Theo phân loại hiện nay, các cơ chế mất ổn định HTĐ có thể chia thành 3 loại: ổn định tần số, ổn định góc lệch và mất ổn định điện áp [7], [8]. Theo định nghĩa hiện tại của IEEE việc phân loại được dựa trên cơ chế gây ra hiện tượng mất ổn định. Dựa trên các cơ chế gây mất ổn định, các quá trình ổn định có thể được phân loại như Hình 1-1 dưới đây. Ổn định Hệ thống điện Ổn định góc pha Ổn định tần số Ổn định điện áp Ổn định Dao động nhỏ Ổn định quá độ Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn Tác động lớn Tác động nhỏ Dài hạn Ngắn hạn
Hình 2-1 Phân loại các dạng ổn định trong HTĐ.
Quá trình mất ổn định tần số xuất phát từ sự chênh lệch lớn giữa công suất tác dụng yêu cầu của phụ tải và công suất đáp ứng của nguồn điện tron.g hệ thống. Q trình này có thể xảy ra khi hệ thống bị sự cố một tổ máy phát công suất lớn hay một đường dây truyền tải quan trọng dẫn đến giảm khả năng truyền tải trong trường hợp hệ thống đang vận hành ở chế độ nặng nề. Trên thực tế, quá trình này cần được giải quyết từ khâu lập kế hoạch vận hành cho các nhà máy, tính tốn lượng cơng suất dự phịng quay cho hệ thống, trên cơ sở đảm bảo an ninh vận hành hệ thống điện.
Q trình mất ổn định góc lệch xuất phát từ các sự cố ngắn mạch lớn trong HTĐ, gây ra dao động công suất tại các máy phát, dẫn đến máy phát bị mất đồng bộ.
Quá trình mất ổn định điện áp là hướng nghiên cứu đang nhận được nhiều sự quan tâm. Một mặt, việc đánh giá ổn định điện áp có thể được thực hiện thơng qua phân tích chế độ xác lập và do đó ổn định điện áp được đánh giá nhanh, phù hợp với cơng nghệ máy tính và cơ sở hạ tầng thông tin trong HTĐ ở thời điểm hiện tại. Mặt khác, mất ổn định điện áp là cơ chế chủ yếu gây ra sự cố rã lưới trong thực tế. Trong nhiều trường hợp, mất ổn định điện áp cịn là ngun nhân kéo theo các q trình mất ổn định tần số và ổn định góc lệch.
2.2. Mơ hình tốn học của bài tốn nghiên cứu quá trình mất ổn định trong dài hạn
2.2.1. Mơ hình tốn học
Nhìn chung, các sự cố diện rộng và sự cố rã lưới trên thế giới cũng như tại Việt Nam đều liên quan đến các quá trình mất ổn định dài hạn, đặc biệt liên quan đến quá trình ổn định điện áp. Thang thời gian của các sự cố sụp đổ điện áp thường kéo dài từ vài chục phút đến vài giờ. Vì vậy, trong các nghiên cứu về ổn định dài hạn, có thể sử dụng mơ hình tĩnh (dựa trên phương trình chế độ xác lập). Về cơ bản, nếu bài tốn chế độ xác lập khơng có lời giải, hệ thống sẽ bị mất ổn định dài hạn. Quá trình mất ổn định trên thực tế diễn ra sẽ phụ thuộc nhiều yếu tố khác như đặc tính của phụ tải, sự can thiệp của người vận hành, và cả hệ thống rơ le bảo vệ.
Bên cạnh mơ hình tĩnh, nhiều nghiên cứu cũng sử dụng mơ hình động học đơn giản hóa để đánh giá ổn định dài hạn. Mơ hình động học của hệ thống điện trong dài hạn có thể được mơ tả như sau [9]1:
{𝑥̇ = 𝑓(𝑥, 𝑦)
𝜀𝑦̇ = 𝑔(𝑥, 𝑦) (2.1) Trong hệ phương trình trên, x là các biến trạng thái chậm, y là các biến trạng thái nhanh, và 𝜀 là hệ số có giá trị rất nhỏ. Cách tiếp cận trong nghiên cứu các bài toán động học trung và dài hạn của hệ thống điện là coi 𝜀 =0. Khi đó, q trình động học nhanh (biến y) được bỏ qua. Do vậy ta có hệ phương trình gần đúng như sau:
{𝑥̇ = 𝑓(𝑥, 𝑦)
0 = 𝑔(𝑥, 𝑦) (2.2)
1 Trong báo cáo này, phân tích ổn định tĩnh được định nghĩa là các phân tích sử dụng hệ phương trình chế độ xác lập của hệ thống điện. Phân tích ổn định động được định nghĩa là các phân tích sử dụng cả phương trình chế độ xác lập và hệ phương trình vi phân mơ tả động học của máy phát, phụ tải và các thiết bị điều
Hệ phương trình (2.2) được gọi là hệ phương trình hai thang thời gian (two time scale). Trong nhiều tài liệu, hệ (2.2) được nhắc đến như hệ phương trình vi phân đại số (DAE –
Differential Algebraic Equations). Trong việc nghiên cứu ổn định dài hạn của hệ thống điện, có hai cách tiếp cận chính là phân tích ổn định tĩnh (static approach) và phân tích ổn định động (dynamic approach). Lưu ý rằng cách định nghĩa khái niệm “tĩnh” và “động” trong báo cáo này là dựa trên quan điểm hiện nay của IEEE [7], [10]. Quan điểm này có khác biệt so với cách định nghĩa ổn định tĩnh và ổn định động thường dùng ở Việt Nam.
Hiện tượng mất ổn định phi chu kỳ, với kích động nhỏ được coi là điểm khởi đầu của các sự cố sụp đổ điện áp [5], [11]. Nếu xem xét hệ phương trình đầy đủ mơ tả động học của hệ thống điện (2.2), cách tiếp cận chính xác nhất sẽ là tuyến tính hóa hệ này quanh điểm làm việc cân bằng. Tuy nhiên cách tiếp cận này đòi hỏi đầy đủ các tham số động học của máy phát và hệ thống điều khiển. Trong quá trình vận hành hệ thống điện, việc tái tạo lại mơ hình (2.2) cũng khơng có tính thực tế cao, do bậc của mơ hình rất cao, và do nhiễu của hệ thống đo lường2.
Do quá trình mất ổn định dài hạn thường diễn ra chậm, các phương trình vi phân trong (2.2) có thể được đơn giản hóa hơn so với hệ phương trình vi phân thường dùng mơ tả q trình động học của máy phát (bậc 6 nếu sử dụng mơ hình đầy đủ [8], [12]). Trong nhiều trường hợp, mơ hình gần tĩnh (Quasi Steady State)[13] được sử dụng để nghiên cứu quá trình ổn định dài hạn. Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng cũng hỗ trợ mơ hình mơ phỏng QSS nhằm tăng tốc độ tính tốn.
2.2.2. Q trình mất ổn định
Có nhiều cơ chế khác nhau để hệ thống (2.2) trở nên mất ổn định. Cơ chế mất ổn định nói chung của các hệ thống điện là một đề tài rất rộng, đã được đề cập trong nhiều sách giáo khoa và cơng trình nghiên cứu. Trong khn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu chỉ tập trung vào các dạng mất ổn định liên quan đến các sự cố diện rộng trong hệ thống lớn, xuất phát từ sụp đổ điện áp. Theo quan điểm hiện tại của tổ chức Power and Energy - IEEE, sự cố diện rộng liên quan đến sụp đổ điện áp được bắt nguồn từ một sự kiện mất
điều khiển (loss of control - [5]). Sự mất điều khiển điện áp tại một khu vực cục bộ trong
hệ thống điện dẫn đến điện áp của nút hoặc của cả khu vực thấp dần, dẫn đến trào lưu công suất phản kháng tăng cao trên các đường dây liên lạc đến khu vực bị thấp áp. Mơ hình tốn học chính xác mơ tả hiện tượng mất điều khiển ban đầu sẽ được trình bày kỹ hơn trong Chương 6. Theo một cách mô tả ngắn gọn, sự kiện mất điều khiển của hệ phương trình (2.2) bắt nguồn từ việc một nghiệm riêng của hệ tuyến tính hóa quanh điểm làm việc cân bằng của (2.2) có phần thực dương. Theo lý thuyết điều khiển tuyến tính: khi hệ thống có nghiệm nằm bên phải mặt phẳng tọa độ, có hai khả năng mất ổn
2 Trên thực tế, mơ hình HTĐ trong một giải tần số hẹp có thể được nhận dạng với độ chính xác nhất định. Đây là cơ sở cho các phương pháp nhận dạng online phát hiện dao động công suất trong HTĐ.
định xảy ra: Mất ổn định chu kỳ nếu nghiệm riêng là nghiệm phức, và mất ổn định phi chu kỳ nếu nghiệm riêng là nghiệm thực (dương). Quá trình sụp đổ điện áp nói chung liên quan đến trường hợp thứ hai. Mặc dù có thể xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống tại thời điểm mất điều khiển như nói trên, mơ hình nghiên cứu là rất phức tạp và địi hỏi nhiều thơng số thiết bị. Vì vậy, trong rất nhiều trường hợp, cách tiếp cận tĩnh (static), trong đó chỉ xét đến khả năng có nghiệm của hệ phương trình đại số cũng cho phép đánh giá được tương đối chính xác mức độ ổn định của hệ (2.2).
Khi điện áp giảm xuống quá thấp, sẽ dẫn đến sự làm việc của các rơ le bảo vệ, đặc biệt là các rơ le bảo vệ dựa trên nguyên lý tổng trở. Mặt khác, điện áp giảm thấp làm giảm khả năng tải của các nhà máy điện lên lưới và có thể gây ra hiện tượng mất đồng bộ. Trình tự cụ thể của các sự kiện nêu trên phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: đặc tính phụ tải, thời gian diễn ra q trình sụp đổ điện áp, thơng số cài đặt cho hệ thống rơ le ... Do vậy, việc nghiên cứu và mơ phỏng q trình sụp đổ điện áp và rã lưới thực chất có độ phức tạp rất cao, do phải xét đến số lượng lớn các thiết bị điều chỉnh điều khiển, thiết bị bảo vệ trên lưới.
2.3. Một số sự cố gây mất ổn định điển hình trên thế giới và Việt Nam
Đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả rất to lớn về kinh tế - xã hội. Dưới đây là một số tóm tắt các sự cố điển hình trong thời gian gần đây:
2.3.1. Sự cố tại Pháp ngày 19/12/1978
HTĐ Pháp đang nhập khẩu điện năng từ các nước trong liên minh Châu Âu bên cạnh. Phụ tải tăng lên khoảng hơn 4000MW từ 7h00 đến 8h00 sáng. So với ngày hơm trước thì nhu cầu phụ tải tăng thêm là 1600MW. Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8h05 – 8h10, các nhân viên vận hành đã khóa các bộ tự động điều áp của các MBA trên lưới điện cao áp. Từ 8h20 thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải 400kV đã xuống 342 – 374kV. Trong khi đó một số đường dây đã bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, khoảng cách vùng 3, điều này càng làm cho điện áp giảm thấp thêm nữa và xảy ra sụp đổ điện áp sau đó. Hậu quả là 29GW tải đã bị cắt với tổng điện năng khơng cung cấp được ước tính khoảng 100GWh.
2.3.2. Sự cố tại Italia ngày 28/9/2003
Sự cố này đã gây rã lưới trên toàn bộ lãnh thổ nước Italya, ngừng cung cấp 180GWh trong vịng 24h. HTĐ của tồn bộ các quốc gia châu Âu được kết nối bằng đường dây tải điện xoay chiều. Hệ thống chung này được điều hành bởi ủy ban điều phối lưới truyền tải châu Âu. Hệ thống lưới điện của mỗi quốc gia được điều hành bởi một đơn vị quản lý. Trước thời điểm xảy ra sự cố, giá điện của các nhà máy tịa Italy cao hơn giá chung của châu Âu, làm tăng mạnh trào lưu công suất từ lưới điện châu Âu đẩy sang Italy thông qua các kết nối với Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia. Hệ thống các đường dây liên kết với
Italy gồm 6 đường dây 400kV và 9 đường dây 230kV. Bên cạnh đó, Italy và Hy Lạp được kết nối qua cáp một chiều với công suất truyền tải tối đa khoảng 500MW.
Vào thời điểm 3h00 sáng ngày 28/9/2003, tổng phụ tải của Italy là 27,4GW, bao gồm 3400MW thủy điện tích năng. Các nhà máy từ phía Italya cấp khoảng 20,3GW. Các đường dây liên kết truyền tải khoảng 6800MW và 300MW qua Hy Lạp. Phụ tải của Italy vào ngày này lớn hơn dự báo khoảng 800MW, dẫn đến lượng điện nhập khẩu tăng 500MW so với kế hoạch. Do sự cố phóng điện vào cây, mạch đường dây 400kV Mettlen – Lavorgo bị cắt lúc 3h00.
Việc thực hiện đóng lại đường dây đã khơng thành cơng do sự lệch góc pha điện áp giữa 2 phía là quá lớn. Đường dây này bị cắt ra đã dẫn đến quá tải các đường dây đi từ Thụy Sĩ. Đơn vị vận hành lưới điện Thụy sỹ đã cố gắng khôi phục trào lưu công suất trên đường dây liên lạc sang Italy. Mặc dù vậy các tác động trên lưới không làm giảm quá tải các đường dây liên kết này. Tình trạng quá tải làm đường dây võng xuống và gây phóng điện tại thời điểm 3h25, dẫn đến cắt điện thêm 1 đường dây.
Việc cắt điện đường dây đã dẫn đến cắt điện lan truyền một số đường dây liên lạc phía Bắc Italy. Đến thời điểm này, do liên kết trở nên yếu, điện áp sụt giảm mạnh, kết hợp với hiện tượng dao động công suất, đã dẫn đến cắt điện hàng loạt đường dây liên lạc. Cuối cùng, HTĐ Italy đã bị tách hoàn toàn khỏi lưới điện châu Âu, dẫn đến thiếu hụt một lượng công suất 6800MW. Tần số lưới điện sụt giảm mạnh. Hệ thống sa thải phụ tải theo tần số thấp hoạt động. Tuy nhiên, đồng thời hệ thống sa thải của một số tổ máy nhiệt điện đã hoạt động khơng chính xác và đã dẫn đến một số nhà máy nhiệt điện bị tách lưới và gây nên hiện tượng sụp đổ tần số [14].
2.3.3. Sự cố tại Tokyo – Nhật Bản ngày 23/7/1987
Ngày 23/7/1987, sự cố rã lưới diện rộng đã xảy ra trên HTĐ thành phố Tokyo, Nhật Bản. Sự cố đã làm cắt điện 8GW phụ tải. Trong ngày này, nhiệt độ của Tokyo được ghi nhận ở mức cao (360C). Dự báo phụ tải ban đầu là 38,5GW, tuy nhiên trên thực tế đã tăng lên đến 40GW. Đây là mức phụ tải kỷ lục ở thời điểm hiện tại lúc đó. Tuy nhiên, hệ thống vẫn đảm bảo được chế độ vận hành an toàn trong buổi sáng.
Vào thời điểm nghỉ trưa, phụ tải giảm từ 39GW xuống 36,5GW. Với mức giảm phụ tải lớn, nhiều tụ bù ngang đã được tách ra khỏi lưới nhằm giảm điện áp tăng cao. Sau đó, do phụ tải tăng cao trở lại nhanh hơn dự kiến đã khiến điện áp sụt giảm mạnh. Tại thời điểm 13h19, khi điện áp trên lưới 500kV giảm xuống thấp đến dưới 400kV, hai đường dây 500kV bị tách ra do rơ le khoảng cách tác động. Việc cắt điện các đường dây này làm điện áp hệ thống càng suy giảm. Các tác động lan tràn của bảo vệ quá kích thích, bảo vệ mất đồng bộ các tổ máy, bảo vệ khoảng cách đường dây gây ra sụp đổ điện áp [15].
2.3.4. Sự cố tách lưới châu Âu ngày 4/11/2006
Sự kiện này xảy ra ngày 4/11/2006 trên lưới điện châu Âu (UTCE). Do dự báo mức phụ tải thấp, nhiều đường dây 220kV và 380kV được lập kế hoạch tách ra để bảo dưỡng sửa chữa. Vào thời điểm 21h40 ngày 4/11/2006, hai đường dây 380kV được thao tác tách ra (theo yêu cầu của một công ty vận tải thủy trên sơng Ems, nhằm đảm bảo an tồn cho một chuyến tàu lớn đi qua con sông này). Thao tác tách đường dây được thỏa thuận là lúc 00h00 ngày 05/11 tuy nhiên đơn vị điều độ đã đẩy lên sớm hơn mà không báo trước cho đơn vị quản lý lưới xung quanh. Sau khi đường dây này tách ra đã làm quá tải trên một đường dây liên kết, kết quả là đường dây này cũng bị cắt ra. Sau đó, hàng loạt đường dây khác bị cắt ra theo dây chuyền, dẫn đến lưới điện châu Âu bị tách thành 3 khu vực.
Tần số ghi nhận được trong sự kiện này cho phép xác định được chính xác thời điểm xảy ra tách lưới. Sau khi tách lưới, hệ thống điều khiển và bảo vệ của mỗi khu vực đã tác động kịp thời, do vậy rã lưới hồn tồn đã khơng xảy ra. Tuy vậy khoàng 17GW tải ở khu vực phía Tây đã bị sa thải. Khu vực Đông Bắc xảy ra dư thừa công suất, biến động tần số xảy ra sau đó được gây ra bởi các trang trại điện gió, tự động cắt ra khi tần số tăng trên 51,4Hz, rồi tự đóng lại khi tần số trở về giá trị bình thường [16].
2.3.5. Sự cố diện rộng trên lưới điện Việt Nam ngày 22 tháng 5 năm 2013
Sự cố tại Việt Nam ngày 22/05/2013: Lúc 14h15, xảy ra sự cố đường dây 500kV Di Linh – Tân Định (do cây vi phạm khoảng cách an toàn đường dây) gây tách lưới 2 miền và mất điện các tỉnh phía Nam. Lúc 15h40, EVN đã khôi phục liên kết Bắc – Nam 500kV. Lúc