Nghiên cứu phương pháp xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống điện phức tạp, ứng dụng vào hệ thống điện việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Mạnh Cường NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG VÀO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Mạnh Cường

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP,

ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Mạnh Cường

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH GIỚI HẠN TRUYỀN TẢI THEO ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN PHỨC TẠP, ỨNG DỤNG VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

Ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 9520201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS TS Lã Văn Út

2 TS Trương Ngọc Minh

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan luận án được tiến hành nghiên cứu một cách nghiêm túc

và kết quả nghiên cứu của các nhà nghiên cứu đi trước đã được tiếp thu một cách chân thực, cẩn trọng, có trích nguồn dẫn cụ thể trong luận án

Hà Nội, ngày 12 tháng 04 năm 2018 XÁC NHẬN CỦA TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Thời gian làm Nghiên cứu sinh tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội (ĐHBKHN) đã làm thay đổi sâu sắc thế giới quan của tôi Những bài học mới, những khám phá khoa học của luận án chỉ là một phần rất nhỏ những gì tôi học được trong 6 năm nghiên cứu Điều lớn hơn tôi lĩnh hội được từ tập thể hướng dẫn, đó là tư duy khoa học và sự khiêm tốn Tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến GS TS Lã Văn Út và TS Trương Ngọc Minh đã luôn động viên tôi trong những thời điểm khó khăn và giúp đỡ không giới hạn để tôi hoàn thành luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới tập thể cán bộ giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, cán bộ Viện Điện và Viện Sau đại học đã luôn giúp đỡ, tạo mọi điều kiện, đồng thời động viên tinh thần, giúp tôi từng bước hoàn thành các học phần bổ sung, học phần Tiến sĩ, các chuyên đề Tiến sĩ

Tôi không thể hoàn thành luận án nếu thiếu sự giúp đỡ của cơ quan nơi tôi công tác Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo và cán bộ Viện Năng lượng –

Bộ Công Thương, Lãnh đạo và đồng nghiệp Phòng Phát triển Hệ thống điện (P8) đã xắp xếp - bố trí công việc và thời gian thuận lợi để tôi được nghiên cứu học tập tại ĐHBKHN

Cuối cùng, luận án này tôi muốn dành cho gia đình Cảm ơn người bạn đời, Ngô Phương Anh, đã luôn thông cảm, chia sẻ, động viên; hai con gái là nguồn cảm hứng của tôi; cảm ơn Bố Mẹ với sự ủng hộ và hy sinh vô bờ bến

để tôi hoàn thành chặng đường dài, hướng đến chân trời tri thức mới

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x

KÝ HIỆU HÌNH VẼ xii

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ NÂNG CAO GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH 4

1.1 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định 4

1.2 Ổn định HTĐ có sơ đồ đơn giản, khái niệm về chế độ giới hạn 5

1.2.1 Ổn định góc lệch 5

1.2.2 Ổn định điện áp 7

1.2.3 Giới hạn ổn định điện áp - các kịch bản biến thiên thông số 9

1.3 Đặc điểm ổn định HTĐ có sơ đồ phức tạp 13

1.3.1 Trạng thái hệ thống xác lập bởi một tập lớn các thông số biến thiên 13

1.3.2 Ảnh hưởng tác động của các phương tiện tự động điều chỉnh

14

1.4 Phân tích ổn định HTĐ theo lý thuyết ổn định Lyapunov 14

1.4.1 Lý thuyết ổn định theo Lyapunov 14

1.4.2 Một số tiêu chuẩn ứng dụng đánh giá ổn định theo phương pháp xấp xỉ bậc nhất 18

1.4.3 Các tiêu chuẩn thực dụng 21

1.4.4 Nhận xét, thảo luận về các tiêu chuẩn đánh giá ổn định 23

1.5 Các phương pháp xác định giới hạn ổn định HTĐ phức tạp 23

1.5.1 Đặc điểm và các khó khăn của bài toán tìm giới hạn ổn định

23

1.5.2 Tổng quan về các phương pháp đánh giá giới hạn ổn định HTĐ 25

1.6 Các biện pháp nâng cao ổn định cho HTĐ và vai trò của bài toán xác định giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định 37

1.6.1 Nâng cao giới hạn ổn định bằng các giải pháp cấu trúc 38

1.6.2 Nâng cao ổn định hệ thống bằng các biện pháp vận hành 38

1.7 Định hướng phương pháp nghiên cứu của luận án và giới hạn phạm vi nghiên cứu 39

1.8 Kết luận chương 1 39

2 PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TIỆM CẬN TÍNH TOÁN NHANH GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TRÊN CƠ SỞ THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 41 2.1 Đặt vấn đề 41

2.2 Cơ sở lý thuyết của phương pháp ngoại suy tiệm cận xác định giới

hạn ổn định 42

2.2.1 Điều kiện HTĐ ở trạng thái giới hạn ổn định 42

2.2.2 Một số nội dung hình học giải tích không gian 43

2.2.3 Áp dụng lý thuyết hình học giải tích không gian cho hệ phương trình trạng thái HTĐ 47

2.2.4 Xây dựng biểu thức xấp xỉ xác định giới hạn công suất nút HTĐ theo điều kiện ổn định 50

2.2.5 Xây dựng chương trình tính toán giới hạn ổn định HTĐ theo phương pháp ngoại suy tiệm cận 54

2.3 Nghiên cứu diễn biến quá trình tiến đến mất ổn định của HTĐ đơn giản thông qua tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ và phương pháp NSTC

58

2.3.1 Hệ phương trình CĐXL và các biểu thức tính toán cơ bản 59

2.3.2 Giải trực tiếp hệ phương trình và xác định giới hạn ổn định theo phương pháp NSTC 61

2.3.3 Xác định giới hạn công suất nút theo điều kiện ổn định theo phương pháp tính toán liên tiếp và đối chiếu với kết quả của phương pháp NSTC 62

2.4 Ví dụ áp dụng phương pháp ngoại suy tiệm cận với sơ đồ HTĐ phức tạp 69

2.4.1 Sơ đồ Ward & Hale 6-Bus 70

2.4.2 Tính toán áp dụng cho hệ thống điện IEEE 14-Bus 74

2.4.3 Tính toán lưới điện IEEE 39-Bus 77

2.4.4 Tính toán áp dụng cho HTĐ Miền Tây Nam bộ 79

2.5 Kết luận chương 2 84

3 NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN 85

3.1 Tổng quan về thị trường điện và vai trò của việc tính toán giới hạn truyền tải, giới hạn ổn định đối với vận hành thị trường điện 85

3.1.1 Sự hình thành và phát triển của thị trường điện 85

3.1.2 Một số mô hình thị trường điện và định hướng mô hình thị trường điện Việt Nam 87

3.1.3 Cấu trúc thị trường điện 88

3.1.4 Các loại hàng hóa dịch vụ giao dịch trong thị trường điện 91

3.1.5 Mô hình và lộ trình dự kiến phát triển của thị trường điện Việt Nam 92

3.1.6 Bài toán đánh giá giới hạn ổn định HTĐ trong ISO của TTĐ 94 3.2 Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định HTĐ 95

3.3 Mô hình tính toán giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định trong hoạt động của thị trường điện 99

3.4 Tính toán chỉ tiêu ổn định HTĐ phục vụ hoạt động TTĐ dựa trên phương pháp ngoại suy tiệm cận 101

3.5 Nghiên cứu hiệu quả phương pháp qua ví dụ các sơ đồ khác nhau

104

3.5.1 Sơ đồ Ward-Hale 6 bus 104

3.5.2 Sơ đồ IEEE 14 bus 105

3.5.3 Sơ đồ IEEE 39 bus 107

3.6 Ứng dụng tính toán cho sơ đồ HTĐ Việt Nam 110

3.6.1 Hệ thống điện truyền tải 500-220-110 kV Miền Tây 138 bus

110

3.6.2 Hệ thống điện truyền tải Việt Nam 2020 117

3.7 Kết luận chương 3 120

4 NGHIÊN CỨU MỞ RỘNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP NSTC TRONG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HTĐ 122

4.1 Giám sát và điều khiển diện rộng HTĐ và các nội dung liên quan đến ổn định hệ thống 122

4.2 Mô phỏng ứng dụng phương pháp cảnh báo ổn định theo các chỉ dấu nguy hiểm mất ổn định điện áp các nút 123

4.2.1 Phân tích sự thay đổi của các chỉ số cảnh báo ổn định với hệ thống điện Ward & Hale 6-Bus 124

4.2.2 Mô phỏng quá trình theo dõi và cảnh báo ổn định qua hệ số dự trữ công suất nút tính theo phương pháp NSTC 128

4.3 Kết luận chương 4 130

5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134

Kết luận về những đóng góp khoa học của luận án 134

Kiến nghị về những nghiên cứu tiếp theo 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 141

PHỤ LỤC 1

Phụ lục 1 1

Phụ lục 2 2

Phụ lục 3 3

Phụ lục 4 4

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

NPT : National Power Transmission Cooperation

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng quan nội dung các công trình nghiên cứu đánh giá giới hạn

ổn định 36

Bảng 2.1 Biến thiên giá trị định thức Jacobi và điện áp khi tăng CSPK nút 3 62

Bảng 2.2 So sánh sai số ở mỗi kịch bản tính toán giới hạn ổn định theo phương pháp NSTC so với phương pháp trực tiếp 63

Bảng 2.3 Diễn biến thông số chế độ HTĐ và định thức Jacobi khi tăng dần CSTD phụ tải P3 66

Bảng 2.4 Thông số chế độ khi tăng dần công suất phát P2 67

Bảng 2.5 Kết quả tính toán thông số chế độ ban đầu HTĐ Ward & Hale 71 Bảng 2.6 Các kết quả tính toán sơ đồ Ward & Hale 6-Bus (Sbase=100MVA) 72

Bảng 2.7 Kế quả tính toán giới hạn ổn định sơ đồ Ward&Hale khi công suất tải tăng 20% 73

Bảng 2.8 So sánh kết quả tính GHÔĐ theo phương pháp lặp (CONUS) và NSTC 73

Bảng 2.9 Thông số trạng thái chế độ xác lập HTĐ IEEE 14 Bus 74

Bảng 2.10 Kết quả tính toán giới hạn công suất nút case IEEE 14-Bus 75

Bảng 2.11 So sánh các chỉ số giới hạn ổn định trước và sau khi đặt bù 76

Bảng 2.12 Công suất giới hạn tại một số nút của hệ thống IEEE 39 tính theo phương pháp NSTC và tính lặp 78

Bảng 2.13 Kết quả tính toán giới hạn CSTD nút tải theo 2 phương pháp 82 Bảng 2.14 Kết quả tính toán giới hạn CSPK nút tải theo 2 phương pháp 82 Bảng 3.1 Ma trận dự trữ công suất truyền tải theo tiêu chí ổn định tĩnh 101 Bảng 3.2 Giới hạn công suất nút Pghn– sơ đồ 6 Bus (đơn vị MW) 104

Bảng 3.3 GHSPTT Pspt – sơ đồ 6 Bus (đơn vị MW) 105

Bảng 3.4 Ma trận dự trữ ổn định – sơ đồ 6 Bus (đơn vị: %) 105

Bảng 3.5 Giới hạn CS nút và giới hạn CS truyền tải song phương tăng thêm – sơ đồ IEEE 14 Bus (đơn vị MW) 106

Bảng 3.6 Ma trận Hệ số dự trữ truyền tải theo tiêu chí ổn định 107

Bảng 3.7 Ma trận Pghn của HTĐ IEEE 39 Bus 108

Bảng 3.8 Ma trận Pspt của HTĐ IEEE 39 Bus 108

Bảng 3.9 Ma trận dự trữ truyền tải song phương của HTĐ IEEE 39 Bus 109

Bảng 3.10 Ma trận Pghn của HTĐ Miền Tây 111

Bảng 3.11 Ma trận Pspt của HTĐ Miền Tây 112

Bảng 3.12 Ma trận hệ số dự trữ truyền tải đối với các hợp đồng song phương 114

Bảng 3.13 Ma trận Pghn của HTĐ Việt Nam năm 2020 117

Bảng 3.14 Ma trận Pspt của HTĐ Việt Nam năm 2020 118

Bảng 3.15 Ma trận dự trữ ổn định của các phương thức truyền tải song phương HTĐ Việt Nam năm 2020 119

Bảng 4.1 Thay đổi độ xa công suất (MW,MVAr) các nút theo hệ số tải 125

Bảng 4.2 Hệ số dự trữ ổn định các nút (%) 125

Bảng 4.3 Hệ số σ (Singular Value) theo khai triển SVD 125

Bảng 4.4 Góc công suất α (độ) tính theo [32] 126

Bảng 4.5 Biến thiên phụ tải ngày (trị số tương đối) 128

Bảng 4.6 Hệ số dự trữ công suất các nút 128

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát điện 6

Hình 1.2 Sơ đồ HTĐ đơn giản gồm một phụ tải nối với hệ thống CS vô cùng lớn 8

Hình 1.3 Miền giới hạn công suất truyền tải trên đường dây cấp điện phụ tải 10

Hình 1.4 Đặc tính công suất theo điện áp tại nút tải 10

Hình 1.5 Phân loại ổn định hệ thống điện 12

Hình 1.6 Minh họa tiêu chuẩn ổn định theo Lyapunov 15

Hình 1.7 Biểu diễn hình học tiêu chuẩn tần số Mikhailov 19

Hình 1.8 Các dạng số gia góc của véctơ D(j) trong mặt phẳng phức 20

Hình 1.9 Chuyển động của nghiệm PTĐT trên mặt phẳng phức 24

Hình 1.10 Phương pháp chia đôi liên tiếp bước tính cuối cùng tìm giới hạn ổn định 26

Hình 1.11 Thuật toán tương đương hóa HTĐ thành hình tia để tìm giới hạn ổn định 27

Hình 1.12 Mô tả quỹ đạo nghiệm nguy hiểm để tìm giới hạn ổn định 29

Hình 1.13 Góc công suất ở các trạng thái khác nhau 34

Hình 1.14 Cấu trúc mạng Noron nhân tạo Error! Bookmark not defined. Hình 2.1 Tọa độ điểm a trong không gian 43

Hình 2.2 Đường cong trong không gian 43

Hình 2.3 Mặt cong đi qua điểm a trong không gian 44

Hình 2.4 Giao điểm giữa mặt cong và đường cong trong không gian 44

Hình 2.5 Vị trí tương đối giữa mặt cong và đường cong không gian 45

Hình 2.6 Điểm cắt M ở vị trí ban đầu (a) và ở giới hạn ổn định (b) 51

Hình 2.7 Biến thiên trị số hàm fi khi điểm cắt M dịch chuyển 51

Hình 2.8 Sơ đồ khối chương trình tính toán 56

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý HTĐ đơn giản 3 nút 58

Hình 2.10 Diễn biến định thức ma trận Jacobi khi CSPK Q3 tăng đến giới hạn 64

Hình 2.11 Diễn biến các góc 2, 3 và 0 khi Q3 thay đổi 64

Hình 2.12 Diễn biến các góc công suất nút 1, 2 và 3 khi CSPK nút 3 thay đổi 65

Hình 2.13 Công suất giới hạn Pm3 và |J| tương ứng với sự thay đổi của CSTD tải P3 66

Hình 2.14 Diễn biến các góc công suất i khi thay đổi CSTD tải P3 67

Hình 2.15 Diễn biến giới hạn CSTD Pm2 tương ứng với các giá trị của P2 68

Hình 2.16 Sự thay đổi các góc công suất i khi công suất nguồn P2 tăng dần 69

Hình 2.17 Sơ đồ Ward & Hale 6-Bus 71

Hình 2.18 Sơ đồ HTĐ IEEE 14-Bus 74

Hình 2.19 Sơ đồ Hệ thống điện IEEE 39-Bus 77

Hình 2.20 Bản đồ địa lý HTĐ Miền Tây Nam Bộ 80

Hình 2.21 Kết quả mô phỏng lưới điện Miền Tây năm 2016 81

Hình 3.1 Một số mốc quan trọng đánh dấu sự phát triển TTĐ trên thế giới 86

Hình 3.2 Phân loại mô hình thị trường điện 87

Hình 3.3 Các thành phần của thị trường điện 89

Hình 3.4 Lộ trình phát triển Thị trường điện tại Việt Nam 93

Hình 3.5 Giới hạn truyền tải 95

Hình 3.6 Kịch bản phương thức 98

Hình 3.7 Giao dịch đa phương và song phương 98

Hình 3.8 Sơ đồ thị trường điện gồm nhiều nhà máy điện cấp cho nhiều phụ tải 99

Hình 3.9 Sơ đố khối chương trình tính toán ma trận giới hạn truyền tải song phương theo tiêu chí ÔĐT 103

Hình 3.10 Sơ đồ Ward-Hale 6 Bus với thông số tổng trở nhánh 104

Hình 3.11 Sơ đồ IEEE 14 Bus với thông số tổng trở nhánh 106

Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý HTĐ IEEE 39 Bus 108

Hình 3.13 Hệ thống truyền tải điện 500 kV Việt Nam theo đến năm 2020 118

Hình 4.1 Biểu đồ phụ tải tương đối các nút sơ đồ Ward & Hale 6-Bus 124

Hình 4.2 Thay đổi hệ số dự trữ công suất nút 126

Hình 4.3 Thay đổi góc công suất các nút 127

Hình 4.4 Thay đổi giá trị quy chuẩn khai triển SVD 127

Hình 4.5 Biến thiên hệ số dự trữ công suất các nút 129

Hình 4.6 Thời gian cần cảnh báo nguy hiểm mất ổn định điện áp 130

KÝ HIỆU HÌNH VẼ

Máy phát điện Cuộn dây Tổng trở (hoặc tổng dẫn) Máy biến áp 2 cuộn dây

Máy biến áp 3 cuộn dây Phụ tải điện

Tụ điện

Kháng điện bù ngang

G

Ref:

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], , [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73], [74], [75], [76], [77], [78], [79]

MỞ ĐẦU

1) Lý do, mục đích lựa chọn đề tài:

Hệ thống điện (HTĐ) trên thế giới đang có xu hướng ngày càng được kết nối, mở rộng và phát triển phức tạp hơn so với trước đây Nguyên nhân là do: sự biến đổi ngày càng đa dạng của phụ tải cùng với yêu cầu cung cấp điện ngày càng cao (cả về chất lượng điện năng lẫn độ tin cậy); sự phát triển phong phú các loại nguồn điện mới (nhất là nguồn năng lượng tái tạo

từ mặt trời, gió, sinh khối); sự liên kết lưới điện đa quốc gia để chia sẻ các nguồn tài nguyên năng lượng, giúp tối ưu vận hành hệ thống; và mục tiêu mang lại lợi ích kinh tế tối đa của Thị trường điện Mạng lưới điện truyền tải – phân phối đóng vai trò là phương tiện vận chuyển năng lượng điện từ nguồn tới nơi tiêu thụ, là môi trường vật lý diễn ra các hoạt động giao dịch của thị trường điện Tuy nhiên, năng lực truyền tải của lưới điện không phải vô hạn Có rất nhiều rào cản kỹ thuật đối với khả năng truyền tải của lưới điện như: giới hạn phát nóng, giới hạn sụt áp và giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ

Việc đầu tư phát triển hệ thống truyền tải rất tốn kém và ngày càng khó khăn (do quỹ đất hạn chế) Do đó, các HTĐ ngày nay thường có xu hướng khai thác tối đa giới hạn truyền tải cho phép để đảm bảo bài toán kinh tế

hệ thống Trong các giới hạn truyền tải theo điều kiện kỹ thuật, giới hạn theo điều kiện ổn định HTĐ là khó xác định nhất, do sự đa dạng về bản chất hiện tượng ổn định, được rất nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Một trong những câu hỏi lớn luôn được đặt ra là: trạng thái vận hành hiện tại của HTĐ còn cách giới hạn ổn định (GHÔĐ) bao xa và làm thế nào để định lượng được mức độ ổn định của trạng thái này?

Kết quả tính toán có ý nghĩa rất quan trong trong thiết kế và vận hành HTĐ Trong điều kiện vận hành, mỗi phương thức điều chỉnh chế độ đều liên quan đến sự thay đổi các đặc trưng ổn định và tương quan với chế độ giới hạn cho phép Khi hoạt động theo cơ chế thị trường điện các phương thức giao dịch xuất hiện liên tiếp và đa dạng, bài toán quản lý hệ thống xét đến giới hạn ổn định cần được giải quyết thường xuyên Trong thiết kế quy hoạch việc lựa chọn cấu trúc sơ đồ, phương án đặt thêm thiết bị nâng cao

ổn định hệ thống cũng cần xem xét đến hàng loạt tình huống chế độ khác nhau liên quan đến giới hạn ổn định Để đáp ứng cho các bài toán trên cần

có những phương pháp tính toán nhanh, thuận tiện chế độ giới hạn, xét được hàng loạt các kịch bản và phương thức khác nhau trong thời gian ngắn Rất tiếc hiện nay chưa có được những phương pháp đủ hiệu quả đáp ứng yêu cầu nói trên Đề tài luận án được đặt ra trong bối cảnh trên với

mong muốn góp phần nghiên cứu phương pháp tính toán nhanh chế độ giới hạn ổn định của HTĐ Phương pháp tính toán nhằm ứng dụng cho HTĐ sơ đồ phức tạp nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng, đáp ứng yêu cầu ứng dụng trong điều kiện hoạt động của thị trường điện

2) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là HTĐ phức tạp bất kỳ, bao gồm nhiều nhà máy điện, nhiều phụ tải điện kết nối với nhau thông qua mạng lưới truyền tải phân phối (gồm đường dây tải điện, máy biến áp, tụ bù dọc, kháng – tụ bù ngang), có thể có nhiều cấp điện áp khác nhau

Để đáp ứng yêu cầu nêu trên, luận án đã áp dụng phương pháp đề xuất

để tính toán giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định cho các hệ thống điện từ đơn giản đến phức tạp Các mô hình lưới điện tính toán gồm: các

sơ đồ lưới điện phổ biến và chuẩn hóa trên thế giới như sơ đồ Ward & Hale 6 bus, sơ đồ IEEE 14 Bus, IEEE 39 Bus; áp dụng tính toán cho HTĐ Việt Nam gồm sơ đồ HTĐ 500-220-110 kV năm 2016 của Miền Tây Nam

Bộ 138 Bus 288 nhánh, sơ đồ lưới truyền tải 500-220 kV Việt Nam năm

2020 rút gọn gồm 122 Bus 194 nhánh

Luận án nghiên cứu khía cạnh giới hạn ổn định tĩnh của hệ thống điện, nhằm đánh giá mức độ ổn định của trạng thái hiện hành Các kịch bản tiến đến giới hạn ổn định bao gồm: giới hạn công suất nguồn bơm vào nút; giới hạn công suất tải rút ra khỏi nút; giới hạn công suất truyền tải từ một nút nguồn cho trước tới một nút tải cho trước bất kỳ trong hệ thống Từ các giới hạn này sẽ xác định được hệ số dự trữ ổn định tĩnh của trạng thái đang vận hành

3) Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đề xuất phương pháp tính toán mới để xác định GHÔĐ công suất truyền tải trong HTĐ Phương pháp thực hiện tính toán bằng giải tích cùng lúc cho hàng loạt kịch bản khác nhau, do đó giảm được đáng kể thời gian tính toán khi áp dụng cho HTĐ có sơ đồ phức tạp

- Phương pháp xác định GHÔĐ đề xuất trong luận án thuộc nhóm các phương pháp ngoại suy gần đúng So với các phương pháp khác cùng loại

có sai số nhỏ hơn, có thể đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế Ngoài ra, độ chính xác càng cao khi chế độ khảo sát càng gần với giới hạn Ưu điểm này phù hợp với ứng dụng khi khảo sát hệ thống ở trạng thái nguy hiểm

- Phương pháp mới đề xuất có khả năng xác định được: giới hạn công suất nguồn phát vào nút, giới hạn công suất tải rút ra từ nút, và giới hạn công suất truyền tải tăng thêm từ một nút nguồn cho trước tới một nút tải cho trước Đây là các kịch bản rất phổ biến cần khảo sát cho hoạt động thị trường điện, tương ứng với các phương thức giao dịch mua bán điện của

các nút tải và nút nguồn, phương thức giao dịch song phương, do đó rất hiệu quả ứng dụng trong quản lý vận hành thị trường điện

- Trên cơ sở thuật toán đề xuất tính toán GHÔĐ cho HTĐ phức tạp luận

án đã xây dựng được mô đun chương trình ứng dụng, đặc biệt thuận lợi khi kết hợp với một chương trình tính toán phân tích CĐXL của HTĐ Chương trình có ý nghĩa ứng dụng hiệu quả trong quản lý vận hành cũng như thiết kế quy hoạch HTĐ

- Phương pháp tính toán GHÔĐ đề xuất trong luận án dựa trên thông tin đầu vào là thông số trạng thái hiện hành của HTĐ, nó cũng có ý nghĩa phương pháp luận cho hướng nghiên cứu cảnh báo và điều khiển ổn định HTĐ trong thời gian thực

1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ VẤN

ĐỀ NÂNG CAO GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH

1.1 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định

Hệ thống điện (HTĐ) mang các đặc trưng của một hệ thống động, bao gồm một tập hợp lớn các phần tử chuyển động theo thời gian (các máy phát điện quay, các phụ tải là động cơ điện,…) Trong quá trình vận hành, HTĐ luôn luôn chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên, ảnh hưởng đến thông số trạng thái

Ổn định là một thuộc tính của HTĐ, nó cho phép hệ thống giữ được trạng thái vận hành cân bằng trong điều kiện bình thường (với các kích động nhỏ ngẫu nhiên) và có thể trở lại được trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các kích động lớn [49] Khái niệm ổn định luôn gắn liền với các kích động, bởi thực tế luôn luôn tồn tại những biến động (nhiễu loạn) ngẫu nhiên

và hệ thống cần phải hoạt động được trong các điều kiện này như một yêu cầu về tính ổn định

Trạng thái vận hành cân bằng lâu dài của HTĐ được gọi là chế độ xác lập (CĐXL) khi tại đó các thông số hệ thống không thay đổi hoặc chỉ biến thiên nhỏ xung quanh trị số định mức CĐXL chính là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện Thực tế, không phải trạng thái cân bằng nào cũng là CĐXL, bởi hệ thống luôn có các kích động ngẫu nhiên thường xuyên tác động (hoạt động của phụ tải, biến thiên nhiệt độ, điều chỉnh điều khiển, đóng cắt thiết bị, ) Nếu sau một kích động nhỏ, thông số hệ thống bị thay đổi liên tục ra xa khỏi điểm cân bằng thì CĐXL không tồn tại và hệ thống khi đó

của HTĐ tại điểm cân bằng, có khả năng giữ được sự biến động nhỏ của thông số xung quanh trị số ban đầu sau những kích động ngẫu nhiên

Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên và ngẫu nhiên, trong HTĐ còn

có thể diễn ra những kích động lớn như các sự cố ngắn mạch, đóng cắt các phần tử mang công suất lớn lúc vận hành Khi đó trạng thái cân bằng đột ngột thay đổi, hệ thống chuyển sang làm việc ở CĐXL mới Để chuyển từ chế

độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, hệ thống điện cần trải qua chế độ quá độ (CĐQĐ) CĐQĐ được gọi là bình thường nếu nó tiến đến CĐXL mới với các thông số biến thiên hữu hạn và trở về giá trị định mức hoặc gần định mức sau khoảng thời gian đủ ngắn CĐQĐ sự cố là CĐQĐ trong đó thông số trạng thái thay đổi mạnh, tăng trưởng vô hạn, về 0 hoặc dao động không tắt,

hệ thống không thể hoạt động được ở CĐXL mới nào [2] Hệ thống đảm bảo

được CĐQĐ diễn ra bình thường sau một kích động lớn được gọi là hệ thống

Nghiên cứu ổn định là yêu cầu bắt buộc đối với tất cả các HTĐ, bởi yêu cầu đảm bảo ổn định liên quan trực tiếp đến việc thiết kế hệ thống truyền tải điện, xây dựng phương thức vận hành cũng như các giải pháp khắc phục khi

sự cố

Khi HTĐ bị mất ổn định sẽ gây ra những hậu quả hết sức nghiêm trọng như: làm hư hỏng các máy phát điện; ảnh hưởng tuổi thọ thiết bị; thậm chí gây tan rã toàn bộ hệ thống, tác động tiêu cực tới hoạt động kinh tế - xã hội của con người

Thực tế đã từng xảy ra những sự cố lớn do mất ổn định tại nhiều nước trên thế giới Ví dụ sự cố mất ổn định tại Mỹ lúc 09:30 pm ngày 13/07 năm

1977 [2] đã làm mất điện thành phố New York 10 triệu dân trong nhiều giờ

Sự cố sụp đổ điện áp tại Pháp lúc 8:00 sáng mùa đông, ngày 19/12 năm

1978 khiến hệ thống điện bị tách làm 05 phần, sa thải 65 tổ máy phát điện

và làm ngừng cung cấp điện ¾ nước Pháp trong 10 giờ [2], [54] Tương tự, sự

cố tan rã HTĐ do mất ổn định điện áp tại Tokyo vào trưa mùa hè ngày 23/7/1987 đã làm sa thải 8170 MW [59], ảnh hưởng đến 2,8 triệu gia đình và làm ngưng trệ các hoạt động kinh tế - tài chính nước Nhật

Sau sự cố tan rã HTĐ tại Italy năm 2003 [57], Hy Lạp năm 2004 [15], các nước phát triển khối OECD đã phải nhìn nhận lại mặt tiêu cực của thị trường điện đầu thế kỷ XXI đối với sự vận hành của lưới điện liên kết đa quốc gia [19] Thực tế, việc xuất nhập khẩu điện càng ngày càng có vai trò quan trọng trong cân đối thị trường năng lượng mỗi nước Tuy nhiên, HTĐ có xu hướng vận hành sát với các ngưỡng cho phép nhằm đảm bảo chỉ tiêu kinh tế của thị trường Trong khi việc theo dõi các giới hạn, trong đó có giới hạn ổn định dường như chưa đáp ứng được yêu cầu nhanh và chính xác, nhất là trong các tình huống sự cố phát sinh, mất ổn định tại một khu vực nhỏ có thể gây ra

sự cố lan truyền, dẫn đến sụp đổ toàn bộ HTĐ

1.2 Ổn định HTĐ có sơ đồ đơn giản, khái niệm về chế độ giới hạn

1.2.1 Ổn định góc lệch

Khái niệm về ổn định tĩnh và ổn định động trong mục 1.1 thường được gải thích và làm rõ thông qua hoạt động của HTĐ có sơ đồ đơn giản (sơ đồ hình 1.1) HTĐ trên hình 1.1 còn được gọi là sơ đồ loại I [2], gồm 1 máy phát điện

F nối với thanh cái hệ thống HT công suất vô cùng lớn qua một đường dây chiều dài D Trục máy phát được nối với tua bin T (hình 1.1-a) Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trên như hình 1.1-b với U là mô đun điện áp hệ thống

= const (giả thiết góc pha của điện áp hệ thống =0), X là tổng trở tương

thuần), E và  là sức điện động (SĐĐ) và góc pha của máy phát

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát điện

Giả thiết SĐĐ E của máy phát được giữ không đổi (kích từ mạnh), công suất tác dụng của máy phát truyền tải đến hệ thống có thể tính được theo công thức sau [49], [2]:







 sin P sinX

EU

Công suất này cân bằng với công suất cơ của tuabin PT tại các góc 01 và 02

như hình 1.1-c Góc δ01 và δ02 được xác định như sau:

o1 = arcsin (PT/Pm); o2 = 1800 - arcsin (PT/Pm)

Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và hình thành CĐXL Thật

vậy, giả thiết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên trên hệ thống điện làm lệch góc  khỏi giá trị o1 một lượng  > 0 (sau đó kích động triệt tiêu) Khi đó, theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới công suất điện từ (hãm) P() lớn hơn

đi, trở về giá trị o1 Khi  < 0 hiện tượng diễn ra theo tương quan ngược lại

PT > P(), máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch  tăng, trở về o1 Như vậy sau kích động thông số góc lệch  chỉ thay đổi nhỏ xung quanh trị số ban đầu

Xét điểm cân bằng b với giả thiết  > 0, tương quan công suất sau kích động sẽ là PT > P(), làm góc  tiếp tục tăng lên, xa dần trị số o2 Nếu  < 0 tương quan công suất ngược lại làm giảm góc , nhưng cũng lại làm lệch xa

hơn trạng thái cân bằng Như vậy tại điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một

kích động nhỏ (sau đó kích động triệt tiêu) thông số hệ thống cũng thay đổi

b)

c)

liên tục lệch xa khỏi trị số ban đầu Điểm cân bằng b không ổn định nên

không tồn tại chế độ làm việc của hệ thống với góc lệch 02

vào tuabin Điểm cân bằng ổn định a dịch dần lên trên, còn góc lệch 01 dịch sang phải tiến dần đến 90o Khi PT < Pm, CĐXL vẫn tồn tại tương ứng với

hạn ổn định bởi vì sau đó (khi PT > Pm) máy phát mất cân bằng: mô men kéo

cơ khí lớn hơn mô men hãm điện từ, máy phát quay nhanh dần và không còn giữ được đồng bộ Trong trường hợp này góc lệch  tăng lên vô hạn Thông số gắn liền với quá trình mất ổn định trong trường hợp này là góc lệch  nên còn gọi là ổn định góc lệch Chế độ giới hạn ổn định ứng với: gh = 90o còn Pgh =

Pm

Cách phân tích ổn định như vừa nêu thực chất là đánh giá trực quan và trực tiếp dựa vào định nghĩa Thực tế rất cần nghiên cứu để đưa ra các tiêu chuẩn đánh giá ổn định Tùy theo mục đích phân tích ứng dụng, có các loại tiêu chuẩn đánh giá ổn định sau:

cân bằng

b) Tiêu chuẩn xác định chế độ giới hạn ổn định

Các tiêu chuẩn dạng a) chỉ có mục đích xác định đặc tính ổn định của điểm cân bằng (ví dụ điểm cân bằng a ổn định, điểm cân bằng b không ổn định) Trong ví dụ với HTĐ đơn giản nêu trên tiêu chuẩn có thể áp dụng là: 0

Để đánh giá mức độ ổn định trong trường hợp này cần tính toán chế độ

PPK

m

0 m dt

đổi bằng E với góc pha là 00 U và  là mô đun và góc pha của điện áp tại nút tải X là tổng trở đường dây

Hình 1.2 Sơ đồ HTĐ đơn giản gồm một phụ tải nối với hệ thống CS vô cùng lớn

Thông số ở trạng thái cân bằng (cả công suất tác dụng và phản kháng) có thể xác định bởi hệ phương trình sau [2]:

t 2

t

Qcos

X

EUX

UQ

;PsinX

EUP

X

UQPX

b2 4 t 2 2 2  t2  2t 

tìm được các điện áp U tại điểm cân bằng:

2 2 t 0

b

)EbbQ2(

vào phương trình thứ nhất ta xác định được 01 và 02 Phân tích ta cũng có

01 là góc lệch ứng với điểm cân bằng ổn định a

1.2.3 Giới hạn ổn định điện áp - các kịch bản biến thiên thông số

Giả thiết tăng dần công suất phụ tải Dễ thấy khi Qt < Qm (hình 1.2) thì vẫn tồn tại điểm cân bằng ổn định, hệ thống làm việc bình thường Tuy nhiên

định được giá trị giới hạn của điện áp U theo điều kiện phương trình có nghiệm kép: ∆ = 0

b

Q2

Eb

2

)EbbQ2(

2 2

2 2 t

Cũng có thể sử dụng điện áp này thay vào hệ phương trình để tìm góc lệch

 và các trị số giới hạn công suất Tuy nhiên, có thể áp dụng trực tiếp điều kiện giới hạn:

Q2

bEQ2

bE

P4

bE

Khi Q = 0 nhận được Pgh = bE2/2 còn khi P=0 có Qgh = bE2/4

Hình 1.3 vẽ đường cong giới hạn ổn định điện áp nút tải trên mặt phẳng

là các tính toán đều thiết lập cho công suất phụ tải, tuy nhiên theo sơ đồ đó cũng chính là công suất cần cung cấp đến cuối đường dây P, Q Do đó miền giới hạn ổn định trên hình 1.3-a cũng chính là miền giới hạn công suất truyền tải qua đường dây cung cấp cho phụ tải

