Tài liệu Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện 500kv miền nam việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 500kV MIỀN NAM VIỆT NAM CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN ThS. Nguyễn Nhựt Tiến Nguyễn Tấn Đạt (MSSV: 1110981) Ngành: Kỹ thuật điện – Khóa 37 Tháng 04/2015 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 14 tháng 01 năm 2015 PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN HỌC KỲ: 2 NĂM HỌC: 2014 – 2015 1. Họ và tên sinh viên: Nguyễn Tấn Đạt MSSV: ..1110981 Ngành: Kỹ thuật điện, điện tử Khoá: 37 2. Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam Địa điểm thực hiện: Khoa Công Nghệ - Trường Đại Học Cần Thơ 3. Họ tên của người hướng dẫn khoa học (NHDKH) 1: ThS. Nguyễn Nhựt Tiến Họ tên của người hướng dẫn khoa học 2: (nếu có) 4. Mục tiêu của đề tài: Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam. 5. Các nội dung chính và giới hạn của đề tài: Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện Chương II: Ổn định điện áp Chương III: Tìm hiểu về phần mềm PSSE Chương IV: Ứng dụng phần mềm PSSE để phân tích ổn định điện áp của hệ thống điện miền Nam Việt Nam Chương V: Kết luận và kiến nghị. 6. Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài. 7. Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: (dự trù chi tiết đính kèm, chỉ cần cho LVTN) SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ (Ký tên và ghi rõ họ tên) Ý KIẾN CỦA NHDKH 2 (nếu có) Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN Ý KIẾN CỦA NHDKH 1 Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV&TLTN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HOÀ 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: ThS. Nguyễn Nhựt tiến 2. Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam 3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt MSSV: 1110981 Lớp: Kỹ Thuật Điện 2 – Khoá 37 4. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... b. Nhận xét về bản vẽ: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... c. Nhận xét về nội dung của luận văn: - Các công việc đã đạt được: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... - Những vấn đề còn hạn chế: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... d. Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... e. Kết luận và đề nghị: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 5. Điểm đánh giá: Cần Thơ, ngày ... tháng… năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ThS. Nguyễn Nhựt Tiến TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1. Cán bộ phản biện: 2. Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam 3. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt MSSV: 1110981 Lớp: Kỹ Thuật Điện 2 – Khoá 37 4. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... b. Nhận xét về bản vẽ: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... c. Nhận xét về nội dung của luận văn: - Các công việc đã đạt được: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... - Những vấn đề còn hạn chế: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... d. Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... e. Kết luận và đề nghị: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 5. Điểm đánh giá: Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2015 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA CÔNG NGHỆ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 6. Cán bộ phản biện: 7. Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam 8. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Đạt MSSV: 1110981 Lớp: Kỹ Thuật Điện 2 – Khoá 37 9. Nội dung nhận xét: a. Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... b. Nhận xét về bản vẽ: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... c. Nhận xét về nội dung của luận văn: - Các công việc đã đạt được: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... - Những vấn đề còn hạn chế: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... d. Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... e. Kết luận và đề nghị: ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... 10. Điểm đánh giá: Cần Thơ, ngày ... tháng ... năm 2015 CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Nhựt Tiến đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp. Xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong Bộ môn Kỹ Thuật Điện, khoa Công Nghệ, Trường Đại Học Cần Thơ đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình em học tập tại trường. Với vốn kiến thức tiếp thu được trong quá trình học tập, đó không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu khóa luận mà còn là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Xin cảm ơn cha mẹ đã động viên trong suốt quá trình học tập và làm luận văn, cảm ơn bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành tốt luận văn. Tuy nhiên, kinh nghiệm, kiến thức thực tế còn hạn chế và thời gian thực hiện đề tài có phần hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót và khiếm khuyết. Thêm nữa, vì phần mềm PSS/E là một phần mềm còn mới nên rất mong quý thầy bỏ qua và góp ý kiến để bài luận văn của em được hoàn thiện hơn. Cuối lời em kính chúc quý Thầy luôn dồi dào sức khỏe và đạt được nhiều thành công trong công việc. Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tấn Đạt LỜI NÓI ĐẦU Ổn định điện áp là một vấn đề đã và đang được nghiên cứu nhiều ở các nước trên thế giới do việc hệ thống điện bị mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là một sự cố nghiêm trọng gây thiệt hại rất nặng nề về kinh tế, chính trị và xã hội như sự cố mất điện ở miền Nam Việt Nam (22/05/2013) đã làm mất điện nhiều giờ đối với các tỉnh miền Nam cũng như một số khu vực của Campuchia, hậu quả được xem là rất nghiêm trọng. Vì vậy, việc xác định được độ dự trữ công suất của hệ thống điện cũng như xác định điểm tới hạn sụp đổ điện áp là hết sức quan trọng vì nó sẽ giúp có thể đưa ra những biện pháp phù hợp để nâng cao khả năng ổn định điện áp và đảm bảo độ tin cậy cao cho hệ thống điện. Phân tích ổn định điện áp là một vấn đề quan trọng và phức tạp trong vận hành hệ thống điện. Trong bài luận văn này, em nghiên cứu việc phân tích ổn định điện áp tĩnh của hệ thống điện miền Nam Việt Nam bằng phần mềm PSS/E với số liệu của hệ thống điện lấy theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 và mở rộng đến 2030 (quy hoạch VII). Do nguồn điện cung cấp cho miền Nam phụ thuộc vào đường dây 500kV (truyền tải từ miền Bắc và miền Trung vào) nên kịch bản được chọn ở đây là tăng dần công suất truyền tải từ cụm nguồn ĐăkNông, Ninh Thuận về khu vực Đông Nam Bộ và đồng bằng sông Cửu Long. Phần mềm PSS/E có rất nhiều ứng dụng nhưng ở đây sử dụng đường cong PV và QV để có thể tìm ra giới hạn về sụp đổ điện áp cũng như các nút yếu về điện áp để có thể đưa ra các giải pháp cải thiện kịp thời. Nội dung của luận văn bao gồm 5 chương: Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện Chương II: Ổn định điện áp Chương III: Tìm hiểu về phần mềm PSS/E Chương IV: Ứng dụng phần mềm PSS/E để phân tích ổn định điện áp của hệ thống điện miền Nam Việt Nam Chương V: Kết luận và kiến nghị. Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Tấn Đạt Mục Lục MỤC LỤC Trang CHƯƠNG I .................................................................................................................1 GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .................1 1.1. Giới thiệu về ổn định trong hệ thống điện .................................................1 1.1.1. Tổng quan về hệ thống điện ........................................................... 1 1.1.2. Ổn định hệ thống điện ................................................................... 3 1.1.3. Hậu quả của sự cố mất ổn định và những yêu cầu đảm bảo tính ổn định của hệ thống điện......................................................................................... 5 1.1.4. Sơ lược về lịch sử phát triển và các phương pháp nghiên cứu ổn định ..................................................................................................... 5 1.2. Phân loại ổn định trong hệ thống điện .......................................................6 1.2.1. Ổn định góc rotor .......................................................................... 8 1.2.2. Ổn định điện áp ........................................................................... 11 1.2.3. Ổn định tần số ............................................................................. 12 CHƯƠNG II ..............................................................................................................13 ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP .................................................................................................13 2.1. Các khái niệm cơ bản ...............................................................................13 2.1.1. Đặc tính hệ thống truyền tải ......................................................... 13 2.1.2. Đặc tính của máy phát điện .......................................................... 15 2.1.3. Đặc tính của phụ tải ..................................................................... 16 2.1.4. Đặc tính của thiết bị bù ................................................................ 16 2.2. Sụp đổ điện áp ..........................................................................................17 2.2.1. Các kịch bản dẫn đến sụp đổ điện áp ............................................ 17 2.2.2. Đặc điểm chung khi sự cố xảy ra .................................................. 17 2.3. Phân tích ổn định điện áp sử dụng đường cong P-V và Q-V ...................17 2.3.1. Đường cong P-V ......................................................................... 18 2.3.2. Đường cong Q-V ......................................................................... 18 2.4. Phương pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp...................................................19 2.4.1. Phương pháp thiết kế hệ thống ..................................................... 19 2.4.2. Phương pháp vận hành hệ thống................................................... 19 CHƯƠNG III ............................................................................................................20 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PSS/E............................................................................20 3.1. Giao diện ..................................................................................................20 3.2. Dữ liệu vào của các thiết bị cơ bản ..........................................................22 3.2.1. Các thông số của nút (bus) ........................................................... 22 3.2.2. Các thông số của đường dây (Branch) .......................................... 23 3.2.3. Các thông số của phụ tải (load) .................................................... 23 3.2.4. Các thông số của máy phát (machine) .......................................... 24 3.2.5. Các thông số của máy biến áp hai cuộn dây (2 – Winding) ............ 25 SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang i Mục Lục 3.2.6. Các thông số của máy biến áp ba cuộn dây (3 – Winding) ............. 25 3.2.7. Các thông số của Fixed Shunt ...................................................... 26 3.2.8. Các thông số của Switched Shunt ................................................. 27 3.3. Cách tạo các file subsystem, monitor, contingency .................................27 3.3.1. Tạo tự động các file subsystem, monitor, contingency................... 28 3.3.2. Tạo bằng tay các file subsystem, monitor, contingency ................. 28 3.4. Phân tích P-V và Q-V ..............................................................................30 3.4.1. Phân tích P-V .............................................................................. 30 3.4.2. Phân tích Q-V ............................................................................. 31 CHƯƠNG IV ............................................................................................................32 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSSE ĐỂ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM VIỆT NAM ................................................................32 4.1. Hiện trạng lưới điện 500kV khu vực miền Nam và những năm tới ........32 4.2. Đánh giá ổn định điện áp lưới điện 500 kV khu vực miền Nam .............33 4.2.1. Sơ đồ lưới điện 500kV khu vực miền Nam ................................... 33 4.2.2. Chế độ vận hành cơ bản (base case) ............................................. 34 4.2.3. Chế độ sự cố một đường dây ........................................................ 38 4.2.4. Chế độ sự cố một máy phát .......................................................... 43 4.2.5. Chế độ sự cố tăng tải ................................................................... 49 4.2.6. Kết luận và nhận xét .................................................................... 55 CHƯƠNG V..............................................................................................................56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................56 SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang ii Mục Lục MỤC LỤC BẢNG Trang Bảng 4. 1. Giá trị điện áp tại các nút 500kV ở chế độ vận hành cơ bản ...................34 Bảng 4. 2.Các đường dây được cắt để tạo sự cố .......................................................38 Bảng 4. 3.Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi đứt đường dây NPP – Tân Định ......................................................................................41 Bảng 4. 4.Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi đứt đường dây ĐăkNông – PleiKu ..................................................................................41 Bảng 4. 5. Các nguồn phát được cắt để tạo sự cố .....................................................43 Bảng 4. 6. Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi mất đi máy phát ở nhà máy điện hạt nhân (G_NPP).................................................46 Bảng 4. 7. Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi mất đi máy phát ở nhà máy điện Phú Mỹ (G_Phú Mỹ) ............................................46 Bảng 4. 8. Các nút được chọn để tăng tải lên 50% ...................................................49 Bảng 4. 9. Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi tăng 50% tải ở nút Tân Định .....................................................................................51 Bảng 4. 10. Thông số điện áp của một số nút có điện áp thấp ở chế độ vận hành khi tăng 50% tải ở nút Hóc Môn .....................................................................................51 Bảng 4. 11. Bảng tổng hợp độ dự trữ công suất phản kháng Qmin tại các nút 500kV ứng với các trường hợp đã xét (MVAr) ....................................................................54 SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang iii Mục Lục MỤC LỤC HÌNH Trang Hình 1. 1. Các trạng thái làm việc của hệ thống điện .................................................2 Hình 1. 2. Đường dây liên kết hai hệ thống ................................................................4 Hình 1. 3. Sự phân loại các dạng ổn định hệ thống điện [10] .....................................7 Hình 1. 4. Sơ đồ hệ thống gồm hai máy điện đồng bộ ................................................8 Hình 1. 5. Sơ đồ tương đương .....................................................................................8 Hình 1. 6. Mối quan hệ giữa công suất và góc ............................................................8 Hình 1. 7. Góc lệch δ.................................................................................................10 Hình 1. 8. Đặc tính góc quay của rotor [4] ...............................................................10 Hình 2. 1. Đặc tính của hệ thống đơn giản [10] ........................................................14 Hình 2. 2. Tác động của việc mất khả năng kiểm soát điện áp của máy phát điện trung gian ............................................................................................................................16 Hình 2. 3. Đường cong P-V cơ bản ...........................................................................18 Hình 2. 4. Đường cong Q-V cơ bản ..........................................................................18 Hình 3. 1. Giao diện chính của phần mềm PSS/E.....................................................21 Hình 3. 2. Tạo một chế độ làm việc ..........................................................................22 Hình 3. 3. Các thông số của nút (bus) .......................................................................22 Hình 3. 4. Các thông số của đường dây (Branch) .....................................................23 Hình 3. 5. Các thông số của phụ tải (load) ................................................................23 Hình 3. 6. Các thông số của máy phát (machine) .....................................................24 Hình 3. 7. Các thông số của máy biến áp hai cuộn dây (2 – Winding) ....................25 Hình 3. 8. Các thông số của máy biến áp ba cuộn dây (3 – Winding)......................25 Hình 3. 9. Các thông số của Fixed Shunt ..................................................................27 Hình 3. 10. Các thông số của Switched Shunt ..........................................................27 Hình 3. 11. Cách tạo tự động các file subsystem, monitor, contingency ..................28 Hình 3. 12. File subsystem ........................................................................................29 Hình 3. 13. File monitor ............................................................................................29 Hình 3. 14. File contingency .....................................................................................29 Hình 3. 15. Giao diện phân tích P-V .........................................................................30 Hình 3. 16. Giao diện phân tích Q-V ........................................................................31 Hình 4. 1. Sơ đồ lưới điện 500 kV khu vực miền Nam ............................................33 Hình 4. 2. Sơ đồ thể hiện điện áp của lưới điện 500kV khu vực miền Nam ............35 Hình 4. 3. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành cơ bản .....................36 Hình 4. 4. Giá trị Qmin của các nút 500kV ở chế độ vận hành cơ bản ......................37 Hình 4. 5. Đường cong QV của một số nút ở chế độ vận hành cơ bản ....................38 Hình 4. 6. Đường cong PV của nút Di Linh ở nhiều chế độ vận hành khi cắt các đường dây khác nhau ............................................................................................................39 Hình 4. 7. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi đứt đường dây NPP – Tân Định .................................................................................................................40 SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang iv Mục Lục Hình 4. 8. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi đứt đường dây ĐăkNông – PleiKu ....................................................................................................42 Hình 4. 9. Giá trị Qmin của các nút 500kV ở chế độ vận hành khi cắt một mạch đường dây lộ kép NPP – Tân Định (Branch1) và cắt đường dây lộ đơn ĐăkNông – PleiKu (Branch2) ...................................................................................................................43 Hình 4. 10. Đường cong PV của nút Mỹ Phước ở nhiều chế độ vận hành khi cắt các máy phát khác nhau ...................................................................................................44 Hình 4. 11. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi mất đi máy phát ở nhà máy điện hạt nhân (G_NPP) ...............................................................................45 Hình 4. 12. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi mất đi máy phát ở nhà máy điện Phú Mỹ (G_Phú Mỹ) ..........................................................................47 Hình 4. 13. Giá trị Qmin của các nút 500kV ở chế độ vận hành khi cắt máy phát ở nhà máy điện hạt nhân (Machine1) và máy phát ở nhà máy điện Phú Mỹ (Machine2) ..48 Hình 4. 14. Đường cong PV của nút Tân Định ở nhiều chế độ vận hành khi tăng 50% tải ở nhiều nút khác nhau ..........................................................................................49 Hình 4. 15. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi tăng 50% tải ở nút Tân Định ....................................................................................................................50 Hình 4. 16. Đường cong PV của một số nút ở chế độ vận hành khi tăng 50% tải ở nút Hóc Môn ....................................................................................................................52 Hình 4. 17. Giá trị Qmin của các nút 500kV ở chế độ vận hành khi tăng tải 50% ở nút Tân Định (Load1) và Hóc Môn (Load2) ...................................................................53 SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang v Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Giới thiệu về ổn định trong hệ thống điện 1.1.1. Tổng quan về hệ thống điện a. Các khái niệm cơ bản Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác động lên hệ thống. Hệ thống phải được đảm bảo tính ổn định khi có tác động của những nhiễu này. Mỗi phần tử của hệ thống điện được đặc trưng bởi nhiều thông số như là tổng trở, tổng dẫn của đường dây, tỉ số biến áp…Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số 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, thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện. Các quá trình trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P… của hệ thống điện. Ta gọi chúng là các thông số chế độ. Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ mà các thông số của hệ thống điện không thay đổi hoặc chỉ thay đổi nhỏ xung quanh các giá trị định mức trong trong một khoảng thời gian ngắn. Trong thực tế, không tồn tại chế độ nào mà các thông số chế độ bất biến theo thời gian và hệ thống điện bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này có các thống số chế độ luôn biến đổi không ngừng. Chế độ xác lập là chế độ làm việc bình thường và lâu dài của hệ thống điện, chế độ sau sự cố khi hệ thống điện được phục hồi và làm việc tạm thời cũng là chế độ xác lập hay được gọi là chế độ xác lập sau sự cố. Chế độ quá độ là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường xảy ra sau những sự cố hoặc sau thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất. b. Cấu trúc của hệ thống điện Các thành phần cơ bản trong hệ thống điện:  Hệ thống AC ba pha vận hành ở điện áp không đổi. Các thiết bị ba pha được SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 1 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện sử dụng trong việc phát và truyền tải điện năng.  Máy điện đồng bộ được sử dụng trong việc phát điện.  Điện năng được truyền tải đến nơi tiêu thụ với khoảng cách xa. Phân loại hệ thống truyền tải điện: hệ thống truyền tải điện được chia thành ba loại:  Hệ thống truyền tải: kết nối tất cả các nhà máy điện và các trung tâm phụ tải trong hệ thống.  Hệ thống truyền tải phụ: truyền tải điện năng từ trạm truyền tải điện tới các trạm phân phối.  Hệ thống phân phối: truyền tải điện năng đến nơi tiêu thụ. c. Điều khiển hệ thống điện Một hệ thống điện được thiết kế và vận hành một cách thích hợp phải đáp ứng các điều kiện sau:  Hệ thống phải đáp ứng được sự thay đổi liên tục của nhu cầu phụ tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng.  Hệ thống nên cung cấp năng lượng ở mức chi phí thấp nhất và ít gây tác động đến hệ sinh thái.  Chất lượng điện năng phải đảm bảo các điều kiện về tần số, điện áp không đổi và mức độ tin cậy. Các trạng thái làm việc của hệ thống điện: trạng thái vận hành của hệ thống điện được chia thành các loại:  Trạng thái làm việc bình thường: tất cả các biến trong hệ thống hoạt động trong giới hạn cho phép và không bị quá tải. Hệ thống vận hành an toàn và có khả năng vượt qua sự cố.  Trạng thái cảnh báo: độ an toàn của hệ thống thấp hơn giới hạn cho phép do sự cố. Tuy nhiên, các biến của hệ thống vẫn nằm trong giới hạn cho phép.  Trạng thái khẩn cấp: nếu có sự cố trầm trọng xảy ra khi hệ thống đang trong trạng thái cảnh báo.  Trạng thái nguy hiểm: hệ thống bị mất điện hàng loạt hoặc một phần.  Quá trình khôi phục: tất cả các thiết bị được kết nối lại với lưới và hệ thống phụ tải được phục hồi. Bình thường Phục hồi Cảnh báo Nguy hiểm Khẩn cấp Hình 1. 1. Các trạng thái làm việc của hệ thống điện SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 2 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện d. Tiêu chuẩn thiết kế và vận hành ổn định hệ thống điện Tiêu chuẩn thiết kế đối với trường hợp sự cố: khi xảy ra sự cố 3 pha của máy phát, đường dây truyền tải, máy biến áp hoặc thanh cái thì thời gian khắc phục sự cố cần được xem xét:  Sự cố pha chạm đất của đường dây truyền tải được khắc phục trong thời gian bình thường.  Sự cố pha chạm đất của đường dây truyền tải, máy biến áp hoặc thanh cái với thời gian khắc phục sự cố bị trì hoãn do sự cố của CB, relay hoặc các kênh tín hiệu.  Sự ngừng hoạt động của các phần tử mà không có sự cố.  Sự cố pha chạm đất của CB được khắc phục trong thời gian bình thường.  Sự ngừng hoạt động của bất kỳ phần tử nào khi không có sự cố.  Sự mất nguồn của thiết bị DC. Đánh giá sự cố: mục tiêu của việc đánh giá sự cố là chỉ ra độ mạnh yếu của hệ thống điện và xác định tầm ảnh hưởng của các sự cố mặc dù xác suất xảy ra các sự cố là rất thấp. Các sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện:  Sự cố mất máy phát.  Sự cố mất đường đường dây kết nối từ các nhà máy điện, trạm đóng cắt.  Sự cố mất đường dây truyền tải.  Sự cố ba pha của máy phát, đường dây truyền tải, máy biến áp hoặc thanh cái liên quan tới thời gian khắc phục sự cố.  Việc giảm tải đột ngột ở các trung tâm phụ tải.  Dao động điện tăng dần do nhiễu.  Tác động nhầm của hệ thống bảo vệ như cắt máy phát, sa thải phụ tải hoặc cắt đường dây. Thiết kế hệ thống điện để đảm bảo tính ổn định:  Dựa vào đặc tính của toàn bộ hệ thống và từng phần tử trong hệ thống.  Ổn định hệ thống phải được xem xét ở các khía cạnh khác nhau.  Mỗi phẩn tử trong hệ thống đều có ảnh hưởng tới tính ổn định. Vì thế việc nắm rõ các đặc tính rất cần thiết cho việc phân tích ổn định của hệ thống điện. 1.1.2. Ổn định hệ thống điện Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu tác động nhiễu. Đây 1à điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể tồn tại và vận hành. Điều kiện cần để chế độ xác lập có thể tồn tại là sự cân bằng công suất (khi đó các thông số của hệ mới giữ được không thay đổi). Công suất do nguồn sinh ra phải bằng với công suất do các phụ tải tiêu thụ và công suất tổn thất ở các phần tử của hệ thống điện. SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 3 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện P phát = P phụ tải + ∆P (1.1) Q phát = Q phụ tải + ∆Q (1.2) Đồng thời phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên nhỏ (làm các thông số này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng) hoặc do tác động của những thao tác đóng cắt. Hệ thống điện cần phải chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập mới. Mục tiêu khảo sát ổn định của hệ thống điện: Xét khả năng ổn định của các chế độ vận hành có thể xảy ra đối với hệ thống điện. Nếu khả năng đó không đủ yêu cầu thì phải thực hiện các biện pháp tăng cường để cho hệ thống điện ổn định. Khả năng ổn định của hệ thống điện được thể hiện bằng độ dự trữ ổn định, đây là đại lượng phản ánh sự so sánh giữa trạng thái ổn định và trạng thái giới hạn ổn định. Trạng thái giới hạn ổn định đặc trưng bởi các thông số giới hạn Pgh, Qgh, Ugh, δgh… Xét trường hợp đường dây liên kết hai hệ thống với điện áp U1 và U2 được giữ không đổi, δ là góc lệch pha giữa U1 và U2 (hình 1.2). Quan hệ giữa công suất truyền tải trên đường dây với góc lệch: P(δ)= U1 U2 Xd sinδ (1.3) Trong đó: Xd: điện kháng tổng của đường dây truyền tải, bỏ qua điện trở và điện dung. Giới hạn truyền tải công suất tối đa: Pm = U1 U2 (1.4) Xd Biểu thức của Pm cho thấy giới hạn tối đa công suất truyền tải phụ thuộc vào điện kháng đường dây và trị số điện áp tại các nút. Chỉ số giới hạn truyền tải công suất tối đa có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với khoảng cách truyền tải tương đối xa. Khi chế độ làm việc của máy phát thay đổi hoặc do sự cố dẫn đến sự phân bố lại công suất, có thể xuất hiện khả năng công suất truyền tải vượt quá công suất giới hạn Pm khi đó hệ thống điện sẽ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng, các máy phát quay theo những tốc độ khác nhau. Nói cách khác hệ thống điện sẽ mất ổn định đồng bộ. Giới hạn ổn định là một trong những điều kiện cần để tồn tại chế độ xác lập của hệ thống điện. U1 Hệ thống 1 ∆U Hệ thống 2 Đường dây U1 δ U2 U2 I Hình 1. 2. Đường dây liên kết hai hệ thống SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 4 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện 1.1.3. Hậu quả của sự cố mất ổn định và những yêu cầu đảm bảo tính 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 re1ay tác động nhầm làm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.  Cắt nối tiếp các nguồn, các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống điện. Quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện trong những thời gian dài vì cần phải khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các nguồn phát. Một số ví dụ về sự mất ổn định:  Tháng 7-1977, tại Mỹ do sự mất ổn định hệ thống điện đã làm mất điện thành phố NewYork 10 triệu dân trong hàng chục giờ liền. Hệ thống bị tan rã, khôi phục lại được hoàn toàn phải sau 24 giờ.  Tháng 12-1978, tại Pháp sự cố mất ổn định hệ thống điện dẫn đến tách hệ thống ra làm 5 phần, cắt 65 tổ máy phát lớn và làm ngưng cung cấp điện ở nhiều khu vực quan trọng. Do hậu quả nghiêm trọng của sự mất ổn định, khi thiết kế và vận hành hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:  Hệ thống cần có ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố.  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.  Hệ thống cần phải 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 giữ 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 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 quá trình quá độ diễn ra đủ ngắn [1]. 1.1.4. Sơ lược về lịch sử phát triển và các phương pháp nghiên cứu ổn định Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ổn định đã có một lịch sử phát triển tương đối dài, từ những năm 20 của thế kỷ thứ XX. Năm 1928 nhà bác học Mỹ R.Park lần đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu ổn định hệ thống điện dựa trên cơ sở thiết lập hệ phương trinh vi phân quá trình quá độ điện cơ của các máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ quay. SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 5 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện 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 Park-Goriev). 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 áp dụng cho hệ thống điện. Trước hết phải kể đến các phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng 1ượng (còn gọi 1à tiêu chuẩn năng lượng). Phương pháp khá đơn giản, nhận được kết quả đúng và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên 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 sau này, đó là phương pháp ổn định đối với các hệ vật lý nói chung của AM.Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc biệt là phương pháp dao động bé. Chính P.S.Gidanov cũng đã nghiên cứu khá sâu sắc phương pháp dao động bé đối với ổn định hệ thống điện đơn giản cũng như phức tạp. Dựa trên tiêu chuẩn ổn định chu kỳ IM. Markivits cũng đã chứng minh bản chất của các tiêu chuẩn cân bằng năng 1ượng: chúng chính 1à trường hợp riêng đảm bảo ổn định phi chu kỳ. Hạn chế của tiêu chuẩn này (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 [1]. 1.2. Phân loại ổn định trong hệ thống điện Việc phân loại ổn định hệ thống điện ở đây là dựa vào các yếu tố:  Các đặc tính tự nhiên của sự mất ổn định trong hệ thống điện.  Độ lớn của sự cố.  Thiết bị, quá trình và thời gian phải được xem xét để xác định sự ổn định.  Phương pháp tính toán và dự đoán thích hợp nhất cho sự ổn định. Ổn định hệ thống điện được chia thành: ổn định góc rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp. SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 6 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện Ổn định hệ thống điện Ổn định góc rotor Ổn định tần số Ổn định với nhiễu nhỏ Ổn định với nhiễu lớn Hệ thống trở lại vị trí cân bằng cũ hoạt tiến đến vị trí cân bằng lân cận. - Hệ thống phục hồi trạng thái cân bằng chấp nhận được. -Thời gian nghiên cứu là 3-5s nhưng đối với hệ thống lớn là 10-20s. Mất ổn định phi chu kỳ Mất ổn định dao động (không đủ moment đồng bộ hóa) (không đủ moment giảm sóc, hoạt động điều khiển không ổn định) Ổn định điện áp Ổn định với nhiễu nhỏ -Gần như ổn định. -Sự cố. Trung hạn Dài hạn -Sự cố nghiêm trọng. -Sai lệch tần số và điện áp lớn. -Thời gian nghiên cứu vài phút. -Tần số hệ thống đồng đều. -Thời gian nghiên cứu trên 10 phút. Ổn định với nhiễu lớn -Các sự kiện đóng cắt. -Sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ và điều khiển. Hình 1. 3. Sự phân loại các dạng ổn định hệ thống điện [10] SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 7 Chương I: Giới thiệu và phân loại ổn định trong hệ thống điện 1.2.1. Ổn định góc rotor Mối quan hệ giữa công suất và góc Đặc tính truyền tải công suất của một hệ thống gồm hai máy điện đồng bộ được thể hiện như sau: Máy 1 Máy 2 Đường dây G M Hình 1. 4. Sơ đồ hệ thống gồm hai máy điện đồng bộ XG XL XM I GG GM Hình 1. 5. Sơ đồ tương đương Công suất truyền từ máy phát đến động cơ: P= Trong đó: EG EM XT sinδ (1.5) XT = X G + X L + X M δ = δG + δL + δM (1.6) (1.7) P δ Hình 1. 6. Mối quan hệ giữa công suất và góc SVTH: Nguyễn Tấn Đạt Trang 8