Tính toán phân tích ổn định động của hệ thống điện Việt nam theo mô hình chi tiết có xét đến khả năng ứng dụng TCSC628

Mô hình hệ thống tự động điều khiển các máy phát trong nghiên cứu tính toán QTQĐ của HTĐ Việt Nam ...54 2.3.1.. Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản hoá cấu trúc hệ thống, áp dụng trong

-

Th ạch ễ L K hiêm

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu khoa häc cña riªng t«i C¸c kÕt qu¶ nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận án, ngoài nổ lực nghiên cứu của bản thân, tác giả đã nhận

được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ từ các thầy giáo , cô giáo và các đơn vị cơ quan Tác giả vô cùng biết ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học : Giáo sư Tiến sỹ Lã Văn út trong suốt thời gian làm luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn vì sự giúp đỡ nhiệt tình và những ý kiến đóng góp tập thể thầy cô giáo bộ môn Hệ thống điện - Trường Đậi học Bách Khoa Hà Nội trong việc hoàn thiện, nâng cao chất lượng luận án

Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Bách Khoa Hà nội, Trung tâm Đào tạo bồi dưỡng sau Đại học - Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã tạo mọi điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án

Xin chân thành cảm ôưn các anh chị trong Tổng Công ty Điện lực Việt nam, Ban kỹ thuật lưới điện, nguồn điện, Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia có những

ý kiến đóng góp, những thông tin, tư liệu cần thiết về hệ thống điện Việt nam

Xin chân thành cảm ơn sự động viên giúp đỡ vô cùng quý báu của gia đình, bạn bè, cơ quan mà nhờ đó tác giả có thêm nhiều thời gian hoàn thành luận án

Tác giả luận án

danh môc c¸c ch÷ viÕt t¾t

TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor

SVC : Static Var Compensator

HVDC : High Voltage Direct Current Transmission PSS : Power System Stabilizer

AVR : Auto-Voltage Regulator

SEP : Stable Equilibrium Point

COI : Center of Inertia

IEEE : Institute of Electrical and Electronic Engineers IEC : International Electrotechnical Commission NLDC : National Load Dispatching Center

EVN : Electricity of Viet Nam

mục lục

0.1 Đặc điểm của hệ thống điện hiện đại và các yêu cầu liên quan

đến bài toán phân tích điều khiển ổn định 4

0.2 Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản hoá cấu trúc hệ thống, áp dụng trong tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện .5

0.3 Sự phát triển của HTĐ Việt Nam và vấn đề tính toán phân tích ổn định động 6

0.4 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu của luận án 8

0.5 Phương pháp nghiên cứu .9

0.6 Lĩnh vực ứng dụng .9

0.7 Bố cục của luận án .10

Chương 1 Tổng quan về mô hình và các phương pháp tính toán phân tích ổn định động của hệ thống điện phức tạp 11

1.1 ổn định động và mô hình nghiên cứu ổn định động hệ thống điện 11

1.2 Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản hoá QTQĐ khi nghiên cứu ổn định động hệ thống điện 16

1.2.1 Các thành cơ bản của mô hình chi tiết 16

1.2.2 Nghiên cứu QTQĐ theo các mức đơn giản hóa mô hình khác nhau 24

1.3 ảnh hưởng của các phương tiện tự động điều chỉnh điều khiển đến QTQĐ 30

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động 35

1.4.1 Phương pháp tích phân số 35

1.4.2 Phương pháp trực tiếp và ứng dụng nghiên cứu ổn định động hệ thống điện 38

1.5 Vấn đề nâng cao ổn định động HTĐ 41

Kết luận chương 1 44

Chương 2 Mô hình động các phần tử điều chỉnh điều khiển trong tính toán phân tích quá trình quá độ hệ thống điện 45

2.1 Hệ thống kích từ và TĐK 45

2.2 Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay tua-bin 51

2.3 Mô hình hệ thống tự động điều khiển các máy phát trong nghiên cứu tính toán QTQĐ của HTĐ Việt Nam 54

2.3.1 Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều khiển kích từ các máy phát nghiên cứu QTQĐ của HTĐ Việt Nam 54

2.3.2 Giới thiệu mô hình hệ thống kích từ và hệ thống tự động điều khiển kích từ máy phát Hoà Bình 56

2.3.3 Giới thiệu mô hình hệ thống kích từ của các nhà máy khác 59

2.3.4 Giới thiệu mô hình hệ thống tự động điều khiển tốc độ quay tuabin các máy phát 62

2.4 Mô hình động một số thiết bị của hệ thống truyền tải điện (FACTS) trong tính toán phân tích ổn định 64

2.4.1 Mô hình điều khiển TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor 65

2.4.2 Mô hình điều khiển SVC- Static Var Compensator 69

2.5 Giới thiệu về ch ơng trình PSS/E và khả ư năng mô phỏng động hệ thống điện 71

Kết luận chương 2 73

Chương 3 Tính toán phân tích ổn định động của hệ thống điện Việt Nam 74

3.1 Mục đích và nội dung tính toán phân tích 74

3.2 Sơ đồ và trạng thái vận hành của HTĐ Việt Nam 75

3.3 Các tình huống tính toán 82

3.4 Tính toán phân tích và đánh giá ổn định độngHệ thống điện Việt Nam theo sơ đồ giai đoạn năm 2004 86

3.4.1 Chế độ xác lập trước sự cố 86

3.4.2 Kết quả tính toán và đánh giá ổn định động 91

3.4.3 Nhận xét kết quả: 109

3.5 Tính toán phân tích và đánh giá ổn định động Hệ thống điện Việt Nam theo sơ đồ giai đoạn năm 2010 110

3.5.1 Chế độ xác lập trước sự cố 110

3.5.2 Kết quả tính toán và đánh giá ổn định động 113

3.5.3 Nhận xét kết quả 117

Kết luận chương 3 118

Chương 4 Nghiên cứu hiệu quả áp dụng các thiết bị bù dọc có điều khiển để nâng cao ổn định động 120

4.1 Vấn đề lựa chọn tác động điều khiển đảm bảo hiệu quả nâng cao ổn định động 120

4.2 Hiệu quả điều khiển của TCSC tác động đóng cắt 122

4.3 Hiệu quả điều khiển của TCSC tác động liên tục 125

4.4 Nhận xét về hiệu quả tác động điều khiển TCSC 126

4.5 Nghiên cứu hiệu quả áp dụng thiết bị TCSC nâng cao ổn định động cho HTĐ Việt Nam 127

4.5.1 Hiện trạng về vấn đề điều khiển OĐĐ HTĐ Việt Nam 127

4.5.2 Những nét thuận lợi về ứng dụng tụ bù dọc (TCSC) điều khiển để nâng cao ổn định động HTĐ Việt Nam 128

4.5.3 Các tính toán phân tích TCSC trên hệ thống truyền tải 500kV HTĐ Việt Nam 129

4.5.4 Một số kết quả diễn biến quá trình quá độ dưới tác động điều khiển TCSC 131

Kết luận chương 4 146

Kết luận chung 131 Tài liệu tham khảo

ổn định hệ thống sẽ không còn áp dụng được các mô hình và thuật toán đơn giản nh vẫn trình bầy trong các tài liệu kiư nh điển [27,54,55,56] Trong khi đó các yêu cầu đảm bảo về tính ổn định, độ tin cậy làm việc hệ thống lại đòi hỏi ngày càng cao hơn Các trang thiết bị tự động điều chỉnh điều khiển được áp dụng cho mục đích này trở thành xu hướng tất yếu trong các HTĐ hiện đại :

áp dụng các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK) tác động mạnh, các bộ

ổn định công suất (PSS), các thiết bị điều tốc chất lượng cao trang bị cho các máy phát công suất lớn, các thiết bị bù tĩnh điều chỉnh nhanh SVC, TCSC được lắp đặt trên lưới truyền tải với mục đích nâng cao ổn định Những thay

đổi này làm phức tạp thêm nhiều cho các bài toán phân tích và điều khiển hệ thống điện

0.2 Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản hoá cấu trúc hệ thống, áp dụng

trong tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện

Để nghiên cứu các đặc trưng động của HTĐ người ta có thể áp dụng mô hình đầy đủ (chi tiết) hoặc mô hình đơn giản hóa quá trình quá độ (QTQĐ) Mô hình đơn giản hóa : là mô hình nhận được sau khi áp dụng những phép thay thế xấp xỉ tương đương:

- áp dụng phép đẳng trị sơ đồ: từ sơ đồ phức tạp đưa về sơ đồ hệ thống xấp xỉ tương đương gồm 1 hoặc 2 máy phát đẳng trị;

- Chấp nhận gần đúng hiệu quả tác động của các thết bị tự động điều chỉnh điều khiển, ví dụ coi TĐK tác động tỉ lệ giữ được sức điện động quá độ E'q không đổi, TĐK tác động mạnh giữ được điện áp đầu cực máy phát không

đổi , công suất tua-bin là hằng số

Mô hình chi tiết : xét đến diễn biến QTQĐ trong các bộ tự động điều chỉnh điều khiển, hệ thống có nhiều máy phát làm việc trong sơ đồ đầy đủ của cấu trúc lưới

Tùy theo đặc điểm của HTĐ và mục đích nghiên cứu người ta có thể phối hợp các phép đơn giản hóa trên để định dạng mô hình:

a) Xét cấu trúc đầy đủ theo sơ đồ nhưng áp dụng mô hình gần đúng của các

bộ tự động điều chỉnh điều khiển;

b) áp dụng cấu trúc đẳng trị đơn giản sơ đồ hệ thống nhưng xét đầy đủ mô hình các bộ tự động điều chỉnh điều khiển;

c) Đơn giản hóa cả sơ đồ cấu trúc hệ thống và các thiết bị tự động điều chỉnh

phát) vẫn không làm thay đổi cơ bản các đặc trưng của quá trình (dạng c) Hiệu ứng tác động và hiệu quả của các thiết bị điều tốc và TĐK có dạng đơn

điệu có thể thay thế được như những đường thẳng hoặc đường cong xấp xỉ Việc nghiên cứu phân tích sẽ đơn giản đi nhiều trong khi vẫn giữ được độ chính xác cần thiết

Với HTĐ hiện đại phức tạp hiện nay, nói chung phép đơn giản hóa chỉ có thể áp dụng rất hạn chế trong một số trường hợp cụ thể Ví dụ, đánh giá sơ bộ tính ổn định hệ thống khi thiết kế mở rộng lưới điện và nguồn (có thể áp dụng mô hình dạng a), khi nghiên cứu chỉnh định các thiết bị tự động lần đầu làm việc trong hệ thống (có thể sử dụng mô hình dạng b)

Để nghiên cứu ổn định phục vụ các mục đích bảo vệ và vận hành, nói chung cần sử dụng các mô hình đầy đủ

0.3 Sự phát triển của HTĐ Việt Nam và vấn đề tính toán phân tích ổn

định động

Hệ thống 500kV gồm đường dây truyền tải dài gần 1500 km và các trạm biến áp Hoà Bình, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, Phú Lâm đã liên kết hệ thống điện Việt Nam thành một hệ thống hợp nhất từ năm 1994 Hệ thống 500kV đã làm thay đổi đáng kể về mặt cấu trúc hệ thống điện Việt Nam Bên cạnh những ưu việt của hệ thống lớn như tạo điều kiện hỗ trợ công suất tác dụng giữa các khu vực, nâng cao hiệu quả vận hành kinh tế, đảm bảo độ tin cậy về cung cấp điện và chất lượng điện năng đến hộ tiêu thụ; hệ thống điện Việt Nam ngày càng trở nên hết sức phức tạp về mặt cấu trúc, đa dạng về công nghệ phát điện và quy mô công suất nguồn, đặc biệt bao gồm những tổ máy

có công suất lớn Ngoài ra, tính phức tạp của sơ đồ lưới, xác suất sự cố xảy ra

lớn từ các đường dây dài 500kV đã ảnh hưởng nhiều đến tính chất chung về

ổn định của hệ thống điện

Nhận rõ vai trò quan trọng của vấn đề này, ngay từ giai đoạn thiết kế

đường dây siêu cao áp 500 kV nhiều cơ quan thiết kế và tư vấn trong và ngoài

nước đã tiến hành tính toán phân tích các đặc trưng ổn định của HTĐ hợp nhất Việt Nam [1, 5, 13, 15, 18] Ngoài các tính toán của các chuyên gia Việt Nam,

các nghiên cứu của tư vấn Nippon Koei (Nhật) [80,81], PPI/SECVI (úc)

[14,57], Tractebel (Bỉ) [63] về ổn định quá độ của HTĐ Việt Nam sau khi liên kết đường dây 500kV đã đưa ra được những kết quả quan trọng, giúp lựa chọn hợp lý các phương án kết dây và lắp đặt hệ thống các thiết bị bù Tuy nhiên các tính toán đều được thực hiện dựa trên các mô hình có những mức độ đơn giản hóa hệ thống nhất định

Hơn nữa, từ sau khi đường dây đ ợc đưa vào vận hành đến nay cấu trúc ư

hệ thống điện Việt Nam đã thay đổi nhiều cả về quy mô công suất nguồn, cũng như sơ đồ lưới điện, ảnh hưởng nhiều đến tính chất ổn định động của hệ thống điện QTQĐ sau sự cố của hệ thống nhiều tổ máy lớn như nước ta hiện

nay diễn ra là hết sức phức tạp Trong thực tế vận hành, đã có hiện tượng của nhiều sự cố mà sau đó dẫn đến hệ thống bị tan rã, nguyên nhân chắc chắn có liên quan nhiều đến vấn đề mất ổn định hệ thống

Mặt khác theo Tổng sơ đồ phát triển của HTĐ Việt Nam (đến năm 2010) lưới 500 kV của Việt Nam sẽ tăng trưởng trên một phạm vi rất rộng: từ

nhà máy thủy điện Sơn La đến Cà Mau với tổng chiều dài lên đến trên 5000

km Nhiều nhà máy điện lớn sẽ được đưa vào vận hành như thủy điện Sơn La, Quảng Ninh, Nhơn Trạch, Ô Môn Vấn đề tính toán phân tích hiệu quả áp dụng các phương tiện điều chỉnh điều khiển như SVC, TCSC cũng đang

được quan tâm đặc biệt Mục đích là nâng cao độ tin cậy làm việc và ổn địnhcho hệ thống

Những đặc điểm vừa nêu đã thể hiện một yêu cầu cấp thiết phải có những nghiên cứu cơ bản về các vấn đề ổn định hệ thống, đặc biệt những nghiên cứu về các đặc trưng động của hệ thống điện phức tạp tương ứng với sơ

đồ HTĐ Việt Nam phát triển sau năm 2010 Có thể nói, cho đến nay những

tính toán nghiên cứu về những nội dung này còn rất hạn chế, thiếu những

nghiên cứu nghiêm túc về ổn định động hệ thống tương ứng với các thông số

và sơ đồ đặc trưng của HTĐ Việt Nam

0.4 Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu của luận án

Từ hiện trạng và nhiều vấn đề của hệ thống điện Việt Nam cần được quan tâm như đã phân tích ở trên, có thể thấy vấn đề nghiên cứu ổn định động

và điều khiển ổn định là nội dung có ý nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống điện hiện đại

Đề tài nghiên cứu của luận án " Tính toán phân tích ổn định động của

hệ thống điện Việt Nam theo mô hình chi tiết có xét đến khả năng ứng dụng TCSC " được lựa chọn xuất phát từ mong muốn được đóng góp một

phần nhỏ bé trong hướng nghiên cứu nói trên

Mục đích chính của luận án là:

- Dựa trên lý thuyết hiện đại về tính toán phân tích ổn định của HTĐ phức tạp, nghiên cứu đặc điểm cụ thể các trang thiết bị và sơ đồ đầy đủ của HTĐ Việt Nam xây dựng mô hình đầy đủ phù hợp nhằm bước đầu tính toán phân tích được các đặc tr ng cơ bản nhất về ổn định động của HTĐ Việt Nam ư

- Tính toán quá trình quá độ theo các sơ đồ cụ thể của HTĐ Việt Nam các giai đoạn đến năm 2010, đánh giá mức độ ổn định của hệ thống tương ứng với những tình huống sự cố điển hình phổ biến diễn ra trong hệ thống và lưới

điện 500 kV

- Nghiên cứu mô hình động của các trang thiết bị điều chỉnh điều khiển của hệ thống FACTS như SVC, TCSC trong tính toán phân tích QTQĐ, các thuật toán điều chỉnh điều kiển hiệu quả nâng cao được tính ổn động của HTĐ phức tạp Mục đích là nghiên cứu đánh giá hiệu quả áp dụng các phương tiện này cho HTĐ Việt Nam

- Nghiên cứu hiệu quả áp dụng TCSC trong việc nâng cao ổn định động sơ đồ HTĐ Việt Nam tương ứng với sơ đồ đến năm 2010

05 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài đi theo hướng nghiên cứu là :

- ứng dụng các phương tiện phần mềm kết hợp máy tính hiệu năng cao

để xét bài toán động hệ thống điện theo mô hình chi tiết, bước đầu đánh giá phân tích một số đặc trưng động của hệ thống điện Việt Nam Dự kiến sử dụng chương trình tính toán phân tích hệ thống PSS/E-29

- Nghiên cứu mô phỏng tác dụng điều khiển một số thiết bị của hệ thống FACTS trong hệ phương trình QTQĐ nhằm thể hiện hiệu quả của các thiết bị này trong nâng cao ổn định động trong hệ thống điện liên kết

- Sử dụng các số liệu cụ thể về các đặc trưng động của các phần tử trong

hệ thống điện Việt Nam, xây dựng các phần mềm hổ trợ để đưa các thông số này vào chương trình PSS/E, tạo ra mô hình đầy đủ phù hợp nghiên cứu cho HTĐ Việt Nam

0.6 Lĩnh vực ứng dụng

Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế của HTĐ Việt Nam, do

đó các kết quả có ý nghĩa thực tiễn, có thể áp dụng cho các giai đoạn quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống

Nơi ứng dụng: Các viện nghiên cứu quy hoạch phát triển HTĐ, các

công ty Khảo sát thiết kế điện, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia

0.7 Bố cục của luận án

Theo mục đích và nội dung nghiên cứu luận án được trình bầy theo bố cục sau:

Chương 1 : Tổng quan về mô hình và các phương pháp tính toán phân tích ổn

định động của HTĐ phức tạp

Chương 2 : Mô hình động các phần tử điều chỉnh điều khiển trong tính toán phân tích ổn định động HTĐ

Chương 3 : Tính toán phân tích ổn định động của HTĐ Việt Nam

Chương 4 : Nghiên cứu hiệu quả áp dụng thiết bị bù dọc có điều khiển để nâng cao ổn định động

ổn định động hay ổn định quá độ (Transient Stability) của HTĐ là ổn

định của hệ thống sau những kích động lớn Các kích động này là các sự cố ngẫu nhiên như sự cố ngắn mạch cắt các đường dây liên kết, cắt đột ngột các máy biến áp, các máy phát công suất lớn và các tác động do thao tác vận hành làm mất cân bằng công suất trong hệ thống Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá vỡ, xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto của máy phát Quá trình quá độ của hệ thống đáp ứng và điều chỉnh lại sự thay đổi trạng thái cân bằng này (hay hấp thụ động năng hệ thống [24]) diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định tuỳ thuộc mức độ của các kích động: thời gian tồn tại sự cố và các tác động giải trừ sự cố (ngắn mạch) [53]

Điều kiện để hệ thống có ổn định động đó là:

- Tồn tại điểm cân bằng ổn định tĩnh sau sự cố

- Thông số biến thiên hữu hạn trong QTQĐ và dao động tắt dần về thông số xác lập mới

Khác với ổn định tĩnh là khả năng duy trì của hệ thống dưới tác động của các kích động nhỏ, ổn định động liên quan đến dao động góc lệch roto các máy phát đồng bộ trong hệ thống sau những biến động lớn (sự cố) Dao động góc lệch roto phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi cân bằng giữa mômen

điện từ và mômen cơ của mỗi máy phát đồng bộ Đối với hệ thống nhiều máy phát, nếu góc lệch giữa các máy phát trong hệ thống vẫn còn trong miền giới hạn [4], hệ thống duy trì đồng bộ Thường thì sau khi góc lệch tương đối giữa

hai máy phát nào đó vượt quá 180o thì quá trình sau đó các góc lệch sẽ tăng nhanh.Trạng thái không đồng bộ xảy ra khi dao động góc lệch của một hoặc vài máy phát lệch xa với các máy phát còn lại trong hệ thống, hay điện áp hệ thống bị sụp đổ [53] Sự mất đồng bộ trong hệ thống điện sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng là làm hệ thống điện tan rã

Quá trình chuyển động có đồng bộ hay không đồng bộ được thể hiện rõ thường trong vòng 2 - 3 s, có khi chỉ trong vài chu kỳ đầu sau sự cố Nếu các máy phát mất đồng bộ từ chu kỳ đầu tiên của QTQĐ, thì xem như hệ thống đã mất ổn định

Hình 1.1 Đánh giá ổn định động của hệ thống điện

Đối với HTĐ đơn giản (máy phát nối với thanh cái điện áp không đổi)

ổn định động được giải thích bằng khả năng cân bằng được động năng do kích

động sinh ra với công hãm xuất hiện trong phản ứng hệ thống (hình 1.1a) Khi

đó góc lệch dao động không vượt quá 1800 Khi mất ổn định động góc dao

động tăng trưởng vô hạn ngay sau chu kỳ đầu (hình 1.1b)

Đối với HTĐ nhiều máy phát, dao động roto của các máy phát được thể

hiện là sự biến thiên góc lệch δi(t) theo thời gian so với trục quay đồng bộ máy

phát (hình 1.2a) Tuy nhiên để đánh giá ổn định động trong hệ thống nhiều máy phát, cần phải xác định biến thiên góc lệch tương đối giữa các máy phát với nhau hoặc so với góc lệch trung bình của hệ thống (hình 1.2b) Hệ thống

ổn định động khi tất cả các góc lệch tương đối dao động trong phạm vi hữu hạn Về lý thuyết, đối với HTĐ phức tạp nếu chỉ tính toán được góc lệch tương

đối trong một khoảng thời gian xác định thì không thể kết luận được về tính hữu hạn của phạm vi dao động góc lệch của cả QTQĐ Tuy nhiên, các nghiên

cứu ứng dụng cho thấy HTĐ sẽ ổn định động nếu dao động hữu hạn trong phạm vi 10s đầu Ngoài ra tính ổn định còn được phán đoán theo cả xu h ớng ưbiến thiên (dao động tắt dần hay mạnh dần theo thời gian)

Hình 1.2 Dao động góc lệch roto (a) tuyệt đối , (b) tương đối

Nghiên cứu tính toán phân tích ổn định động hệ thống điện, đặc biệt quan tâm đến các kích động làm hệ thống mất ổn định Ngoài ra, diễn biến QTQĐ của hệ thống điện nhiều máy khi mất ổn định rất phức tạp, thể hiện qua nhiều dạng khác nhau Nghiên cứu đặc điểm mất ổn định của một hệ thống phức tạp sẽ cho ta rút ra được tính chất chung và khả năng duy trì đồng

bộ tương đối của các máy phát, từ đó có những tác động điều khiển hiệu quả tương thích, nhằm duy trì hệ thống tái đồng bộ

ổn định góc lệch các máy phát không những chịu ảnh hưởng bởi cấu

trúc các máy phát điện đồng bộ mà còn ảnh hưởng bởi cấu trúc lưới điện Thông số các đường dây liên kết, trị số công suất truyền tải, đặc biệt đối với các đường dây dài, ảnh h ởng lớn đến diễn biến QTQĐ khi sự cố ư ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch trên các đường dây truyền tải dài đến độ ổn định nhiều lúc mạnh hơn cả ngắn mạch tại máy phát [24] Do vậy yêu cầu về ổn định của

t

δ

δ1 δ2 δ3 t

δ12

δ 23

δ31 δ

hệ thống có cấu trúc phức tạp cao hơn và bài toán ổn định có vai trò quan trọng hơn

Để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện, cần thiết phải xây dựng mô hình động theo cấu trúc hệ thống Hình 1.3 mô tả cấu trúc chung (các thành phần) của mô hình động hệ thống điện khi phân tích ổn định [53] Mô hình bao gồm các thành phần chính sau [4], [53]:

- Mô hình các máy phát điện

- Phương trình chuyển động quay roto máy phát

- Hệ phương trình QTQĐ điện từ trong các cuộn dây máy phát

- Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều khiển kích từ

- Mô hình tuabin và thiết bị tự động điều khiển tốc độ quay tuabin

- Mô hình lưới điện và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện (FACTS)

Trên cơ sở phân tích cấu trúc của các phần tử, quan hệ thông số với các phần tử liên kết và diễn biến các quá trình bên trong của mỗi phần tử có thể thiết lập được mô hình chung mô tả QTQĐ của cả hệ thống Tính đầy đủ và phù hợp của mô hình có ảnh hưởng quyết định đến kết quả phân tích đánh giá

ổn định hệ thống

Đặc tính

động các thiết bị FACTS

Hệ phương trình vi phân Thiết bị điều tốc

Phương trình vi phân quán tính giãn nở hơi

(dòng nước) trong tua bin nhiệt (nước)

Phương trình chuyển động quay roto máy

điện

Hàm truyền

TB đo lường

Hình 1.3 Cấu trúc chung mô hình động HTĐ

E, δ

U, I

Hàm truyền

TB đo lường

∆ω

∆U, ∆I,∆ω, ∆P,

1.2 Mô hình chi tiết và mô hình đơn giản hoá QTQĐ

khi nghiên cứu ổn định động hệ thống điện

1.2.1 Các thành cơ bản của mô hình chi tiết

Tương ứng theo hình 1.3 ta có các thành phần chính trong mô hình QTQĐ hệ thống điện như sau:

1 Phương trình vi phân mô tả chuyển động quá độ roto của các máy phát điện đồng bộ

Phương trình chuyển động quay roto của máy phát điện đồng bộ được thiết lập trên cơ sở định luật 2 Newton (viết cho vật thể quay) :

E

T M M dt

d

J 2 = ư

Trong đó :

MT, ME là các mô men quay của tuabin và máy phát

J là mômen quán tính của roto tuabin- máy phát, phụ thuộc vào cấu tạo

d dt

d γ δ

=

b Sử dụng hằng số quán tính H (hay TJ) thay cho mô men quán tính J Hằng số quán tính H có trị số bằng động năng tương đối định mức của roto khi quay với tốc độ đồng bộ:

MVA MWs S

J H

CB

/ ,

2

2 0

Ω

Trong đó SCB là lượng cơ bản chọn cho công suất Ω0 có thể tính theo số vòng quay định mức n (vòng/phút) của máy phát:

sec / 1 , 60

2

0

n π =

CB T E

j

P P t d

d S

T

ư

=

2 2 0

P P t d

d T

ư

=

2 2 0

δ

Nếu xét đến các tổn hao (ma sát chuyển động và tổn hao trong các cuộn dây cản) phương trình còn có thêm thành phần tỉ lệ với tốc độ biên thiên góc lệch δ :

j D T E

P P dt

d K t d

d T

ư

= + δ

δ

ϖ 2 .2

0

(1.3) Dạng (1.3) được sử dụng phổ biến trong các chương trình tính toán QTQĐ điện cơ của HTĐ

2 Hệ phương trình vi phân QTQĐ điện từ trong máy phát điện

Hệ phương trình QTQĐ điện từ trong các cuộn dây (roto và stato) máy phát được mô tả trong hệ tọa độ quay do Park và Gorev [4] đề xuất như trên hình 1.5

