Trong Hình. 3.4, một trường hợp khơng ổn định được đề cập. Máy phát điện 3 mất đồng bộ với 1 và 2 sau khoảng 0,5s từ lúc giải quyết sự cố.
Hình 3.4. Trường hợp mất ổn định
Trong các nghiên cứu độ ổn định quá độ, khoảng thời gian xét chung là 3-5s sau sự cố. Nó có thể được mở rộng đến 10 hoặc 20 giây cho hệ thống rất lớn chi phối giữa các khu vực dao động. Trong trường hợp này, ảnh hưởng của hệ thống điều khiển từng máy phát phải được xem xét. Bởi vì, chúng có thể thay đổi đặc tính động của bản thân từng máy phát.
Trong thực tế, phương pháp phổ biến nhất để phân tích ổn định quá độ của hệ thống điện là các bộ phương trình vi phân đại số khác nhau đại diện cho các yếu tố động của hệ thống, theo đó phân tích với sự giúp đỡ của các cơng cụ máy tính.
3.2.1.1 Ổn định quá độ
Ổn định quá độ đề cập đến những nhiễu lớn trong hệ thống. Hệ thống có thể bị thách thức "khả năng của hệ thống và các thành phần phát của nó vẫn ở trạng thái đồng bộ sau một sự xáo trộn lớn (nghiêm trọng) và đột ngột". Các sự cố trong hệ thống truyền tải như sự thay đổi đột ngột tải với số lượng lớn, sự mất mát của các đơn vị vận hành, chuyển mạch đường dây là những ví dụ về những nhiễu lớn. Nhìn chung, sự cân bằng vận hành sau nhiễu khác với điểm cân bằng trước nhiễu trong hầu hết các trường hợp nhiễu. Vì các nhiễu nghiêm trọng liên quan đến độ lệch lớn
ở góc quay, mơ hình động lực học phi tuyến của hệ thống được xem xét cho các nghiên cứu ổn định quá độ.
3.2.1.2 Ổn định tín hiệu nhỏ
Sự ổn định tín hiệu nhỏ đề cập đến "khả năng của hệ thống để duy trì tính đồng bộ dưới những nhiễu nhỏ và đột ngột". Những nhiễu như thế xảy ra liên tục trong hệ thống do sự biến động nhỏ trong tải và cơng suất phát. Sự mất ổn định tín hiệu nhỏ có thể là do momen xoắn đồng bộ khơng đồng đều làm tăng góc rotor hoặc do mơ men xoắn khơng đảm bảo trong lúc góc rotor bị dao động trong hệ thống. Sự ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điểm hoạt động ban đầu, khả năng của hệ thống truyền tải, kích từ máy phát và các vấn đề điều khiển khác trong hệ thống. Vì các nhiễu nhỏ, mơ hình động tuyến tính của hệ thống có thể được sử dụng để phân tích. Sự ổn định tín hiệu nhỏ có thể được chia thành các loại sau:
Chế độ một máy hoặc chế độ hệ thống nhiều máy, do sự dao động của một
đơn vị nhà máy phát điện với phần còn lại của hệ thống. Tần số dao động có thể dao động từ 0.7 đến 2 Hz.
Chế độ tương tác, do dao động của một nhóm các liên kết thành phần phát
với các nhóm khác của của các đơn vị trong liên kết. Nhìn chung, các nhóm này được kết nối với đường dây yếu. Tần số dao động có thể dao động từ 0.1 đến 0.7 Hz.
Chế độ điều khiển, do bộ điều khiển không được điều chỉnh trong hệ thống
như bộ kích từ, bộ điều chỉnh tốc độ, bộ chuyển đổi HVDC, SVC, v.v ...
Chế độ momen xoắn, do sự tương tác của dao động cơ học của hệ thống trục
tuabin máy phát điện với các dao động trong mạch điện, liên quan đến các điều khiển khác nhau và các thành phần bù nối tiếp trên đường dây.
3.2.2 Ổn định điện áp
Sự ổn định điện áp cịn được gọi là tính ổn định tải là "khả năng của hệ thống để duy trì điện áp bus tải trong giới hạn chấp nhận được, sau một số xáo trộn hoặc thay đổi nhu cầu điện năng".
Sự ổn định điện áp với nhiễu lớn, đó là khả năng lấy lại điện áp ở tất cả các bus trong phạm vi mức độ ổn định có thể chấp nhận được, khi bị nhiễu lớn. Khảo sát từ vài giây đến hàng chục phút, địi hỏi sự mơ phỏng động học phi tuyến tính các đặc tính tải và các điều khiển khác nhau bao gồm tải thay đổi động và giới hạn dòng của các máy phát.
Sự ổn định điện áp với nhiễu nhỏ xem xét các nhiễu nhỏ như thay đổi gia
tăng tải. Phân tích tĩnh được sử dụng để xác định điều kiện không ổn định điện áp, các yếu tố về hệ số và biên độ ổn định.
