phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng chỉ số vcpi và vsi qua mô phỏng

Luận văn này thảo luận về khả năng áp dụng của hai chỉ số ổn định điện áp từ dữ liệu đồng bộ pha, dựa trên thực tiễn để phân tích sự ổn định điện áp của hệ thống điện.. Kết quả cho thấy

KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG

CHỈ SỐ VCPI VÀ VSI QUA

MÔ PHỎNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN SINH VIÊN THỰC HIỆN

Ths Trần Anh Nguyện Bùi Thanh Duy (MSSV: 1110978)

Ngành: Kỹ thuật điện – Khóa: 37

Tháng 05 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

Cần Thơ, ngày 08 tháng 01 năm 2015

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN

HỌC KỲ 2 NĂM HỌC 2014 - 2015

1 Họ và tên sinh viên: Bùi Thanh Duy MSSV: 1110978

2 Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng chỉ số VCPI và VSI qua mô phỏng

3 Địa điểm thực hiện: Cần Thơ

4 Họ tên của người hướng dẫn khoa học (NHDKH): Trần Anh Nguyện

5 Mục tiêu của đề tài: Bảo vệ, kiểm soát sự vận hành của hệ thống điện tốt hơn, nhờ vào các chỉ số ổn định điện áp và phần mềm mô phỏng, từ đó hạn chế tối đa có thể tình trạng mất ổn định điệp áp trên hệ thống điện Đóng góp tích cực vào tiến trình đảm bảo số lượng cũng như chất lượng điện năng cho Đất nước trong giai đoạn hiện đại hóa

6 Các nội dung chính và giới hạn của đề tài: gồm các chương

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CÁC CHỈ SỐ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

CHƯƠNG 4 CHỌN LỰA CÁC CHỈ SỐ VÀ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

7 Các yêu cầu hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài: Mong nhận được sự giúp đỡ tận tình

từ các bạn sinh viên, các giảng viên, các tổ chức và đặc biệt từ cán bộ hướng dẫn luận văn

8 Kinh phí dự trù cho việc thực hiện đề tài: (dự trù chi tiết đính kèm, chỉ cần cho LVTN)

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ (Ký tên và ghi rõ họ tên)

Ý KIẾN CỦA NHDKH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1 Cán bộ hướng dẫn: Trần Anh Nguyện

2 Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng chỉ số VCPI và VSI qua mô phỏng

3 Sinh viên thực hiện: Bùi Thanh Duy MSSV: 1110978

4 Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37

5 Nội dung nhận xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ:

c Nhận xét về nội dung của luận văn:

 Các công việc đã đạt được:

 Những vấn đề còn hạn chế:

d Kết luận và đề nghị:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện:

2 Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng chỉ số VCPI và VSI qua mô phỏng

3 Sinh viên thực hiện: Bùi Thanh Duy MSSV: 1110978

4 Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37

5 Nội dung nhận xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ:

c Nhận xét về nội dung của luận văn:

 Các công việc đã đạt được:

 Những vấn đề còn hạn chế:

d Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN

NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

1 Cán bộ phản biện:

2 Tên đề tài: Phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng chỉ số VCPI và VSI qua mô phỏng

3 Sinh viên thực hiện: Bùi Thanh Duy MSSV: 1110978

4 Lớp: Kỹ Thuật Điện Khoá: 37

5 Nội dung nhận xét:

a Nhận xét về hình thức của tập thuyết minh:

b Nhận xét về bản vẽ:

c Nhận xét về nội dung của luận văn:

 Các công việc đã đạt được:

 Những vấn đề còn hạn chế:

d Kết luận và đề nghị:

6 Điểm đánh giá:

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015

Luận văn này thảo luận về khả năng áp dụng của hai chỉ số ổn định điện áp từ

dữ liệu đồng bộ pha, dựa trên thực tiễn để phân tích sự ổn định điện áp của hệ thống điện Giả định các trường hợp khác nhau đã được thực hiện trên hệ thống Hệ thống IEEE 39 Bus sử dụng phần mềm PowerWorld mô phỏng Hai chỉ số đã được phân tích và so sánh với nhau cùng với những phương pháp khách quan khác Kết quả cho thấy rằng chúng thống nhất với nhau về vấn đề điện áp ổn định của hệ thống, qua đó, nhờ các chỉ số có thể dự đoán sự sụp đổ điện áp cũng như cung cấp cái nhìn sâu sắc vào các điểm khác trong hệ thống có thể đóng góp vào việc cải thiện, giảm thiểu vào

sự bất ổn định điện áp

Sau hơn bốn tháng thực hiện, luận văn cơ bản đã hoàn thiện, mong nhận được những đóng góp tích cực từ bạn đọc

Sinh viên thực hiện

Bùi Thanh Duy

LỜI CẢM ƠN



Sau hơn khoảng bốn tháng thực hiện, luận văn của em đã được hoàn thành, thể hiện những kiến thức mà em đã học cũng như tìm hiểu thêm những thông tin bổ ích từ phía các bạn sinh viên, các giảng viên và các phương tiện thông tin Ngoài sự

cố gắng hết mình, em đã nhận được sự khích lệ rất nhiều từ phía nhà trường, thầy cô, gia đình và bạn bè

Chính vì thế, ngày hôm nay khi hoàn tất xong luận văn này, em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình và các bạn sinh viên đã luôn đồng hành cùng em trong học tập

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành này đến Quý Thầy Cô thuộc bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức căn bản cho em

Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Anh Nguyện đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Để đáp lại tấm chân tình đó, em sẽ cố gắng vận dụng các kiến thức mà mình

đã được trang bị vào thực tiễn cuộc sống một cách hiệu quả nhất nhằm mang lại lợi ích cho bản thân và cộng đồng Tuy nhiên, do hạn chế về kiến thức và quỹ thời gian

có hạn nên luận văn không tránh khỏi những sai sót Vì vậy, em kính mong quý thầy

cô thông cảm và rất mong nhận được những đóng góp quý báu từ các thầy cô

Một lần nữa em xin cảm ơn và xin chúc tất cả quý Thầy Cô được dồi dào sức khỏe, thành đạt hơn trong sự nghiệp!

Sinh viên thực hiện

Bùi Thanh Duy

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Cấu trúc 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 4

2.1 Ổn định hệ thống điện 4

2.1.1 Ổn định góc rotor 4

2.1.2 Ổn định tần số 5

2.1.3 Ổn định điện áp 5

2.2 Ổn định điện áp 5

2.2.1 Khái niệm 5

2.2.2 Phân loại 6

2.3 Những hạn chế trong việc ổn định điện áp 7

2.3.1 Những hạn chế 7

2.3.2 Sự cố sụp đổ điện áp 8

2.4 Phân tích ổn định điện áp 9

2.4.1 Phân tích dòng điện 9

2.4.2 Đường cong PV và QV 10

2.4.3 Điện áp 14

2.4.4 Phương pháp phân tích 14

2.5 Đồng bộ pha 15

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CÁC CHỈ SỐ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 19

3.1 Tìm chỉ số từ phương pháp dòng tải Jacobi 19

3.1.1 Phương thức phân tích mô hình dòng điện 19

3.1.2 Kiểm nghiệm trên hệ thống WSCC (Western System Coordinating Council – Hội đồng điều phối hệ thống phương Tây) 9 bus 21

