ổn định điện áp trong hệ thống điện

10/16/2015 NGUYÊN ĐĂNG TOẢN 31.1 Thế nào là ổn định điện áp  Ổn định điện áp liên quan đến sự ổn định của tải load stability  Theo định nghĩa của IEEE/CIGRÉ 2004  Ổn định điện áp:Là k

Trang 1

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

TS NGUYỄN ĐĂNG TOẢN

Khoa Hệ Thống ĐiệnĐại học Điện Lực

Các câu hỏi

 Thế nào là ổn định điện áp

 Phân biệt giữa ổn định góc (tính chất đồng bộ hóa)?

 Các loại mất ổn định điện áp, và khoảng thời gian?

 Vai trò của việc truyền tải công suất tác dụng và

Trang 2

10/16/2015 NGUYÊN ĐĂNG TOẢN 3

1.1 Thế nào là ổn định điện áp

 Ổn định điện áp liên quan đến sự ổn định của tải (load

stability)

 Theo định nghĩa của IEEE/CIGRÉ (2004)

 Ổn định điện áp:Là khả năng một htđ vẫn còn duy trì được mô

đun điện áp của các nút trong một khoảng giới hạn cho phép sau

khi trải qua các kích động.

 Một tải nối với HTĐ qua một đường dây đơn, liên quan trực

tiếp đến ổn định điện áp

 Ổn định góc liên quan đến sự đồng bộ của MPĐ

Tải

TG Vô cùng lớn

 So sánh giữa ổn định góc rô to và ổn định điện áp

 Nghiên cứu ổn định góc MPĐ là nghiên cứu khả năng

dẫn đến mất đồng bộ của các MPĐ dựa trên phương

trình chuyển động của MPĐ

 Nghiên cứu ổn định điện áp liên quan đến sự sụp đổ

điện áp trong khi giả thiết các MPĐ vẫn giữ ở trạng

thái đồng bộ

 Khoảng thời gian xảy ra mất ổn định điện áp

Trang 3

10/16/2015 5

1 2 Cơ chế xảy ra mất ổn định điện áp

 Một phần của HTĐ đang mang tải nặng, điện áp giảm thấp,

và tiếp theo đó là một số đường dây/MPĐ bị cắt ra:

 Điện áp bị suy giảm

 Các phụ tải “nhạy” với sự thay đổi điện áp sẽ giảm giá trị, và HTĐ

được ổn định trở lại

 Nếu các đường dây bị mất ra do ngắn mạch, sẽ làm cho các

Động cơ điện giảm tốc độ và cần nhiều công suất phản kháng,

và có thể dẫn đến hiện tượng tự dừng

 Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp sẽ cố gắng khôi phục

lại giá trị phụ tải ở giá trị điện áp bình thường

 Việc khôi phục lại phụ tải lại càng làm cho HTĐ bị quá tải

hơn, và dẫn đến điện áp mất ổn định và sụp đổ

 Vậy: ổn định điện áp liên hệ chặt chẽ với sự ổn định của tải,

hay là sự cân bằng giữa tải và khả năng dự trữ và điều khiển

công suất phản kháng của nguồn

Trang 4

1 2 Cơ chế xảy ra mất ổn định điện áp

Sự cố Nguy hiểm

Mất ổn định góc

Mất ổn định Điện áp

Quá tải G line

Tổn thất Q Max tap

Max Q

G

Cắt quá tải

G line

Mất ổn định Tần số

1.3 Ổn định điện áp trong khoảng ngắn hạn

 Khoảng thời gian ngắn hạn liên quan đến các động

cơ điện, đặc biệt là các tải điều hòa, bơm nhiệt…

 NM, điện áp tại chỗ NM giảm xuống, làm giảm tốc độ

của các ĐCĐ của điều hòa,

mở máy các ĐCĐ này, do đó làm giảm quá trình phục

hồi điện áp nhanh sau khi NM bị loại trừ

 Các động cơ máy nén khí chỉ bị cắt sau vài giây quá

nhiệt sau khi bị dừng

Trang 5

 Mô men của ĐCĐ tỉ lệ với bình phương của điện áp

 Đặc tính Mômen-Tốc độ cho động cơ công suất 5 mã lực, 1

pha, động cơ máy nén khí của điều hòa không khí

Đặc tính cơ của động cơ điện

 Ổn định điện áp ngắn hạn: Vùng Phoenix

 Điện áp giảm còn 58,4V trong khoảng thời gian 15,8s dưới

ngưỡng ( nguồn: John A Diaz de Leon II – Understanding and Solving

Short-Term Voltage Stability Problems

 http://b-dig.iie.org.mx/BibDig/P03-0999/DATA/39_01.PDF )

Trang 6

 Lượng công suất phản kháng tăng vọt

Trang 7

1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn

 Sự mất ổn định điện áp trong khoảng thời gian dài

chủ yếu liên quan đến sự vận hành của các thiết bị

điều khiển điện áp như: ULTC (OLTC, LTC), OEL

 Các thiết bị này cố gắng phôi phục lại điện áp của các

tải nhạy điện áp

 Thời gian thường từ vài chục giây đến, vài chục phút

 Mất ổn định điện áp trong khoảng thời gian dài còn

có nguyên nhân từ các loại tải không phụ thuộc điện

áp như là các phụ tải nhiệt

 Nếu không có sự mô tả chi tiết các mô hình tải, mà chỉ

thay thế bằng S=P+JQ thì sẽ cần thêm công suất

phản kháng khi điện áp thấp

 Khoảng thời gian cỡ vài chục phút

 Sự khôi phục tải có thể dẫn đến sự quá tải công

suất phản kháng của các máy phát điện

 Các thiết bị giới hạn kích từ sẽ tác động để đưa dòng

điện kích từ về giá trị định mức

Trang 8

 Sự cố tan rã htđ Sweden/Denmark 23/9/2003

 Trong HTĐ Sweden, 2 đ/d 400kV và 4 tổ máy của

NMĐ hạt nhân bị cắt ra cho mục đích bảo dưỡng

 Lúc 12h30, mất một tổ máy 1200MW tại miền nam

Sweden

 Lúc 12h35, sự cố tại thanh góp kép tại một TBA tại

miền nam Sweden làm mất 2 tổ máy của nhà máy

điện hạt nhân khác, mất 900MW

 Sảy ra sụp đổ điện áp sau 97s sau đó

 Mất điện vùng nam Sweden và đông Denmark

 Sa thải phụ tải: 4700MW ở Sweden và 1850MW ở

Denmark

Phía

Trang 9

1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản

 Xét HTĐ đơn giản có sơ đồ thay thế 1 pha như hình

vẽ:

 R=0, Z=jX, => Y=1/Z = -jB

Z=R+jXI

/(

1 /

~

Trang 10

 Khai triển ta có

 Giả sử đường dây là không tổn thất, R=0 hay G=0

)sin(

G

|V

||

V

|)cos(

B

|V

||

V

|B

B

|V

||

V

|)cos(

G

|V

||

V

|G

1 2 1 2

1 2

1

12

2 1 2

1 2 1 2

1 2

B V V B V

Q

X

V V B

V V

P

)cos(

|

||

|)sin(

|

||

|

2 1 2

1 2

1

2 1 2

1 2

1 12

2 1 2

1 2 1 2

1 12

 Giả sử rằng: 12=1-20, thì sin12 12, cos12 1

 C/s tác dụng P phụ thuộc góc công suất 12 và,c/s

tác dụng chạy từ nơi góc lớn về nơi góc nhỏ

 C/s phản kháng Q phụ thuộc vào mô đun điện áp và

chạy từ nơi có điện áp cao về nơi có điện áp thấp

|V | |V |

B

|V

|Q

)(B

|V

||

V

|P

2 1

1 12

12 2

1 12









Trang 11

 Người ta mong muốn giảm Q truyền tải vì

 Tổn thất cs tác dụng/phản kháng trên đường dây:



2

2 2

*

* 2

V

QPV

jQPV

jQPI.I

QPQ vàRV

QP

2 2

2

2 2

 Thực tế đường dây được vận hành khá gần điện áp

định mức (5-10)% ở mọi điểm trên đường dây, do

đó sẽ rất khó để truyền tải Q vì đường dây nhìn

chung là tiêu thụ Q Ngoài ra người ta không muốn

truyền tải nhiều Q trên đường dây vì các lý do sau:

 Cho dù đường dây không tổn thất (R=0) thì vẫn có tổn

thất Q=> rất khó để truyền tải Q đi xa

 Giảm Q truyền tải trên đường dây sẽ giảm tổn thất P

 Giảm Q truyền tải trên đường dây cũng giảm tổn thất

Q( tiết kiệm chi phí đầu tư)

