(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC(Luận văn thạc sĩ) Nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Năng lượng là yếu tố quan trọng cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên Trái Đất Việc sử dụng không hợp lý các nguồn năng lượng tự nhiên có thể dẫn đến cạn kiệt tài nguyên trong tương lai Do đó, nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng điện gió, rất cần thiết nhằm đảm bảo nguồn cung ổn định và bền vững Tận dụng năng lượng gió không chỉ giúp đáp ứng kịp thời nhu cầu năng lượng của xã hội mà còn góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hướng tới phát triển bền vững.
Việt Nam có hơn 2000km bờ biển cùng chế độ gió mùa quanh năm, tạo điều kiện lý tưởng cho phát triển năng lượng gió Các nhà nghiên cứu và khoa học đã xác định được các vị trí tối ưu để đặt các nhà máy điện gió quy mô lớn trên cả nước Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, Việt Nam sở hữu tiềm năng gió lớn nhất trong khu vực, với hơn 39% diện tích có tốc độ gió trung bình hàng năm trên 6m/s ở độ cao 65m, mang lại tổng công suất tiềm năng đạt 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió cực kỳ phù hợp cho phát triển năng lượng gió.
Việt Nam có tiềm năng gió lớn, làm cho việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió trở thành một nhiệm vụ thiết yếu Mặc dù đã có những bước đầu trong việc nghiên cứu và triển khai năng lượng gió, hoạt động này vẫn còn nhỏ lẻ và chưa khai thác hết tiềm năng to lớn của đất nước.
Nguồn năng lượng gió phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện gió, chỉ có thể sản xuất và cung cấp điện đầy đủ khi gió đủ mạnh Do đó, năng lượng gió thường không đảm bảo tính ổn định trong việc cung cấp điện.
Sự ổn định hệ thống điện đã trở thành vấn đề quan trọng từ những năm 1920, khi các sự cố mất điện lớn thường xuất phát từ các nguyên nhân liên quan đến sự không ổn định của hệ thống Trong lịch sử, quá độ không ổn định đã chiếm ưu thế dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống điện Khi hệ thống điện phát triển liên tục qua các công nghệ mới, việc điều phối và vận hành tăng cường đã dẫn đến các dạng bất ổn khác như ổn định điện áp, tần số và các dao động trong nhiều khu vực Điều khiển ổn định hệ thống điện đóng vai trò then chốt trong vận hành an toàn, đặc biệt khi phải đối mặt với các tác động từ nhiễu loạn bên ngoài hoặc các mômen cơ học nội bộ, dễ dàng gây ra sự mất ổn định.
Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, các hệ thống truyền tải AC linh hoạt (FACTS) mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện và giảm dao động, nhờ điều khiển động đường cong giữa góc và công suất của các hệ thống kết nối Nhờ phản ứng nhanh, các thiết bị FACTS tự động điều chỉnh cấu hình mạng điện để tăng cường ổn định tĩnh và động của hệ thống Có nhiều loại thiết bị FACTS khác nhau, một số mắc nối tiếp vào đường dây, trong khi các loại khác kết hợp mắc song song hoặc cả hai, với nguyên lý hoạt động chi tiết được trình bày trong các tài liệu [7,8] Trong số các ứng dụng nổi bật, thiết bị SSSC (Bù Đồng Bộ Kiểu Tĩnh - Static Synchronous Series Compensator) điều khiển công suất phản kháng tại điểm kết nối bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp nguồn, giúp nâng cao khả năng truyền tải và kiểm soát dòng công suất trên đường dây, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện.
Giải pháp tối ưu trên đường dây truyền tải là yếu tố quan trọng để nâng cao khả năng truyền tải điện năng hiệu quả Đồng thời, nó giúp tối ưu hóa các bài toán về kinh tế trong hệ thống điện Luận văn tập trung phân tích các thông số kỹ thuật của đường dây truyền tải và đề xuất phương pháp điều khiển dòng công suất trong hệ thống điện tích hợp năng lượng gió sử dụng thiết bị SSSC (Static Synchronous Series Compensator) Các nghiên cứu này nhằm thúc đẩy hoạt động của hệ thống truyền tải điện thông minh, ổn định và tiết kiệm chi phí.
1.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài Ổn định hệ thống điện liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường và khi có nhiễu loạn có thể duy trì ổn định tại mọi thanh cái trên hệ thống ở mức chấp nhận tại các nút Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định là khi có các tác động ngắn mạch, khi có yêu cầu thay đổi tải … hoạt động của hệ thống sẽ có sự dao động lớn
Các hệ thống điện gió chịu ảnh hưởng lớn từ sự biến đổi của tốc độ gió, gây ra các dao động gây ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành Trong bài báo [9], tác giả đã xây dựng hệ thống nghiên cứu các dao động của trang trại gió và đề xuất các phương pháp giảm thiểu các dao động này để nâng cao ổn định hệ thống Bên cạnh đó, bài báo [10] tập trung phân tích ổn định tĩnh điện áp tại các nút phụ tải bằng cách sử dụng phân tích độ nhạy V-Q, đồng thời khảo sát vị trí kết nối điện gió nhằm đảm bảo tiêu chí ổn định điện áp trong hệ thống.
Mô hình các tuabin gió dựa trên cấu trúc DFIG đã được trình bày trong nghiên cứu [11] để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện khi tích hợp năng lượng gió Phương pháp này giúp đảm bảo sử dụng năng lượng gió một cách ổn định và hiệu quả hơn trong các hệ thống điện Trong đó, mô hình DFIG đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng kiểm soát và ổn định của các nguồn năng lượng tái tạo này Nghiên cứu này góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành của các hệ thống năng lượng gió dựa trên tuabin gió DFIG, từ đó nâng cao độ tin cậy của lưới điện khi sử dụng năng lượng gió.
Các tác giả trong [12] đã báo cáo về chức năng giảm dao động của SSSC trong hệ thống điện, đồng thời thiết lập mô hình tuyến tính tích hợp SSSC và đề xuất các phương pháp thiết kế bộ điều khiển giảm dao động hiệu quả Bài báo nghiên cứu cả hai trường hợp hệ thống điện gồm một máy và nhiều máy, trong đó [13] đã sử dụng phương pháp bù pha để thiết kế bộ điều khiển giảm dao động của SSSC cho hệ thống một máy, cùng với thuật toán tìm kiếm hàm mục tiêu để tối ưu hóa bộ điều khiển trong hệ thống nhiều máy.
Tác giả trong [14] đã trình bày phương pháp ổn định điện áp bằng cách dùng bộ điều khiển công suất mở rộng UPFC
Trong [15], tác giả đã trình bày các chức năng của thiết bị FACTS SSSC trong điều khiển ổn định điện áp Việc sử dụng máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) kết hợp với các thiết bị FACTS giúp giảm thiểu các dao động trong hệ thống, tuy nhiên thời gian để hệ thống trở về trạng thái ổn định ban đầu vẫn còn dài Luận văn này đề xuất phương pháp kết hợp SSSC với bộ giảm dao động PID trên máy phát điện DFIG nhằm nâng cao tốc độ hồi phục và đạt được trạng thái ổn định nhanh nhất cho hệ thống điện.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của dự án là nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới bằng cách sử dụng công nghệ SSSC Việc mô phỏng trên phần mềm và phân tích kết quả mô phỏng giúp đánh giá chính xác hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện Phương pháp này nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống điện gió hòa lưới, đảm bảo vận hành an toàn và ổn định lâu dài.
Mục tiêu cụ thể cần đạt được như sau:
Mục tiêu 1: Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của
SSSC trong điều khiển phân bố công suất của hệ thống điện
Mục tiêu 2 : Tính toán thiết kế bộ điều khiển nâng cao ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới sử dụng SSSC
Mục tiêu 3 của đề tài là sử dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô phỏng và đánh giá hiệu quả ổn định của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió Công cụ này sẽ giúp phân tích ảnh hưởng của thiết bị SSSC trong việc cải thiện ổn định hệ thống truyền tải điện Qua mô phỏng trên Matlab-Simulink, người dùng có thể đánh giá chính xác khả năng duy trì hoạt động liên tục của hệ thống khi có sự cố hoặc tải biến động Phương pháp này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng gió và nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện thông qua các mô phỏng chính xác và phân tích chi tiết.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió
Phạm vi nghiên cứu Ứng dụng SSSC để ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió bằng phần mềm Matlab-Simulink
Giới hạn về thời gian nghiên cứu: Thời gian nghiên cứu có hạn nên đề tài thực hiện trong 6 tháng.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan bao gồm việc khai thác thông tin từ cán bộ hướng dẫn, sách vở, bài báo, báo cáo và nguồn internet Việc chọn lọc tài liệu phù hợp giúp đảm bảo độ chính xác và chất lượng của dữ liệu Áp dụng các phương pháp phân tích tài liệu và đánh giá kết quả một cách hệ thống nhằm đưa ra những nhận xét chính xác và sâu sắc Tối ưu hóa quá trình này góp phần nâng cao hiệu quả nghiên cứu, đảm bảo phân tích sâu sắc và bám sát mục tiêu đề ra.
Giới hạn của đề tài
Nội dung chính của luận văn là xây dựng và trình bày sự thay đổi dòng công suất trên đường dây truyền tải khi gắn thiết bị Bất kỳ tần số FA (SSSC) Luận văn mới chỉ mô phỏng trên phần mềm để phân tích sự phân bố dòng công suất trong hệ thống có trang bị SSSC, giúp hiểu rõ tác động của thiết bị này đối với truyền tải điện Ngoài ra, nghiên cứu còn giới hạn ở việc đề xuất một ứng dụng cơ bản của SSSC là điều khiển dòng công suất, mở ra tiềm năng phát triển các ứng dụng nâng cao hơn trong tương lai.
1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nhu cầu tiêu thụ năng lượng của con người ngày càng tăng cao, trong khi nguồn năng lượng truyền thống gây ô nhiễm môi trường và trở nên cạn kiệt Do đó, việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường, như năng lượng gió, trở nên cấp thiết để đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng và giảm chi phí cung cấp điện từ lưới quốc gia Nguồn năng lượng gió không những góp phần bảo vệ môi trường mà còn là giải pháp bền vững cho phát triển năng lượng trong tương lai.
1.7 Các nội dung nghiên cứu
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điện
Chương 3 : Mô hình tụ bù đồng bộ tĩnh SSSC
Chương 4 : Mô hình toán học của hệ thống nghiên cứu
Chương 5 : Thiết kế bộ điều khiển giảm dao động cho SSSC
Chương 6 : Mô phỏng hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió sử dụng SSSC
Chương 7 : Kết luận và hướng phát triển.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Các khái niệm cơ bản
2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ
HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện
Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:
Các phần tử tự lực gồm máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết bị sử dụng điện đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất, biến đổi, truyền tải và phân phối điện năng Những thành phần này đảm bảo hệ thống điện hoạt động hiệu quả và ổn định, phục vụ nhu cầu tiêu thụ điện của cộng đồng Việc hiểu rõ vai trò của các phần tử tự lực giúp tối ưu hóa quá trình vận hành mạng lưới điện và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng điện.
Các phần tử điều chỉnh đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và biến đổi trạng thái hệ thống điện như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ nhằm điều chỉnh điện áp, kiểm soát tần số chung của hệ thống, đồng thời các thiết bị bảo vệ rơ-le và máy cắt điện giúp đảm bảo an toàn và ổn định cho nhà máy điện.
Trong hệ thống điều khiển, mỗi phần tử được đặc trưng bởi các thông số quan trọng như tổng trở, tổng dẫn, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số này được xác định dựa trên tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều yếu tố khác trong quá trình tính toán Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả và phân tích hoạt động của hệ thống điều khiển, giúp đảm bảo hệ hoạt động ổn định và chính xác.
Nhiều thông số của hệ thống điện (HTĐ) là các đại lượng phi tuyến, giá trị phụ thuộc vào dòng công suất, tần số như X, Y, độ từ hoá Trong hầu hết các bài toán thực tế, các thông số này có thể coi là hằng số, giúp hệ thống trở thành hệ thống tuyến tính Tuy nhiên, khi xem xét đến sự biến đổi của các thông số này, hệ thống trở thành hệ thống phi tuyến, đặc biệt trong các bài toán về độ bão hòa của máy phát, máy biến áp trong lĩnh vực ổn định hệ thống.
Chế độ của hệ thống điện (HTĐ) bao gồm các quá trình diễn ra trong hệ thống và đóng vai trò quan trọng trong việc xác định trạng thái hoạt động của hệ thống tại một thời điểm nhất định hoặc trong một khoảng thời gian cụ thể Việc hiểu rõ chế độ của HTĐ giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn cho hệ thống điện.
Các quá trình trong hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số như U, I, P, Q, f, δ tại mọi thời điểm hoạt động, phản ánh trạng thái làm việc của hệ thống Các thông số chế độ này khác với các thông số hệ thống cố định, vì chúng chỉ tồn tại khi hệ thống điện hoạt động Chính xác, các thông số chế độ giúp xác định toàn diện trạng thái vận hành của hệ thống điện trong mọi điều kiện, cung cấp thông tin cần thiết để điều chỉnh và đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến.Ví dụ : P = U 2 /R
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:
Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ trong đó các thông số dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình, giúp xem các tham số này như là hằng số Đây là trạng thái ổn định của hệ thống, đảm bảo các thông số duy trì mức độ ổn định và liên tục trong quá trình vận hành Chế độ xác lập thường được sử dụng trong các thiết bị kỹ thuật để duy trì hiệu suất hoạt động ổn định và chính xác.
Trong thực tế, không có chế độ nào giữ các thông số cố định theo thời gian bởi hệ thống động học bao gồm hàng triệu phần tử, luôn luôn biến đổi và dẫn đến sự thay đổi liên tục của các thông số chế độ.
+ CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ
+ CĐXL sau khi đã loại trừ sự cố
+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì
Chế độ quá độ là trạng thái mà các thông số biến đổi liên tục và nhanh chóng Trong đó, chế độ quá độ bình thường được xác định là quá trình chuyển đổi từ một chế độ làm việc bình thường này sang một chế độ làm việc bình thường khác, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và liên tục.
+ Chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra sau sự cố
2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ
CĐXL bình thường có các yêu cầu
Để đảm bảo chất lượng điện năng, nguồn cung cấp phải duy trì các thông số chất lượng như điện áp và tần số trong giới hạn quy định bởi các tiêu chuẩn Điều này đảm bảo các phụ tải hoạt động ổn định, tránh gây hư hỏng hoặc giảm tuổi thọ thiết bị điện Chất lượng điện năng tốt là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống điện vận hành an toàn, hiệu quả và giảm thiểu rủi ro mất an toàn hoặc gián đoạn trong quá trình sử dụng.
Đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện là yếu tố quan trọng, giúp các phụ tải có nguồn điện liên tục với chất lượng cao Việc duy trì mức độ liên tục này phải đáp ứng đầy đủ yêu cầu của người dùng và các điều kiện của hệ thống điện, từ đó đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của các thiết bị điện.
Chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, tối ưu hóa nguồn lực và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường năng lượng.
Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện
CĐXL sau sự cố có các yêu cầu
Các yêu cầu về chế độ làm việc bình thường (CĐXL) đã giảm đi, tuy nhiên, chỉ cho phép duy trì trong một thời gian ngắn Sau đó, cần thực hiện các biện pháp điều chỉnh như thay đổi thông số chế độ hoặc cập nhật sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này trở về trạng thái CĐXL bình thường, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống.
Chế độ quá độ (CĐQĐ) có các yêu cầu
Chấm dứt nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố
Trong giai đoạn quá độ, các thông số kỹ thuật như giá trị dòng điện ngắn mạch và điện áp tại các nút của phụ tải khi xảy ra ngắn mạch luôn được giữ trong phạm vi giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện.
Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ
2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ
2.1.2.1 Cân bằng công suất 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
QF = Qpt + P = Q (2.2) Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:
Cho nên, các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng
Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh
Định nghĩa ổn định theo năng lượng
Hệ ở chế độ xác lập đạt trạng thái cân bằng khi năng lượng phát ra bằng năng lượng tiêu thụ Mỗi chế độ xác lập đi kèm với các thông số xác định trạng thái của hệ, và bất kỳ nhiễu hay kích động nào làm thay đổi các thông số này theo hướng khuếch đại đều có thể gây ra mất ổn định cho hệ Hệ sẽ trở nên không ổn định khi năng lượng phát ra vượt quá năng lượng tiêu tán, thể hiện qua tiêu chuẩn năng lượng ổn định mô tả bằng bất đẳng thức ΔW < 0 ΔΠ (2.4).
Với: – gia số thông số
W – năng lượng dư và W = WF - Wt
WF , Wt – số gia năng lượng phát và tiêu tán
Xét hệ thống điện trên hình 2.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu: ΔP -ΔP(δ)
Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương
Tham số trạng thái ở đây là góc , liên quan đến điều chỉnh của hệ thống ổn định điện Năng lượng phát ra chính là công suất cơ PT của tuabin, trong khi năng lượng tiêu tán là công suất máy phát đổ về hệ thống Giả thiết rằng công suất PT không đổi giúp đơn giản hóa biểu thức, từ đó dễ dàng phân tích và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện.
Có thể kiểm định (2.5) bằng cách lập luận từ hình 2.2 sau:
Hình 2.2 Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (tô đậm)
Hệ thống bắt đầu ở chế độ xác lập tại điểm a với góc a Khi kích động làm tăng góc a, do lực P lớn hơn điện của PT, rôto bị hãm lại và góc quay trở về vị trí ban đầu Ngược lại, khi góc giảm xuống, lực P nhỏ hơn PT, rôto sẽ tăng tốc và góc cũng quay trở lại vị trí ban đầu Điểm a chính là điểm cân bằng và ổn định của hệ thống.
Khi góc tại điểm b tăng lên đến trị b + , do P < PT nên rôto sẽ gia tăng tốc độ quay, làm cho góc tiếp tục tăng thêm Điều này cho thấy điểm b là điểm cân bằng nhưng không ổn định, dễ dẫn đến tình trạng mất ổn định trong hệ thống.
Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc c tăng tới c + , khi đó do P <
PT nên góc tiếp tục tăng Còn nếu c giả sử giảm đi một lượng , do P > PT nên góc
sẽ tăng và quay về trị c Như vậy điểm c là điểm giới hạn ổn định Đại lượng C Eq = ∂P Eq
Hệ số công suất đồng bộ, ký hiệu là ∂δ | δ=δo, là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng tạo ra công suất của máy phát đồng bộ Chỉ số Eq tương ứng thể hiện công suất được tính theo phương trình Equation (Eq) trong điều kiện máy phát hoạt động mà không có hệ thống tự động điều chỉnh kích từ Việc hiểu rõ hệ số công suất đồng bộ giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy phát và nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng.
Điểm c trong hệ thống thể hiện nơi công suất cơ sẽ cắt công suất điện tại một điểm duy nhất, không thể tăng cao hơn nữa vì điều này gây mất ổn định chế độ làm việc của hệ thống Công suất điện tại điểm c đạt giá trị tối đa và được xác định là Pgh = Pmax, tượng trưng cho giới hạn tối đa của công suất điện hệ thống có thể đạt được.
Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0p/2)
2.2.2 Phương pháp dao động bé
Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau: ẋ=f(x 1 , x 2 ,…, x n , u 1 , u 2 ,…, u r ,t) Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)
Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao, ta có :
∂x n ∆u r hay viết dưới dạng ma trận: ∆ẋ =A∆x + B∆u
Khi u = 0, có phương trình mô tả chuyển động tự do: ∆ẋ =A∆x
Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các giá trị của tham số khi không có lời giải tầm thường cho phương trình: A =
A là ma trận n x n (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)
Tìm trị riêng của A = theo phương trình: (A - I) = 0
Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0
Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng m nghiệm = 1,
2, …,n gọi là những trị riêng của A
Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:
- Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái không dao động Nếu nghiệm là thực dương tương ứng với mất ổn định không chu kỳ
Trong lý thuyết hệ thống, nghiệm của phương trình đặc trưng là các số phức xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp, biểu thị trạng thái dao động của hệ thống Khi phần thực của nghiệm dương, hệ thống sẽ mất ổn định dao động, gây ra các biến đổi không mong muốn và ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hoạt động Hiểu rõ đặc điểm của nghiệm phức giúp phân tích chính xác hơn về tính ổn định của hệ thống điều khiển hoặc kỹ thuật, từ đó đưa ra các biện pháp điều chỉnh phù hợp để đảm bảo hoạt động ổn định và bền vững.
2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động
Hệ thống điện gồm một máy phát được kết nối với thanh cái vô cùng lớn qua hai đường dây truyền tải, tạo nên một nguồn điện ổn định về biên độ và tần số Thanh cái vô cùng lớn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp liên tục và ổn định trong hệ thống, đảm bảo truyền tải năng lượng hiệu quả và an toàn.
Chúng ta sẽ phân tích các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động bằng cách xem xét đáp ứng hệ thống dưới tác động của các kích thích lớn, sử dụng mô hình đơn giản Trong quá trình này, điện trở của các phần tử sẽ bị bỏ qua để tập trung vào các yếu tố chính của hệ thống Hệ thống được biểu diễn qua hình 2.3 và mô hình tương đương trong hình 2.4a cùng dạng rút gọn của hệ thống trong hình 2.4b Điện áp sau điện kháng quá độ (X’d) được ký hiệu là E’, và góc rotor () là góc sớm pha của E’ so với EB Khi hệ thống bị kích thích, biên độ của E’ không thay đổi so với lúc trước sự cố, trong khi góc sẽ biến đổi theo sự lệch của tốc độ rotor khỏi tốc độ đồng bộ 0, phản ánh quá trình ổn định của hệ thống.
G X 1 Thanh cái vô cùng lớn
Hình 2.3 Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn
(a) Mô hình mạch tương đương
(b) Mạch tương đương rút gọn
Hình 2.4 Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển.
Quá trình quá độ cơ điện xảy ra trong sự kiện ngắn mạch gồm ba giai đoạn chính: trước khi ngắn mạch, trong khi ngắn mạch và sau khi ngắn mạch, ảnh hưởng đáng kể đến ổn định động của hệ thống điện Để đánh giá chính xác khả năng duy trì ổn định hệ thống, cần xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng với từng giai đoạn, từ đó phân tích tác động của ngắn mạch đến hoạt động của hệ thống.
Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch
Công suất điện ngõ ra máy phát là:
T sinδ=P max sinδ (2.6) Trong đó :
Trong bài viết này, Pe đại diện cho công suất khe hở không khí hoặc công suất đầu cực vì bỏ qua điện trở stator Các đặc tính công suất trước khi ngắn mạch được sử dụng để xác định chế độ ban đầu của máy phát Khi biết các tham số công suất tải P, Q, và EB, ta cần tính E’, 0 (góc giữa E’ và EB), cũng như CSTD dựa trên chế độ hoạt động ban đầu P0 của máy phát.
Đặc tính công suất khi ngắn mạch
G X 1 Thanh cái vô cùng lớn
X E’ XEB c) a) Sơ đồ hệ thống khi bị ngắn mạch tại F, b) Sơ đồ thay thế tương đương, c) Sơ đồ tương đương rút gọn
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch
Trong sơ đồ thay thế tương đương, tại điểm ngắn mạch F có thêm điện kháng ngắn mạch XF, phụ thuộc vào dạng ngắn mạch và bỏ qua điện trở Để tính đường đặc tính công suất chính xác, cần biến đổi sơ đồ từ dạng 2.5b sang dạng rút gọn 2.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác Phương pháp này giúp đơn giản hóa quá trình phân tích và xác định đặc tính của hệ thống điện.
F Đường đặc tính công suất sẽ là :
Từ (2.8) có thể nhận thấy ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch đến đường đặc tính công suất
Khi ngắn mạch 3 pha, độ tự cảm XF bằng 0 dẫn đến X’T bằng vô cực và PII bằng 0, phản ánh rằng công suất điện phát ra bằng 0 và liên lạc giữa máy phát và thanh cái bị cắt đứt hoàn toàn Tuy nhiên, trên thực tế, PII khi xảy ra ngắn mạch 3 pha vẫn có giá trị rất nhỏ do tổn thất CSTD từ điện trở của stator, máy biến áp và đường dây dẫn từ máy phát đến điểm ngắn mạch Trong trường hợp ngắn mạch 2 pha chạm đất, liên lạc giữa các thành phần kém hơn nên đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn so với các trường hợp ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất.
Hình 2.6 Đồ thị đặc tính công suất
So sánh PII và PI ta thấy PImax > PIImax vì XT < X’T
Đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch
Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống, đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 2.7)
Hình 2.7 Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch
19 Đường đặc tính công suất:
Biên độ của PIII sẽ nằm giữa PI và PII
Hệ thống hoạt động ổn định với hai đường dây truyền tải thể hiện mối quan hệ góc – công suất qua đường cong trên hình 2.8, giúp xác định điểm làm việc ổn định Điểm a trên đường cong biểu thị trạng thái làm việc của hệ thống, với góc rotor tương ứng là δa, khi công suất cơ ngõ vào Pm bằng công suất điện ngõ ra Pe Điều này cho thấy rõ sự cân bằng giữa công suất đầu vào và đầu ra trong hệ thống truyền tải điện.
Hình 2.8 Mối quan hệ góc – công suất
Khi một trong hai đường dây bị cắt khỏi hệ thống, điện kháng XT sẽ tăng lên, gây ảnh hưởng đến quá trình truyền tải công suất Mối quan hệ giữa góc rotor và công suất được thể hiện rõ trên đường cong trong hình 2.8, cho thấy rằng công suất cực đại bị giảm xuống khi điện kháng tăng cao hơn Tại điểm làm việc b trên đường cong, góc rotor δb tương ứng với công suất cơ ngõ vào Pm, và khi điện kháng lớn hơn, góc rotor cũng sẽ lớn hơn để đảm bảo truyền tải cùng một lượng công suất hiệu quả hơn.
MÔ HÌNH TỤ BÙ ĐỒNG BỘ TĨNH SSSC
Điều khiển phân bố công suất
Cho 2 nguồn áp lý tưởng được nối bởi một dây có tổng trở Z =R + jX được biểu diễn ở hình 3.1
Với điện áp V 1 =V 1 Ð 1 và V 2 = V 2 Ð 2 Giả thuyết chiều dòng điện là :
Công suất S12 được cho bởi :
Vì vậy công suất thực và công suất phản kháng là :
Hình 3.1 Hệ thống đường dây truyền tải đơn giản
Q = Z Z (3.5) Đường dây truyền tải có thành phần điện trở rất nhỏ so với điện kháng
P12: Công suất truyền tác dụng giữa hai đầu đường dây
Q12: Công suất truyền phản kháng giữa hai đầu đường dây
V1, V2: Điện áp hai đầu nguồn
X: Tổng trở trên đường dây δ: Góc lệch điện áp giữa hai đầu đường dây
Dựa trên công thức (3.6), công suất truyền tải có thể được nâng cao bằng cách điều chỉnh điện kháng đường dây và góc công suất giữa hai nút Các phương pháp chính để tăng khả năng truyền tải bao gồm bù song song, bù nối tiếp và điều chỉnh góc pha, giúp cải thiện hiệu quả truyền tải điện năng trong hệ thống điện.
Bù song song và bù nối tiếp là các nguyên lý chính trong bù công suất phản kháng nhằm điều chỉnh đặc tính điện tự nhiên của hệ thống truyền tải, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định Mục tiêu của bù công suất phản kháng là làm cho hệ thống phù hợp hơn với yêu cầu phụ tải, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Bù song song thường được sử dụng để duy trì mức điện áp ổn định trong hệ thống, giúp giảm biến động điện áp do tác động của phụ tải Trong khi đó, bù nối tiếp thường được ứng dụng để giảm cảm kháng của dây truyền dài, tạo ra "ảo" đường dây ngắn hơn nhằm giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện năng Các phương pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh góc lệch và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống truyền tải điện.
Trong hệ thống truyền tải, pha được sử dụng để kiểm soát các góc của đường dây nhằm điều chỉnh phân bố công suất Bằng cách điều chỉnh trở kháng hoặc góc pha, ta có thể tối ưu hóa truyền tải năng lượng và giảm thiểu mất mát trong hệ thống Ngoài ra, một phương pháp khác để kiểm soát phân bố công suất là đưa vào điện áp thích hợp, điều này thể hiện khái niệm cơ bản của nguồn điện áp trên các thiết bị FACTS, giúp tăng khả năng kiểm soát và ổn định hệ thống truyền tải điện.
Tụ nối tiếp điều khiển một cách máy móc trên đường dây có thể gây ra các khó khăn như cộng hưởng dưới đồng bộ, dẫn đến nguy cơ hỏng trục tua bin của máy phát điện Để ngăn chặn vấn đề này, việc sử dụng bộ điều khiển FACTS là rất cần thiết nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống truyền tải điện.
Bù công suất trong đường dây truyền tải
Hình 3.2 minh họa hệ thống bù song song với bộ bù phản kháng lý tưởng tại điểm trung tâm, giúp cải thiện khả năng điều chỉnh công suất truyền tải Biểu đồ pha đồng vị thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện, giúp phân tích phản hồi của hệ thống khi thay đổi các tham số bù Đặc tính góc và công suất truyền tải giúp xác định hiệu quả của các phương pháp bù nhằm tối ưu hoá vận hành lưới điện, nâng cao khả năng truyền tải và giảm thiểu tổn thất điện năng.
Bù song song được sử dụng trong hệ thống truyền tải điện nhằm điều chỉnh biên độ điện áp, giúp giữ cho điện áp ổn định và tăng cường chất lượng điện năng Đây là giải pháp quan trọng để giảm thiểu biến động điện áp, nâng cao hiệu quả truyền tải và đảm bảo ổn định cho hệ thống điện Bù song song góp phần cải thiện chất lượng điện áp, từ đó nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống truyền tải điện năng.
Cuộn kháng đầu nối song song thường được sử dụng để giảm quá áp đường dây bằng cách hấp thụ công suất phản kháng
Tụ bù kết nối song song thường được sử dụng để duy trì ổn định điện áp hệ thống điện, bằng cách bù công suất phản kháng trên đường truyền tải Việc này giúp nâng cao hiệu suất truyền tải điện năng, giảm tổn thất và cải thiện chất lượng nguồn điện Các bộ tụ bù song song đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp và giảm thiểu nhiễu loạn trong hệ thống điện.
Hệ thống truyền tải có bù song song được trình bày cụ thể trong hình 3.2 với biên độ điện áp hai đầu nguồn là V và góc lệch δ Tổn thất trên đường dây truyền tải được mô tả bằng trở kháng XL, giúp phân tích hiệu quả truyền tải điện năng Tại điểm trung tâm của hệ thống, một tụ bù có điều khiển được kết nối nhằm duy trì biên độ điện áp tại điểm kết nối luôn ổn định bằng V, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và ổn định điện áp.
Như đã trình bày ở trên, công suất tác dụng tại 2 đầu nguồn bằng nhau:
Công suất phản kháng bơm vào tụ điện để điều chỉnh điện áp tại điểm giữa của đường dây truyền tải được tính như sau:
Trong hình 3.2c, từ đường cong công suất – góc thể hiện rõ ràng rằng công suất truyền tải có thể được tăng đáng kể, đặc biệt khi điều chỉnh góc chuyển dịch từ δ= 90° đến δ= 180° Việc gia tăng công suất này góp phần nâng cao hiệu suất truyền tải và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống Đồng thời, đường biên vận hành và ổn định hệ thống cũng được mở rộng đáng kể nhờ phương pháp bù song song, giúp đảm bảo sự bền vững và an toàn trong quá trình vận hành của hệ thống truyền tải điện.
Chức năng hỗ trợ điện áp của bộ bù đặt ở chính giữa có khả năng mở rộng dễ dàng để hỗ trợ điện áp cuối đường dây truyền tải dạng tia Bù công suất phản kháng tại cuối đường dây dạng tia đặc biệt hiệu quả trong việc nâng cao điện áp, giúp duy trì ổn định và tăng độ tin cậy của hệ thống truyền tải điện.
Bù nối tiếp có mục đích điều khiển trực tiếp tổng trở nối tiếp của toàn bộ dây truyền tải, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Theo phương trình (3.6), công suất xoay chiều AC bị giới hạn bởi tổng trở kháng của đường dây truyền tải, do đó việc điều chỉnh tổng trở này rất quan trọng Bù nối tiếp giúp gia tăng điện áp, chống lại sụt áp trên đường truyền, từ đó giảm tổng trở nối tiếp của dây dẫn và nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng.
Mô hình của đường dây truyền tải có bù nối tiếp được trình bày trong hình 3.3
Giả định biên độ điện áp của hai nguồn bằng nhau là V và góc lệch giữa chúng là δ, giúp đơn giản hóa phân tích hệ thống Bỏ qua tổn thất trên trở kháng XL để tập trung vào ảnh hưởng của tụ bù Tụ bù có điều khiển được mắc nối tiếp vào đường dây truyền tải, giúp điều chỉnh điện áp bơm vào VC nhằm tối ưu hóa hệ thống truyền tải điện.
Tổng trở của toàn bộ đường dây truyền tải khi gắn thêm:
Dòng đện đường dây truyền tải:
Hình 3.3 (a) Hệ thống bù với một bộ bù dung kháng nối tiếp; (b) biểu đồ pha đồng vị; (c) đặc tính góc và công suất truyền tải
Công suất tác dụng đường dây truyền tải:
Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ điện được tính như sau:
Hình 3.3c thể hiện đường công suất – góc cho thấy truyền tải gia tăng theo k.
Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh và mô hình một pha của SSSC
Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh là thiết bị FACTS kết nối nối tiếp trong hệ thống truyền tải điện, có khả năng bơm điện áp điều khiển vào đường dây truyền tải ở tần số cơ bản thông qua bộ chuyển đổi nguồn điện áp liên tục và biến áp ghép Điện áp bơm vào có dạng sóng gần sin, với biên độ và góc pha thay đổi, giúp các thành phần vuông góc của điện áp này có thể sớm hoặc trễ hơn so với dòng điện đường dây đến 90 độ, từ đó hấp thụ hoặc tạo ra công suất phản kháng, cung cấp khả năng bù dung kháng và cảm kháng Nhờ vào sự phối hợp giữa các thành phần của điện áp bơm và dòng điện đường dây, SSSC có thể trao đổi công suất phản kháng và cung cấp bù trở kháng, giúp giảm dao động công suất trong hệ thống truyền tải Các bộ bù trở kháng và phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng chảy công suất trên các đường truyền tải điện, nâng cao hiệu quả và ổn định của hệ thống電
3.3.1 Khái niệm về bù điện dung nối tiếp
Việc bù điện dung nối tiếp nhằm giảm tổng trở kháng nối tiếp ảnh hưởng giữa hai đầu đường dây truyền tải Tụ bù nối tiếp giúp triệt tiêu một phần điện kháng cảm ứng của đường dây thực tế, dẫn đến giảm điện kháng ảnh hưởng và tăng khả năng truyền công suất trên hệ thống truyền tải.
Hình 3.4 Sơ đồ của một hệ thống điện hai máy đơn giản và sơ đồ vector của nó: (a) không bù nối tiếp, (b) với bù nối tiếp
Trong mô hình hệ thống điện hai máy đơn giản, việc thêm tụ bù điện dung nối tiếp làm tăng khả năng điều chỉnh công suất và giảm tổn thất trên đường truyền Khi không có tụ, dòng điện và công suất hệ thống giữ ở mức cơ bản, nhưng khi có tụ bù, điện áp vuông góc và trễ đối với dòng điện đường dây giúp cải thiện hệ số công suất Hình 3.4 (b) cho thấy rằng tụ điện nối tiếp tạo ra phản kháng Với điện áp đường dây, từ đó làm tăng dòng điện và công suất truyền tải trong hệ thống, giúp nâng cao hiệu quả vận hành.
Các công suất phản kháng (thực) ở hai nút đầu cuối của hệ thống không được bù trong hình 3.4 (a) được cho bởi
Trong hệ thống truyền tải điện, VS và VR thể hiện độ lớn của điện áp tại đầu gửi và đầu nhận, thường giả định rằng VS = VR để đơn giản hóa phân tích Góc tải δ, còn gọi là góc lệch giữa điện áp đầu gửi và đầu nhận, được tính bằng δ = δS - δR, phản ánh sự lệch pha giữa các điện áp này Đường dây truyền tải có cảm kháng XL, là thành phần cảm kháng của đường dây, ảnh hưởng đến khả năng truyền tải công suất Đối với hệ thống bù điện dung nối tiếp, cấu hình này giúp điều chỉnh đặc tính điện của hệ thống nhằm cải thiện hiệu quả truyền tải và ổn định hệ thống điện.
Với XC là điện kháng tụ điện, Xe ff =XL.XC là điện kháng ảnh hưởng, và k=XL/XC là góc bù nối tiếp (0 ≤ k