KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.Các chế độ làm việc hệ thống điện-định nghĩa ổn định 1.1.1.HỆ THỐNG ĐIỆN Hệ thống điện tập hợp phần tử tham gia vào trình sản xuất, truyền tải tiêu thụ điện Các phần tử hệ thống điện chia thành hai nhóm: 1) Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối sử dụng điện máy phát điện, đường dây tải điện thiết bị dùng điện 2) Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh biến đổi trạng thái hệ thống điện điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơ le, máy cắt điện Mỗi phần tử hệ thống điện đặc trưng thông s ố, thông s ố xác định lượng tính ch ất vật lí ph ần tử, sơ đ liên lạc chúng nhi ều giản ước tính tốn khác Ví d ụ: tổng trở, tổng dẫn đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số phần tử gọi thông số hệ thống điện Nhiều thông số hệ thống điện đại lượng phi tuyến, giá trị chúng phụ thuộc vào dịng cơng su ất, tần số X, Y, đ ộ từ hoá Trong phần lớn toán th ực tế coi chúng số ta có hệ thống tuyến tính Nếu tính đến biến đổi thơng số ta có hệ thống phi tuyến, dạng phi tuyến hệ thống điện, dạng phi tuyến phải xét đến số trường hợp phải tính đến độ bão hồ máy phát điện, máy biến áp toán ổn định 1.1.2.CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Tập hợp trình x ảy h ệ thống điện xác đ ịnh trạng thái làm vi ệc hệ thống điện m ột thời điểm hay m ột khoảng thời gian g ọi ch ế độ hệ thống điện Các q trình nói đặc trưng thông số U I, P, Q, f,  điểm hệ thống điện Ta gọi chúng thông số chế độ, thông s ố khác với thông s ố hệ thống chỗ tồn hệ thống điện làm việc Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc hệ thống điện Các thông số chế độ quan hệ với thông qua thông s ố hệ thống điện, nhiều mối qua hệ có dạng phi tuyến Ví dụ P=U2/R Đó dạng phi ến thứ hai hệ thống điện, dạng phi ến không th ể bỏ qua toán điện lực Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Các chế độ hệ thống điện chia thành hai loại: 1-Chế độ xác lập chế độ thơng số dao động nhỏ xung quanh giá trị trung bình đó, thực tế xem thông số số Trong thực tế không tồn chế độ mà thơng số bất biến theo thời gian hệ thống điện bao gồm số vơ lớn phần tử, phần tử luôn biến đổi khiến cho thông số chế độ biến đổi không ngừng Chế độ xác lập chia thành: - Chế độ xác lập bình thường chế độ vận hành bình thường hệ thống điện - Chế độ xác lập sau cố xảy sau loại trừ cố - Chế độ cố xác lập chế độ cố trì sau thời gian q độ ví dụ chế độ ngắn mạch trì 2-Chế độ độ chế độ thơng số biến đổi nhiều Chế độ độ gồm có: - Chế độ độ bình thường bước chuyển từ chế độ xác lập bình thường sang ch ế độ xác lập bình thường khác - Chế độ độ cố xảy sau cố 1.1.3- YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Đối với chế độ xác lập bình thường yêu cầu : - Đảm bảo chất lượng điện : điện cung cấp cho phụ tải phải có chất lượng đảm bảo ,tức giá trị thông số chất lượng( điện áp tần số ) phải nằm giới hạn quy định tiêu chuẩn - Đảm bảo độ tin cậy : ph ụ tải cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo Mức độ liên tục phải đáp ứng yêu cầu hộ dùng điện điều kiện hệ thống điện - Có hiệu kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy đảm bảo chất lượng điện thực với chi phí sản xuất điện, truyền tải phân phối điện nhỏ - Đảm bảo an toàn ện : phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện thiết bị phân phối điện Đối với chế độ xác lập sau cố : yêu cầu nói đ ều giảm cho phép kéo dài m ột thời gian ngắn , sau ph ải có biện pháp thay đ ổi thông số chế độ thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ chế độ xác lập bình thường Đối với chế độ độ yêu cầu : Trần Bách-Ổn định hệ thống điện - Chấm dứt cách nhanh chóng b ằng chế độ xác lập bình th ường hay chế độ xác lập sau cố - Trong thời gian đ ộ thông số biến đổi giới hạn cho phép Ví d ụ giá trị dòng điện ngắn mạch ,điện áp nút phụ tải ngắn mạch - Các yêu cầu hệ thống điện xét đến tiết kế bảo đảm cách điều chỉnh thường xuyên trình vận hành hệ thống điện 1.1.4 ĐIỀU KIỆN TỒN TẠI CHẾ ĐỘ XÁC LẬP ĐỊNH NGHĨA ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.4.1 Sự cân công suất Điều kiện cần để chế độ xác lập có th ể tồn s ự cân công suất tác d ụng công suất phản kháng Công su ất nguồn sinh ph ải công suất ph ụ tải tiêu thụ cộng với công suất tổn thất phần tử hệ thống điện PF = Ppt + P = P ( 1.1 ) QF = Qpt + Q = Q ( 1.2 ) Giữa công suất tác dụng cơng suất phản kháng có mối quan hệ: S2 = P + Q (1.3) ều kiện cân công suất (1.1) (1.2 ) xét cách độc lập mà lúc phải xét đến mối quan hệ chúng Tuy thực tế tính tốn vận hành hệ thống điện cách gần xem biến đổi công suất tác dụng công suất phản kháng tuân theo quy luật riêng biệt ảnh hưởng đến Đó là: Sự biến đổi cơng suất tác d ụng có ảnh hưởng đến tần số hệ thống điện, ảnh hưởng đến điện áp khơng đáng kể Như tần số xem tiêu để đánh giá cân công suất tác dụng Sự biến đổi công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp hệ thống điện Điện áp tiêu để đánh giá cân công suất phản kháng Trong vận hành hệ thống điện điều kiện cân công suất (1.1) (1.2) đảm bảo cách tự nhiên Các thông s ố chế độ giữ giá trị cho điều kiện cân công su ất thoả mãn Ví d ụ xuất phát t vị trí cân b ằng ta tăng cơng suất tác dụng nguồn lên tần số tăng lên làm cho công suất tiêu thụ phụ tải Trần Bách-Ổn định hệ thống điện tăng lên theo cân với công suất nguồn Hay ta đóng thêm m ột phụ tải cơng suất phản kháng điện áp tồn hệ thống giảm làm cho phụ tải phản kháng khác giảm cho t ới đạt lại cân công suất phản kháng Tất nhiên điều chỉnh thực phạm vi cho phép Các điều kiện cân b ằng công su ất (1.1) (1.2) (1.3) s xuất phát đ ể tính tốn chế độ hệ thống điện Từ điều kiện ta tính thơng số chế độ U, I, P, Q Để đảm bảo làm việc đắn phụ tải điện hệ thống điện người ta quy đ ịnh giá trị cân cho công suất tác dụng phản kháng Công suất tác dụng cân b ằng tần số hệ thống tần số đồng f (50 hay 60 Hz) nằm giới hạn cho phép fcpmin  f  fcpmax - Công suất phản kháng cân b ằng ện áp t ại nút c hệ thống điện nằm giới hạn cho phép Ucpmin U Ucpmax Khi điện áp t ần số lệch khỏi giá tr ị cho phép ta xem nh cân cơng suất khơng đảm bảo cần có biện pháp để đảm bảo chúng Sự cân cơng suất tác dụng có tính chất tồn hệ thống Vì khắp chỗ tần số có gía tr ị chung Việc đảm bảo tần số d ễ thực cần điều chỉnh cơng su ất nhà máy Trái lại cân cơng suất phản kháng mang tính chất cục thừa chỗ thiếu chỗ khác Việc điều chỉnh công suất phản kháng phức tạp thực chung cho toàn hệ thống Trong hệ thống điện, máy phát điện phần tử định làm việc tồn hệ thống, cân công su ất tác d ụng tr ục roto c máy phát ện đóng vai tr ò quan trọng định tồn chế độ xác lập Đây cân điện , nghĩa cân công suất học turbin PT công suất điện PĐ máy phát điện phát ra: PT = PĐ Như nói, cân cơng suất tác dụng có tính chất tồn hệ thống cân xảy đâu tức khắc tác động lên máy phát điện gây cân điện Đối với công suất phản kháng cân nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng Còn đối vối phụ tải quay có cân điện công suất điện lưới P d công suất Pc máy công cụ PC = Pđ Trần Bách-Ổn định hệ thống điện 1.1.4.2 Định nghĩa ổn định hệ thống điện Điều kiện cân công suất không đủ cho chế độ xác lập tồn thực tế Vì chế độ thực tế ln ln bị kích động từ bên Một chế độ thoả mãn điều kiện cân công suất muốn tồn thực tế phải chịu đựng kích động mà điều kiện cân công suất không bị phá huỷ Các kích động chế độ hệ thống điện chia làm hai loại : kích động nhỏ kích động lớn Các kích động nhỏ xảy liên tục thời gian có biên độ nhỏ , biến đổi liên tục công suất hệ thống điện đóng cắt phụ tải làm việc khơng tốt thiết bị điều chỉnh ví kích đ ộng nhỏ th hệ thống điện Các kích đ ộng tác đ ộng lên rôto c máy phát ện , phá ho ại cân công su ất ban đ ầu làm cho ch ế độ xác lập tương ứng bị dao động Chế độ xác lập muốn trì phải chịu kích động nhỏ này, có ngh ĩa cân công su ất phải giữ vững trước kích đ ộng nhỏ, nói cân công suất phải khơi phục sau kích động nhỏ, trường hợp ta nói hệ thống có ổn định tĩnh Định nghĩa ổn định tĩnh Ổn định tĩnh khả hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu gần chế độ ban đầu sau bị kích động nhỏ Như ổn định tĩnh điều kiện đủ để chế độ xác lập tồn thực tế Ổn định tĩnh gọi ổn định chế độ xác lập (steady state stability), Ổn định giao động bé (small sygnal stability) , ổn định góc rotor máy phát ện (rotor angle stability) biến đổi góc rotor máy phát ện phẩn ảnh giao động công suất chúng Trong hệ thống điện, lý thuyết có nhiều chế độ cân công suất , nhiên có chế độ cân cơng suất có ổn định tĩnh áp dụng thực tế Các chế độ có quan hệ mật thiết với trạng thái vận hành hệ thống điện thể sơ đồ vận hành hệ thống điện , thơng s ố phần tử…Khi vận hành bình thường hệ thống điện chế độ ổn định với trạng thái tốt hệ thống điện , nhiên có th ể xảy cố làm cho trạng thái hệ thống điện bị biến dạng m ất tổ máy phát , đư ờng dây …khi ến cho h ệ thống điện rơi vào trạng thái x ấu không t ồn chế độ ổn định Vì th ế thiết kế vận hành h ệ thống điện cần phải cho chế độ trạng thái không ổn định xảy cố Các kích động lớn xảy nhi ều so với kích đ ộng nhỏ, có biên đ ộ lớn, kích động xảy biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện , phụ tải cố ngắn mạch loại Các kích động lớn tác động làm cho cân cơng suất - điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động mạnh Khả hệ thống điện chịu kích đ ộng mà ch ế độ xác lập không bị phá hoại gọi kh ả ổn định động hệ thống điện Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Định nghĩa ổn định động : Ổn định động (transient stability) khả hệ thống điện khôi phục lại chế độ l àm việc ban đầu gần chế độ ban đầu sau bị kích động lớn Do kích động lớn xảy thưa, nên ổn định động điều kiện chế độ hệ thống điện tồn lâu dài Khi chế độ hệ thống điện chịu kích động nhỏ lớn, hệ thống điện có ổn tĩnh động cần cân cơng xuất tác dụng ban đầu khôi phục lại, chế độ làm việc giữ vững Trong trình dao động t ần số bị lệch khỏi giá tr ị định mức song độ lệch nh ỏ tần số xem khơng thay đ ổi Vì đặc trưng q trình dao động rơto máy phát điện chưa ổn định tốc độ góc chúng giữ giá trị đồng  = 0 (0= 2. f = 2.3,14 50 =314 rad/s), chế độ chế độ đồng Ngược lại hệ thống ổn định s ự cân bị phá huỷ, tốc độ góc roto b ị lệch nhiều khỏi giá trị định mức , hệ thống xuất hệ số trượt S S=  0 0 Trong  tốc độ góc tức thời máy phát ện, 0 tốc độ đồng Lúc ta nói hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng Trong chế không đồng bộ, công suất thông số khác chế độ dao động mạnh với biên độ lớn Chế độ không đồng kéo dài thời gian sau có hai kết cục, hệ thống bị tan rã hoàn toàn ,các máy phát điện bị tách rời khỏi ngừng làm việc, hai chế độ đồng lại khơi phục, trường hộp sau ta nói hệ thống có khả ổn định tổng quát Khi xảy kích động nhỏ lớn gây cân công suất tác dụng , số máy phát bị tăng tốc, số máy phát khác l ại bị giảm tốc gây dao động công suất hệ thống điện, máy phát có xu hưởng đồng Ổn định tĩnh ổn định động gọi ổn định đồng Dao động công suất gây giao đ ộng tần số điện áp làm b ất lợi cho hoạt động hệ thống điện Do có biện pháp thực nhằm hạn chế giao động cơng suất này, có PSS(Power System Stabilizers) tác đ ộng điều chỉnh kích từ nhằm hạn chế dao động công suất hệ thống điện Ổn định động gắn liền với cấu trúc hệ thống điện , cịn gắn với điều khiển hệ thống điện , điều khiển quan trọng cắt nhanh cố xảy Cắt nhanh cố đảm bảo cho ổn định động hệ thống điện xảy ngắn mạch Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Định nghĩa ổn định tổng quát(global stability): Ổn định tổng quát kh ả hệ thống điện lập lại chế độ đồng sau đ ã rơi vào chế độ không đồng ổn định tĩnh ổn định động Định nghĩa ổn định tần số: Ổn định tần số khả hệ thống điện giữ vững tần số sau bị cố nặng gây thiếu công suất Khi xảy nguồn điện, công suất phát thiếu t ần số giảm xuống Các biện pháp điều chỉnh công suất phát thực nhằm tăng công su ất phát c hệ thống khôi phục tần số Tuy nhiên cố năng, tần số khôi phục tiếp tục giảm Khi tần số giảm đến giá trị khoảng 45 Hz, xảy sụp đổ tần số, lúc tự dùng đọng nhà máy nhiệt điện ngừng hoạt động khiến cho nhà máy ện phải ngừng phát điện, tần số tức khắc sụp đổ đến Sự kiện gọi ổn định tần số Trong thực tế hệ thống điện điện phải tự phân chủ động trước tần số xuống tới giới hạn Mất ổn định tần số gây điện diện rọng phân rã hệ thống điện Q trình điều khiển cơng suất để giữ vững tần số xảy chậm Ở nút phụ tải , kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi Sự biến đổi điện áp làm cho cân b ằng cơng suất tác dụng phản kháng bị phá hoại dẫn đến ổn định phụ tải, động không đồng ngừng làm việc Khả hệ thống điện chịu kích động mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi ổn định phụ tải ổn định điện áp Định nghĩa ổn định điện áp ( ổn định phụ tải): Ổn định phụ tải khả hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu hay gần ban đầu bị kích động nhỏ nút phụ tải Ổn định điện áp gắn liền với tính chất phụ tải điện điện, phần lớn động khơng đống Nó gắn với hoạt động hệ thống điều chỉnh tự động điện áp hệ thống điện Sơ đồ tổng kết dạng ổn định hệ thống điện (dựa CIGREReportNo.325) Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Ổn định Ổn định góc rotor Ổn định tần số Thơng số bị tác động Ổn định điện áp Ổn định Ổn định Kích động Kích động Độ lớn kích tĩnh động nhỏ lớn động Ngắn Ngắn Dài Ngắn Dài hạn hạn hạn hạn hạn Thời gian tác động Ta thấy ổn định tĩnh ổn định động, không xảy thiếu công suất phát, mà xảy dao động công suất nhà máy điện gây biến đổi góc rotor chúng Cịn ổn định tần số có thiếu cơng suất phát dẫn đến tần số giảm, tăng công suất phát để cân hệ thống điện bị nguy hiểm Ngắn hạn ổn định xảy tức thời bị kích động, ổn định tĩnh động, ổn định điện áp động không đồng bộ, ổn định xảy thời gian tính mili giây đến giây Dài hạn ổn định xảy sau q trình điều khiển khơng thành cơng điều chỉnh tần số hay điều chỉnh điện áp lưới điện, trình ổn định kéo dài hàng phút đến hàng chục phút 1.1.4.3.Các dạng ổn định Có dạng ổn định :1-Mất ổn định tiệm cận; 2-Mất ổn định dao đ ộng gồm loại: tự dao động tăng dần tự kích thích 1-Mất ổn định tiệm cận : Khi công suất phát nhà máy điện lên hệ thống qua đường dây dài vượt giới hạn ổn định tĩnh thể P gh hay góc gh (góc vecto sức điện động máy phát điện áp góp hệ thống nhận điện) hệ thống ổn định tĩnh góc  tăng lên cách trơn Hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng bộ, thông số chế độ biến đổi mạnh vượt phạm vi cho phép, máy phát ện bị cắt khỏi vận hành àm cho hệ thống điện tan rã Để đối phó với dạng ổn định phải thiết kế hệ thống có P gh cao công suất cần phát nhà máy điện 2-Mất ổn định dao động: có dạng : a-Tự dao động tăng d ần : ngun nhân có th ể gây ch ỉnh định không h ệ thống TĐK (tự động điều chỉnh kích từ), góc  vừa dao động vừa tăng lên Để hạn chế tự dao Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Khi S = nên MT = Mđb ta có chế độ giới hạn Tóm lại, điều kiện để có ổn định tổng quát là: S = Mđb > MT Mđb MT s s Hình 4.8 4.4 Ý NGHĨA CỦA VIỆC TÁI ĐỒNG BỘ Chế độ không đồng chế độ làm việc không bình th ường máy phát điện tồn hệ thống Trong chế độ khơng đồng bộ, cịn kích thích, máy phát s ẽ làm việc máy phát không đồng bộ, vừa phát công suất không đồng bộ, vừa phát công suất đồng dao động Do tốc độ quay tăng lên, thiết bị điều chỉnh tốc độ tuabin làm việc khiến cho công suất tác dụng giảm nhiều so với trước ổn định Công suất phản kháng để sinh từ trường máy phát lấy từ lưới Vì dòng điện máy phát tăng lên, m ột dịng điện dao động, làm nóng máy phát gây tác đ ộng học lên trục máy N ếu để đảm bảo điều kiện phát nóng cơng su ất tác d ụng động s ẽ phải giảm r ất nhiều, 50 -70% công su ất định mức tuỳ loại máy Đi ện áp c máy phát giảm thấp dao động Đối với hệ thống, điện áp giảm thấp xảy nguy m ất ổn định toàn hệ thống ổn định phụ tải Nói chung ch ế độ khơng đồng khơng phải nguy hi ểm đ ã kiểm tra c ẩn thận cho phần tử tồn hệ thống điện Song chế độ khơng phép kéo dài, với thời gian tồn tại, chế độ không đồng nguy hiểm máy phát hệ thống Máy phát ện tuabin đư ợc phép ch ạy không đ ồng 15 - 30 phút n ếu m ất kích thích, cịn kích thích thời gian giảm Nếu thời gian khơng tái đồng phải cắt máy phát khỏi lưới, máy phát thuỷ điện cho phép khơng đồng có kích thích, song khơng q phút 162 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Lợi ích việc tái đồng phụ tải cung cấp điện liên tục trình tái đồng nhanh nhiều so với hoà đồng máy phát bị cắt khỏi lưới Trong hệ thống điện lớn, chia làm nhiều vùng xa nối liền đường dây dài , thiết kế đường dây có độ dự trữ ổn định cao hệ thống đắt, cần làm đường dây liên lạc yếu có độ dự trữ ổn định thấp ,sau chuẩn bị điều kiện để tái đồng bị ổn định, hệ thống xẽ rẻ nhiều mà đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện CHƯƠNG CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH Việc đảm bảo cho hệ thống điện l àm ổn định điều kiện có tầm quan trọng đặc biệt nhằm đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho hộ tiêu thụ Trong thực tế nhiều b ản thân h ệ thống điện với thi ết bị không đủ để đảm bảo ổn định, không đủ độ trự ổn định cần thiết, người ta phải dùng biện pháp nhằm tăng cường ổn định hệ thống điện Các biện pháp nâng cao ổn định chia làm hai loại Cải thiện phân tử hệ thống điện Thêm vào hệ thống phân tử phụ nhằm nâng cao khả ổn định hệ thống 5.1 CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH CỦA NHỮNG PHÂN TỬ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Máy phát điện a Cải tạo tham số máy phát điện Ở chương 2, mục 2.2 nói ảnh hưởng điện kháng máy phát ện X d đến ổn định tĩnh hệ thống điện Ta thấy trường hợp khơng có TĐK, n ếu giảm X d tăng đ ộ dự trữ ổn đ ịnh tĩnh Đối với ổn đ ịnh đ ộng vi ệc giảm X d có tác d ụng tốt (h.5.1) Ngoài việc tăng số qn tính Tj có lợi ổn định động chỗ cho t cắt kéo dài với tcắt khơng đổi cơng suất truyền tải cao (hình 5.2) Tuy nhiên muốn tăng T j, giảm X’d giá máy phát điện tăng lên nhi ều, ch ỉ làm máy phát thu ỷ điện có thơng s ố theo yêu c ầu, máy phát nhi ệt điện s ản xuất hàng loạt với thơng số giống Cần ý máy phát điện sử dụng TĐK loại mạnh hiệu việc cải thiện thông số chúng giảm nhiều 163 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện P0 P0 Tj1 > Tj2 X’d1 < X’d2 Tj1 X’d1 Tj2 X’d2 tcắt tcắt h.5.2 h.5.1 b) Hệ số cos máy phát điện Hệ số cos máy phát ện có ảnh hưởng nhiều đến đặc tính cơng su điện Ta xét đồ thị véc tơ sau : ất máy phát Nếu ta giả thiết công suất tác dụng phát khơng đổi thì: E3 A E2 E1 B I.Xht.cos = Ia.Xht = Hs h.5.3 Ia B’ A’ U I2 P = U.I.cos = Hs (U = Hs) : I.cos = Ia = Hs đoạn thẳng I.Xht.cos = Ia.Xht khơng đổi Vì ta thay đổi cos  cách thay đổi công suất phản kháng đầu mút véctơ dịng điện trượt trục BB' véctơ E trượt AA' để giữ cho I a