3.2 Các chỉ số dựa trên các bộ đo lường đồng bộ pha 23

3.2.1 Thuật toán tìm thông số tương đương Thevenin 24

3.2.2 Chỉ số ổn định đường dây Lmn 26

3.2.3 Chỉ số ổn định điện áp nhanh FVSI 26

3.2.4 Chỉ số LQP 26

3.2.5 Chỉ số VSI dựa trên truyền tải điện tối đa 26

3.2.6 Chỉ số VCPI 27

CHƯƠNG 4 CHỌN LỰA CÁC CHỈ SỐ VÀ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM 29

4.1 PowerWorld Simulator 29

4.2 Các hệ thống thử nghiệm 30

4.2.1 Hệ thống BPA 10 bus 31

4.2.2 Hệ thống IEEE 39 bus 31

4.3 Các trường hợp thử nghiệm 35

4.3.1 Đề xuất xác minh sự hiệu quả của hai chỉ số VCPI và VSI trong hệ thống thử nghiệm IEEE 39 Bus 35

4.3.2 Tăng tất cả các tải 35

4.3.3 Tăng công suất phản kháng ở các tải 36

4.3.4 Trường hợp loại bỏ một đường dây truyền tải 36

4.3.5 Chọn lựa các trường hợp thử nghiệm 36

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 38

5.1 Thuật toán tìm các chỉ số VCPI và VSI 38

5.2 Trường hợp 1: Tăng tất cả các tải (IEEE 39 Bus) 41

5.3 Trường hợp 2: Tăng công suất phản kháng (IEEE 39 Bus) 49

5.3.1 Thống kê các chỉ số 49

5.3.2 Dự đoán sụp đổ điện áp từ các chỉ số 53

5.4 Trường hợp 3: Loại bỏ một đường dây truyền tải (IEEE 39 Bus) 54

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 62

6.1 Kết luận 62

6.2 Hướng phát triển 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1 Các sự cố sụp đổ điện áp 8

Bảng 3-1 Giá trị đặc trưng trong quá trình tăng tải 22

Bảng 3-2 Các hệ số thành phần cho mỗi trị đặc trưng (lần tăng tải đầu tiên) 23

Bảng 3-3 Các hệ số thành phần cho mỗi trị đặc trưng (lần tăng tải sau cùng trước sụp đổ) 23

Bảng 4-1 Thông số của tải và máy phát điện trên hệ thống IEEE 39 Bus 32

Bảng 4-2 Thông số dữ liệu đường dây trên hệ thống IEEE 39 Bus 33

Bảng 4-3 Thông số dữ liệu máy phát điện trên hệ thống IEEE 39 Bus 34

Bảng 4-4 Tóm tắt các chỉ số được chọn lựa 35

Bảng 5-1 Hệ số tải tương ứng với tải hệ thống 42

Bảng 5-2 Chỉ số VSI tại các bus tải tương ứng với hệ số tăng tải trường hợp 1 42

Bảng 5-3 Chỉ số VCPI tại các bus tải tương ứng với hệ số tăng tải trường hợp 1 43

Bảng 5-4 Điện áp Bus tải trường hợp 1 45

Bảng 5-5 Chỉ số VSI của bus tải trường hợp 2 50

Bảng 5-6 Chỉ số VSI của bus tải trường hợp 2 (tiếp theo) 51

Bảng 5-7 Chỉ số VSI của bus tải trường hợp 2 (tiếp theo) 51

Bảng 5-8 Chỉ số VCPI của bus tải trường hợp 2 52

Bảng 5-9 Chỉ số VCPI của bus tải trường hợp 2 (tiếp theo) 52

Bảng 5-10 Chỉ số VCPI của bus tải trường hợp 2 (tiếp theo) 53

Bảng 5-11 Các chỉ số trước khi sụp đổ trường hợp 1 và 2 54

Bảng 5-10 Các chỉ số trước và sau khi đường dây được loại bỏ 55

Bảng 5-11 Các chỉ số bus tải trước và sau khi sụp đổ trường hợp 3 57

Bảng 5-12 Dòng tổn thất trước khi loại bỏ đường dây 58

Bảng 5-13 Dòng tổn thất sau khi loại bỏ đường dây 59

Bảng 5-14 Thông số máy phát và tải trước và sau khi loại bỏ đường dây 59

Bảng 5-14 Tổn thất đường dây trước và sau khi loại bỏ đường dây 60

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện 4

Hình 2.2 Hệ thống hai bus 10

Hình 2.3 Dạng đường cong PV cơ bản theo tài liệu tham khảo [2] 11

Hình 2.4 Đường cong PV cho hệ số công suất tương ứng: (1) φ = 45° trễ, (2) φ = 30° trễ, (3) φ = 0, (4) φ = 30° sớm theo [3] 12

Hình 2.5 Dạng đường cong QV điển hình theo [2] 13

Hình 2.6 Đường cong QV cho các mức tải khác nhau theo [4] 13

Hình 2.7 Đồ thị diễn tả đồng bộ pha 16

Hình 2.8 Mô hình tương đương 𝜋 chuẩn 2 bus 17

Hình 3.1 Hệ thống WSCC 9 bus 21

Hình 3.2 Ba giá trị đặc trưng thấp nhất trong quá trình tăng tải 22

Hình 3.3 Mạch tương đương Thevenin với điện áp nối (Vcouple) và điện áp hở mạch (Vopen) 25

Hình 3.4 Mạch Thevenin tối giản 25

Hình 4.1 Giao diện PowerWorld Simulator 8.0 30

Hình 4.2 Giao diện phiên bản mới nhất PowerWorld Simulator 18.0 30

Hình 4.3 Hệ thống thử nghiệm BPA 10 bus 31

Hình 4.4 Hệ thống thử nghiệm IEEE 39 bus 32

Hình 5.1 Tìm chỉ số VCPI 39

Hình 5.2 Tìm chỉ số VSI 40

Hình 5.3 Hệ thống IEEE 39 bus trên mô phỏng PowerWorld Simulator 41

Hình 5.4 Chạy mô phỏng với chế độ Run Mode 42

Hình 5.5 Chỉ số VSI của Bus tải số 4, 7, 8 và 20 trường hợp 1 44

Hình 5.6 Chỉ số VCPI của Bus tải số 4, 7, 8 và 20 trường hợp 1 45

Hình 5.7 Các bus tải trong khu vực gần máy phát điện 47

Hình 5.8 Chỉ số VSI và điện áp ở bus tương ứng trường hợp 1 48

Hình 5.9 Chỉ số VCPI và điện áp ở bus tương ứng trường hợp 1 48

Hình 5.10 Các chỉ số VSI của bus 4, 20 và 27 trường hợp 2 49

Hình 5.11 Các chỉ số VCPI của bus 4, 20 và 27 trường hợp 2 50

Hình 5.14 Đường dây 10-13 thiếu hụt 55 Hình 5.15 Các chỉ số VSI tại bus 4, 7, 8, 12 và chỉ số thấp nhất 56 Hình 5.16 Các chỉ số VCPI tại bus 4, 7, 8, 12 và chỉ số cao nhất 57

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung

Như một kết quả tất yếu của sự gia tăng nhu cầu về năng lượng điện ngày một cao, tương tự đa số các quốc gia trên thế giới, truyền tải trên Hệ thống điện (HTĐ) ở Việt Nam đã buộc phải hoạt động trong điều kiện tối đa, gần với giới hạn bất ổn định Những nỗ lực để xây dựng đường dây truyền tải mới và mở rộng mạng lưới còn gặp nhiều hạn chế do khó khăn về điều kiện kinh tế, nhân lực, các vấn đề môi trường, Nhưng:

Nhờ thực hiện chủ trương đổi mới của Đảng, nền kinh tế Việt Nam từ năm

1985 đến nay đã tăng trưởng với tốc độ bình quân 7%/ năm Nhiều khu công nghiệp lớn, khu kinh tế mở và khu dân cư mới được hình thành, để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện tăng nhanh theo tốc độ tăng trưởng của phụ tải, Nhà nước đã huy động một nguồn vốn lớn để đầu tư phát triển Hệ thống điện Ngày 27/05/1994 đã đóng điện đưa đường dây 500kV vào vận hành kết nối HTĐ ba miền thành HTĐ hợp nhất Bắc – Trung – Nam, tạo điều kiện để khai thác một cách hiệu quả các nguồn điện hiện có, truyền tải và cung cấp cho các hộ tiêu thụ Trong những năm qua HTĐ Việt Nam liên tục phát triển, đến nay lưới điện 500kV có tổng chiều dài là 3466km và 11 trạm biến

áp với tổng công suất là 6600MVA, trích từ bài báo theo [1, tr.1]

Hiệu quả do các HTĐ mang lại là rất lớn, tuy nhiên cũng xuất hiện nhiều vấn

đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải quyết trong thiết kế cũng như vận hành Một trong những vấn đề quan trọng đó là ổn định điện áp hệ thống

Đặc biệt, để xác định phương pháp đánh giá ổn định điện áp và chiến lược phát triển để giảm các vấn đề bất ổn, cần đến một phương pháp mới hiệu quả hơn Phải kể đến đó là công nghệ đo đồng bộ pha (Synchronized Phasor Measurement) Tại hầu hết các vị trí trạm biến áp thông qua rơle bảo vệ chẳng hạn, sẽ có thiết bị đo lường có khả năng đo trực tiếp các thông số HTĐ (điện áp, dòng điện pha, …) trong thời gian thực, đồng bộ trong một phần nghìn giây Cùng với những cải tiến cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc, có thể xây dựng khu vực đo lường rộng và hệ thống bảo vệ để bổ sung cho các biện pháp bảo vệ cổ điển, dễ dàng cho điều khiển, giám sát và thu thập dữ

liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition), hệ thống quản lý năng lượng EMS (Energy Management System) và ngăn chặn các khả năng khác có thể xảy ra trên hệ thống Với phương hướng mới này, trên diện rộng của hệ thống đo lường, từ phương pháp tiếp cận mới cho phép bảo vệ và kiểm soát các chức năng hệ thống bằng cách đưa ra các chỉ số phòng chống sụp đổ điện áp Và thực tế đã có rất nhiều nghiên cứu về chỉ số ổn định điện áp trong đó dựa trên các phép đo đồng bộ pha

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu, phân tích sự ổn định điện áp sử dụng các chỉ số dựa trên dữ liệu đồng bộ pha qua mô phỏng Việc phân tích sẽ xem xét thời điểm gần với quá trình sụp đổ điện áp: "Khi nào hệ thống có điện áp không

ổn định?" và cơ chế của sự bất ổn định điện áp: "Các khu vực điện áp yếu?" Trong việc xem xét những câu hỏi như vậy, luận văn này sẽ bắt đầu với những bàn luận về phương pháp ổn định điện áp thông thường và mới hơn Tiếp theo, một phân tích và

so sánh giữa hai chỉ số của hai phương pháp dựa trên dữ liệu đồng bộ pha sẽ được tiến hành và đánh giá Trong các trường hợp khác nhau, chẳng hạn như tăng tải hệ thống hoặc máy phát dự phòng sẽ được tạo ra để chứng minh việc áp dụng chỉ số trong phân tích ổn định điện áp Kết quả sẽ cho thấy tính hiệu quả tổng thể của phương pháp cho vấn đề ổn định điện áp Nghiên cứu và phân tích sẽ sử dụng phần mềm PowerWorld cho mô phỏng và Excel, Matlab là những công cụ xử lý tính toán các chỉ số

Chương 3 đề xuất các chỉ số khác nhau được đề cập trong các tài liệu lý thuyết

và phương pháp được sử dụng để đánh giá sự ổn định điện áp trong HTĐ

Chương 4 cung cấp một mô tả chi tiết của hai mạng lưới thử nghiệm khác nhau, các phương pháp để chứng tỏ khả năng thực thi của các chỉ số

Chương 5 chỉ ra các chỉ số được lựa chọn để áp dụng tính toán trên mô phỏng theo phương pháp từ Chương 4 Các kết quả được phân tích để chứng minh các chỉ

số đã đề xuất, áp dụng để xác định độ ổn định điện áp

Chương 6 Kết luận và hướng phát triển đề tài

NGẮN HẠN NGẮN HẠN DÀI HẠN

ỔN ĐỊNH NHIỄU LOẠN NHỎ

ỔN ĐỊNH KÍCH ĐỘNG LỚN

NGẮN HẠN DÀI HẠN

Hình 2.1 Phân loại ổn định hệ thống điện

2.1.1 Ổn định góc rotor

Sự ổn định góc rotor được định nghĩa là khả năng các máy phát điện đồng bộ liên kết với nhau vẫn giữ được sự đồng bộ hóa trong các điều kiện vận hành bình thường và sau khi phải chịu một sự nhiễu loạn hay kích động nào đó Nhìn chung, tổng năng lượng điện thực tế cung cấp bởi máy phát điện phải luôn luôn bằng với năng lượng điện tiêu thụ của tải, bao gồm cả tổn thất trong hệ thống Sự cân bằng này giữa tải và máy phát có thể ảnh hưởng đến sự cân bằng giữa đầu vào máy phát điện hoặc mô-men xoắn cơ học và sản lượng điện Một nhiễu loạn hệ thống có thể làm đảo lộn trạng thái cân bằng này, mà kết quả sẽ làm tăng hoặc giảm tốc độ của rotor các máy phát điện Nếu một máy phát điện tạm thời chạy nhanh hơn hay chậm hơn các máy phát khác, vị trí góc rotor của nó làm ảnh hưởng tới các máy phát liên quan chậm hơn hay nhanh hơn Kết quả là góc chênh lệch truyền tải của tải từ máy chạy chậm sang máy chạy nhanh và ngược lại, tùy thuộc vào mối quan hệ góc về mặt lý thuyết được biết đến Xu hướng này làm giảm hay tăng tốc độ và từ đó tạo khoảng cách về góc, hơn nữa làm giảm sự truyền tải năng lượng gây ra mất ổn định

2.1.2 Ổn định tần số

Ổn định tần số đề cập đến khả năng của một HTĐ nhằm duy trì ổn định tần số sau một sự cố hệ thống, dẫn đến mất cân bằng giữa máy phát điện và tải Nó phụ thuộc vào khả năng duy trì hoặc khôi phục lại trạng thái cân bằng giữa hệ thống máy phát điện và tải, với tổn thất tối thiểu của tải Sự mất ổn định đó có thể là kết quả xảy

ra trong các hình thức thay đổi giá trị tần số Một nguyên nhân điển hình cho tần số không ổn định là sự tổn thất của máy phát dẫn đến tần số hệ thống nói chung trở nên mất kiểm soát Tóm lại, vấn đề ổn định tần số có liên quan đến những bất cập trong thiết bị, sự bố trí kém hiệu quả của thiết bị điều khiển và bảo vệ hoặc không đủ máy phát dự phòng

2.1.3 Ổn định điện áp

Vấn đề quan trọng thứ ba trong ổn định HTĐ là ổn định điện áp được đề cập

cụ thể, phân tích sâu hơn và tập trung vào đề xuất phương pháp phân tích ở phần 2.2

2.2 Ổn định điện áp

2.2.1 Khái niệm

Ổn định điện áp là một vấn đề thiết yếu trong ổn định HTĐ Nó đề cập đến khả năng của một HTĐ để duy trì điện áp ổn định ở tất cả các bus (hay gọi là nút)

trong hệ thống sau khi phải chịu một sự nhiễu loạn từ trạng thái vận hành ban đầu Các định nghĩa ổn định điện áp được mô tả như sau:

- Một HTĐ tại một điểm vận hành nhất định có sự ổn định nhiễu loạn nhỏ điện

áp, nếu sau sự nhiễu loạn nhỏ, điện áp ở nút phụ tải là tương tự hoặc giống với giá trị trước sự nhiễu loạn

- Một HTĐ tại một điểm vận hành nhất định và chịu được sự nhiễu loạn gọi là

ổn định điện áp nếu điện áp ở nút phụ tải sau nhiễu loạn đạt giá trị cân bằng

- Một HTĐ tại một điểm vận hành nhất định và chịu được sự nhiễu loạn, trải qua sự sụp đổ điện áp nếu sau nhiễu loạn, cân bằng điện áp là dưới giới hạn chấp nhận được Sụp đổ điện áp có thể xảy ra ở một phần hoặc cả hệ thống

2.2.2 Phân loại

Như đã đề cập trước đó, sự ổn định điện áp có thể được phân loại theo các loại nhiễu loạn hoặc khung thời gian

- Ổn định nhiễu loạn nhỏ điện áp (ổn định tĩnh) có liên quan với khả năng của

hệ thống nhằm kiểm soát điện áp sau nhiễu loạn nhỏ như những sự biến đổi của thiết

bị điều chỉnh, thay đổi trong hệ thống tải Loại ổn định này được xác định bởi các đặc tính của tải, điều chỉnh liên tục và điều chỉnh gián đoạn tại một thời gian tức thời nhất định

- Ổn định nhiễu loạn lớn điện áp (ổn định động) có liên quan với khả năng của

hệ thống nhằm kiểm soát điện áp sau nhiễu loạn lớn như các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện, lỗi hệ thống, mất mát máy phát hoặc ngắn mạch

Loại ổn định này này được xác định bởi các đặc tính của tải, sự tương tác của điều chỉnh liên tục, gián đoạn và sự bảo vệ

Trong thời gian ngắn hạn (thoáng qua) ổn định điện áp ở khung thời gian khoảng từ 0 đến 10 giây sẽ ảnh hưởng nhanh đến các thành phần tải động lực như động cơ cảm ứng, mạch điều khiển tải và bộ chuyển đổi cao áp một chiều HVDC (High Voltage Direct Current) Ở quá độ dài hạn, cân bằng công suất cơ - điện bị phá

vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh làm thay đổi tải, điện áp

và phản ứng thay đổi hệ thống, từ đó điều chỉnh hệ thống mới Điều này sau đó sẽ thúc đẩy hệ thống vận hành trong điều kiện khắc nghiệt hơn mà không kiểm soát được Giai đoạn này ở thời gian cụ thể lên đến một hoặc nhiều phút Trong ổn định

hệ thống, nếu các yếu tố vượt quá giới hạn vận hành, nhiễu loạn sẽ bị loại bỏ khỏi sự vận hành của hệ thống

Tóm lại, trong bất kỳ trường hợp nào, mỗi loại ổn định điện áp có liên quan chặt chẽ với nhau, và một hình thức bất ổn này có thể có thể dẫn đến một hình thức khác Phân biệt giữa các hình thức bất ổn khác nhau có thể dễ dàng trong việc xác định các nguyên nhân của sự bất ổn định, áp dụng một phân tích phù hợp và cuối cùng dùng biện pháp khắc phục để trả lại hệ thống một điểm vận hành ổn định Với vấn đề này, các phần sau sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan hơn về các phương pháp hiện đang được sử dụng để phân tích ổn định điện áp

2.3 Những hạn chế trong việc ổn định điện áp

2.3.1 Những hạn chế

Tùy theo tình trạng nhiễu loạn khác nhau của hệ thống có thể gây ra sự mất ổn định điện áp Trong số đó, khía cạnh quan trọng có thể nhắc đến là máy phát điện, đường dây truyền tải điện và các tải

Máy phát điện đóng một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ cung cấp đầy đủ công suất phản kháng cho HTĐ Công suất phản kháng được sản xuất bởi máy phát điện và do đó bị hạn chế bởi dòng phần ứng, các cuộn dây máy phát Do đó, cần xác định được dòng kích từ bao nhiêu trước khi các cuộn dây bị hư hỏng, công suất phản kháng tối đa đầu ra được thiết lập bằng cách sử dụng một bộ giới hạn quá kích từ OXL (over excitation limiter) Khi OXL đạt giới hạn, điện áp đầu cuối không còn được duy trì thường xuyên Do đó, giới hạn truyền tải điện tiếp tục được hạn chế, dẫn đến sự mất ổn định điện áp dài hạn

Mạng truyền tải điện là thành phần quan trọng không thể thiếu cho sự ổn định điện áp Dưới môi trường thực tế, nơi nguồn điện năng lớn được truyền tải qua một khoảng cách dài, truyền tải năng lượng tối đa được giới hạn bởi các đặc tính hệ thống truyền dẫn Năng lượng truyền tải mất đi một phần gây ra bởi tổn hao, sinh ra nhiệt không thể được truyền tải

Yếu tố quan trọng thứ ba ảnh hưởng đến sự mất ổn định điện áp là tải của hệ thống Điện áp không ổn định do phân bố tải thay đổi Sau sự thay đổi trong nhu cầu, tải sẽ thay đổi đầu tiên theo đặc tính tức thời của nó dẫn đến trở kháng hoặc dòng thay đổi Sau đó, nó sẽ điều chỉnh lấy dòng điện từ hệ thống đến các phụ tải được cung cấp bởi hệ thống đáp ứng các nhu cầu ở cấp điện áp cuối hệ thống Tương tự như vậy, khi có một sự thay đổi đột ngột ở điện áp hệ thống, chẳng hạn như sau một

sự nhiễu loạn, tải sẽ thay đổi trong giây lát, sau đó nó sẽ điều chỉnh dòng điện và rút

ra khỏi hệ thống, bất cứ vấn đề nào dòng điện là cần thiết để đáp ứng nhu cầu

Một khía cạnh quan trọng khác của tải là bộ đốt đầu nấc LTC (Load Tap Changing), đó là một trong những chìa khóa tiên quyết trong việc phục hồi tải Để đối phó với một sự nhiễu loạn, các LTC duy trì mức điện áp không đổi ở điện áp thấp cuối đường dây Vì vậy, khi quan sát tình trạng tải ở cấp điện áp cao gần như công suất thay đổi, điều này có thể làm nặng thêm vấn đề mất ổn định điện áp

30/12/1982 Tiểu bang Florida (Mỹ) 1 – 3 phút

30/11/1986 Tiểu bang Sergipe (SE,

Brazil)và Paraguay 2 giây

22/08/1987 Miền Tây tiểu bang

Tennessee (Mỹ) 10 giây 01/12/1987 Miền Tây nước Pháp 4 – 6 phút

26/02/2008 Tiểu bang Florida (Mỹ) 4 giờ

Từ bảng 2-1 cho thấy các sự cố sụp đổ điện áp có thể dao động từ vài giây đến hàng chục phút, thậm chí là vài giờ Từ đó các vấn đề ổn định điện áp bắt đầu được đặt ra, những nỗ lực nghiên cứu từ cộng đồng kỹ sư trên thế giới đã được triển khai, nhằm tìm ra các cơ chế sự bất ổn định điện áp và đang phát triển các công cụ phân tích, đề án kiểm soát để giảm thiểu các sự cố bất ổn định điên áp

2.4 Phân tích ổn định điện áp

Trong các mạng lưới điện lớn và phức tạp, phân tích dòng điện thường được

sử dụng Phần này sẽ giới thiệu về dòng điện hay dòng tải, phân tích và ứng dụng trong ổn định điện áp được đưa ra, nhằm tìm hiểu các chỉ số ổn định điện áp ở các chương tiếp theo

2.4.1 Phân tích dòng điện

Ở phân tích này, một hệ thống ổn định cân bằng ba pha được giả định, với mạng lưới nối tiếp nhau Có bốn biến ở mỗi bus trong một hệ thống: độ lớn điện áp, góc pha, công suất tác dụng và công suất phản kháng cung cấp cho mỗi bus Tại mỗi bus hai trong số các biến này đã xác định Mỗi bus tiếp tục được phân loại vào một trong các loại bus sau đây:

- Bus cân bằng: đây là nút nguồn đặc biệt, chỉ có một nút cân bằng được cố định về độ lớn V∠δ và góc lệch pha thường có giá trị 1∠00 pu Đây là các dữ kiện đầu vào

- Bus phụ tải: P và Q là các dữ kiện đầu vào, V và δ cần được xác định

- Bus nguồn: được biết như nút P – V, P và V là các dữ kiện đầu vào, Q và δ cần được xác định

Phương trình ma trận bus có thể được viết:

V̅1

V̅2

…

V̅n] (2.1)

Trong đó:

n: tổng số bus Khi i = 1 – n, j = 1 - n

Yii: dẫn nạp tại nút i

Yij: dẫn nạp giữa các bus

V̅i: điện áp pha tại bus i

I̅i: dòng điện pha tại bus i

Phương trình (2.1) sẽ là tuyến tính, nhưng trong thực tế, không phải ở hầu hết các bus Dòng điện tại nút k bất kỳ có quan hệ với P, Q và V như sau:

I̅=Pk+jQk

V̅k* (2.2) Mối mối quan hệ giữa P, Q, V và I được xác định bởi các đặc tính của thiết bị kết nối với bus, liên hệ này tạo ra vấn đề phi tuyến và có để được giải quyết lặp đi lặp lại (vòng lặp) bằng cách sử dụng các thuật toán như Gauss-Seidel hoặc Newton-Raphson Vì sự phức tạp trong tính toán, nên thực tế các chương trình tính dòng tải được sử dụng như ETAP, PSS / E hay GE PSLF, PowerWorld được sử dụng Trong luận án này, tất cả các giải pháp tính toán thu được sẽ sử dụng phần mềm PowerWorld Simulator

2.4.2 Đường cong PV và QV

Trước khi mô tả các phương pháp phân tích phức tạp hơn, một ví dụ đơn giản được đưa ra là sử dụng đường cong PV và QV, đây cũng là hai phương pháp xác định dòng điện được sử dụng rộng rãi để hình dung và xác định các hiện tượng mất ổn định điện áp

Hãy xem xét mô hình hai bus đơn giản trong hình 2.2 Một máy phát điện với

độ lớn V1, qua đường dây thuần cảm, cung cấp cho một tải không đổi với hai thành phần công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

Hình 2.2 Hệ thống hai bus Trong đó V1 là điện áp đầu gửi máy phát, V2 là điện áp đầu nhận tại bus tải, góc lệch pha giữa tải và máy phát điện là δ Tìm thành phần P và Q theo công thức: P=V1V2

Sử dụng hai công thức (2.3) và (2.4) đã loại bỏ δ, ta được công thức sau:

Hình 2.4 Đường cong PV cho hệ số công suất tương ứng: (1) φ = 45° trễ, (2) φ =

30° trễ, (3) φ = 0, (4) φ = 30° sớm theo [3]

Đối với mỗi đường cong PV có hai điểm cân bằng, một ở điện áp cao và có dòng thấp, một ở điện áp thấp và có dòng cao Trong thực tế, ở điện áp cao trạng thái cân bằng là ổn định hơn và sự cân bằng tại đó, HTĐ vẫn vận hành Các đỉnh của đường cong gọi là điểm giới hạn, khi đó công suất là tối đa, nếu vượt qua hệ thống sẽ

bị sụp đổ Sử dụng phương pháp này, những thay đổi điện áp có thể được quan sát thấy Đường cong này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc giới hạn của

hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp, từ đó xác định độ

dự trữ ổn định dùng làm chỉ số để đánh giá sự ổn định điện áp của hệ thống Tuy nhiên có một số nhược điểm của phương pháp này, điển hình là dòng điện có thể chỉ được tính ở phần trên của đường cong lên đến điểm giới hạn, ngoài này điểm, dòng tải sẽ phân ra bởi vì không thể tìm thấy một giải pháp thích hợp Bây giờ, xem xét lại mạch trong hình 2.2, đường cong QV có thể được phác họa cho tải bus Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và công suất phản kháng

Q tác động như thế nào đến điện áp tại các nút Tầm ảnh hưởng của đường đặc tính công suất phản kháng của phụ tải hay thiết bị bù được biểu diễn rõ ràng trong quan

hệ đường cong Q-V Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ Để biểu diễn đường cong QV, một máy phát tưởng tượng được đặt tại nút phân tích Trục tung biểu diễn đầu ra của máy phát

ảo Q (MVAr) Trục hoành biểu diễn điện áp tương ứng trong đơn vị tương đối ( pu) Đường cong QV xác định tải MVAr lớn nhất trước khi sụp đổ điện áp Điểm vận hành cơ bản được xác định tại giao điểm giữa trục hoành và đường cong Đây là điểm

mà máy phát ảo phát công suất phản kháng 0 MVAr Khi vạch đường cong đi xuống,

nó thể hiện máy phát ảo phát công suất phản kháng MVAr giảm Sự giảm này thể hiện sự tăng công suất phản kháng của tải Tại một điểm, giá trị Q của máy phát ảo

sẽ ngừng giảm và chạm tới đáy của đường cong Điểm này thể hiện sự tăng lớn nhất của Q tải tại nút này Bất kì Q tải nào cao hơn sẽ gây ra sụp đổ điện áp Nhu cầu công suất phản kháng được ước tính cho điện áp như thể hiện trong hình 2.5 và 2.6

Hình 2.5 Dạng đường cong QV điển hình theo [2]

Hình 2.6 Đường cong QV cho các mức tải khác nhau theo [4]

Từ hình 2.6, các giá trị của đường cong phần dương đại diện cho các điểm vận hành Đường cong thể hiện mức tăng Q (MVAr) của tải cùng với sự sụt giảm tương ứng về điện áp Độ dốc của đường cong phần dương QV, nơi DQ / dV> 0, là khu vực

ổn định và độ dốc phần âm của đường cong QV nơi DQ / dV <0, là khu vực không

ổn định Phần dưới của đường cong nơi DQ / dV = 0 cho thấy công suất phản kháng yêu cầu tối thiểu cho sự vận hành ổn định, cũng như điện áp tối thiểu mà các bus có thể chịu được Đường cong 1 cho thấy sự ổn định điện áp nhiều hơn Đường cong số

2 ổn định điện áp ít hơn, việc tăng thêm nhu cầu sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp Đường cong số 3, không có giao nhau với trục hoành, có một biên độ tiêu cực và do đó hệ thống đã sụp đổ, một kết quả tất yếu hệ thống sẽ cần nhận thêm lượng bù MVAr để thoát khỏi sụp đổ Phương pháp này rất hữu ích vì nó cung cấp các bù công suất phản kháng đối nhằm “bơm” công suất phản kháng vào bus thử nghiệm Cùng với đường cong PV, hai phương pháp này rất hữu ích cho việc nghiên cứu độ ổn định điện áp cho các mạng nhỏ, đặc biệt là hệ thống trung tâm Tuy nhiên, nó không phải là hiệu quả cho hệ thống điện lớn vì đòi hỏi phải mở rộng tính toán và có thể chứa nhiều hơn một bus quan trọng được phân tích

2.4.3 Điện áp

Điện áp có lẽ là chỉ số trực quan nhất thể hiện giới hạn ổn định điện áp Thông thường độ lớn điện áp là chỉ số được khởi tạo để khắc phục sự cố như điện áp thấp nhằm ngăn chặn sự cố sụp đổ điện áp Biên độ điện áp được thiết lập trong khoảng giá trị từ 85% đến 90% của điện áp danh định Tại thời điểm này một rơle sẽ hoạt động có thể điều chỉnh phù hợp để cắt giảm một số tải ngăn chặn sự sụp đổ điện áp

Điểm hạn chế của chỉ số điện áp trên là nó không thể hạn định được khoảng cách tới điểm điện áp Các bus với điện áp thấp nhất không nhất thiết phải gần các điểm sụp đổ điện áp Như thể hiện trong hình 2.4, đường cong số 4, một bus tải với

bộ bù công suất phản kháng cao có thể khắc phục được vấn đề không đáng kể của điện áp thấp thậm chí nếu truyền tải điện là gần với giới hạn truyền dẫn

2.4.4 Phương pháp phân tích

Các phương pháp phân tích ổn định điện áp có thể phân thành hai loại riêng biệt: phân tích động và phân tích tĩnh Mỗi phương pháp được sử dụng riêng trong việc giải quyết các vấn đề cụ thể và có những ưu cũng như nhược điểm của nó

Phân tích động có thể cung cấp khả năng phân tích cho hệ thống đối với mốc thời gian khác nhau từ vài giây đến vài phút Sử dụng mô phỏng động, phân tích có thể được tiến hành, điều phối các thiết bị với các khung thời gian phủ lên nhau, ví dụ điều chỉnh máy phát điện, chuyển đổi sang tụ bù và điện áp thấp tải khi sụp đổ Mô phỏng động đã được chứng minh rất hữu ích cho hiệu suất hệ thống, thực hiện trong

giai đoạn cuối của sự sụp đổ điên áp như trì hoãn động cơ, thay đổi mức tải và phục hồi sụp đổ điện áp hoặc ổn định tương ứng, cần có thời gian để nghiên cứu, bổ sung thêm trong hệ thống điển hình Mỗi thành phần của các thiết bị yêu cầu độ chi tiết trong các thông số, từ đó thiết lập phương trình, sử dụng công thức, đối với hệ thống lớn đòi hỏi tính toán nhiều cho các phi tuyến

Còn phân tích tĩnh thường thích hợp trong việc giải quyết hình thức ổn định điện áp chậm hơn Chỉ số có thể được tính toán nhằm xác định các khu vực dễ bị mất

ổn định điện áp và chỉ ra các yếu tố quan trọng trong hiện tượng bất ổn Những phương pháp này thường được tính toán ít chuyên sâu, mà tạo tiền đề phù hợp cho các ứng dụng, phần mềm trực tuyến, offline

2.5 Đồng bộ pha

Trong nhiều năm qua, đã có khá nhiều thảo luận về các ứng dụng tiềm năng của công nghệ đồng bộ pha (Synchrophasor) hay còn gọi là đồng bộ thời gian Các phân tích sự cố chỉ ra sự cần thiết của tiêu chuẩn để nhận dạng được chính xác dạng sóng sin (biên độ và góc pha) đồng bộ thời gian (Synchronized phasor measurement

- Synchrophasor) nó cho phép đồng bộ thời gian cực chính xác/ thuật toán gán nhãn thời gian (time-stamping) Hệ thống bảo vệ và điều khiển phải thích ứng với những thay đổi liên tục trong mạng Các đại lượng trên cả hai phía cung cấp và tiêu thụ càng làm tăng tầm quan trọng của việc bố trí các bộ đồng bộ pha trên diện rộng để bảo vệ, kiểm soát và đảm bảo hệ thống được an toàn, theo dõi độ tin cậy dễ dàng nếu có thể.Tại trung tâm của các hệ thống mới thử nghiệm trên diện rộng, các dữ liệu thời gian đồng bộ hóa pha được được biết đến như đồng bộ pha Pha đại diện của tín hiệu hình sin thường được sử dụng trong phân tích hệ thống điện xoay chiều Các dạng sóng hình sin được xác định trong phương trình (2.6):

Hình 2.7 Đồ thị diễn tả đồng bộ pha Trong các HTĐ các đại lượng phổ biến thuộc X trong ký hiệu pha: góc pha φ phụ thuộc vào tỉ lệ thời gian, đặc biệt là khi t = 0 Điều quan trọng cần lưu ý các đại lượng này có quan hệ với tần số góc ω cho bởi tần số Các đại lượng của một pha được thể hiện trong hình 2.7 theo chuẩn IEEE C37.118.1a-2014 (C37.118.1 WG - Synchrophasor Measurements for Power Systems do nhóm cộng tác Kenneth Martin

thực hiện), cũng theo tiêu chuẩn này định nghĩa đồng bộ pha như công cụ đo thời gian được đồng bộ chính xác từ các thông số trên lưới điện ở các bộ đo lường đồng

bộ pha PMUs (Phasor Measurement Units) PMUs được dùng để đo lường điện áp, dòng điện, tần số, tính toán góc pha, nhóm thời gian tình trạng đồng bộ, các dữ liệu này được gọi là dữ liệu pha Mỗi bộ đo lường pha có thể liên kết với hệ thống định vị toàn cầu Điều này cho phép đo lường được thực hiện bởi PMUs tại các địa điểm khác nhau hoặc vùng sở hữu khác nhau, thu thập qua các hệ thống truyền thông tiêu chuẩn bao gồm Internet, modem điện thoại, hoặc cáp EIA-232 (RS-232 tiêu chuẩn truyền thông truyền dữ liệu nối tiếp) từ các PMU, sau đó sẽ được đồng bộ với máy tính ở mỗi đầu của đường dây

Bây giờ khi đã có những giá trị từ các thiết bị trên HTĐ, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để sử dụng giá trị này Bằng cách sử dụng đồng bộ pha để xác định một mô hình hệ thống chính xác, mô hình hệ thống thử nghiệm là hữu ích cho việc vận hành một hệ thống và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của các kỹ sư, khi chúng

có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về vấn đề kiểm soát mạng lưới điện tùy thuộc vào những thay đổi Những thay đổi đó có thể mang lại lợi ích đến từ quan điểm kinh tế, chẳng hạn như nhận lượng điện lớn trên đường dây, có thể không mong muốn từ một quan điểm ổn định điện áp, chẳng hạn như tải trên đường dây đạt định mức tối đa

Khi đã có một mô hình hệ thống chính xác, cả chất lượng điện và các yếu tố ổn định

đảm bảo tính kinh tế có thể được tối ưu hóa Hãy xem xét một mô hình π chuẩn tương

đương với một đường truyền của hệ thống hai bus Khi điện áp và dòng điện đo ở

những bus, các tham số được cho bởi:

Hình 2.8 Mô hình tương đương 𝜋 chuẩn 2 bus

2πf (2.14)

C=Im(Y)

2πf (2.15)

Những phương trình trên có thể cung cấp cùng một mô hình gần đúng của

đường dây truyền tải Do đó, khi đồng bộ hóa với thời gian, các mô hình qua nhiều

thay đổi chu kỳ thời gian có thể hữu ích trong nhiều phương án Các thiết bị mới như

bộ xử lý đồng bộ pha, đã được phát triển để phát hiện những biến động hệ thống, tính

toán điện áp ở đầu xa đường dây, phục vụ việc sao lưu bảo vệ, tất cả nhờ vào tốc độ

rơle Rơle hiện đại thậm chí có thể cung cấp cho đo đồng bộ pha khả năng để phát

hiện các điều kiện bất thường của hệ thống mà không cần bất kỳ bộ vi xử lý hoặc máy tính bổ sung nào Với một phép đo trực tiếp và thường xuyên tại các trạm, việc sử dụng công nghệ đồng bộ pha hữu hiệu hơn nữa khi thực hiện ở HTĐ để cung cấp phướng án bảo vệ, kiểm soát và nâng cao hiệu suất vận hành

Đối với hầu hết các nội dung ở phần sau, luận văn sẽ tập trung vào việc sử dụng các phép đo trạng thái ổn định và những hình ảnh để tạo ra một phân tích Từ

đó dữ liệu đồng bộ pha thực tế được thực hiện bởi các phép đo mô phỏng liên tục, tiếp tục tiến hành bằng cách sử dụng bộ vi xử lý phần mềm đơn giản để tính toán

CHƯƠNG 3

ĐỀ XUẤT CÁC CHỈ SỐ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Trong nghiên cứu phân tích độ ổn định điện áp, các chỉ số là rất quan trọng để

có một thông tin chính xác về thời điểm vận hành một hệ thống gần với giới hạn ổn định điện áp Nó sẽ cung cấp về độ lớn điện áp, đưa ra một dấu hiệu khả quan cho giá trị giới hạn ổn định điện áp Vì vậy, sẽ là rất hữu ích để đánh giá độ ổn định điện áp của một HTĐ bằng phương tiện dùng chỉ số ổn định điện áp VSI (Voltage Stability Index), một đại lượng vô hướng có thể được theo dõi như các thông số ở hệ thống nếu có thay đổi Các chỉ số này phải có khả năng cung cấp đáng tin cậy thông tin gần thời điểm của sự bất ổn định điện áp trong HTĐ và cần phản ánh khả năng chịu đựng của một hệ thống khi mất hoặc tăng tải Vì thế, các chỉ số cần được tính toán hiệu quả

và dễ hiểu.Do đó, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các chỉ số này để biết khoảng cách của hệ thống gần với thời điểm sụp đổ điện áp một cách trực quan và có biện pháp giải quyết phù hợp Phần này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về các chỉ số khác nhau được đề xuất trên lý thuyết Đặc điểm và phân loại của chúng sẽ được xem xét nhằm chọn lựa chỉ số phù hợp trong các ứng dụng phân tích ổn định điện áp

3.1 Tìm chỉ số từ phương pháp dòng tải Jacobi

3.1.1 Phương thức phân tích mô hình dòng điện

Theo tài liệu [5] đã giới thiệu một chỉ số dựa trên ma trận Jacobian sử dụng phương thức phân tích kỹ thuật Các phương trình ma trận Jacobian (3.1) thu được từ các phương thức tính dòng tải cho một hệ thống vận hành ở điều kiện ổn định Trên thực tế, điện áp hệ thống bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng, lúc này Jacobi là hữu ích vì nó có thể cung cấp thông tin về sự

∆Q]= [

J11 J12

J21 J22] [∆V∆θ] (3.2) Cho ∆𝑃 = 0 thì mối quan hệ giữa độ thay đổi ở nút điện áp và công suất phản kháng:

∆Q=JR∆V (3.3) Với:

JR=[J22-J21J11-1J12] (3.4) Các chế độ của hệ thống có thể được xác định bởi các giá trị riêng:

JR=ξΛη (3.5) Nghịch đảo:

λi Các trị đặc trưng nhỏ nhất tối thiểu trong một HTĐ là giá trị chung cho VSI Các giá trị lớn hơn của λi sẽ cung cấp những thay đổi nhỏ trong điện áp khi một nhiễu loạn nhỏ xảy ra, các trị đặc trưng có giá trị nhỏ sẽ cho biết hệ thống vận hành có chế

độ quan trọng nhất Hệ thống ổn định khi các trị đặc trưng của JR dương Khi trị đặc trưng bằng không thì hệ thống ổn định nhẹ có xu hướng dễ dàng mất ổn định Nếu một trong những giá trị đặc trưng âm, hệ thống là không ổn định

Vector riêng bên trái và bên phải tương ứng trong hệ thống có thể cung cấp thông tin liên quan đến các cơ chế của sự bất ổn định điện áp Từ đây, ma trận bus thành phần được hình thành Các hệ số thành phần bus cho thấy sự ổn định điện áp tại các nút trong HTĐ Các hệ số thành phần bus của một bus có thể được định nghĩa là:

Pki=ξkiηki (3.12)

Các hàng k của ma trận chỉ ra số lượng bus và các cột i của ma trận chỉ ra các chế độ hệ thống Một hệ số thành phần bus cho biết có bao nhiêu tác động đến một bus có trên hệ thống điện

3.1.2 Kiểm nghiệm trên hệ thống WSCC (Western System Coordinating

Council – Hội đồng điều phối hệ thống phương Tây) 9 bus

Hình 3.9 Hệ thống WSCC 9 bus

Để chứng minh phương thức phân tích, xét hệ thống WSCC 9 Bus trong hình 3.1 Các dòng tải đã được chạy và ma trận Jacobian được thu thập để xác định giá trị đặc trưng của hệ thống Sáu bus không có máy phát của hệ thống tạo thành một ma trận Jacobi 6x6 và sáu giá trị đặc trưng tương ứng Bảng 3-1 cho thấy các giá trị đặc

trưng tính toán sau mỗi lần tăng tải Thực tế bảng 3-1 cho thấy không có giá trị âm, xác nhận rằng hệ thống là ổn định Giá trị đặc trưng thấp nhất của trường hợp tăng tải đầu tiên là λ4 = 6,065 và do đó tại đây hệ thống có chế độ quan trọng nhất Giá trị đặc trưng λ4 vẫn ở chế độ quan trọng suốt mỗi lần tăng tải Có thể điều này không giống nhau trong mọi tình huống, như ở các hệ thống khác nhau có thể có các mẫu tải khác nhau và sự thay đổi hệ thống sẽ ảnh hưởng đến kết quả của ma trận Jacobi Bảng 3-1 cho thấy các giá trị đặc trưng cho quá trình gia tăng tải nhất định Ba giá trị đặc trưng thấp nhất của tải được mô tả trong hình 3.2

Bảng 3-2 Giá trị đặc trưng trong quá trình tăng tải Tổng

Các hệ số thành phần P của mỗi bus tương với một sự thay đổi nhất định, ứng với lần tăng tải đầu tiên và cuối cùng được thể hiện trong bảng 3-2 và 3-3

Bảng 3-3 Các hệ số thành phần cho mỗi trị đặc trưng (lần tăng tải đầu tiên)

𝜆4) và đó là các bus gần nhất với sự bất ổn định Phương pháp này vì vậy đã được kiểm nghiệm sự hiệu quả của nó đối với các nghiên cứu về độ ổn định điện áp vốn dĩ được chứng minh trong tài liệu tham khảo số [8] Tóm lại, giá trị đặc trưng có thể được sử dụng như một chỉ số về sự cận kề của một thời điểm vận hành sắp đến mức sụp đổ điện áp Tuy nhiên, mức độ này có thể thay đổi từ hệ thống này đến hệ thống khác và tùy thuộc vào từng điểm vận hành khác nhau

3.2 Các chỉ số dựa trên các bộ đo lường đồng bộ pha

Như đã biết các thiết bị đo lường pha có thể cung cấp đầy đủ thông tin cho việc giám sát ổn định điện áp tại các nút cung cấp cho tải, đã thúc đẩy nghiên cứu các thuật toán mà chỉ sử dụng điện áp và dòng điện đo lường pha để giám sát ổn định điện áp hệ thống Nhiều chỉ số được trình bày trong phần này dựa trên giả định rằng

sự ổn định điện áp có liên quan đến công suất tối đa của một tải Phần này sẽ mô tả

một phương pháp để có được thông số tương đương Thevenin bằng cách đánh giá các chỉ số khác nhau dựa trên các phép đo pha

3.2.1 Thuật toán tìm thông số tương đương Thevenin

Những bus trong một HTĐ có thể được phân thành ba loại: bus phụ tải, bus cân bằng và bus nguồn Một bus gắn với một tải được coi là một bus phụ tải Một bus không gắn với tải hoặc bất kỳ thiết bị máy phát điện nào gọi là bus cân bằng Một bus nguồn bao là một bus mà điện áp được cung cấp bởi một máy phát điện kèm theo, cũng như một bus ranh giới, được biết như là bus PV Một bus nguồn có thể trở thành một bus phụ tải nếu máy phát điện trực thuộc đạt giới hạn công suất phản kháng của

nó Các dòng điện chạy vào hệ thống có thể được viết như:

IHT=YHTVHT (3.13)

Với ma trận Y được gọi là ma trận dẫn nạp hệ thống, V và I tương ứng với đại lượng điện áp và dòng điện Các hệ số của ma trận dẫn nạp với điện áp tương ứng có thể được tổ chức thành ba loại bus được thể hiện như

Các điện áp tải có thể được thể hiện bằng:

Đại lượng Vopen là điện áp hở mạch và ZLL là trở kháng nội tại bus phụ tải thứ

j Xét ảnh hưởng của các phụ tải khác, công thức (3.19) cho thấy mối quan hệ giữa điện áp ghép và hỗ cảm ZLLij:

Ta có sơ đồ:

Hình 3.11 Mạch tương đương Thevenin với điện áp nối (Vcouple) và điện áp hở

mạch (Vopen) Như vậy thông số tương đương Thevenin:

Hình 3.12 Mạch Thevenin tối giản

Từ các công thức (3.20) và (3.21) có thể thấy rằng: Điện áp nguồn tương đương

Veq là một hàm số phụ thuộc đặc tính điện áp nguồn và tải hệ thống, theo đó Veq giảm khi các tải hệ thống tăng Trở kháng tương đương Zeq chỉ phụ thuộc vào các đặc điểm đường dây và cấu trúc liên kết hệ thống Đối với một HTĐ, cấu trúc và trở kháng tương đương vẫn không đổi

số trở nên lớn hơn một, toàn bộ hệ thống mất ổn định và sụp đổ điện áp xảy ra Do

đó các chỉ số có thể được sử dụng trong việc dự đoán sự sụp đổ điện áp

3.2.3 Chỉ số ổn định điện áp nhanh FVSI

Tương tự như các chỉ số trước đó, chỉ số ổn định điện áp nhanh FVSI (Fast Voltage Stability Index) được tính dựa trên dòng điện của một mạng 2 bus tương đương tham khảo tài liệu [7] Chỉ số này được tính toán như sau:

FVSI=4ZQr

Vs2X (3.23) Giá trị này chỉ ra thời điểm đường dây dễ mất ổn định nhất trong hệ thống Chỉ

số này có thể được sử dụng để xác định các nhánh yếu nhất trong hệ thống, cũng như

có thể được sử dụng để xác định các bus dễ mất ổn định nhất trên hệ thống Việc xác định các bus dễ mất ổn định nhất dựa vào tải tối đa cho phép trên bus phụ tải Các bus dễ mất ổn định nhất trong hệ thống tương ứng với các bus chịu được tải tối đa cho phép nhỏ nhất

3.2.4 Chỉ số LQP

Chỉ số LQP tham khảo ở tài lệu [8] dựa trên khả năng của dòng điện chạy trong đường dây đơn Chỉ số này được sử dụng để tìm các chỉ số ổn định cho mỗi liên kết giữa hai thanh bus trong một mạng kết nối với nhau

Giá trị này chỉ ra đường dây dễ mất ổn định điện áp nhất trong hệ thống

3.2.5 Chỉ số VSI dựa trên truyền tải điện tối đa

Chỉ số ổn định điện áp VSI (Voltage Stability Index) theo [9] được xác định dựa trên công suất tác dụng, công suất phản kháng và công suất biểu kiến trên một đường dây truyền tải Truyền tải điện tối đa trên một đường dây truyền tải bắt nguồn

từ một hệ thống hai bus tương đương duy nhất Khi thu được ba giá trị tối đa Pmax,

Qmax, Smax, VSI sẽ được tính bằng giá trị tối thiểu giữa tỷ lệ của ba lợi tải (Pmargin,

và nếu chỉ số là 0 điện áp tại một bus đã bị sụp đổ

3.2.6 Chỉ số VCPI

Chỉ số biểu thị trạng thái gần với sụp đổ điện áp VCPI (Voltage Collapse Proximity Index) theo [10] sử dụng các ma trận hệ thống dẫn nạp thay vì rút gọn một

hệ thống tương đương Một sự thay đổi điện áp pha đầu tiên được xác định bằng cách

sử dụng các giá trị điện áp pha đã đo ở tất cả các bus cùng với các ma trận dẫn nạp Các VCPI được tính sẽ thay đổi từ 0 đến 1 Nếu các chỉ số là 0, tại bus điện áp ổn định và nếu chỉ số là 1 điện áp tại một bus đã bị sụp đổ

' N