Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (Tiêu chuẩn Gidanov)

Để nghiên cứu ổn định tĩnh HTĐ theo mô hình đơn giản có thể sử dụng các tiêu chuẩn gần đúng khác nhau, gọi là tiêu chuẩn thực dụng (tiêu chuẩn năng lượng cũng là một trong những tiêu chuẩn thực dụng). Đặc điểm chung của các tiêu chuẩn thực dụng là phân tích không hoàn toàn đầy đủ tính ổn định (hay không ổn định) của hệ thống. Chẳng hạn có thể phát hiện theo điều kiện đủđể hệ thống mất ổn định nhưng lại không khẳng định được tính ổn định của hệ thống trong phần còn lại. Miền ổn định xác định được có thể bị sai khác so với khi xác định theo phương pháp dao động bé. Tuy nhiên nhiều trường hợp theo các tiêu chuẩn thực dụng chỉ

bằng những tính toán đơn giản đã có thể kết luận những đặc trưng quan trọng, trong

đó phải để đến khả năng đánh giá sơ bộ độ dự trữ ổn định theo điều kiện cần. Vì vậy trong thiết kế và vận hành người ta vẫn rất quan tâm đến các tiêu chuẩn thực dụng. Một tiêu chuẩn thực dụng quan trọng áp dụng hiệu quả để đánh giá ổn định tĩnh HTĐ phức tạp đó là tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov).

Giả thiết hệ thống điện đang làm việc ổn định, nghĩa là nếu đánh giá bằng các tiêu chuẩn Hurwitz thì nhận được dấu các định thức ∆1, ∆2,…, ∆n,đều dương. Từ

các chế độ này làm thay đổi các thông số chế độ một cách liên tục về hướng làm mất ổn định của hệ thống. Theo dõi sự biến thiên các tiêu chuẩn ổn định vào lúc hệ

thống chuyển trạng thái qua giới hạn: từ ổn định sang mất ổn định tĩnh. Lý thuyết toán về ổn định đã chứng minh được rằng vào lúc hệ thống bắt đầu chuyển sang trạng thái mất ổn định thì hoặc dấu của định thức thứ n là ∆n hoặc dấu của định thức thứ n-1 là ∆n-1đổi dấu (từ dương sang âm). Các định thức còn lại đổi dấu sau.

Mặt khác, theo biểu thức của định thức Hurwitz ∆n = an.∆n-1, cho nên cũng có nghĩa là hoặc số hạng tự do an đổi dấu hoặc định thức ∆n-1 đổi dấu. Ngoài ra theo

điều kiện cần của ổn định, lúc đầu tất cả các hệ số của phương trình đặc trưng a0, a1, … , an cũng đều phải dương - tương ứng với trạng thái ổn định. Như vậy để tìm giới

27

hạn thông số chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh chỉ cần theo dõi dấu của an và ∆n-1. Lúc một trong hai số này đổi dấu sẽ nhận được giới hạn ổn định. Việc xét định thức

∆n-1 là rất khó, nhưng xét dấu của an thì đơn giản hơn. Tuy nhiên nếu chỉ theo dõi dấu của an thì chưa đủ vì còn có các trường hợp mất dấu do đổi dấu định thức ∆n-1. May thay, theo chứng minh lý thuyết (phân tích cấu trúc hệ phương trình QTQĐ) và các kiểm nghiệm thực tế HTĐđã chứng tỏ rằng, phần lớn sựđổi dấu xảy ra đầu tiên thuộc về số hạng tự do an. Chính vì lý do này, đối với HTĐ người ta sử dụng

điều kiện an > 0 như là một tiêu chuẩn thực dụng đánh giá ổn định hệ thống. Giả sử phương trình đặc trưng có dạng:

a0pn + a1pn-1 + a2pn-2 + … + an-1p = an = 0 (1.16)

Ta cũng giả thiết chúng có 2k nghiệm phức và n – 2k nghiệm thực. Biến đổi phương trình về dạng: a0(p-p1)(p-p2)…(p-pn) = 0 (1.17) Dễ suy ra ứng với p = 0: an = (-1)n a0.p1.p2…pn (1.18) Sử dụng ký hiệu các nghiệm thực và nghiệm phức ta có thể viết: ( )( ) ( k k)( k k) k k n n n a j j j j a =(−1) 0α1+ γ1 α1− γ1....α + γ α − γ .α2 +1.α2 +2....α

Nếu trong quá trình làm nặng nề chếđộ mà anđổi dấu trở thành âm thì tương

ứng sẽ có một nghiệm đúng lúc đó đổi dấu phần thực từ âm sang dương (điểm biểu diễn nghiệm chuyển qua trục ảo sang phía phải mặt phẳng phức). Từ biểu thức của an dễ nhận thấy rằng nghiệm đổi dấu duy nhất này phải là một nghiệm thực (không có phần ảo). Thật vậy, nếu viết lại biểu thức anở dạng: ( )( ) ( k k) k k n n n a a ( 1) α γ α γ2...α2 γ2.α2 1.α2 2....α 2 2 2 2 1 2 1 0 + + + + + − = (1.19)

Khi xảy ra mất ổn định dạng chu kỳ (tương ứng đổi dấu phần thực nghiệm phức từ âm sang dương), bằng cách tương tự có thể chừng minh được sẽ làm đổi dấu định thức Hurwitz cấp n – 1. Theo chứng minh của Orlando:

( ) ∏( ) < − − − = − + ∆ n k i k i n n n n a 11... p q 0 2 ) 1 ( 1 1 (1.20)

28

Với pi, pk là các nghiệm phức của đa thức đặc trưng. Như vậy ∆n-1đổi dấu chỉ

khi phần thực của cặp nghiệm phức chuyển sang có giá trị dương.

Như vậy đúng ra để phát hiện đủ các trường hợp mất ổn định cần theo dõi sự đổi dấu của cả an và ∆n-1. Việc xét dấu của ∆n-1 là rất khó khăn vì biểu thức của nó phức tạp, trong khi biểu thức của an rất dễ xác định. Việc bỏ qua không xét sựđổi dấu của ∆n-1 chính là mấu chốt của tiêu chuẩn thực dụng Gidanov.

Ta xét kỹ hơn những hạn chế của tiêu chuẩn Gidanov. Trước hết tiêu chuẩn Gidanov dựa trên giả thuyết HTĐ đang làm việc ổn định, cần phát hiện khả năng mất ổn định hệ thống khi thông số chếđộ thay đổi. (Có như vậy sựđổi dấu đầu tiên mới xẩy ra ở an và ∆n-1). Thêm nữa điều kiện an < 0 chỉ là điều kiện đủđể HTĐ mất

ổn định dạng phi chu kỳ, do đó mọi khả năng mất ổn định dạng chu kỳ đều không phát hiện được. Đó chính là các trường hợp mất ổn định do cấu trúc sai hoặc hiệu chỉnh không đúng các bộđiều chỉnh. Như vậy để nghiên cứu hệ thống điện có điều chỉnh, tiêu chuẩn Gidanov không áp dụng được. Tiêu chuẩn Gidanov sẽ rất thích hợp cho mô hình đơn giản hóa QTQĐ trong HTĐ có cấu trúc đơn giản cũng như

phức tạp, đặc biệt khi cần tìm giới hạn chếđộ theo điều kiện ổn định tĩnh. 1.4. MỘT SỐ BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH VÀ NGĂN NGỪA SỰ SỤP ĐỔĐIỆN ÁP. 1.4.1. Các biện pháp vận hành. 1.4.1.1. Giới hạn ổn định: Hệ thống nên vận hành với một giới hạn ổn định điện áp cho phép bằng cách xây dựng kế hoạch sử dụng các nguồn công suất phản kháng phù hợp. Nếu sự cố

sụp đổđiện áp không thể ngăn chặn được bằng các nguồn công suất phản kháng và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện có trong hệ thống, thì phải giới hạn công suất truyền tải và các máy phát dự phòng phải được khởi động.

1.4.1.2. Dự trữ quay:

Dự trữ công suất phản kháng phải được đảm bảo bởi các máy phát đang vận hành để duy trì điện áp trong phạm vi cho phép. Nếu cần thiết cần phải sử dụng cả

29

rằng, công suất dự trữ quay phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp.

1.4.1.3. Người vận hành: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Yêu cầu đối với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên quan

đến ổn định điện áp và kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải … Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng sụp đổ điện áp phải được thiết lập.

1.4.2. Các biện pháp thiết kế.

1.4.2.1. Điều khiển điện áp hệ thống và công suất phản kháng máy phát:

Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR (Automatic Voltage Regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp được giữ ổn

định. Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quảđểđảm bảo ÔĐĐA.

1.4.2.2. Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển:

Một trong các nguyên nhân dẫn đến sụp đổ điện áp là thiếu sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ, điều khiển. Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết.

1.4.2.3. Điều khiển đầu phân áp của MBA:

Người vận hành có thể thay đổi đầu phân áp của MBA để giảm nguy cơ sụp

đổđiện áp. Tuy nhiên, để tránh những ảnh hưởng tiêu cực tại nơi thay đổi đầu phân áp của MBA, phải khóa đầu phân áp khi điện áp phía nguồn giảm thấp. Đầu phân áp chỉđược tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn phục hồi. Để mở rộng phạm vi

ứng dụng các bộ điều áp dưới tải, phải có quy hoạch dài hạn dựa trên những hiểu biết về phụ tải và đặc tính của hệ thống phân phối.

1.4.2.4. Sa thải phụ tải:

Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải phụ tải.

Đây là biện pháp hiệu quả để ngăn chặn hiện tượng sụp đổ điện áp lan rộng. Điều này đúng đắn nếu xác suất các sự cố hay những tình huống khẩn cấp trong hệ thống có thể gây mất ổn định điện áp thấp. Tuy nhiên, biện pháp này có thểđem lại những

30

hậu quả nghiêm trọng. Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần chú ý khi sử dụng biện pháp này.

Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự cố, sụt giảm điện áp thoáng qua, với các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng sụp đổ điện áp. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ nên sử dụng khi thật cần thiết.

1.4.2.5. Sử dụng các thiết bị FACTS:

Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) là khái niệm hệ

thống điện truyền tải xoay chiều linh hoạt được phát triển dựa trên công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất.

Thực chất, các thiết bị FACTS là sự kết hợp giữa khả năng đóng/cắt nhanh của các thiết bị bán dẫn với các mạch điện phức tạp. Ưu điểm của các thiết bị này là khả

năng điều chỉnh nhanh và hiệu quả các thông số ảnh hưởng đến vận hành của hệ

thống truyền tải như điện kháng đường dây, điện áp, dòng điện, góc pha … nhằm nâng cao sự an toàn (ổn định) khi vận hành các hệ thống điện.

Các thiết bị FACTS chính bao gồm:

- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor - Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc được điều

khiển bằng thyristor

- Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): bộ tụ bù tĩnh

- Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bịđiều khiển dòng công suất. Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện là nâng cao độ

tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống. Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

được lắp đặt tại vị trí phù hợp thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng lên

đáng kể. Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra hiệu quả trong việc ngăn ngừa sụp

đổđiện áp.

Nhược điểm của các thiết bị FACTS nói chung đều đắt tiền, nhất là các thiết bị điều khiển hỗn hợp, có thể bù dọc lẫn bù ngang. Chính vì thế các thiết bịđiều khiển hỗn hợp như UPFC, TCPST,... ít được ứng dụng trong thực tế.

31

1.5. Kết luận.

Ổn định điện áp, là khả năng hệ thống điện duy trì được điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở điều kiện bình thường cũng như sau khi xảy ra những kích

động. Một hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định điện áp khi xảy ra những kích

động như: nhu cầu phụ tải tăng lên, hoặc do những thay đổi của hệ thống có thể là nguyên nhân dẫn tới mất kiểm soát sự sụp đổđiện áp.

Sụp đổđiện áp là hiện tượng phức tạp, xảy ra do mất ổn định điện áp dẫn đến

điện áp giảm thấp không thể chấp nhận được trong một phần quan trọng của hệ

thống điện, có thể gây tan rã hệ thống điện. Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại

ảnh hưởng đến cả hệ thống.

Hiện nay, các thiết bị FACTS được áp dụng nhiều trong hệ thống điện, để

nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống. Trên thế giới hiện nay, để ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp, người ta đã lắp đặt các thiết bị bù ngang có

điều khiển SVC (Static Var Compensator) và chứng tỏđược hiệu quả trong việc ổn

định điện áp cũng như nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Trong phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày nguyên lý hoạt động, mô hình điều khiển và hiệu quảđiều khiển của loại thiết bị này.

32

CHƯƠNG 2

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

2.1. SƠ LƯỢC VỀ SVC.

SVC (Static Var Compensator) - Bộ bù tĩnh: là một máy phát hoặc bộ tiêu thụ điện tĩnh nối song song, mà công suất đầu ra của nó có thểđược điều chỉnh để điều khiển sự trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung, do đó duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút).

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC.

SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor).

TCR (Thyristor-Controlled Reactor) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor: là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor (thiết bị

kháng có tham sốđược điều chỉnh trơn).

TCR là phần tử con của SVC, dòng điện trong cuộn kháng ngang được điều khiển bằng khóa xoay chiều dựa trên thyristor có điều khiển góc đánh lửa (góc mở).

TSR (Thyristor-Switched Reactor) – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor: là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, mắc song song, mà điện kháng của nó được thay

đổi từng bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor.

TSR cấu tạo từ các cuộn kháng mắc song song, có thể đóng và cắt bằng thyristor mà không điều khiển góc đánh lửa nhằm đạt được sự thay đổi dạng bậc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

33

thang trong công suất phản kháng tiêu thụ từ hệ thống. Việc sử dụng các khóa thyristor mà không điều khiển góc mở làm cho chi phí và tổn thất thấp, nhưng không điều chỉnh trơn được.

TSC (Thyristor-Switched Capacitor) – Tụ đóng cắt bằng thyristor: là 1 tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách thay đổi độ dẫn dòng: không dẫn hoặc là dẫn dòng hoàn toàn của van thyristor.

TSC có các khóa xoay chiều dựa trên thyristor được sử dụng đểđóng hoặc cắt (không điều chỉnh góc đánh lửa) cả bộ tụ song song, nhằm đạt được sự thay đổi bậc theo yêu cầu trong công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống. Không giống như

bộ kháng ngang, bộ tụ ngang không thể đóng mở liên tục bằng cách điều khiển góc

đánh lửa.

Phối hợp 3 loại phần tử trên cho phép chế tạo được những kháng bù ngang thay đổi được liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi đủ rộng (dấu âm và dương) với giá thành hạ.

Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- ÔĐĐA trong những hệ thống khó điều chỉnh (có đường dây siêu cao áp, phụ tải lớn thay đổi), nhờđó chất lượng điện áp được nâng cao đáng kể. - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong HTĐ.

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định cho hệ thống.

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột ...

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh. - Giảm tổn thất công suất và điện năng.

2.2. Các phần tử cơ bản của SVC.

2.2.1. TCR và TSR:

a) Cấu tạo: TCR bao gồm điện kháng cố định (thường lõi không khí) với điện cảm L và van thyristor 2 chiều (hoặc khóa đóng mở) sw. Hiện nay, các

34

thyristor lớn có thể chặn điện áp lên tới 4-9kV và dòng điện lên tới 3-6kA. Vì thế, trong các ứng dụng thực tế, rất nhiều các thyristor (thường 10 đến 20) nối tiếp với nhau đểđạt được mức điện áp theo yêu cầu với công suất cho trước.

Hình 2.2: a. Cấu tạo của TCR,