Hình 3.2. Tốc độ các máy phát với thời gian sự cố 250ms.

2𝐻𝑃𝑚𝑡 (2.13) Tiếp tục lấy tích phân ta sẽ được một phương trình góc rô to theo thời gian

𝛿(𝑡) = 𝜔𝑠𝑃𝑚

4𝐻 𝑡2 + 𝛿0 (2.14) Thay thế giá trị cr đã tìm được trong biểu thức (2.11) vào phương trình (2.14) ta sẽ thu được

18

𝛿𝑐𝑟 = 𝜔𝑠𝑃𝑚

4𝐻 𝑡𝑐𝑟2 + 𝛿0 (2.15) Từ đó thời gian cắt tới hạn có thể được tính bằng công thức

𝑡𝑐𝑟 = √4𝐻(𝛿𝑐𝑟 − 𝛿0)

𝜔𝑠𝑃𝑚 (2.16) Như vậy ưu điểm của phương pháp EAC là có thể khảo sát ổn định hệ thống điện mà không cần giải hệ phương trình vi phân mô phỏng quá trình quá độ của hệ thống. Tuy nhiên phương pháp EAC truyền thống được xây dựng dựa trên giả thiết máy phát điện có điện kháng quá độ không đổi (mô hình kinh điển), bỏ qua quá trình quá độ điện từ trong cuộn dây máy phát và các hệ thống tự động điều chỉnh kích từ. Do đó, trên thực tế tại các công ty điện lực, EAC không được sử dụng phổ biến: phương pháp mô phỏng quá trình quá độ vẫn cần được sử dụng.

2.6Nghiên cứu ổn định quá độ hệ thống nhiều máy phát

Nghiên cứu ổn định quá độ là việc phân tích trạng thái vận hành của máy phát trong hệ thống điện khi xảy ra sự cố. Các phương trình đại số thể hiện công suất truyền của máy phát đồng bộ được kết hợp với các phương trình vi phân để mô tả trạng thái vận hành động của máy phát đồng bộ. Những phương trình kết hợp này được giải bằng cách sử dụng tích phân số để xác định chuyển động góc của rô to (swing curve) cho mỗi máy phát. Đường cong dao động của mỗi máy phát sẽ được kiểm tra để xác định liệu hệ thống có giữ được ổn định quá độ trong trường hợp xảy ra sự cố hay không.

Các chương trình đánh giá ổn định được sử dụng để nghiên cứu ổn định quá độ đặc biệt rất cần thiết trong hệ thống lớn và chương trình PSS/E (Power System Simulator for Engineering) là một trong số đó. Các chương trình này tự động giải các phương trình vi phân và đại số của mỗi máy phát trong hệ thống điện. Các chương trình ổn định phải cung cấp một thư viện đầy đủ các thiết bị điều chỉnh điều khiển của các nhà sản xuất thông dụng, như các bộ kích từ, bộ điều tốc, thiết bị ổn định dao động PSS. Các nghiên cứu ổn định quá độ được thực hiện để kiểm tra hệ thống điện

19

khi phải chịu các dạng sự cố khác nhau. Mục đích của các nghiên cứu này là xác định giới hạn độ tin cậy của cấu hình với các điều kiện vận hành đã cho.

Các kết quả thu được từ việc chạy chương trình ổn định chỉ có giá trị cho trường hợp cụ thể đã phân tích. Bất kì thay đổi nào về dữ liệu về điều kiện vận hành ban đầu hoặc trong kịch bản quá độ thì đều cần phải chạy lại chương trình. Đối với giới hạn ổn định quá độ của hệ thống, hàng nghìn khảo sát ổn định quá độ phải được thực hiện để xác định giới hạn ổn định. Phương pháp này tốn rất nhiều thời gian và không khả thi cho việc tính toán giới hạn ổn định.Tuy nhiên phương pháp mô phỏng quá trình quá độ T-D (Time-Domain) kết hợp với phương pháp trực tiếp, như EAC, là một công cụ mạnh để phân tích, đánh giá ổn định quá độ.

Chương 3 sẽ trình bày một phương pháp mới kết hợp cả hai phương pháp mô phỏng quá trình quá độ và phương pháp trực tiếp nhằm khắc phục những nhược điểm trên của phương pháp EAC truyền thống.

20

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG SIME ĐỂ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ

Như đã bàn ở chương 2, ngày nay hệ thống điện đang hoạt động gần hơn đến giới hạn ổn định. Trong điều kiện các máy phát hiện nay có công suất lớn hơn, với kích thước không thay đổi đáng kể, do đó hằng số quán tính (H) của các máy phát đồng bộ giảm xuống. Điều này dẫn đến sụt giảm quán tính chung của toàn hệ thống, làm tăng nguy cơ mất ổn định quá độ. Các công cụ đánh giá nhanh khả năng của hệ thống điện khi gặp các tình huống bất ngờ có thể gây ra mất ổn định quá độ là rất hữu ích. Các công cụ này là rất cần thiết giúp các thiết bị điều khiển bảo vệ đưa ra các tác động thích hợp. Vì lý do này, các phương pháp khác nhau để đánh giá ổn định quá độ nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, như các phương pháp dựa trên hàm năng lượng quá độ [5] và sự kết hợp các máy phát [7]. Chương này trình bày một đề xuất mới trong việc đánh giá và điều khiển ổn định quá độ có tên gọi là Phương pháp máy phát đẳng trị (Single Machine Equivalent – SIME) [15]. SIME dựa trên mô phỏng quá trình quá độ (Time-Domain) kết hợp với phương pháp cân bằng diện tích (Equal Erea Criterion-EAC).

3.1Mục đích phát triển SIME

Khả năng lọc và sắp xếp các tình huống bất ngờ liên quan đến các vấn đề ổn định quá độ được đặc biệt chú ý trong các phương pháp đánh giá ổn định quá độ. Để việc giám sát có hiệu quả, các sự cố bất ngờ có mức độ nguy hiểm tiềm tàng phải được nhận biết và phân biệt rõ với các tình huống có mức độ nguy hiểm thấp hơn. Nói cách khác, người vận hành mong muốn có thể sắp xếp các tình huống sự cố theo việc tăng hoặc giảm mức độ nghiêm trọng. Tuy nhiên, các phương pháp mô phỏng quá trình quá độ thông thường chưa thích hợp cho các công việc này do nó không thể ước tính hệ số dự trữ ổn định. Thực ra, có thể coi thời gian cắt tới hạn (CCT – Critical Clearing Time) như một giới hạn ổn định. Tuy nhiên, việc tính toán CCT cần rất nhiều thời gian để xử lý khối lượng lớn các sự cố. Khi sử dụng các mô phỏng quá trình quá độ, các mô phỏng phải thực hiện lặp lại nhiều lần để xác định thời gian CCT của mỗi sự

21

cố. Với mỗi mô phỏng quá trình quá độ, một cách đơn giản để đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện là quan sát quỹ đạo của các thông số trạng thái sau khi sự cố kết thúc. Hệ thống điện được coi là ổn định nếu như các thông số trạng thái biến thiên trong một phạm vi giới hạn nhất định. Trong khá nhiều tài liệu nghiên cứu, thông số trạng thái phổ biến được sử dụng là góc lệch tương đối của máy phát so với góc lệch trung bình (COA – Center of Angle). Theo đó, góc lệch tương đối của mỗi máy phát được xác định trong hệ quy chiếu với góc lệch trung bình của toàn bộ các máy phát trong hệ thống (COA angle). Ví dụ, quỹ đạo góc lệch của một máy phát vượt quá

1000 so với góc của COI thường được coi là một quỹ đạo mất ổn định. Tuy nhiên, sau khi sự cố được giải trừ, có thể cần mô phỏng trong một khoảng thời gian đủ lớn để góc lệch của máy phát mất ổn định đạt đến giá trị 1000 so với góc của COA. Vì thế, sẽ cần sử dụng nhiều bước tính mô phỏng và do đó, thời gian tính toán tăng lên. Việc sử dụng một khoảng thời gian mô phỏng lớn đối với mỗi sự cố sẽ làm tăng đáng kể thời gian tính toán phân tích ổn định quá độ của hệ thống điện, vì với mỗi kịch bản làm việc, có hàng ngàn sự cố cần được phân tích.

Phương pháp SIME được đề xuất bởi [15] là một phương pháp lai, trong đó kết hợp giữa phương pháp cân bằng diện tích và mô phỏng quá trình quá độ. SIME có thể được coi như một phương pháp cân bằng diện tích mở rộng (Extended Equal Area Criterion –EEAC) [16]. Phương pháp EEAC truyền thống dựa trên giả thiết mô hình máy phát là mô hình kinh điển (bậc 2), bỏ qua các quá trình quá độ điện từ trong cuộn dây kích từ, trong các hệ thống tự động điều chỉnh của máy phát. Với giả thiết này, quỹ đạo P- là bất biến, có thể được xác định bằng biểu thức giải tích. Dựa vào quỹ đạo P- và thời gian cắt, có thể sử dụng phương pháp cân bằng diện tích để đánh giá nhanh trạng thái ổn định. Phương pháp SIME dựa trên sự suy rộng của OMIB [4][15][16]. Theo đó, thay vì xác định quỹ đạo P- bằng phương pháp giải tích, cách tiếp cận của SIME sử dụng mô phỏng quá trình quá độ để tìm ra đáp ứng của P và 

theo t của từng máy phát điện trong hệ thống. Từ đó, có thể xây dựng lại đặc tính của

P- cho một máy phát đẳng trị. Khi các thông số của máy phát đẳng trị được xác định một cách phù hợp, đặc tính P- của máy phát này có thể cho phép đánh giá chính xác

22

mức độ ổn định quá độ của hệ thống. Phương pháp đánh giá ổn định của SIME tương tự như việc sử dụng phương pháp cân bằng diện tích cho một lưới điện đơn giản gồm một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn (OMIB – One Machine Infinite Bus).

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp SIME là ở chỗ nó cho phép đánh giá được ổn định quá độ của hệ thống điện nhiều máy phát, với mức độ phức tạp tùy ý của mô hình máy phát, xét đến cả các thiết bị điều khiển (TĐK, bộ điều tốc). Bên cạnh đó, việc sử dụng SIME cho phép phát hiện nhanh chóng trạng thái mất ổn định của quỹ đạo máy phát đẳng trị, cho phép kết thúc sớm mô phỏng quá trình quá độ và rút ngắn thời gian tính toán.

3.2Công thức tổng quát của SIME 3.2.1 Cơ sở thành lập công thức.

Phương pháp SIME đánh giá ổn định quá độ dựa trên các đề xuất sau [4]:

1. SIME cho rằng sự mất ổn định quá độ của hệ thống điện sẽ dẫn đến việc phân chia các máy phát thành hai nhóm. Việc nhận biết và phân chia chính xác hai nhóm máy phát là bước quyết định của SIME. Nhóm thứ nhất bao gồm các máy phát mất ổn định (Critical machines – CM), nhóm này là nguyên nhân gây ra mất ổn định của hệ thống. Nhóm thứ hai bao gồm các máy phát không mất ổn định (Non Critical machines – NM).

2. Từ việc phân chia hệ thống thành hai nhóm, có thể xác định được quỹ đạo theo thời gian của công suất cơ, công suất điện, góc lệch và vận tốc của một máy phát đẳng trị OMIB.

3. Đặc tính ổn định của hệ thống điện ban đầu có thể được xác định từ việc áp dụng tiêu chuẩn EAC cho hệ thống OMIB này.

Nội dung của phương pháp SIME có thể được chia thành ba giai đoạn chính. Đầu

tiên, cần quan sát quá trình chia tách các máy phát trong hệ thống điện thành hai nhóm riêng biệt khi có các tác nhân kích thích như sự cố ngắn mạch. Hai nhóm máy phát này sau đó được thay thế bằng hai máy phát đẳng trị và tiếp theo là được thay thế bằng một máy phát đẳng trị nối vào một hệ thống điện có công suất vô cùng lớn. Cuối

23

cùng, nó đánh giá ổn định quá độ của hệ thống nhiều máy phát bằng cách sử dụng phương pháp cân bằng diện tích (Equal Area Criterion – EAC) cho một máy phát nối vào một hệ thống điện có công suất vô cùng lớn (OMIB). EAC đã được thảo luận chi tiết trong chương 2. Thông qua EAC, chúng ta có thể tìm được hệ số dự trữ ổn định.

3.2.2 Các thông số OMIB.

Như đã nói trong mục 3.2.1, OMIB là kết quả biến đổi của sự chia tách hệ thống các máy phát thành hai nhóm, một nhóm các máy phát mất đồng bộ, tốc độ tăng mạnh, và một nhóm các máy phát ổn định.

Các công thức tính toán thông số của OMIB, , , M, Pm, Pe được đưa ra dưới đây. Trong các công thức này, kí tự chỉ số dưới “C” để chỉ các máy phát tới hạn, kí tự chỉ số dưới “N” để chỉ các máy phát không tới hạn.

Các thông số tương đương của nhóm máy phát tới hạn và không tới hạn được xác định như sau: 𝛿𝑐(𝑡) ≅ 𝑀𝐶−1 ∑ 𝑀𝑘𝛿𝑘 𝑘∈𝐶 (3.1) Tương tự 𝛿𝑁(𝑡) ≅ 𝑀𝑁−1 ∑ 𝑀𝑗𝛿𝑗 𝑗∈𝑁 (3.2) Trong đó 𝑀𝐶 = ∑ 𝑀𝐶 𝑘∈𝐶 𝑣𝑎̀ 𝑀𝑁 = ∑ 𝑀𝑗 𝑗∈𝑁 (3.3)

24

Góc máy phát đẳng trị OMIB được tính bởi:

(t) c(t) - N(t) (3.4) Tốc độ rô to của OMIB được biểu diễn như sau:

(t) = c(t) - N(t) (3.5) Trong đó 𝜔𝐶 = 𝑀𝐶−1∑ 𝑀𝑘𝜔𝑘 𝑘∈𝐶 𝑣𝑎̀ 𝜔𝐶 = 𝑀𝑁−1∑ 𝑀𝑗𝜔𝑗 𝑗∈𝑁 (3.6) Công suất cơ của OMIB được cho bởi:

𝑃𝑚(𝑡) = 𝑀 (𝑀𝐶−1∑ 𝑃𝑚𝑘(𝑡)

𝑘∈𝐶

− 𝑀𝑁−1∑ 𝑃𝑚𝑗(𝑡)

𝑗∈𝑁

) (3.7) Công suất điện của OMIB được cho bởi:

𝑃𝑒(𝑡) = 𝑀 (𝑀𝐶−1∑ 𝑃𝑒𝑘(𝑡)

𝑘∈𝐶

− 𝑀𝑁−1∑ 𝑃𝑒𝑗(𝑡)

𝑗∈𝑁

) (3.8) Cuối cùng, công suất gia tốc được tính bởi:

Pa(t) = Pm(t) – Pe(t) (3.9)

Trong các công thức trên, M là hệ số quán tính của máy phát đẳng trị tương đương. 𝑀 = 𝑀𝐶 × 𝑀𝑁

𝑀𝐶 + 𝑀𝑁 (3.10)

3.2.3 Cách nhận biết máy phát tới hạn

Theo định nghĩa, máy phát tới hạn là những máy phát bị mất đồng bộ với phần còn lại của hệ thống điện. Để xác định các máy này, đầu tiên SIME sử dụng kết quả chương trình mô phỏng các máy phát theo thời gian trong khi sự cố và sau sự cố. Tại mỗi bước thời gian của quá trình mô phỏng sau sự cố, SIME sắp sếp các máy phát theo góc rô to của nó, xác định khoảng cách góc rô to giữa các máy phát kế cận để phát hiện các máy phát tới hạn. Các thông số OMIB tương ứng được tính bởi các công thức đã được đưa ra trong mục 3.2.2. Quy trình được thực hiện cho đến khi