b. Mô hình tải động
3.3.2.1. Mô tả hệ thống điện Bắc Âu:
Trong phần này, một số mô phỏng động sự sụp đổ điện áp được thực hiện đối với một HTĐ lớn hơn có tên là HTĐ Bắc Âu được lấy từ tài liệu tham khảo số [43] như Hình vẽ 3-11211 dưới đây
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 92
Hình vẽ 3-112: Sơ đồ hệ thống điện Bắc Âu
HTĐ bao gồm một số vùng như sau: vùng tương đương ngoài (Equivalent External) bao gồm các thanh cái 4071, 4072, Vùng phía bắc (North area), vùng
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 93
trung tâm hay vùng phụ tải (Central or Load area) và vùng phía Nam (South area) bao gồm các thanh cái 4061, 4062, và 4063). Hệ thống có nhứng đường dây dai, với việc truyền tải lượng lớn công suất từ các Thủy điện ở miền bắc (North area) về vùng phụ tải (nơi có lượng lớn các nhà máy nhiệt điện). Khả năng truyền tải bị giới hạn bởi ổn định quá độ và ổn định điện áp trong một số sự cố có thể phỏng đoán trước. HTĐ này rất phù hợp với việc thực hiện một số loại mô phỏng như : Ổn định quá độ (transient stability), dao động công suất liên vùng (interarea oscillation) và ổn định điện áp trong khoảng thời gian dài (long-term voltage stability). Rất nhiều kịch bản mô phỏng sụp đổ điện áp đã được khảo sát và công bố trong các tài liều tham khảo [43] và [44] , tuy nhiên trong phần này, chúng tôi chỉ nghiên cứu một số mô phỏng trong thời gian dài hiện tượng sụp đổ điện áp.
Các thông số HTĐ và mô hình thiết bị được mô tả để nghiên cứu hiện tượng sụp đổ điện áp. HTĐ bao gồm các mô hình thiết bị động như : Máy phát điện, bộ phận điều tốc tuabin, bộ phận kích từ, bộ phận giới hạn kích từ (OEL) bộ phận điều áp dưới tải (ULTC). Trong phần này, các thiết bị được mô tả bởi các mô hình chuần trong thư viện của chương trình PSS/E. Các đáp ứng động của HTĐ bao gồm cả ảnh hưởng động cả tác thiết bị tự động trong khoảng thời gian mô phỏng. Các MPĐ trong vùng thủy điện (miền bắc- North) được mô tả bởi mô hình MPĐ thủy điện GENSALl, với các bộ điều tốc tua bin thủy lực: HYGOV. Các MPĐ điện trong vùng nhiệt điện (miền Nam - South) được mô tả bởi mô hình GENGOU. Các MPĐ cùng có hệ thống kích từ đơn giản với mô hình: SEXS, Các bộ giới hạn kích từ dùng mô hình: MAXEX2 và các bộ ổn định công suất dùng mô hình STAB2. Tất cả các MBA trong vùng miền Nam (South) đều có bộ phận tự động điều áp dưới tải (ULTC). Các phụ tải được mỏ tả bởi mô hình tải tĩnh ZIP với thông số như sau : 100% dòng điên không đổi cho công suất tác dụng và 100% điện kháng không đổi cho công suất phản kháng.
Ở chế độ làm việc ban đầu, có 2 MPĐ đạt giới hạn về công suất phản kháng như trong Bảng 3-4, và tất cả các thanh góp có điện áp nằm trong dải làm việc bình
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 94
Bảng 3-4: Các MPĐ với giới hạn công suất phản kháng đầu ra.
Bus Q_actual (MVAr) Q_limit (MVAr) V scheduled (pu) V actual (pu) 1043 100.0 100.0 1.0000 0.9896 4021 -30.0 -30.0 1.0000 1.0083
Trong phần này, chúng tôi xem xét 4 kịch bản mô phỏng sự sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn. Đáp ứng của HTĐ đối với mỗi kịch bản là kết quả của rất nhiều yếu tố như: cấu hình HTĐ, chế độ tải, đáp ứng động của các thiết bị điều chình điện áp tự động như là OEL, và ULTC với nhiều ngưỡng đặt thời gian khác nhau.
3.3.2.2. Kịch bản 1:
Kịch bản 1 được đề xuất như sau: Một đường dây trong vùng miền bắc “North area”, giữa thanh cái 4011-4021 bị cắt ra lúc t=5(s) và một MPĐ ở thanh góp ở 4012 bị cắt ra sau đó 0.1(s). Kết quả là HTĐ bị mất 600 MW.
Đối với kịch bản này: hai mô phỏng đã thực hiện tương ứng với trường hợp ảnh hưởng của ULCT và OEL. Sự thay đổi điện áp của thanh cái 4043 và công suất phản kháng đầu ra của MPĐ G 4042 được chỉ ra trên hình
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
95 VOL T AGE MA GNI T UDE ( PU ) 1.05 1.00 0.95 0.80 0.85 0.90 R E AC T IVE PO W E R OUT PU T ( PU ) 5.0 4.0 3.0 2.0
Hình vẽ 3-12312 và Hình vẽ 3-13413 tương ứng với hai trường hợp có và không có ULTC và OEL. Khi không có ULTC và OEL trong trường hợp 1 (đường màu xanh lá mạ) thí sau khoảng thời gian quá độ, điện áp được ổn định ở giá trị 0.965 (pu). Trong trường hợp 2 (đường màu xanh nước biển), điện áp của thanh cái 4003 bị sụp đổ khi t=135(s) sau khi trải qua sự cố trong kịch bản. Đáp ứng của HTĐ là kết quả của cả ULTC và OEL. Điện áp HTĐ bị sụp đổ hoàn toàn sau khi các bộ OEL tác động (thông thường là sau khi 120 s).
Hình vẽ 3-123: Kịch bản 1 - Điện áp của thanh cái 4043 đối với hai trường hợp có và không có ULTC và OEL.
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 96
Hình vẽ 3-134: Kịch bản 1 - Công suất phản kháng của G4042 đối với hai trường hợp có và không có ULTC và OEL.
3.3.2.3. Kịch bản 2:
Kịch bản 2 được đề xuất như sau: Cắt một MPĐ tại thanh cái 4047 trong vùng phụ tải “Central area” lúc t=5(s), kết quả là mất một MPĐ với 540 MW công suất tác dụng và152 MVAr công suất tác dụng.
Trong kịch bản này, mô phỏng động được thực hiện trong hai trường hợp có hoặc không có sự làm việc của các thiết bị là ULCT và OEL. Sự biến thiên của điện áp trên thanh cái 41 và công suất phản kháng của MPĐ G4042 được biểu diễn như trên
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 97
Hình vẽ 3-14 và trong Hình vẽ 3 -15 trong từng trường hợp khác nhau. Trong trường hợp 1 (đường màu xanh lá cây), các mô hình ULTC và OEL không làm việc, điện áp có giá tri ổn định khoảng 0.93 (pu) sau khoảng thời gian quá độ. Trong trường hợp thứ 2 (đường mầu xanh nước da trời, là kết quả mô phỏng khi có các thiết bị ULTC và OEL làm việc. Khi máy phát tại thanh cái G4042 được cắt ra, điện áp của hệ thống giảm xuống. Sau đó, các thiết bị ULTC làm việc để phục hồi điện áp bằng cách thay đổi đầu phân áp, khi đó điện áp của hệ thống được nâng lên (như trong
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 98 VOL T AGE MA GNI T UDE ( PU ) 1.0 0.9 0.8 0.5 0.6 0.7
Hình vẽ 3-14). Tại thời điểm t = 125 (s), thiết bị OEL làm việc, khi đó công suất phản khảng giảm đi (như trong Hình vẽ 3-15515). Sự kết hợp làm việc của hai thiết bị ULTC và OEL làm cho hệ thống dao động ở thời điểm t = 240(s) và hệ thống điện sụp đổ điện áp tại thời điểm t = 270 (s).
Hình vẽ 3-14: Điện áp của thanh cái 41 trong hai trường hợp không có và có các thiết bị ULTC và OEL
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 99
R
E
AC
T
IVE
PO
W
E
R
OUT
PU
T
(
PU
)
6.0
5.0
4.0
1.0
2.0
3.0
Hình vẽ 3-155: Kịch bản 2- Công suất phản kháng của MPĐ G4042 đối với hai trường hợp không có và có các thiết bị ULTC và OEL
3.3.2.4. Kịch bản 3:
Kịch bản 3 được đề xuất như sau: Cắt máy phát điện ở thanh cái 4042 ở miền Trung tâm phụ tải tại thời điểm t=5(s) làm cho HTĐ bị mất đi lượng công suất tác dụng và phản kháng tương ứng là 630 MW 265 MVAr.
Sự biến thiên của điện áp tại thanh cái 46 được thể hiện như trong
Hình vẽ 3-16616 đối với hai trường hợp khác nhau. Trong trường hợp thứ nhất (đường mầu xanh lá cây), các mô hình ULTC và OEL không làm việc, khi đó điện áp có giá trị ổn định vào khoảng 0.91(pu) sau thời gian quá độ. Trong trường hợp thứ 2, khi có các thiết bị ULTC và OEL, tương tự như kịch bản 2 hệ thống điện cũng bị sụp đổ hoàn toàn tại thời điểm t=205(s).
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 100 VOL T AGE MA GNI T UDE ( PU ) 1.00 0.95 0.90 0.75 0.80 0.85
Hình vẽ 3-166: Kịch bản 3- Điện áp của thanh cái 46 đối với hai trường hợp.
3.3.2.5. Kịch bản 4:
Kịch bản 4 được đề nghị như sau: Máy phát điện tại thanh cái 1043 ở khu vực miền Trung tâm phụ tải được cắt ra lúc t=5s, làm mất lượng công suất tác dụng là 180 MW và công suất phản kháng là 100 MVAr. Hệ thống điện ổn định tại thời điểm t=500(s), điện áp tại một số thanh cái vẫn lớn hơn giá trị 0.95(pu). Từ thời điểm này phụ tải tăng lên 1% trong mỗi phút.
Sự biến thiên điện áp tại các thanh cái 41, 42, 43, 46 và công suất phản kháng của các máy phát điện tại khu vực trung tâm được biểu diễn như trong
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 101
Hình vẽ 3-17 và
Hình vẽ 3-18. Kết quả là điện áp tại một số thanh cái có giá trị giảm dần. Khi tải tăng lên, các MPĐ cũng phải tăng công suất tác dụng và công suất phản kháng để đáp ứng sự tăng của tải. Khi đó ULTC hoạt động nhằm nâng giá trị điện tại các thanh cái bằng cách thay đổi đầu phân áp. Đồng thời hệ thống điện cũng tăng lượng công suất phản kháng phát ra từ các máy phát điện để bù đắp lại lượng công suất phản kháng yêu cầu từ phụ tải. Tại thời điểm t = 656(s), OELs hoạt động để bảo vệ các cuộn dây kích thích, khi đó lượng công suất phản kháng phát ra từ các máy phát điện giảm dần. Trong khi điện áp giảm dần dần, thiết bị ULTCs tiếp tục thay đổi các đầu phân áp để làm tăng lượng công suất phản kháng phát ra từ các máy phát điện nhằm cung cấp cho phụ tải. Tại thời điêm t=950(s), điện áp của hệ thống dao động mạnh và sụp đổ hoàn toàn.
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 102 1.0 V OL TA GE M A GN ITU D E ( P U) 0.5 0.6 0.8 0.9 0.7 10 R E A C T IV E P OW E R OU TP U T (P U ) 6.0 8.0 4.0
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 103
Hình vẽ 3-18: Kịch bản 4- Công suất phản kháng của MPĐ G4041,G4042,G4047, G4051
Từ các kết quả phân tích ở trên, bao gồm việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự sụp đổ điện áp của HTĐ BPA và HTĐ Bắc Âu, chúng tôi thấy rằng các kết quả là hoàn toàn phù hợp với các nghiên cứu của các tác giả P. Kundur [1], C. W. Taylor [2], C. A. Aumuller ,T. K. Saha [44] và các tài liệu tham khảo [38], [43] những tác giả đã tiến hành các mô phỏng và nghiên cứu tương tự về vấn đề này. Sự sụp đổ điện áp là kết quả của một hiện tượng phúcư tạp, bao gồm nhiều yếu tố ảnh hưởng, cụ thể như sau:
Khi một MPĐ hay một đường dây truyền tải trong HTĐ bị mất, sẽ làm tăng tổng điện kháng tương đương, và làm tăng tổn thất nói chung trong HTĐ, đó là nguyên nhân làm điện áp bị sụt giảm.
Các quá trình khôi phục lại phụ tải, nhất là các tải động ở các nút, cùng với sự khôi phục điện áp do các MBA có trang bị bộ ULTC đôi khi có tác dụng ngược đối với sự khôi phục điện áp, thậm chí còn làm điện áp bị suy giảm nhiều hơn, dẫn đến sự sụp đổ điện áp.
Thông thường, sau khi hệ thống giới hạn kích từ được kích hoạt thì các MPĐ không còn khả năng điều chỉnh công suất phản kháng nữa, và cũng không còn khả năng cung cấp công suất phản kháng để đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng bù đắp vào lượng tổn thất, và do đó không điều khiển điện áp được các nút phụ tải nữa. Tiếp sau đó thường là sự sụp đổ điện áp.
Các vấn đề khác cũng có thể là nguyên nhân trực tiếp hoặc đóng vai trò quan trọng trong hiện tượng sụp đổ điện áp như: hệ thống bảo vệ đường dây, đáp ứng của bộ điều chỉnh tốc độ tuabin và hệ thống điều khiển MPĐ sau khi có
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 3 104
MPĐ bị cắt ra khỏi lưới , hệ thống điều khiển giới hạn của các thiết bị FACTS, và sự tăng nhanh chóng của phụ tải [1].
Như minh hoạ ở trên, sụp đổ điện áp là do kết hợp của nhiều các nguyên nhân phức tạp, và điều này gây ra sự tan rã của hệ thống điện.
3.4. KẾT LUẬN:
Trong chương này, tác giả đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự sụp đổ điện áp như: các loại phụ tải khác nhau, ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải ULTC, và thiết bị giới hạn kích từ OEL. Sự ảnh hưởng do một loạt các yếu tố gây ra sụp đổ điện áp đã được phân tích thông qua mô phỏng bằng phần mềm PSS/E đối với hai hệ thống điện điển hình trên thế giới đó là hệ thống điện BPA và hệ thống điện Bắc Âu.
Các cơ chế xẩy ra sụp đổ điện áp được phân tích, từ đó có thể đưa ra các biện pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp. Và một trong những biện pháp đưa nêu ra nhằm ngăn chặn sụp đổ điện áp sẽ được nghiên cứu trong chương tiếp theo của luận văn.
Luận văn Thạc sĩ Chƣơng 4 104
CHƢƠNG 4:
