9.1.1. Hệ thống điện
HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:
- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như MF, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện.
- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện...
Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích... Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ.
Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số... trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của MPĐ, MBA trong các bài toán ổn định.
9.1.2. Các chế độ của hệ thống
Tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của HTĐ.
Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, ... tại mọi điểm của HTĐ. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ.
Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:
- Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số.
Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng.
CĐXL được chia thành:
+ CĐXL bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. + CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố.
+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì...
- Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhều. Chế độ quá độ gồm : + Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác.
+ Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố.
9.1.3. Yêu cầu đối với các chế độ của hệ thống điện
a. Chế độ xác lập bình thường
- Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
- Đảm bảo độ tin cậy : các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ.
- Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. - Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện.
b. Chế độ xác lập sau sự cố
Các yêu cầu giống như CĐXL bình thường được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường.
- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố. - Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch...
- Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ.
9.2. Định nghĩa ổn định của hệ thống điện
Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một CĐXL tồn tại trong thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các kích động từ bên ngoài. Một chế độ thoả mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ.
Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn.
a. Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của thiết bị điều chỉnh... Các kích động này tác động lên roto của MPĐ, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho CĐXL tương ứng bị dao động. CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh:
Ổn định tĩnh là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một CĐXL tồn tại trong thực tế.
b. Ổn định động
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch... Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất Cơ - Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của HTĐ chịu được các kích động này mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của HTĐ.
Ta có định nghĩa ổn định động:
Ổn định động là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài.
c. Ổn định tổng quát
Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu HTĐ có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng công suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy, đặc trưng quá trình dao động rotor của MF khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ
chế độ vẫn là chế độ đồng bộ.
Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của roto bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt s.
trong đó: - là tốc độ góc tức thời của các máy phát. - là tốc độ đồng bộ.
Khi đó HTĐ rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và các thông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến:
- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các MPĐ bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc.
- Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát. Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát:
Ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động.
9.3.Mục tiêu và phƣơng pháp khảo sát ổn định động
Một chế độ xác lập muốn tồn tại được trong thực tế, tức là có thể thực hiện được nó trong vận hành cần phải có 2 điều kiện :
- Có sự cân bằng công suất :
PF = Ppt +ΔP và QF = Qpt+ΔQ
- Chế độ có ổn định, trước hết là ổn định tĩnh, vì các kích động nhỏ thường xuyên xảy ra. Việc đảm bảo ổn định động và ổn định tổng quát đảm bảo cho các chế độ làm việc lâu dài 0( 0 2 f 2.3,14.50 314rad / s) 0 0 s 0
9.3.1. Mục tiêu khảo sát ổn định động
Do các thông số của hệ thống điện không ngừng thay đổi, ta phải khảo sát ổn định ở chế độ xác lập nhằm đảm bảo cân bằng công suất.
Như vậy, mục đích của khảo sát ổn định động là:
- Xác định xem khi nào HTĐ còn giữ được trạng thái ổn định sau khi trải qua các kích động lớn.
- Từ đó xác định được giới hạn ổn định và độ dự trữ ổn định. Xác định được thời gian cắt chậm nhất theo điều kiện đảm bảo ổn định động.
- Đề ra các biện pháp như: chỉnh định các thiết bị bảo vệ, thiết kế hệ thống bảo vệ chống sự cố nhằm đảm bảo ổn định động của hệ thống.
9.3.2. Phƣơng pháp khảo sát ổn định động
Với các kích động lớn không thể tuyến tính hóa phương trình vi phân được mà phải để nguyên nó dưới dạng phi tuyến và sử dụng các phương pháp diện tích và phân đoạn liên tiếp để xét ổn định động.
Việc tính toán ổn định động nhằm mục đích tìm được thời gian cắt (tc ) chậm nhất để chỉnh định rơle bảo vệ. Thời gian cắt chậm nhất là thời gian mà nếu rơle bảo vệ cắt ngắn mạch sớm hơn nó thì hệ thống sẽ ổn định động, đó chính là thời gian rotor của máy phát quay được góc tương đối δcắt (δc), còn nếu cắt muộn hơn thì hệ thống sẽ mất ổn định.
Muốn tính được tc trước hết phải tìm được góc cắt (δc), sau đó tính quan hệ δ = f(t) rồi từ quan hệ này ứng với δc tìm tc.
Khảo sát ổn định động chính là khảo sát quá trình cơ điện xảy ra trong hệ thống điện khi có các kích động trong hệ thống điện.
* Một số phương pháp khảo sát ổn định động:
- Phương pháp số:
- Phương pháp cân bằng diện tích: - Phương pháp hỗn hợp:
- Phương pháp trực tiếp (hàm năng lượng quá độ). Ưu nhược điểm của phương pháp cân bằng diện tích:
- Ưu điểm của phương pháp là đơn giản, trực quan, dễ hiểu về hiện tượng, vùng ổn định, giới hạn ổn định…
- Nhược điểm của phương pháp là chỉ áp dụng cho HTĐ đơn giản (ví dụ: một MFĐ nối với HTĐ có công suất vô cùng lớn, hay hai MFĐ).
