CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 Các chế độ làm việc của hệ thống điện
1.1.1 Hệ thống điện
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.
Các phần tử của hệ thống điện bao gồm: nhà máy điện, trạm biến áp, đường dây truyền tải điện, các thiết bị điều chỉnh, điều khiển, bảo vệ, đo lường, các hộ tiêu thụ…
Mỗi phần tử của hệ thống lại được đặc trưng bởi các thông số như tổng trở, tổng dẫn, hệ số biến đổi… Các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Các thông số này được gọi là các thông số của hệ thống điện.
Nhiều thông số của hệ thống điện là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số… như là X, Y, độ từ hóa…
1.1.2 Chế độ của hệ thống điện
Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đo gọi là chế độ của hệ thống điện.
Các quá trình nói trên đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ… tại mọi điểm của hệ thống điện. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi hệ thống điện làm việc.
- Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số hệ thống điện, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến.
Ta có các chế độ làm việc của hệ thống điện:
- Chế độ xác lập
Chế độ xác lập là chế độ mà các thông số của nó không thay đổi hoặc dao động rất bé xung quanh một giá trị nào đó của hệ thống điện.
Có ba loại chế độ xác lập là:
- Chế độ xác lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện.
- Chế độ xác lập sau sự cố là sau khi đã loại trừ sự cố.
- Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ.
Các yêu cầu của chế độ này là:
- Đảm bảo chất lượng điện năng: tức là đảm bảo các các tiêu chuẩn về tần số, điện áp…
- Đảm bảo độ tin cậy: tức là các hộ phụ tải phải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo.
- Đảm bảo về hiệu quả kinh tế: tức là các chi phí về sản xuất, truyền tải và phân phối và nhỏ nhất.
- Đối với chế độ xác lập sau sự cố còn cần phải có các biện pháp điều khiển, phương thức vận hành để đưa hệ thống điện về chế độ làm việc bình thường ban đầu.
- Chế độ quá độ
Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số biến đổi rất nhanh, và thường được mô tả bằng hệ phương trình vi phân.
Có hai loại chế độ quá độ là:
- Chế độ quá độ sự cố: như ngắn mạch, mất máy phát điện…
- Chế độ quá độ thao tác trong vận hành.
Các yêu cầu của chế độ này là:
- Nhanh chóng loại trừ sự cố.
- Trong thời gian quá độ, các thông số của hệ thống thay đổi trong giới hạn cho phép (của chế độ sự cố).
1.1.3 Điều kiện tồn tại chế độ xác lập. Định nghĩa ổn định của hệ thống điện - Điều kiện tồn tại chế độ xác lập
Điều kiện để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với công suất tổn thất trong các phần tử của hệ thống điện.
PF = Ppt + ΔP = P QF = Qpt + ΔQ = Q
Giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng lại có mối liên hệ với nhau:
S2 = P2 + Q2
cho nên ta thấy các điều kiện cân bằng công suất không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đên mối quan hệ giữa chúng.
Tuy nhiên trên thực tế, ta có thể coi sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng tuân theo nhưng quy luật riêng:
- Sự cân bằng công suất tác dụng có tính chất toàn hệ thống. Sự biến đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng của nó tới điện áp là không đáng kể. Như vậy, tần số có thể xem là chỉ tiêu đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng. Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ hoặc nằm trong một giới hạn cho phép:
fcpmin ≤ f ≤ fcpmax
- Sự cân bằng công suất phản kháng có tính chất cục bộ. Sự biến đổi công suất phản kháng chủ yếu ảnh hưởng tới điện áp của hệ thống điện nên ta cũng coi điện áp là chỉ tiêu đánh giá sự cân bằng công suất phản kháng. Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp các nút của hệ thống điện nằm trong giới hạn cho phép:
Ucpmin ≤ U ≤ Ucpmax
- Định nghĩa ổn định của hệ thống điện
Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.
Vì hệ thống điện luôn bị ảnh hưởng bởi các kích động từ bên ngoài. Các thông số của hệ thống luôn luôn thay đổi.
Các kích động trong hệ thống điện gồm hai loại: kích động lớn và kích động nhỏ.
- Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, do sự đóng cắt các phụ tải và sự làm việc không tốt của các thiết bị điều chỉnh… Các kích động này phá hoại sự ổn định ban đầu của hệ thống điện. Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Vậy ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế.
- Ổn định động
Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn có những kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng công suất, phá hoại tính ổn định của hệ thống. Những kích động đó như là ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, mất máy phát điện… Do có sự biến đổi đột ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, làm cho cân bằng công suất cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà chế độ xác lập không bị phá hủy được gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.
Vậy ổn định động là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu, hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn.
Phương trình mô tả hệ thống điện là hệ phương trình vi phân phi tuyến.
- Ổn định tổng quát
Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu HTĐ có ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng công suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, chế độ làm việc được giữ vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không thay đổi. Vì vậy đặc trưng quá trình dao động rôto của MF khi chưa mất ổn định là tốc độ góc của chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ:
ω = ω0
với ω0 = 2πf = 314 rad/s, chế độ vẫn là chế độ đồng bộ.
Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá huỷ, tốc độ góc của roto bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt s.
0 0
s
trong đó:
ω – là tốc độ góc tức thời của các máy phát.
ω0 – là tốc độ đồng bộ.
Khi đó HTĐ rơi vào chế độ không đồng bộ, công suất và các thông số khác của chế độ dao động rất mạnh với biên độ lớn. Chế độ không đồng bộ kéo dài sẽ dẫn đến:
- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các MPĐ bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc.
- Chế độ đồng bộ lại được khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát.
Vậy ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động.
1.2 Mục tiêu và phương pháp khảo sát ổn định động