4.3.1 Ổn định góc rotor
Ổn định góc rotor là khả năng các máy phát điện trong hệ thống duy trì chế độ kết nối đồng bộ dưới tác động của nhiễu. Nghiên cứu về ổn định liên quan đến việc phân tích quá trình quá độ điện cơ trong hệ thống điện, trong đó, công suất phát của máy điện đồng bộ thay đổi khi góc rotor dao động. Khi hệ thống điện chịu tác động của nhiễu, điều kiện cân bằng công suất bị phá vỡ gây ra sự tăng tốc hoặc giảm tốc của các rotor máy phát điện. Nếu một máy phát tạm thời quay nhanh hơn các máy còn lại, góc rotor tương đối và do đó công suất phát của máy phát này so với các máy phát chậm hơn sẽ tăng lên. Sự khác biệt góc rotor này sẽ chuyển một phần tải từ các máy phát chậm sang máy phát nhanh, phụ thuộc vào mối quan hệ công suất tác dụng – góc rotor (P- ). Điều này có khuynh hướng làm giảm sự khác biệt về tốc độ và do đó, giảm góc lệch của rotor. Đặc tính P- có tính chất phi tuyến theo dạng hàm sin nên việc tăng góc rotor vượt quá giá trị giới hạn nào đó sẽ dẫn đến việc giảm công suất truyền tải. Điều này sẽ càng làm tăng độ lệch góc rotor và có thể làm hệ thống điện mất ổn định. Về cơ bản, có hai dạng ổn định góc rotor
56
trong hệ thống điện liên quan đến mức độ các nhiễu, thường gọi là ổn định tĩnh và ổn định động
- Ổn định tĩnh hay ổn định nhiễu nhỏ là khả năng hệ thống điện duy trì chế độ
đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu nhỏ, qua đó có thể tuyến tính hoá các phương trình mô tả quá trình quá độ điện cơ trong hệ thống thuận tiện cho mục đích giải tích. Hệ thống điện thường mất ổn định tĩnh theo hai dạng : góc rotor tăng dần do thiếu momen đồng bộ hay góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản dịu. Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tỗ, bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và loại hệ thống kích từ được sử dụng trong máy phát.
- Ổn định động hay ổn định quá độ là khả năng hệ thống điện duy trì chế độ
đồng bộ khi chịu tác động của nhiễu quá độ nghiêm trọng, bao gồm sự cố ngắn mạch các loại xảy ra trên đường dây truyền tải, ở thanh cái và đầu cực máy biến áp. Đáp ứng của hệ thống liên quan đến sự thay đổi lớn của góc rotor máy phát và chịu ảnh hưởng bởi mối quan hệ P- phi tuyến. Khả năng ổn định động của hệ thống điện phụ thuộc vào chế độ làm việc ban đầu, mức độ nghiêm trọng của nhiễu và khả năng cắt sự cố. Thông thường trong các trường hợp có ổn định động, hệ thống điện sẽ thay đổi theo quá trình quá độ với trạng thái xác lập sau nhiễu khác với trạng thái xác lập trước đó, trong đó, các thông số biến thiên của quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xác lập mới.
4.3.2 Ổn định điện áp
Ổn đinh điện áp là khả năng hệ thống điện duy trì điện áp ổn định chấp nhận được tại tất cả các thanh cái của hệ thống trong điều kiện vận hành bình thường và sau khi chịu tác động của nhiễu. Khi hệ thống mất ổn định điện áp, điện áp giảm liên tục và không điều khiển được. Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là do hệ thống không có khả năng đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng của phụ tải.
Mất ổn định điện áp, về bản chất là một hiện tượng cục bộ, tức có thể chỉ xảy ra ở một khu vực nào đó, nhưng lại gây ra tác động lan rộng. Một trường hợp đăc biệt và phức tạp của mất ổn định điện áp là sự sụp đổ điện áp, thường là hậu quả của một chuỗi sự kiện kèm theo sự mất ổn định điện áp, dẫn đến biểu đồ điện áp trong một phần đáng kể của hệ thống điện giảm thấp quá mức cho phép. Có hai loại ổn
57
định điện áp trong hệ thống điện liên quan đến mức độ của nhiễu là ổn định ( dưới tác động của) nhiễu nhỏ
- Ổn định điện áp do nhiễu nhỏ là khả năng hệ thống điều khiển được điện
áp ổn định sau khi phụ tải thay đổi. Điều kiện hệ thống ổn định điện áp trong trường hợp này là giá trị điện áp tăng khi công suất phản kháng bơm vào tăng ở tất cả các thanh cái, tức “độ nhạy điện áp – công suất phản kháng” (dQ/dV) dương. Ngược lại, hệ thống điện sẽ mất ổn định điện áp nếu độ nhạy này âm tại ít nhất một thanh cái, tức giá trị điện áp giảm khi công suất phản kháng bơm vào tăng.
- Ổn định điện áp do nhiễu lớn là khả năng điện áp được điều khiển ổn định
sau khi hệ thống chịu tác động của các nhiễu lớn như sự cố ngắn mạch, sự cố mất tổ máy phát hoặc bị cắt đường dây. Điều kiện để hệ thống ổn định điện áp dưới tác động của nhiễu lớn, sau các tác động điều khiển hệ thống, là điện áp tại tất cả các thanh cái đạt đến giá trị xác lập chấp nhận được
4.4 ÁP DỤNG CHI TIẾT THÔNG QUA VÍ DỤ : 4.4.1 Giới thiệu hệ thống IEEE9 -BUS 4.4.1 Giới thiệu hệ thống IEEE9 -BUS
A.Hệ thống IEEE 9-bus :
Mô hình IEEE 9 bus còn được gọi là mô hình PM Anderson 9 bus. Đã được mô hình hóa trong ETAP. Nhà máy năng lượng mặt trời đã được tích hợp vào đây. Sơ đồ một dòng của hệ thống IEEE 9 BUS được thể hiện ở hình bên dưới. Các mức điện áp và đường truyền trở kháng cũng được cho theo sơ đồ mô phỏng. Hệ thống kiểm tra này cũng bao gồm 3 Máy biến áp 100 MVA mỗi máy.6 dòng và 3 tải (135.532 MVA, 94.45MVA, 102.64MVA). Các mức KV cơ bản là 13,8 kV, 16,5 kV, 18 kV và 230 kV.
58
Các bước khởi động mô hình : +Từ cửa sổ khởi động chọn Open
59
+Chọn đường link dẫn theo như trong hình để tìm đến thư viện IEEE-9 BUS +Mô Hình thực nghiệm được thể hiện ở hình dưới
B.Phát triển hệ thống điện IEEE 9-BUS với việc áp dụng năng lượng tái tạo
Hệ thống thử nghiệm hoàn chỉnh đã được xây dựng đầu tiên trong ETAP. Sau đó, một mô hình của một nhà máy điện mặt trời điển hình được phát triển với sự giúp đỡ của khối mảng PV. Nhiều tấm PV nhỏ 200 watt mỗi cái đã được kết hợp thành chuỗi và song song kết hợp để đến một mảng PV với công suất tối đa công suất 24,5 MW (công suất MPP) và điện áp bus DC xung quanh 1OOOV (Vac). Mỗi mảng PV có một biến tần đơn vị có xếp hạng AC là l1kV và 26,2 MVA. Một số mảng PV như vậy đã được tạo và gộp thành IEEE 9-BUS ll kV phổ biến được gọi là bus năng lượng mặt trời. Sản lượng của năng lượng mặt trời của bus sau đó được đưa cho một máy biến áp trạm bước để nâng điện áp từ l1kV đến 230kV, sẽ phù hợp cho thâm nhập vào hệ thống. Ban đầu nhà máy năng lượng mặt trời này thiết lập đã được tích hợp vào Bus số 5 của IEEE 9-bus
60
Các bước xây dựng hệ thống Solar PV : +Mô Hình hệ thống IEEE 9-Bus
+Chọn biểu tượng thiết kế từ thanh công cụ chức năng
Hình 4.4 Thanh công cụ chức năng
61
+Chọn PV array từ thanh công cụ thành phần
Hình 4.5 Thanh công cụ và biểu tượng PV array
+Thiết lập thông số PV array như bảng sau
62
Hình 4.7 Thẻ PV array của tấm pin
63
+ Chọn máy biến áp và cài đặt thông số máy biến áp như hình
Hình 4.9 Thẻ Rating của máy biến áp
64
+Mô Hình sau khi hoàn tất
4.4.2 phân tích ổn định
Mô hình hệ thống IEEE 9-BUS không tích hợp năng lượng mặt trời đã được coi là trường hợp cơ sở với 0% năng lượng mặt trời thâm nhập. Sau đó, nhà máy năng lượng mặt trời đã được tích hợp vào bus-5 đầu tiên vì nó có tải lớn nhất.
Trường hợp năng lượng tại bus (Máy phát điện G1) đã được lấy làm tham chiếu để tính tỷ lệ phần trăm thâm nhập của pin mặt trời. Các điện được bơm bởi nhà máy điện mặt trời vào lưới điện thông qua bus-5 đang dần tăng từ 0% cho đến khoảng 100% trong các bước 10% xấp xỉ. Tính toán tải đã được thực hiện trong mỗi bước và các thông số khác nhau được ghi nhận. Trạng thái ổn định được ghi nhận theo đường dây truyền tải điện áp tại bus. Chi tiết máy phát, và tổn thất hệ thống đã được quan sát. Quá trình được lặp lại với bus-8 và bus-6
65
A. Ảnh hưởng của thâm nhập PV mặt trời đến điện áp trạng thái ổn định
Hình 4.12 Mô hình Solar được thêm tại Bus 6
66
Trong mục chọn để bắt đầu mô phỏng tính toán phân bố công suất trên các bus. Sau khi tính toán ta được biểu đồ như hình sau
Hình 4.14 Biểu đồ điện áp tại Bus 5
Hình 4.15 Biểu đồ điện áp tại Bus 6
94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 TẠI BUS 5
BUS 4 BUS 5 BUS 6 BUS 7 BUS 8 BUS 9 SOLAR BUS
92 94 96 98 100 102 104 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 265 TẠI BUS 6
67
Ảnh hưởng của thâm nhập PV mặt trời đến điện áp trạng thái ổn định
Ba trường hợp khác nhau của tích hợp PV mặt trời là thâm nhập tại bus-5, bus-6 và bus-8 đã được xem xét để phân tích. Các điện áp bus trên tất cả các bus trong hệ thống đã được quan sát. Dữ liệu bus hoàn chỉnh cho tất cả các mức thâm nhập PV mặt trời từ 0 MW đến 243 MW được xem xét cho cả ba trường hợp. Các điện áp bus được vẽ theo mức độ thâm nhập. Điện áp bus của bus năng lượng mặt trời 11kV cũng được chỉ định. Bus 1, 2 và 3 được loại trừ khỏi tính toán vì chúng không đổi trong suốt quá trình thâm nhập. Điều này là do Bus 1 được mô hình hóa ở chế độ xoay chiều và bus 2 & 3 được mô hình hóa ở chế độ điều khiển điện áp.
Như đã thấy trong các điện áp của bus, cấu hình điện áp ban đầu dường như được cải thiện khi sự thâm nhập của mặt trời đang tăng lên nhưng nó bắt đầu giảm xuống ngoài một tỷ lệ nhất định. Xu hướng tương tự của sự thay đổi điện áp được quan sát thấy trong cả ba trường hợp. Điện áp bắt đầu sụp đổ khi sự xâm nhập của mặt trời vượt quá một điểm nhất định khiến cho đường dây giảm xuống. Nhưng cường độ biến đổi của điện áp thay đổi theo vị trí thâm nhập.
Điểm cực đại của đường cong cũng thay đổi theo vị trí thâm nhập. Do đó, thâm nhập PV mặt trời vào hệ thống chỉ có thể được phép cho đến khi cấu hình điện áp
84 86 88 90 92 94 96 98 100 102 104 106 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 265 TẠI BUS 8
BUS 4 BUS 5 BUS 6 BUS 7 BUS 8 BUS 9 SOLAR BUS
68
được cải thiện. Trong trường hợp 1, điện áp trong hầu hết các bus dường như được cải thiện cho đến khoảng 30% và sau đó nó bị sập. Trong trường hợp 2, sự thay đổi điện áp hơi nghiêm trọng so với trường hợp 1, trong một vài bus, điện áp bắt đầu bị hỏng ngay từ đầu. Trường hợp 3 thậm chí còn nghiêm trọng với hầu hết tất cả các điện áp trên bus đã bắt đầu sụp đổ ngay từ đầu và nhiều điện áp gần với giới hạn điện áp trạng thái ổn định. Các trường hợp khác cũng nghiêm trọng so với trường hợp 1. Do đó, nghiên cứu cho thấy trong số ba trường hợp, bơm PV ở bus 5 tốt hơn vì nó cho phép thâm nhập nhiều hơn với sự thay đổi điện áp ít nghiêm trọng hơn.
B. Ảnh hưởng đến tổn thất hệ thống
Hình 4.17 Tổn thất công suất theo MW tại bus 5, 6, 8
Hình 4.18 Tổn thất công suất theo MVAR tại bus 5, 6, 8
0 10 20 30 40 50 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 265 LOSSES SYSTEMS(MW)
BUS 5 BUS 6 BUS 8
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 265 LOSSES SYSTEMS(MVAR)
69
Tổn thất hệ thống ở cả MW (công suất thực) và MVAR (công suất phản kháng) đã được quan sát cho tất cả các mức thâm nhập với các mức điện áp như trên. Ban đầu, các khoản thiệt hại giảm dần cho đến một thời điểm và bắt đầu gia tăng cho sự thâm nhập vượt xa điều đó. Trong trường hợp 1, tổn thất đã giảm cho đến khoảng 20% và trong khi đối với trường hợp 2, nó chỉ còn khoảng 10%. Trong trường hợp 3, tổn thất hệ thống đã tăng ngay từ đầu
C.Ảnh hưởng đến dòng điện truyền tải
Hình 4.19 Biểu đồ công suất thực MW tại bus 1 đến 6
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243 REAL POWER MV
Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 0 22 44 66 88 110 132 154 176 199 221 243
REACTIVE POWER MVAR
Bus 1 Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6
70
Tải công suất thực và phản kháng của tất cả các đường truyền hiện có trong mạng được quan sát và vẽ cho tất cả các mức độ thâm nhập như trong Hình. Điều này được quan sát cho trường hợp 1. Sự thay đổi trong tải của các đường truyền được trộn lẫn với một vài đường có công suất tăng và một vài đường bị giảm. Vài đường thậm chí thay đổi trong dòng điện gây ra sự đảo ngược năng lượng vượt quá một điểm. Những thay đổi trong việc tải dòng tại bus 5 là nghiêm trọng. Vì vậy, rất quan trọng để xem xét tác động của sự thâm nhập mặt trời đến các thông số tải đường truyền trong khi lập kế hoạch mạng.
Ổn định tức thời được định nghĩa là khả năng của hệ thống điện để duy trì tính đồng bộ trong các nhiễu loạn lớn. Những nhiễu loạn này có thể là lỗi trong bus hoặc lỗi trong đường truyền hoặc mất kết nối, mất thiết bị, mất phát sinh hoặc mất tải lớn. Mục đích của phân tích thoáng qua, được thảo luận trong phần này, là để kiểm tra xem các nhiễu loạn hệ thống lớn như vậy có ảnh hưởng đến hệ thống theo một cách khác với mức độ thâm nhập PV cao hay không. Mô phỏng đã được thực hiện khi xem xét các trường hợp nhiễu khác nhau như lỗi bus, mất tải lớn và mất đường truyền, dưới các mức độ thâm nhập PV mặt trời khác nhau. Tác động của thâm nhập PV mặt trời đối với thời gian bù trừ quan trọng cũng được nghiên cứu. Nhà máy năng lượng mặt trời PV đã được tích hợp vào bus 5 của hệ thống bus IEEE 9, như được mô tả trong phần trước.
D.Xét ảnh hưởng do lỗi Bus
Tiếp theo, ảnh hưởng đến lỗi tức thời của hệ thống do lỗi bus xảy ra trong đó