Ta có các kích động là rất lớn cho nên không thể tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân được mà phải để nguyên nó dưới dạng phi tuyến và mạng điện là đơn giản (gổm một MFĐ nối với HTĐ có công suất vô cùng lớn) nên ta sẽ sử dụng phương pháp diện tích và phân đoạn liên tiếp để xét ổn định động.
A2 A1 Trước sự cố Sau sự cố Pe Pm E1 , g , Vg J.Xd . , J.X. d1, , J.X. d2 ZL ZL1 ZL2 Zs1 Zs2 E1 , E2 , Vg1 Vg2 a b c d e 0 c max V MBA Khi sự cố
Hình 9-1: Phương pháp cân bằng diện tích
Giả sử HTĐ đang làm việc ở chế độ xác lập với các thông số P0, Q0, U0, α0 thì xảy ra một kích động gây mất cân bằng công suất tác dụng, khi đó sẽ tạo nên công suất thừa:
ΔP = PT0 - Pd
Lượng ΔP này sẽ tác động lên roto tạo nên một gia tốc α:
2 2 j d P dt T trong đó:
Tj – là hằng số quán tính phụ thuộc vào đặc tính của máy phát. δ – là góc quay tương đối của roto máy phát.
Trước khi bị kích động δ= const nên α = 0 và ΔP = 0.
Sau khi bị kích động ΔP ≠ 0 nên tốc độ góc ω ≠ ω0 (ω0 là tốc độ đồng bộ) và dẫn đến xuất hiện tốc độ quay tương đối:
0
d dt
Ta có phương trình chuyển động tương đối của roto máy phát:
2 j 2 d T . P dt
Phương trình trên thường được giải bằng phương pháp gần đúng, đó là phương pháp phân đoạn liên tiếp:
- Ta chia thời gian của quá trình thành nhiều phân đoạn liền nhau Δt, trong mỗi phân đoạn coi ΔP là hằng số, ta có phương trình tuyến tính.
- Giải liên tiếp phương trình trên trong các phân đoạn nối tiếp nhau sẽ tính được δ(t) và thời gian t.
+) Phân đoạn 1: Từ t = 0 đến t1 = Δt
Ta giả thiết công suất thừa ΔP1 và ΔP2 tác động trong giai đoạn này chính là ΔP10
và ΔP20.
Khi đó gia tốc tuyệt đối của hai nhà máy sẽ là:
2 10 1 j1 2 20 2 j2 t P (1) 2 f T 2 t P (1) 2 f T 2 Và gia tốc tương đối bằng: Δδ12(1) = Δδ1(1) – Δδ2(1) Khi đó ở cuối phân đoạn 1 ta có: δ12(1) = δ12(0) + Δδ12(1) +) Phân đoạn 2: từ t1 = Δt dến t2 = 2Δt
Ta có gia tốc tương đối bằng: Δδ12(2) = Δδ12(1) + α12(1).Δt2
Khi đó ở cuối phân đoạn 2: δ12(2) = δ12(1) + Δδ12(2) +) Phân đoạn n: tn = nΔt
Gia tốc tương đối là: Δδ12(n) = δ12(n-1) + α12(n-1).Δt2 Khi đó ở cuối phân đoạn n: δ12(n) = δ12(n-1) + Δδ12(n)
Ta tiến hành tính toán cho đến khi δ12(n) > δ12(gh) thì dừng lại và từ đó xác định được thời gian cắt tới hạn.
* Tóm lại phương pháp khảo sát ổn định động của HTĐ là:
- Thành lập sơ đồ thay thế của HTĐ trong chế độ xác lập, tính thông số của các phần tử và quy chuyển chúng về hệ đơn vị tương đối và cấp điện áp cơ sở.
- Biến đổi đơn giản hóa sơ đồ(nếu cần) để có sơ đồ thích hợp cho tính ổn định động.
- Tính chế độ làm việc ban đầu.
- Thành lập đặc tính công suất khi ngắn mạch và sau ngắn mạch. - Tính góc cắt và thời gian cắt.
Trong các kích động thì ngắn mạch ba pha tuy khả năng xảy ra thấp nhưng lại gây hậu quả nặng nề nhất
Vì vậy trong phần đồ án này chúng ta đi sâu vào nghiên cứu ổn định động khi xảy ra ngắn mạch 3 pha tại đầu đường dây liên lạc gần máy phát điện.
CHƢƠNG 10:
LẬP SƠ ĐỒ THAY THẾ. TÍNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC BAN ĐẦU
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
10.1. Lập sơ đồ thay thế
10.1.1. Sơ đồ hệ thống điện và thông số các phần tử
a. Sơ đồ hệ thống
Trong sơ đồ hệ thống điện, các phụ tải 5,6,7,8,9 được thay thế bằng phụ tải tương đương SptI, các phụ tải 1,2,3 được thay thế bằng phụ tải tương đương SptII, phụ tải 4 là Spt4.
Hình 10-1: Sơ đồ hệ thống b. Thông số các phần tử
Máy phát điện
Thông số của các máy phát được ghi trong bảng 1.1.
Bảng 10-1: Thông số của các máy phát
