Hình 3.10. Giá trị CCT ước lượng và hệ số dự trữ ổn định qua các bước lặp.

c p h a ( độ ) 2-1 3-1 OMIB

Hình 3.3. Đồ thị chuyển động các máy phát và OMIB

Sự mất ổn định của hệ thống có thể được kiểm chứng bằng việc so sánh tương quan giữa công suất gia tốc 𝑃𝑎 (𝑃𝑎 = 𝑃𝑚− 𝑃𝑒). Tại thời điểm 1.55s (sau khi sự cố đã được giải trừ), công suất gia tốc tiến đến 0, ứng với 𝑃𝑒_𝑂𝑀𝐼𝐵 giảm xuống, đi qua giá trị 𝑃𝑚_𝑂𝑀𝐼𝐵. Tại thời điểm này vận tốc của máy phát đẳng trị 𝜔𝑂𝑀𝐼𝐵 > 0, cho thấy máy phát đẳng trị tiếp tục tăng tốc, do đó hệ thống sẽ bị mất ổn định. Như vậy có thể xác định được tình trạng mất ổn định ngay tại thời điểm này (t 1.55s). Nếu quan sát quỹ đạo tốc độ của các máy phát ở hình 3.2, có thể thấy phương pháp SIME cho phép kết luận tình trạng mất ổn định rất sớm.

0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Thời gian (s)  OM IB v à P aO M IB OMIB PaOMIB

28 40 60 80 100 120 140 160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Góc pha OMIB (độ) C ô n g s u ấ t

Công suất điện OMIB Công suất cơ OMIB

Diện tích hãm tốc Diện tích tăng tốc

u=149.50

0=50.80

Hình 3.4. Mô phỏng mất ổn định sự cố tại thanh cái số 4 cho hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái (a) đồ thị chuyển động (b) Đồ thị OMIB P-

3.3Các điều kiện và hệ số dự trữ ổn định 3.3.1 Kịch bản tình huống mất ổn định

Sau khi SIME biến đổi hệ thống nhiều máy phát thành hệ thống đẳng trị OMIB , phương pháp cân bằng diện tích được sử dụng để đánh giá tình trạng ổn định của kịch bản mô phỏng. Lý thuyết SIME đề xuất coi hệ số dự trữ ổn định là phần diện tích lớn hơn của vùng hãm tốc so với vùng tăng tốc trong mặt phẳng P- của OMIB. Bước đầu tiên, SIME vẽ đồ thị đường Pm- và Pe- của OMIB tổng quát từ số liệu các máy phát được cung cấp bởi chương trình mô phỏng quá trình quá độ (PSS/E hoặc MATLAB Simpower). Như đã trình bày ở phần 3.2, việc tính toán của SIME chỉ yêu cầu trong một thời gian rất ngắn sau sự cố đủ để xác định trạng thái ổn định của hệ thống. Trong trường hợp mất ổn định, công suất điện Pe_OMIB giảm xuống dưới giá trị Pm_OMIB trong khi góc  tiếp tục tăng. Góc mất ổn định u là điểm giao cắt của hai đường Pe và Pm và đây là điểm mà tại đó OMIB đạt điều kiện mất ổn định. Điều kiện chương trình mô phỏng theo thời gian T-D kết thúc sớm có thể được biểu diễn bởi công thức toán học sau:

𝑃𝑎 = 0; 𝑑𝑃𝑎

29

Trong biểu thức ở trên, Pa là công suất gia tốc OMIB. Minh chứng cho trường hợp này đã được minh họa trên hình 3.4. Lưu ý rằng, trong phần mô phỏng ở mục 3.2, ta đã sử dụng điều kiện 𝜔𝑂𝑀𝐼𝐵 > 0 thay cho 𝑑𝑃𝑎

𝑑𝑡 > 0 như công thức (3.11). Thực chất hai điều kiện này là tương đương nhau.

Trong bước tiếp theo, SIME tính toán hệ số dự trữ ổn định. Từ định nghĩa của SIME, hệ số dự trữ ổn định (u) được tính như sau [18]:

𝑢 = −1

2𝑀𝜔𝑢2 (3.12) Hệ số dự trữ ổn định u càng thấp thì mức độ mất ổn định càng cao. Đồ thị P- trong trường hợp kịch bản mất ổn định được thể hiện trong hình 3.2 đối với hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái. Trong trường hợp này, đồ thị đường Pmvà Pe cắt tại điểm u = 149.50. Tuy nhiên, trong những tình huống rất mất ổn định, những đường cong này có thể không cắt nhau và do đó hệ số dự trữ ổn định sẽ không tồn tại. Đối với những trường hợp rất xấu này, loại hệ số dự trữ khác có thể được sử dụng.

3.3.2. Kịch bản tình huống ổn định.

Đối với tình huống ổn định, SIME vẽ đường Pm- và Pe- của OMIB từ số liệu các máy phát được cung cấp bởi chương trình mô phỏng. Thuật toán SIME sẽ xác định được tình huống ổn định khi quỹ đạo góc pha của máy phát OMIB đạt tới góc

r sau đó quay lại, trong khi Pe_OMIB vẫn lớn hơn Pm_OMIB. Góc r được gọi là góc quay lại. Tại điểm này Pe sẽ dừng trước khi cắt Pm và góc máy phát bắt đầu giảm. Điều kiện ổn định có thể được biểu diễn bởi công thức toán học sau:

𝜔𝑂𝑀𝐼𝐵 = 0 ; 𝑑𝑃𝑎

𝑑𝑡 < 0 (3.13) Để minh họa cho góc quay lại trong trường hợp ổn định, xem xét hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái được đưa ra trong hình 3.1 khi chịu sự cố ngắn mạch ba pha tại thanh cái số 7 và sự cố được giải trừ khi cắt đường dây 4-7. Trong trường hợp này, hệ thống có điều kiện tải và máy phát như mô phỏng đã được thực hiện trong hình 3.2. Trong trường hợp này, thời gian giải trừ sự cố là đủ nhỏ (te2=0.2s) để tránh cho hệ thống bị mất đồng bộ. Đồ thị chuyển động của máy phát từ t=t0= 1.0s (thời điểm bắt đầu sự

30

cố) tới te=1.20s (thời điểm sự cố được giải trừ) và từ te tới tr = 2.3s (thời gian góc quay lại) được thể hiện trong hình 3.5(a).

Đồ thị đường cong chuyển động P- của OMIB tương đương được thể hiện trong hình 3.5(b). Quỹ đạo OMIB quay trở lại tại điểm r=134.80. Điều kiện ổn định được kiểm chứng trên hình 3.6 khi tốc độ 𝜔𝑂𝑀𝐼𝐵 đi qua giá trị 0 và đạo hàm của công suất

Pa nhỏ hơn 0, tại thời điểm t = 1.7s.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 40 60 80 100 120 140 160 Thời gian G ó c p h a ( d e g re e ) 2-1 3-1 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 C ôn g su ất

Công suất điện OMIB Công suất cơ OMIB

Góc pha OMIB (độ)

r = 134.80

Hình 3.5. Kịch bản ổn định với sự cố tại thanh cái số 4 của hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái (a) đồ thị chuyển động các máy phát, (b) Đồ thị P- của OMIB.

a)

31  OM IB v à P aO M IB 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 OMIB PaOMIB Thời gian (s)

Hình 3.6. Kịch bản ổn định với sự cố tại thanh cái số 7 của hệ thống 3 máy phát công suất và tốc độ của máy đẳng trị OMIB.

Sau khi xác định được góc quay lại, SIME tính toán giá trị số học của hệ số dự trữ ổn định. Từ định nghĩa EAC, hệ số dự trữ ổn định (st) được tính bởi biểu thức sau [18]:

𝑠𝑡 = ∫ |𝑃𝑎|𝑑𝛿

𝛿𝑢

𝛿𝑟

(3.14)Hệ số dự trữ ổn định (st) càng cao thì hệ thống điện càng ổn định. Hệ số dự trữ ổn định (st) càng cao thì hệ thống điện càng ổn định.

Trong biểu thức tính hệ số dự trữ ổn định (3.14), không thể xác định được u do đồ thị đường cong Pe- đã quay lại tại thời điểm  = r. Do đó, hệ số dự trữ chỉ có thể tính gần đúng. Để tính gần đúng giá trị u, có thể sử dụng phép xấp xỉ tam giác hoặc phép xấp xỉ bình phương cực tiểu [4]. Phương pháp tính gần đúng tam giác sử dụng phép tuyến tính hóa quỹ đạo Pa- trong khoảng [r, u], từ đó hệ số dự trữ ổn định st có thể được tính gần đúng như sau:

𝑠𝑡 = 1

2 |𝑃𝑎𝑟| (𝛿𝑢− 𝛿𝑟) (3.15) Trong công thức này, Parlà giá trị Pa tại thời điểm  = r. Công thức này có thể được tính đơn giản nhưng nó chỉ có giá trị khi đạt hai điều kiện sau:

32

2. Để tính góc mất ổn định u, ta sử dụng công thức ngoại suy tuyến tính như sau:

𝛿𝑢|=0= 𝛿𝑢(𝑘) − (𝑘) 𝑆𝛿

𝑢

𝑢 (3.16) Trong đó hệ số độ nhạy u

u

S được biểu diễn như sau: 𝑆𝛿 𝑢 𝑢 ≡ ∆𝑢 ∆𝛿𝑢 = 𝑢(𝑘) −𝑢(𝑘 − 1) 𝛿𝑢(𝑘) − 𝛿𝑢(𝑘 − 1) (3.17) Trong một vài tình huống sự cố, góc quay lại r bằng với góc mất ổn định u. Đây là tình huống ổn định tới hạn và góc tới hạn cr được xác định bằng cr = r = u.

Kịch bản mô phỏng nêu trên được thực hiện với các máy phát không được trang bị hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (AVR). Thực hiện tương tự kịch bản mô phỏng nêu trên với AVR được trang bị ở tất cả các máy phát, ta cũng có được đường cong Pe- tương ứng (Hình 3.7). So sánh các quỹ đạo Pe-, ta thấy AVR có tác dụng tăng công suất điện Pe sau sự cố và do đó, làm tăng mức độ ổn định của máy phát. Kết quả này hoàn toàn đúng với lý thuyết về ảnh hưởng của AVR đến độ ổn định quá độ. 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 C ôn g su ất

Công suất điện OMIB Công suất cơ OMIB

Góc pha OMIB (độ) r = 134.80 50 60 70 80 90 100 110 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

Công suất điện OMIB Công suất cơ OMIB

C ôn g su ất Góc pha OMIB (độ) r = 118.30

a) Không có AVR và kích từ a) Có AVR và kích từ

Hình 3.7. So sánh đáp ứng P-của hệ thống OMIB khi có và không có hệ thống kích từ + AVR.

33

Các kết quả mô phỏng và phân tích ổn định với phương pháp SIME trong phần 3.2 và 3.3 cho thấy phương pháp SIME cho phép xác định rất nhanh chóng và chính xác trạng thái ổn định quá độ của hệ thống sau sự cố. Vì vậy, nếu các chương trình mô phỏng được trang bị thêm mô đun của phương pháp SIME để kiểm tra điều kiện ổn định sau mỗi bước tính, có thể rút ngắn được đáng kể thời gian tính toán cần thiết để kết luận trạng thái ổn định của hệ thống.

Minh họa cho việc kết hợp mô phỏng QTQĐ và phương pháp SIME được thể hiện trên hình 3.8. Sơ đồ này đã được thực hiện trong phần mềm MATLAB/Simpower. Chi tiết mô hình mô phỏng sẽ được trình bày trong phụ lục B.

Bắt đầu mô phỏng k=0 xk+1 = g(xk,uk) Tính PmOMIB(k) PeOMIB(k) PaOMIB(k) OMIB(k) PaOMIB=0 OMIB <0 Đúng OMIB =0 Sai PaOMIB<0 k=k+1 Sai Sai Đúng Ổn định End

Kết thúc mô phỏng Mất ổn định

Đúng Đúng

Sai

Chương trình mô phỏng QTQĐ

34

35

3.4Giải thuật tìm thời gian cắt tới hạn CCT. Phương pháp 1: Tìm CCT dựa trên hệ số dự trữ.

Theo SIME thì thời gian cắt tới hạn CCT được xác định khi hệ số dự trữ bằng

không. Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT được thể hiện trong hình 3.8 dưới đây.

Hình 3.9. Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT. Từ sơ đồ hình 3.9, thuật toán tìm CCT như sau [4]:

(i) Đặt k=0 và chọn thời gian giải trừ sự cố là te (k) đủ lớn để sao cho hệ thống mất ổn định. Chạy chương trình mô phỏng, xác định hệ số dự phòng tương ứng (k) <0. Đặt k=k+1 và te(k) = te(k-1)-*te(k-1).  có thể lấy các giá trị khác nhau phụ thuộc vào te, ví dụ nếu te nằm trong khoảng 50 đến 200 ms thì có thể chọn =10%, te>200 ms thì có thể chọn =20%

(ii) Chạy chương trình mô phỏng quá trình quá độ với thời gian giải trừ sự cố là

te(k). Nếu (k) >0, đặt kst= k. Nếu (k) <0, đặt ku=k. (iii)

 Nếu (k) <0 có thể ngoại suy hệ số dự trữ của 2 mô phỏng mất ổn định cuối để được CCT (k).

 CCT t (3)e    t (0)e t (0)e t (1)e t (2)e t e  

36

 Nếu (k) >0 có thể nội suy hệ số dự trữ của mô phỏng mất ổn định cuối và mô phỏng ổn định cuối để được CCT (k).

(iv)

 Nếu kết quả mô phỏng không ổn định, đặt k=k+1 và te(k)=CCT(k-1) và quay lại bước 2.

 Nếu mô phỏng ổn định và nếu te(ku)-te(kst) >, đặt k=k+1 và te(k)=CCT(k- 1) và quay lại bước 2, nếu không nhảy sang bước 5. ( 2,5%)

(v) Giá trị thời gian cắt tới hạn là CCT (k).

Phương pháp tìm CCT dựa trên hệ số dự trữ ổn định có ưu điểm là độ hội tụ cao giúp ta nhanh chóng tìm được CCT nhưng có nhược điểm là phải tính hệ số dự trữ ổn định tương đối phức tạp và có hạn chế đối với chương trình mô phỏng sử dụng bước tính cố định. 1 2 3 4 5 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 Giá trị của CCT 1 2 3 4 5 -4 -3 -2 -1 0 Hệ số dự trữ ổn định Bước lặp Bước lặp

Hình 3.10. Giá trị CCT ước lượng và hệ số dự trữ ổn định qua các bước lặp. Theo phương pháp nêu trên, kết quả mô phỏng tính toán CCT cho lưới điện 3 máy được thể hiện trên hình 3.10. Giá trị ước lượng cuối cùng của CCT là 207.5ms. Hình 3.10 cho thấy phương pháp xác định CCT nêu trên có độ chính xác tương đối cao và tốc độ hội tụ nhanh (5 bước lặp). Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp

37

lặp này phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định thời điểm công suất tăng tốc Pa đi qua giá trị 0. Đối với các chương trình sử dụng bước tính thay đổi (variable time step) như MATLAB/Simpower thì việc này có thể được thực hiện dễ dàng. Công cụ MATLAB/Simpower hỗ trợ chức năng zero-crossing, cho phép thay đổi tự động bước tính mô phỏng để xác định chính xác thời điểm qua 0 của một biến cho trước.

Tuy nhiên, đối với các chương trình mô phỏng sử dụng bước tính cố định, như PSS/E thì việc xác định chính xác thời điểm qua 0 tương đối khó khăn. Việc sử dụng bước tính cố định làm cho hệ số dự trữ ổn định được ước lượng không chính xác, làm ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng hội tụ. Trong luận văn này, tác giả đề xuất sử dụng thêm phương pháp lặp thứ 2 dưới đây nhằm xác định CCT, sử dụng cho các chương trình mô phỏng có bước tính tích phân cố định.

Phương pháp 2: Tìm CCT bằng phương pháp dò.

(i) Chọn thời gian giải trừ sự cố tu đủ lớn để hệ thống mất định, chọn thời gian giải trừ sự cố đủ nhỏ tstđể hệ thống ổn định.

(ii) Đặt te= (tu+tst)/2. Dùng SIME để xác định tính ổn định của hệ thống với thời gian giải trừ sự cố là te.

(iii)

 Nếu hệ thống mất ổn định thì đặt tu=te.  Nếu hệ thống ổn định thì đặt tst=te.

(iv) Nếu tu-tst >  thì quay lại bước 2, nếu không chuyển sang bước 5. (v) Giá trị thời gian cắt tới hạn là CCT= (tu+tst)/2.

Phương pháp tìm CCT bằng phương pháp dò này có ưu điểm là không phải tính toán hệ số dự trữ ổn định phức tạp nhưng có nhược điểm là khả năng hội tụ chậm.

38

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT SIME ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2009

Chương 3 đã trình bày chi tiết nội dung của phương pháp SIME và phương pháp xác định thời gian cắt tới hạn CCT. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp SIME cho phép đánh giá chính xác mức độ ổn định của HTĐ một cách nhanh chóng, dựa trên kết quả mô phỏng quá trình quá độ.

Chương 4 sẽ trình bày một số kết quả tính toán áp dụng phương pháp SIME cho HTĐ Việt Nam năm 2009, nhằm đánh giá tính chính xác của phương pháp này đối với các hệ thống điện có quy mô lớn.

4.1Tình trạng hệ thống điện Việt Nam năm 2009. 4.1.1 Tình trạng nguồn điện

Tính đến cuối năm 2009, tổng công suất lắp đặt của các nhà máy điện nước ta là 17.494MW. Bảng 4.1 thể hiện chi tiết hiện trạng nguồn điện của nước ta tính đến cuối năm 2009.

Bảng 4.1: Công suất các nguồn điện hiện có trong HTĐ Việt Nam

(Tính đến cuối năm 2009)

Tên nguồn điện Công suất

đặt (MW) Tỷ trọng (%) Thuỷ điện 7982 45,63 Thác Bà 108 0.62 Hòa Bình 1920 10.98

Tuyên Quang (Na Hang) 228 1.30

Văn Chấn 35 0.20

Cốc San 40 0.23

39

Tên nguồn điện Công suất

đặt (MW)

Tỷ trọng (%)

Séo Chung Ho 22 0.13

Hương Sơn I 30 0.17

Bản Cốc, Hương Sơn II 28 0.16

Ngòi Phát 35 0.20

Thủy điện nhỏ miền Bắc và năng lượng mới 153 0.87

Yaly 720 4.12 Dray Hling 12 0.07 Sông Hinh 70 0.40 Vĩnh Sơn 66 0.38 Suối Vàng 10 0.06 Ry Ninh 9 0.05 H'chan-H'mun 27 0.15 Sê San 260 1.49 Sê San 3A 108 0.62