CHƯƠNG 11: LÝ THUYẾT CHUNG
- Hiện nay ngày càng xuất hiện nhiều nhà máy thủy điện, nhiệt điện công suất lớn ở xa trung tâm tiêu thụ điện và được nối lại với nhau nhờ những đường dây tải điện đi xa cao áp (hoặc siêu cao áp) thành những hệ thống điện lớn. Một trong những vấn đề quan trọng về chất lượng của hệ thống điện là tính làm việc ổn định, trong những hệ thống điện lớn những sự cố làm ngừng cung cấp điện một cách nghiêm trọng, phân chia hệ thống thành những phần riêng rẽ thường do mất ổn định gây nên.
- Hệ thống có tính ổn định cao nghĩa là lúc bình thường nhu cầu điện năng của phụ tải được cung cấp một cách chắc chắn, chất lượng điện năng (giá trị tần số và điện áp) luôn duy trì trong phạm vi cho phép. Ngoài ra khi xảy ra những đột biến về chế độ làm việc (đóng cắt đường dây, máy biến áp mang tải...) hoặc khi xảy ra sự cố (ngắn mạch các loại), những dao động tắt dần và hệ thống đến được trạng thái xác lập với những thông số ổn định. Như vậy tính làm việc ổn định của hệ thống điện được đặc trưng bởi mức độ đồng bộ về tốc độ quay của rotor máy phát điện và động cơ của hệ thống. Có hai dạng ổn định: ổn định tĩnh được khảo sát khi hệ thống làm việc bình thường mang công suất cực đại và chỉ tồn tại những dao động nhỏ và ổn định động được khảo sát khi hệ thống điện xảy ra những dao động lớn.
11.1 Định nghĩa ổn định của hệ thống điện
- Tập hợp các quá trình xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng thời gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện. Đặc trưng của chế độ là các thông số chế độ U, I, P, Q… Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số theo thời gian, ta chia các chế độ của hệ thống điện thành các loại chế độ sau:
+ Chế độ xác lập: là chế độ trong đó các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, có thể xem như là hằng số.
+Chế độ quá độ: là chế độ trong đó các thông số biến thiên mạnh theo thời gian.
- Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng và cân bằng công suất phản kháng trong mọi thời điểm.
- Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho mọi chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. Vì các chế độ trong thực tế luôn luôn bị các kích động từ bên ngoài. Một chế độ thỏa mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy.
- Các kích động đối với chế độ của hệ thống điện được chia làm hai loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn.
+ Ổn định tĩnh: là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu.
+Ổn định động: là khả năng của hệ thống điện sau những kích động lớn
phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu.
11.2 Phương trình chuyển động tương đối
- Việc khảo sát ổn định chính là khảo sát quá trình quá trình cơ điện xảy ra trong máy phát điện khi có các kích động trong hệ thống điện. Quá trình quá độ cơ điện được diễn tả bằng phương trình chuyển động của rôto của máy phát điện.
- Giả sử một máy phát điện đang làm việc với chế độ xác lập với các thông số Po, Qo, Uo,δo... thì khi xảy ra môt kích động, kích động này gây ra sự mất cân bằng công suất ∆P trên trục rôto:
∆P = PTo – Pđ = Po – Pđ (11.1) Trong đó:
Po- Công suất ban đầu của tuabin và PTo = Po
Pđ- Công suất điện của máy phát sau khi xảy ra kích động.
-Công suất ∆P còn được gọi là công suất thừa, nó tác động lên rôto và gây ra cho nó một gia tốc:
2 2
j
d P
dt T
α = δ ∆= (11.2)
Tj- Hằng số quán tính.
δ- Góc quay tương đối của rôto, nó được xác định bởi vị trí của rôto so với một trục tính toán quay với tốc độ đồng bộ ω = π0 2 f0
- Khi chưa có kích động, gia tốc δ = 0 và công suất thừa ∆P = 0.
- Sau khi bị kích động, do xuất hiện công suất thừa ∆P nên tốc độ góc của rôto sẽ khác với tốc độ bằng đồng bộ wo cho nên sẽ xuất hiện tốc độ quay tương đối của rôto so với trục tính toán đồng bộ.
- Bây giờ thay (11.1) vào (11.2) ta sẽ được phương trình chuyển động tương đối của rôto máy phát điện, cũng có thể gọi tắt là của máy phát điện:
2
j 2
T d P
dtδ = ∆ =Po - Pđ (11.3)
-Giải (11.3) theo các ∆P khác nhau ta sẽ rút ra được kết luận về ổn định của hệ thống điện và xác định được quan hệ giữa góc quay tương đối δ theo thời gian.
-Nếu hệ thống có ổn định thì sau một thời gian t nào đó sau khi bị kích động góc δ(t) sẽ trở về giá trị ban đầu hoặc là một giá trị gần đó để rồi sau đó sẽ là hằng số theo t, lúc đó ∆P triệt tiêu, các thông số khác của chế độ P, Q, U. Sau một thời gian dao động sẽ trở về các giá trị ban đầu hoặc gần ban đầu.
-Ngược lại nếu hệ thống mất ổn định thì góc sẽ tăng vô hạn và các thông số khác cũng biến đổi không ngừng, hệ thống rơi vào chế độ không đồng bộ.
-Rõ ràng là để có thể giải được phương trình (11.3) cần phải tìm được quan hệ giữa công suất điện Pđ theo góc quay tương đối của máy phát điện.
Pđ = f (δ ) (11.4)
Quan hệ (11.4) được gọi là đường đặc tính công suất của máy phát điện. Trong trường hợp hệ thống có nhiều máy phát điện thì số góc quay sẽ nhiều và đường đặc tính công suất, các phương trình chuyển động sẽ có dạng phức tạp hơn.
Đặc tính công suất của hai nhà máy điện làm việc song song
Hình 11.1: Sơ đồ của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song
F1 F2
( )
2
1 1 2
1 11 12 12
11 12
E E E
P sin sin
Z Z
= α + δ − α ; 2 22 11 1 2 ( 12 12)
22 12
E E E
P sin sin
Z Z
= α − δ + α
Ta sẽ xét ổn định động khi xảy ra ngắn mạch hai pha chạm đất tại đầu đường dây phía nhà máy NĐ1:
TD MF TD MF
MF TD
TD MF
TD MF TD MF
MF TD
TD MF
SN S4 SN
N1,1
'