CHƯƠNG 2 CÁC CHẾ ĐỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ QUY ĐỊNH CỦA VIỆT NAM VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI ĐIỆN 500KV
2.2. Bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện
Giới thiệu về bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện
Phân bố công suất là bài toán quan trọng trong quy hoạch, thiết kế phát triển hệ thống trong tương lai cũng như trong việc xác định chế độ vận hành tốt nhất của hệ thống hiện hữu. Thông tin chính có được từ khảo sát phân bố công suất là trị số điện áp và góc pha tại các thanh cái, dòng công suất tác dụng và phản kháng trên các nhánh. Tuy vậy, nhiều thông tin phụ thêm cũng được tính toán bằng chương trình máy tính.
Định nghĩa bài toán phân bố công suất
Khảo sát phân bố công suất thường áp dụng cho hệ thống ba pha cân bằng, dựa trên sơ đồ tương đương một pha của hệ thống điện và tính toán trên đơn vị có tên hoặc đơn vị tương đối.
Trước đây việc phân bố công suất được khảo sát bằng bàn tính điện xoay chiều mô hình hóa một hệ thống điện. Ngày nay nhờ vào máy tính điện tử, vấn đề phân bố công suất được thực hiện nhanh chóng và chính xác.
Khảo sát phân bố công suất đòi hỏi các dữ kiện thông tin chi tiết hơn việc khảo sát ngắn mạch chẳng hạn như tổng trở đường dây và máy biến áp, đầu phân áp của máy biến áp, điện dung đường dây, số liệu công suất nguồn và phụ tải.
Cơ sở lý thuyết của bài toán phân bố công suất dựa trên hai định luật Kirchoff về dòng điện điểm nút và điện thế mạch vòng.
Các phương trình Kirchoff không còn tuyến tính như trong bài giải tích mạch thông thường nữa mà là phương trình phi tuyến, số liệu ban đầu cho trước đối với hệ thống điện có khác so với một bài giải tích mạch điện thông thường.
Đối tượng của khảo sát phân bố công suất là xác định giá trị điện áp và góc pha ở các điểm nút, dòng công suất trên các nhánh và tổn thất công suất trong mạng điện.
Mục đích của phân bố công suất thay đổi trong phạm vi rộng trong đó nhằm phục vụ cho thiết kế và vận hành hệ thống điện, khảo sát hệ thống ở chế độ trước và sau sự cố, điều chỉnh điện áp và công suất, vận hành kinh tế hệ thống điện…
Phân biệt các loại điểm nút trong hệ thống điện Thường có ba loại nút hay thanh cái
- Thanh cái cân bằng: là thanh cái máy phát điện đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải. Nhờ vào bộ điều tốc nhạy cảm, máy phát điện cân bằng có khả năng tăng tải hoặc giảm tải kịp thời theo yêu cầu của toàn hệ thống.
Đối với thanh cái cân bằng, cho trước giá trị điện áp U và góc pha δ0 chọn làm chuẩn (thường cho δ0 = 0).
- Thanh cái máy phát: đối với các máy phát điện khác ngoài máy phát cân bằng, cho biết trước công suất thực P mà máy phát ra (định trước vì lý do năng suất của nhà máy) và điện áp U ở thanh cái đó. Thanh cái máy phát còn gọi là thanh cái P, U.
- Thanh cái phụ tải: cho biết công suất P và Q của phụ tải yêu cầu. Thanh cái phụ tải còn gọi là thanh cái P, Q.
Nếu không có máy phát hay phụ tải ở một nút nào đó thì coi nút đó như nút phụ tải với P = Q = 0.
Dòng công suất ở các thanh cái được quy ước theo chiều đi vào thanh cái.
Các loại nút được biểu diễn bằng sau đây:
Hình 2.1. Các loại nút trong hệ thống.
Các phương pháp khảo sát phân bố công suất Có 4 phương pháp chính sau:
- Khảo sát phân bố công suất dùng ma trận YTCbằng phép lặp Gauss – Seidel.
- Phân bố công suất dùng ma trận ZBUS bằng phép lặp Gauss – Seidel.
- Phân bố công suất và phương pháp Newton – Raphson.
Phương pháp phân lập Jacobi.
Do hạn chế về số lượng trang trong luận văn tốt nghiệp bạn đọc có thể tham khảo chi tiết nội dung cỏc phương phỏp khảo sỏt trong tài liệu ô Hệ thống điện – Truyền tải và phõn phối (Giải tớch hệ thống điện) ằ của tỏc giả Hồ Văn Hiến [3].
2.3. Khái niệm về ổn định
Ổn định hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường và đạt đến trạng thái cân bằng với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tác động của nhiễu.
CĐQĐ có thể được gây ra bởi các nhiễu bé hoặc lớn. Nhiễu bé xảy ra thường xuyên trong hệ thống điện dưới dạng thay đổi công suất của phụ tải, nhiễu lớn là các sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn, mất đường dây kết nối của hệ thống,…
Ổn định hệ thống có thể chia làm các loại như sau:
Hình 2.2 Các loại ổn định trong hệ thống điện.
Ổn định góc rotor
Ổn định góc rotor là khả năng của các máy đồng bộ liên kết với nhau trong HTĐ duy trì sự đồng bộ. Bài toán ổn định góc rotor liên quan đến việc nghiên cứu dao động cơ điện vốn có trong HTĐ, trong đó công suất phát của các máy phát đồng bộ thay đổi khi góc rotor dao động. Mối quan hệ giữa công suất và góc rotor được gọi là đặc tính công suất-góc, đây là đặc tính rất quan trọng trong nghiên cứu ổn định.
Đặc tính máy điện đồng bộ:
- Máy điện đồng bộ gồm 2 phần: Phần cảm và phần ứng. Thông thường, phần cảm ở rotor và phần ứng ở stator.
- Khi có 2 hay nhiều máy điện đồng bộ nối với nhau, điện áp và dòng điện stator của chúng có cùng tần số, và tốc độ của các rotor đồng bộ với tần số này.
- Từ trường quay sinh ra bởi dòng điện stator tương tác với từ trường của rotor sinh ra mô men điện từ có khuynh hướng làm cho 2 từ trường đồng bộ với nhau. Trong máy phát, mô men điện từ ngược chiều chuyển động của rotor do đó mô men cơ phải được cung cấp từ động cơ sơ cấp để duy trì sự chuyển động. Mô men (hoặc công suất) đầu ra của máy phát thay đổi khi mô men cơ đầu vào cung cấp bởi động cơ sơ cấp thay đổi.
- Trong chế độ xác lập, từ trường rotor và từ trường quay stator có cùng tốc độ, tuy nhiên giữa chúng có góc lệch phụ thuộc vào mô men (hoặc công suất) đầu ra của máy phát.
- Mối quan hệ công suất – góc: Đặc tính quan trọng có liên quan đến ổn định HTĐ là mối quan hệ giữa công suất trao đổi và vị trí góc rotor của các máy điện đồng bộ. Đây là mối quan hệ rất phi tuyến. Để minh họa, xét HTĐ đơn giản gồm 2 máy điện đồng bộ sau đây:
Hình 2.3 Hệ thống điện đơn giản 2 máy phát điện đồng bộ.
Hình 2.4 Đồ thị công suất theo góc máy phát.
- Công suất truyền tải là hàm của góc lệch giữa rotor 2 máy điện:
sin
X E P EG M
(1.7)
M L
G X X
X
X
(1.8)
- Giá trị công suất cực đại tỷ lệ thuận với điện áp nội của máy đồng bộ và tỷ lệ nghịch với điện kháng giữa các điện áp nội.
- Ổn định là điều kiện cân bằng giữa các lực ngược chiều. Cơ chế mà nhờ đó các máy phát đồng bộ duy trì đồng bộ với nhau là thông qua các lực hồi phục, lực này tác động bất cứ khi nào có các lực có khuynh hướng tăng tốc hoặc giảm tốc một hoặc nhiều máy phát so với các máy phát khác. Ở trạng thái xác lập, có sự cân bằng giữa mô men cơ đầu vào và mô men điện đầu ra của mỗi máy phát, và tốc độ duy trì không đổi.
- Khi HTĐ chịu tác động của nhiễu, điều kiện cân bằng bị phá vỡ gây ra sự tăng tốc hoặc giảm tốc của các rotor máy điện. Nếu một máy phát tạm thời quay nhanh hơn các máy còn lại, góc rotor tương đối 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-góc. Điều này có khuynh hướng là giảm sự khác biệt về tốc độ và do đó giảm góc lệch của rotor.
- Mối quan hệ công suất-góc là mối quan hệ rất phi tuyến, vượt quá giá trị giới hạn nào đó, việc tăng góc rotor sẽ dẫn đến việc giảm công suất truyền tải; điều này sẽ làm tăng hơn nữa góc rotor và đưa đến mất ổn định.
- Khi một máy điện đồng bộ bị mất đồng bộ với phần còn lại của HT, tốc độ rotor cao hơn hoặc thấp hơn tốc độ yêu cầu để tạo ra điện áp tại tần số HT. Độ trượt giữa từ trường quay stator và từ trường rotor sẽ gây ra sự dao động công suất, dòng điện và điện áp; điều này dẫn đến sự tác động của bảo vệ relay để cô lập máy điện mất đồng bộ với HT.
- Mất đồng bộ có thể xảy ra giữa một máy phát và phần còn lại của HT hoặc giữa hai nhóm máy phát với nhau.
- Độ thay đổi mô men điện của máy điện đồng bộ sau khi chịu tác động của nhiễu có thể được phân tích thành hai thành phần:
Te TS TD (1.9)
TSΔδ là thành phần mô men đồng bộ; TS là hệ số mô men đồng bộ TDΔω là thành phần mô men cản dịu; TD là hệ số mô men cản dịu
Ổn định phụ thuộc vào sự tồn tại của cả hai thành phần mô men. Thiếu mô men đồng bộ dẫn đến mất ổn định dưới dạng không chu kỳ. Mặt khác, thiếu mô men cản dịu dẫn đến mất ổn định dạng dao động.
Ổn định tĩnh
Ổn định tĩnh (hay còn gọi là ổn định tín hiệu bé) được định nghĩa là khả năng ổn định của hệ thống dưới sự tác động của các tín hiệu nhiễu bé, sau khi ổn định hệ thống sẽ hoạt động ở trạng thái ban đầu hoặc trạng thái gần bằng với lúc trước khi xảy ra các nhiễu loạn.
Ổn định tĩnh khi mất ổn định có hai loại là: mất ổn định phi chu kì (Non – oscillatory Instability) và mất ổn định dao động (Oscillatory Instability).
Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu bé còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và hệ thống kích thích được sử dụng cho máy phát.
Nhiễu được xem là bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc. Các tín hiệu nhiễu bé là những thay đổi của phụ tải hay máy phát, cụ thể là đóng hoặc cắt phụ tải một cách đột ngột,…
Các nguyên nhân gây ra mất ổn định tín hiệu bé có thể được chia làm hai loại:
- Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu momen đồng bộ.
- Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản.
Ổn định động
Ổn định động (hay còn gọi là ổn định quá độ) được định nghĩa là khả năng ổn định của hệ thống điện khi chịu tác động của nhiễu quá độ nghiêm trọng. Đáp ứng của hệ thống liên quan đến sự thay đổi của góc rotor máy phát và chịu ảnh hưởng của mối quan hệ công suất góc phi tuyến.
Ổn định động hệ thống bao gồm: ổn định ngắn hạn (Transient stability), ổn định trung hạn (Mid – term stability), ổn định dài hạn (Long – term stability).
Ổn định động thể hiện đặc tính của quá trình quá độ bằng việc chuyển trạng thái từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác. Hệ thống ổn định quá độ nếu có:
- Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau sự cố).
- Thông số biến thiên của quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xác lập mới.
Nhiễu quá độ nghiêm trọng thường là các sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây truyền tải, thanh góp, máy biến áp, hoặc cắt đột ngột máy phát điện, đóng – cắt phụ tải lớn,… Trong các nhiễu nói trên thì ngắn mạch là nhiễu quá độ nghiêm trọng nhất.
Ổn định điện áp và sụp đổ điện áp
Ổn định điện áp là khả năng của HTĐ duy trì điện áp xác lập chấp nhận được tại tất cả các thanh góp của HT trong các chế độ vận hành bình thường và sau khi chịu tác động của nhiễu.
Khi HT 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 HT không có khả năng đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng của phụ tải.
Tiêu chuẩn ổn định điện áp đối với một chế độ vận hành đã cho là tại mỗi thanh góp của HT biên độ điện áp tăng khi công suất phản kháng bơm vào thanh góp tăng. HT không có ổn định điện áp khi có ít nhất một thanh góp trong HT tại đó biên độ điện áp giảm khi công suất phản kháng bơm vào thanh góp tăng.
Không ổn định điện áp là hiện tượng cục bộ, tuy nhiên, nó có ảnh hưởng rất rộng. Một trường hợp đặc biệt và phức tạp của mất ổn định điện áp là sụp đổ điện áp, thường là hậu quả của một chuỗi các sự kiện đi kèm với mất ổn định điện áp dẫn đến biên độ điện áp tại các thanh góp trong một phần đáng kể của HT giảm thấp.
Không ổn định điện áp có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Để minh họa, xét HTĐ đơn giản sau:
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản.
~
~
~ ~
LN LD
I E
Z Z
ZLN cos ZLDcos 2 ZLNsin ZLDsin 2
I E
ZLN
E I 1F
) cos(
2 1
2
LN LD
LN LD
Z Z Z
F Z
S LN LD LD
R E
Z Z I F
Z
V 1
cos
cos
2
LN S LD R
R Z
E F I Z
V P
Hình 2.6 Sự phụ thuộc của I, VR và PR theo ZLN/ZLD khi tanθ = 10,0 và cosϕ = 0,95.
Hình 2.7 Đặc tính công suất-điện áp khi cosϕ = 0,95 trễ và tanθ = 10.
Hình 2.8 Đặc tính VR-PR khi cosϕ có giá trị khác nhau.
Hậu quả của mất ổn định đồng bộ
- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất những lượng công suất lớn.
- Tần số hệ thống bị thay đổi, ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.
- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải.
- Khiến cho bảo vệ relay tác động nhầm, cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.
- Cắt nối tiếp các nguồn, các phụ tải lớn có thể dẫn đến làm tan rã hệ thống.