nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp điện áp trong hệ thống điện

Trong luận văn “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện”, chúng tôi sử dụng thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH

SỤP ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 4 3 3 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Hướng dẫn khoa học: TS HỒ VĂN HIẾN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

LỜI CAM ĐOAN

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 liệu tham khảo

TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Vĩnh

LỜI CÁM ƠN

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS Hồ Văn Hiến đã hướng

dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tác giả hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các Thầy, các Cô, cán bộ viên chức Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Vĩnh

MỤC LỤC

Trang

1.2 Tính cấp thiết, ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài 2

Chương 2: Các nguyên nhân và cơ chế xảy ra tan rã hệ thống điện 7

Chương 3: Phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp 10

4.3 Ứng dụng phần mềm xây dựng đặc tính P-V, Q-V 30

4.3.3 Khảo sát đặc tính P-V ứng với cosphi đầu nhận sớm 39 4.3.4 Khảo sát đặc tính P-V ứng với cosphi đầu nhận trễ 40 4.3.5 Khảo sát ổn định điện áp xét vectơ riêng và giá trị riêng 41 4.3.6 Đánh giá ổn định điện áp xét vectơ riêng và giá trị riêng 48 4.4 Khảo sát nâng cao ổn định điện áp bằng thiết bị bù SVC 53

Chương 5: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn

5.3 Ứng dụng phần mềm tính toán bù đường dây TT điện 73

LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, hệ thống điện (HTĐ) là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân Nó đóng vai trò h ế t s ức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế, các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải cũng như sự thay đổi theo hướng thị trường hóa ngành điện lực làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành

Vì vậy, HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định dẫn đến khả năng HTĐ

có thể bị sụp đổ do sự mất ổn định điện áp trong hệ thống ngày càng cao

Trong luận văn “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ

điện áp trong hệ thống điện”, chúng tôi sử dụng thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện để tránh trường hợp sụp đổ điện áp xảy ra

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU

Ở các nước, vấn đề ổn định điện áp rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm nay Có thể kế đến các tác giả như C.W Taylor, P Kundur, …

Ở Việt Nam, có rất nhiều nghiên cứu về ổn định điện áp như các nghiên cứu

của tác giả Đinh Thành Việt, Ngô Văn Dưỡng, Lê Hữu Hùng về “Khảo sát quan hệ

công suất tác dụng và điện áp tại nút phụ tải để đánh giá giới hạn ổn định điện áp”

đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng năm 2007; của tác giả

Nguyễn Xuân Dúng về “Đánh giá ổn định điện áp lưới điện 220 kV khu vực miền

Trung”, …

Các nghiên cứu này góp phần quan trọng vào lĩnh vực nghiên cứu về ổn định

hệ thống điện Tuy nhiên, chưa có các bài báo, công trình nào phân tích rõ cũng như vận dụng ứng dụng thiết bị bù SVC trong nâng cao tính ổn định hệ thống điện bằng cách sử dụng phần mềm phân tích đặc tính P-V, Q-V và phần mềm tính toàn bù trên đường dây truyền tải

1.2 TÍNH CẤP THIẾT, Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC CỦA

ĐỀ TÀI

Như đã nói ở trên, HTĐ đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi 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 thành ba phần chính: Phần phát điện- hay phần

nguồn điện- bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, nhà máy điện gió và một số loại

phát điện khác Phần truyền tải có thể được coi là hệ thống xương sống của một HTĐ, bao gồm các đường dây siêu cao áp, cao áp và máy biến áp truyền tải Phần

phân phối là nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải và là phần

có nhiều các nút nhất trong hệ thống điện với nhiều loại phụ tải khác nhau

Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường, HTĐ cần thoả mãn các điều kiện về

an ninh, tin cậy, 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 mặt với những khó khăn:

Vấn đề thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải, đặc biệt là với một nước đang

phát triền rất 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 nói chung: là làm sao phải

