Theo lý thuyết các phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện, để nâng cao ổn định động góc rotor máy phát điện, có thể sử dụng một trong các biện pháp sau:
74
a. Nâng cao khả năng truyền tải Nâng cao khả năng tải của một HTĐ nghĩa là năng lượng có thể truyền tải qua các phần khơng sự cố khác nhau của HTĐ khi có một sự cố xảy ra. Hậu quả của sự cố sẽ khơng q nặng nề. Có các phương pháp sau:
Dùng HTĐ có điện áp cao (giảm tổn thất, và giảm dòng điện mang tải, đặc biệt quan trọng khi truyền tải điện đi xa, qua các đường dây dài).
Xây dựng thêm các đường dây truyền tải mới.
Xây dựng và lắp đặt các đường dây và MBA với điện kháng nhỏ. Xây dựng các đường dây bù dọc để giảm điện kháng của đường dây. Lắp đặt các thiết bị bù công suất phản kháng, và FACTS
b. Ứng dụng các thiết bị bảo vệ tốc độ nhanh: Nhanh chóng loại trừ sự cố ra khỏi HTĐ. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm hậu quả của sự cố. Do đó cần dùng các hệ thống bảo vệ hiệu quả, và sử dụng các máy cắt hiện đại.
c. Ứng dụng hệ thống đóng lặp lại tốc độ cao: Phần lớn các sự cố là thoáng qua, việc đóng lặp lại có hiệu quả nhanh chóng khơi phục lại khả năng truyền tải của đường dây. Cần chú ý khi đóng lặp lại vào sự cố duy trì, lúc đó máy cắt phải được cắt ra và không được tiếp tục đóng lặp lại, và lúc đó MC ngắt ra, loại trừ hồn tồn sự cố duy trì .
d. Ứng dụng hệ thống đóng cắt một pha: Phần lớn các sự cố ngắn mạch là một pha, và việc chỉ cắt một pha sự cố cho phép tiếp tục truyền tải cơng suất qua các đường dây cịn lại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phần lớn các sự cố ngắn mạch một pha thường tự triệt tiêu, do đó việc đóng cắt, và đóng lặp lại một pha thường có hiệu quả lớn trong việc nâng cao ổn định.
e. Sử dụng MPĐ với hằng số quán tính lớn, và điện kháng quá độ nhỏ. Một MPĐ có hằng số qn tính (H) lớn cho phép giảm khả năng tăng tốc của góc rotor và do đó giảm khả năng dao động của góc rotor, tăng thời gian tới hạn loại trừ sự cố. Giảm điện kháng quá độ, cho phép tăng khả năng mang tải của MPĐ trong thời gian sự cố, và trong khoảng sau sự cố.
f. Sử dụng hệ thống kích từ đáp ứng nhanh và hệ số khuếch đại lớn: Hệ thống kích từ hiện đại có thể được thiết kế để tác động nhanh với độ lợi lớn khi cảm nhận được sự giảm nhanh của điện áp đầu cực MPĐ khi có ngắn mạch. Hiệu quả của nó là tăng cơng
75
suất đầu ra trong suốt quá trình sự cố và sau sự cố. Do đó thời gian tới hạn loại trừ cố tăng lên.
Trong đồ án này ta sẽ sử dụng các phương pháp sau đây để nâng cao độ ổn định của mạng điện IEEE 39 Bus sau khi sự cố:
Cài đặt relay tác động nhanh để cô lập điểm sự cố Cài đặt bộ PSS
Tăng hằng số quán tính H của máy phát
Tăng hằng số khếch đại của bộ kích từ trong máy phát Giảm điện kháng của máy phát
Tăng cường độ ổn định của mạng điện khi sử dụng thêm máy phát năng lượng tái tạo ( Wind Turbine)
Kết quả của các lần chạy mô phỏng: khi mạng điện hoạt động khơng có sự cố; khi có sự cố xảy ra và các phương pháp cải thiện ổn định động của máy phát sẽ được trình bày dưới đây. Ở mơ hình này, ta cho chạy mơ phỏng trong thời gian là 20 giây và mạng điện bắt đầu sự cố tại giây thứ 3, điểm sự cố là trên đường dây truyền tải số 17, vị trí sự cố là 10% đường dây (đầu đường dây).
4.4 Chạy mô phỏng mạng điện IEEE 39 Bus khi mạng điện hoạt động bình thường: thường:
76
Hinh 4.7 Đồ thị tốc độ của máy phát khi khơng có sự cố
Hình 4.8 Đồ thị góc lệch tương đối của máy phát khi khơng có sự cố
77
4.5 Trường hợp mạng điện sự cố ngắn mạch 3 pha 4.5.1. Khi mạng điện xảy ra sự cố ở giây thứ 3: 4.5.1. Khi mạng điện xảy ra sự cố ở giây thứ 3:
Hình 4.10 Đồ thị công suất điện của máy khi xảy ra sự cố
Hình 4.11 Đồ thị tốc độ của máy phát khi xảy ra sự cố
78
Hình 4.13 Đồ thị dịng điện đầu ra của máy phát khi xảy ra sự cố
Nhận xét: Khi có sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải, các sự cố có thể là một pha chạm đất, 2 pha chạm đất, … ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 3 pha… (ở đây ta mô phỏng ngắn mạch 3 pha trên đường dây truyền tải) các sự cố này ảnh hưởng lớn lên mạng điện. Ở đây ta thấy tại giây thứ 3 của mô phỏng, các đồ thị về cơng suất điện, góc pha tương đối, góc pha tuyệt đối, tốc độ, dịng điện đầu ra của máy phát đã bị mất cân bằng và độ nhấp nhô khá cao dẫn đến mất ổn định trong hệ thống điện. Nhiệm vụ đặt ra là nhanh chóng đưa các đồ thị này về trạng thái cân bằng và khơng cịn độ nhấp nhô, giải quyết được vấn đề này là ta đã đưa hệ thống trở về trạng thái ổn định
4.5.2. Cài đặt relay cắt cô lập điểm sự cố:
Ở đồ án này, ta tập trung nâng cao tính ổn định động của mạng điện với sự ổn định nhanh chóng của góc lệch pha tương đối. Vì vậy, các phương pháp nên trên sẽ tập trung giải quyết tính ổn định của góc lệch pha tương đối, từ đó dẫn đến ổn định cơng suất điện, tốc độ, góc lệch tuyệt đối, dịng điện đầu ra máy phát.
79
Hình 4.14 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.2s
Kết quả mô phỏng khi cô lập sự cố tại thời điểm 3.1s
Hình 4.15 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.1s
Kết quả mô phỏng khi cô lập sự cố tại thời điểm 3.05s
Hình 4.16 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.05s
80
Hình 4.17 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.02s
Hình 4.18 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s
Nhận xét: Từ các hình từ 4.17 đến hình 4.21 ta nhận thấy việc cắt cô lập nhanh sự cố trong thời gian ngắn có cải thiện độ nhấp nhơ của đồ thị nhưng vẫn chưa thể đưa mạng điện trở về trạng thái ổn định. Khác với mạng điện nhỏ 9 nút, với những mạng điện lớn có nhiều máy phát, đường dây truyên tải và phụ tải như mạng điện 39 cần phối hợp nhiều phương pháp để tăng hiệu quả ổn định động.
81
4.5.3. Cài đặt thông số cho bộ PSS của máy phát
Hình 4.19 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s và cài đặt thông số cho bộ PSS
4.5.4. Tăng hằng số quán tính H trong máy phát
Với mơ hình mạng điện 39 nút đang xét, hằng số quán tính H(s) mặc định của máy phát ban đầu là H(s) = 10, sau đây ta sẽ mô phỏng với H(s) = 30.
Cài đặt H(s) = 30
Hình 4.20 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 30
82 Cài đặt H(s) = 80
Hình 4.21 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 80
Cài đặt H(s) = 230
Hình 4.22 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 230
Cài đặt H(s) = 500
Hình 4.23 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 500
83
Tăng H(s) = 1000 và đặt thời gian relay tác động ở 3.005 sec
Hình 4.24 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000
Nhận xét: Sau khi cài đặt thông số bộ Governor, bộ PSS, tăng H(s) = 1000 và đặt thời gian tác động của relay tại 3.005 giây thì đồ thị góc lệch pha đã cải thiện rõ rệt và mạng điện đang có xu hướng trở lại trạng thái cân bằng và ổn định. Tuy nhiên để đáp ứng lâu dài và đảm bảo chất lượng điện năng tốt nhất cần có thêm giải pháp để đồ thị góc lệch pha tương đối của các máy phát phẳng (khơng cịn độ nhấp nhơ) hay góc lệch pha trở về trạng thái ổn định.
Hình 4.25 Đồ thị cơng suất điện đầu ra của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000
84
Hình 4.26 Đồ thị tốc độ của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000
Hình 4.27 Đồ thị dòng điện đầu ra của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000
Kết luận: Từ việc khảo sát xử lí sự cố bằng các phương pháp trên, qua đồ thị ta có thể rút ra kết luận. Với mạng điện quy mô nhỏ và đơn giản thì khi xảy ra sự cố chỉ cần cài đặt relay tác động nhanh để cơ lập vị trí sự cố. Tuy nhiên, với mạng điện lớn, phức tạp và cấu tạo từ nhiều thành phần thiết bị thì việc cắt nhanh của relay bảo vệ chưa thể đưa mạng điện trở về trạng thái cân bằng sau khi sự cố. Vì vậy mà cần nghiên cứu đến nhiều phương pháp để mang lại hiệu quả cao hơn trong việc ổn định hệ thống.
Qua các đồ thị trên, ta rút ra kết luận phương pháp tác động nhanh relay bảo vệ phối hợp với việc tăng hằng số quán tinh H(s) mang lại hiệu quả khá tốt. Đặc biệt ở hình 4.27 đến 4.31 ta thấy rõ khi góc lệch pha tương đối của máy phát trở lại vị trí cân bằng
85
khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000 sẽ dẫn đến sự cân bằng trở lại của Công suất điện đầu ra, tốc độ của máy phát và dòng điện đầu ra.
4.6 Trường hợp mạng điện sự cố mất một lượng công suất phát ( công suất phát của máy điện năng lượng tái tạo – Wind Turbine Generator) của máy điện năng lượng tái tạo – Wind Turbine Generator)
Trong thời đại ngày nay, vấn đề bảo vệ mơi trường trở được đặt lên hàng đầu, vì vậy ngày càng nhiều điện được tao ra từ các nguồn năng lượng tái tạo. Năng lượng tái tạo có thể góp phần đảm bảo nguồn cung cấp năng lượng và làm giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch, nó thay thế máy phát điện sử dụng nhiên liệu thông thường. Năng lượng tái tạo cung cấp 19% cơng suất điện trên tồn thế giới, trong đó cơng nghệ điện gió là một trong những cơng nghệ năng lượng tái tạo được phát triển ở những nước có tài nguyên gió dồi dào.
Trong những năm gần đây, công nghệ máy phát gió đã được cải tiến nhiều và được công nhận là thân thiện với mơi trường, quy mơ của các turbine gió và trang trại gió được tăng lên nhanh chóng , một lượng năng lượng gió khá lớn được hịa vào lưới điện. Sự thâm nhập của năng lượng gió vào hệ thống điện có thể gây ra những vấn đề nghiêm trọng do tính chất ngẫu nhiên của gió và đặc điểm của máy phát gió, ở các trang trại gió lớn kết nối với mạng truyền tải có thể gây ra sự cố mất ổn định thống qua. Ví dụ, sự dao động điện áp khi ngắt một số lượng lớn máy phát gió. Mục tiêu của nghiên cứu này là dùng mơ hình turbine gió DFIG được xây dựng trong phầm mềm ETAP để mô phỏng và đánh giá tác động của WTG (Wind Turbine Generator) lên sự ổn định của hệ thống điện bao gồm phản ứng của hệ thống khi có sự cố với sự có mặt của WTG và mức độ can thiệp về công suất phát của WTG đến việc ổn định hệ thống.
Kịch bản được mô phỏng là khảo sát ổn định của hệ thống điện IEEE 39bus có thêm nút phát năng lượng gió WTG trong 20s, tại thời điểm giây thứ 5s vì một số lí do mà hệ thống phát năng lượng gió bị ngắt ra. Ở đây ta sẽ đánh giá mức độ can thiệp của hệ thống máy phát gió đối với mạng điện và khả năng đáp ứng công suất của các máy phát truyền thống còn lại khi mạng điện bị thiếu hụt công suất.
86
4.6.1. Mô phỏng trường hợp lắp đặt hệ thống WTG tại BUS25.
WTG sẽ phát một lượng công suất phụ cho máy phát G8, các trường hợp được khảo sát sau đây:
G8: 240MW WTG: 300MW G8: 340MW WTG: 200MW G8: 440MW WTG: 100MW G8: 475MW WTG: 65MW
Hình 4.28 Đồ thị cơng suất điện đầu ra khi WTG 300 MW và G8 240 MW, với WTG đặt tại Bus 25
Hình 4.29 Đồ thị công suất điện đầu ra khi WTG 200 MW và G8 340 MW, với WTG đặt tại Bus 25
87
Hình 4.31 Đồ thị cơng suất điện đầu ra khi WTG 65 MW và G8 475 MW, với WTG đặt tại Bus 25
Nhận xét: Với đồ thị hình 4.35 ta thấy với với lượng công suất là 65MW thì hệ thống điện có khả năng ổn định được khi WTG bi ngắt ra, ta thấy máy phát G1 là nơi chịu tác động nhiều nhất trong mạng điện, vì vậy sau đây ta sẽ tăng hằng số quán tính của máy phát G1 từ 230 lên 1000 để khảo sát sự tự phục hồi sau sự cố của máy phát này trong mạng điện.
Hình 4.32 Đồ thị cơng suất điện đầu ra khi WTG 65 MW và G8 475 MW, với WTG đặt tại Bus 25, hằng số quán tính G1 tăng lên 1000
Hình 4.33 Đồ thị cơng suất điện đầu ra khi WTG 65 MW và G8 475 MW, với WTG đặt tại Bus 25, hằng số quán tính G1 tăng lên 1000 và G8 lên 500
88
• Nhận xét:
Khi tăng hằng số qn tính của máy phát số 1 lên 1000 (hình 4.36) ta thấy đồ thị công suất tác dụng của máy phát G1 đã bắt đầu trạng thái ổn định và khi tăng thêm hằng số quán tính ở máy phát G8 lên 500 thì đồ thị cơng suất điện của các máy phát còn lại cũng đã bắt đầu về trạng thái ổn định.
• Kết luận:
Năng lượng tái tạo là một dạng năng lượng sạch, không tốn tài nguyên và đầy tiềm năng. Nhưng để sử dụng dạng năng lượng này trên quy mô lớn và lâu dài thì cịn nhiều khuyết điểm cần khắc phục. Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng gió nói riêng phụ thuộc khá nhiều và thời tiết nên để đảm bảo tính liên tục của dạng năng lượng này trong mạng điện là điều rất cần thiết. Như các trường hợp mô phỏng ở trên ta đã thực hiện thì khi các Turbine gió này bị ngắt quảng trong q trình sản xuất năng lượng điện cung cấp cho hệ thống thì ổn định hệ thống trong mạng điện chịu tác động không nhỏ, lúc này các máy phát còn lại phải phát lượng cơng suất lớn hơn bình thường và tăng một cách đột ngột để cung cấp cơng suất cho hệ thống, vì vậy dẫn đến năng lượng từ WTG chỉ thay thế