Tài liệu đánh giá tính ổn định của hệ thống điện việt nam.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths Đỗ Nguyễn Duy Phương SINH VIÊN THỰC HIỆN Huỳnh Tứ Trọng (MSSV:1064186) Ngành Kỹ Thuật Điện – Khóa 32 Tháng 12/2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ----------Cần thơ, ngày 03 tháng 12 năm 2010 PHIẾU ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP NĂM HỌC : 2010 - 2011 1. Họ và tên sinh viên : Huỳnh Tứ Trọng MSSV: 1064186 Lớp : Kỹ Thuật Điện - Khoá : 32 2. Tên đề tài : ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3. Địa điểm thực hiện : Khoa Công Nghệ, Đại Học Cần Thơ 4. Tên và họ của cán bộ hướng dẫn: Ths. Đỗ Nguyễn Duy Phương 5. Mục đích của đề tài: Đánh giá ổn định của hệ thống và phương pháp giải quyết trước khi hệ thống mất ổn định. 6. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài : Đánh giá tính ổn định của hệ thống điện năm 2005 và ứng dụng của phần mềm Conus. 7 Các yêu cầu hổ trợ cho việc thực hiện đề tài : kinh phí 8. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài ( dự trù chi tiết đính kèm) : SVTH ĐỀ TÀI ( KÝ TÊN ) Huỳnh Tứ Trọng Ý KIẾN của CB tại cơ sơ sở ( nếu có ) Ý KIẾN của Bộ môn Ý KIẾN của CBHD HỘI ĐỒNG THI & XÉT TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. Cán bộ hướng dẫn : Đỗ Nguyễn Duy Phương 2. Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3. Sinh viên thực hiện : Huỳnh Tứ Trọng 4. Lớp : Kỹ Thuật Điện – Khóa 32 5. Nội dung nhận xét : a. Nhận xét về hình thức của LVTN:…………………………………………… b. Nhận xét về hình thức của LVTN:…………………………………………… c. Nhận xét về nội dung của LVTN ( Đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài:.................................................... …………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………….... * Những vấn đề còn hạn chế:........................................................................ ………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………....................... d. Nhận xét đối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài ( ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có ).: dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có ):. dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có ):............................................................... …………………………………………………………………………………… e. Kết luận, đề nghị và điểm :……………………………………………………. Cần thơ, ngày tháng năm 2010 Cán bộ chấm hướng dẫn TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 1 1. Cán bộ chấm phản biện : Nguyễn Đăng Khoa 2. Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3. Sinh viên thực hiện : Huỳnh Tứ Trọng 4. Lớp : Kỹ Thuật Điện - Khoá: 32 5. Nội dung nhận xét a. Nhận xét về hình thức của LVTN:……………………………………... b. Nhận xét về hình thức của LVTN:…………………………………….. ..................................................................................................................... c. Nhận xét về nội dung của LVTN( đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ):…… * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài :…………………………… …………………………………………………………………………… * Những vấn đề còn hạn chế :………………………………………... …………………………………………………………………………… d. Nhận xét dối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài ( ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có): ............................................................................................................ .................................................................................................................. e. Kết luận, đề nghị và điểm : ................................................................... Cần thơ, ngày tháng năm 2010 Cán bộ chấm phản biện Nguyễn Đăng Khoa TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ CHẤM PHẢN BIỆN 2 1. Cán bộ chấm phản biện : Ts Trần Trung Tính 2. Đề tài: ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 3. Sinh viên thực hiện : Huỳnh Tứ Trọng 4. Lớp : Kỹ Thuật Điện - Khoá: 32 5. Nội dung nhận xét a. Nhận xét về hình thức của LVTN: ........................................................ b. Nhận xét về hình thức củaLVTN:......................................................... .................................................................................................................. c. Nhận xét về nội dung của LVTN( đề nghị ghi chi tiết và đầy đủ): ....... * Đánh giá nội dung thực hiện của đề tài : ........................................... .................................................................................................................... * Những vấn đề còn hạn chế :............................................................... .................................................................................................................... d. Nhận xét dối với từng sinh viên tham gia thực hiện đề tài ( ghi rỏ từng nội dung chính do sinh viên nào chịu trách nhiệm thực hiện nếu có ):.... .................................................................................................................. e. Kết luận, đề nghị và điểm: ................................................................... Cần thơ, ngày tháng năm 2010 Cán bộ chấm phản biện Ts Trần Trung Tính Mục lục MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Lời cảm ơn Chương 1: LÝ THUYẾT VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ................1 1.1. Vài nét về đặc điểm phát triển phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống điện ....................................................................................................1 1.2. Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định và độ dự trữ ổn định tĩnh ......................................................................................................3 1.2.1. Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm ổn định ..........................3 1.2.2. Độ dự trữ ổn định tĩnh.....................................................................5 1.3. Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng ......................6 1.4. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của hệ thống điên.........................................................................................................8 1.5. Các cấu trúc điển hình của hệ thống điện .................................................9 Chương 2: PHÂN TÍCH TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN .............11 2.1. Ổn định của hệ thống điện đơn giản nhất .................................................11 2.1.1. Phân tích ổn định theo tiêu chuẩn năng lượng................................12 2.1.2. Phân tích ổn định theo phương pháp dao động bé ..........................15 2.2. Ổn định của hệ thống đơn giản nhận công suất ........................................18 2.3. Ổn định tĩnh của hai máy phát có liên kết mạnh ......................................26 2.3.1. Mô hình phụ tải bằng tổng trở cố định............................................26 2.3.2. Mô hình phụ tải tuyến tính (thay đổi theo đặc tính tĩnh) ................29 2.3.3. Phân tích ổn định tĩnh của hệ thống điện 2 máy phát bằng phương pháp dao động bé (Lyapunov) ....................................................31 a. Phụ tải là tổng trở cố định .............................................................31 b. Phụ tải thay đổi theo đặc tính tĩnh, tần số không đổi....................32 c. Xét đến thay đổi tần số của hệ thống ............................................35 d. Chuyển động tương đối và tuyệt đối ............................................37 2.3.4. Các tiêu chuẩn thực dụng nghiên cứu ổn định tĩnh.........................40 a. Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gadanov)...........40 b. Tiêu chuẩn Markovits ...................................................................44 2.4. Ổn định tĩnh của hệ thống điện có cấu trúc phức tạp................................47 2.4.1. Phương pháp dao động bé (ổn định theo Lyapunov)......................48 a. Mô hình hệ thống với phụ tải là tổng trở hằng .............................48 b. Mô hình phụ tải theo đặc tính tĩnh................................................52 2.4.2. Áp dụng tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov) .......56 2.4.3. Các tiêu chuẩn thực dụng (Markovits)............................................56 a. Kiểm tra ổn định điện áp các nút phụ tải ......................................57 b. Kiểm tra ổn định góc lệch các nút nguồn .....................................58 Chương 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CONUS ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM .............................................................60 3.1. Xây dựng đường đặc tính công suất và một số ví dụ................................60 SVTH: Huỳnh Tứ Trọng Mục lục 3.1.1. Xây dựng đường đặc tính công suất ...............................................60 3.1.2. Một số ví dụ về đánh giá tính ổn định tĩnh .....................................62 a. Chế độ ổn định tĩnh của góc  ......................................................62 b. Độ dự trữ ổn định tĩnh K% ...........................................................63 c. Độ dự trữ ổn định tĩnh hệ thống nhận điện công suất vô cùng lớn ....................................................................................................64 3.2. Giới thiệu và hướng dẫn chạy phần mềm Conus ......................................68 3.3. Tính toán phân tích ổn định tĩnh trong Conus ..........................................88 3.3.1. Đánh giá ổn định tĩnh của hệ thống điện phức tạp theo tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ ...................................................................88 3.3.2. Xác định chế độ vận hành giới hạn theo điều kiện ổn định Tĩnh ..........................................................................................................89 3.3.3. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện phức tạp.............................................................................................................93 3.4. Đánh giá tính tính ổn định tĩnh của hệ thống điện Việt Nam bằng Conus ...............................................................................................................95 3.4.1. Tính toán ổn định tĩnh .....................................................................95 3.4.2. Đánh giá khả năng ổn định tĩnh của hệ thống điện Việt Nam ........111 3.5. Nâng cao ổn định tĩnh khi thiết kế vận hành hệ thống điện......................113 Kết luận Tài liệu tham khảo Phụ lục hình Hình 1.1a. Hệ thống điện đơn giản ..................................................................4 Hình 1.1b. Đường đặc tính góc ........................................................................4 Hình 1.2. Hệ thống điện và đặc tuyến QF(U)...................................................5 Hình 1.3. Các cấu trúc điển hình của HTĐ......................................................10 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản ..........................................................11 Hình 2.2. Đường đặc tính công suất ................................................................12 Hình 2.3. Đồ thị Vector và sơ đồ thay thế .......................................................14 Hình 2.4. Đường đặc tính công suất máy phát điện cực lồi.............................14 Hình 2.5. Đặc tính công suất xét đến ảnh hưởng của điện trở.........................15 Hình 2.6. Biến thiên góc (t) .........................................................................18 Hình 2.7. Hệ thống điện đơn giản nhận công suất ...........................................18 Hình 2.8. Đường công suất góc của HTĐ nhận công suất...............................19 Hình 2.9. Tương quan cân bằng công suất ......................................................21 Hình 2.10. Đường cong giới hạn ổn định ........................................................23 Hình 2.11. Bù tĩnh tại nút tải............................................................................24 Hình 2.12. Đặc tuyến QF(U) khi bù tĩnh ..........................................................25 Hình 2.13. Mô hình phụ tải là tổng trở cố định ...............................................26 Hình 2.14. Đặc tuyến công suất góc của hệ hai máy phát ...............................27 Hình 2.15. Đường giới hạn công suất phát ......................................................28 Hình 2.16. Giới hạn miền ổn định ...................................................................29 Hình 2.17. Hệ thống điện đơn giản ..................................................................29 SVTH: Huỳnh Tứ Trọng Mục lục Hình 2.18. Miền ổn định theo Lyapunov và tiêu chuẩn thực dụng .................31 Hình 2.19. Biến thiên góc  theo thời gian ......................................................39 Hình 2.20. Ổn định tĩnh theo Gidanov.............................................................42 Hình 2.21. Hệ thống điện gồm 3 máy phát liên kết .........................................53 Hình 2.22. Mô hình HTĐ đẳng trị hình tia ......................................................57 Hình 3.1. Sơ đồ thay thế...................................................................................60 Hình 3.2. Sơ đồ tương đương...........................................................................60 Hình 3.3. HTĐ hai máy phát............................................................................62 Hình 3.4. Sơ đồ thay thế HTĐ hai máy phát....................................................63 Hình 3.5. Sơ đồ HTĐ 500 kV ..........................................................................63 Hình 3.6. Hệ thốn điện nhận công suất vô cùng lớn........................................64 Hình 3.7. Sơ đồ tương đương...........................................................................65 Hình 3.8. Sơ đồ thay thế...................................................................................65 Hình 3.9. Biến đổi - ....................................................................................66 Hình 3.10. Bảng số liệu nút .............................................................................68 Hình 3.11. Bảng đường dây .............................................................................70 Hình 3.12. Bảng đường dây siêu cao áp ..........................................................70 Hình 3.13. Bảng nhánh máy biến áp................................................................71 Hình 3.14. Thông số máy biến áp ....................................................................72 Hình 3.15. Bảng nhánh chuẩn..........................................................................72 Hình 3.16. Bảng đặc tính phụ tải .....................................................................73 Hình 3.17. Bảng biến thiên chế độ...................................................................74 Hình 3.18. Bảng SVC, kháng, tụ bù ................................................................76 Hình 3.19. Bảng các lựa chọn ..........................................................................76 Hình 3.20. Sơ đồ máy biến áp kháng tụ điện ...................................................79 Hình 3.21. Sơ đồ HTĐ đơn giản ......................................................................81 Hình 3.22.a. Sơ đồ thay thế máy biến áp 2 cuộn dây ......................................83 Hình 3.22.b. Sơ đồ thay thế máy biến áp 3 cuộn dây ......................................83 Hình 3.23. Màn hình kết quả phân tích hiệu quả bù ........................................84 Hình 3.24. Màn hình kết quả tính toán hệ số dự trữ ổn định ...........................85 Hình 3.25. Màn hình kết quả phân tích độ nhạy ..............................................86 Hình 3.26. Miền ổn định (nút tải 5) xây dựng trên Excel ................................87 Hình 3.27. Biến thiên thông số sai số ..............................................................90 Hình 3.28. Hệ thống điện hai máy phát ...........................................................90 Hình 3.29. Kết quả chế độ đầu của HTĐ hình 3.28.........................................91 Hình 3.30. Kết quả tính toán chế độ giới hạn ..................................................92 Hình 3.31. Kết quả tính toán ............................................................................93 Hình 3.32. Miền ổn định nút 304 .....................................................................111 Hình 3.33. Miền ổn định nút 408 .....................................................................112 Hình 3.34. Miền ổn định nút 414 .....................................................................112 Hình 3.35. Miền ổn định nút 404 .....................................................................113 Hình 3.36. Miền ổn định nút 406 .....................................................................113 Hình 3.37. Miền ổn định nút 410 .....................................................................113 Hình 3.38. Mở rộng miền ổn định ...................................................................116 SVTH: Huỳnh Tứ Trọng Mục lục Phụ lục Bảng 1: Bảng số liệu nút ..................................................................................I Bảng 2: Bảng đường dây..................................................................................VI Bảng 3: Bảng đường dây siêu cao áp...............................................................X Bảng 4: Bảng nhánh chuẩn ..............................................................................XI Bảng 5: Bảng nhánh máy bién áp ....................................................................XII Bảng 6: Bảng thông số máy biến áp ................................................................XIV SVTH: Huỳnh Tứ Trọng LỜI NÓI ĐẦU ------------------------------------------------------------------------------------------- Trong những năm qua, với sự phát triển nhảy vọt về công suất và qui mô lãnh thổ của hệ thống điện Việt Nam đã làm tăng nhu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu các đặt tính ổn định của hệ thống điện. Trong tương lai với sự xuất hiện của một số nhà máy điện có công suất vừa và nhỏ nối vào hệ thống điện, điều này đòi hỏi phải nghiên cứu kỹ lưỡng hơn về phương diện ổn định hệ thống điện phức tạp. Như chúng ta đã biết một hệ thống điện không ổn định sẽ dẫn đến nhiều hậu quả như: Các máy phát làm việc không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất lượng công suất lớn. Tần số hệ thống bị thay đổi ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ. Điện áp giảm thấp, có thể gây ra sụp đổ điện áp tạ các nút phụ tải… Với mong muốn phân tích và đánh giá và tìm ra được giả pháp nâng cao tính ổn định tĩnh của hệ thống điện Việt Nam mà em thực hiện đề tài này. Với tinh thần làm việc nghiêm túc và trách nhiệm với mong muốn tìm ra những giải pháp tối ưu nhất để phân tích và đánh giá được tính ổn định tĩnh của hệ thống điện Việt Nam, tuy nhiên do thời gian thực hiện và kiến thức hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, bạn bè để đề tài của em được hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn! LỜI CẢM ƠN ------------------------------------------------------------------------------------------- Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Đỗ Nguyễn Duy Phương, trong suốt thời gian thực hiện luận văn, mặc dù thầy rất bận rộn với công việc nhưng thầy vẫn giành nhiều thời gian và tâm quyết trong việc hướng dẫn em. Thầy đã cung cấp cho em rất nhiều hiểu biết về một lĩnh vực mới khi em bắt đầu bước vào thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện luận văn thầy luôn định hướng, góp ý, sửa chữa những chỗ sai giúp em không bị lạc lối trong biển kiến thức mênh mông. Cho đến nay luận văn tốt nghiệp của em đã được hoàn thành chính là nhờ sự nhắc nhở, đôn đốc và sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy. Qua đây em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy bộ môn Kỹ Thuật Điện và tất cả các thầy cô của trường Đại Học Cần Thơ đã giảng dạy và giúp đỡ em trong 4,5 năm qua. Chính các thầy cô đã xây dựng kiến thức nền tảng và những kiến thức chuyên môn để em hoàn thành luận văn này cũng như những công việc của em sau này. Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy GsTs Lã Văn Út trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ em phần mềm Conus và tài liệu khi em chưa tìm ra hướng đi tiếp theo cho đề tài. Những lời cảm ơn sau cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã hết lòng quan tâm, chia sẽ, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em để em hoàn thành tốt luận văn này. Sinh Viên Thực Hiện Huỳnh Tứ Trọng Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện Chương 1 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Vài nét về đặc điểm phát triển phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống điện Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu hệ thống điện đã có một lịch sử phát triển tương đối dài, có thể tính từ những năm 20 của thế kỷ XX. Năm 1928 Nhà bác học Mỹ R.Park lần đầu tiên đặt nền móng nghên cứu ổn định hệ thống điện dựa trên cơ sở thiết lập phương trình vi phân quá trình quá độ điện cơ của cá máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ quay. Gần như đồng thời với Park, một loạt các công trình công bố độc lập của A.A. Goriev (Nga) trong những năm 1930  1935 về mô hình quá trình quá độ trong các máy điện quay đã làm phát triển lý thuyết nghiên cứu ổn định của hệ thống điện thêm một bước (sau này hệ phương trình được gọi tên là ParkGoriev). Mô hình quá trình quá độ của hệ thống điện trong hệ tọa độ quay đã làm đơn giản đáng kể hệ phương trình vi phân mô tả trạng thái quá độ của hệ thống điện. Dựa trên cơ sở đó các phương pháp toán về ổn định hệ thống (nói chung) đã được nghiên cứu cho một hệ thống điện. Trước hết phải kể đến phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng (còn gọi là tiêu chuẩn năng lượng). Một phần ý tưởng của phương pháp đã thể hiện trong các phần khái niệm đã nêu trên. Phương pháp khá đơn giản, nhận được kết quả đúng và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp. Tuy nhiện các phương pháp khác sau đó chỉ ra rằng, khái niệm ổn định theo ý nghĩa cân bằng năng lượng là không đầy đủ, không phát hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao động quán tính. Hơn nữa phương pháp cân bằng năng lượng không có cơ sở chặt chẽ về phương pháp để áp dụng đối với hệ thống điện phức tạp. Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý nói chung của A. M. Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc biệt là phương pháp dao động bé. Chính Goriev trong các công trình của mình đã chỉ ra các cách nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo Lyapunov (các hệ thống đơn giản). P.S. Gidanov đã có những nghiên cứu khá sâu sắc phương pháp dao động bé đối với ổn định hệ thống điện đơn giản cũng như phức tạp. Ông đã chứng minh được rằng sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của số hạng tự do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi phân quá trình quá độ có thể phát hiện được hầu hết các trương hợp mất ổn định hệ thống điện (còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ). Dựa trên tiêu chuẩn này cách tính toán phân tích ổn định tĩnh cho hệ thống điện phức tạp dạng chung đã được xây dựng. (Vẫn được áp dụng phổ biến hiện nay trong các chương trình phân tích hệ thống). Tiêu chuẩn còn đặc biệt tiện lợi khi tìm các thông số giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh. Dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ I. M. Markovits cũng đã chứng minh bản chất của tiêu chuẩn cân bằng SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 1 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện năng lượng: chúng chính là các trường hợp riêng đảm bảo ổn định phi chu kỳ. Nhờ các tiêu chuẩn riêng này (còn được gọi là tiêu chuẩn thực dụng) có thể đánh giá nhanh được mức độ ổn định của các hệ thống điện cụ thể đang vận hành. Vấn đề là ở chổ, trong những điều kiện cụ thể luôn tồn tại một hay một vài tiêu chuẩn (dạng đạo hàm dP/d, dQ/dU, dE/dU…) dễ bị vi phạm nhất. Trong vận hành nếu quan sát thấy những tiêu chuẩn này còn ở xa giới hạn thì hệ thống làm việc có độ tin cậy ổn định cao. Trong trường hợp ngược lại cần phải có các biện pháp xử lý. Hạn chế chủ yếu của tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (bao hàm cả các tiêu chuẩn năng lượng) là không áp dụng được khi xét đến hiệu quả của các thiết bị tự động điều chỉnh, điều khiển. Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần số trang bị trong các máy phát, phát bù đồng bộ có cấu trúc phức tạp, làm việc có quán tính, không thể bỏ qua hiện tượng mất ổn định dạng chu kỳ (dao động). Để phân tích ổn định hệ thống điện có điều chỉnh cần dựa trên các tiêu chuẩn đầy đủ, xét đến mọi hệ số của phương trình đặc trưng (các tiêu chuẩn đại số, tiêu chuẩn tần số…). Hàng loạt các công trình của các nhà bác học Nga sau đó (đặc biệt từ sau năm 1950) đã đi sâu nghiên cứu ổn định hệ thống theo hướng này. Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia Xô-Viết đã dẫn đến việc đề xuất thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác động mạnh của các máy phát, cho phép nâng cao đáng kể giới hạn ổn định tĩnh của hệ thống. Tồn tại những nguyên tắc cơ bản để tổng hợp cấu trúc thiết bị tự động điều chỉnh kích từ đảm bảo chất lượng điều chỉnh điện áp rất cao trong khi vẫn được tính ổn định, không dao động của các khâu quán tính. Một số tác giả phương Tây cũng đi theo hướng nghiên cứu này và đề xuất những cấu trúc cụ thể của các bộ ổn định hệ thống (PSS – Power System Stanbilizer). Nhược điểm chủ yếu của việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo mô hình đầy đủ là ở tính phức tạp về phương pháp và khó khăn khi tính toán. Chính vì vậy, đối với hệ thống điện phức tạp có điều chỉnh người ta cũng tìm tòi áp dụng những phương pháp khác nhau không dựa trực tiếp vào phân tích phương trình đặc trưng (còn gọi là các phương trình chất lượng), chẳng hạn phương pháp thứ hai (còn gọi là phương pháp trực tiếp) của Lyapunov, phương pháp hàm năng lượng… Tuy nhiên, hiệu quả ứng dụng của các phương pháp này cho đến nay vẫn còn rất hạn chế. Bên cạnh các bài toán phân tích, bài toán điều khiển (tổng hợp) quá trình quá độ để nâng cao ổn định hệ thống điện cũng được nghiên cứu. các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp tác động mạnh (trường phái Nga) và các bộ ổn định hệ thống (PSS) của tác giả phương Tây là những ví dụ về điều khiển nâng cao giới hạn ổn định tĩnh. Điều khiển quá trình quá độ điện cơ khi xảy ra các kích động lớn thông qua các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần số, các thiết bị tự động chống sự cố làm việc thông minh… đang là những đề tài được quan tâm nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu ổn định hệ thống điện. SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 2 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện 1.2 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm về ổn định và độ dự trữ ổn định tĩnh 1.2.1 Các chế độ của hệ thống điện, khái niệm ổn định Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia ra làm hai loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó thông số của hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoản thời gian tương đối ngắn, chỉ biến đổi nhỏ xung quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (chế độ xác lập còn gọi là chế độ bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (còn gọi là chế độ sau sự cố). Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục. Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra chế độ quá độ trong hệ thống điện. Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích động lớn). Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi. Ngược lại, có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ khi đó được gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các chế độ quá độ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện. Từ khái niệm về các chế độ của hệ thống điện có thể thấy rằng điều kiện tồn tại chế độ xác lập gắn liền với sự tồn tại của điểm cân bằng công suất. Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống mới giử được không đổi (nói riêng các máy phát có thể duy trì tốc độ quay đồng bộ). Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần (chưa đủ) của chế độ xác lập. Thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng (tuy rất nhỏ), chẳng hạn những thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải. chính trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số, nghĩa là đảm bảo sự tồn tại của chế độ xác lập. khả năng này phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống: tính ổn định tĩnh. Để có khái niệm rõ hơn về tính ổn định tĩnh, hãy trở lại xem xét trạng thái cân bằng công suất máy phát. Hình 1.1 b vẽ đặc tính công suất điện từ của máy phát và đặc tính công suất của tua bin đối với hệ thống điện đơn giản trên hình 1.1 a. Công suất tua bin được coi là không đổi, còn công suất máy phát có dạng: P() = U sin  = Pm sin  XH SVTH: Huỳnh Tứ Trọng (1.1) 3 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện Trong đó: XH = XF + XB + XD/2 Tồn tại hai điểm cân bằng a và b ứng với các chỉ số góc lệch 01 và 02: 01 = arcsin (PT/Pm); 02 = 1800 - arcsin (PT/Pm) Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập. Thật vậy, giả thiết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc  khỏi giá trị 01 một lượng  > 0 (sau đó kích động triệt tiêu). Khi đó theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới công suất điện từ (hãm) P() lớn hơn công suất cơ (phát động) PT, do đó máy phát quay chậm lại, góc lệch  giảm đi, trở về giá trị 01. Khi  < 0 hiện tượng diễn ra theo tương quan ngược lại PT > P(), máy pát quay nhanh lên, trị số góc lệch  tăng, cũng trở về 01. Điểm a như vậy được coi là có tính chất cân bằng bền, hay nói khác đi có tính ổn định tĩnh. Xét điểm cân bằng b với giả thiết  > 0, tương quan công suất sau kích động sẽ là PT > P(), làm góc  tiếp tục tăng lên, xa dần chỉ số 02. Nếu  < 0 tương quan công suất ngược lại làm giảm góc , nhưng cũng lại làm lệch xa hơn trạng thái cân bằng. Như vậy điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một kích động nhỏ (sau đó kích động triệt tiêu) thông số hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị số ban đầu. Vì thế điểm cân bằng b bị coi là không ổn định. Cũng vì những ý nghĩa trên ổn định tĩnh còn được gọi là ổn định với kích động bé (Small Sign Stability), hay ổn định điểm cân bằng. Hình 1.1 a. Hệ thống điện đơn giản Hình 1.1 b. Đường đặc tính góc SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 4 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện Nếu xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng ta cũng có tính chất tương tự. Chẳng hạn, nếu xét hệ thống điện hình 1.2. Nút tải được cung cấp từ những nguồn phát xa. Đặc tính công suất phản kháng nhận được từ các đường dây về đến nút U có dạng: Qi(U) = -U2/XDi + (UEi/XDi) cos i (1.2) Điện áp nút U phụ thuộc tương qua cân bằng công suất phản kháng. Tổng công suất QF(U) = Qi(U) cân bằng với công suất tải Qt tại các điểm c và d như trên hình 1.2 b, ứng với các điện áp U01 và U02. Nếu giử được cân bằng công suất điện áp nút U sẽ không đổi, còn nếu QF > Qt điện áp nút tăng lên, khi QF < Qt điện áp nút U giảm xuống (thể hiện đặc tính vật lí của nút tải, chứa các động cơ). Phân tích tương tự như trương hợp công suất tác dụng của máy phát, dễ thấy được chỉ có điểm cân bằng d là ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu nhiên điện áp U sẽ xa dần trị số U01 nghĩa là điểm cân bằng c không ổn định. a) b) Hình 1.2. Hệ thống điện và đặc tuyến QF(U) 1.2.2 Độ dự trữ ổn định tĩnh 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. Trong trường hợp này một trong những vấn đề quan trọng của hệ thống điện là tính làm việc ổn định. SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 5 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện 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 điện 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 (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 sdao động phải tắt dần về hệ thống đến được trạng thái xác lập với những thông số ổn định. Như vậy tính làm việc ổn định của hệ thống được đặc trưng về tốc độ đồng bộ tốc độ quay của các roto máy phát điện và động cơ trong hệ thống. Từ hình 1.1b ta thấy rằng hệ thống muốn có tính ổn định tĩnh thì phải làm việc ở những điểm về phía nửa tăng của đường đặc tính công suất P = P(). Nhưng vậy khi   900 thì hệ thống làm việc ổn định tĩnh,  = 900 là giới hạn về ổn định tĩnh, khi đó công suất truyền tải đi được xác định theo biểu thức: Pmax  EU x ht (1.3) Độ dự trữ ổn định tĩnh Kt% của hệ thống điện được xác định theo công thức: Kt %  30%. Pmax - P0 P0 (1.4) Trong thực tế hệ thống làm việc ổn định thường Kt% có giá trị khoảng 20- Đối với hệ thống điện đơn giản, nghiên cứu ổn định tĩnh ở bước sơ bộ được qui về việc xây dựng đường đặc tính công suất của nhà máy truyền đi P = P() và xác định giá trị Pmax sau đó căn cứ vào giá trị công suất truyền đi trong trạng thái làm việc cực đại P0 để xác định độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống K t%. Như vậy việc xây dựng đường đặc tính là một bước quan trọng. 1.3 Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng Trước hết phải kể đến định nghĩa và tiêu chuẩn đánh giá ổn định dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng (lý thuyết ổn định cổ điển). Hoạt động của một hệ thống vật lý bất kỳ đều có thể mô tả một quá trình trao đổi năng lượng giữa nguồn phát và nơi tiêu thụ. Chế độ xác lập tương ứng với quá trình dừng, diễn ra khi năng lượng nguồn phát và năng lượng tiêu thụ cân bằng. Thông số trạng thái của hệ thống ở chế độ xác lập là hoàn toàn xác định (nếu không xét đến những kích động ngẫu nhiên), khi đó quá trình trao đổi năng lượng sẽ không thay đổi. Ngược lại, khi có những kích động làm lệch thông số, sẽ diễn ra biến động cả năng lượng nguồn và năng lượng tiêu thụ. Khái niệm ổn định cổ điển cho rằng, nếu biến động làm cho năng lượng phát của nguồn lớn hơn năng lượng tiêu thụ tính theo hướng lệch xa thêm thông số thì hệ thống không ổn định. Đó là vì năng lượng thừa làm hệ thống chuyển SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 6 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện động không ngừng về một hướng dẫn đến thông số lệch vô hạn khỏi trị số ban đầu. Trường hợp ngược lại hệ thống nhanh chống trở về vị trí cân bằng với thế năng nhỏ nhất hệ thống sẽ ổn định. Về toán học, có thể mô tả điều kiện ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn năng lượng như sau. Trạng thái cân bằng của hệ thống ổn định nếu: W/ < 0 trong đó: W = WF - Wt là hiệu các số gia năng lượng của nguồn và tải;  - số gia thông số trạng thái. Xét với những khoảng thời gian ngắn, tương quan sẽ ứng với các số gia công suất, đồng thời biểu thức còn có thể viết ở dạng vi phân: dP/d <0 (1.5) Với mỗi hệ thống đã cho, xét những điểm nút trao đổi công suất khác nhau có thể nhận được hàng lọt biểu thức cụ thể (1.3). Đó chính là các biểu nhị cụ thể của các tiêu chuẩn năng lượng, kiểm tra tính ổn định hệ thống. Chẳng hạn với các nút nguồn của hệ thống điện dùng tiêu chuẩn dp/d, các nút tải dùng tiêu chuẩn dQ/dU… Phần quan trọng trong phương pháp này là thiết lập được các quan hệ thuộc tính công suất WF () và Wt (). Đối với hệ thống điện đó là các quan hệ của P, Q với các thông số trạng thái  và U (gọi là các đặc tính công suất). Để minh họa cách ứng dụng tiêu chuẩn năng lượng ta xét lại sơ đồ hệ thống điện đã phân tích trong mục 1.1. Tính ổn định của hệ thống điện trên hình 1.2 đặc trưng bởi trạng thái cân bằng công suất máy phát và sự biến thiên của góc lệch . Theo tiêu chuẩn năng lượng hệ thống sẽ ổn định nếu:   ()  = <0   Ở đây, nút phân tích là máy phát nên công suất nguồn được hiểu là công suất cơ của tua bin (không đổi), còn công suất tiêu thụ là công suất điện nhận về hệ thống. vì PT = 0 nên tiêu chuẩn có thể viết lại dưới dạng: - () d (  ) <0 hay >0  d Với P() = Pm sin , ta nhận được kết quả trùng với phân tích mục 1.1. Thật vậy, với điểm a góc  < 900 nên dP/d = Pm cos  > 0 hệ thống ổn định, còn điểm b ứng với  > 900 nên dP/d < 0, hệ thống không ổn định. Trạng thái giới hạn ứng với dP/d = 0,  = 900. Với hệ thống điện trên hình 1.2 tiêu chuẩn năng lượng có thể viết heo lượng không cân bằng công suất phản kháng và biến thiên điện áp nút tải: SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 7 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện Q dQ < 0 hay <0 U dU trong đó: Q = QF - Qt. Dựa vào dạng đường cong đặc tính công suất như trên hình 1.2 có thể kết luận được: điểm d ổn định vì có dQ/dU < 0. Điểm c, ngược lại, không ổn định vì có dQ/dU > 0. Xét đặc tính công suất tải Qt = const, có thể viết biểu thức giải tích của tiêu chuẩn ổn định (xem biếu thức 1.2): E dQ d (Q F ) 2U    ( i cos  i  )< 0 dU dU X Di X Di i 1.4 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của hệ thống điện Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống: + 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 lớn 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. Hậu quả kéo theo: + Bảo vệ rơle tác động nhằm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc. + Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn đến tan rã hệ thống. quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện trong những thời gian dài vì cần khôi phục lại dần hoạt động đồng bộ các máy phát. Trong những năm 70 của thế khôngỷ XX đã từng xảy ra liên tiếp những sự cố lớn do mất ổn định hệ thống (Mỹ, Pháp, Đức..). Một ví dụ là sự cố do mất ổn định hệ thống điện tại Mỹ tháng 7-1977 đã làm mất điện thành phố Niu-yoc 10 triệu dân trong hàng chục giờ liền. Hệ thống bị tan rã, khôi phục lại hoàn toàn phải sau 24 giờ. Sự cố mất ổn định hệ thống điện Pháp tháng 12-1978 dẫn đến tách hệ thống làm 5 phần, cắt 65 tổ máy phát lớn và làm ngừng cung cấp điện ở nhiều khu vực quan trọng. Do hậu quả rất nghiêm trọng trong sự cố mất ổn định, khi thiết kế vận hành hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu về tính ổn định: 1. Hệ thống cần có ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố. 2. Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc bình thường với những biến động thường xuyên các thông số chế độ. SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 8 Chương 1 Lý Thuyết Về Tính Ổn Định của Hệ Thống Điện 3. Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác vận hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố để giử ổn định động có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng). Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện. Ngoài ra, còn hàng loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo. Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại qua trình quá độ diễn ra đủ ngắn… 1.5 Các cấu trúc điển hình của hệ thống điện Trên quan điểm phân tích ổn định người ta chia ra hai loại chính: hệ thống điện có cấu trúc đơn giản và hệ thống điện có cấu trúc phức tạp. Mỗi loại cấu trúc có thể miêu tả tương ứng với một số sơ đồ điển hình (hình 1.3). Hệ thống điện được coi là có cấu trúc đơn giản nếu sau các phép biến đổi đẳng trị có thể đưa được về các dạng điển hình gồm một đến hai máy phát. Hệ thống được coi là có cấu trúc phức tạp nếu phải mô tả bằng sơ đồ có từ 3 máy phát trở lên. Đối với các hệ thống điện đơn giản thường có rất nhiều phương pháp phân tích đánh giá ổn định, có thể đưa ra những kết luận theo nhiều khía cạnh khác nhau, áp dụng rất thuận tiện trong thiết kế, vận hành. Trong khi đó, cho đến nay ổn định của hệ thống điện phức tạp vẫn còn rất nhiều tồn tại trong phương pháp luận cũng như các tính toán ứng dụng thực tiễn. Cũng chính vì vậy việc nghiên cứu ổn định của các hệ thống điện có cấu trúc đơn giản có ý nghĩa hết sức quan trọng. Không phải chỉ đơn thuần bởi qua các hệ thống điện đơn giản có thể trình bày thuận lợi, đầy đủ ý tưởng của các phương pháp, mà còn bởi có rất nhiều ứng dụng trực tiếp rất hiệu quả có thể đưa ra được từ phân tích hệ thống điện có cấu trúc đơn giản. Hơn thế nữa, đa số các trường hợp phân tích hệ thống điện thực tế có thể đưa về các dạng đơn giản điển hình, sau những phép biến đổi đẳng trị. Khi đó các tính toán phân tích trở nên hết sức dễ dàng. Về định lượng có thể áp dụng các công thức, đường cong chuẩn xác để xác định, còn về mặt định tính có thể đưa ra ngay hàng loạt những đặc điểm quan trọng cần lưu ý. Có 4 cấu trúc điển hình cho hệ thống điện đơn giản: Cấu trúc I, máy phát điện (có phụ tải đầu cực) phát công suất qua đường dây lên hệ thống công suất vô cùng lớn (thanh góp điện áp không đổi). Thực tế, đây là trường hợp nghiên cứu ổn định của hệ thống điện nhỏ (hoặc nhà máy điện) có công suất lớn qua các đường dây tải điện tương đối dài. Cấu trúc II, máy phát điện nối với hệ thống công suất vô cùng lớn qua đường dây. Máy phát không đủ công suất cung cấp cho phụ tải đầu cực, phải nhận thêm công suất từ hệ thống về. Thực tế đây là trường hợp nghiên cứu ổn định của hệ thống nhỏ thiếu công suất có liên kết với hệ thống khác. SVTH: Huỳnh Tứ Trọng 9