đáp ứng được nhu cầu phụ tải Vần đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên

như than đá, dầu mỏ, khí đốt và cả nguồn thủy điện Không chỉ riêng Việt Nam mà cả thế giới đều nhận thức được rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lượng sơ cấp và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế Ở đây chúng ta cần hiểu rằng nguồn thủy điện cạn kiệt 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 nghệ hạt 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 năng lượng tái tạo trên bình diện cả nước Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này góp phần giảm thiểu gánh nặng cho ngành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầu phụ 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 và phân phối làm thay đổi cơ bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều

khiển hệ thống điện Vấn đề thứ tư là các áp lực về môi trường do các nhà máy điện

gây ra Do đó chúng ta cũng cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề này khi quyết định 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 hoàn toàn 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 ngày càng 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 Tại Miền Nam Việt Nam lúc 14h15' ngày 22 tháng 5 năm 2013, đồng loạt nhiều tỉnh thành tại Miền Nam bị mất điện, tổng lượng điện bị cắt là 9.400MW Đến 22h40' cùng ngày (mất 8h25') toàn bộ HTĐ Miền Nam mới được khôi phục và hoạt động trở lại bình thường Thiệt hại chỉ đối với ngành điện ước tính ban đầu là 14 tỉ đồng Tính đến ngày 25 tháng 5, có tổng cộng 8 triệu khách hàng bị ảnh hưởng bởi sự

cố, trong đó tại thành phố Hồ Chí Minh có 1,8 triệu hộ dân và khách hàng điện Có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng sụp đổ điện áp Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định điện áp là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện để nâng cao ổn định điện áp trong HTĐ Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ giúp ích cho ngành điện 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

1.4 KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Đường dây truyền tải điện 500 kV Bắc Nam

- Thiết bị bù SVC

- Phần mềm tính toán bù đường dây truyền tải điện

1.5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp trong HTĐ, các sự cố tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất ổn định do mất ổn định điện áp

- Nghiên cứu cơ chế xảy ra sự cố và nguyên nhân

- Nghiên cứu các phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp

- Nghiên cứu các biện pháp nâng cao ổn định hệ thống điện

- Nghiên cứu xây dựng đặc tính P-V, Q-V của mạng điện đơn giản bằng ứng dụng phần mềm xây dựng đặc tính P-V, Q-V Khảo sát nâng cao ổn định điện áp bằng thiết bị bù SVC

- Nghiên cứu ứng dụng của thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù đường dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện

1.6 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Có rất nhiều phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp cũng như nâng cao tính

ổn định của hệ thống điện Đề tài này chỉ nghiên cứu ứng dụng của thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp nghiên cứu lý luận: Nghiên cứu tài liệu, tổng hợp, phân tích,

so sánh, hệ thống hóa các nguồn tài liệu có liên quan đến đề tài luận văn

- Phương pháp phân tích số liệu bằng phần mềm: Sử dụng phần mềm tính

toán bù đường dây truyền tải điện (để xác định vị trí bù và các thông số bù trên đường dây) và ứng dụng phần mềm xây dựng đặc tính P-V, Q-V

1.8 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN

- Tháng 01/2013 đến tháng 3/2013: tìm hiểu và lựa chọn vấn đề nghiên cứu

- Tháng 3/2013 đến tháng 6/2013: xây dựng tổng quan nghiên cứu và cơ sở lý luận về vấn đề nghiên cứu (chuyên đề 1)

- Tháng 6/2013 đến tháng 12/2013: xây dựng đặc tính P-V, Q-V dựa vào phần mềm, ứng dụng thiết bị SVC để nâng cao tính ổn định của hệ thống điện (chuyên đề 2)

- Tháng 01/2014 đến tháng 6/2014: ứng dụng phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện

- Tháng 7/2014 đến tháng 10/2014: hoàn thiện luận văn, viết bài báo và chuẩn

bị bảo vệ luận văn trước Hội đồng

1.9 CẤU TRÚC CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài được trình bày ở 6 chương, cụ thể: Phần tổng quan được trình bày trong chương 1 Chương 2 các nguyên nhân và cơ chế xảy ra tan rã hệ thống điện.Chương 3 phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp Chương 4 các biện pháp tránh sụp đổ điện

áp Chương 5 ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện Chương 6 kết luận và kiến nghị

2.1.1 Vấn đề trong quy hoạch và thiết kế:

- Thiết kế và cài đặt sai thông số

- Không đáp ứng các tiêu chuẩn

- Không cập nhật các tiêu chuẩn

- Dự đoán sai nhu cầu của phụ tải

- Không hiểu rõ HTĐ đang vận hành

- Thiếu biện pháp phòng ngừa

- Thiếu biện pháp ngăn chặn

- Sự phối hợp vận hành kém

2.1.4 Các nguyên nhân khách quan:

- Thảm họa thiên nhiên

- Phụ tải tăng bất ngờ

- Bảo vệ tác động nhầm

- Các hư hỏng ẩn

2.2 CƠ CHẾ XẢY RA SỰ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN

Điều kiện thời

tiết bất thường

dẫn đến hay tải

năng 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 dãy

Thiếu công suất tác dụng

và phản kháng

dự trữ

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, …

Thiếu mô men cản dao

Cắt các thiết bị quá tải khác trong HTĐ

Mất đồng bộ

Sự cắt nhanh các đường dây, máy phát và thiết bị điện trong HTĐ Sụp đổ điện áp

Tan rã HTĐ

2.2.1 Sự mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp

Sự mất ổn định điện áp: Xuất phát từ các thay đổi của tải tiêu thụ công suất

vượt quá khả năng của hệ thống truyền dẫn và hệ thống phát [1]

Sự sụp đổ điện áp: Là quá trình mà qua đó chuỗi các sự cố liên quan đến sự

không ổn định điện áp và cuối cùng dẫn đến tan rã HTĐ hoặc điện áp thấp bất thường trong phần lớn khu vực của HTĐ

Hình vẽ 2-11: Sụp đổ điện áp trong sự cố tan rã HTĐ ở Mỹ 14/08/2003 [2]

2.2.2 An ninh điện áp

Khái niệm an ninh điện áp là khả năng của một HTĐ không những vận hành

trong trạng thái ổn định, mà còn duy trì trạng thái ổn định sau khi trải qua các sự cố ngẫu nhiên hoặc sự tăng tải [3], [4], [5]

CHƯƠNG 3:

PHƯƠNG PHÁP PHÒNG NGỪA SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất lớn Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây Để hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:

+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây

để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây

+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt

ở các trạm trung gian trên đường dây Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km

+ Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này

3.1 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là 10%), sóng từ trường lại thay đổi trong dãy khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây

+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là: WE = C.Uf2 (3-1)

+ Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:

QE = 3..C.Uf2.l (3-2)

+ Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn

vị chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I: WM = L.I2 (3-3)

+ Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là:

và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp

3.2 BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP

Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết

2 2

bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và sang bằng điện áp phân bố dọc đường dây

Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm

sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt

và hiệu quả hơn Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn

3.2.1 Bù dọc

Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém…

Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch giữa dòng điện phụ tải I

và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây

và góc lệch pha  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc:

Một là, ổn định điện áp:

+ Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn

Hai là, ổn định về góc lệch :

+ Làm giảm góc lệch trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện

+ Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây

+ Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

Hình 3.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp

Ba là, giảm tổn thất công suất và điện năng:

1 2

gh

L

U U P





+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản

kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

Dòng điện I1 của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phản kháng

do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây siêu cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đường dây

+ Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

+ Trong chế độ non tải (Ptải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị số

100%

C C

L

X K

X



coscho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng

+ Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km

+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau:

QC=Udd2.bo.l (3-12)

Trong đó:

Udd: Điện áp danh định của đường dây; l: chiều dài của đường dây

+ Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330 750kV thì ta có thể

sử dụng các quan hệ gần đúng như sau:

o

X Z

b



3 0

(3-14)

Trong đó:

QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang

QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra

Đối với các đường dây có cấp điện áp 500kV, tổng công suất của các kháng bù ngang trên đường dây thường bằng 60 - 70% công suất phản kháng do điện dung đường dây phát ra

- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và điện dung lớn Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện

áp khi vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang

- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế

độ vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật

CHƯƠNG 4:

CÁC BIỆN PHÁP TRÁNH SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

4.1 HƯỚNG DẪN PHÂN TÍCH MODAL Q-V

4.1.1 Phân tích độ nhạy Q-V

Phương trình hệ thống tuyến tính hóa quan hệ giữa độ thay đổi công suất nút

và độ thay đổi điện áp cũng như góc pha thông qua ma trận Jacobi:

J

J J Q

P

QV Q

- Từ ma trân Jacobi trong thuật toán Newton-Raphson tính phân bố công suất rút ra:

Hay:

Phần tử thứ i trên đường chéo của  1

R

J là độ nhạy V-Q tại thanh cái i

- Độ nhay V-Q tại một nút biểu diễn cho độ dốc của đặc tính Q-V tại điểm vận hành cho trước Độ nhạy V-Q dương biểu thị vận hành ổn định, độ nhạy càng nhỏ thì

hệ thống càng ổn định Tính ổn định càng giảm khi độ nhạy càng lớn và bằng vô cùng tại giới hạn ổn định

- Một độ nhạy âm biểu thị tình trạng không ổn định

Do tính phi tuyến của quan hệ V-Q nên độ lớn của độ nhạy V-Q không cung cấp một sự đánh giá trực tiếp về độ ổn định tương đối

Trong đó:  i là cột thứ i của vectơ riêng bên phải và  ilà hang thứ i của vectơ riêng bên trái của JR

Mỗi giá trị riêng  ivà các véctơ riêng bên trái  ivà véctơ riêng bên phải

i

 tương ứng xác định mode thứ i của đáp ứng Q-V

Vì 1  nên pt (7) được viết:

Q Q

Q J

Trong đó: vVlà vectơ modal thay đổi điện áp (4-11)

qQ là vectơ modal thay đổi công suất kháng (4-12)

- Khi  i= 0, thì điện áp mode thứ i sụp đổ vì bất kỳ sự thay đổi trên

công suất modal phản kháng đều gây ra sự thay đổi vô cùng lớn của modal

điện áp

Bây giờ xét quan hệ giữa độ nhạy V-Q tại các nút và giá trị riêng của JR Trong

pt (8), cho Q  e ktrong đó ek là ma trận cột có tất cả phần tử bằng số không ngoại trừ phấn tử thứ k bằng 1 Như vậy:

 

i i

i ik

Độ lớn của các giá trị riêng có thể cung cấp một thước đo tương đối của khoảng cách đến mất ổn định Tuy vậy giá trị riêng không cung cấp một thước đo tuyệt đối do tính phi tuyến của bài toán Khi hệ thống đạt đến điểm tới hạn của ổn định điện áp, giải tích modal dùng để xác định các vùng tới hạn ổn định điện áp và các phần tử góp phần trong mỗi mode

Có hai loại mode Loại thứ nhất có rất ít các nút có hệ số góp phần lớn và tất cả các nút khác có hệ số góp phần gần bằng số không chứng tỏ mode đó rất cục bộ địa phương Loại mode thứ hai có nhiều nút có hệ số góp phần nhỏ nhưng mức độ góp phần tương tự nhau và phần còn lại các nút khác thì gần như bằng không chứng tỏ mode không phải là cục bộ Một mode cục bộ tiêu biểu xảy ra nếu có một nút phụ tải riêng rẻ nối đến một mạng điện liên kết mạnh thông qua một đường dây truyền tải dài Một mode không cục bộ tiêu biểu xảy ra khi một vùng bên trong một hệ thống lớn có phụ tải tăng lên và nguồn cung cấp công suất kháng chủ yếu cho vùng này bị thiếu hụt

