- Hiện nay, có các chương trình tính toán hệ thống điện: PSAT và CONUS. - Chương trình CONUS của Bộ môn hệ thống điện là chương trình thích hợp nhất cho nghiên cứu ổn định tĩnh, cho phép thực hiện các kịch bản tăng công suất tùy ý và cho phép vẽ đồ thị diễn biến của điện áp (đường sống mũi) và sẽ được áp dụng để tính toán trong luận văn này.
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 4.1. Giới thiệu về Hệ thống điện Việt Nam [3]
Hệ thống truyền tải điện bao gồm các cấp điện áp 500 kV, 220 kV và 110 kV. Hệ thống truyền tải điện 500 kV với tổng chiều dài 3428 km từ Bắc tới Nam tạo điều kiện truyền tải trao đổi điện năng giữa các miền: Bắc, Trung và Nam [1]. Mạch 1 của đường dây 500 kV được đưa vào vận hành tháng 9 năm 1994, mạch 2 được đưa vào vận hành vào cuối năm 2005.
Hình 4.2. Phân vùng hệ thống điện Việt Nam
- Năm 2010 lưới truyền tải 500 kV Bắc - Nam vận hành tương đối ổn định và luôn truyền tải công suất cao từ Nam ra Bắc, tổn thất trên HTĐ 500 kV đạt 4,47% giảm 0,50% so với năm 2009 (4,97%). Tổn thất trên HTĐ 500 kV giảm do miền Bắc có một số tổ máy nhiệt điện than vào vận hành làm giảm lượng công suất truyền tải từ Nam ra Bắc. Đồng thời nhiều công trình đường dây và trạm đã chính thức đưa vào vận hành góp phần đáng kể trong việc đảm bảo cung cấp điện, cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất, chống quá tải và nâng cao độ ổn định vận hành của hệ thống. Các công trình quan trọng phải kể
đến gồm: HTĐ 500 kV đã đóng mới 8 máy biến áp với tổng dung lượng 4067 MVA gồm MBA AT5 Pleiku, MBA AT1 T500 Tân Định, MBA AT2 Quảng Ninh, AT1, AT2 T500 Sơn La, MBA T1 nhà máy điện Sơn La; đóng mới 7 ĐD 500 kV với tổng chiều dài 956.6 km gồm ĐD 500 kV Thường Tín - Quảng Ninh, Nho Quan - Sơn La, Phú Lâm - Đắk Nông, Đăk Nông - Pleiku, Hòa Bình - Sơn La, T500 Sơn La - nhà máy điện Sơn La. HTĐ 220/110 kV đã có hàng loạt các công trình mới, nâng cấp, cải tạo để đáp ứng nhu cầu gia tăng phụ tải. Lưới điện miền Bắc đã đưa 18 đường dây vào vận hành, trong đó có 3 đường dây 220 kV với tổng chiều dài 184 km.
- Mặc dù miền Bắc được bổ sung một số tổ máy mới, tuy nhiên do tình hình khô hạn và hầu hết các nhà máy mới là nhiệt điện than đưa vào vận hành không ổn định nên truyền tải trên đường dây 500 kV Bắc - Nam vẫn còn rất căng thẳng, hướng truyền tải công suất chủ yếu từ Nam ra Bắc. Sản lượng điện nhận từ HTĐ 500 kV của các HTĐ miền: HTĐ miền Bắc là 8,2 tỷ kWh chiếm 23,1% tổng sản lượng miền; điện nhận của HTĐ miền Trung là 2,94 tỷ kWh chiếm 30,8 % tổng sản lượng miền, điện nhận của HTĐ miền Nam là 6,94 tỷ kWh chiếm 13,8% tổng sản lượng miền.
- Các đoạn đường dây thường xuyên truyền tải cao là ĐD 585 Nhà Bè - 572 Phú Lâm, Đà Nẵng - Hà Tĩnh, ĐD 574 Phú Lâm - 572 PleiKu. Truyền tải trên ĐD 500kV rất căng thẳng các MBA trên HTĐ 500 kV thường xuyên mang tải cao và xuất hiện quá tải tại: MBA AT1 Thường Tín, AT2 Nho Quan, AT2 Hà Tĩnh, AT1, AT2 Phú Lâm, 2 MBA Plêiku (khi có 2 MBA) luôn trong tình trạng đầy tải và quá tải khi khai thác cao các nhà máy thủy điện khu vực Nam miền Trung, tình trạng này chấm dứt khi đầu tháng 11/2010 đưa MBA thứ 3 vào vận hành. Các máy biến áp trên HTĐ 500 kV mạch 1 đã vận hành trên 15 năm, bắt đầu có dấu hiệu kém tin cậy như: sự cố MBA AT2 Plêiku (18/6), các MBA AT2 Đà Nẵng, Phú Lâm đã phải tách ra lọc dầu nhiều lần.
- Khi khai thác cao các nguồn điện phía 220 kV khu vực Nam miền Trung và Tây Nguyên như Vĩnh Sơn, Sông Hinh, Sê San 3, 3A, Sông Ba Hạ v.v… và một loạt các nhà máy mới đưa vào vận hành: Pleikrong, Buôn Kuốp, Buôn Tua Sa, Sê San 4, Srepok 3, Srepok 4 (~1000 MW) xảy ra đầy tải và quá tải thường xuyên máy biến áp AT1, AT2 Plêiku phải hạn chế phát nguồn khu vực này. Vấn đề giải tỏa công suất phát các nhà máy điện khu vực này được cải thiện khi đưa thêm máy biến áp 500 kV thứ 3 (AT5) tại trạm 500 kV Plêiku vào vận hành.
- Năm 2011, truyền tải trên HTĐ 500 kV theo hướng truyền tải công suất chủ yếu từ miền Bắc, miền Trung vào miền Nam, trong khi năm 2010, hướng truyền tải chủ yếu từ Nam ra Bắc. Trong cả năm miền Nam nhận điện từ HTĐ 500 kV rất lớn. Các MBA 500 kV Phú Lâm, Tân Định, Ô Môn và các đường dây 500 kV thường xuyên trong chế độ mang tải cao [1].
- Hệ thống điện phân phối vận hành với nhiều cấp điện áp từ 6 kV, 10 kV, 15 kV, 22 kV, 35 kV. EVN đã thực hiện đồng bộ hóa hệ thống điện phân phối với cấp điện áp 22 kV cho khu vực đô thị và cấp điện áp 35 kV cho khu vực nông thôn và miền núi. Đối với lưới điện hạ áp sử dụng cấp điện áp 220 V cho toàn bộ đất nước.
- Mặc dù hệ thống phân phối điện trong điều kiện tương đối tốt, nhưng vẫn còn có tổn thất điện năng cao. Đường dây bị quá tải, máy biến áp vận hành với hiệu suất chưa cao, cáp điện có chất lượng kém là nhưng nguyên nhân chính gây ra tổn thất cao. Ngoài ra, công tơ không chính xác, gian lận và trộm cắp điện cũng đã góp phần vào việc thất thoát doanh thu đáng kể cho EVN. EVN đã có một số biện pháp quan trọng để giải quyết những vấn đề này và hiện nay đã giảm đáng kể những tổn thất trên lưới truyền tải và phân phối. Tổn thất truyền tải và phân phối đã được giảm dần trong thập kỷ qua, từ 22,5% trong năm 1994 giảm xuống 12,09% trong năm 2004. EVN có kế hoạch tiếp tục
giảm tỷ lệ tổn thất hệ thống xuống dưới 10% vào năm 2011 và các năm tiếp theo.
- Đường dây truyền tải 500 kV Việt Nam từ Hoà Bình đến Phú Lâm được xây dựng (1483 km như hình 3.20) để tải công suất từ miền Bắc (với tổng công suất 1920 MW của nhà máy thủy điện Hòa Bình) đến HTĐ miền Trung và miền Nam trong suốt mùa mưa. Vào mùa khô, đường dây này được dùng để tải công suất từ miền Nam đến miền Trung và miền Bắc. Đường dây 500 kV từ Hòa Bình đến Phú Lâm được bù bởi kháng bù ngang (70%) và tụ bù dọc (60%). Đối với HTĐ Việt Nam, nhu cầu tải đỉnh khoảng 18000 MW.
Hình 4.3. Hệ thống điện 500 kV Việt Nam
- Năm 2011, hai trạm trung gian đặt tại Di Linh và Tân Định được thêm vào dọc theo đường dây truyền tải 500 kV mạch 2 từ Pleiku đến Phú Lâm. Phần từ Pleiku đi Di Linh và từ Di Linh đến Tân Định được bù bởi kháng bù ngang (70%) và tụ bù dọc (60%). Trạm Di Linh sẽ nhận khoảng 300 MW từ nhà máy thủy điện Đại Ninh. Trong gian đoạn này, đường dây truyền tải 500 kV thứ 3 và thứ 4 từ Phú Lâm tới Phú Mỹ thông qua Nhà Bè và từ Phú Lâm đến Ô Môn
(600 MW) thông qua Nhà Bè, sẽ được xây dựng (Hình 3.20). Trạm 500 kV Phú Mỹ sẽ nhận khoảng 3600 MW từ nhà máy điện Phú Mỹ.
- Hệ thống điện 220-500 kV Việt Nam gồm có 315 nút, 570 nhánh. Sơ đồ và thông số lưới truyền tải điện năm 2011 chi tiết xem phụ lục 3 và 4.
4.2. Giới thiệu về chương trình CONUS [4]
- Chương trình CONUS có giao diện chính như sau:
Hình 4.4. Giao diện của chương trình CONUS
- Chương trình CONUS được các giảng viên hệ thống điện, trường Đại học bách khoa HN xây dựng lần đầu tiên theo ngôn ngữ FORTRAN IV chạy trên máy tính cá nhân (thế hệ XT) từ năm 1990. Mô hình HTĐ mô phỏng trong chương trình tương thích tính toán cho HTĐ có sơ đồ phức tạp bất kỳ, xét đến các yếu tố giới hạn nguồn và tác động của phương tiện điều chỉnh điều khiển. Chương trình được phát triển nhiều (với ngôn ngữ BASIC, PASCAL) vào những năm 1991-1992, đã phục vụ kịp thời cho việc tính toán thiết kế đường dây siêu cao áp (ĐDSCA) 500kV Bắc - Trung - Nam. Các chức năng mô phỏng ĐDSCA, tính giới hạn truyền tải công suất theo điều kiện ổn định tĩnh là thế mạnh của phương trình. Sau năm 2004 chương trình được thay đổi cơ
bản, tích hợp nhiều tính năng mới và chạy trong môi trường Windows, đặc biệt chức năng phân tích ổn định và hiệu quả của thiết bị FACTS.
- Chương trình CONUS rất có ý nghĩa trong các bài toán tính toán CĐXL và ổn định tĩnh, được ứng dụng trong học tập, nghiên cứu khoa học, trong công tác vận hành HTĐ. Với ưu điểm chạy ổn định, ít báo lỗi, kết quả tính toán chính xác, tốc độ tính toán nhanh… Hiện nay chương trình Conus đang được phát triển, liên kết trao đổi dữ liệu với các chương trình phần mềm khác như PSS/E.
4.2.1. Phương pháp đánh giá ổn định tĩnh
- Để đánh giá ổn định tĩnh HTĐ phức tạp Conus dựa trên theo tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ. Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ, chỉ áp dụng riêng cho HTĐ. Cơ sở xuất phát của tiêu chuẩn này chính là phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov. Có thể mô tả sơ lược như sau. Giả thiết sau khi thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động quá độ cho HTĐ và tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc cân bằng, nhận được phương trình đặc trưng ở dạng: D(p) = a0pn + a0pn-1+…..+ an-1p +an = 0 (4.1)
- Dựa trên (4.1) các định thức Hurwitz có thể thiết lập. Ký hiệu n định thức nhận được là 1, 2,…. n. Tiêu chuẩn Hurwitz phát biểu: hệ thống sẽ ổn định nếu tất cả các hệ số của PTĐT và các định thức Hurwitz đều mang dấu dương. - Về bản chất, khi tất cả các điều kiện của tiêu chuẩn Hurwitz được thỏa mãn thì mọi nghiệm của PTĐT sẽ có phần thực âm. Khi đó hệ thống ổn định tiệm cận. Khi có ít nhất một nghiệm có phần thực dương thì hệ thống không ổn định. Hơn nữa nếu nghiệm có phần thực dương là nghiệm thuần thực thì hệ thống sẽ mất ổn định ở dạng phi chu kỳ, còn nếu phần thực dương là cặp nghiệm phức thì hệ thống sẽ mất ổn định ở dạng chu kỳ (dao động với biên độ tăng trưởng vô hạn).
- Giả thiết HTĐ đang ở chế độ làm việc ổn định, khi đó theo tiêu chuẩn Hurwitz sẽ phải có: am >0, k >0 (với m=0,n; k= 1,n). Từ từ thay đổi các thông
số chế độ về hướng làm mất ổn hệ thống. Lúc hệ thống chuyển qua giới hạn mất ổn định thì một bất đẳng thức nào đó sẽ phải đổi dấu, tương ứng với phần thực một nghiệm nào đó của PTĐT đổi dấu từ âm sang dương. Hurwitz đã chứng minh được rằng sự đổi dấu đầu tiên xảy ra tương ứng với dấu của định thức cấp n. Theo cấu trúc của ma trận Hurwitz ta còn có n = an.ak-1. Như vậy
n đổi dấu tương đương với an hoặc n-1 đổi dấu. Nói khác đi khi hệ thống chuyển từ ổn định sang mất ổn định có thể xảy ra đổi dấu đầu tiên ở hệ số an
hoặc định thức Hurwitz n-1. Về toán học còn có thể chứng minh nếu mất ổn định xảy ra do đổi dấu an thì mất ổn định có dạng phi chu kỳ, còn nếu n-1 thì sẽ có dạng dao động với biên độ tăng lên vô hạn.
- Mặt khác, khi nghiên cứu cấu trúc hệ thống phương trình vi phân chuyển động quá độ của HTĐ, Gidanov đã nhận thấy, mất ổn định dạng chu kỳ và mất ổn định dạng phi chu kỳ HTĐ, về cơ bản xảy ra do các nguyên nhân khác nhau. Nếu hệ thống bị mất ổn định do các thông số chế độ thì quá trình diễn ra có dạng phi chu kỳ. Còn nếu do các thông số của thiết bị tự động điều chỉnh gây ra thì mất ổn định có dạng chu kỳ (khi chỉnh định sai, làm phát sinh dao động tự kích). Như vậy, nếu giả thiết các bộ tự động điều chỉnh đang làm việc đúng (ứng với chế độ đang vận hành) thì mất ổn định xảy ra đối với HTĐ luôn chỉ ở dạng phi chu kỳ và chỉ cần theo dõi điều kiện an > 0 là đủ.
- Sử dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ đơn giản hơn rất nhiều so với các tiêu chuẩn chung ổn định theo Lyapunov. Hơn nữa, HTĐ có cấu trúc bất kỳ đều chỉ sử dụng một chỉ tiêu dưới dạng bất đẳng thức sẽ rất thuận lợi để xác định chế độ giới hạn (tương ứng với lúc bất đẳng thức trở thành đẳng thức). Một ưu điểm khác của tiêu chuẩn an >0 đó là có thể tính ngay được giá trị an từ hệ phương trình CĐXL. Nhiều công trình đã chứng minh, trị số an chính bằng định thức Jacobi của hệ thống CĐXL lúc viết ở dạng tối giản.
4.2.2. Xác định chếđộ vận hành giới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh
thiên chủ yếu phục vụ mục đích tính toán xác định chế độ vận hành giới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh. Từ trạng thái ban đầu (đang có ổn định) cho các thông số thay đổi theo một cách nào đó (còn gọi là kịch bản biến thiên thông số) hệ thống có thể tiến đến chế độ giới hạn, sau đó HTĐ mất ổn định. Chế độ giới hạn này rất được quan tâm trong thiết kế vận hành. Ví dụ, thiết kế một NMTĐ lớn nối với hệ thống trung tâm qua đường dây dài, khả năng phát công suất có thể có thể bị hạn chế bởi giới hạn tải công suất của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh. Chế độ giới hạn có thể xác định bằng cách tăng dần công suất tác dụng phát của nhà máy cho đến lúc HTĐ mất ổn định. Chế độ ở bước trước khi mất ổn định là chế độ giới hạn, còn kịch bản biến thiên thông số trong trường hợp này là tăng CSTD của máy phát lên từng bước.
- Bảng “làm biến thiên chế độ” trong chương trình cho phép tạo ra kịch bản tùy ý bằng cách chọn đồng thời các thông số, theo những bước tăng giảm khác nhau.
Hình 4.5. Quá trình làm biến thiên thông số
- Hình 4.1 biểu thị quá trình làm biến thiên thông số và sai số giữa chế độ giới hạn tính toán tìm được giới hạn thực của thông số. Khi bước qua giới hạn mất ổn định, chương trình lại cho tiến ¼ bước, ngược lại lùi tiếp ¼ bước …. Sai số mặc định được lựa chọn là ¼ bước cho ban đầu. Độ chính xác có thể cao hơn bằng cách giảm bước ban đầu hoặc cho lại sai số trong bảng”làm biến thiên chế độ”
X X X/4
X/2
4.2.3. Chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định điện áp trên cơ sở tính toán chếđộ
giới hạn sử dụng CONUS
- Hệ số dự trữ ổn định hệ thống được tính theo kịch bản điển hình là kich bản làm tăng đông thời (cùng một tỉ lệ) công suất tác dụng phản kháng của tất cả các nút tải trong hệ thống theo cùng một tỉ lệ cho đến khi hệ thống mất ổn định. Hệ số dự trữ ổn định tính theo kịch bản điển hình được xác định thoe công thức:
Kdt% = . 100% (4.2)
- Trong đó: P , P – là tổng công suất phụ tải ở chế độ giới hạn và chế độ ban đầu. Hệ số dự trữ ổn định tính theo kịch bản điển hình đặc trưng cho mức độ ổn định chung của hệ thống.
- Chương trình CONUS tính giới hạn ổn định cho phép ghi lại thông số biến thiên tại mỗi bước làm nặng do vậy có thể sử dụng để khảo sát tốc độ thay đổi thông số chế độ theo tỉ số giữa số gia ∆
∆ . Nếu xi là điện áp các nút tải thì việc