Ia.Xht số Ví dụ ta tăng cos cách giảm I1 xuống I2 sức điện động E1 giảm xuống E2 Như đường đặc tính cơng su ất với E giảm thấp với E độ dự trữ ổn định tĩnh giảm Khi cos  = sức điện động E3, Nếu cos đổi dấu E giảm tiếp đến  = 900 véctơ B trùng với trục OA, đặt giá trị nhỏ nhất, ứng với giới hạn ổn định Trên hình 5.4 quan hệ Pmax cos máy phát điện 164 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Pmax 1,4 1,3 h.5.4 1,2 1,1 -0,85 -0,9 -0,95 0,95 0,9 cos 0,8 Qua phân tích ta th cos  máy phát điện cao khơng l ợi ổn định Nhưng sản xuất máy phát với cos  thấy giá trị công suất tác dụng P công suất biểu kiến lớn S = P/cos làm cho máy phát đắt tiền, thực tế người ta chọn giá trị thích hợp cos  Trong v ận hành, n ếu cos  máy phát cao để bảo đảm ổn định cần phỉ có biện pháp gi ảm xuống ví dụ đấu thêm dẫn kháng vào c ực máy phát điện để tăng lượng công suất phản kháng máy phát, hạ thấp cos  Thiết bị tự động điều chỉnh kích thích (TĐK) a Nguyên lý cấu tạo Trên hình 5.5 sơ đồ nguyên lý TĐK Kích từ phụ Kích từ Máy phát  Uk TĐK a) a 3 b   b) c) h.5.5 165 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện TĐK có phận điều chỉnh 2: B ộ phận làm nhi ệm vụ điều chỉnh lúc bình thường nhằm giữ cho sức điện động E h ằng số Bộ phận b ộ phận cường hành kích thích, tác động lúc cố, có tác d ụng giữ cho điện áp c ực máy phát ện không bị giảm thấp q (hình 5.5a) TĐK có ph ần tử chủ yếu (hình 5.5b,c) phân t biến đổi, biến đổi tín hi ệu sơ c ấp thành tín hiệu đầu vào TĐK, b ộ phận đo lường,3 phận khuyếch đại, khuyếch đại tín hiệu điều khiển TĐK có loại: Loại tác động tỷ lệ, tác động theo độ lệch điện áp (U) hay dịng điện (I) (hình V 5b) Chính nên TĐK loại khơng thể giữ cho điện áp cực máy phát U F số, U = 0, tín hiệu điều chỉnh khơng có U F lại tụt xuống Loại TĐK giữ sức điện động E x đặt sau XFx , thường điện động độ E' đặt sau X' d số Loại TĐK tác đ ộng mạnh (hình 5.5c) lo ại đại, đ ộ lệch điện áp dịng điện cịn tác động theo đạo hàm bậc (bộ phận a,b hình 5.5c) Vì có tác động mạnh có th ể giữ cho UF số, U = đạo hàm U, dU/dt  TĐK vận tác động b Tác động TĐK đên ổn đĩnh tĩnh trình bày rõ chương mục Ở nhấn mạnh thêm yêu cầu với TĐk Yêu cầu thứ tác đ ộng nhanh , tức đ ộ tăng sức điện động E q theo thời gian phải lớn, tốc độ tăng lại phụ thuộc vào tốc độ tăng điện áp đặt cuộn kích thích U k Trên hình 5.6, rõ ảnh hưởng độ tăng E q đến đường đặc tính cơng suất, E q tăng nhanh đường đặc tính cơng suất dốc Pmax lớn Độ tăng Uk đạt khoảng 200V/s, Eq : 2000 - 3000 V/s Yêu cầu thứ Ukmax hay Eqmax phải cao , điện áp c cuộn kích thích c ũng Eq khơng thể tăng vơ hạn tăng đến giá trị cực đại cho phép E qmax Ukmax Khi Eq đạt Eqmax đường đặc tính cơng su ất thơi không tăng n ữa mà s ẽ trượt theo đường đặc tính cơng suất với Eqmax, Eq cao Pmax lớn Yêu cầu thứ TĐK phải nhậy khơng có vùng ch ết tức vùng đ ã có tín hi ệu TĐK khơng tác động Nhờ có độ nhậy cao máy phát điện làm việc vùng ổn định nhân tạo 166 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện P P3max P2max P1max Eqmax (Ukmax) h.5.6 P0 0  900 c Ảnh hưởng đến ổn định động Ảnh hưởng TĐK đến ổn định động khơng đáng kể trình độ điện xảy nhanh (0,1 - 0,2g) cịn q trình q độ điện từ lại xảy chậm (1 giây) Tuy trư ờng hợp cắt mạch chậm b ộ phận cường hành kích thích c TĐK có tác dụng giảm điện tích gia tốc (hình 5.7) Nếu khơng có TĐK tức E' = Hs điện tích gia tốc F 1233'44’ diện tích hãm tốc F4'56, có TĐK E' tăng lên đến E'max Fgt = F12344' Fht = F4'5786 Độ tăng diện tích hãm t ốc phụ thuộc vào t ốc độ tăng E' giá tr ị E' max ổn định động yêu cầu tăng nhanh E' E'max phải cao P PI P0 PIII h.5.7 4’ 0 3’ cắt PI  Máy cắt điện Sử dụng máy cắt điện cắt nhanh cố biện pháp để đảm bảo ổn định động hệ thống điện a Cắt nhanh cố 167 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Như khảo sát chương 3, ta biết cắt ngắn mạnh nhanh di ện tích gia tốc nhỏ điện tích hãm t ốc lớn, máy phát có kh ả ổn định cao đ ỡ bị dao động, công suất truyền tải P0 nâng cao Ngoài việc cắt nhanh ngắn mạch cịn có tác dụng ngăn chặn biến hố c ngắn mạch khơng đ ối xứng thành ng ắn mạch pha.Ta h ãy xét tác d ụng tăng khả truyền tải hệ thống đồ thị hình 5.8 Nếu ngắn mạch với góc cắt1 theo điều kiện cân diện tích hãm tốc gia tốc tải cơng suất tối đa P01 lúc Fgt1 = F1234 = Fht = F456 Bây cắt sớm t cắt2 theo điều kiện tăng cơng suất tải lên P 02 Fgt2 = F1'2'3'4' = Fht2 = F4''5'56' P PI P 02 P01 1’ 4’ h.5.8 PIII 5’ 4’’ 3’ 6’ 2’ PII 01 02 cắt2 cắt1  Sự phụ thuộc công suất tải P vào tcắt ứng với dạng ngắn mạch khác cho đồ thị hình 5.9 Qua ta thấy thời gian cắt ngắn mạch có tác dụng lớn đến công suất tải trọng trường hợp ngắn mạch pha pha chạm đất P0 100% N1 N2 h.5.9 N1,1 N3 tcắt Mặt khác mức độ nặng nhẹ ngắn mạch phụ thuộc vào sơ đồ nối dây hệ thống Ta xét sơ đồ A B (hình 5.10) Khi xảy ngắn mạch pha chạm đất, ta thấy: 168 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện - Ngắn mạch với sơ đồ B trầm trọng sơ đồ A -Tình trạng vận hành sau ng ắn mạch sơ đồ B lại tốt Cho nên n ếu cắt nhanh ngắn mạch sơ đồ B tốt sơ đồ A, cịn cắt chậm sơ đồ A tốt Trên hình 5.10 quan hệ P tcắt sơ đồ A B Cuối ta nói đến khả cắt nhanh máy cắt: thời gian cắt thân máy cắt từ có tín hiệu vào đến dập xong hồ quang 0,04 - 0,07 s thời gian tác động bảo vệ rơle 0,01 - 0,03 s thời gian cắt thiết bị bảo vệ cắt 0,05-0,1 s a) Sơ đồ A  N1,1 b)  Sơ đồ B N1,1 dùng sơ đồ B dùng sơ đồ A 1,4 B 1,2 A 0,8 0,6 0,1 0,2 0,3 0,4 tcắt [s] c) h.5.10 b Tự đóng lại đường dây tải điện TĐL Phần lớn ngắn mạch xảy đư ờng dây t ạm thời, nên sau th để khử I-on ta đóng lại đường dây làm việc thường Thời gian khử I-on ời gian định đủ 110 kV => 0,1 - 0,13 s 220 kV => 0,12 - 0,33 s Thường 80 - 90% TĐL có kết TĐL, thường, dùng cho đư ờng dây cụt m ột lộ đến ph ụ tải để đảm bảo cung cấp điện Nhưng dùng cho máy phát làm vi ệc song song có tác d ụng đảm bảo ổn định động với đường dây liên lạc lộ Tác dụng TĐL hình 5.11 169 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Điều kiện để chọn thời gian TĐL : - tTĐL tcắt phải đủ nhỏ cho Fgt < Fhtmax - tTĐl > t khử I-on  N P Fht Fgt h.5.11 P0 0 cắt TĐL  Điều quan trọng TĐL ch ỉ thực hệ thống cho phép đóng phi đồng Đối với đường dây lộ TĐL có hiệu so với đường dây lộ 4/ Đường dây tải điện Điện đ ường dây tải điện xa đóng vai trị quan tr ọng nâng cao ổn định hệ thống điện, làm giảm điện kháng tương đối đường dây tải điện so với phần tử c ịn lại X L dd X dd0 S U cs dd rõ ràng X đd tỷ lệ nghịch với b ình phương điện áp đ ường dây tải điện Do X đd giảm Pmax tăng lên Trên hình 5.12 bi ểu diễn quan hệ P max điện áp Uđd đường dây tải điện dài 200 km Pmax 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 h.5.12 100 200 300 Uđd [kV] 170 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Đối với đường dây dài điện kháng tuyệt đối X đd đường dây có tác dụng đáng kể đến độ dự trữ ổn định Để giảm Xđd người ta thực biện pháp: - Bù dọc - đấu thêm Xc vào đường dây, Xđd = XL - Xc giảm - Phân nhánh dây dẫn, làm tăng bán kính tương đương dây dẫn giảm điện kháng - Đặt trạm cắt trung gian để ngắn mạch cần cắt đoạn đường dây bị cố, cải thiện chế độ hệ thống sau cắt ngắn mạch (hình 5.13) Đối với đường dây siêu cao áp có th ể đặt máy bù đ ồng dọc đường dây máy bù tĩnh (SVC) để tăng khả tải hệ thống Xc h.5.13 5-Nâng cao ện áp tải điện: biện pháp làm cho P mâx tăng lên đ ộ dự trưc ổn định tăng lên 6- Sử dụng thiết bị FACTS để bù công suất phản kháng , gi ảm dao động công suất SVC, đường dây chiều… 7-Sử dụng van có tốc độ đóng mở cao Vạn hới tốc độ cao cho phép đóng c ửa nhanh máy phát ện gia t ốc gi ảm diện tích gia tốc nâng cao điện tích hãm tốc P PI P PI Fht Fht P0 P0 Fgt Fgt PII PII 0 cắ h.5.14 a) van chậm PII  0 b) PII cắ  Van nhanh, p giảm Nối đất điểm trung tinh máy biến qua điện kháng điện trở tác dụng Việc nối đất số điểm trung tính máy biến áp qua điện kháng điện trở hệ thống điện trung tính nối đất trực tiếp làm cho tổng trở thứ tự không hệ thống Z xảy ngắn mạch không đối xứng tăng lên Việc tăng Z0 làm cho tổng trở ngắn mạch Z tăng lên tổng trở tương hỗ Z12 giảm vì: 171 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện Z1.Z2 Z12 = Z1 + Z2 + -Z mà P  II max EU Z PIImax tăng lên 12 Trong trường hơp dùng ện trở tác dụng lớn điện trợ tiêu thụ công xuất tác dụng làm cho đ ặc tính cơng su ất ng ắn mạch đỡ giảm Đối với ngắn mạch xứng bi ện pháp khơng có tác dụng Một biện pháp khác để tăng Z giảm số điểm trung tính nối đất , tức nối đất trung tính số máy biến áp h ệ thống điện Tuy nhiên Z  nhỏ làm cho dịng ngắn mạch pha lớn q có h ại cho hệ thống điện , s ố điểm nối đất trung tính máy biến áp cần lựa chọn cách hợp lý R C C R b) a) h.5.15 H.5.15 172 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện 9.Ghìm điện Trong hệ thống điện xảy trường hợp : t cắt nhỏ, đến mức bảo vệ role máy cắt không đủ khả thực hiện, thực độ dự trữ ổn định động không đảm bảo, ghìm điện áp dụng để nâng cao ổn định động Để nâng cao ổn định động ngắn mạch pha người ta đấu thêm điện trở pha vào mạch máy phát ện (hình 5.1 5), gọi ghìm điện (dynamic brake) Các ện trở tác động xảy ngắn mạch pha ph ụ tải tiêu thụ công suất tác dụng làm cho đư ờng đặc tính cơng suất đỡ giảm, máy phát đỡ tăng tốc hơn, roto bị điện trở ghìm lại Trên h.5.16 ghìm điện đóng cắt thyristor Ở sơ đồ a) : Máy cắt c vị trí đóng, mở ngắn mạch, sơ đồ b) : ngược lại máy cắt C đóng vào ngắn mạch Tác dụng ghìm điện thấy rõ hình 5.1 sơ đồ a q trình khơng có ghìm điện, sơ đồ b có ghìm điện tác động Ta thấy ghìm điện việc diện tích tăng tốc bị giảm nhiều P PI P PI Fht 5.2 Thiết bị ổn định hệ thống điện (power system stabiliser) P0 Fht P0 Fgt PII 0 h.5.17 Fgt PII PII  cắ a) 0 b) PII cắ   đóng ghìm điện Hệ thống điều chỉnh kích từ thơng thường điều chỉnh dịng điện kixhs từ theo tín hiệu độ lệch điện áp U đo cự máy phát điện Nhược điểm quan hệ thống làm xuy yếu momen cản không đồng máy phát điện , làm giảm khả ổn định máy phát điện Để khắc phục vấn đề Liên xô cũ Nga theo hướng cho thêm mộc vòng điều khiển vào hệ thống AVR (tự động điều chỉnh điện áp) dựa tín hiệu đạo hàm độ lệch điện áp đại lượng khác, chất vấn đề trình bày mục 5.1 Còn nư ớc M ỹ, Canada Tây Âu phát tri ển h ệ thống PSS (power system stabiliser) ( theo: Machowski, Jan; Bialek, Janusz W.; Bumby, James R Power System Dynamics - Stability and Control (2nd Edition) Wiley-IEEE Press-2008) PSS mạch điều chỉnh thêm vào hệ thống AVR PSS dùng cho mạch điều chỉnh tốc độ máy phát điện 173 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện 174 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện 175 Trần Bách-Ổn định hệ thống điện (Power system stabiliser) 176 ... phụ tải Tổng trở thay phụ tải mắc nối tiếp mắc song song (Hình 2.18) phụ tải điện áp định mức, U = Uđm ta có PO QO Đối với trường hợp mắc song song (h.2.18.a): R  pt U dm P , X pt  o U dm Q... hệ thống xuất hệ số trượt S S=  0 0 Trong  tốc độ góc tức thời máy phát ện, 0 tốc độ đồng Lúc ta nói hệ thống điện rơi vào chế độ không đồng Trong chế không đồng bộ, công suất thông số... biểu diễn dạng tỷ số giá trị tuyệt đối chúng với giá trị chọn làm sở Trong hệ đơn vị tương đối đại lượng khơng có thứ ngun Trong tính toán hệ thống điện cần bốn đại lượng sở : dịng điện (I CS ),