Hệ số góp phần của nhánh:

Giả thiết vectơ modal biến thiên công suất kháng q ứng với mode i có tất cả các phần tử bằng số không ngoại trừ phần tử thứ i bằng 1 Từ pt (4-10), vectơ biến thiên công suất kháng tại các nút cho bởi:

i i

q q

PV P i

V J

J 





Với các độ thay đổi của điện áp và góc pha ở đầu phát và đầu nhận được biết

có thể tính được độ thay đổi tổn thất công suất kháng của một nhánh Sự góp phần tương đối của nhánh j trong mode i cho bởi hệ số góp phần của nhánh:

nhanh cac ca tat cua Q

j nhanh voi doi Q Parti

loss

loss ji

áp hay chọn lựa tình trạng khẩn cấp

Hệ số góp phần của máy phát

Cũng như trường hợp hệ số góp phần của nhánh, đối với một độ thay đổi công suất kháng cho trước , xác định sự thay đổi điện áp và góc pha ở đầu cực máy phát Kết quả đó dùng để tính sự thay đổi công suất kháng phát ra ở các nút máy phát

Sự góp phần tương đối của máy m trong mode i cho bởi hệ số góp phần của máy phát:

phat may ca tat cua Q imum

m phat may voi doi Q Parti mi

f



x là vectơ biến trạng thái của hệ thống và ρ là vectơ thông số trong đó các phần

tử là công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải và công suất tác dụng của máy phát Cả hai x và ρ là các vectơ có kích thước N = 2NPQ+NP-V với NPQ là số nút PQ và

NP-V là số nút P-V

Gọi Jx và Jρ là các ma trận Jacobi của hàm vectơ f ứng với các biến x và ρ Ma trận Jx là ma trận Jacobi trong bài toán phân bố công suất như trong pt (4-1) Đối với một vectơ thông số ρi cho trước, véctơ biến trạng thái xi có thể được xác định bằng cách giải pt (4-23) dùng kỹ thuật phân bố công suất Mỗi vectơ thông số ρi biểu diễn một tình trạng riêng của hệ thống theo phụ tải tác dụng và phản kháng và công suất tác dụng phát Hệ thống đi đến điểm tới hạn ổn định điện áp nếu có vectơ thông số ρ*

và véctơ trạng thái tương ứng x* làm cho ma trận Jacobi trở nên kỳ dị (singular) Gọi

S là một siêu phẳng kích thước bậc-N của không gian thông số sao cho Jx(x*, ρ*) là kỳ

dị nếu ρ* là một điểm trên S

Cho một điểm vận hành ban đầu (x0, ρ0) , ta muốn tìm một vectơ thông số ρ*trên mặt S sao cho khoảng cách giữa ρ0 và ρ* , k=| ρ* - ρ0 |, là cực tiểu địa phương giữa ρ0 và S

Giả thiết S là một siêu phẳng trơn (smooth) gần ρ*, một pháp véctơ với siêu phẳng tải (x*, ρ*) cho bởi:

ρ* = ρ0 + kη (4-26) trong đó k là khoảng cách giữa điểm vận hành ban đầu (x0, ρ0) và điểm tới hạn

ổn định điện áp (x*, ρ*) , k = |ρ* - ρ0|

Đối với một điểm vận hành ban đầu (x0, ρ0) cho trước , ρ có thể được tăng theo nhiều hướng khác nhau Rỏ ràng giá trị k phụ thuộc hướng theo đó ρ được tăng theo Mục tiêu là tìm một hướng của vectơ thông số ρ sao cho k là nhỏ nhất

Quá trình sau đây xác định véctơ η* theo đó khoảng cách giữa điểm vận hành ban đầu (x0, ρ0) và điểm kỳ dị (x*, ρ*) là ngắn nhất:

(1) Gọi η0 là vectơ thăm dò ban đầu với | η0| = 1

(2) Làm nặng hệ thống bằng cách tăng ρ dọc theo hướng của ηi cho đến khi Jx trở nên kỳ dị và xác định khoảng cách ki, ρi và xi sao cho ρi = ρ0 + kiηi ở trên siêu phẳng S

(3) Đặt ρi+1 = wiJρ và |ηi+1| = 1 trong lần lặp thứ i

(4) Lặp lại các bước 1, 2, 3 cho đến khi ta tìm được hướng của η sao cho khoảng cách tử điểm vận hành ban đầu (x0, ρ0) và điểm tới hạn ổn định điện áp (x*, ρ*) là ngắn nhất

(5) Khi đó ρ* = ρ0 + k* η* là điều kiện cân bằng tương ứng

4.1.4 Các biện pháp tránh sụp đổ điện áp

4.1.4.1 Biện pháp thiết kế

a) Dùng các thiết bị bù công suất kháng

Các biên an toàn đủ ổn định được thiết lập được đảm bảo bằng cách chọn các phương thức bù thích hợp Việc chọn công suất và vị trí đặt thiết bị bù dựa trên cơ sở khảo sát chi tiết các tình trạng làm việc của hệ thống theo đó hệ thống được yêu cầu thỏa mãn trong vận hành

Các tiêu chuẩn dựa trên sụt áp cho phép khi sự cố thường không thỏa mãn theo quan điểm ổn định điện áp Một biên ổn định được xác lập trên cơ sở các khoảng cách

MW và MVAr đến ranh giới mất ổn định Điều quan trọng là nhận ra các vùng cần điều chỉnh điện áp và ranh giới của khu vực truyền tải yếu

b) Điều khiển điện áp trong mạng điện và công suất phát của máy phát

c) Phối hợp bảo vệ và điều khiển

Một trong những nguyên nhân của sụp đổ điện áp là thiếu sự phối hợp giữa các bảo vệ hay điều khiển thiết bị và các yêu cầu của hệ thống Sự phối hợp đầy đủ được dựa trên cơ sở các mô phỏng động

Cắt thiết bị điện để tránh quá tải có thể là biện pháp sau cùng Nếu có thể được, đưa ra các phương cách điều khiển đủ để giảm bớt quá tải trước khi cô lập thiết bị khỏi hệ thống

d) Điều khiển đầu phân áp máy biến áp

Đầu phân áp có thể được điều khiển cục bộ hay trung tâm nhằm giảm nguy cơ sụp đổ điện áp.Chiến lược điều khiển đầu phân áp được thực hiện dựa trên cơ sở hiểu biết về phụ tải và các đặc tính của hệ thống phân phối Ví dụ, giảm điện áp phân phối tại các trạm cung cấp chủ yếu cho phụ tải điện sinh hoạt để giảm bớt phụ tải ít nhất là tạm thời Tăng điện áp tại các phụ tải công nghiệp không ảng hưởng nhiều đến phụ tải cung cấp nhưng làm tăng công suất kháng cung cấp bởi các tụ bù đặt tại phụ tải

Trình tự tính toán như sau:

Từ pt công suất đầu nhận:

(4-27)

(4-28) Chuyển vế:

(4-29)

(4-30) Đặt:

2

2

3

) sin(

2

) cos(

Phương trình (4-29) và (4-30) được viết lại:

3 2

2

1

2

2 1

N

N

N Q

P

CC

A Q A P

Sau khi giải UN, từ phương trình (4-27) hoặc (4-28) tính được góc lệch pha δ điện áp giữa hai đầu đường dây Ứng với môt hệ số công suất của phụ tải đầu nhận, cho PN thay đổi và giải pt (4-31) để tìm nghiệm điện áp và vẽ nên đặc tính P-V Khi PNtăng đến một giới hạn thì pt (4-31) trở nên vô nghiêm và đường dây bị mất ổn định điện áp

2 ,

N

đm N C

đm

U

U Q

Phương trình công suất đầu nhận:

2 2 22 21 1 2 21 21 1

2

21

2

2 2 22 21 1 2 21 21 1

2

21

2

cos sin

sin cos

V B V

V B V

V

G

Q

V G V

V B V

) sin(

Với δ1 = -δ21 ứng với nghiệm lớn nếu điện áp phức đầu nhận được viết:

U

P V

)cos(

nhan nhan

U

Q V

J

J J Q

P

QV Q

Dựa trên các khảo sát nêu trên, cho ∆P = 0 trong pt ma trận có được:

V J

Ma trận J R là ma trận Jacobi V-Q thu gọn Phần tử thứ i trên đường chéo là độ nhạy V-Q thanh cái i Các độ nhạy V-Q được tính bằng cách giải pt (4-41)

Độ nhạy V-Q tại một nút biểu diễn cho độ dốc của đăc tính Q-V tại điểm vận hành Độ nhạy có giá trị dương chứng tỏ hệ thống ổn định , giá trị càng nhỏ thì hệ thống càng ổn định Độ ổn định càng giảm thì độ lớn của độ nhạy càng tăng và trở nên vô cùng lớn ở giới hạn ổn định

Ngược lại một độ nhạy có giá trị âm chỉ định tình trạng không ổn định

Đối với hệ thống 2 nút giá trị riêng λ(eigenvalue) của ma trân JR bằng với chính ma trận JR và độ nhạy V-Q bằng với nghịch đảo của giá trị riêng:

Đối với nghiệm Ulớn: dvdq1(k) = 1/JR Như vậy với λ > 0 , hệ thống ổn định điện áp và λ càng nhỏ ( >0) thì càng gần đến mất ổn định Nếu λ < 0 hệ thống không

Tương tư tính cho nghiệm nhỏ Unhỏ bao gồm Jacobi, JR, λ

Hệ thống ổn định điện áp khi tại giao điểm của độ dốc đặc tính Q-V của đầu nhận đường dây lớn hơn độ dốc của đặc tính Q-V của tụ điện Khi đó một lượng nhỏ tăng thêm của công suất tụ bù dẫn đến một lượng tăng tương ứng của điện áp đầu nhận

4.3 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH P-V, Q-V

Khảo sát đóng tụ bù và tích hợp tụ bù với hằng số mạch: A = 0.9175000; alpha

= 0.44200 độ; B = 0.398970 (ohm hay dvtd); beta = 85.100000 do (xem phụ lục 1)

Khảo sát đóng tụ bù và tích hợp tụ bù vào đường dây để có hằng số mạch A, B mới:

Công suất định mức tụ bù Qcdm = 300.00 MVAr

Công suất tác dụng đầu nhận: 13.0000 ( dvtd hay MW )

Công suất phản kháng đầu nhận Qn =0

Điện áp đầu phát V1 = 1.0000 (kV hay dvtd)

sẽ dẫn đến V2 giảm !!! Mặt khác giá trị riêng lamda = -18.6133 < 0 là một dấu hiệu của sự mất ổn định điện áp

Trường hợp dùng SVC, nếu công suất dung giới hạn là 300 MVAr thì khi bù vượt quá giới hạn này SVC làm việc như một tụ điện và sẽ làm mất ổn định điện áp, ngược lại nếu dung lượng giới hạn của SVC lớn hơn 300 MVAr thì hệ thống vẫn ổn định điện áp tại điểm làm việc A ứng với V2 = 1.0066 vì tại đây đặc tính của SVC gần như thẳng đứng

Đặc tính Q-V của SVC

Đặc tính Q-V của tụ điện Đặc tính Q-V của hệ thống