Việt Nam với trục đường dây siêu cao áp 500kV nối liền các trung tâm phụ tải với các nhà máy có công suất lớn là tiền đề thuận lợi cho việc mở rộng phạm vi lưới, phát triển nhiều loại nguồn điện để đáp ứng được nhu cầu điện khí hóa đất nước Tuy nhiên hệ thống điện càng lớn sẽ càng phức tạp trong việc nghiên cứu quy hoạch xây dựng và vận hành Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn có các kích động lớn diễn ra đột ngột như các sự cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây khiến mất cân bằng công suất ảnh hưởng đến ổn định toàn hệ thống, có thể gây hậu quả nặng nề Nên cần có các phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện và các biên pháp nhằm ổn định và tái đồng bộ hệ thống điện

Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện Chính vì vậy đã xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ tải Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết bị tự động sẽ chia hệ thống

điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ Điều này hoàn toàn không được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ thống điện sau khi đường dây này bị cắt

Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ

ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái lập đồng bộ hệ thống

Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên lạc nối các hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện và nghiên cứu tính hiệu quả của thuật toán này áp dụng cho hệ thống điện đơn giản

Với các lý do và mục đích trên, bản luận văn có nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về ổn định hệ thống điện và các phương pháp nâng

cao ổn định động hệ thống điện

Chương 2: Trình bày thuật toán điều khiển máy cắt để tăng tính ổn định hệ thống

điện

Chương 3: Giới thiệu phần mềm PSS/E

Chương 4: Sử dụng phần mềm PSS/E để chứng minh thuật toán thông qua việc tính

toán mô phỏng trên một hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống con được nối với nhau bằng hai đường dây liên lạc

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Chế độ của hệ thống điện:

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện

Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của

hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xum quanh các trị số định mức Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường) Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau

sự cố) Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chống khắc phục

Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thông điện Đó

là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác Chế

độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn) Chế dộ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến tới chế độ xác lập mới Trong trường hợp này các thông số của

hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 Chế độ quá độ khi khi đó gọi là chế độ quá độ sự cố Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế

độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ

cơ bản làm việc của hệ thống điện

Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc

độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0 Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột

ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột Chế độ xác lập tương ứng bị dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc làm thay đổi góc lệch roto

Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau nhưng kích động lớn Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị cắt ra đột ngột

Hình 1.1

Công suất PT được coi là không đổi Công suất điện từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp δ

P(δ) = m

H

E.U sinδ=P sinδ

Trong đó XH = XF + XB + XD/2

Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ PT của tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1) Hệ thống làm việc tại điểm cân bằng a Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống XH

tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2) Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’01 (điểm cân bằng

ổn định tĩnh) Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’01 là chế độ quá độ, diễn ra theo đặc tính động của hệ thống Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’01 hoặc không, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy phát chuyển từ a → b Công suất điện từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c Đến thời điểm góc lệch bằng δ’01

thì tương quan công suất trở nên cân bằng Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng do quán tính Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là là động năng tích lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm, điểm làm việc tiếp tục chuyển từ c→d Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δmax động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng nữa – thời điểm góc lệch cực đại Sau thời điểm này, không còn động năng mà P(δ)>PT (momen hãm lớn hơn momen phát động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d về

c Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao động của góc lệch δ Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ’01của chế độ xác lập mới Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động Phần diện tích giới hạn giữa dặc tính PT và P(δ) Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượng tích lũy trong roto và năng lượng hãm Trong khoảng góc lệch δ01 → δ’01 là năng lượng tăng tốc ứng với quá trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’01 → δmax

là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích lũy

Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài) đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn trong trường hợp này, khi góc lệch δ tăng nó không dừng lại ở trị số δmax trước khi tiến tới điểm δ’02 Đó là vì công hãm (tỷ lệ với phần diện tích giới hạn đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công suất tuabin PT) nhỏ hơn động năng tích lũy trước đó của động năng máy phát (tỷ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới PT) Sau khi vượt qua δ’02 tương quan công suất lại đổi chiều PT> P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng Dễ thấy tương quan PT> P(δ)

sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy phát Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, lên trị số rất lớn Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động

Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong hình 1.2

Hình 1.2

Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát Trong trường hợp này đặc tính công suất phả kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp

U sẽ giao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của sự cố - cắt ít hay nhiều công suất của máy phát

Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống Chẳng hạn đặc tính công suất phát QF bị giảm xuống quá thấp, không cắt đặc tính Qt Trong các trường hợp như vậy hiển nhiên quá trình quá độ không ổn định vì không có điểm cân bằng Nói khác đi sự tồn tại chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định động

Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này không hoàn toàn tương đương nhau Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn định động như sau đối với hệ thống điện

Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ

Khi hệ thống rơi vào mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra làm mất những lượng công suất lớn

- Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ

- Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các phụ tải

Hậu quả kéo theo:

- Bảo vệ rơle tác dộng nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình phục hồi có thể làm ngừng cung cấp điện trong nhũng thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các máy phát

Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành

hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:

- Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố

- Cần có độ dữ trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc bình thường với các biến đổi thường xuyên các thông số chế độ

- Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao thác vận hành và kích động của sự cố Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động

có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng)

Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện Ngoài ra, còn hàng loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại quá trình quá dộ diễn ra

đủ ngắn

1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ

1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh

Hình 1.3 Hình 1.4

Cắt nhanh ngắn mạch là biện pháp hiệu quả và được áp dụng phổ biến để cải thiện ổn định động hệ thống Hiệu quả của phương pháp này dễ dàng giải thích bởi

việc làm giảm được thời gian gia tốc cho roto các máy phát Khi đó, đồng thời với việc làm giảm diện tích gia tốc còn có thể làm tăng diện tích hãm tốc Như vậy cắt nhanh ngắn mạch làm tăng được khả năng chuyên tải công suất trên đường dây theo giới hạn ổn định động

Bằng phương pháp diện tích cũng có thể xây dựng quan hệ giữa giới hạn ổn định động với thời gian tồn tại ngắn mạch Kết quả cho thấy giới hạn công suất truyền tải giảm khá nhanh theo thời gian tồn tại ngắn mạch (hình 1.4) Đối với hệ thống phức tạp không thể sử dụng được phương pháp diện tích để phân tích như trên vì quá trình quá độ sau ngắn mạch diễn ra phức tạp hơn Tuy nhiên, dễ nhận thấy rằng, khi thời gian tồn tại ngắn mạch giảm thì năng lượng toàn phần gây ra bởi kích động cũng giảm, hạn chế chuyển mạch quá độ dẫn đến mất ổn định động Đó cũng là cơ sở để kết luận định tính nói chung cho hiệu quả các thiết bị bảo vệ cắt nhanh ngắn mạch về phương diện nâng cao tính ổn định động hệ thống

1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua

Hình 1.5 Hình 1.6

Thiết bị tự động đóng trở lại đường dây bị cắt ra do ngắn mạch đường được

áp dụng khá rộng rãi do xác xuất xảy ra ngắn mạch thoáng qua tương đối lớn Chẳng hạn, đường dây bị ngắn mạch do phóng điện sét sẽ không còn sự cố sau khi

cắt nhanh ra khỏi nguồn một thời gian ngắn (đủ để hồ quang bị dập tắt) Sau đó nếu đường dây được đóng trở lại nó sẽ làm việc bình thường Ngoài ý nghĩa tăng cường

độ tin cậy cung cấp điện, việc thực hiện dóng lại đường dây (1 lần hay nhiều lần), nếu thành công còn có ý nghĩa nang cao ổn định động Trên hình 1.5 và 1.6 minh họa hiệu quả đóng trở lại đường dây thành công theo phương pháp diện tích

Nếu hệ thống liên kết bằng một đường dây, sau đó đóng lặp lại thành công

hệ thống vẫn có khẳ năng giữ ổn định động (Hình 1.5) Với hệ thống được liên bằng đường dây kép, nếu đóng lại thành công khẳ năng giữ ổn định sẽ nhiều hơn vì diện tích hãm được tăng cường (Hình 1.6) Khi thực hiện đóng lại theo từng pha (chỉ cắt pha bị ngắn mạch) và đóng lại, nếu đóng lặp lại thành công (ngắn mạch thoáng qua) hiệu quả còn lớn hơn nhiều

Điều chỉnh kích từ máy phát có hiệu quả rõ rệt đối với ổn định tĩnh, đặc biệt khi áp dụng hệ thống kích từ nhanh với TĐK tác động mạnh Tuy nhiên khi diễn ra quá trình quá độ đối với kích động lớn TĐK rất ít tác dụng Vấn đề ở chỗ TĐK được cấu tạo trên cơ sở mô hình tuyến tính (xuất phát từ hệ phương trình vi phân đã tuyến tính hóa) còn quá trình quá độ diễn ra với kích động lớn lại rất phi tuyến Cũng vậy, cơ cấu tự động điều chỉnh tần số của tuabin vốn có tại các tổ máy, được thiết kế không theo yêu cầu nâng cao ổn định động Hiệu quả nâng cao ổn định động chỉ có thể có được khi điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp bằng quy luật riêng Về nguyên tắc luôn có thể chọn được các quy luật điều khiển với tác động tối

ưu

Ví dụ khi điều khiển tuabin bằng một xung tác động vào động cơ sơ cấp nhằm nâng cao ổn định động hệ thống trong tình huống sự cố ngắn mạch Diện tích gia tốc có thể giảm được nếu có thể giảm nhanh công suất tuabin đến trị số cân bằng Muốn vậy ta tạo ra một xung với biên độ cực đại theo chiều làm giảm độ mở của hơi ngay khi xảy ra ngắn mạch Quán tính của động cơ sơ cấp và quán tính giãn

nở hơi làm công suất tuabin chỉ gảm dược từ từ theo quy luật hàm mũ Hình 1.7 thể hiện hiệu quả của tác động xét theo phương pháp diện tích

Hình 1.7

Trong trường hợp đang xét hệ thống sẽ bị mất ổn định nếu không điều khiển

hạ thấp công suất tuabin Khi có điều khiển không những diện tích hãm tăng lên mà diện tích gia tốc cũng giảm đi một lượng Hệ thống giữ được ổn định với góc cắt ngắn mạch δN khá lớn Tuy nhiên góc lệch δbị giao động mạnh, bởi quá trình trở về công suất điện lớn hơn đáng kể so với công suất tuabin Dễ thấy rằng nếu xung điều khiển bị kéo dài dao động diễn ra sẽ lớn hơn nhiều so với khi lựa chọn thích hợp Hơn nữa, yếu tố quán tính chuyển động của xu-pap đóng mở cửa hơi có ảnh hưởng tương đối nhiều đối với hiệu quả điều khiển Nếu quán tính quá lớn sẽ không còn tác dụng nữa Việc giảm công suất tuabin nước có thêm khó khăn khác là xung động sẽ rất mạnh khi khép đột ngột cửa nhận nước Để giải quyết khó khăn này người ta đã nghiên cứu kiểu cấu tạo riêng cửa nhận nước giành cho mục đích nêu trên Một buồng chân không được khóa kín nối liên thông với hệ thống ống dẫn nước vào Khi có tín hiệu điều khiển, cửa van được mở đột ngột, nước từ đường dẫn

chính dồn vào bình chân không, cắt lượng nước chảy vào tuabin Sau sự cố trạng thái chân không của bình lại được khôi phục sẵn sàng chờ lần sự cố tiếp theo

Về nguyên lý, thực hiện kích thích cường hành (điều khiển trực tiếp điện áp kích từ) với chiều dài thời gian thích hợp cũng có thể tạo ra hiệu quả làm tăng momen hãm tương tự điều khiển cửa hơi (hoặc nước) Tuy nhiên, quán tính điện từ của cuộn roto khá lớn nên hiệu quả không cao (do momen điện từ thay đổi chậm)

1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện

Các đường dây điện áp siêu cao thường được bù thông số Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh tăng lên do bù dọc làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng đường dây) Một cách gián tiếp giới hạn ổn định động cũng được tăng do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ Tuy nhiên, ổn định động hệ thống còn có thể cải thiện đáng kể nếu đặt thiết bị bù có điều khiển Đặc điểm quan trọng của các thiết bị bù cấu tạo với thyristor là có tác động điều khiển (làm thay đổi điện kháng) gần như tức thời, do đó hiệu quả điều khiển rất cao Kháng bù ngang có điều khiển thường được dùng nguồn cung cấp công suất phản kháng điều chỉnh nhanh cho mục đích ổn định điện áp, nâng cao ổn định tĩnh, còn thiết bị bù dọc có điều khiển thường dùng vào mục đích giảm dao động công suất và nâng cao ổn định động Hình 1.8 minh họa hiệu quả nâng cao giới hạn ổn định động và giảm biên độ dao động góc lệch (cũng có nghĩa là giảm dao động công suất) giữa hai hệ thống liên kết đường dây dài có tụ bù dọc và bù ngang tại điểm giữa

Sau khi cắt đoạn đường dây bị ngắn mạch, nếu không điều khiển dung lượng

bù điện dẫn liên kết hệ thống có trị số y0 Khả năng tăng cường điện dẫn lên ymaxhoặc giảm xuống ymin có thể thực hiện bằng cách điều khiển tụ bù dọc Dễ nhận thấy, thời điểm đóng cắt thay đổi dung lượng bù có ý nghĩa hết sức quan trọng Tác động sai sẽ rất ít hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng thêm dao động dẫn đến làm mất

ổn định hệ thống

Hình 1.8

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động

Việc tính toán kiểm tra điều kiện ổn định động là hết sức cần thiết cho việc xây dựng và vận hành an toàn lưới điện, đặc biệt là giải quyết bài toán thời gian thực, đánh giá ổn định nhanh và chính xác để phục vụ thao thác điều khiển Có nhiều phương pháp phân tích ổn định động, chúng được nghiên cứu và ứng dụng với nhiều kiểu hệ thống khác nhau Để tính toán ổn định động cần dựa vào hệ

phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ, do đó có các mô hình khác nhau mô tả

hệ thống: mô hình đơn giản bỏ qua ảnh hưởng quá trình quá độ bên trong các bộ tự động điều chỉnh và mô hình đầy đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này Mỗi trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích tính ổn định động Việc lựa chọn hợp lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ Khác với ổn định tĩnh, các phương trình vi phân ban đầu không có khẳ năng tuyến tính hóa Đó là vì các kích động lớn quá trình quá độ diễn ra có các thông số thay đổi mạnh, trên phạm vi rộng của các đặc tính phi tuyến Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là đoạn thẳng

sẽ mắc sai số đáng kể

Nghiên cứu ổn định động hệ thống điện theo hệ phương trình vi phân phi tuyến là rất khó khăn Về nguyên tắc có thể ứng dụng phương pháp trực tiếp của Lyapunov để kết luận tính ổn định theo miền kích động ban đầu Miền này có thể tính được dựa trên các yếu tố sự cố (ví dụ sự cố, thời gian tồn tại ngắn mạch ….) Tuy nhiên có rất nhiều khó khăn trong cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov theo phương trình quá trình quá độ của hệ thống điện Đó cũng là lý do chủ yếu hạn chế các ứng dụng thực tế của phương pháp này

Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn cả để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch δ, trên cơ sở đó đánh giá được ổn định động Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại mô hình và cấu trúc hệ thống điện Tuy nhiên, phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm rất cơ bản:

- Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế mất hiệu quả ứng dụng trong các bài toán điều khiển nhanh

- Độ chính xác thấp khi tính quá trình quá độ trong thời gian dài

- Khó phân tích kết quả

Đối với các hệ thống điện đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa quá trình quá độ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi có thể

(với các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa

ưu điểm của phương pháp này

1.4.1 Phương pháp tích phân số

Với mô hình đơn giản (coi E’q = const) phương trình vi phân quá trình quá

độ diễn ra trong hệ thống đang xét, kể từ thời điểm một đường dây cắt ra có dạng sau:

' 2

q J

ω dt X (1-2) Trong đó P0 là công suất tác dụng của máy phá coi như không đổi (bằng công suất cơ của tuabin) Để áp dụng các chương trình tính toán thường cần đưa phương trình về dạng chuẩn của bài toán Cô-si:

dδ = s

dt (1-3)

' 0

0

ds = (P - sin )

q II J

E X

∑

(1-4) Các điều kiện đầu của chương trình:

δ(0) = δ0I = arcsin(P0/PmI) s(0) = 0

suy ra từ điều kiện cụ thể của hệ thống tại t = 0 sau khi cắt đường dây

Kết quả tính toán nhận được bằng phương pháp tích phân số sẽ là các trị số của góc lệch δ(t) ở những thời điểm khác nhau (đồng thời cũng có các giá trị của độ lệch tần số s(t) biến thiên theo thời gian) Có thể biểu diễn kết quả dưới dạng đường cong hoặc bảng số để phân tích Nếu tính toán thời gian đủ dài mà ở mọi thời điểm đều có δ(t) < 2π ta nói quá trình quá độ ổn định Cũng có thể bằng trực giác, dựa váo dạng đường cong δ(t) để kết luận về đặc trưng ổn định của hệ thống (dao động tắt dần hay tăng trưởng vô hạn)

Trong ví dụ trên mỗi lần tính toán ta nhận được một đường cong duy nhất của góc lệch δ (và 1 đường cong dao động tần số góc s = ω – ω0 nếu quan tâm) Tuy nhiên cũng có thể tiến hành tính toán nhiều lần để quan sát đặc trưng ổn định của hệ

thống theo các điều kiện khác nhau, ví dụ với trị số công suất phát P0 khác nhau, điện áp U của hệ thống khác nhau … Trên hình 1.9 là kết quả tính toán với các giá trị P0 khác nhau của ví dụ đang xét Có thể thấy sau khi bị cắt đột ngột một đường dây nhưng vào lúc tải nhẹ hệ thống ổn định động Công suất tải càng tăng khả năng mất ổn định càng lớn Thay đổi điện áp U ta cũng có các kết quả khác nhau: điện áp

U càng giảm khả năng giữ ổn định động hệ thống càng kém

Hình 1.9

Trong phương pháp tích phân số có một vấn đề về sai số tích lũy Khi xét quá trình quá độ dài, số bước tích phân lớn sai số có thể làm sai hẳn tính chất của quá trình quá độ (từ ổn định có thể trở thành không ổn định) Vì thế cần thận trọng khi xét kết quả ở các khoảng thời gian tới vài giây

1.4.2 Phương pháp diện tích

Xét hệ thống điện đơn giản như trên hình 1.10 do sự cố (ví dụ sét đánh) một

đường dây bị cắt ra không đóng lại được Hệ thống chuyển sang trạng thái vận hành

với một đường dây

Hình 1.10

Trong khi phân tích ổn định động nội dung cơ bản cần xác định chính xác đó

là quá trình quá độ có ổn định hay không Với phương pháp diện tích ta có thể xác

định xem đường cong quá trình quá độ như trên hình 1.10 trong trường hợp a) hay

trong trường hợp b) là ổn định hay không ổn định mà không cần biết từng giá trị cụ

thể của các đường cong Sau thời điểm đường dây bị cắt t = 0 góc lệch δ tăng từ δ0I

đến δ0II roto nhận được một công A1 nào đó của mômen thừa Từ hình 1.10 ta có dễ

dàng xác định được:

II 0

I 0

δ

II m

δ

A = (P - P sinδ)dδ∫

Sau quá trình này góc lệch δ tăng tiếp tục từ δ0II đến δmax (trường hợp a) nó thực hiện một công A2 chống lại mômen hãm:

max

II 0

δ

II m

δ

II m 0 δ

Phương pháp và tiêu chuẩn vùa nêu được gọi là phương pháp và tiêu chuẩn diện tích Đó là vì các trị số của công gia tốc và công hãm tỉ lệ với các diện tích giới hạn bởi các đường cong dặc tính công suất(còn gọi là diện tích gia tốc và diện tích hãm tốc) Trường hợp chung cần biểu thị các trị số công như là diện tích giữa đường cong độ lệch công suất ∆P = PT – P với trục hoành (hình 1.11)

Kết luận:

Khi hệ thống điện rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ gây ra nhiều sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống, có thể dẫn đến tan rã hệ thống, quá trình tái đồng bộ hệ thống điện để phục hồi cung cấp điện mất nhiều thời gian

Có nhiều phương pháp để nâng cao ổn định hệ thống điện và mỗi phương pháp đều có các ưu nhược điểm riêng nhưng chưa có phương pháp nào có thể tái đồng bộ hệ thống điện một cách nhanh chóng khi hệ thống điện đã hoạt động ở trạng thái mất đồng bộ sau sự cố Trong đồ án này ta giới thiệu phương pháp điều khiển máy cắt để nâng cao ổn định hệ thống nhằm giải quyết vấn đề trên

Tính toán quá trình quá độ, ổn dịnh động của hệ thống điện rất phức tạp, nên cần sử dụng chương trình mô phỏng để tính toán

Chương 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT

ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỒNG ĐIỆN

2.1 Tổng quan

Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện Chính vì vậy tại một số nước phát triển (Nga…) đã xuất hiện thiết bị tự động khắc phục chế độ không đồng bộ với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ tải Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết

bị tự động sẽ chia hệ thống điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ Điều này hoàn toàn không được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ thống điện sau khi đường dây này bị cắt Ở Việt Nam hiện nay không có thiết bị tự động nào tự động khắc phục chế độ không đồng bộ Do đó nếu xuất hiện chế độ không đồng bộ các rơle có thể tác động sai và gây rã lưới hệ thống

Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ

ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái lập đồng bộ hệ thống

Mục đích của luận án là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển

đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên kết các hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện

Việc sử dụng máy cắt đã được các nhà khoa học Châu Âu và Châu Á đề xuất nhằm tăng ổn định của các hệ thống điện và giải quyết được khó khăn trong việc duy trì ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là hệ thống điện hiện đại khi nhu cầu tiêu thu và sử dụng điện năng ngày càng tăng

Qua tài liệu tham khảo [8] ta thấy rằng, các nhà khoa học Nga và Nhật Bản

đã nghiên cứu, chứng minh được khả năng ứng dụng, và tính hiệu quả của phương pháp điều khiển chế độ không đồng bộ bằng cách điều khiển đóng, cắt máy cắt điện trên đường dây truyền tải liên kết giữa các hệ thống, ngay cả khi hệ thống không giữ được ổn định bằng các phương pháp điều khiển thông thường Nhưng phương pháp này đòi hỏi phải biết góc lệch pha giữa các hệ thống điện Điều này đặc biệt khó khăn vì phải có thiết bị đo lường và truyền tin từ nhiều nhà máy điện và phải đồng bộ hóa các thông tin nhận được

Từ các xem xét trên dẫn đến đặt ra bài toán ứng dụng điều khiển chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện bằng cách điều khiển đóng, cắt máy cắt điện ứng dụng trên đường dây nối các hệ thống điện con và nghiên cứu các điều kiện chọn thời điểm đóng và cắt máy cắt điều khiển mà chỉ dùng các dữ liệu đo lường tại

trạm điện nơi lắp đặt thiết bị điều khiển

Với việc áp dụng phương pháp này có tính kinh tế cao vì tận dụng được thiết

bị đã có sẵn trên đường dây nên hầu như không phải đầu tư nhiều về thiết bị so với các phương pháp khác, và có thể ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam

2.2 Cơ sở lý thuyết của thuật toán

Xem xét nghiên cứu chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con (hình 2.1) Giả thiết rằng các máy phát trong mỗi hệ thống điện con giữ được sự đồng bộ cục bộ Giả thiết hệ thống điện con số 1 là nơi thừa điện năng, còn hệ thống điện con số 2 là nơi thiếu điện năng

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con

Ổn định động của hệ thống điện có thể được tăng lên nếu như điều khiển dòng điện năng trên đường dây sao cho năng lượng được truyền tối đa từ hệ thống 1 sang hệ thống điện 2

Khi xảy ra chế độ không đồng bộ các vectơ sức điện động có thể có tốc độ quay khác nhau và khác với tốc độ đồng bộ, góc δ sẽ biến đổi theo thời gian, gây nên hiện tượng dao động của điện áp, dao động của công suất truyền tải trên đường dây liên kết hai hệ thống Nghiên cứu đặc tính công suất, điện áp theo góc lệch δ trên đường dây trong chế độ không đồng bộ với giả thiết U1 = U2 = U = const ta

có quy luật biến thiên của các thông số chế độ trong chế độ không đồng bộ như sau:

Hình 2.2 Đồ thị góc lệch δ giữa các vecto điện áp hai hệ thống

Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ

Hình 2.4 Đặc tính công cuất tác dụng theo góc δ

Đặc tính công suất có dạng hình sin, giá trị cực đại đạt được khi góc lệch δ gần giá trị 90 độ, và khi góc lệch δ gần 180 độ thì hướng truyền điện năng trên đường dây quay ngược lại Đặc điểm này có thể được sử dụng trong việc xây dựng các điều kiện chọn thời điểm đóng và cắt máy cắt điện điều khiển

Mức độ dao động của điện áp tùy thuộc vào vị trí của điểm quan sát trên đường dây Càng gần tâm dao động điện thì giá trị điện áp càng giảm, điện áp có giá trị cực tiểu khi góc lệch δ gần giá trị 180 độ Đặc biệt ở trung tâm dao động điện giá trị điện áp này giảm đến không

2.3 Thuật toán

Dựa trên cơ sở lý thuyết của thuật toán, và các đường đặc tính công suất và điện áp theo góc δ ở chế độ không đồng bộ, ta sẽ xây dựng thuật toán điều khiển đóng và cắt máy cắt điện trên đường dây để nâng cao tính ổn định động của hệ thống

Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giản gồm 2 nhà máy làm việc song song

được liên kết bởi 2 lộ đường dây

Hình 2.5 thể hiện hệ thống điện đơn giản gồm hai nhà máy điện làm việc song song được liên kết bởi 2 lộ đường dây Khi một lộ đường dây bị sự cố (ở luận văn này ta giả sử sự cố là ngắn mạch 3 pha duy trì), sau khi khắc phục sự cố lộ đường dây bị sự cố sẽ được cắt ra và không đóng trở lại được, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái vận hành với một đường dây, khi đó đường dây còn lại sẽ phải truyền tải toàn bộ công suất truyền tải từ hệ thống 1 thừa công suất sang hệ thống 2 thiếu công suất Việc truyền tải một lượng công suất lớn (gấp 2 lần công suất ở chế

độ định mức) này có thể dẫn đến sự mất ổn định động của hệ thống dẫn đến phải cắt

cả đường dây còn lại, khi đó hệ thống sẽ được tách ra thành hai hệ thống điện con sau khi khắc phục sự cố

Sự tách ra của hệ thống có thể gây ra hiện tượng mất đồng bộ máy phát và sa thải phụ tải do sự biến đổi tần số quá mức Sau đó để có thể đồng bộ lại hệ thống thì cần phải có một khoảng thời gian tương đối

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu thuật toán:

Phương pháp điều khiển bằng máy cắt đề xuất được nghiên cứu dựa trên cơ

sở của tiêu cân bằng diện tích Đặt δ 1 và δ 2 tại vị trí trung tâm giao động điện (COI) của hệ thống 1 và hệ thống 2 tương ứng Sự chuyển động linh hoạt của các COI của

hệ thống 1 và 2 được xác định bởi công thức:

M1 δ 1 = Pm1 – PL1 – PT (2-1)

M2 δ 2 = Pm2 – PL2 + PT (2-2)

Trong đó M1 là tổng của các hằng số quán tính của tất cả các máy phát của

hệ thống 1, Pm1 là tổng công suất đầu vào của tất cả các máy phát trong hệ thống 1,

và PL1 là tổng phụ tải điện của hệ thống 1 M2, Pm2 và PL2 cũng được định nghĩa một cách tương tự

PT: Công suất truyền tải trên đường dây từ hệ thống 1 thừa công suất sang hệ thống 2 thiếu công suất

Sự chuyển động của COI của hệ thống 1 đối với hệ thống 2 có thể xác định bởi:

Công thức (2-3) tương đương với phương trình chuyển động của một máy đơn với thanh cái hệ thống vô cùng lớn, tiêu chuẩn cân bằng diện tích có thể dễ dàng được sử dụng để phân tích sự ổn định quá độ của hệ thống bằng phương pháp điều khiên máy cắt điện

Hình 2.6 cho thấy mối quan hệ giữa công suất (PT) và góc (δ) của hệ thống Xem xét trong trường hợp có sự cố trên mạch kép đường dây truyền tải và hai hệ thống bị tách rời nhau sau khi khắc phục sự cố Bỏ qua sự ảnh hưởng của bộ điều tốc và sự phụ thuộc của điện áp theo đặc tính tải, có thể coi công suất đầu vào P0

của máy là không đổi

Hình 2.6 cũng chỉ ra rằng năng lượng gia tốc tăng nếu đường dây truyền tải đang ở trạng thái đóng trong khoảng thời gian mà π < δ < 2π Bởi vậy, đường dây truyền tải nên được ngắt ra khi π < δ < 2π nhằm giảm năng lượng gia tốc

Ngược lại, đường dây truyền tải nên được đóng lại trong khoảng thời gian

mà 2π < δ < 3π nhằm tăng thêm năng lượng hãm tốc

Khi áp dụng phương pháp điều khiển đã đề xuất, năng lượng gia tốc của COI

hệ thống 1 đối với hệ thống 2 là tương đương với vùng diện tích S0 và S1.Tương tự năng lượng hãm tốc là S2

Vì thế nếu:

S0 + S1 < S2 (2-7)

δ

Xẩy ra thì hai hệ thống sẽ tự tái đồng bộ mà không cần phải sa tải

Ngay cả khi bất đẳng thức (2-7) không xẩy ra, hai hệ thống vẫn có thể tái đồng bộ bằng cách đóng- cắt điện liên tiếp đối với đường dây truyền tải nếu S2> S1

Nếu góc pha δ tăng lên:

- Ngắt đường dây truyền tải khi (2n-1) π < δ < 2nπ

- Đóng đường dây truyền tải khi 2n π < δ < (2n+1)π

Kết thúc quá trình đóng cắt nếu hai hê thống được tái đồng bộ thành công Năng lượng hãm tốc S2-S1 >0 đối với COI của hệ thống A tăng lên trong suốt quá trình đóng và cắt điện Bởi vậy hai hệ thống có thể tái đồng bộ bởi một chuỗi đóng cắt liên tiếp

Qua nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, các đặc tính công suất truyền tải và điện

áp theo góc lệch δ giữa hai hệ thống con, và phương pháp xây dựng thuật toán Trong luận văn này đưa ra giải pháp điều khiển máy cắt xoay chiều sau khi đã khắc phục sự cố để có thể tái đồng bộ nhanh chóng hệ thống này như sau:

đường dây đi qua giá trị không, thời điểm đó tương ứng với góc lệch pha bằng δ =

1800 sau khi khắc phục sự cố

Bước 2: Đóng lại đường dây liên kết này khi góc lệch pha δ giữa hai đầu của

đường dây đạt 3600 sau khi khắc phục sự cố

Bước 3: Kết thúc chuỗi đóng cắt nếu chắc chắn rằng hệ thống được tái đồng

bộ thành công

suất truyền tải trên đường dây đi qua giá trị không, khi đó tương ứng với góc pha bằng δ = k.1800 và đóng trở lại khi δ =k.3600 Trở lại bước 3

Phương pháp điều khiển bằng máy cắt được đề suất cho phép tái đồng bộ nhanh chóng giữa hai hệ thống điện con đã mất đồng bộ mà không phải sa thải phụ tải bằng các rơle tần số thấp bởi vì nó chỉ có thể truyền tải điện theo một hướng từ

hệ thống 1 sang hệ thống 2

Từ đó ta có sơ đồ thuật toán điều khiển máy cắt như sau

2.3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển

i= i+1

2.3.3 Các thông số sơ đồ:

+) Thông số cần đo:

Ud: Điện áp đo được trên đường dây

Pd: Công suất đo được trên đường dây

c

d: Góc lệch dcủa vecto điện áp tại đầu vào máy cắt điện điều khiển

'

c

d : Góc lệch dcủa vecto điện áp tại đầu ra máy cắt điện điều khiển

+) Thông số kiểm tra:

0

e ³ : Gía trị ngưỡng khởi động công suất tác dụng cho trước

ng

U : Giá trị ngưỡng khởi động điện áp cho trước

d d: Giá trị ngưỡng khởi động góc lệch δ cho trước

k: Số lần đóng cắt giới hạn (k = ¸ 8 10)

' 12

d = d c- d c : Góc lệch d giữa hai đầu của máy cắt điện điều khiển

2.3.4 Nguyên lý điều khiển:

Điều kiện chọn thời điểm đóng, cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây

liên kết giữa hai hệ thống điện con khi xuất hiện chế độ không đồng bộ như sau:

+) Điều kiện chọn thời điểm cắt máy cắt điện điều khiển:

Đo các thông số Ud, Pd trên đường dây truyền tải và thực hiện so sánh với

các giá trị đặt Trước hết kiểm tra thông số điện áp đo được trên đường dây nếu:

- Ud > U : Hệ thống tái đồng bộ thành công ng

- Khi Ud < U (1) thực hiện bước so sánh tiếp theo về giá trị công ng

suất đo được trên đường dây truyền tải với giá trị công suất đặt nếu:

- Pd > ε : Không thực hiện điều khiển máy cắt điện

- Khi Pd < ε (2): Thực hiện điều khiển đóng máy cắt điện

Như vậy khi điều kiện (1) và (2) cùng thỏa mãn sẽ có lệnh cắt máy cắt điện

điều khiển, cắt đường dây truyền tải còn lại giữa hai hệ thống Sau khi cắt máy cắt

hệ thống trở thành hai hệ thống con hoạt động độc lập

+) Điều kiện chọn thời điểm đóng máy cắt điện điều khiển:

Để đóng lại máy cắt điện sau khi hai hệ thống đã bị tách rời ta cần đo các thông số góc lệch d c, '

c

d tại đầu vào và đầu ra của máy cắt điều khiển

Xác định góc lệch pha:

' 12

d = d c- d c Với: d1:Góc lệch d của vecto điện áp hệ thống điện 1

d2:Góc lệch d của vecto điện áp hệ thống điện 2

Và giả thiết rằng các máy phát trong mỗi hệ thống điện con giữ được sự đồng bộ cục bộ nên ta có '

d = d c- d c = d - d Khi