Hình 1.5 Biễu diễn các thông số máy phát trong hệ toạ độ vuông góc

Các cuộn dây stato được quy đổi về roto gồm hai cuộn dây vuông góc nhau quay cùng tốc độ với roto Dòng điện trong mỗi cuộn dây tương ứng là

id, iq Do không có chuyển động quay tương đối giữa các cuộn dây nên các hệ

A

q d

số tự cảm và hỗ cảm là hằng số Hệ phương trình Gorev-Park (G-P) mô tả QTQĐ trong các cuộn dây của máy phát đồng bộ như sau [4] :

=

Ψ +

=

Ψ +

ư

ư

=

dt d i R

dt d i R

dt d i R U

dt d Ri U

dt d Ri U

dt d Ri U

Q Q Q

D D D

f f f f

d q

q q

q d

d d

/ 0

/ 0

/ / / /

0 0 0

ω ω

+ +

= Ψ

+ +

= Ψ

ư

= Ψ

+

ư +

= Ψ

+ +

+ +

= Ψ

q Q Q

Q Q

f fD d D D

D D

D fD d f f

f f

Q Q q q

D D f f d d

i M i

L

i M i M i

L

i M i M i

L

i M L

i M i L M L

i M i M i L M L

2 3 2 3 2 3

) 2 (

) ' 2 3 (

) ' 2 3 (

0 0

(1.4b)

Trong đó : Ψd , Ψq , Ψ0 , Ψf , ΨD , ΨQ , id, iq, i0, if , iD, iQ là các từ thông móc vòng và dòng điện trong các cuộn dây stato, cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc trục và ngang trục

L, L’, M, M’ là các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các cuộn dây stato Các

hệ số có thể xem là hằng số nếu bỏ qua bão hoà từ

Lf là hệ số tự cảm cuộn dây kích từ, LD, LQ tương ứng là các hệ số tự cảm của cuộn cản dọc trục và ngang trục

Mf , MD, MQ là hệ số hỗ cảm của cuộn dây kích từ và cuộn cản dọc trục

và ngang trục đối với cuộn dây stato MfD là hỗ cảm của cuộn dây kích từ và cuộn cản dọc trục

Rf, RD, RQ, R là điện trở các cuộn dây trên roto và dây quấn stato

Uf : điện áp kích từ Ud, Uq các thành phần điện áp dọc trục và ngang trục stato máy phát U điện áp đầu cực máy phát

Hệ phương trình QTQĐ (G-P) trên mô tả chi tiết trạng thái điện từ của máy phát điện quay Quan hệ của các phương trình QTQĐ điện từ với hệ phương trình chuyển động tương đối roto các máy phát là biểu thức :

q d d q

E i i

M = Ψ ư Ψ (hệ đơn vị tương đối) (1.5) Phương trình chứa các đại lượng đầu cực của các máy phát Ud, Uq, id, iq,

có quan hệ chặt chẽ với hệ phương trình lưới

3 Hệ phương trình cân bằng công suất lưới

Trạng thái của lưới điện được mô tả dưới dạng hệ ph ơng trình cân ưbằng công suất nút Giả thiết biết rõ tổng dẫn riêng và tương hỗ các nút, hệ phương trình sẽ viết được như sau (cho mỗi thời điểm của QTQĐ):

2 , 1

; )

cos(

cos

; ) sin(

sin

1 2

1 2

n i

Q y

U U y

U

P y

U U y

U

i ij j i n

i j

ij j i ii

ii i

i n

i j

ij j i ij j i ii

ii i

α θ θ α

α θ θ α

q d i

U

U arctg U

U

o

ii ii

ii y

Y = ∠ α ư 90 - tổng dẫn riêng của nút i ;

ij ij

ij y

Y = ∠ α ư 90 - tổng dẫn t ơng hỗ giữa nút i và nút j ư Với nút đầu cực máy phát:

; )

sin(

2

Ei i i q

i Qi q

Qi i

Ei i i q

i Qi i

Q X

U E X

E Q

P X

U E P

θ δ

θ δ

(1.8)

di

qi di qi di

di di Qi qi

X X

X X E X X

X X E

' '

Trong đó Eqi, E'qi, EQi - tương ứng là các sđđ đồng bộ, sđđ quá độ và sđđ giả tưởng của máy phát thứ i [4] Ký hiệu θ tương ứng với góc lệch pha giữa

sđđ Eq của máy phát và điện áp đầu cực Sức điện động EQ chỉ có ý nghĩa tính toán, sđđ Eq tỉ lệ với dòng kích từ còn E'q tỉ lệ với từ thông tổng móc vòng trong cuộn dây roto máy phát Quá trình quá độ điện từ trong cuôn dây roto xác định quan hệ giữa các sđđ này (phương trình (1.19))

Với các nút tải P i và Qi xác định theo đặc tính động của thiết bị dùng

điện Một mô hình phụ tải động hỗn hợp là một vấn đề rất khó trong hệ thống

điện lớn và không có mô hình nào phản ánh đúng đặc trưng tất cả các loại phụ tải, mức độ chi tiết cũng như tính chính xác [31], [53] Trong nghiên cứu ổn

định nhất là ổn định đồng bộ, hay trong giai đoạn đầu của QTQĐ (đến khoảng 10s sau sự cố), hay nếu điểm ngắn mạch không ở gần nút tải người ta thường cho phép thay thế bằng đặc tính tĩnh [31], [95] Theo báo cáo nghiên cứu IEEE [95] về nghiên cứu ổn định trong chu kỳ đầu của QTQĐ; mô hình có thể chấp nhận đ ợc nhất là mô hình công suất ư tác dụng theo dòng điện không đổi (constant current) và mô hình công suất phản kháng theo điện dẫn không đổi (constant admittance)

Các nút trung gian có trị số Pi = 0 và Qi = 0

Như vậy quan hệ giữa chế độ máy phát và thông số trạng thái lưới điện

được thiết lập thông qua công suất và điện áp nút đầu cực máy phát

4 Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ

Sức điện động Eq trong mô hình máy phát tỉ lệ với dòng điện kích từ chạy trong cuộn dây roto của máy phát Vì thế cần mô tả đầy đủ hoạt động của hệ thống kích từ và tác động của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ (TĐK)

Trường hợp mô tả đơn giản nhất hệ thống kích từ và cuộn dây roto của máy phát được mô tả như những khâu tuyến tính cấp 1 Quán tính của cuộn dây roto chính là hằng số thời gian T'd của cuộn dây Hằng số quán tính của hệ

thèng kÝch tõ phô thuéc vµo lo¹i m¸y kÝch thÝch [4] Ph−¬ng tr×nh vi ph©n t−¬ng øng cña c¸c kh©u trªn cã thÓ viÕt ®−îc nh− sau:

§èi víi cuén d©y roto:

q ' d q

qe E T pE

d q

q d q d q

d d Q q

X X

X X E X X

X X E

e

qe u pT

HÖ thèng kÝch tõ

T§K

E q ≡ I f

Cuén d©y roto

truyền tuyến tính được cấu tạo và chỉnh định theo mục đích nâng cao ổn định Các kênh này tạo ra các tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với tốc độ biến thiên của các thông số đo (như trong các TĐK tác động mạnh của các nước thuộc Liên Xô

cũ) hoặc theo độ lệch tần số ∆ω và công suất ∆P (trong kênh PSS của các thiết

bị AVR của các máy phát Tây Âu)

Để tính toán phân tích QTQĐ, nghiên cứu ổn định của HTĐ cần mô phỏng đúng cấu trúc và thông số các TĐK trong mô hình Nội dung này sẽ

được đề cập chi tiết trong chương 2

5 Mô hình tuabin và thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin

Công suất cơ của tuabin PT nhận được trực tiếp từ năng lượng dòng hơi

có áp lực (hoặc dòng nước) đưa vào cửa điều chỉnh Tuy nhiên do quán tính giản nở hơi cũng như quán tính chuyển động của dòng nước mà sự thay đổi

công suất chậm sau độ mở à của cửa điều chỉnh Như vậy trong trường hợp

đơn giản nhất tua bin cũng có thể được mô tả như một khâu quán tính Với các

cấu tạo khác nhau của tua bin, hàm truyền của khâu này còn cần được mô tả

phức tạp hơn [24]

Thiết bị điều tốc thường bao gồm các bộ phận chính là bộ biến đổi (tạo

ra độ dịch chuyển ∆X theo độ lệch tốc độ quay ∆ω) và cơ cấu chấp hành (đóng mở xu-pap điều chỉnh cửa hơi (hay cửa nước)) Hằng số thời gian (quán

tính) của các cơ cấu trên có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng điều chỉnh và QTQĐ Máy phát tua bin hơi và tua bin nước có mô hình và các hằng số quán

ω

Cơ cấu chấp hành Tuabin PT

Giá trị

đặt à 0

Bộ biến

đổi tốc đ Thiết bị điều tốc

∆X ∆à à

Hình 1.7 Mô hình tuabin và thiết bị điều tốc

Quán tính cơ tuabin

Ptải= PE+

-tính tua bin và thiết bị điều tốc khác nhau nhiều nên cần được lựa chọn kỹ Nội dung này cũng được trình bầy cụ thể hơn trong chương 2

6 Mô hình thiết bị của FACTS trong tính toán QTQĐ

Các thiết bị của FACTS ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong các HTĐ hiện đại FACTS có hiệu quả tổng hợp nhiều mặt, đặc biệt với chế

độ quá độ Đó là vì các thiết bị này được cấu tạo và hoạt động trên cơ sở tác

động điều khiển nhanh bằng thyristor công suất lớn Các phần tử của FACTS

có thể được ứng dụng tổ hợp với nhau hoặc riêng cho từng mục đích riêng lẻ Trong mục đích nâng cao ổn định động các thiết bị thường được áp dụng là TCSC, SVC, UPFC, các máy biến áp điều chỉnh pha bằng thyristor Các thiết

bị này có ảnh hưởng mạnh đến diễn biến QTQĐ điện cơ sau các kích động lớn [30], [33], [47], [58], [61], [66], [75], [79], [82] Mô hình động một số các thiết bị này cũng đ ợc trình bầy trong chư ương 2

1.2.2 Nghiên cứu QTQĐ theo các mức đơn giản hóa mô hình khác

nhau

Việc áp dụng mô hình đầy đủ nêu trên mô tả QTQĐ có thể đảm bảo

được độ chính xác cao cho các kết quả nghiên cứu Tuy nhiên, dễ thấy sự phức tạp của mô hình, mặc dù đã qua nhiều phép biến đổi (phép biến đổi Park - Gorev) Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu và ứng dụng, các mô hình thường

được đơn giản hóa theo những mức độ khác nhau khi xem xét bỏ qua các yếu

tố ít có ảnh hưởng đến các đặc trưng diễn biến của QTQĐ

Với những phép xấp xỉ hợp lý, hệ phương trình có thể đơn giản hơn rất nhiều trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết, phù hợp mục đích nghiên cứu Những đại lượng ít ảnh hưởng đến bản chất ổn định có thể được bỏ qua như sau (trong hệ phương trình Gorev-Park) :

- Bỏ qua các thành phần sức điện động biến áp dΨd/dt và dΨq/dt trong

các phương trình cân bằng điện áp Ud, Uq Các thành phần tự do này có trị số

rất nhỏ và tắt dần ở giai đoạn đầu của QTQĐ, rất ít ảnh hưởng đến mômen quay và sự biến thiên góc lệch

- Bỏ qua các thành phần sức điện động phụ Ψ δd /dt (có trị số nhỏ so với thành phần đồng bộ ω0Ψ) Bỏ qua thành phần này thực chất là coi ω ≈ ω0trong các biểu thức tính toán thành phần sức điện động quay ωΨ

Khi đó các phương trình cân bằng điện áp trong cuộn dây stato trong hệ phương trình được viết thành :

q

q d

d

Ri U

Ri U

- Các cuộn cản gây ra các thành phần dòng điện tự do tắt dần ở giai

đoạn đầu QTQĐ ( dòng điện siêu quá độ) đồng thời sinh ra dao động về từ thông khi có biến thiên tốc độ quay roto Các dòng điện này có ảnh hưởng nhỏ

đến chuyển động quay của roto và giống như một mômen cản trong QTQĐ Việc bỏ qua các tác động này có thể gây sai số nhưng theo chiều hướng an toàn hơn cho kết quả kiểm tra ổn định Người ta còn xử lý bằng cách khác:

đưa trực tiếp một thành phần mômen cản vào phương trình chuyển động roto, xem tác dụng cuộn cản như một thành phần ma sát tỉ lệ với biên thiên tốc độ quay Khi đó hệ số ma sát KD trong (1.3) có thể tính tương đương theo thông

số cuộn cản [4]:

KD = 2(1/SNd + 1/SNq) (1.14) Với SNd và SNq được tính như sau [4]:

SNd = RD [X”d - Xσ ]2 1/U2 (1.15)

SNq = RQ [X”q - Xσ ]2 1/U2Trong đó:

RD, RQ : điện trở dây quấn của cuộn cản

X”d, X”q : điện kháng siêu quá độ dọc trục và ngang trục

Xσ : điện kháng tản cuộn dây stato.U điện áp đầu cực máy phát, có thể lấy gần đúng Uđm

Cách thay thế này có thể bỏ qua phương trình các cuộn cản và không làm tăng cấp phương trình chuyển động roto máy phát

Khi đó hệ phương trình QTQĐ máy phát nghiên cứu ổn định động có thể được viết lại như sau:

= Ψ

Ψ +

= Ψ

Ψ +

ư

=

Ψ +

q q q

f d d d

f f f f

d q

q

q d

d

i X i X

i X

dt d i X

dt d i R U

Ri U

Ri U

/ /

0

0

ω ω

q q d d

E i X Ri U

i X Ri U

f f f f

i X i X

dt d i R U

+

= Ψ

Ψ + ư

(1.18) Nhân 2 vế phương trình này với X / df R f

sẽ nhận được :

dt d R X X i R X

Uf. df/ f = f df + ( df/ f) Ψf /

Đặt i fe = U f / R f , Eqe = I fe X df , ta có :

qe df fe f df

Thực hiện và biến đổi ta có :

dt d X X R X X i X

ife dfư f df = ( f/ f)( df/ f) Ψf /

Đặt: T d0= X f / R f : hằng số thời gian của cuộn kích thích

f f df

Quan hệ E'

q và Eq có thể thiết lập được như sau (từ phương trình 1.19):

d fd f f

f = X i + X i

Ψ Nhân 2 vế cho X df / X f ta có:

d f df f

df f f

df X X i X X i

X / ) ( / ).

d f df d d f

df i X X X X i

X + [ ư ( ư 2 / )].

=

d d d f

df i X X i

X + ( ư ' ).

=

hay E'q = E q + (X d ư X'd ) i d (1.20)

với X’d được định nghĩa là là điện kháng quá độ

Như vậy, sau khi bỏ qua các lượng nhỏ về từ thông hệ phương trình Gorev - Park có dạng (1.4) có thể biến đổi tương đương chỉ còn lại 4 phương trình trong (1.17), (1.19), (1.20) Đặc biệt quan tâm là hệ chỉ gồm các đại lượng điện với 1 phương trình vi phân, thể hiện quán tính của cuộn dây kích

áp dụng rất phổ biên khi nghiên cứu ổn định động hệ thống [4],[24] Nhược

điểm của mô hình đơn giản hóa vừa nêu là không xét được chi tiết các diễn biến từ thông với đầy đủ các thành phần biến đổi trong các cuộn dây của máy

phát Hạn chế này chỉ liên quan chủ yếu đến các bài toán phân tích sâu về quá trình quá độ điện từ trong máy phát, thuộc một số lĩnh vực nghiên cứu khác

Ngoài các nội dung đơn giản hóa như đã nêu người ta còn áp dụng cả

cách đơn giản hóa hơn nữa đối với mô hình các bộ tự động điều chỉnh Hãy xét trường hợp tính toán kiểm tra sơ bộ ổn định động hệ thống khi thiết kế phát triển lưới hoặc nguồn Trong trường hợp này độ chính xác của các kết quả thường không đòi hỏi cao và chỉ quan tâm chủ yếu đến các điều kiện giới hạn Khi đó để đánh giá ổn định động chỉ cần tính QTQĐ ở 1 vài giây đầu sau tác động sự cố Nếu tình huống tính toán gần với giới hạn mất ổn định thì hệ thống mất ổn định sẽ thể hiện ở ngay chu kỳ đầu dao động góc lệch Ngược lại

hệ thống sẽ giữ được ổn định Trong khi đó nếu xét ở 1 vài giây đầu sau sự cố thì trong các bộ tự động điều chỉnh chưa có nhiều thay đổi Chẳng hạn quán tính bộ điều tốc làm cho cửa hơi (hoặc nước) chưa thay đổi nhiều, quán tính giãn nở hơi (cũng như quán tính chuyển động dòng nước lại lớn - từ 5 - 9 sec)

Vì thế công suất tua bin chưa kịp thay đổi, có thể coi công suất tua bin là hằng

số

Cũng thế do quán tính điện từ của cuộn dây roto rất lớn, sức điện động E'q không đột biến tại t=0 và rất ít thay đổi ở giai đoạn đầu của QTQĐ (hình 1.6) Thực tế phản ứng phần ứng tăng cường (do dòng ngắn mạch lớn nếu ngắn mạch gần) có làm giảm E'q chút ít trong giai đoạn đầu nhưng ngay sau đó lại tăng trở lại do tác động của TĐK Với TĐK tác động tỉ lệ E'q giữ được gần

như hằng số Với TĐK tác động mạnh hoặc có PSS còn giữ được đến điện áp

đầu cực máy phát không thay đổi

Với các nhận xét trên có thể xem PT = const và Eq' = const trong mô

hình QTQĐ Đó cũng chính là mô hình gần đúng và đơn giản nhất có thể sử dụng Với mô hình này ảnh hưởng của thiết bị điều tốc đã bị bỏ qua, còn ảnh hưởng của TĐK có dạng xấp xỉ

Có thể viết lại các phương trình của mô hình này như sau (cho hệ thống

d T

Ei Ti i Di i j

,

1

;

2 2 0

=

ư

= + δ

, 2 , 1

; )

cos(

cos

; ) sin(

sin

1 2

1 2

n i

Q y

U U y

U

P y

U U y

U

i ij j i n

i

ij j i ii

ii i

i n

i j

ij j i ij j i ii

ii i

α θ θ α

α θ θ α

Q X

X

X X U X X

X X U X

U E Q

P X

X

X X U X

U E P

Ei i i d

q

d q i d q

d q i i i d

i qi i

Ei i

i d

q

d q i

i d

i qi i

, , 2 , 1

; )

( 2 cos 2

2 ) cos(

; )

( 2 sin 2

) sin(

'

' 2

'

' 2

' '

'

' 2

' '

θ δ θ

δ

θ δ θ

δ

Trị số của các sđđ E'qi được tính theo chế độ tr ớc sự cố (không đột ưbiến tại t = 0 ) và coi là không đổi trong suốt QTQĐ

1.3 ảnh hưởng của các phương tiện tự động điều

độ phức tạp Nhiều công trình nghiên cứu (bằng tính toán và đo đạc) đã khẳng

định kết luận trên và khuyến nghị sử dụng mô hình đầy đủ cho các nghiên cứu

ổn định của HTĐ hiện đại [53] Trong [53] đã mô tả các quá trình trao đổi năng lượng và ảnh hưởng tương hỗ giữa các thiết bị điều chỉnh điều khiển đến cân bằng công suất trong các phần tử hệ thống bằng sơ đồ trên hình 1.9 Một

số khối chính của sơ đồ như sau:

- Khối (1) và (3) là mô hình động của máy phát, được mô tả bằng các phương trình vi phân Khối (2) trình bày các quan hệ đại số giữa công suất tác dụng (góc lệch) và công suất phản kháng (điện áp)

- Khối (4), (8), (6) mô tả sự cân bằng công suất tác dụng, phản kháng và

điện áp Ei∠δi tại nút i Khối (9) và (10) là các mô hình của lưới truyền tải Các khâu này được mô tả bằng các quan hệ của phương trình đại số

- Khối (11) đến (15) trình bày các khâu vi phân của các bộ tự động điều khiển hệ thống bao gồm các khâu tự động điều chỉnh trong máy phát (hệ thống kích từ, tốc độ quay tuabin), điều khiển cơ rời rạc (điều khiển nấc phân

áp) và điều khiển bằng điện tử công suất (FACTS)

So sánh sơ đồ với mô hình QTQĐ (dạng đơn giản hóa loại II [53]) dễ thấy sự tương thích đầy đủ mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý và mô tả toán học của mô hình

Nút i, cân bằng Q

(9) Công suất trao

đổi P ( phương trình đại

số )

(10) Công suất trao

đổi Q ( phương trình đại

số )

Các thiết

bị điều khiển (13)

Bộ điều áp, đóng ngắt tụ, kháng

Bộ điều áp, đóng ngắt tụ, kháng

(12)

(14) (15)

(16)

Hình 1.9 Quan hệ ảnh hưởng của các tác động điều chỉnh, điều khiển

Hình 1.10 cũng thể hiện rõ ảnh hưởng của các bộ tự động điều khiển

đến các phương trình vi phân QTQĐ của hệ thống trong đó trị số của các đại lượng công suất cơ PT và điện áp kích từ Eqe của máy phát này phụ thuộc vào hoạt động điều chỉnh của các thiết bị tự động

(1) PE = UI cos ϕ = Udid + Uqiq

dt

d K dt

d T

do

E

X X E dt

dE

T

+

ư +

Eqe =

Hình 1.10 Quan hệ các biến trong mô tả

toán học trong mô hình QTQĐ

Bộ tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin ( khối 11) điều khiển công suất cơ PT điều chỉnh độ lệch tần số ω đến giá trị đặt ω0, ảnh hưởng lớn đến

phương trình chuyển động quay roto, cũng như việc điều chỉnh tần số của máy phát

Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp kích từ ( khối 12) điều chỉnh điện

áp Eqe đáp ứng điện áp Eq đến giá trị đặt Eq0, ảnh hưởng lớn đến điện áp cũng

như công suất phản kháng của máy phát Công suất điện trong QTQĐ của

máy phát sẽ suy giảm t ơng ứng với điện áp đầu cực máy phát trong quá trình ư

sự cố Các bộ điều chỉnh điện áp trong hệ thống kích từ nhằm mục đích duy trì

điện áp máy phát ở mức độ cho phép Hiệu quả của việc điều chỉnh còn phụ thuộc mức độ tác động nhanh của các bộ kích từ, đặc trưng bởi các hằng số thời gian trong biểu thức (1.9)

Các thông số ảnh h ởng đến lư ưới điện và phụ tải là công suất PE, ,QE, , ω

và Eq ở trạng thái động, các thông số này được điều khiển bởi các bộ tự động

điều khiển để đáp ứng cân bằng công suất tác dụng và phản kháng với công suất phụ tải sau các kích động của hệ thống

Dao dộng hay độ ổn định của hệ thống quyết định bởi thay đổi và sự

điều chỉnh của công suất điện; bao gồm hai thành phần công suất đồng bộ do

sự thay đổi bởi độ lệch δ và thành phần công suất hãm do sự thay đổi bởi độ lệch ω [24] Thành phần đồng bộ quyết định đến góc lệch của roto và thành phần hãm cần thiết để hãm dao động trong QTQĐ Và cả hai thành phần trên

được điều chỉnh trực tiếp bởi các bộ tự động điều chỉnh kích từ và tốc độ quay tuabin [24],[31],[45],[94]

Ngoài sự ảnh hưởng của TĐK và TĐT, công suất điện và góc lệch δ đối với hệ thống nhiều máy còn ảnh hưởng bởi các bộ điều chỉnh các thiết bị trên

hệ thống lưới truyền tải (khối 14 trên hình 1.9) Khái niệm hãm dao động

bằng việc điều khiển công suất trên đ ờng dây truyền tải minh hoạ trên hình ư

1.11 Giả sử hai hệ thống phát A cung cấp công suất đến hệ thống B ( hình 1.11a) Tại A hệ thống 1 có điện áp V1, góc lệch δ1, tốc độ quay ω1 Tại B có

điện áp V2, góc lệch δ2, tốc độ ω2

Hình 1.11 Hãm dao động bằng cách điều khiển công suất tác dụng Trong quá trình dao động công suất, các máy phát dao động với góc lệch tương đối ∆δ=δ2-δ1

Giả sử bỏ qua sự ảnh hưởng mômen cơ và phụ tải, Ta có phương trình dao động:

E E

T j

P P

P dt

d T

X X

V V P

ư

Chiến l ợc điều khiển này đư ược ứng dụng như sau (hình 1.11b):

Nếu tốc độ quay của máy phát B (nhận công suất) sẽ nhỏ hơn máy phát

A (truyền công suất) (∆ω<0), điều khiển gia tăng công suất trao đổi P (∆P>0) Nói cách khác trong khi máy phát A gia tốc, tác động điều khiển để đưa công suất ra khỏi máy phát, làm giảm động năng của nó gây ra bởi QTQĐ Và

ngược lại khi điều chỉnh ∆ω>0, độ lệch tốc độ ∆ω dương, điều khiển để giảm công suất truyền tải

Từ đó nhận thấy rằng các bộ điều chỉnh của các thiết bị trên hệ thống lưới điện cũng cần được đưa vào tính toán trong quá trình nghiên cứu điều khiển QTQĐ và phương pháp nâng cao độ ổn định không những điều chỉnh trong kết cấu hệ thống máy phát mà còn bằng các phương pháp tác động vào kết cấu của hệ thống truyền tải

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động

Để giải hệ phương trình vi phân của hệ thống điện, phương pháp tích phân số thường được sử dụng phổ biến và hiệu quả [4], [19], [20], [22], [24] 1.4.1 Phương pháp tích phân số

Hiện nay có nhiều phương pháp tích phân số tính toán được hệ phương trình QTQĐ hệ thống điện như phương pháp Euler, Euler-Cosi, Runge-Kutta, hay Adam-Sterner Trong đó phương pháp một b ớc Euler và Runge-Kutta ư

được sử dụng phổ biến, có thể cho ta xác định điểm tiếp theo của QTQĐ khi biết được thông số của một điểm trước đó Ngoài ra còn có những phương pháp xác định điểm tiếp theo bằng nhiều điểm trước đó, hay còn gọi là phương pháp nhiều bước

x x dt

t x x dt

dx x x x

= +

=

∆ +

0 0

0 1

Xác định trạng thái tiếp theo x=x2 tương ứng t=t1+∆t như sau :

t x x dt

dx x

= +

1 1

2

b, Phương pháp ơle biến thể

Phương pháp ơle trên thường không chính xác do dùng đạo hàm từ thời

điểm đầu của khoảng chia thời gian Phương pháp ơle biến thể khắc phục nhược điểm trên bằng đạo hàm điểm trung bình khoảng chia:

- Bước dự báo : Dùng phép đạo hàm ở thời điểm đầu của khoảng chia đầu tiên, để dự báo bước tiếp theo

t x x dt

dx x

= +

0 0

1

- Bước hiệu chỉnh: Dùng giá trị dự báo xp

1, lấy trung bình của đạo hàm điểm

đầu và điểm dự báo

t x x dt

dx x x dt

dx x

2

1

1 0

0 1

Để chính xác hơn, ta có thể thực hiện trung bình đạo hàm tại x=x0 và x=xc

1 lần nữa, sẽ cho ta thêm một bước hiệu chỉnh, và có thể tiếp tục lặp lại để

được kết quả mong muốn

Phương pháp ơle biến thể là phương pháp đơn giản nhất của phương pháp dự báo-hiệu chỉnh (Predictor - Corrector P-C) Một trong những phương pháp (P-C) là ph ơng pháp Adams-Blashforth, phư ương pháp Milne, phương pháp Hamming [24]

c, Phương pháp Runge-Kutta(R-K)

- Phương pháp R-K bậc 2

2

2 1 1

k k x