Một phân loại thay thế của nghiên cứu độ ổn định quá độ hệ thống điện dựa trên khung thời gian được xem xét và thời gian đáp ứng của hiện tượng có liên quan. Được chia thành ba loại:
Ngắn hạn cho khoảng thời gian từ 0 đến 10 giây
Trung bình từ 10 giây đến vài phút
Dài hạn trong vài phút đến hàng chục phút.
Các mơ hình chi tiết của các thành phần hệ thống điện khác nhau phụ thuộc vào khung thời gian của hiện tượng đang được nghiên cứu. Ví dụ, quá độ của hệ thống bị bỏ qua trong nghiên cứu ổn định trung bình và dài hạn. Đáp ứng động chậm như nồi hơi và tải thay đổi động phải được xem xét trong nghiên cứu độ ổn định dài hạn.
3.3 Các giả định trong phân tích ổn định quá độ
Kỹ thuật cổ điển liên quan đến những giả định chính sau đây:
Đầu vào cơ học máy phát vẫn không đổi (tức là bỏ qua hệ thống điều khiển
tốc độ).
Máy giảm chấn và hoạt động AVR được bỏ qua. Máy phát đồng bộ được
mô phỏng dưới dạng nguồn điện áp không đổi sau điện kháng quá độ.
Bỏ qua kết nối q độ. Do đó mơ hình tĩnh của mạng có thể được sử dụng.
Tải được biểu diễn dưới dạng hằng số loại trở kháng / điện dẫn.
Ngoài ra, các điện trở đường dây và độ thơng thống của máy đồng bộ cũng có thể bị bỏ qua, cho kết quả bảo tồn. Các phương trình mạng điện tĩnh và động của máy phát có thể được xây dựng như phần dưới đây.
3.3.1 Phương trình cơng suất góc của 2 máy trong hệ thống
Xem xét hệ thống như hình 3.2:
Hình 3.2: Hệ thống 2 máy
Hệ thống bao gồm một máy phát điện cung cấp cho một động cơ thông qua một đường dây truyền tải.
Để vẽ sơ đồ phản ứng, chúng ta biết rằng bất kỳ máy điện đồng bộ nào cũng được đại diện bởi một nguồn điện áp không đổi mắc nối tiếp với điện kháng X. Tùy thuộc vào điều kiện nghiên cứu, điện kháng có thể là điện kháng cận quá độ 𝑋𝑑", điện kháng quá độ 𝑋𝑑′ hoặc điện kháng đồng bộ trạng thái ổn định 𝑋𝑑 . Do đó sơ đồ một đường ở trên có thể được vẽ bằng biểu đồ điện kháng như trong hình 3.3.
Hình 3.3 Sơ đồ điện kháng
Trong hình 3.4 máy phát được đại diện bởi EG và và điện kháng là XG, Motor
được đại diện bởi EM và điện kháng là XM, đường dây truyền tải với điện kháng XL. Điện kháng tổng:
𝑋 = 𝑋𝐺 +𝑋𝐿 +𝑋𝑀 (3.1)
Các điện áp bên trong EG và EM được tạo ra bởi từ thơng của máy điện, do đó sự khác biệt pha của chúng cũng giống như góc điện giữa các rotor máy.
Ví dụ hình 3.4:
Hình 3.4: Biểu đồ vector
Từ biểu đồ vector,
𝐸𝐺 = 𝐸𝑀 + jX 𝐼̅ (3.2)
Phương trình dịng điện:
𝐼̅ =𝐸𝐺𝑗 𝑋−𝐸𝑀 (3.3)
Vì điện trở của máy và đường dây truyền tải bị bỏ qua, công suất ngõ ra của máy phát cũng là công suất đầu vào cho động cơ và được cho bởi:
P = Real part of ( 𝐸̅̅̅̅𝐺∗x 𝐼 ) = Re [ 𝐸̅̅̅̅−𝐸𝐺 ̅̅̅̅𝑀 𝑗𝑋 ] (3.4) Khi thay thế: P= Re [𝐸𝐺⎳𝛿−𝐸𝑀⎳0 𝑋⎳900 ]=Re[𝐸𝐺2 𝑋 ⎳900−𝐸𝐺𝐸𝑀𝑋 ⎳900− 𝛿] (3.5) Công suất P được cho bởi:
P = − 𝐸𝐺𝐸𝑀
𝑋 Cos(−900 –δ) = − 𝐸𝐺𝐸𝑀
𝑋 Cos(900 +δ) P = 𝐸𝐺𝐸𝑀
𝑋 . Sinδ (5.6)
Phương trình trên chỉ ra rằng cơng suất truyền từ máy phát điện đến động cơ thay đổi với sin trong góc nghiêng δ giữa hai rotor. Do đó phương trình này được gọi là phương trình cơng suất góc và nếu đường cong δ đối với P được vẽ, nó được gọi là đường cong góc cơng suất như thể hiện trong hình 3.5: