CHƯƠNG 3 xây DỰNG MIỀN làm VIỆC ổn ĐỊNH CHO hệ THỐNG điện TRONG mặt PHẲNG CÔNG SUẤT

3.1 - NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN THEO HỆ SỐ DỰ TRỮ .Cơ sở của các phương pháp đánh giá mức độ ổnđịnh hệ thống theo hệ số dự trữ là việc xác định

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG MIỀN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH

CHO HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG MẶT PHẲNG

CÔNG SUẤT

3.1 - NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN THEO HỆ SỐ DỰ TRỮ

Cơ sở của các phương pháp đánh giá mức độ ổnđịnh hệ thống theo hệ số dự trữ là việc xác định cácgiới hạn riêng về thông số chế độ Pghj và Qghj cho các nút(xem 1-7 và 1-8) Các trị số này được tính toán theonhững điều kiện hoàn toàn qui ước, ví dụ cho trị số Pjcủa nút tải j tăng dần lên đến giới hạn, mọi thông sốchế độ còn lại không đổi

Cũng vậy để tìm Ughj cũng chỉ

có thể giả thiết riêng công

suất phản kháng Qj tăng dần

Ngay cả khi xét Ugh theo sự thay

đổi đồng thời cả Pj và Qj thì

cũng phải coi cos không đổi

Cách xác định như vậy có thể

sai khác nhiều so với biến

động thực tế Hình 3-1 thể hiện điều này Nếu tínhvới Qj = const thì dự trữ công suất theo Pj của nút j ứngvới khoảng cách a, nếu xét với cosj = const thì dự trữvới khoảng cách b, trong thực tế biến động lại diễn raứng với khoảng cách c từ điểm làm việc so với giới hạn

a

b c

Qj=con st

Cosj=con st

Qj

Pj

Hình 3-1

Trong trường hợp này hợp lý hơn cần xác định đượckhoảng cách tối thiểu d từ điểm làm việc đến biên giớiổn định Khi đó d đặc trưng cho độ dự trữ ổn định tincậy nhất của nút j khi Pj, Qj đồng thời thay đổi Tuy nhiênvấn đề lại dẫn đến những khó khăn về phương pháptính, bởi cần xác định toàn bộ đường biên của miền ổnđịnh hoặc giải được bài toán (1-12)  (1-14) như nêu trongchương 1 Chương này thử sử dụng tiêu chuẩn thựcdụng để giải bài toán theo hướng nêu trên.

3.2 - MIỀN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN TRONG MẶT PHẲNG CÔNG SUẤT.

Trước hết hãy xét

lại sơ đồ đơn giản hình

3-2 gần giống như

hình 2-5 trong chương 2

Sơ đồ này là cách

đẳng trị phù hợp cho

hệ thống điện hợp nhất ở giai đoạn thiết kế đườngdây siêu cao áp 500KV Cuối đường dây có biểu diễn đầyđủ hơn, xét đến trạm bù tĩnh với dung lượng bù QC cóthể điều chỉnh được Khi QC=0, việc tính toán giới hạntruyền tải và hệ số dự trữ ổn định đã được trình bàytrong chương 2 Trong phần này, ta xây dựng đầy đủmiền làm việc ổn định trong không gian công suất (côngsuất truyền tải đến cuối đường dây)

Đầu tiên, hãy thiết lập hệ phương trình của chế độ giới hạn hệ thống Ngoài hệ phương trình của chế độ xác lập cần bổ sung thêm hệ phương trình thể hiện điều kiện giới hạn ổn định Với giả thiết hệ thống trên hình 3-2 có nút cân bằng là thanh cái điện áp không đổi

UH , còn máy phát có điện kháng X2  0 thì phương trình

chế độ xác lập chỉ cần viết cho một nút tải U (cân bằng công suất tác dụng và phản kháng)

Trong hệ phương trình trên PD và QD được ký hiệu cho công suất tác dụng và phản kháng truyền trên đường dây siêu cao áp (đến cuối đường dây) Để chế độ là giới hạn ta cần bổ sung tiêu chuẩn ổn định Khi tiêu chuẩn dQ/dU mang ý nghĩa quyết định thì phương trình cần bổ sung sẽ là:

trong đó : Q = QC + QD + QF - Qt

Một điểm nằm trên biên giới miền ổn định (PD,QD) sẽ phải thoả mản các phương trình (3-1)  (3-3)

3) -(3

0   dU Q d 2) -(3

0 1) -(3

0















t F D C

t F D

Q Q Q Q

P P P

Để đơn giản hơn nữa ta coi: PF = const, QF = const, Pt =const và Qt=const Biểu thức rõ của PD, QD và QC có dạng

sau:

Trong đó XC là điện kháng của tụ bù

Cũng cần nói thêm là, khi sử dụng tiêu chuẩn thựcdụng cho HTĐ phức tạp người ta thường áp dụng cáchtính gần đúng Đáng lẽ phải sử dụng đào hàm toànphần dQ/dU, khi tính sơ bộ người ta tính(như đã thực hiện trong chương2) Thực tế dQ/dU phụthuộc cả vào góc lệch , bởi Q phụ thuộc vào góc lệch

 và U trong khi  lại phụ thuộc vào điện áp U của phụtải Trong phần này khi xây dựng miền giới hạn ổn định

ta tính dQ/dU như là đạo hàm toàn phần, khi đó đểkhử góc lệch  khỏi hệ (3-1) và (3-2) ta cần có phépbiến đổi Ta viết lại hệ (3-1) và (3-2):

Ở đây để cho gọn ta ký hiệu P = Pt - PF, Q = Qt - QF,chúng là các hằng số

C C

H D

H D

X

U Q

X

U X

U U Q

X

U U P

2

2

cos sin

Q dU

Q d

U X

U Q Q X

U X

U X

U U

P P P X

U U

C F

t C H

F t H

Bình phương 2 vế của các phương trình trên và cộnglại ta khử đươc , cụ thể là:

Đặt b =1/X , bC = 1/XC , k =b/(b-bC) ta có thể viết

biểu thức trên gọn hơn:

Dễ nhận thấy lời giải của phương trình này làphương trình trùng phương đối với U có 2 nghiệm dươngsẽ cho phép tìm các điểm cân bằng trạng thái của hệthống theo điện áp (các

điểm U01 và U02 trên hình

3-3) Khi P, Q thay đổi đến giới

hạn dQ/dU = 0 sẽ tương

ứng với điểm tiếp xúc

giữa 2 đặc tính nguồn và

tải và phương trình (3-4) sẽ

có nghiệm bội Như vậy

thay vì cần tìm nghiệm của (3-3) kết hợp với (3-4) ta cóthể tìm ngay được điều kiện giới hạn, ứng với lúc địnhthức  của (3-4) bằng 0:

2 2 2 2

U X

U Q P X

U H U

4) - (3 0

4 2

hinh 3

3-Qgh

U01

Khi  = 0 giải phương trình (3-4) ta nhận được trị số

điện áp giới hạn:

Từ điều kiện (3-5) ta có thể tìm được quan hệ giữa các trị số P, Q ở giới hạn ổn định như sau:

Quan hệ (3-6) chính là phương trình của đường cong phân chia giới hạn của miền

làm việc ổn định hệ thống

Miền có dạng như trên hình

(3-4)

Ta cũng có các trị số sau:

Khi

Nếu cắt dung lượng bù, QC = 0 ta có k = 1 Để làm ví dụ ta lấy lại thông số của đường dây SCA b kQ H U k k b H U b k Qb gh U      2 2 2 2 / 2 2 ) 2 2 / 2 ( 6) -(3

2

2 2 2

Q k

bU Q



















P

Q

2

2

H

bU k

4

2

H

bU k

Miền ổn định

hình 3-4

 2 2 0 (3 - 5) 2

2 4

2 2 2























k

b H

U b k bQ

2 2

2

0 P k bU H U gh kU H

2 4

2

0 Q k bU H U gh kU H

146 , 1 160 1250

1250















X C

X C

b b b k

500KV Bắc - Trung - Nam áp dụng cho sơ đồ Khi đó coi X 

160 , điện áp thanh cái Hoà Bình UH525KV Kết quảnhận được miền làm việc ổn định của hệ thống trongkhông gian công suất truyền tải ( đến cuối đường dây)như trên hình 3-5 Đường 1 ứng với lúc không đóng tụbù tĩnh QC = 0, k = 1, còn đường 2 ứng với lúc

QC=200MVAr,

Trên hình 3-5 còn biểu thị cả miền giới hạn ứng với

giả thiết không đặt tụ bù dọc trên đường dây siêu cao

a b

c d

987,7 861

500 400 344

P

cos = 0,9

Q C = 200 MVAr

giới hạn quá áp.

hạn phát nóng

hình 3-5

áp, lúc đó X  400  và cũng xét với k = 1 (đường 3) Miềnlàm việc bị thu hẹp thành rất nhỏ, thực tế khôngtruyền tải được công suất đến cuối đường dây.

Quan sát các điểm làm việc ứng với chế độ truyềntải công suất 400MW và 500MW đến Phú Lâm khi giữ cos

= 0,9, ta nhận thấy khi không đóng tụ bù tĩnh QC= 0(đường 1) thì điểm làm việc 500MW rất gần biên giới ổnđịnh (dễ xãy ra mất ổn định hệ thống) Thực chấtnếu tính hệ số dự trữ theo KP và KQ là ứng với cáckhoảng cách a và b Nếu chế độ truyền tải giữ đúngcos = 0,9 thì hệ số dự trữ phải tính theo c Để đảmbảo độ tin cậy tính toán cao cần xác định theo khoảngcách ngắn nhất d từ điểm làm việc đến biên giới ổnđịnh

Cũng nhận thấy đặc điểm quan trọng nữa củaphương pháp là cho phép xét được nhiều yếu tố khácnhau ảnh hưởng đến tính ổn định Ví dụ thay đổi dunglượng bù tại trạm Phú Lâm, thay đổi tỉ lệ bù dọc miền ổn định sẽ thay đổi mở rộng hoặc thu hẹp Vìthế có thể ứng dụng được cả trong công tác thiết kếvà thực tế vận hành hệ thống điện Thực ra trongvận hành, để xác định phương thức hợp lý còn cầnphối hợp với một số điều kiện giới hạn khác Ví dụgiới hạn phát nóng (đường 6), giới hạn quá áp (đường 4),

giới hạn thấp áp (đường 5)[10], như minh hoạ trên hình3-5 (miền gạch chéo).

3.3 - MIỀN LÀM VIỆC ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ NHIỀU NGUỒN CUNG CẤP

Hình 3-6Để mở rộng ứng dụng phương pháp cho HTĐ có sơđồ phức tạp hơn, đề tài đã nghiên cứu thuật toán xâydựng miền làm việc ổn định cho nút tải của hệ thốngđiện có sơ đồ hình tia nhiều nguồn cung cấp (nnguồn).Trường hợp chung

xét phụ tải nút biến thiên theo đặc tính tĩnh phụ thuộc điện áp nút cung cấp U, coi tần số không thay đổi.

Xét sơ đồ đẳng trị của HTĐ gồm có n nguồn cungcấp như hình 3-6 trong đó E1 là nguồn có công suất vôcùng lớn chọn làm nút cân bằng Cũng tương tự nhưđối với HTĐ có sơ đồ đơn giản (mục 3.2), cần thiết phải

nghiên cứu thuật toán xác định các điểm nằm trên biêngiới của miền ổn định.

Ta xuất phát từ biểu thức tính công suất từ nguồn

E1 đưa đến nút phụ tải được xác định như sau:

) 1 1 ( 1

) 1 1 ( 1

1

1 1

2 1

1

1 1

2 1

U E Cos

Z

U Q

Sin Z

U E Sin

Z

U P

t t

c

t t

) 1 1 ( 1

2 2

1

2 2 1 2

1

2 1

2 2 1

2 2 1 2

1

2 1

U E Cos

Z

U Q

Sin Z

U E Sin

Z

U P

t t

c

t t

1

2 1 2

Z

U Q Sin

t i

2

1

1 2

1

2 1 1

R

X rctg

A - 2

= i

;

R

X rctg

A - 2

= 1

;

i R X Z

X R Z

1 2

(3-13)

Thay các giá trị từ công thức 8), 9), 12), 13) vào công thức (3-11) được kết quả :

ic i t n

2

2 2

2 2 2

2 2

3.3.1- Bước 1: Đầu tiên ta giả thiết tất cả các

nguồn đều đủ công suất phản kháng đáp ứng yêu cầucủa hệ thống Nghĩa là:

Qimin < Qid < Qimax với i  2,n

(3-15)Cũng như sơ đồ đơn giản ta phải khử góc lệch  rakhỏi phương trình Bắt đầu từ các công thức xác địnhcông suất chuyên tải ở hai đầu đường dây Với nhánhbất kỳ Ei - Ut có thể xác định:

i t i

i t i

i t i

2

Để khử  ta thực hiện một số phép biến đổi sau, từ(3-18) suy ra :

id i i

i

i t

id i i

id i i

i t i

id i i

i id i

i

i i

U T Cos i Sin i T U T T Cos i Sin i T U T

U T Cos i T Sin i U T Sin i T U T

2 1 2

2

1 2

2

2 1 2

Thay vào công thức (3-9) tính được :

Q T Cos i U T Cos i T Sin i T U T U

Z Cos i

t i

2

1 2

2

2 1 2 2

1

2

1 2

2

2 1 2 2

2

2 1 2

a

i n

Q d

0 2

) (

t

a i t

a t

a

dQ U A dU

dQ dU

dQ U

f dU

t i

t a a

n

i t i t

a t

a

t t

a t

a

T U T

U i Sin T U

A Q

T U T i Sin A

U A P

Q

U T U

2

2 1

2 2 1

2 1

12 1

1

2 2

x 2

2 2

2

2 ) (





f U1 ( t) f11  f12.f13 (3-31)

trong âọ :

f T U Q

2 2

2 1

2 2

2

4

2 )

(

i t i

a i

t i i

a i

t i

t

a i t

a i

T U T Q

U T i Sin T Q

U i Cos T U f dU

2

4 2

(3-26) tính được Qt Để có thể kết luận điểm M(Qt, Pt)có phải là điểm nằm trên đường đặc tính giới hạn ổnđịnh tĩnh của hệ thống, ta phải kiểm tra lại giả thiết (3-15) Từ giá trị điện áp giới hạn Ugh , tính toán lượngcông suất phản kháng hệ thống yêu cầu các nguồn cungcấp.

Từ công thức xác định công suất đầu đường dây củanhánh nguồn Ei đến nút phụ tải Ut :

) (

) (

2 2

i i Cos Z

U E i Cos Z

E Q

i i Sin Z

U E i Sin Z

E P

i

t i i

i id

i

t i i

i id

2

2 2

2 2

i

i id

Z

U E Q

i Cos Z

E i

Sin Z

2 2

U E i Cos Z

E Q

i

i id i

t i i

nếu tồn tại một số nguồn vượt khả năng điều chỉnh công suất phản kháng thì ta thực hiện bước 2.

3.3.2- Bước 2: Giả thiết có k nguồn nằm trong giới

hạn điều chỉnh, (n-k) nguồn hết khả năng điều chỉnh,

nghĩa là:

Đối với các nguồn j khi:

+ Q jđ  Q jmin ta cho Q jđ = Q jmin

+ Q jđ  Q jmax ta cho Q jđ = Q jmax

Trong trường hợp nầy một cách gần đúng có thểxác định công suất cuối đường dây:

2 2 2 2 2 2

U Q P P P

const X

U Q P Q Q

j dm jd jd jd jc

j dm jd jd jd jc

k i

t i

ic i

t

n k jc

k ic t

t t

t t

Q U

Z

i Cos Z

Cos X

U Z

i Sin P Z

U

P P

U Z

Sin RU

P Z

U E Q

1

2 2

1

k 2

2 2 2

2 2 i

2 1 2

2 1

2 2

1

2 2 1

1

E +

n 1, k j Q Q

or Q Q

k 2, i

jmax jd

jmin jd

max min

2 2 1

2 2

2 1

2 2 1

2

1

2 1

2 1

2

2 1 2

2

2 2

1 1

i t i t

a t

k

i t i i

t i

n k jc t

t t n

k jc

k ic t

t

t

T U T i Sin B

U B P

T U T i Sin i Cos T U Z Sinαii

P U

Z

Sin RU

P P P

U Z

Sin RU

n k jc

k i

Z

i Sin Z

Sin R B

P i

Cos T B

2 1

1 2

1 1

k i

k

i t i i

i t i

k

i t i t

a t t t

Q U

Z

i Cos Z

Cos X

T U T i Sin T i Cos T U i Cos T

T U T i Sin B

U B P U

T Q

1

2 2

1

2

2 1

2 2 1

2 1 2 2

2

2

2

2 1

2 2 1

2 2

12

1

4 4

2

2

n k

b j

k b i

jc

b

j

k i r

i t i i

i t i

b

i

k

i t i t

a t t b

Q Q

Z

i Cos Z

Cos X

B

T U T i Sin T i Cos T iU Cos T Q

T U T i Sin B

U B P U T Q

2 1

2 2 1

2 1 2 2

2

2 2

2 1

2 2 1

2 2

12 1

1

4 4

2

) 2

0 2

) (

1 2











t t r

k t

j t

i t

t b

dQ U B dU

dQ dU

dQ dU

dQ U

f dU

Q

Với :

a)

                   k i t i t i t a b k i t i t a t b t t b t b T U T U i Sin T U B Q T U T i Sin B U B P Q U T U f dU dQ 2 2 2 12 2 1 2 2 1 2 2 1 2 1 12 1 1 2 2 x

x 2 ) 2 ( 2 2 2 ) (   f b f b f b f b 1  11  12 13 trong đó :            k t i t i i t b b k i t i t a t b t b b U T U T i Sin T U f Q T U T i Sin B U B P f U Q T f 2 2 2 12 2 a 13 1 2 2 1 2 2 1 2 12 1 12 11 2 2B 2   b) 0

1







n

b j dU dQ

c)















k

i t i

b i

t i i

k

b i

t i

t b k

t

b i

T U T Q

U T i Sin T Q

U i Cos T U

f dU

dQ

2 1

2

2 2 2

4 2

2 2

)

b b t

b U f f

f2 ( )  21 22 trong đó :

b i

i i b

k

t b

i

i b

U T U T Q

i Sin T T f

U Q

i Cos T f

2 1 22

2

2 2 21

2

4

2

Thay các giá trị đạo hàm trên vào (3-9) :

0 2

) ( ) ( ) ( t  1b t  2b t  r t 

b U f U f U B U

Đến đây, giải phương trình (3-43) để tìm điện áp giớihạn Ugh, thay Ugh và Pt vào (3-41) để tính Qt, cần tính toánkiểm tra lại trong k nguồn còn khả năng điều chỉnh cóthêm nguồn nào bị vi phạm không (vì trong trường hợpnày ta đã cho công suất phát của n-k nguồn bằng hằngsố) Nếu không thì M(Qt,Pt) là một điểm nằm trên đặctính giới hạn ổn định, ngược lại ta tiến hành lại bước2

Như vậy, đối với hệ thống điện phức tạp có nnguồn cung cấp tuỳ theo trường hợp sử dụng các biểuthức (3-25), (3-33) hoặc (3-40), (3-43) có thể tính toánđược toạ độ điểm giới hạn, từ đó vẽ được toàn bộđường đặc tính giới hạn xác định miền làm việc chophép theo điều kiện giới hạn ổn định tĩnh của HTĐ trongkhông gian công suất

Để thực hiện được các tính toán trong mục 3.3,cần phải biên đổi sơ đồ HTĐ về dạng sơ đồ hình tia nhưhình 3-6, mục tiếp theo sẽ thực hiện vấn đề này

3.4 - BIẾN ĐỔI ĐẲNG TRỊ SƠ ĐỒ HTĐ CÓ ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP

Xét sơ đồ hệ thống điện đặc trưng gồm 5 nút nhưhình 3-7, trong đó E1 là nguồn có công suất vô cùng lớn và

được chọn làm nút cân bằng, E2 là một nhà máy cócông suất trung bình, E3 là nút đẳng trị từ một mạngđiện khu vực, nút 4 và nút 5 là hai nút phụ tải Có thểnhận thấy sơ đồ có dạng của hệ thống điện hợpnhất có đường dây SCA 500KV rút gọn, giai đoạn có thêmYALY vào vận hành Sơ đồ đầy đủ hơn nữa, xét đến lưới220KV được xét đến trong chương 5

Để tính toán tính toán đẳng trị sơ đồ, trước tiên xácđịnh thông số sơ đồ thay thế của đường dây siêu cao áp.Xét đường dây siêu cao áp và sơ đồ thay thế như hình 3-8.

Hình 3-8

Theo cơ sở lý thuyết mạch điện, với mạch hai cửacó các thông số A,B,C,D có thể thay thế bằng một sơ đồhình  như hình 3-8a Qua một số phép biến đổi sẽđược sơ đồ thay thế của đường dây siêu cao áp có bùnhư hình 3-9e

Hình 3-9Các thông số trong các sơ đồ trên được xác định nhưsau :

Z

l Sh Z l

Ch D A

c

C

;

B

;  

 Điện kháng của tụ bù dọc

X k L Điện kháng của kháng bù ngang

Từ các thông số A,B,C,D có thể xác định được Za , Zb: