Nghiên cứu hiện tượng dao động công suất trên lưới truyền tải, áp dụng cho lưới ieee 9 nút

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tượng dao động công suất lưới truyền tải, áp dụng cho lưới IEEE nút NGUYỄN LAN HƯƠNG Ngành Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh Viện: Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 7/2020 ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Quốc Minh Cơ quan: Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tên đề tài: “Nghiên cứu tượng dao động công suất lưới truyền tải, áp dụng cho lưới IEEE nút” Học viên Nguyễn Lan Hương i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Quốc Minh, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin gửi lời cảm ơn tới quý thầy cô làm việc Viện điện, bạn bè, đồng nghiệp có ý kiến đóng góp quý báu & giúp đỡ tơi để luận văn hồn thiện TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN MỤC LỤC ĐỀ TÀI LUẬN VĂN i LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii MỤC LỤC ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ v CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 1.1 Những vấn đề tượng dao động công suất 1.2 Ảnh hưởng dao động công suất đến ổn định hệ thống 1.2.1 Nguyên nhân dao động công suất 10 1.2.2 Hậu việc dao động công suất không ổn định 11 1.3 Một số phương pháp nhận dạng dao động công suất 12 1.3.1 Phương pháp đo trở kháng rơle khoảng cách DĐCS 12 1.3.2 Phương pháp tính tốn tổng trở liên tục 15 1.3.3 Phương pháp điện áp tâm dao động 16 1.3.4 Nguyên lý góc pha đồng 18 1.3.5 Một số lưu ý sử dụng phương pháp 19 1.4 Phân biệt cố ngắn mạch tượng dao động công suất 23 1.5 Dao động công suất mạng điện phức tạp 25 1.5.1 Phương pháp thứ 26 1.5.2 Phương pháp thứ hai 27 CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT ĐẾN HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BẢO VỆ 28 ii 2.1 Ảnh hưởng dao động công suất đến thiết bị bảo vệ 28 2.1.1 Ảnh hưởng đến rơle so lệch 28 2.1.2 Ảnh hưởng đến rơle dòng 28 2.1.3 Ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách 28 2.2 Kiểm tra tính chọn lọc bảo vệ khoảng cách 31 2.2.1 Yêu cầu tính chọn lọc bảo vệ khoảng cách 31 2.2.2 Khả dao động cơng suất tình vận hành 32 CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG PHẦN MỀM ETAP 34 3.1 Tổng quan phần mềm ETAP 34 3.1.1 Khái niệm ETAP 34 3.1.2 Các chức phần mềm ETAP 34 3.1.3 Giao diện ETAP 35 3.1.4 Giới thiệu phần tử 37 3.2 Mô sơ đồ hệ thống lưới IEEE nút ETAP 41 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN ÁP DỤNG CHO LƯỚI IEEE NÚT 46 4.1 Sự cố ngắn mạch nút 46 4.1.1 Trường hợp hệ thống ổn định 46 4.1.2 Trường hợp hệ thống không ổn định 49 4.2 Sự cố nguồn G1 53 4.3 Sự cố tải B 56 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DĐCS - Dao động công suất TRV - Điện áp phục hồi độ SCV - Điện áp tâm dao động PSB - Chức chống dao động công suất OST - Chức cắt ổn định mho - Đặc tính hình trịn lệch tâm iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình hai máy Hình 1.2 Đại diện điện áp hai mơ hình máy Hình 1.3 Mối liên hệ góc điện áp cơng suất truyền tải Hình 1.4 Hai mơ hình máy với đường dây song song Hình 1.5 Cơng suất khơng cân dao động cơng suất khơng ổn định 10 Hình.1.6 Một hệ thống hai máy 12 Hình 1.7 Quỹ đạo trở kháng cho hệ thống hai máy có K = 14 Hình 1.8 Quỹ dạo trở kháng dao động công suất với K ≠ 14 Hình 1.9 Phân phối điện áp xung quanh trung tâm điện 15 Hình 1.10 Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục 15 Hình 1.11 Đặc tính điện áp tâm dao động SCV 17 Hình 1.12 Đặc tính gần SCV 17 Hình 1.13 Ảnh hưởng tổng trở nguồn tổng trở đường dây đến PSB 20 Hình 1.14 Biến thiên góc đẳng trị q trình ổn định 22 Hình 1.15 Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t 23 Hình 1.16 Đặc tính rơ le khoảng cách dao động cố 24 Hình 1.17 Hệ thống đẳng trị hai nguồn từ mạng hai cửa 26 Hình 1.18 Hệ thống hình đẳng trị hai nút S R 27 Hình 2.1 Góc rơto tối đa dao động cơng suất ổn định 29 Hình 2.2 Quỹ đạo trở kháng trở kháng đường dây nhỏ trở kháng hệ thống 30 Hình 2.3 Quỹ đạo dao động với k > 31 Hình 2.4 Quỹ đạo dao động trở kháng đường dây lớn trở kháng hệ thống 31 Hình 3.1 Giao diện ETAP 35 Hình 3.2 Các chức tính tốn ETAP 36 Hình 3.3 Các phần tử AC ETAP 36 Hình 3.4 Các thiết bị đo lường bảo vệ ETAP 37 Hình 3.5: Hệ thống lưới IEEE nút 45 Hình 4.1 Ngắn mạch nút số (trường hợp ổn định) 47 v Hình 4.2 Cơng suất tác dụng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) 48 Hình 4.3 Cơng suất phản kháng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) 48 Hình 4.4 Góc lệch pha tương đối máy phát so với máy phát1 có ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) 49 Hình 4.5 Ngắn mạch nút số (trường hợp không ổn định) 50 Hình 4.6 Cơng suất tác dụng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp không ổn định) 51 Hình 4.7 Cơng suất phản kháng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp không ổn định) 51 Hình 4.8 Góc lệch pha tương đối máy phát so với máy phát có ngắn mạch nút (trường hợp không ổn định) 52 Hình 4.9: Sự cố nguồn G1 53 Hình 4.10: Cơng suất tác dụng máy phát có cố nguồn G1 54 Hình 4.11: Công suất phản kháng máy phát có cố nguồn G1 54 Hình 4.12 Góc lệch pha tương đối máy phát có cố G1 55 Hình 4.13 Sự cố tải B 56 Hình 4.14 Công suất tác dụng máy phát có cố phụ tải B 57 Hình 4.15 Công suất phản kháng máy phát có cố phụ tải B 57 Hình 4.16 Góc lệch pha tương đối máy phát so với có cố phụ tải B 58 vi CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 1.1 Những vấn đề tượng dao động công suất Các hệ thống điện hoạt động tần số bình thường điều kiện trạng thái ổn định Trong điều kiện này, tất tổ máy phát vận hành đồng có cân hồn tồn nút điện áp Và có cân công suất tác dụng công suất phản kháng nguồn phát phụ tải tiêu thụ Hệ thống điện đại phức tạp việc phân tích Các nhiệm vụ phân tích hệ thống điện điều kiện trạng thái ổn định bình thường phần dễ dàng để phân tích hệ thống chịu xáo trộn nhỏ hay lớn khó khăn Các cố hệ thống điện, đóng cắt đường dây truyền tải, tách lưới máy phát tăng đột ngột lượng lớn tải dẫn đến thay đổi đột ngột lượng điện Đồng thời đầu vào lượng học cho máy phát điện gần không thay đổi Những xáo trộn hệ thống điện làm trạng thái cân bằng, dẫn đến tăng tốc giảm tốc rotor máy phát điện đồng bộ, dẫn đến dao động trào lưu công suất dao động góc rơto máy phát Hệ thống điện nên thiết kế để chịu dao động công suất lấy lại đồng Cấu hình lưới điện mức độ nghiêm trọng dao động định chất dao động công suất Sau dao động, hệ thống đạt trạng thái ổn định cân mới, gọi dao động công suất ổn định Trong trường hợp nhiễu loạn nghiêm trọng gây phân tách lớn góc rơto máy phát Cuối cùng, dẫn đến dao động lớn điện áp dòng điện, dao động lớn trào lưu công suất cuối tính đồng nhóm máy phát điện hệ thống lân cận Trạng thái hệ thống điện gọi dao động công suất không ổn định Vấn đề quan trọng phải tách tổ máy nhà máy điện khu vực lưới điện bị đồng khỏi hệ thống điện để tránh điện diện rộng hư hỏng thiết bị Trạng thái ổn định hay không ổn định dao động công suất phụ thuộc vào hoạt động không mong muốn rơle vị trí khác hệ thống điện, điều làm trầm trọng xáo trộn hệ thống điện dẫn đến điện diện rộng 1.2 Ảnh hưởng dao động công suất đến ổn định hệ thống Sử dụng mơ hình hai máy phát đơn giản, ta hiểu rõ ảnh hưởng dao động công suất tới khả truyền tải công suất ổn định hệ thống điện Chúng ta không cần phải mơ lưới điện hồn chỉnh Hãy xem xét mơ hình máy phát động nối với đường dây hình 1.1 Để đơn giản hóa việc phân tích, giả định tất phẩn tử tổn thất Máy phát điện có điện áp Vs tải động có điện áp Vr Khi tải học động khơng, khơng có dòng điện chạy qua đường dây điện áp máy phát pha với điện áp động Hình 1.1 Mơ hình hai máy Khi tải học động tăng, dòng điện bắt đầu chảy, tạo điện áp rơi đường dây Góc pha máy phát động tăng lên hình 1.2 Hình 1.2 Đại diện điện áp hai mơ hình máy Trong điều kiện này, công suất truyền từ máy phát đến động cơ, góc pha điện áp máy phát điện dẫn trước góc pha điện áp động góc ẟ Mối quan hệ cơng suất tác dụng đường dây góc hai điện áp biểu thị phương trình sau: P = P= P= S R VS VR sin δ X S1 + X + X S (1.1) CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN ÁP DỤNG CHO LƯỚI IEEE NÚT Hệ thống điện tập hợp phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ tương tác lẫn phức tạp, tồn vô số nhiễu tác động lên hệ thống Hệ thống phải đảm bảo tính ổn định có tác động nhiễu động Để đảm bảo độ an tồn vận hành hệ thống q trình xây dựng phát triển hệ thống cần tính tốn tiên lượng trước trường hợp xấu xảy để có biện pháp phịng tránh Thực mơ hệ thống điện IEEE nút phần mềm ETAP mô số trạng thái hoạt động khác hệ thống lưới truyền tải (ngắn mạch, tải, nguồn… ), kết giúp người kỹ sư nắm trạng thái hệ thống để đưa tính tốn xác từ đưa phương án kết lưới phù hợp, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, tin cậy Dưới ta nghiên cứu tượng dao động công suất kịch cố: - Ngắn mạch nút (trường hợp ổn định không ổn định) - Mất nguồn G1 - Mất tải B 4.1 Sự cố ngắn mạch nút 4.1.1 Trường hợp hệ thống ổn định Tại nút số 5, cố pha tạo thời điểm 3s, sau 0.2s máy cắt số số tác động 46 Hình 4.1 Ngắn mạch nút số (trường hợp ổn định) 47 Một số kết tính dạng đồ thị: Hình 4.2 Cơng suất tác dụng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) Hình 4.3 Cơng suất phản kháng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) 48 Hình 4.4 Góc lệch pha tương đối máy phát so với máy phát1 có ngắn mạch nút (trường hợp ổn định) Nhìn vào đồ thị thấy có cố ngắn mạch pha nút số 5, công suất tác dụng máy tăng công suất phản kháng máy phát giảm, phụ tải A nối vào nút số Quá trình dao động cơng suất có xu hướng giảm dần theo thời gian Góc lệch pha tương đối G2 G3 so với G1 biến động mạnh khoảng thời gian đầu có xuất cố, sau tiến dần đến trị số ban đầu trước xảy cố 4.1.2 Trường hợp hệ thống không ổn định Tại nút số 5, cố pha tạo thời điểm 3s, sau 2s máy cắt số số tác động 49 Hình 4.5 Ngắn mạch nút số (trường hợp không ổn định) 50 Một số kết tính dạng đồ thị: Hình 4.6 Cơng suất tác dụng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp khơng ổn định) Hình 4.7 Cơng suất phản kháng máy phát có cố ngắn mạch nút (trường hợp không ổn định) 51 Hình 4.8 Góc lệch pha tương đối máy phát so với máy phát có ngắn mạch nút (trường hợp khơng ổn định) Nhìn vào đồ thị thấy có cố nút số 5, bảo vệ đường dây tác động không chọn lọc, cắt đường dây thời điểm t = 5s, dẫn đến công suất máy phát G2 G3 dao động ngừng cố, máy phát G1 dao động công suất tăng dần theo thời gian Công suất phản kháng máy phát G1 tăng lên bù lại lượng công suất G2 G3 Quá trình dao động cơng suất có xu hướng tăng dần theo thời gian Góc lệch pha tương đối G1 G2, G3 biến thiên mạnh thời gian dao động 52 4.2 Sự cố nguồn G1 Hình 4.9: Sự cố nguồn G1 53 Một số kết tính dạng đồ thị: Hình 4.10: Cơng suất tác dụng máy phát có cố nguồn G1 Hình 4.11: Cơng suất phản kháng máy phát có cố nguồn G1 54 Hình 4.12 Góc lệch pha tương đối máy phát có cố G1 Nhìn vào đồ thị thấy có cố máy phát G1, công suất tác dụng cơng suất phản kháng G2 G3 có tăng thời điểm đầu, phải bù vào lượng công suất bị thiếu hụt G1 Quá trình dao động cơng suất có xu hướng giảm dần theo thời gian Góc lệch pha tương đối G2 G3 biến thiên mạnh, sau giảm dần trị số ổn định 55 4.3 Sự cố tải B Hình 4.13 Sự cố tải B 56 Một số kết tính dạng đồ thị: Hình 4.14 Cơng suất tác dụng máy phát có cố phụ tải B Hình 4.15 Cơng suất phản kháng máy phát có cố phụ tải B 57 Hình 4.16 Góc lệch pha tương đối máy phát so với có cố phụ tải B Nhìn vào đồ thị thấy có cố phụ tải B, công suất tác dụng công suất phản kháng nhà máy giảm mạnh thời gian đầu Q trình dao động cơng suất có xu hướng tắt dần theo thời gian Góc lệch pha tương đối G2 G3 với G1 biến thiên mạnh, sau giảm dần trị số ổn định 58 KẾT LUẬN Nội dung luận văn nghiên cứu ảnh hưởng tượng dao động công suất lưới truyền tải, áp dụng cho lưới IEEE nút đạt kết sau: Luận văn nêu đặc điểm tượng dao động công suất: nguyên nhân phát sinh, phương thức phát biến thiên thông số vận hành hệ thống điện trình dao động Qua nghiên cứu nhận thấy có nhiều phương thức khác để phát hiện tượng dao động công suất Khi xảy tượng dao động công suất ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị bảo vệ rơle khoảng cách, rơle dịng… Khi đó, rơ le bảo vệ tác động sai, chọn lọc làm trầm trọng thêm cố Do đó, cần nghiên cứu ảnh hưởng tượng dao động công suất đến hoạt động thiết bị bảo vệ Q trình mơ phản ứng phần tử hệ thống nút phần mềm ETAP với kịch khác hệ thống điện như: ngắn mạch, nguồn, tải giúp đưa đánh giá ảnh hưởng cố đến hệ thống điện ảnh hưởng làm việc xác khơng xác bảo vệ rơ le đến ổn định hệ thống, từ tính toán chỉnh định phù hợp, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, tin cậy 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Lã Văn Út (2009), " Ngắn mạch hệ thống điện " , NXB Khoa học kỹ thuật [2] Trần Đình Long (2010), "Bảo vệ hệ thống điện" , NXB Khoa học kỹ thuật [3] Trần Đình Long (2004), " Tự động hóa hệ thống điện " , NXB Khoa học kỹ thuật [4] Đỗ Đức Thành (2010), “Nghiên cứu ảnh hưởng dao động công suất đến bảo vệ khoảng cách lưới điện 220kV” Tiếng Anh [5] Abyaneh H.A, Marjanniehr M and Meshkin M (2004), “Stability Analysis for Power Swing Protection” [6] Guzman A., Mynam V., Zweigle G (2007), “Backup Transmission Line Protection for Ground Faults and Power Swing Detection Using Synchrophasors” , Schweitzer Engineering Laboratories, Inc [7] IEEE (2005), “Power Swing and Out-of-step Considerations on Transmission Lines” [8] Khan U.Naseem and Yan L (2008), “Power Swing Phenomena and its Detection and Prevention” [9] Klimek A., Baldwin R (2004), “Benefits of Power Swing Recording” 60 ... CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG DAO ĐỘNG CÔNG SUẤT 1.1 Những vấn đề tượng dao động công suất 1.2 Ảnh hưởng dao động công suất đến ổn định hệ thống 1.2.1 Nguyên nhân dao động công suất ... lưu ý sử dụng phương pháp a) Các thông số dùng để phát hiện tượng dao động cơng suất Có nhiều thơng số khác sử dụng để phát hiện tượng dao động công suất thực chức chống dao động công suất (PSB)... quan: Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tên đề tài: ? ?Nghiên cứu tượng dao động công suất lưới truyền tải, áp dụng cho lưới IEEE nút? ?? Học viên Nguyễn Lan Hương i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời