tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG của TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN mất ổn ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ

1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nh

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệutham khảo.

Tác giả luận văn

Đàm Anh Tuệ

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sựquan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảngdạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái

Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng

Toản trường Đại học Điện lực Hà Nội.

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Đàm Anh Tuệ

mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rấtgần với giới hạn về ổn định Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố

có thể xảy ra Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ(hay dao động công suất) Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với nhữnghậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Chính vì vậy mà trong

đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phươngpháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSCtrong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ

Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn tối

ưu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.Kết quả được thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việcđặt thiết bị bù TCSC Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tàiđược trình bày trong chương I của luận văn Chương II của luận văn tóm tắt một số

sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sựmất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính Các nguyênnhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương phápnghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ được trình bày cụ thể trong chương này.Chương III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạnnhỏ Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam được trình bày trong chương IV củaluận văn Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định với nhiễu loạn nhỏ, hệ số phần dư,

TCSC.

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8

Chương I GIỚI THIỆU CHUNG 10

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10

1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 12

1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ 12

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS……… 13

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 14

1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 14

Chương II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 15

2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 15

2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới……… 15

2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện……….27

2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện……… 30

2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện……… 33

2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 33

2.2.1 Định nghĩa………33

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ……… 35

2.2.3 Phương pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ……… 42

2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 43

2.4 KẾT LUẬN 46

Chương III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN DO NHIỄU LOẠN NHỎ 47

3.1 THIẾT BỊ TCSC 47

3.1.1 Giới thiệu chung……… 47

3.1.2 Các lợi ích của việc dùng TCSC……… 47

3.1.3 Mô hình TCSC……….49

3.1.4 Phạm vi ứng dụng của TCSC trong thực tế……….54

3.2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM PSS/E 56

3.2.1 Giới thiệu chung……… 56

3.2.2 Giới thiệu tổng quan về chương trình PSS/E……… 57

3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lưu công suất……….59

3.2.4 Tính toán tối ưu trào lưu công suất……… 62

3.2.5 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E……… 73

3.3 KẾT LUẬN 77

Chương IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG 78

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 78

4.1.1 Tình trạng vận hành hiện tại của hệ thống điện Việt Nam……… 78

4.1.2 Quy hoạch phát triển năng lượng trong giai đoạn 2006-2010-2015………88

4.2 CÁC TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG KHI CHƯA CÓ TCSC 102

4.3 DÙNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN DƯ ĐỂ LỰA CHỌN ĐIỂM ĐẶT TCSC 105

4.4 CÁC MÔ PHỎNG KHI CÓ TCSC 108

4.4.1 Các giá trị riêng……… 108

4.4.2 Dao động điện với tín hiệu đầu vào khác nhau……… 109

4.5 KẾT LUẬN 113

Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 115

5.1 KẾT LUẬN 115

5.1.1 Nghiên cứu các sự cố……….115

5.1.2 Nghiên cứu về TCSC trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ………115

5.2 KIẾN NGHỊ 116

Tài liệu tham khảo 117

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987 17

Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996 20

Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 20

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [20] 21

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 24

Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trước và sau khi 3h 25 phút 33 giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 25

Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17] 27

Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 30

Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 32

Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 33

Hình vẽ II-11: Công suất trên đường dây liên lạc California-Oregon trong quá trình sảy ra sự cố tan rã lưới điện ngày 10/8 /1996 [20] 34

Hình vẽ II-12: Hàm truyền đạt 40

Hình vẽ III-1: Mô hình TCSC cơ bản 49

Hình vẽ III-2: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở  51

Hình vẽ III-3: Một TCSC điển hình 52

Hình vẽ III-4: Các nguyên lý vận hành cơ bản của TCSC 53

Hình vẽ III-5: TCSC lắp đặt trong HTĐ Brazil 56

Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối của PSS/E 59

Hình vẽ IV-1: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 80

Hình vẽ IV-2: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa mưa 103

Hình vẽ IV-3: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa khô 104

Hình vẽ IV-4: Điểm đặt TCSC trên đường dây 500kV lộ đơn của EVN2010 107

Hình vẽ IV-5: Các giá trị riêng của hệ thống khi đặt TCSC trên đường dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng .108 Hình vẽ IV-6: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào P 110

Hình vẽ IV-7: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào I 111

Hình vẽ IV-8: Dòng công suất trên đường dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng với tín hiệu đầu vào P, I 112

Hình vẽ IV-9: Công suất phát của nhà máy HÒA BÌNH và HÀM THUẬN 113

Hình vẽ IV-10: Góc rotor của nhà máy điện Hoà Bình, Hàm Thuận, Phú Mỹ 114

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng III-1: Danh sách các TCSC đã được lắp đặt 54

Bảng IV-1: Điện năng tiêu thụ của Việt Nam từ 1995 - 2005 78

Bảng IV-2: Gia tăng nhu cầu phụ tải hàng năm từ 1995 - 2005 79

Bảng IV-3: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 79

Bảng IV-4: Các nhà máy điện hiện có 80

Bảng IV-5: Tổng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2000 - 2005 82

Bảng IV-6: Tổng nhu cầu điện năng 83

Bảng IV-7: Tóm tắt về đường dây và các trạm biến áp 84

Bảng IV-8: Điện năng và công suất ở các trạm biến áp 500kV 85

Bảng IV-9: Các sự cố trên đường dây 500kV 86

Bảng IV-10: Nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2006-2010-2020 88

Bảng IV-11: Tổng hợp nhu cầu điện năng của các miền 89

Bảng IV-12: Các nhà máy điện được đưa vào vận hành đến năm 2015 90

Bảng IV-13: Danh sách đường dây 500kV hiện có và đã được quy hoạch 98

Bảng IV-14: Danh sách trạm biến áp 500kV hiện có 100

Bảng IV-15: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa mưa 106

Bảng IV-16: Hệ số phần dư của HTĐ trong mùa khô 106

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CIGRE

Conseil International des Grands Réseaux Électriques

or : International Council on Large Electric systems

(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)

(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)

(Viện nghiên cứu điện lực Mỹ)

(Hệ thống quản lý năng lượng)

(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)

(Đường dây tải điện một chiều)

(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)

(Phương pháp Arnoldi hiệu chỉnh)

(Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực)

RWE TSO

A transmission system operator in Germany - RWE

Transportnetz Strom(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)

(Hệ thống đánh giá trạng thái)

(Phân tích mô hình lựa chọn)

(Cộng hưởng tần số thấp)

(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)

(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)

(Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor)

(Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan)

(Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải)

(Hệ thống đo lường trên diện rộng)

(Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng)

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế củamỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh

tế quốc dân Một HTĐ thường phân chia làm ba phần chính: Phần phát điện - hayphần nguồn điện - bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệtđiện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điệnkhác… Phần truyền tải, đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của mộtHTĐ bao gồm các đường dây cao áp, và máy biến áp truyền tải Phần phân phối,nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải khác nhau Để đảmbảo chế độ vận hành bình thường thì HTĐ cần thỏa mãn các điều kiện về an ninh,tin cậy cung cấp điện, đảm bảo chất lượng điện năng, và yêu cầu về kinh tế

Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặtvới những khó khăn: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải: Đặc biệt là vớimột nước đang phát triển nhanh như Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng (15 -20)% mỗi năm đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nước nóichung: đó là làm sao phải đáp ứng được nhu cầu phụ tải Vấn đề thứ hai là sự cạnkiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt, và cả nguồn thủy điện.Không chỉ riêng Việt Nam và cả thế giới đều nhận thức được rằng chúng ta đangphải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lượng sơ cấp, và giá nhiên liệu ngày càngtăng trên bình diện quốc tế Ở đây chúng ta cần hiểu rằng nguồn thủy điện đã cạnkiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã được phát hiện và khai thác gần hết Đây cũng

là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc gia Việc ứng dụng công nghệhạt nhân trong sản xuất điện ở nước ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về công

nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu

tư lớn Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn nănglượng tái tạo trên bình diện cả nước Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán nàygóp phần giảm thiểu gánh nặng cho nghành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầuphụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo sẵn

có Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải vàphân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làmkhó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ Một vấn đề nữa

mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trường do các nhàmáy điện gây ra Do đó chúng ta cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này khi quyếtđịnh đầu tư xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện lớn.Vấn đề thứ năm đó là xu hướng thị trường hóa ngành điện Nó làm thay đổi hoàntoàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn toàn

mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh điện

Và đặc biệt là xu hướng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ ngàycàng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản lý,vận hành, điều khiển giám sát

Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về

ổn định Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra Theokết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động côngsuất) Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả tolớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Mặc dù sự cố tan rã HTĐ đã trởthành mối lo ngại hàng thập kỷ qua, tuy nó ít khi xảy ra và các sự cố trong HTĐ làkhông giống nhau nhưng hậu quả mà nó gây ra là rất lớn không những về kinh tế

mà còn về an ninh năng lượng Ví dụ như sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 8 năm

2003, tổng lượng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ Ở

sự cố tại Ý tháng 9 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, và tổng thiệt hại vàokhoảng 50 tỉ đô la Một sự cố khác là sự sụp đổ tần số ở các nước Tây âu năm 2006cũng làm khoảng 15 triệu người bị ảnh hưởng, và rất nhiều các sự cố khác… trong

đó có một sự cố có liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định do nhiễu loạnnhỏ Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một nhu cầucấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng Đã có rất nhiềunghiên cứu trên thế giới tập trung vào đề xuất các phương án, nghiên cứu, và nângcao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Ngày nay việc ứng dụng các công nghệ mới đặc biệt

là các thiết bị bù linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) đã chứng tỏtác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ

Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định vớinhiễu loạn nhỏ, phương pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loạiFACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ Thiết bị

bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyềntải điện xoay chiều linh hoạt FACTS có khả năng thay đổi nhanh, liên tục điệnkháng bù dọc Thiết bị này cho phép chúng ta vận hành HTĐ một cách linh hoạt,hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanhcông suất phản kháng Việc nghiên cứu thành công luận án sẽ giúp ích cho ngànhđiện lực, trong tính toán thiết kế, vận hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng cao

ổn định điện áp, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện

1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ

Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nàobởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dưới góc độ kinh tế và an ninh nănglượng Do đó vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua.Một sự cố tan rã HTĐ thường là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, và làmột hiện tượng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời Trong đóviệc mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính

Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rãHTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định

do nhiễu loạn nhỏ Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ đượctóm tắt ngắn gọn Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việcđiều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành

đề xuất các phương án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS

Sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ đã được xem như là một trong nhữngnguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây Khi phân tích sự cốnày, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự dao động công suất, các cách thức dao độngkhác nhau, như là: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ (KT),

mô hình phụ tải, cấu trúc HTĐ cũng như các loại sự cố khác nhau Tuy nhiên các sự

cố có thể coi như là đủ nhỏ, không phá vỡ trạng thái làm việc của HTĐ ngay lập tức,

do đó hệ phương trình mô tả HTĐ có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việcban đầu Phương pháp sử dụng giá trị riêng, hệ số tham gia, hệ số phần dư được sửdụng chủ yếu để nghiên cứu, đánh giá hiện tượng ổn định với nhiễu loạn nhỏ

Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ, chúng tảphải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản - haythêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất

ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh(Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị TCSC đã đượcchứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi sốlượng các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về số lượng vì lý do kinh tế và kỹthuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải tối ưu hóa điểm đặt các thiết bị này để nângcao ổn định do nhiễu loạn nhỏ

Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp hệ số phần dư để lựa chọn tối

ưu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.Kết quả được thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việcđặt thiết bị bù TCSC

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Bản luận văn được trình bày như sau:

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn Chương II củaluận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gầnđây Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhânchính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như làphương pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ được trình bày cụ thể trongchương này Chương III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định vớinhiễu loạn nhỏ Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam được trình bày trongchương IV của luận văn Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN

Bản luận văn chỉ thảo luận phương pháp dùng hệ phần dư để lựa chọn điểm đặtcho các thiết bị TCSC Kết quả chỉ được áp dụng cho HTĐ Việt Nam

Việc lựa chọn tối ưu bộ thông số của thiết bị TCSC đòi hỏi nhiều công sức, vàphụ thuộc vào nhiều yếu tố, cũng như cấu hình của mỗi HTĐ cụ thế Trong luận vănnày, tác giả chọn thông số của thiết bị TCSC theo bộ thông số điển hình trong cáctài liệu tham khảo

CHƯƠNG II

ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ

2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY

2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới

Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thếgiới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nước phát triển như Mỹ,Nhật Bản, Tây Âu… Trong phần này, một số các sự cố điển hình được thảo luậntóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10],[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19]:

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp Lúc đó HTĐ Pháp đang nhậpkhẩu điện năng từ các nước bên cạnh Phụ tải tăng lên từ khoảng 7 giờ đến 8giờ là 4600 MW So với ngày hôm trước thì nhu cầu phụ tải tăng lên là 1600

MW Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8 giờ 5 phút đến

8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tảicủa các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV) Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút,thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trongkhoảng từ 342 kV đến 374 kV Trong khi đó một số đường dây đã bị cắt ra

do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và xảy ra sụp

đổ điện áp sau đó Trong quá trình khôi phục lại HTĐ đã xảy ra một sự cốsụp đổ điện áp khác Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt, với tổng nănglượng không truyền tải phân phối được là 100 GWh Hậu quả về tiền được

dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla Nguyên nhân chính là sự mất ổnđịnh và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng một tổmáy có công suất 700 MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo

dưỡng Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đãtác động để giảm lượng công suất phản kháng phát ra Ba đến bốn phút sau sự

cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất phảnkháng” của máy phát điện Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút củamột số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82 pu (đơn vị tương đối) Vào lúc 4phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổđiện áp do mất ổn định điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hư hỏng một bộ daocách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việcngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV Khoảng 8 giây sau, mộtđường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng Điện áp của HTĐ bị giảmthấp làm cho các máy biến áp với bộ điều áp dưới tải tác động, càng làm chođiện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăngcao trong các đường dây từ phía Bắc đến phía Nam Khoảng 55 giây sau sự

cố ở trong trạm biến áp, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ củaThụy Điển bị tách thành hai phần, Bắc và Nam Các hiện tượng sụp đổ tần số

và điện áp xảy ra trong HTĐ Hệ thống sa thải phụ tải đã không có hiệu quảtrong việc cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ Các tổ máy hạt nhân trong khu vựcHTĐ chia rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở kháng thấp dẫn đến sự cốtan rã hoàn toàn HTĐ Tổng lượng tải bị cắt ra vào khoảng 11400 MW.Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp trongkhoảng thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Florida - Mỹ ngày 17 tháng 5 năm 1985: Một sự cốphóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500 kV đang mang tải nhẹ dẫnđến sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây Lượng tải

bị mất khoảng 4292 MW Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trìnhsụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ Tokyo - Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn bộ thủ

đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lượng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt

độ tăng cao Sau thời gian buổi trưa, lượng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút(tương đương với 400 MW/1 phút) Mặc dù, các tụ bù đã được đóng hết,nhưng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500

kV Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u

và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thốngtruyền tải và xa thải 8000 MW Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áptrong khoảng thời gian dài hạn Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của cácthiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền Tây nước Pháp: trong khoảng 50phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến điện áptrong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trongvòng 7 phút sau đó, trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động.Tuy nhiên thì điện áp vẫn được giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ0.5 pu đến 0.8 pu) Trong khoảng thời gian 6 phút, điện áp giảm thấp đã phải cắtmột lượng tải là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ Nguyên nhânchính là do sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3] Hình vẽ

II -1 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp đổ đối với HTĐ Pháp

Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987

 Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ được vận hành rất gần với giớihạn an ninh cho phép, lượng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn,chính vì vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trựctiếp với hệ thống truyền tải 400 kV Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồngthời với việc bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400 kV đã làm giảm lượngcông suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lưới 400 kV giảmxuống còn 344 kV Điện áp đã được khôi phục bằng cách khởi động các nhàmáy điện dùng tuabin khí và sa thải một lượng phụ tải [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền tây nước Mỹ (Western SystemsCoordination Council - WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùngWyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải

và nhiệt độ trong vùng miền Nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C Lượngcông suất truyền tải từ vùng Pacific về California khá cao cụ thể như sau:

o Đường dây liên lạc AC: 4300 MW (giới hạn là 4800 MW)

o Đường dây liên lạc DC: 2800 MW ( giới hạn là 3100 MW)

o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đường dây 345 kV từnhà máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho

do phóng điện từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến Sự cố nàydẫn đến việc cắt một đường dây mạch kép khác do sự tác động sai củabảo vệ rơ le Việc cắt 2 trong bốn tổ máy của nhà máy điện JimBridger theo tiêu chuẩn ổn định lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ Tuynhiên việc sự cố cắt đường dây 220 kV trong miền Đông Oregon đãlàm điện áp giảm thấp trong vùng miền Nam Idaho, và sự suy giảmdần dần trong vùng trung tâm Oregon Khoảng 24 giây sau, mộtđường dây 220 kV khá dài khác từ vùng miền Tây Montana đến miềnNam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách, điều nàylàm cho một đường dây kép 161 kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến việcsuy giảm khá nhanh điện áp trong vùng Idaho và Oregon Khoảng 3

giây sau, 4 đường dây 220 kV từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt

ra, 2 giây sau, hệ thống truyền tải liên lạc với vùng Pacific bị cắt ra

Sự tan rã HTĐ xảy ra sau khoảng 35 giây từ sự cố đầu tiên Khoảng2,2 triệu người đã bị ảnh hưởng, lượng tải bị mất vào khoảng 11900

MW Nguyên nhân chính là sự sụp đổ điện áp [1], [10]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền Tây nước Mỹ: (Western SystemsCoordination Council -WSCC), ngày 10 tháng 8 năm 1996

o Trong thời gian trước khi xảy ra sự cố, nhiệt độ ở miền Tây Bắc, vàlượng công suất truyền tải từ phía Canada về California tăng cao.Trước khi tan rã hệ thống, ba đường dây 500kV truyền tải công suất từvùng hạ lưu sông Columbia River đến trung tâm phụ tải Oregon đã bịcắt ra do sự cố phóng điện vào cây trên hành lang tuyến Đường dâyliên lạc California-Oregon truyền tải 4330 MW từ miền Bắc về miềnNam Đồng thời đường dây liên lạc một chiều Pacific DC Intertietruyền tải 2680 MW từ miền Bắc về miền Nam Dao động công suấttăng dần xảy ra ở tần số 0.23, sự thiếu các thiết bị điều khiển cản daođộng đã dẫn đến việc cắt các đường dây khác, và làm HTĐ bị chiatách thành bốn vùng riêng biệt

o Tổng lượng tải bị mất là khoảng 30,500 MW, hơn 7,5 triệu người đã

bị ảnh hưởng mất điện từ vài phút đến 9 giờ

Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996

Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [20]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền Bắc nước Mỹ - Canada (North AmericanElectricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003 Dựa trên cácđiều tra của NERC, HTĐ lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và rấtthiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio Hệ thống đánh giátrạng thái, và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO)(state estimator -SE và real time contingency analysis RTCA) đã không hoạtđộng đúng do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến 16 giờ 04phút Điều này đã ngăn cản MISO đưa ra các cảnh báo sớm trong việc đánh giátrạng thái của HTĐ Tại trung tâm điều khiển HTĐ FE (First Energy controlcenter) đã xảy ra một sự cố hư hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lýnăng lượng (Energy Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút Những hưhỏng này đã khiến FE không thể đánh giá đúng được tình trạng làm việc và đưa

ra những cảnh báo sớm và biện pháp phòng ngừa Sự cố đầu tiên xảy ra trong

hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút, tổ máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra

do quá kích thích, và một số tổ máy khác trong vùng FE và phía Bắc của Ohiođang vận hành ở chế độ quá tải về công suất phản kháng, trong khi đó tải côngsuất phản kháng trong khu vực này tiếp tục tăng cao Mặc dù các kỹ sư vậnhành đã cố gắng khôi phục lại hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhưng tổmáy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến đường dây 345 kV trong vùng FE Chamberlin-Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào câytrong hành lang tuyến, mặc dù lúc đó đường dây này chỉ mang 44% tải địnhmức Tiếp theo là đường dây 345 kV Hanna-Juniper đang mang tải 88% cũng bịcắt ra do phóng điện vào cây trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút Mộtđường dây 345 kV khác đang mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra dophóng điện vào cây lúc 15 giờ 41 phút Trong khoảng thời gian này, vì hệ thốngphần mềm của trung tâm điều khiển FE và MISO bị hỏng, nên không hề có mộthành động ngăn chặn nào Tiếp sau đó là một loạt các đường dây tải điện trong

hệ thống 138 kV bị cắt ra trong khoảng 15 phút tiếp theo, nhưng vẫn không có

sự sa thải phụ tải nào Sự cố nguy kịch nhất dẫn đến việc mất điều khiển HTĐ

và mất điện lan rộng trong vùng Ohio sau khi đường dây 345 kV Sammis-Star

345 kV bị cắt ra lúc 16 giờ 05 phút 57 giây Vào khoảng 16 giờ 10 phút 38 giây,

do việc mất các đường dây liên lạc giữa Ohio và Michigan, công suất trao đổigiữa Mỹ và Canada đã bị thay đổi Tại thời điểm này, điện áp xung quanh vùngDetroit bị giảm thấp do các đường dây bị quá tải nặng HTĐ đã mất ổn định kếtquả là sự mất điện hàng loạt, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đường dây trongmột vùng rộng lớn Người ta ước tính khoảng 65000 MW đã bị cắt và phải mấtgần 30 giờ để khôi phục lại HTĐ, dao động công suất, mất ổn định điện áp lànguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ [5], [9], [10], [11], [12], [13], [14]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển/ Đan Mạch ngày 23 tháng 9 năm 2003:Trước khi xảy ra sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạncho phép Tổng lượng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000 MW, và khôngquá nặng tải Hai đường dây 400 kV trong vùng sự cố đã được cắt ra để bảodưỡng định kỳ, một đường dây HVDC khác nối với Đức cũng bị cắt ra cho

mục đích bảo dưỡng Bắt đầu từ 12 giờ 30 phút, tổ máy 3 của nhà máy điệnhạt nhân Oskarshamn bị sự cố phải giảm công suất từ 1250 MW xuống 800

MW vì sự cố trong hệ thống bơm cấp nước Nhân viên nhà máy đã không thểkhắc phục được sự cố này và dẫn đến tổ máy 3 bị cắt ra làm mất hoàn toàn

1250 MW Sự cố này lẽ ra được coi là bình thường và thỏa mãn tiêu chuẩn

an ninh N-1, bởi lượng công suất dự phòng nóng và khả năng mang tải củacác đường dây vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh kể trên Sau quá trình quá độbình thường, các hệ thống tự động đã khởi động để lấy công suất dự phòng

từ các nhà máy thủy điện từ Na Uy, bắc Thụy Điển và Phần Lan, người ta tinrằng điều này sẽ làm HTĐ trở lên ổn định trong vòng khoảng 1 phút Tuynhiên điện áp ở vùng phía Nam đã giảm khoảng 5 kV, tần số ổn định tronggiới hạn cho phép là 49,90 Hz Lượng công suất chạy trên các đường dâynằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng công suất chạy từ phía Nam -Tây Nam đã tăng lên Vào lúc 12 giờ 35 phút đã xảy ra một sự cố thanh gópkép ở trạm 400 kV Horred phía Tây Thụy Điển đã làm mất 1,8 GW từ nhàmáy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối Bắc - Nam cũng bị cắt ra, từ

12 giờ 35 phút đến 12 giờ 37 phút vùng phía Đông đã trở lên quá tải dẫn đến

sự sụp đổ điện áp, vùng phía Nam (Nam Thụy Điển và Tây Nam của ĐanMạch) bị tách rời Lúc 12 giờ 37 phút sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp

đổ cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã HTĐ Tổng lượng tải bị cắt vàokhoảng 6,3 GW và mất hơn 6 giờ để khôi phục HTĐ [9], [11], [15]

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand)

 Sự cố tan rã HTĐ tại Italy, ngày 28/09/2003 vào lúc 3 giờ sáng, lượng côngsuất nhập khẩu là 6,9 GW, và nhiều hơn 300 MW so với định mức Lúc 03giờ 01 phút 42 giây, có một sự cố xảy ra trên đường dây 380 kV mang tảinặng từ Mettlen -Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ, gần với biên giới của Italy.Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây một cách tựđộng và bằng tay nhưng không thành công do sự sai lệch lớn về góc phađiện áp giữa hai cực của máy cắt điện Việc này đã làm đường dây truyền tải

400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110% Vì sự dao độngcông suất này không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn an ninh N-1 của HTĐItaly nên các nhà vận hành HTĐ Italy (GRTN) đã không nhận thức được sựnguy hiểm đang xảy ra ở HTĐ Thụy Sỹ và đã không tiến hành bất cứ hànhđộng phòng ngừa nào Vào lúc 03 giờ 11 phút, các nhà vận hành HTĐ Thụy

Sỹ (ETRANS) đã yêu cầu GRTN giảm lượng công suất nhập khẩu xuống đểgiảm lượng quá tải trong HTĐ Thụy Sỹ để đưa HTĐ trở lại chế độ vận hành

an toàn hơn Tuy nhiên sự phối hợp thiếu đồng bộ, và chính xác giữaETRANS và GRTN, đã dẫn đến việc ETRANS đưa ra một hành động gây

tranh cãi là cắt đường dây Sils – Soazza do quá tải lúc 03 giờ 25 phút 21giây Ngay lập tức, một đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bịquá tải và bị cắt ra làm mất một lượng tải truyền sang Italy là 740 MW Sau

sự cố này, các đường dây nhập khẩu điện từ các nước khác như Pháp, Thụy

Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị quá tải và lần lượt bị cắt ra Kết quả là HTĐItaly đã bị mất điện hoàn toàn, tổng lượng tải bị cắt là 27 GW, thiệt hại vềkinh tế là hàng chục tỉ đô la Đây được coi là sự cố lớn nhất trong lịch sửngành điện lực Italy Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sự sụp

đổ tần số và điện áp trong HTĐ [6], [7], [8], [9]

Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trước và sau khi 3h 25 phút 33

giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE

 Sự cố tan rã HTĐ Hy Lạp ngày 12/07/2004 Trước 12 giờ 25 phút, HTĐ ởthủ đô Athens đã rất nặng tải do việc dùng quá nhiều điều hòa nhiệt độ Hơnnữa việc bảo dưỡng 4 đường dây và mất một tổ máy 125 MW, một tổ máy

300 MW đã làm cho HTĐ ở rất gần giới hạn ổn định Cho đến chiều, điện ápgiảm xuống khoảng 90% giá trị danh định Vào lúc12 giờ 30 phút để giảm sụp

đổ điện áp, sa thải 80 MW tải nhưng phụ tải vẫn tiếp tục tăng lên làm cho điện

áp tiếp tục giảm xuống Cho đến lúc 12 giờ 35 phút, các nhà vận hành đã dựđịnh sa thải tiếp 200 MW (nhưng thực tế đã không tiến hành sa thải) Vào lúc

12 giờ 37 phút, một tổ máy khác bị cắt ra đã làm cho điện áp sụp đổ hoàn toàn.Lúc 12 giờ 39 phút, hệ thống bị tách ra bảo vệ đường dây tác động, phần HTĐcòn lại bị tách khỏi vùng phía Nam, dẫn đến sự cố tan rã HTĐ ở Athens vàđảo Peloponnes Tổng lượng tải bị mất vào khoảng 9 GW [16].

 Sự cố tan rã HTĐ các nước châu Âu ngày 04/11/2006 Đây là một trongnhững sự cố có nguyên nhân phức tạp, ảnh hưởng đến nhiều quốc gia.Nguyên nhân chính là do sự mất ổn định về tần số [17], [18] Tuy nhiên việc

sa thải phụ tải kịp thời đã tránh được một sự cố tan rã HTĐ trên diện rộng.trong đó riêng Pháp đã sa thải 6460 MW hay 12% Khoảng hơn 15 triệungười đã bị ảnh hưởng

a Tần số HTĐ ghi được cho đến khi bị chia tách

b Tần số ghi được sau khi HTĐ bị chia tách Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17]

 Ngoài ra còn rất nhiều các sự cố mất điện khác như: các nước châu Âu ngày4/11/2006, London - nước Anh (08/08/2003), Helsinki - Phần Lan (09/08/2003),Shanghai - Trung Quốc (27/08/2003), Athens - Hy Lạp (06/10/2003), Georgia(23/09/2003), Bahrain (08/08/2004), Úc (14/08/2004), Kuwait (01/11/2004),Malaysia (13/01/2005), Moscow - Nga (25/05/2005), Dubai (09/06/2005) [21].Một loạt các sự cố tan rã HTĐ kể trên đã chứng tỏ rằng vấn đề này vẫn đangđược đặc biệt quan tâm Mặc dù đã có những đầu tư lớn trong việc qui hoạch, thiết

kế, cũng như lắp đặt nhiều thiết bị, nhà máy điện mới, đường dây tải điện mới, cũngnhư đào tạo nâng cao trình độ cho cán bộ vận hành, nhưng những nguy cơ về tan rãHTĐ vẫn còn nguyên tính thời sự Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu,tìm hiểu cơ chế, cũng như các biện pháp phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố mấtđiện đó trong tương lai

2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện

Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiềunguyên nhân khác nhau Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách,mất đường dây, máy phát điện… liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành

các vùng, khu vực cách ly nhau Trong luận văn này, chúng tôi tổng kết một số cácnguyên nhân chính như sau:

Nguyên nhân đầu tiên có thể bắt đầu ngay từ khâu qui hoạch và thiết kế Ví dụnhư việc dự đoán sai nhu cầu phụ tải dẫn đến sự thiếu hụt năng lượng cung cấp chophụ tải (sự cố tan rã HTĐ Hy Lạp năm 2004 là một ví dụ điển hình) Một vấn đềquan trọng khác trong giai đoạn này đó là việc tuân theo các tiêu chuẩn an ninh khithiết kế Vì việc đảm bảo an ninh cho một HTĐ đối với tất cả các sự cố là không thểthực hiện được Trường hợp hay gặp nhất là khi có một hư hỏng bất kỳ xảy ra trongHTĐ - hay còn gọi là tiêu chuẩn N-1 Xác xuất xảy ra hai (N-2) hay nhiều thiết bịcùng hư hỏng đồng thời là nhỏ hơn Tuy nhiên để đảm bảo an ninh cho HTĐ, một

số HTĐ còn phải đảm bảo tiêu chuẩn N-2 Nhưng một số HTĐ, trong giai đoạn quihoạch và thiết kế đã không đảm bảo tiêu chuẩn N-1 ( hoặc N-2) đã dẫn đến một số

sự cố tan rã HTĐ gần đây (ví dụ như sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển - Đan Mạch

2003 là một ví dụ) Việc thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là mộttrong những nguyên nhân của các sự cố tan rã HTĐ (Ví dụ như việc cài đặt cácthông số bảo vệ khác nhau của hai đầu đường dây liên lạc (nằm ở hai nước khácnhau) trong HTĐ châu Âu UCTE dẫn đến sự cố ở các nước châu Âu năm 2006.Hoặc việc cài đặt thông số sai của hệ thống xa thải phụ tải theo tần số là nguyênnhân chính của sự cố tại Italy năm 2003) Việc thay đổi cấu trúc hệ thống, và quanđiểm vận hành theo thị trường điện cũng cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng khi quihoạch và thiết kế

Rất nhiều nguyên nhân nguy hiểm dẫn đến sự cố tan rã HTĐ xuất phát từ quátrình vận hành HTĐ Trong môi trường thị trường điện, có nhiều các HTĐ con (sub-systems) cùng vận hành và điều khiển hệ thống truyền tải xương sống(interconnected transmission system (the so-called TSOs) Sự có mặt với tỉ lệ khálớn của HTĐ phân tán cũng làm cho HTĐ ngày càng trở lên phức tạp khi xem xéttrên quan điểm vận hành và quản lý Chính vì vậy mà những người vận hành HTĐ

có thể không hiểu hết về HTĐ mình đang quản lý - vận hành, đặc biệt là khi cónhiều hợp đồng mua bán điện, dòng chảy công suất - năng lượng liên tục thay đổi,

và các sự cố ngẫu nhiên phức tạp có thể xảy ra trong một HTĐ lớn Kết quả là thiếu

sự phối hợp và hành động chính xác trong việc phòng ngừa, ngăn chặn sự cố giữacác trung tâm điều độ HTĐ (Ví dụ như sự cố ở lưới điện Thụy Sỹ - Italy năm 2003,hay lưới điện châu Âu năm 2006)

Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiêm ẩn, đặc biệt làcác công việc bảo dưỡng bất thường, sự hư hỏng của các thiết bị điện quá cũ, thiếunhững công việc bảo dưỡng định kỳ ( thậm chí là việc cắt tỉa cây trên hành langtuyến) Việc thiếu sự đào tạo thường xuyên, cập nhật cho những người vận hànhHTĐ và phối hợp đào tạo liên trung tâm điều độ cũng có thể gây ra các sự cố tan rãHTĐ (ví dụ như sự cố ở London - Anh năm 2003, Moscow - Nga năm 2005, và sự

cố mất điện ở các nước châu Âu năm 2006)

Ngoài ra còn nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thườngcủa thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management -ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống đánh giá sự cốngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA) đã làm cho các kỹ

sư vận hành không thể giám sát và đánh giá tình trạng làm việc cũng như việc đưa

ra các biện pháp kịp thời (Ví dụ như sự tan rã HTĐ ở bắc Mỹ - Canada năm 2003).Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hay hiện tượng thiênnhiên cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường củaphụ tải hay hư hỏng thiết bị được xem là những điều kiện bất lợi ban đầu cho HTĐ,

là nguyên nhân bắt nguồn các sự cố

Các nguyên nhân chung dẫn đến sự cố tan rã HTĐ có thể được tóm tắt như sau:

Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ

2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện

Trong phần trước, chúng tôi đã tóm tắt các sự cố tan rã HTĐ xảy ra gần đây trênthế giới, nhưng các cơ chế xảy ra sự cố rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thốngliên kết Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từtrạng thái vận hành bình thường (có thể rất gần với giới hạn an ninh/ ổn định) đến mất

ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt Cơ chế chung

đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và có thể được tổng kết như sau:

 Ban đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần vớigiới hạn ổn định Ví dụ như mất một số tổ máy/ nhà máy điện, một số đườngdây tải điện do sự cố hay bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rấtlớn hay tăng lên do những điều kiện bất thường của thời tiết Hơn nữa, vùngtrung tâm phụ tải lại ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất

HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống truyền tải

Nhà máy điện

Vùng phụ tải

M C

đặt sai thông số Không cập nhật

các tiêu chuẩn Những công

việc bất thường

Thiết bị quá cũ

Thiếu sự đào tạo chuyên sâu nhân viên vận hành

Sự phối hợp vận hànhkém

Thiếu biện pháp ngăn chặn Thiếu biện

Thảm họa thiên nhiên

Các hư hỏng ẩn

Bảo vệ tác động nhầm

Bảo dưỡng

tác dụng và phản kháng, hoặc không có đủ công suất dự phòng Những điềukiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị giảm thấp

 Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cốcực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phátquan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m2)) Làm phátsinh các vấn đề ổn định HTĐ như mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto, làmquá tải các thiết bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữacác máy phát điện Việc mất cân bằng công suất phát/ tải làm nảy sinh sự sụp

đổ về tần số và đồng bộ hóa

 Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống, lỗivận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng ẩn trongcác hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn

 Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đếngiới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điềukhiển điện áp Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện áp

và tan rã hệ thống

 Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phátđiện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máyphát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/ tải tăng lên mạnh hơn nữa,

và dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác, và làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống

 Cơ chế tan ra HTĐ có liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp/ tầnsố/ góc roto

Sự tổng kết về cơ chế tan rã HTĐ được trình bày ở hình vẽ dưới đây :

Thiếu mô men cản dao động

Tổn thất c/s

phản kháng

tăng mạnh

ULTC đạt đến nấc cao nhất

Thiếu công suất tác dụng và phản kháng dự trữ

Máy phát/bù đạt đến giới hạn phát c/s phản

kháng

Nặng tải và điện

áp thấp ở một số nút trong HTĐ

HỆ THỐNG ĐIỆN

Bắt nguồn bởi một sự cố nguy kịch:

Mất một đường dây, máy phát điện quan trọng…

áp tại các nút Quá tải các thiết bị khác Vấn đề đồng bộ hóa HTĐ

Điều kiện thời tiết

bất thường dẫn đến

hay tải tăng đột

ngột

Mất một số máy phát, đường dây, tụ

bù, máy bù …

Vùng phụ tải ở xa vùng phát điện, đường dây truyền tải dài

Cắt các thiết bị quá tải khác trong HTĐ

Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ

2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện

Như đã phân tích ở trên, mặc dù các sự cố tan rã HTĐ có nhiều nguyên nhân,nhưng nguyên nhân vật lý trực tiếp đó là sự mất ổn định HTĐ Một tổng kết củaIEEE/CIGRE về các loại ổn định được chỉ ra trong hình vẽ ở dưới đây: [1], [22]

Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ

Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một trong nhữngnguyên nhân gây ra sự cố tan rã HTĐ Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi sẽ tậptrung vào nghiên cứu về vấn đề này

2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ

2.2.1 Định nghĩa

Một số định nghĩa của ổn định góc được biên soạn bởi IEEE/CIGRE [22] sẽđược trình bày trong phần này

Ổn định góc rô-to: liên quan đến khả năng của các MPĐ đồng bộ trong một

HTĐ liên kết vẫn còn giữ được sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động có thể

HỆ THỐNG ĐIỆN

Ổn định góc

Ổn định quá độ

Kích động lớn

xảy ra trong HTĐ Nó liên quan đến khả năng duy trì/phục hồi sự cân bằng giữa mômen điện từ và mô men cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất

ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sựmất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể được phânloại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ ( small signal stability), và ổn địnhgóc khi quá độ (transient stability):

Ổn định góc Rôto với nhiễu loạn nhỏ (hoặc ổn định góc Rôto với tín hiệu nhỏ hoặc ổn định tín hiệu nhỏ - SSS) là khả năng của một HTĐ vẫn còn duy trì được

sự đồng bộ hóa khi trải qua các nhiễu loạn nhỏ (hay kích động nhỏ) Các nhiễu loạnđược coi là đủ nhỏ để có thể dùng phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểmcân bằng hệ thống điện cho mục đích phân tích tính chất ổn định, cũng như các yếu

tố ảnh hưởng đến sự mất ổn định Sự ổn định nhiễu loạn nhỏ phụ thuộc vào trạngthái vận hành ban đầu của hệ thống điện Mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ có thể xảy

ra ở hai dạng:

 Tăng góc rô-to không tuần hoàn hoặc ở chế độ dao động do thiếu mô men đồng bộ,

 Các biên độ dao động tăng dần góc roto do thiếu mô men cản dao động

Hình vẽ II-11: Công suất trên đường dây liên lạc California-Oregon trong quá trình sảy ra

sự cố tan rã lưới điện ngày 10/8 /1996 [20]

Hình vẽ II -11 trình bày một ví dụ của mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ trong sự cốtan rã lưới điện WSCC (USA), vào tháng 8 năm 1996 Hình vẽ minh họa cho thấy

dao động điện trên hệ thống đường dây liên lạc California Oregon khi xảy ra sự cốtan rã lưới điện.

2.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ

Khi nghiên cứu các vấn đề ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ, các dạng nhiễuloạn thông thường được coi là đủ nhỏ và phương pháp tuyến tính hóa xung quanhđiểm làm việc cân bằng của HTĐ thường được áp dụng cho việc nghiên cứu vàphân tích Các phương pháp truyền thống dựa trên các phân tích các giá trị riêng của

ma trận trạng thái và các ma trận liên quan, hệ số tham gia

Một hệ thống điện động có thể được miêu tả bằng một hệ thống các phương trình

vi phân phi tuyến như sau [1], [23], [24]:

.

( , )( , )

x là véc-tơ biến trạng thái của kích thước nx1

y là véc-tơ các biến đầu ra của kích thước mx1

u là véc-tơ biến điều khiển đầu vào của kích thước rx1

A là ma trận trạng thái của kích thước nxn

B là ma trận điều khiển của kích thước nxr

C là ma trận đầu ra của kích thước mxn

D là ma trận được các biến điều khiển kích thước mxr

2.2.2.1 Các giá trị riêng của ma trận

Bằng cách lấy biến biến đổi Laplace của phương trình vi phân ( 2.2 -2), chúng ta có

( ) (0) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Sau đây là phương pháp thứ nhất của tiêu chuẩn ổn định Lyapunov: để ước tínhcác thuộc tính ổn định với nhiễu loạn nhỏ [1] các giá trị riêng của ma trận (hoặc cácchế độ modes) xác định các đặc tính ổn định của hệ thống Khi các giá trị riêng của

ma trận trạng thái là số thực dương (hoặc số thực âm), sẽ xác định đáp ứng theohàm số mũ tăng lên (hoặc giảm xuống) của góc rô to Khi giá trị riêng của ma trậntrạng thái A là các số phức có phần thực là dương (hoặc âm) cho các đáp ứng là daođộng với biên độ tăng lên (hoặc giảm xuống) của góc rô to Đáp ứng của hệ thốngđược kết hợp bởi các đáp ứng của n chế độ trong HTĐ

2.2.2.2 Các véc-tơ riêng và các ma trận dạng phương thức

Chúng ta giả thiết = 1,2…n là các giá trị riêng của ma trận A, cho mỗi giá trịriêng i, kết hợp với các véc-tơ đặc trưng phải i và véc-tơ đặc trưng trái i đượcxác định như sau:

A = A =

i i

Véc-tơ đặc trưng trái và phải tương ứng với các giá trị riêng khác nhau của ma trậntrạng thái A là các ma trận trực giao Trong thực các véc-tơ này khá phổ biến, vì vậy

để   i i 1 và   j i 0 nếu i ≠j Để trình bày các thuộc tính của véc-tơ đặc trưng của

ma trận A, có một số ma trận được giới thiệu dưới dạng phương thức như sau

1 i 1

A =

Hệ thống điện đáp ứng với một nhiễu loạn nhỏ là sự tổ hợp của hệ thống với mỗichế độ n Ma trận đặc tính véc-tơ phải  đã được biết như ma trận có chế độ modetrạng thái, với các đường giá trị i được biết như chế độ thứ i tương ứng với giá trịriêng i của ma trận trạng thái Véc tơ đặc trưng có chế độ cơ lý của đáp ứng tự nhiên(ví dụ, phân nhóm, các pha, và đáp ứng tần số dao động của máy phát khi trải qua chế

độ quá độ điện cơ) Nó đánh giá sự hoạt động của các biến trạng thái ở một chế độdao động nhất định Ma trận véc tơ trái đánh giá khả năng điều khiển đến chế độ này

2.2.2.3 Các hệ số tham gia

Một vấn để sử dụng trong các véc-tơ đặc trưng phải và trái một cách độc lập cho việcnhận dạng mối quan hệ giữa các biến trạng thái và các chế độ là một yếu tố của các véc-tơđặc trưng độc lập trên các đơn vị (units) và tỷ lệ thuận với các biến trạng thái Giải phápcho vấn đề này là một ma trận được gọi là ma trận hệ số tham gia (P) gồm tổ hợp với các

véc-tơ đặc trưng trái, phải như một phép đo về sự liên hệ giữa các giá trị biến trạng thái vàchế độ.

2 2 2i

i

ni

pp

p =p

độ thứ i Vì vậy, hệ số tham gia có thể được sử dụng cho việc xác định khi nào dùng bộ

ổn định HTĐ (power system stabilizer-PSS) là cần thiết cho việc cản các dao động trongHTĐ Nếu hệ số tham gia của một máy phát nằm trong một khu vực có giá trị lớn, thì bộ

ổn định HTĐ -PSS phải được đặt tại máy phát điện để cản các dao động của HTĐ

2.2.2.4 Chỉ số quan sát được, điều khiển được và hệ số phần dư

* Chỉ số quan sát được, điều khiển được [1] , [25]

Để phân tích về nhiễu loạn nhỏ cần xây dựng hệ thống các ma trận trạng thái Mục đíchxây dựng các ma trận trạng thái là đưa ra mô hình các biến trạng thái Hệ phương trìnhđộng đã tuyến tính hoá đối với điều kiện ổn định xung quanh một điểm cân bằng nhậnđược hệ tuyến tính từ các phương trình trạng thái

x . = A.x + B.u

Thực hiện biễu diễn chúng theo phương pháp biến đổi về dạng phương thức z xác định bởi:

u D z C y

u z

u D z C y

u z

B’= bi(i)=Φ-1B

Nếu giá trị hàng thứ i của ma trận B’ là bằng không, thì biến điều khiển không tác động ởchế độ thứ i Như vậy, trong trường hợp đó chế độ thứ i được gọi là không điều khiển được.Chúng ta quan sát cột thứ i của ma trận C’ không xác định hoặc không biến đổigóp phần vào việc hình thành dữ liệu đầu ra Nếu như cột có giá trị 0, tương ứng vớichế độ đó là không quan sát được Điều này giải thích tại sao một vài dạng daođộng không tắt dần đôi khi không phát hiện được bằng quan sát đáp ứng quá độ củamột vài đại lượng được giám sát

Trong đó bi(i) là điều khiển được còn ci(i) là chỉ số quan sát được đối với chế

độ đao động mà chúng ta quan tâm khi có mặt FACTS như là một thiết bị ổn định

hệ thống, tích của chúng gọi là hệ số phần dư cho phép đo lường hiệu quả của bộ ổnđịnh và được dùng để lựa chọn tín hiệu điều khiển các bộ ổn định

* Hệ số phần dư [1], [25],

Hình vẽ II-12: Hàm truyền đạtTheo hàm truyền đạt ta có

G(s)=C(sI-A)-1B+D (2.2-14)

là hàm truyền đạt của hệ gốc và KH(s) là hàm truyền đạt của bộ điều khiển K làmột hệ số khuyếch đại

Hàm truyền đạt giữa đầu vào thứ k và đầu ra thứ j G(s) có thể được viết dưới dạng phần

dư và giá trị riêng của hệ thống như sau:

G

)(

trong đó Ri là phần dư được liên kết với chế độ thứ i Ri có thể được viết như sau

Ri(i)= CΦ Φ-1B = │ ci(i) ││bi(i)│ (2.2-16)Phương trình này đã được tính toán để so sánh giữa giá trị đưa vào và các tínhiệu phản hồi Xác định vị trí trong R của phần dư cực đại cho vị trí tốt nhất và bộđiều khiển tín hiệu đầu vào

* Lựa chọn và so sánh đại lượng điều khiển

Lựa chọn tín hiệu điều khiển đầu vào phù hợp là một vấn đề cơ bản trong tínhtoán và điều khiển bền vững Sau đây là một số đặc điểm chính của một tín hiệu đầuvào thích hợp:

 Tín hiệu đầu vào tốt nhất là được đo lường tại chỗ Đây là mong muốn đểtránh phát sinh chi phí về truyền dữ liệu và nâng cao tính an toàn

 Các dạng dao động tắt dần phải được quan sát ở tín hiệu đầu vào Chế độ phântích tính quan sát được có thể được sử dụng để lựa chọn tín hiệu hiệu quả nhất

 Lựa chọn tín hiệu đầu vào phải nhận được các hành động điều khiển chínhxác khi xảy ra một sự cố nghiêm trọng trong hệ thống

Công suất tác dụng/phản kháng của đường dây truyền tải, giá trị dòng điện tải và

mô đun điện áp tại các nút là các thông số có thể được xem như là các tín hiệu điềukhiển đầu vào của mạch điều khiển TCSC Trong các tín hiệu này, công suất tácdụng và dòng điện tải thường được chọn như trong các tài liệu tham khảo Tác giảtrong tài liệu [9] đã chỉ ra rằng không có nhiều khác biệt trên quan điểm cản dao