 Vấn đề ổn định điện áp

 Gây ra quá điện áp tạm thời khi mà mất tải đột ngột

Trang 12

1.6 Đường cong PV và VQ/QV

 Ở phía tải: ta có SD=PD+jQD=-(P21+ jQ21)

 Đặt: 12=1-2

)cos(

B

|V

||

V

|B

|V

|

)cos(

B

|V

||

V

|B

|V

|Q

Q

)sin(

B

|V

||

V

|

)sin(

B

|V

||

V

|P

P

2 1 2

1 2

2

1 2 2

1 2

2 21

D

2 1 2

1

1 2 2

1 21

1 2

2 D

12 2

1 D

cosB

|V

||

V

|B

|V

|Q

sinB

|V

||

V

|P

 Gọi  là góc công suất là góc lệch pha giữa V2 và I

 Công suất tải được tính như sau

sin j 1 ( cos

| I

||

V

|

) sin j (cos

| I

||

V

|

e

| I

||

V

| I V

S

2 2

j 2

* 2 D

Trang 13

 Do đó, ta có các phương trình sau:

 Nếu biểu diễn theo PDvà QD ta có:

12 2

1 2

2 D

12 2

1 D

cosB

|V

||

V

|B

|V

|Q

sinB

|V

||

V

|P

12 2

1

D |V ||V |Bsin

2 2 D

12 2

1 2

2 D

D

cos B

| V

||

V

| B

| V

| P

cos B

| V

||

V

| B

| V

| P Q

Bình phương hai vế của P, Q ta có

2

D

12 2 12

2 2 2 2 2 1 2 2 2 D

2

D

B

|V

|

|V

|)B

|V

|P(

P

)cos(sin

B

|V

|

|V

|)B

|V

|P

|

|V

|B

P2

|

V

2 D 2 2

2 1 D

2 1 2

B

PB

P4

|V

|B

P2

|V

|

V

|

Trang 14

 Giả sử rằng điện áp đầu nguồn |V1|=1pu và B=2 pu

 Ta có thể vẽ ra đường cong P-V như đoạn mã sau:

2

)2P(P1P

1

|V

Trang 15

 Một số nhận xét về đường cong PV

 Biểu diễn quan hệ của điện áp tải theo công suất của tải

 Mỗi đường cong có một giá trị tải lớn nhất => gọi là giá trị mang

tải lớn nhất Nếu tải tăng quá giá trị này, thì điện áp sẽ giảm thấp,

mất khả năng điều khiển

 Với một giá trị tải, có hai giá trị điện áp: Giá trị lớn là điện áp vận

hành, còn giá trị thấp chỉ có ý nghĩa về mặt toán học.

 Ở điều kiện PF =1 hoặc chậm sau thì khi P tải tăng sẽ làm điện

áp giảm xuống, do đó bằng việc quan sát sự suy giảm điện áp

người vận hành sẽ nhận thức được tình trang nguy hiểm, và cần

có biện pháp tương ứng trước khi sụp đổ điện áp

 Trường hợp PF vượt trước, thì khi P tải tăng, thậm chí điện áp

còn tăng lên một chút, do đó rất khó phát hiện ra hiện tượng sụp

đổ điện áp Trường hợp này xảy ra khi truyền tải lượng cs lớn, và

có bù công suất phản kháng

 Giả sử vẫn trong HTĐ như hình vẽ

 Giả sử V1=1pu, và giá trị PD và V2cho trước, tính 12

từ p/t đầu, và Q từ p/t thứ 2 Lặp lại cho các giá trị

khác nhau của V2 ta sẽ có đường cong Q-V cho một

giá trị PD cho trước

 Đường cong Q-V có thể được tính bởi Matlab:

12 2

1 2

2 D

12 2

1 D

cosB

|V

||

V

|B

|V

|Q

sinB

|V

||

V

|P

Trang 16

 2 Đặt |V| một giá trị mong muốn

 3 Giải bài toán LF

 4 Lấy giá trị Q của máy bù đồng bộ tại nút quan tâm

 5 Lặp lại bước 2-4 trong một dải điện áp

 Đường cong VQ/QV có một số ưu điểm sau so với PV:

 Dễ dàng có được nếu có một chương trình tính toán LF

Trang 17

V (pu) 0

Dự trữ Q

Bài tập

 1 Vẽ đường cong PV cho các trường hợp sau đây và xác

định khả năng mang tải lớn nhất

 a B=2, |V1|=1,0, pf=0,97 chậm sau

 b B=2, |V1|=1,0, pf=0,95 chậm sau

 c B=2, |V1|=1,06, pf=0,97 chậm sau

 d B=10, |V1|=1,0, pf=0,97 chậm sau

 So sánh ảnh hưởng của khả năng mang tải lớn nhất tương ứng

với các trường hợp, điện áp cuối đường dây, và tổng dẫn của

Trang 18

1.7 Ổn định điện áp trong HTĐ lớn

 Các yếu tố ảnh hưởng

 Mô hình tải (tải tĩnh, tải động, động cơ…)

 Giới hạn về công suất phản kháng của các MPĐ, các bộ ULTC,

OEL

 Sự mất các đường dây truyền tải

 Sự sẵn có của các tụ điện đóng cắt được

 Tác dụng của tải động cơ

 2 Rất khó truyền tải Q đi xa (mục 1.5)

 Tổn thất Q nhiều khi truyền tải đi xa

1.8 Mô hình tải

 Khi nghiên cứu ổn định điện áp, cần thiết phải xem

xét htđ trong các điều kiện điện áp khác nhau:

 Ổn định điện áp phụ thuộc vào mức độ khôi phục tải

hiện tại của phụ tải

 Mức độ khôi phục tải phụ thuộc vào điện áp nhìn từ

phía phụ tải

 Do đó, khi nghiên cứu ổn định điện áp cần phải

nghiên cứu các mô hình xem phụ tải đáp ứng thế

nào khi điện áp của phụ tải thay đổi => là một công

Trang 19

1.8 Mô hình tải

 Mô hình tải tĩnh: kiểu hàm số mũ

 Trong đó: chỉ số 0 chỉ ở điều kiện làm việc định mức

ban đầu

f Q

f P

f

f V

V Q Q f

f V

0 0

1.8 Mô hình tải

 Mô hình tải tĩnh ZIP: kiểu hàm số đại số

 Trong đó: chỉ số 0 chỉ ở điều kiện làm việc ban đầu

 Mô hình này gồm 3 thành phần:

 Thành phần tổng trở không đổi (p1, q1)

 Thành phần dòng điện không đổi (p2, q2)

 Thành phần công suất không đổi (p3, q3)

0 1 0 3

0 2 2

0 1

V

VqV

VqQQ pV

VpV

Vp

P

0 1 p p

3 2

Trang 20

1.8 Mô hình tải

 Ảnh hưởng của phụ tải: Hiểu ảnh hưởng của mỗi thành phần

phụ tải đến ổn định điện áp cần hiểu hai khái niệm:

 1 Sự mất ổn định áp sẽ giảm đi khi phụ tải giảm Vì khi I giảm

sẽ giảm tổn thất I 2 X trong hệ thống truyền tải

 2 Vì sự mất ổn định điện áp dẫn đến giảm điện áp, do đó để

giảm nguy cơ mất ổn định điện áp cần phải giảm tải khi mà

điện áp giảm thấp.

 Z không đổi (p1): Tốt vì điện áp của tải giảm thì tải giảm theo

bình phương của điện áp tải

 I không đổi (p2) : Bình thường vì khi điện áp của tải giảm thì tải

giảm theo điện áp

 P không đổi (p3): Nguy hiểm vì khi điện áp của tải giảm, tải

không thay đổi

1.8 Mô hình tải

 Động cơ điện và sự dừng động cơ

 ĐC 3pha chiếm tỉ lệ lớn trong tổng tải, do đó đáp

ứng của tải ĐC với sự thay đổi điện áp rất quan

trọng Xét sơ đồ thay thế 1 pha của Đ/c điện như

hình vẽ:

Trang 21

1.8 Mô hình tải

 Dòng điện là:

 ở đ/k bình thường, hệ số trượt nhỏ do đó R’2/s >> R’2, do đó

I’2 có giá trị nhỏ

 Khi V1 giảm, thì mô men điện từ sinh ra cũng giảm, và làm

đ/c giảm tốc độ Khi Đ/c dừng quay, thì s=1, dẫn đến R’2/s =

R’2 Do đó dòng điện I’2 lớn hơn nhiều so với tình trạng làm

việc bình thường.

 VÌ X1 và X’2 của Đ/C, dòng điện “dừng” đ/c lớn, nên coi Đ/c

như một phụ tải công suất phản kháng lớn

2 2

th

th 2

' jX ) s / ' R ( Z

V '

b 1 th

Z Z

Z V V



b a

b a b a th

ZZ

ZZZ//

ZZ





1.9 MBA với bộ ULTC

 Vì ULTC dùng để điều chỉnh điện áp phía phụ tải, một khi

điện áp cao áp giảm, thì điện áp phía tải không được thay đổi.

Do đó ở chế độ xác lập thì cho dù tải ở phía hạ áp là Z không

đổi thì đối với phía cao áp luôn coi tải là P không đổi.

 Có hai tiêu chuẩn

 1 Khi điện áp giảm thấp với tốc độ nhanh ở phía hạ áp và

nếu sự giảm điện áp đủ thấp thì Đ/C có thể dừng quay dẫn

đến sự giảm tức thời phụ tải (vì ULTC thường tác động trong

khoảng thời gian cỡ vài giây- ULTC không kịp điều chỉnh)

 2 Nếu khi ULTC đạt đến giá trị giới hạn (đầu phân áp nhỏ

nhất),thì điện áp phía hạ áp bắt đầu giảm thấp, lúc đó cần

phải mô hình sự nhạy của phụ tải theo điện áp

Trang 22

 Trong hệ đvtđ, thì tỉ số là: t:1

 Trong đó: t thay đổi từ 0,85-1,15 pu

 Mỗi bước có thể thay đổi từ 0,005 pu (thông thường

5/8%=0,00625)

 Thời gian dịch chuyển mỗi bước khoảng 5s

 Có khoảng thời gian trễ từ 2-3 lần khoảng thời gian

dịch chuyển để tránh bộ ULTC dịch chuyển quá nhiều

 Trong điều kiện điện áp thấp ở phía cao áp thì

ULTC sẽ giảm tỉ số t để tăng tỉ số V1/t= V2

 Mô hình bộ điều áp dưới tải (IEEE model)

Trang 23

1.10 Đặc tính làm việc của MPĐ và OEL

Giới hạn do ổn định tĩnh (giá trị điện áp đầu cực nhỏ E dẫn đến |E||V|Bsin nhỏ), và do giới hạn nhiệt stator do dòng điện xoáy

Qmax

Qmin

Gía trị xấp xỉ

dùng để tính LF

 1 Sự mất ổn định điện áp có nguyên nhân từ việc MPĐ đạt đến giới

hạn phát công suất phản kháng.

 2 Các chương trình tính toán LF thường mô tả MPĐ với Qmax cố

định Thực thế Qmax không cố định Đường đặc tính Q chỉ ra rằng

Qmax là một hàm của P và bị giới hạn khi P tăng.

 3 Qmax được thiết lập theo bộ giới hạn kích từ (Over-eXcitation

Limiter (OXL-OEL) Dòng điện kích từ có giá trị ở chế độ xác lập I

f-max Từ đó đặt giá trị giới hạn Vì nhiệt tỉ lệ với ,

 Các OEL thường đặt thời gian là một hàm tỉ lệ nghịch với tỉ lệ If/Iđm

 4 Khi OEL tác động để giới hạn If,

 thì MPĐ không thể tăng thêm Q.

 Do đó vẽ đặc tính PV hay QV,

 thì có sự giảm đột ngột trên đường cong



tai quá

t

2

f dt I

Thời gian quá tải (sec) 

If

Iđm1.0 2.0

120 10

Đặc tính OEL

Trang 24

 Ảnh hưởng của OEL trên đường cong PV

P(tải)

|V|

Khi không có giới hạn về Q

Khi MPĐ đạt đến giới hạn Q

o

1.11 Khi mất đường dây truyền tải

 So sánh tổn thất Q khi mất và không mất đ/d truyền

Trang 25

1.12 Mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến sự sụp đổ điện áp

 HTĐ BPA

 Gồm có:

 10 nút, 2 vùng

 3 MPĐ, 5MBA, 1MBA có ULTC, 6 tụ bù

 Mô hình: G1 HTĐ vô cùng lớn, G2, G3 mô hình MPĐ chi tiết

GENROU, kích từ SEXS, MPĐ G3 có OEL

 Tải tĩnh và Động cơ tại nút 8

Trang 26

 Kích từ

 Giới hạn kích từ

Định dạng
Số trang	34
Dung lượng	3,7 MB