Một đặc điểm khác của sơ đồ trường hợp này là có 2 thông số cùng có thể biến thiên làm thay đổi trạng thái hệ thống Do đó có các kịch bản biến thiên thông số khác nhau cho quá trình hệ thống tiến đến mất ổn định (hình 1.3-

(2) Pt = const, (3) cos = const; (4) kịch bản nguy hiểm nhất (đi nhanh nhất

ra biên giới), trong khi thực tế quỹ đạo có thể dịch chuyển theo đường cong đến điểm a theo sự biến thiên tự nhiên của công suất tải Nghiên cứu các kịch bản khác nhau có ý nghĩa quan trọng đối với ứng dụng thực tế Kịch bản

điển hình (cos = const) hoặc nguy hiểm nhất thường được quan tâm để đánh giá độ tin cậy ổn định hệ thống [3], [62]

Hình 1.3 Miền giới hạn công suất truyền tải trên đường dây cấp điện phụ tải

Ta xét trạng thái giới hạn tương ứng với kịch bản giữ nguyên cos, còn gọi

là kịch bản điển hình vì khá phù hợp với diễn biến thực tế

Gọi S Pt2 Q2t Khi đó Qt = S.sin Thay vào (1.2) ta có chế độ giới hạn tương ứng với điều kiện:

(2bSsinb2E2)2  b2S2 0 (1.2-a)

Giải phương trình theo S và thực hiện một số biến đổi sẽ nhận được:

;

)sin1(2

bES

2 gh

Hình 1.4 Đặc tính công suất theo điện áp tại nút tải

bE 2

4 /

bE 2

miền ổn định

cos=0.9

b)

0.95

0.95 vượt trước1.0

Quá trình tăng công suất truyền tải, điện áp nút giảm dần (hình 1.4,a) Đến gần trị số giới hạn điện áp giảm rất nhanh và sụt dốc đứng tại vị trí hệ thống chuyển sang mất ổn định (không còn điểm cân bằng) Trong trường hợp này thông số gắn liền với mất ổn định là điện áp nút, vì thế được gọi là

ổn định điện áp Tại vị trí giới hạn, xảy ra hiện tượng sụp đổ điện áp [1] Quá

trình quá độ (QTQĐ) diễn ra sau sụp đổ điện áp gắn liền với dao động điện

cơ trong các thiết bị dùng điện Thông thường, các nút tải chứa các động cơ không đồng bộ, khi điện áp xuống thấp mô men kéo của động cơ giảm đột ngột, không thắng được mô men cản, dẫn đến dừng làm việc Hiện tượng tự

mở máy của một số động cơ (không thành công) làm phức tạp quá trình quá

độ với hiện tượng dao động điện áp rất mạnh, tiếp theo là tác động cắt của thiết bị bảo vệ Sụp đổ điện áp nút thường lan tràn sự cố sang toàn hệ thống (nếu nút tải lớn) do gây ra mất cân bằng công suất khu vực

Hình 1.4,b cũng cho thấy cos phụ tải có ảnh hưởng mạnh đến điểm giới hạn Giới hạn được nâng cao khi giảm tiêu thụ CSPK hoặc phát thêm CSPK vào nút (bù CSPK)

Hiện nay có một số cách phân loại ổn định HTĐ tùy theo mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, thời gian nghiên cứu Ngoài các khái niệm gắn liền với ổn định theo kích động nhỏ (Small-Signal Stability), người ta còn phân biệt ra ổn định quá độ (Large Disturbance Stability) với kích động lớn,

ổn định ngắn hạn, ổn định trung hạn và ổn định dài hạn tùy theo mục đích phân tích QTQĐ theo thời gian Mỗi loại ổn định sẽ có những đặc trưng riêng, phương pháp nghiên cứu riêng Theo [49], [2] có thể phân loại ổn định HTĐ như sơ đồ hình 1.5

Như trên đã nêu, ổn định góc lệch và ổn định điện áp được phân chia thực chất để phân biệt bản chất vật lý của yếu tố gây ra mất ổn định Ổn định góc lệch gắn liền với QTQĐ điện cơ trong các máy phát đồng bộ Mất ổn định theo góc lệch là hiện tượng các máy phát không quay đồng bộ được với nhau dẫn đến phải cắt một phần nguồn ra khỏi lưới Sau các sự cố nặng, quá trình quá độ diễn ra phức tạp, lần lượt từng phần sơ đồ bị tách ra, dẫn đến tan rã

hệ thống Ổn định điện áp gắn liền với hoạt động của phụ tải, trong đó dao động điện cơ của các động cơ không đồng bộ có ảnh hưởng quyết định Khi công suất phụ tải tại một nút tăng vượt quá giới hạn cung cấp, hiện tượng sụp đổ điện áp xẩy ra, phá vỡ sự hoạt động bình thường của các thiết bị dùng điện (cần cắt nút phụ tải ra khỏi hệ thống) Tuy nhiên, về phương diện tiêu chuẩn đánh giá ổn định, mất ổn định theo góc lệch hay theo điện áp đều thể hiện đặc tính chung: xuất hiện các thông số trạng thái biến động mạnh, tăng trưởng lên vô hạn hoặc tiến đến 0 (không trở về vị trí cân bằng)

Trong khi đó lại rất cần phân biệt ổn định với kích động lớn và kích động nhỏ Đó là vì đặc trưng kích động (Disturbance) lại dẫn đến các phương pháp nghiên cứu hoàn toàn khác nhau Kích động nhỏ được hiểu là những biến động ngẫu nhiên thường xuyên trong hệ thống (thay đổi phụ tải, biến thiên

Ổn định hệ thống điện Power System Stability

Ổn định góc lệch

Angle Stability

Ổn định điện áp Voltage Stability

Ổn định với kích động nhỏ

Small-Signal Stability

Ổn định với kích động lớn Large Disturbance Stability

Ổn định ngắn hạn

Transient Stability

Ổn định dài hạn Long-term Stability

Ổn định trung hạn Mid-term Stability

Ổn định tĩnh Steady-state Stability

Ổn định

động

Dynamic Stability

nhiệt độ môi trường ) Với kích động nhỏ, vấn đề ổn định được quan tâm là đặc tính của điểm cân bằng và CĐXL Hoàn toàn không cần quan tâm đến đặc trưng kích động là gì, ở vị trí nào cũng như sự kéo dài theo thời gian

Hình 1.5 Phân loại ổn định hệ thống điện

Với các kích động lớn (sự cố ngắn mạch, đóng cắt phần tử mang công suất ) việc nghiên cứu ổn định là theo dõi diễn biến cụ thể của QTQĐ Cần biết rõ nguyên nhân gây ra kích động, vị trí xuất hiện, thời gian kéo dài, thậm chí có các kích động nối tiếp nhau Mục đích của việc phân tích ổn định trong trường hợp này thường gắn liền với yêu cầu bảo vệ, giảm thiểu hậu quả

sự cố và nguy cơ tan rã hệ thống

Các phân chia tiếp theo (mất ổn định phi chu kỳ, mất ổn định dao động,

ổn định ngắn hạn, trung hạn, dài hạn ) nhằm phân biệt yêu cầu mô hình

hệ thống khi phân tích ổn định

Luận án này tập trung chủ yếu nghiên cứu ổn định với kích động nhỏ (ổn định góc lệch và ổn định điện áp) Mục đích là tính toán nâng cao ổn định chế độ làm việc bình thường lâu dài của HTĐ

Ngoài ra, còn có cách phân loại ổn định HTĐ theo [50], trong đó có xét đến ổn định tần số, tương ứng với hiện tượng mất cân bằng CSTD chung của toàn hệ thống dẫn đến tần số bị sụp đổ (mất ổn định) Mất ổn định dạng này thường xảy ra với các HTĐ nhỏ, cô lập khi sự cố mất nguồn Đối với những HTĐ lớn có dự trữ tổng rất cao với các nhà máy điều tần hoạt động hiệu quả, vấn đề ổn định tần số ít được đặt ra Khi đó hiện tượng mất ổn định được xét như chỉ do mất ổn định đồng bộ (góc lệch) và sụp đổ điện áp Tuy nhiên, một vài năm trở lại đây, quy mô tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời với khả năng điều tần hạn chế và sự bất định trong công suất phát đã đặt ra nhiều vấn đề đối với việc duy trì ổn định tần số của HTĐ

1.3 Đặc điểm ổn định HTĐ có sơ đồ phức tạp

Các nội dung được tổng quan trong mục 1.1.2 thực chất là dựa vào sơ

đồ đơn giản nhất để đưa ra các khái niệm và định nghĩa về ổn định HTĐ Theo đó bản chất về ổn định và các đặc trưng cần nghiên cứu được thể hiện khá rõ ràng Tuy nhiên, khi xét hệ thống có sơ đồ phức tạp, các khái niệm này không phản ánh đầy đủ những vấn đề liên quan, đặc trưng của hệ thống lớn có điều khiển Các nội dung này lại liên quan trực tiếp tới các tiêu chuẩn

và phương pháp phân tích đánh giá ổn định Ngày nay các HTĐ đều có quy

mô rộng lớn, cấu trúc sơ đồ đa dạng Do đó, để có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế, nhất thiết phải quan tâm đến tính phức tạp của vấn

đề, về lý thuyết cũng như phương pháp tính toán

1.3.1 Trạng thái hệ thống xác lập bởi một tập lớn các thông số biến thiên

Trước hết, HTĐ phức tạp đặc trưng bởi một số lượng lớn các thông số thay đổi (nhiều bậc tự do), đó là CSTD và CSPK luôn biến thiên ở các nút tải, CSTD và điện áp được điều chỉnh thường xuyên ở các nút nguồn Khi đó cũng có một số lượng lớn các thông số trạng thái (góc lệch và mô đun điện áp các nút) có thể thay đổi tự do, biểu hiện cho đặc trưng ổn định (dao động hữu hạn hay tăng trưởng vô hạn) Một thông số bất kỳ không giữ được ổn định đều được coi là mất ổn định của toàn hệ thống Như vậy bài toán được đặt ra cho ổn định HTĐ phức tạp là vừa phải đánh giá các chỉ tiêu ổn định

"nút yếu") ảnh hưởng trước tiên đến tính ổn định Nghiên cứu giải pháp cải

thiện ổn định cho các thông số này sẽ nâng cao được ổn định cho toàn hệ thống

Một nội dung khác liên quan đến phân tích hệ thống có nhiều bậc tự do,

đó là xác định kịch bản biến thiên thông số Với HTĐ phức tạp, số lượng kịch bản biến thiên thông số là vô cùng lớn Việc lựa chọn kịch bản tính toán có ý

nghĩa vô cùng quan trọng vì không thể xét hết tất cả các kịch bản Cần xét

kịch bản điển hình đặc trưng cho quá trình hoạt động tự nhiên, thường

xuyên xảy ra trong thực tế hệ thống Trong khi đó lại phải xem xét đầy đủ các

kịch bản nguy hiểm để lựa chọn giải pháp an toàn, độ tin cậy cao đảm bảo

ổn định hệ thống Các tiêu chuẩn phân tích đánh giá ổn định cho HTĐ phức tạp cần được nghiên cứu đề xuất trên cơ sở các yêu cầu nêu trên

1.3.2 Ảnh hưởng tác động của các phương tiện tự động điều chỉnh

Một đặc điểm khác cần quan tâm đối với HTĐ hiện đại đó là tác động của các phương tiện điều chỉnh điều khiển Các tác động này, cùng với các giới hạn điều chỉnh có ảnh hưởng quyết định đến tính ổn định hệ thống

Khi xét đến tác động của các phương tiện điều chỉnh tự động, mô hình hệ thống trong phân tích đánh giá ổn định phức tạp hơn đáng kể so với HTĐ đơn giản Các tiêu chuẩn và phương pháp áp dụng rất hiệu quả đối với HTĐ đơn giản (như phân tích đường cong đặc tính công suất, phân tích độ lệch kích động, ) không áp dụng được cho HTĐ phức tạp Để phát triển phương pháp và ứng dụng phù hợp cho HTĐ Việt Nam, luận án chọn hướng tiếp cận hiện đại: phân tích ổn định HTĐ dựa trên lý thuyết ổn định tổng quát của A

M Lyapunov [9] Lý thuyết được áp dụng cho trường hợp chung với cấu trúc

hệ thống phức tạp bất kỳ

1.4 Phân tích ổn định HTĐ theo lý thuyết ổn định Lyapunov

Để kết luận một hệ động học có ổn định hay không, cần dựa trên tiêu chuẩn đánh giá ổn định Hướng tiếp cận hiện đại, nhiều tác giả đang quan tâm nghiên cứu là dựa trên tiêu chuẩn ổn định của Lyapunov Lý thuyết ổn định Lyapunov [9] đã đề xuất tiêu chuẩn chung nhất áp dụng cho các hệ động học có cấu trúc phức tạp bất kỳ Tiêu chuẩn ổn định theo Lyapunov có thể áp dụng rất hiệu quả đối với hệ thống điện, được thể hiện trong các tài liệu [49], [50], [34], [27] và [69]

1.4.1 Lý thuyết ổn định theo Lyapunov

Aleksandr Mikhailovich Lyapunov (1857-1918) là nhà toán học nổi tiếng người Nga [9], [66] Theo ông, sự ổn định của một hệ thống động học nói

chung có thể được mô tả thông qua hệ phương trình vi phân (PTVP) mô tả chuyển động hệ thống Một cách hiểu đơn giản: Nếu hệ thống động học có vị trí ban đầu gần với điểm cân bằng x0 sẽ ở gần x0 mãi mãi thì hệ thống đó ổn định tại điểm cân bằng, ngược lại hệ thống không ổn định Còn nếu hệ thống động học có vị trí ban đầu gần x0 sẽ chuyển động hội tụ về x0 thì được gọi là

ổn định tiệm cận (asymptotically stable)

Định nghĩa chính xác hơn về ổn định theo Lyapunov cần được trình bày dưới dạng toán học như sau [49], [50], [23]

Để đơn giản, xét hệ thống được mô tả bởi hệ phương trình vi phân (viết dạng vec tơ):

Hệ thống tương ứng với (1.1) được gọi là ổn định theo Liapunov nếu với mọi  > 0 tồn tại  > 0 nào đó sao cho mọi nghiệm x(t) với điều kiện đầu thỏa mãn bất đẳng thức |x(t0) - (t0)| <  thì với mọi t ≥ t0 luôn có |x(t) -

Hình 1.6 Minh họa tiêu chuẩn ổn định theo Lyapunov

Định nghĩa ổn định nêu trên xuất phát từ điều kiện lệch nhỏ khỏi trạng thái cân bằng ban đầu nên còn được gọi là ổn định kích động nhỏ (small signal stability) Để phân tích ổn định, Lyapunov đưa ra 2 phương pháp như trình bày dưới đây [49]

1.4.1.1 Phương pháp thứ nhất của Lyapunov

Theo phương pháp này, sự ổn định kích động nhỏ của hệ thống phi tuyến được xác định thông qua các nghiệm của hệ xấp xỉ bậc nhất nhận được từ hệ (1.1) Ta biểu thị hệ xấp xỉ bậc nhất nhận được từ (1.1):

xAx (1.2)

tính các hàm f xung quanh điểm cân bằng x(t0)

n 1 n

n 2 2

2 1 2

n 1 2

1 1 1

nn 2

1

n 22

21

n 12

11

x

f x

fxf

x

f x

fxf

x

f x

fxf

a aa

a aa

a aa

a )as(a

a a)as(

)AsIdet(

)s(D

nn 2

1

n 22

21

n 12

Phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov được phát biểu như sau:

- Nếu các nghiệm PTĐT đều có phần thực âm thì hệ thống (1.2) ổn định tiệm cận và có thể suy ra hệ thống phi tuyến ban đầu (1.1) ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng

- Nếu ít nhất một nghiệm PTĐT có phần thực dương thì hệ thống (1.2) không ổn định và hệ (1.1) cũng không ổn định tại điểm cân bằng

- Nếu các nghiệm PTĐT có phần thực bằng không, phương pháp xấp xỉ bậc nhất không đưa ra kết luận gì về sự ổn định hệ thống ban đầu (1.1) Tuy nhiên các trường hợp này đối với HTĐ thường rơi vào các chế độ vận hành không an toàn (dao động không ngừng) nên cũng không cần quan tâm sử dụng

Dễ thấy nghiệm của PTĐT cũng trùng với các giá trị riêng của ma trận A, bởi có thể tìm các giá trị riêng  của ma trận A theo điều kiện:det(A )0.Thực tế thường hay áp dụng các giá trị riêng để khảo sát ổn định vì phép

phân tích còn cho phép đưa ra các chỉ tiêu khác nhau như độ nhạy, hệ số tham gia rất hữu ích cho nhiều bài toán điều khiển Tuy nhiên, để nhận được

ma trận A cần đưa được hệ phương trình vi phân ban đầu về dạng chuẩn Cauchy (dạng 1.1) nhiều khi khá phức tạp, trong khi PTĐT có thể thiết lập

dễ dàng từ dạng chung (sau khi tuyến tính hóa)

Phương pháp xấp xỉ bậc nhất thực chất là dựa trên đặc tính ổn định của

hệ PTVP đã tuyến tính hóa của hệ ban đầu, còn được gọi là phương pháp thứ nhất của Lyapunov

1.4.1.2 Phương pháp thứ hai của Lyapunov

Phương pháp thứ hai của Lyapunov [49] xác định sự ổn định của hệ thống thông qua việc thiết lập hàm V(x1, x2, …, xn) thay thế cho hàm f(x1, x2, …, xn )

để mô tả không gian trạng thái của hệ Nội dung phương pháp như sau:

Hệ thống mô tả bởi PTVP (1.1) là ổn định nếu tồn tại một hàm V(x1,x2,…,xn) có dấu xác định đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian:

x

)x, ,x,x(V

1

n 2 1

là hàm có dấu không đổi ngược với hàm V

Hệ thống ổn định tiệm cận nếu tồn tại một hàm V(x1,x2,…,xn) có dấu xác định đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian cũng có dấu xác định ngược với hàm V

Trong phát biểu trên, hàm có dấu xác định (dương hoặc âm) là hàm với giá trị chỉ nhận một loại dấu (âm hoặc dương) trừ giá trị tại gốc tọa độ bằng

0 Hàm không đổi dấu cũng định nghĩa tương tự nhưng ngoài điểm gốc còn

có thể có các điểm riêng lẻ nhận giá trị 0

Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu ổn định HTĐ theo phương pháp thứ hai của Lyapunov, do gặp rất nhiều khó khăn khi đi tìm hàm V thỏa mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn Trước những năm 1980, có một số nghiên cứu theo hướng này như nghiên cứu về mối liên quan giữa từ thông và ổn định quá độ [25], ổn định của các hệ thống liên kết [22], [64] nhưng mới dừng ở mức áp dụng tính toán cho HTĐ với những điều kiện chấp nhận cụ thể

1.4.1.3 Khả năng áp dụng lý thuyết ổn định Lyapunov phân tích ổn định HTĐ

Để nghiên cứu ổn định HTĐ thường sử dụng phương pháp thứ nhất của Lyapunov, thực chất là khảo sát nghiệm PTĐT của hệ PTVP xấp xỉ bậc nhất của QTQĐ Hệ thống ổn định nếu phần thực các nghiệm của PTĐT đều âm Đây là tiêu chuẩn chung nhất của phương phấp xấp xỉ bậc nhất Lyapunov Khi thực hiện tính toán thường sử dụng các tiêu chuẩn khác nhau tránh giải trực tiếp hệ PTĐT cấp cao

Ngoài ra, trên cơ sở lý thuyết chung về ổn định theo Lyapunov, trong các điều kiện cụ thể vận hành HTĐ (ví dụ, giả thiết các thiết bị điều chỉnh tự động đang làm việc tốt) nhiều tác giả đã đưa ra những tiêu chuẩn riêng để

đánh giá ổn định HTĐ rất hiệu quả, gọi là các tiêu chuẩn thực dụng Mục tiếp sau tổng quan một số tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến cho HTĐ

1.4.2 Một số tiêu chuẩn ứng dụng đánh giá ổn định theo phương pháp xấp xỉ bậc nhất

Lyapunov đưa ra tiêu chuẩn chung nhất cho phép đánh giá ổn định hệ thống dựa trên cơ sở xem xét nghiệm của PTĐT Tuy nhiên, khi ứng dụng, việc xác định cụ thể n nghiệm của PTĐT không phải là đơn giản Đó là vì đa thức đặc trưng thường có cấp khá cao, không có lời giải giải tích xác định đầy

đủ chính xác giá trị các nghiệm, bao gồm các nghiệm thực và nghiệm phức Các tác giả đã nghiên cứu và đưa ra nhiều tiêu chuẩn ứng dụng khác nhau để đánh giá dấu của các nghiệm mà không cần giải PTĐT Trong phần này tổng quan một số tiêu chuẩn được áp dụng nhiều nhất khi phân tích ổn định HTĐ

1.4.2.1 Tiêu chuẩn đại số Hurwitz

Xét hệ phương trình vi phân (1.1) với hệ tuyến tính hóa (1.2) Phương trình đặc trưng có thể nhận được ở dạng chung (1.3) Để xét dấu các nghiệm của PTĐT (1.3) Hurwitz đề xuất thiết lập một ma trận hệ số như sau (sau này gọi

là ma trận Hurwitz) Đầu tiên điền đầy các phần tử trên đường chéo chính,

với các phần tử từ a 1 đến a n của PTĐT Tiếp theo điền đầy các hàng toàn các

số hạng chẵn hoặc lẻ (theo thứ tự từ nhỏ đến lớn, các vị trí thiếu điền số 0),

1 n 3 n

4 2 0

5 3 1

6 4 2 0

7 5 3 1

aaa

0000

0aa

0000

00

0 aaa0

00

0 aaa0

00

0 aaaa

00

0 aaaa

3 1

aa

aa

;

∆3 =

3 1

4 2 0

5 3 1

aa0

aaa

aaa

; …

Tiêu chuẩn ổn định theo Hurwitz: hệ thống sẽ ổn định nếu tất cả các hệ số

a0, a1, a2, …, an của PTĐT và các định thức ∆1, ∆2, …, ∆n đều dương Về thực chất, các điều kiện trên sẽ đảm bảo cho PTĐT có tất cả các nghiệm có phần

thực âm, từ đó kết luận hệ thống ổn định tiệm cận (theo phương pháp thứ nhất của Lyapunov [10], [43])

1.4.2.2 Tiêu chuẩn tần số Mikhailov

Tiêu chuẩn này dựa vào việc khảo sát dạng đường cong D(p) trong mặt phẳng phức khi cho p các giá trị biến thiên thuần ảo Ở đây D(p) là đa thức đặc trưng Giá trị thuần ảo của p có thể biểu diễn ở dạng p=jω Khi cho  biến thiên từ -  đến + , số phức D(j) biểu diễn trên mặt phẳng phức dịch chuyển tạo thành đường cong, còn véc tơ D(jω) quay quanh gốc tọa độ Theo dõi sự biến thiên số gia góc của véc-tơ có thể kết luận về tính ổn định hệ thống Gọi số gia tổng cộng của góc véc tơ D(jω) là ∆arg[D(jω)], tiêu chuẩn ổn định Mikhailov có thể phát biểu như sau: hệ thống ổn định nếu số gia tổng của góc thỏa mãn:

-  <  < + 

Trong đó n là cấp của đa thức đặc trưng Khi số gia này nhỏ hơn n hệ thống mất ổn định Về hình học, tiêu chuẩn có nghĩa là hệ thống chỉ ổn định nếu đường cong mút véc tơ D(j) vòng quanh gốc toạ độ đúng n/2 vòng (khi  tăng từ -  đến + ) Nếu ít hơn thì hệ thống không ổn định

Hình 1.7 Biểu diễn hình học tiêu chuẩn tần số Mikhailov

Để hiểu rõ ý nghĩa của tiêu chuẩn, hãy xét biểu thức của đa thức đặc trưng:

D(p) = aopn + a1pn-1 + + an-1p + an Tương tự như trên có thể khai triển đa thức theo các nghiệm:

D(p) = a0(p - p1) (p - p2) (p - pn) (1.7) Mỗi nghiệm của phương trình về hình học có thể biểu diễn bằng một vec-tơ

toạ độ với điểm pi như trên hình 1.7,a Khi đó mỗi nhân tử (p-pi) chính là véc

tơ hiệu của véctơ p cho tuỳ ý với pi (hình 1.7,b) Trường hợp đặc biệt p = j , mút véc tơ p nằm trên trục ảo ( hình 1.7,c và hình 1.7,d) Dễ thấy rằng trong trường hợp này, khi khi  thay đổi từ -  đến +  số gia góc của mỗi nhân tử (p-pi) sẽ là + hoặc - tùy thuộc nghiệm nằm bên trái hay bên phải mặt phẳng phức Số gia góc của véctơ D(j) là tổng số gia góc của các nhân tử nên

sẽ có giá trị cực đại là n khi tất cả các nghiệm phương trình đặc trưng đều nằm bên trái mặt phẳng phức Đó chính là trường hợp mọi nghiệm của phương trình đặc trưng đều có phần thực âm, hệ thống ổn định Các trường hợp còn lại số gia góc nhỏ hơn n

Một đặc điểm đáng chú ý là sự đối xứng của đường cong nếu xét với toàn

bộ khoảng biến thiên -  <  < +  Thật vậy nếu biểu diễn đa thức đặc trưng ở dạng:

D(j) = U(j) + jV(j) Bằng cách thay p=j vào biểu thức D(p) và nhóm lại, ta có:

U() = an - an-22 + an-44 - là hàm chẵn của , còn V() = an-1 - an-33 + an-55 - là hàm lẻ của 

Như vậy, U() = U(-) và đường cong D(j) đối xứng qua trục thực Cũng

có nghĩa là chỉ cần xét với khoảng 0 <  < +  với tiêu chuẩn ổn định hệ thống:

Trên hình 1.8 là ví dụ về đường cong D(j) của hệ thống có n = 5 ứng với các trường hợp ổn định (arg [D(j)] = 5/2) và không ổn định (arg D(j) = 2/2 khi 0 <  < + ) Khó khăn chính khi áp dụng tiêu chuẩn tần số là đảm bảo độ chính xác khi vẽ đường cong, nhất là lúc đường cong đi rất sát với gốc toạ độ

1.4.3 Các tiêu chuẩn thực dụng

Ngoài các tiêu chuẩn chung xuất phát từ điều kiện ổn định Lyapunov với

hệ thống động bất kỳ, nhiều tác giả cũng nghiên cứu các tiêu chuẩn riêng áp dụng những điều kiện cụ thể cho HTĐ, gọi là các tiêu chuẩn thực dụng

1.4.3.1 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ

Với một HTĐ đang làm việc bình thường, giả thiết các bộ tự động điều chỉnh điều khiển đang làm việc tốt, dạng mất ổn định dạng dao động không xảy ra, Zhdanov đã đề xuất tiêu chuẩn thực dụng để kiểm tra tính ổn định của hệ thống điện: hệ mất ổn định phi chu kỳ khi an < 0 [75] Trong đó an là

số hạng tự do của phương trình đặc trưng

So với tiêu chuẩn Hurwitz, rõ ràng tiêu chuẩn trên là điều kiện đủ (cho HTĐ mất ổn định) nhưng không phải là điều kiện cần bởi hệ thống có thể mất ổn định với an>0 nhưng vi phạm các điều kiện khác Zhdanov đã lí giải

để đưa ra tiêu chuẩn trên với riêng HTĐ như sau Giả thiết HTĐ đang làm việc bình thường (ổn định), khi đó tất cả các bất đẳng thức theo tiêu chuẩn Hurwitz thỏa mãn (đều dương) Trong quá trình hoạt động, thông số chế độ thay đổi, hệ thống có thể chuyển sang trạng thái mất ổn định Vào đúng lúc này một điều kiện nào đó của tiêu chuẩn Hurwitz sẽ phải vi phạm: bất đẳng thức đổi dấu từ dương sang âm Hurwitz đã chứng minh được rằng tiêu chuẩn vi phạm đầu tiên luôn luôn là đổi dấu ∆n Nói khác đi, có thể chỉ theo

thức tính: ∆n = ∆n-1.an , lại thấy có thể theo dõi đồng thời dấu của ∆n-1 và an Tuy nhiên, phân tích vào đặc điểm của HTĐ Zhdanov nhận thấy nếu HTĐ đang làm việc bình thường (với các phương tiện điều chỉnh làm việc tốt) thì mất ổn định dao động không bao giờ xảy ra Nếu thay đổi thông số chế độ dẫn đến mất ổn định luôn ở dạng phi chu kỳ (không dao động) Điều này chỉ

dấu của định thức ∆n-1 Có thể thấy rõ điều này từ biểu thức tính an

p2, , pn, trong đó có 2k nghiệm phức, còn lại (n-2k) là nghiệm thực Khi đó biểu thức tính số hạng tự do:

an = (-1)n a0p1p2 pn

= (-1)n.a0.(α1+jβ1) (α1-jβ1) (α2+jβ2) (α2-jβ2)… (αk+jβk) α2k+1 α2k+2 …αn

= (-1)n a ( 2 +β 2) ( 2 +β 2) ( 2 + β2)    (1.8)

Trong biểu thức trên, (k+jk), (k-jk) là 2 cặp nghiệm phức liên hợp, các nghiệm 2k+1 ,2k+2 …n là nghiệm thực

1

k i

k i 1 n 0 2 ) 1 n ( n 1

động nhỏ diễn biến quá độ có dạng tắt dần không dao động phức tạp hơn nhiều [71]

Tiêu chuẩn an < 0 hết sức thuận lợi khi ứng dụng bởi chỉ có một điều kiện cần kiểm tra duy nhất Hơn nữa, nhiều công trình [74], [71] đã chứng minh

Dựa trên ma trận J có thể trực tiếp đánh giá ổn định HTĐ theo tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ

1.4.3.2 Các tiêu chuẩn thực dụng dạng khác

Có thể coi tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ là dạng chung của các tiêu chuẩn thực dụng áp dụng Nó được chứng minh chặt chẽ và thể hiện rõ các điều kiện áp dụng cho các HTĐ đang vận hành (coi các bộ ĐCTĐ không phát sinh dao động tự kích) Một dạng khác được nhiều công trình áp dụng là det(J) > 0, trong đó J là ma trận Jacobi của hệ phương trình CĐXL Thực

ra, tiêu chuẩn này hoàn toàn tương đương với tiêu chuẩn an > 0 trong những điều kiện nhất định của HTĐ và cần có sự xắp xép nhất định cho hệ phương trình CĐXL Điều này được chứng minh chặt chẽ từ những năm 70 của thế

kỷ trước trong các công trình của các nhà khoa học Nga [70], [71], [72], [73], [74] Mọi tiêu chuẩn xuất phát từ các điều kiện nêu trên (An = 0 hoặc Det(J)

= 0) đều là các biểu diễn khác của tiêu chuẩn thực dụng và cũng bị hạn chế điều kiện ứng dụng như đã phân tích với tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ

Có thể kể đến các tiêu chuẩn hay được áp dụng (ở chế độ giới hạn):

- Tiêu chuẩn Markovits (∂ΔP/∂δ = 0, ∂ΔQ/∂U = 0)

- Phân tích độ nhạy (Singular Values = 0)

1.4.4 Nhận xét, thảo luận về các tiêu chuẩn đánh giá ổn định

Có thể nhận thấy ngay là các tiêu chuẩn ổn định theo phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov chỉ phục vụ mục địch đánh giá trạng thái cân bằng

đề cập trong phương pháp thứ hai của Lyapunov Tuy nhiên các nghiên cứu theo hướng này hiện nay còn quá ít kết quả

Trong khi đó các ứng dụng thực tế lại liên quan chủ yếu đến xác định chế

độ giới hạn ổn định Đó là vì với các HTĐ tồn tại chế độ đang vận hành chính

là trạng thái ổn định, vấn đề đặt ra là đánh giá mức độ ổn định và "độ xa" của hiện trạng biên giới miền ổn định để quyết định các phương thức vận hành sắp tới

Về nguyên tắc mỗi tiêu chuẩn đánh giá ổn định (có hoặc không) đều tương ứng có một tiêu chuẩn cho chế độ giới hạn, có thể sử dụng để xác định chế

độ giới hạn Tuy nhiên, với HTĐ phức tạp từ các tiêu chuẩn này vẫn hết sức khó khăn để tính toán, tìm ra các định lượng cụ thể

Nghiên cứu giải quyết vấn đề này ngày càng cấp thiết do sự phức tạp của cấu trúc HTĐ và sự đa dạng của các phương thức vận hành

1.5 Các phương pháp xác định giới hạn ổn định HTĐ phức tạp

1.5.1 Đặc điểm và các khó khăn của bài toán tìm giới hạn ổn định

Như phần trên đã trình bày, để kết luận một trạng thái của HTĐ có ổn định hay không, có thể căn cứ vào các tiêu chuẩn ổn định Tuy nhiên, để đánh giá mức độ ổn định của trạng thái đó (nếu có ổn định) cần phải tính được giới hạn ổn định (Stability Limit) để so sánh Về lý thuyết, mỗi tiêu chuẩn ổn định đều cho tương ứng một điều kiện ở giới hạn Các phương pháp tiếp cận hiện nay đều lấy các tiêu chuẩn này làm cơ sở tính toán (không dựa vào phương pháp hàm V của Lyapunov vì phức tạp) Các tiêu chuẩn ở chế độ giới hạn có thể là:

- Một nghiệm của PTĐT nằm trên trục ảo của mặt phẳng phức, các nghiệm còn lại đều ở phía trái (tiêu chuẩn chung)

- Với hệ thống điện đang vận hành khi các thiết bị ĐCTĐ làm việc tốt có thể áp dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ thì tiêu chuẩn chế độ giới hạn là An = 0 hay Det(J)=0 Trong đó An là số hạng tự do PTĐT còn Det(J) là định thức Jacobi hệ phương trình CĐXL

Cũng tồn tại những tiêu chuẩn giới hạn khác nhưng thực chất đều được dẫn xuất từ 2 tiêu chuẩn trên (ví dụ tiêu chuẩn Markovitz, giới hạn đường cong P-V)

Có thể thấy, từ tiêu chuẩn giới hạn đến việc tính toán chế độ giới hạn còn

là một nội dung hết sức phức tạp và thực hiện khó khăn Các lý do chủ yếu là:

- Các tiêu chuẩn chỉ ở dạng chung trong khi trị số giới hạn cụ thể lại phụ thuộc hàng loạt kịch bản

- Các tiêu chuẩn để hệ thống ổn định trước khi tiến đến giới hạn cần được xác định bởi một số lớn các điều kiện khác nhau (ở dạng bất phương trình)

Hình 1.9 Chuyển động của nghiệm PTĐT trên mặt phẳng phức

Hãy xét khả năng quan sát sự đổi dấu phần thực các nghiệm của PTĐT (tiêu chuẩn chung nhất) để tìm chế độ giới hạn và đánh giá mức độ ổn định cho HTĐ phức tạp Về nguyên tắc, có thể cho thông số chế độ thay đổi (theo kịch bản quan tâm) và theo dõi nghiệm gần trục ảo nhất cho đến khi nó tiến sát trục ảo, đó sẽ là chế độ giới hạn Ngoài khó khăn rất lớn là ở mỗi bước tiến, ngoài việc phải tính toán đầy đủ các nghiệm phức của PTĐT, còn phải xem xét nghiệm nào gần nhất đối với trục ảo trên mặt phẳng phức Đó là vì, trong quá trình tiến tới giới hạn, tốc độ di chuyển toạ độ của các nghiệm trên mặt phẳng phức không giống nhau (có thể chạy lùi), nghiệm gần nhất có thể

bị hoán đổi (hình 1.9) nên cần theo dõi tất cả các nghiệm Số nghiệm PTĐT bằng số bậc tự do của HTĐ nên thường rất lớn

Khó khăn khác liên quan đến số lượng lớn các kịch bản cần được tính toán, đòi hỏi có được các phương pháp xác định nhanh, nhằm đáp ứng nhu cầu đánh giá thường xuyên tính ổn định HTĐ đang hoạt động Đó cũng là yêu cầu đối với việc nghiên cứu các phương pháp tính toán chế độ giới hạn ổn định hệ thống điện

+1 +j

0