Tài liệu Luận văn cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- PHẠM THANH HƯNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- PHẠM THANH HƯNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HÙNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20... NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Thanh Hưng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện. - Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện chấ điện áp. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK. - Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên phần mềm MATLAB/ SIMULINK. - Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện chất lượng điện áp trong chế độ xác lập. - Nhận xét, đánh giá kết quả. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Hùng CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Phạm Thanh Hưng LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM, Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn. Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Nguyễn Hùng đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Phạm Thanh Hưng Tóm tắt Đề tài "Cải thiện ổn định điện áp cho lưới phân phối dùng thiết bị bù ngang" đã giải quyết các vấn đề sau: - Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện. - Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện ổn định điện áp. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK. - Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC & STATCOM vào hệ thống điện trên phần mềm MATLAB/ SIMULINK nhằm cải thiện ổn định điện áp. - Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiệnổn định điện áp trong chế độ xác lập. - Nhận xét và đánh giá kết quả. Abstract The thesis "Voltage stability improvement for delivery power systems by using parallel compensators" has solved the following issues: - Review the voltage stability of power systems. - Review the SVC and STATCOM; and their applications for power systems to improve voltage stability. - Research how to use MATLAB/SIMULINK software. - Simulations for SVC and STATCOM applications to power systems by using MATLAB/SIMULINK software to improve voltage stability. - Apply the proposal for the delivery power system of U Minh District to improve voltage stability in the steady state. - Comment and evaluate the simulation results. i MỤC LỤC Mục lục....................................................................................................... i Danh sách hình vẽ ..................................................................................... iii Danh sách bảng .........................................................................................vi Chương 1 - Giới thiệu chung ....................................................................1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................1 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ..........................................................................2 1.3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................2 1.4. Giới hạn đề tài .....................................................................................3 1.5. Điểm mới của luận văn .......................................................................3 1.6. Phạm vi ứng dụng ...............................................................................3 1.7. Bố cục của luận văn .............................................................................3 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện .............4 2.1. Giới thiệu ...........................................................................................4 2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ................................................5 2.3. Tổng quan về ổn định hệ thống điện ....................................................8 2.4. Ổn định điện áp trong hệ thống điện .................................................. 16 Chương 3 - Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ thống điện .............................................................................. 24 3.1. Bù công suất phản kháng ................................................................... 24 3.2. Thiết bị FACTS ................................................................................ 29 3.3. Thiết bị bù SVC ................................................................................ 30 3.4. Thiết bị bù STATCOM ..................................................................... 47 3.5. Bộ điều khiển công suất trên các thiết bị bán dẫn .............................. 52 3.6. Hệ thống điều khiển STATCOM ....................................................... 62 3.7. Đặc tính bù của STATCOM .............................................................. 64 ii 3.8. Ứng dụng của STATCOM ................................................................ 65 Chương 4 - Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ thống điện .............................................................. 68 4.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink ............................. 68 4.2. Mạng điện phân phối Huyện U Minh - Cà Mau ................................. 69 4.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................. 70 4.3.1. Lưới điện hiện hữu với tụ bù được lắp đặt ...................................... 70 4.3.2. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù SVC ................................. 77 4.3.3. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù STATCOM ...................... 85 Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................ 100 5.1. Kết luận ........................................................................................... 100 5.2. Hướng phát triển tương lai ............................................................... 100 Tài liệu tham khảo ................................................................................ 101 iii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Sự ổn định của hệ cơ học ............................................................9 Hình 2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện ................................................ 11 Hình 2.3. Hệ thống điện 2 nguồn và 2 đường dây song song .................... 13 Hình 2.4. Đường cong công suất - góc ..................................................... 14 Hình 2.5. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định (b) .......................................................................... 15 Hình 2.6. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé (a), hệ thống ổn định dao động (b), hệ thống mất ổn định (c) ......................... 15 Hình 2.7. Đặc tuyến P-V điển hình .......................................................... 23 Hình 2.8. Đặc tuyến Q-V điển hình .......................................................... 23 Hình 3.1. Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản, (b) giản đồ pha, (c) đường công suất – góc ........................................................................ 25 Hình 3.2. Nguyên lý bù công suất phản kháng ......................................... 26 Hình 3.3. Giản đồ véc-tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản kháng ....................................................................................................... 27 Hình 3.4. Giản đồ vec-tơ công suất của bù công suất phản kháng ............ 27 Hình 3.5. Sơ đồ tương đương của SVC .................................................... 31 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor ................................................... 31 Hình 3.7. Đồ thị dòng điện tải .................................................................. 32 Hình 3.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR ................................. 34 Hình 3.9. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ....................................... 35 Hình 3.10. Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR ........... 36 Hình 3.11. Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR ............................ 37 Hình 3.12. Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt .................... 40 Hình 3.13. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ................................ 41 Hình 3.14. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC .................................. 42 Hình 3.15. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ............................... 43 iv Hình 3.16. Hệ thống điều khiển các van trong SVC ................................. 44 Hình 3.17. Đặc tính U-I của SVC ............................................................. 45 Hình 3.18. Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ................ 46 Hình 3.19. Mạch điện tương đương của STATCOM ................................ 48 Hình 3.20. Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................. 49 Hình 3.21. Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ................................ 49 Hình 3.22. Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................. 51 Hình 3.23. Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ................ 52 Hình 3.24. Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ..................... 52 Hình 3.25. Thiết bị bán dẫn ...................................................................... 53 Hình 3.26. Cấu trúc liên kết của một VSC ba pha haicấp sử dụng IGBT55 Hình 3.27. Hoạt động của PWM .............................................................. 57 Hình 3.28. Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) “một chân” ........................ 59 Hình 3.29. Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM ............................................. 59 Hình 3.30. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM ................................. 60 Hình 3.31. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ............................................... 61 Hình 3.32. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ............................................... 61 Hình 3.33. Hoạt động của VSC ................................................................ 62 Hình 3.34. Hệ thống điều khiển của STATCOM ...................................... 64 Hình 3.35. Đặc tuyến V – I của STATCOM ............................................ 65 Hình 3.36. Đặc tuyến V – Q của STATCOM ........................................... 66 Hình 4.1. Sơ đồ đơn tuyến lưới điện hiện hữu lắp tụ bù ............................ 70 Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của lưới điện hiện hữu lắp tụ bù ..................... 71 Hình 4.3. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp tụ bù ...................... 73 Hình 4.4. Đường điện áp V (bus B2) trước và sau lắp tụ bù ...................... 74 Hình 4.5. Đường điện áp V (bus B3) trước và sau lắp tụ bù ...................... 74 Hình 4.6. Đường điện áp V (bus B4) trước và sau lắp tụ bù ...................... 75 Hình 4.7. Đường điện áp V (bus B5) trước và sau lắp tụ bù ...................... 76 Hình 4.8. Đường điện áp V (bus B6) trước và sau lắp tụ bù ...................... 76 Hình 4.9. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp SVC .................................................... 77 v Hình 4.10. Sơ đồ mô phỏng khi lắp SVC .................................................. 78 Hình 4.11. Hệ thống điều khiển của SVC.................................................. 81 Hình 4.12. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp SVC..................... 81 Hình 4.13. Đường điện áp V (bus B2) trước và sau lắp SVC..................... 82 Hình 4.14. Đường điện áp V (bus B3) trước và sau lắp SVC..................... 82 Hình 4.15. Đường điện áp V (bus B4) trước và sau lắp SVC..................... 83 Hình 4.16. Đường điện áp V (bus B5) trước và sau lắp SVC..................... 83 Hình 4.17. Đường điện áp V (bus B6) trước và sau lắp SVC..................... 84 Hình 4.18. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp STATCOM ....................................... 85 Hình 4.19. Sơ đồ mô phỏng khi lắp STATCOM ....................................... 85 Hình 4.20. Cấu tạo D - STATCOM........................................................... 88 Hình 4.21. Hệ thống điều khiển D – STATCOM ...................................... 89 Hình 4.22. Đường điện áp B1 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 90 Hình 4.23. Đường điện áp B2 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 90 Hình 4.24. Đường điện áp B3 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 91 Hình 4.25. Đường điện áp B4 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 92 Hình 4.26. Đường điện áp B5 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 92 Hình 4.27. Đường điện áp B6 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 93 Hình 4.28. Đường điện áp B1 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 94 Hình 4.29. Đường điện áp B2 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 95 Hình 4.30. Đường điện áp B3 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 95 Hình 4.31. Đường điện áp B4 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 96 Hình 4.32. Đường điện áp B5 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 97 Hình 4.33. Đường điện áp B6 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 97 1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do nó cóưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác. Hơnnữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất. Ở Việt Nam, trong những năm qua sự hội nhập về kinh tế dẫn đến nhu cầu điện năng là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu về điện năng thì hệ thống điện cũng ngày càng phát triển về quy mô lẫn công nghệ. Tuy nhiên, sự xuất hiện nhiều nhà máy thủy điện và nhiệt điện cũng làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống. Chúng ta biết rằng 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. Khi hệ thống điện mất ổn định, các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần cắt ra ảnh hưởng đến công suất của hệ thống; tần số hệ thống thay đổi ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ; điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải,…như vậy hậu quả có thể phải cắt hàng loạt tổ máy, phụ tải, có thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng cho nền kinh tế. Trong chế độ vận hành xác lập, chế độ làm việc cơ bản của hệ thống điện, hệ thống điện có thể mất ổn định áp do tải biến động hay thay đổi cấu trúc lưới…, hiện tượng này xảy ra là bình thường và liên tục, tuy nhiên nếu không 2 giải quyết thì các biến động nhỏ đó có thể phát triển thành lớn gây sự cố cho hệ thống điện, vì vậy cần có biện pháp điều chỉnh, hỗ trợ tương ứng để hạn chế gây thiệt hại và ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động phụ tải tiêu thụ điện. Việc nghiên cứu hệ thống điện và lý thuyết ổn định điện áp là cơ sở để lựa chọn và ứng dụng các thiết bị điện phù hợp để ngăn ngừa các sự cố xảy ra với hệ thống điện đồng thời nâng cao chất lượng điện năng và vận hành ổn định lưới điện. Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề tài “Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang” nhằm nghiên cứu lý thuyết ổn định áp và nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS như SVC và STATCOM vào hệ thống điện để nâng cao chất lượng điện áp mà bao gồm ổn định biên độ điện áp; và giảm các hiện tượng chập chờn và nhấp nháy trong lưới điện. 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ - Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện. - Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện ổn định điện áp. - Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên phần mềm MATLAB/SIMULINK để cải thiện ổn định điện áp. - Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện ổn định điện áp trong chế độ xác lập. 1.3. Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết ổn định áp hệ thống điện. - Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện ổn định điện áp. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK. 3 - Nghiên cứu ứng dụng SVC và STATCOM trên mô hình lưới điện phân phối huyện U Minh. - Nhận xét và đánh giá kết quả. 1.4. Giới hạn đề tài Xét một hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập. 1.5. Điểm mới của luận văn Ứng dụng SVC và STATCOM vào mạng điện thực cho các khảo sát liên quan đến ổn định biên độ điện áp và giảm thấp dao động (nhấp nháy) của lưới điện tại nút đặt SVC và STATCOM. Hệ thống điện được mô phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK. 1.6. Phạm vi ứng dụng - Ứng dụng cho một lưới điện phân phối bất kỳ. - Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện. 1.7. Bố cục của luận văn Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện Chương 3: Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ thống điện Chương 4: Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ thống điện Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai 4 Chương 2 Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện 2.1. Giới thiệu Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của mạng lưới hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ điện áp. Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là hệ thống điện không có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong mạng. Các thông số có liên quan đến sụp đổ điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng cùng với điện dung, điện kháng của mạng lưới điện. Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Trên thế giới đã ghi nhận được nhiều sự cố mất điện lớn do sụp đổ điện áp gây ra như tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày 28/8/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003,... Ổn định điện áp đã được quan tâm, nghiên cứu ởnhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam cũng đã xảy ra nhiều lần sự cố mất điện trên diện rộng, chẳng hạn như vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và 04/9/2007. Do điện là yếu tố then chốt của sản xuất, nhiều nước trên thế giới không còn tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ mà là đơn vị phút. Vì vậy, việc phân tích ổn định điện áp ở Việt Nam cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa và có những biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp. 5 2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện 2.2.1. Các chế độ Tập hợp các quá trình điện 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 U, I, P, Q, f, δ,... Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là hàm số của thời gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số chế độ, ta có các chế độ làm việc của hệ thống điện như sau: + Chế độ xác lập: Trong đó các thông số chế độ dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số. Trong chế độ xác lập còn được phân thành: - Chế độ xác lập bình thường: chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện. Hệ thống điện được thiết kế để làm việc với các chế độ xác lập này. Với chế độ xác lập bình thường yêu cầu thõa mãn các tiêu chí sau: Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộdùng điện và điều kiện của hệ thống điện. Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. Đảm bảoan toàn điện: phả đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bịphân phối điện. - Chế độ xác lập sau sự cố: chếđộ đã được tính trước vì sựcốlà không thểtránh khỏi trong vận hành hệ thống điện, các chỉtiêu nhưchếđộ xác lập bình thường nhưng giảm đi. - Chếđộ sự cố xác lập: yêu cầu không được phép gây hại và duy trì quá thời hạn cho phép. + Chế độ quá độ Các thông số biến thiên mạnh theo thời gian. 6 - Chế độ quá độ bình thường: xảy ra thường xuyên khi hệ thống điện chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, yêu cầu kết thúc nhanh và các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép. - Chế độ quá độ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện yêu cầu không gây hại cho hệ thống điện loại trừ nhanh nhất có thể. 2.2.2. Chế độ xác lập bình thường Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của hệ thống điện. Pf = Ppt + ∆P = P (2.1) Qf = Qpt + ∆Q = Q (2.2) Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy, tần số của hệ thống điện có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD. Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK. Trong hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thõa mãn. Khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép. Điều kiện đủ: CĐXL luôn bị kích động bởi các kích động lớn, nhỏ do sự biến đổi không ngừng của phụ tải và sự cố các loại. Các kích động nhỏ xảy ra liên tục, tác động vào cân bằng công suất tác dụng trên máy phát điện và cân bằng công suất ở các nút phụ tải, cho nên chế 7 độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động này. Nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định tĩnh và ổn định điện áp, tức khả năng phục hồi chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.Đây chính là điều kiện đủ để chế độ xác lập tồn tại. Nếu muốn tồn tại lâu dài, hệ thống điện phải chịu được các kích động lớn, nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định động, tức khả năng phục hồi chế độ xác lập sau khi bị kích động lớn. Chế độ xác lập được dùng trong thực tế phải thõa mãn điều kiện ổn định tĩnh và ổn định động. a. Ổn định tĩnh Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của thiết bị điều chỉnh,…Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động. CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh. Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh: ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế. b. Ổn định động Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch,…Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất Cơ – Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.