Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

TỪ VIẾT TẮT  ANN: Mạng nơron nhân tạo Artifical Neural Networks  AVR: Tự động điều chỉnh điện áp Automatic Voltage Regulator  CCT: Thời gian cắt tới hạn Critical Clearing Time  CO

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CẢM ƠN 4

LỜI CAM ĐOAN 5

TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

MỞ ĐẦU 11

M.1 Lý do chọn đề tài 11

M.2 Lịch sử nghiên cứu 11

M.3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 12

M.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 13

M.5 Phương pháp nghiên cứu 13

M.6 Nội dung luận văn 13

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 14

1.1 Khái niệm chung 14

1.2 Mô hình các phần tử trong hệ thống điện dùng đánh giá ổn định động 16

1.2.1 Cấu trúc chung mô hình hệ thống điện 16

1.2.2 Mô hình máy phát, hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống điều chỉnh tốc độ quay tuabin 17

1.2.3 Mô hình lưới điện, phụ tải và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải24 1.2.4 Mô hình tổng thể hệ thống điện 27

1.3 Các phương pháp tính toán ổn định động 27

1.3.1 Phương pháp tích phân số 28

1.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích 29

1.3.3 Phương pháp trực tiếp 34

1.4 Nghiên cứu ổn định động của hệ thống nhiều máy phát 36

Chương 2 – NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÌM THỜI GIAN CẮT TỚI HẠN VÀ ỨNG DỤNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO HTĐ MẪU 37

2.1 Một số phương pháp tính thời gian cắt tới hạn CCT 37

2.2 Đánh giá ổn định động dựa trên kết quả phân tích 40

2.3 Ứng dụng chương trình tính CCT đánh giá ổn định động cho HTĐ mẫu 43

2.3.1 Giới thiệu hệ thống điện IEEE 9 nút và 39 nút 43

2.3.2 Các bước thực hiện 44

2.3.3 Các chương trình sử dụng trong luận văn 45

2.3.4 Kết quả tính toán mô phỏng chi tiết 45

2.3.5 Đánh giá ảnh hưởng các thông số chế độ xác lập đến thời gian cắt tới hạn 57

2.4 Nhận xét 59

Chương 3 - ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN 60

3.1 Tổng quan về mạng nơron nhân tạo và mạng lan truyền thẳng MLP 60

3.1.1 Cấu trúc mạng MLP 61

3.1.2 Quá trình học của mạng MLP 63

3.2 Ứng dụng mạng nơron trong đánh giá ổn định động của HTĐ 66

3.3 Kết quả tính toán với lưới 3 máy 9 nút 68

3.3.1 Đầu vào Pg 69

3.3.2 Đầu vào Pg-Qg 70

3.3.3 Đầu vào U và θ 71

3.4 Kết quả tính toán với lưới 10 máy 39 nút 73

3.4.1 Đầu vào Pg 73

3.4.2 Đầu vào Pg và Qg 76

3.4.3 Đầu vào U và θ 79

KẾT LUẬN 83

PHỤ LỤC 1 84

PHỤ LỤC 2 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 103

LỜI CẢM ƠN

 Đầu tiên cho tôi gửi lời cám ơn đến toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn

Hệ thống điện – Đại học ách khoa Hà Nội đ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn thạc s này, đây là một cơ hội tốt để cho tôi được thực hành các k năng đ học trên giảng đường và c ng giúp tôi ngày càng tự tin vào bản thân mình hơn

 Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới TS Ngu n Đức Hu trong suốt

thời gian qua đ nhiệt tình chỉ dạy, giúp đ tôi hoàn thành tốt luận văn thạc s này

 Tôi c ng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới toàn thể bạn b , người thân, nh ng người đ luôn bên cạnh tôi, ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua

 Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn không tránh khỏi nh ng thiếu sót

Em kính mong các thầy cô chỉ bảo, đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nh ng vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là

nh ng nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoa học trong luận văn được sử dụng của các công trình khác đ nghiên cứu được chú thích đấy đủ, đúng quy định

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

TỪ VIẾT TẮT

 ANN: Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks)

 AVR: Tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator)

 CCT: Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)

 COA: Tâm góc (Center Of Angle)

 COI: Tâm quán tính Center Of Inertia)

 E C: Phương pháp cân bằng diện tích Equal Area Criterion)

 FACTS: Hệ thống truyền tải điện linh hoạt (Flexible Alternating Current

Transmission System)

 HVDC: Truyền tải điện cao áp một chiều (High Voltage Direct Current)

 HTĐ: Hệ thống điện

 MAPE: Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối (Mean Absolute Percent Error)

 PSS: Bộ ổn định hệ thống nguồn (Power System Stabilizer)

 SIME: Mô hình đẳng trị một máy phát (Single Machine Equivalent)

 SVC: Tụ bù tĩnh Static VAR Compensator)

 TĐK: Tự động điều chỉnh kích từ

 UPFC: Hệ thống điều chỉnh dòng công suất (Unified Power Flow Controller)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

ảng 2.1 – Thông số d liệu nút hệ thống điện IEEE 9 nút

ảng 2.2 – Thông số d liệu nút hệ thống điện IEEE 39 nút

ảng 2.3 – CCT khi các máy phát sự cố với lưới IEEE 9 nút

ảng 2.4 – CCT khi các máy phát sự cố với lưới IEEE 39 nút

ảng 2.5 – Khảo sát CCT máy phát 2 khi thay đổi thông số chế độ xác lập

ảng 3.1 – Thông số chi tiết số liệu huấn luyện cho mạng nơ ron

ảng 3.2 – Sai số huấn luyện khi máy 2 sự cố, lưới 3 máy 9 nút

ảng 3.3 – Sai số huấn luyện khi các máy sự cố, lưới 10 máy 39 nút

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 – Đánh giá ổn định động của hệ thống điện

Hình 1.2 – Dao động góc lệch tuyệt đối a), tương đối (b)

Hình 1.3 – Chuyển động rotor máy phát

Hình 1.4 – Mô hình máy phát đẳng trị trong hệ tọa độ vuông góc

Hình 1.5 – Mô hình hệ thống kích từ và TĐK

Hình 1.6 – Mô hình một máy phát nối với lưới vô cùng lớn

Hình 1.7 – Đồ thị công suất - góc

Hình 1.8 – Đồ thị công suất - góc

Hình 1.9 – Nguyên lý ổn định của quả bóng trượt không ma sát

Hình 2.1 – Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT

Hình 2.2 – Sơ đồ khối tính CCT

Hình 2.3 – Giải thuật phát hiện mất ổn định động

Hình 2.4 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố

Hình 2.5 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố

Hình 2.6 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố

Hình 2.7 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố

Hình 2.8 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố

Hình 2.9 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố

Hình 2.10 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 1 sự cố

Hình 2.11 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 1sự cố

Hình 2.12 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 1 sự cố

Hình 2.13 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố

Hình 2.14 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố

Hình 2.15 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố

Hình 2.16 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố

Hình 2.17 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố

Hình 2.18 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố

Hình 2.19 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố

Hình 2.20 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố

Hình 2.21 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố

Hình 2.22 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố

Hình 2.23 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố

Hình 2.24 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố

Hình 3.1 – Mô hình mạng MLP một lớp ẩn

Hình 3.2 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào Pg, lưới IEEE 9 nút

Hình 3.3 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào Pg, lưới IEEE 9 nút

Hình 3.4 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào Pg-Qg, lưới IEEE 9 nútHình 3.5 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào Pg-Qg, lưới IEEE 9 nút Hình 3.6 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào U-θ, lưới IEEE 9 nút Hình 3.7 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào U-θ, lưới IEEE 9 nút Hình 3.8 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.9 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.10 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.11 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.12 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.13 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút Hình 3.14 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.15 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.16 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.17 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.18 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.19 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút Hình 3.20 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút Hình 3.21 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút Hình 3.22 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút Hình 3.23 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút

Hình 3.24 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút Hình 3.25 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút

MỞ ĐẦU

M.1 Lý do chọn đề tài

Một trong nh ng mục tiêu của hệ thống điện là cung cấp điện liên tục và tin cậy tới khách hàng Độ tin cậy của hệ thống điện phụ thuộc vào khả năng chịu đựng các sự cố như ngắn mạch hoặc bị mất các phần tử quan trọng như đường dây, trạm biến áp dẫn đến thay đổi chế độ làm việc Các hệ thống điện hiện nay đ có nh ng bước phát triển nhảy vọt về công suất c ng như quy mô l nh thổ Tuy nhiên, chúng

c ng tương đối dễ bị sự cố Đơn cử như sự cố mất điện miền Nam Việt Nam diễn ra ngày 22 tháng 5 năm 2013 gây thiệt hại nặng về kinh tế với hơn 8 triệu khách hàng

bị ảnh hưởng là một minh chứng r nét Qua sự cố này cho ta thấy tầm quan trọng của việc phân tích ổn định và an toàn trong công tác vận hành hệ thống điện ên cạnh đó, để thị trường điện tiến dần đến một thị trường mở và cạnh tranh thì việc duy trì ổn định hệ thống điện có ý nghĩa rất quan trọng và phải được đặc biệt quan tâm Luận văn này tập trung nghiên cứu một khía cạnh cụ thể của ổn định hệ thống điện: ổn định quá độ góc lệch rotor và ứng dụng mạng nơron nhân tạo xấp xỉ hóa thời gian cắt tới hạn để đánh giá ổn định động của hệ thống

M.2 Lịch sử nghiên cứu

Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống điện đ có một lịch

sử phát triển hệ thống tương đối dài, có thể tính từ nh ng năm 20 của thế kỷ XX Năm 1928 nhà bác học M R.Park đề xuất cơ sở thiết lập hệ phương trình vi phân quá trình quá độ điện cơ của máy phát điên đồng bộ trong hệ tọa độ quay Gần như đồng thời với Park, các công trình công bố độc lập của A.A Goriev (Nga) trong

nh ng năm 1930 – 1935 về mô hình quá trình quá độ trong các máy điện quay đ làm phát triển lý thuyết nghiên cứu ổn định của hệ thống điện thêm một bước (sau này hệ phương trình được gọi tên là Park-Goriev) Mô hình quá trình quá độ của hệ thống điện trong hệ tọa độ quay đ làm đơn giản đáng kể hệ phương trình vi phân

mô tả trạng thái quá độ của hệ thống điện Dựa trên cơ sở đó các phương pháp toán

về ổn định hệ thống nói chung) đ được nghiên cứu áp dụng cho hệ thống điện [3] Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý nói chung của M Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc biệt là phương pháp dao động bé Nhà khoa học Gidanov đ có nh ng nghiên cứu khá sâu sắc phương pháp dao động bé đối với ổn định hệ thống điện đơn giản c ng như phức tạp Ông đ chứng minh được rằng sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của số hạng tự do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi phân quá trình quá độ có thể phát hiện được hầu hết các trường hợp mất ổn định hệ thống điện (còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ) [3]

Nhìn chung, các quá trình động học trong hệ thống điện là rất đa dạng và phức tạp Để phục vụ cho việc xây dựng mô hình nghiên cứu phù hợp, các quá trình ổn định cần được phân loại dựa trên thời gian, cơ chế gây mất ổn định, , từ đó đưa ra mô hình nghiên cứu phù hợp Cách phân loại hiện nay của Việt Nam [2] và thế giới [5] đ chia các quá trình ổn định thành: ổn định góc lệch, ổn định điện áp và

ổn định tần số Bài toán mô phỏng đánh giá ổn định góc lệch là chủ đề của luận văn này

M.3 Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu

 Đối tƣợng nghiên cứu: Các phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định

động hệ thống điện, phương pháp tính thời gian cắt tới hạn CCT Ứng dụng mạng nơron nhân tạo đánh giá ổn định động

 Phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu đánh giá mức độ ổn định của các

hệ thống điện mẫu là IEEE 9 nút và IEEE 39 nút

M.4 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài

Để đảm bảo sự vận hành liên tục và tin cậy của các hệ thống điện, việc đánh giá khả năng duy trì ổn định của hệ thống với các kích động lớn và nhỏ là rất cần thiết Việc đánh giá được mức độ ổn định của hệ thống điện cho phép người vận hành có nh ng điều chỉnh phù hợp trong quá trình vận hành c ng như quy hoạch nhằm nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện

M.5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng và đánh giá mức độ ổn định của các

hệ thống điện mẫu

M.6 Nội dung luận văn

Luận văn có bố cục gồm các chương sau:

 Mở đầu: Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài; lịch sử nghiên cứu; mục

đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa của đề tài

 Chương 1: Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu ổn định động

 Chương 2: Nghiên cứu phương pháp tìm thời gian cắt tới hạn CCT và ứng

dụng đánh giá ổn định động cho hệ thống điện mẫu

 Chương 3: Ứng dụng mạng nơron nhân tạo đánh giá ổn định quá độ hệ

thống điện

 Kết luận: Đánh giá tổng kết các vấn đề đ nghiên cứu và các kết quả thu

được

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Khái niệm chung

Ngoài nh ng kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn có nh ng kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng công suất, phá hoại tính ổn định hệ thống Nh ng kích động như thế phải kể đến các sự

cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, thao tác cắt máy biến áp cung cấp đang có phụ tải đưa ra sửa ch a… Do có sự thay đổi đột ngột các dòng công suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát c ng thay đổi đột ngột, thậm chí giảm xuống đến 0 (khi ngắn mạch 3 pha trên đường dây nối với máy phát hệ thống) Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá v , xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch rotor Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định phụ thuộc mức độ của các kích động Tính ổn định hệ thống trong

trường hợp này gọi là ổn định động [3] Như vậy, ổn định động của hệ thống là khả

năng của hệ thống duy trì chế độ quay đồng bộ các máy phát sau những kích động lớn Ổn định động của hệ thống điện phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau [3]:

- Phụ tải của hệ thống

- Công suất phát của các tổ máy trong thời gian tồn tại sự cố

- Thời gian giải trừ sự cố

- Điện kháng của hệ thống truyền tải sau sự cố

- Điện kháng của máy phát Điện kháng máy phát càng thấp thì công suất đỉnh càng tăng và góc lệch rotor ban đầu càng nhỏ

- Quán tính của tổ máy Quán tính càng lớn thì tốc độ thay đổi góc lệch rotor ban đầu càng nhỏ, động năng tạo ra trong thời gian gian tồn tại sự

cố càng nhỏ

- Sức điện động máy phát

Điều kiện để hệ thống có ổn định động là:

i) Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau

sự cố)

ii) Thông số biến thiên trong quá trình quá độ h u hạn và tắt dần về thông số chế độ xác lập mới

Như vậy sự tồn tại của chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần nhưng chưa

đủ cho tính ổn định động của hệ thống Chính điều kiện (ii) dẫn đến yêu cầu phải áp dụng các phương pháp phân tích ổn định động

Quá trình chuyển động các máy phát có đồng bộ hay không đồng bộ thường được thể hiện rõ trong vòng 2 – 3 giây, có khi chỉ trong vài chu kỳ đầu sau sự cố Thực tế cho thấy rằng thường nếu các máy phát mất đồng bộ từ chu kỳ đầu tiên của quá trình quá độ, thì xem như hệ thống đ mất ổn định

Hình 1.1 – Đánh giá ổn định động của hệ thống điện Đối với hệ thống điện đơn giản (máy phát nối với thanh cái điện áp không đổi) ổn định động được giải thích bằng khả năng cân bằng được động năng do kích động sinh ra với công hãm xuất hiện trong phản ứng hệ thống Khi đó góc lệch δ không vượt quá giá trị δmax, thường có trị số là 1800 Khi mất ổn định động, góc dao động bắt đầu quá trình tăng trưởng vô hạn thường ngay sau chu kỳ đầu [3]

Đối với HTĐ nhiều máy phát, dao động rotor của các máy phát được thể hiện bởi sự biến thiên góc lệch δi(t) theo thời gian so với trục quay đồng bộ máy phát (hình 1.2a) Tuy nhiên, để đánh giá ổn định động trong hệ thống nhiều máy phát,

cần phải xác định biến thiên góc lệch tương đối gi a các máy phát với nhau hoặc so với góc lệch trung bình của hệ thống (hình 1.2b) Dựa trên nguyên tắc, hệ thống ổn định khi tất cả các góc lệch tương đối dao động trong phạm vi h u hạn Đối với HTĐ phức tạp, nếu chỉ tính được góc lệch tương đối trong một khoảng thời gian xác định thì không thể kết luận được về tính h u hạn của phạm vi dao động góc lệch của cả quá trình quá độ

Hình 1.2 – Dao động góc lệch tuyệt đối a), tương đối (b) Quan sát thực tế cho thấy rằng HTĐ sẽ ổn định động nếu dao động các góc lệch h u hạn trong phạm vi khoảng 10 giây đầu Ngoài ra, tính ổn định còn được phán đoán theo cả xu hướng biến thiên dao động tắt dần hay dao động mạnh dần theo thời gian)

1.2 Mô hình các phần tử trong hệ thống điện dùng đánh giá ổn định động

1.2.1 Cấu trúc chung mô hình hệ thống điện

Để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện, việc xây dựng mô hình động theo cấu trúc hệ thống là rất cần thiết Cấu trúc chung của mô hình động hệ thống điện khi phân tích ổn định bao gồm các thành phần chính sau:

 Mô hình các máy phát điện:

- Phương trình chuyển động quay rotor máy phát

- Hệ phương trình quá trình quá độ điện từ trong các cuộn dây máy phát

 Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ

 Mô hình tuabin và thiết bị thiết bị tự động điều khiển tốc độ quay tuabin

 Mô hình lưới điện và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện linh hoạt (FACTS)

Trên cơ sở phân tích cấu trúc của các phần tử, quan hệ thông số với các phần

tử liên kết và diễn biến các quá trình bên trong của mỗi phần tử có thể thiết lập được

mô hình chung mô tả quá trình quá độ của cả hệ thống Tính đầy đủ và phù hợp của

mô hình có ảnh hưởng quyết định đến kết quả phân tích, đánh giá ổn định hệ thống

1.2.2 Mô hình máy phát, hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống điều chỉnh tốc độ quay tuabin

 Mô hình máy phát

 Phương trình chu ển động quay rotor máy phát

Chuyển động quay rotor máy phát điện đồng bộ trong trường hợp chung có thể viết như sau:

e m 2

2

TTdt

d

J    (1.1) Trong đó:

J : Mômen quán tính của tổ tuabin - máy phát

Tm : Mômen cơ của tuabin, N.m

Te : Mômen điện của máy phát, N.m

γ : Góc quay của rotor máy phát Góc quay γ là góc gi a trục gắn liền với rotor và một trục đứng yên (gắn với stator) Trong quá trình quá độ tính từ thời điểm t=0, γ t) là một hàm của thời gian

và tăng dần vì rotor quay theo một chiều Thông thường người ta quan tâm đến chuyển động tương đối của rotor so với một trục quay đồng bộ Trục quay đồng bộ

là trục quay với tốc độ không đổi ωs bằng tốc độ quay rotor ở chế độ định mức Nếu coi ở thời điểm t= 0 trục tính toán trên rotor và trục đồng bộ trùng nhau thì góc lệch tương đối được tính là:

t)t( s





 (1.2)

Từ (1.2), ta có:

dt

ddt





 (1.4) Phương trình 1.3) được viết lại như sau:

dt

ds r

2

dt

d

Với Pm, Pe tương ứng là công suất cơ, công suất điện [MW]

Đặt H là hằng số quán tính có trị số bằng động năng tương đối định mức của rotor khi quay với tốc độ đồng bộ

CB

2 s

S.2

.J

H 

Thay (1.7) vào (1.6), ta có:

e m 2

2 r 2 s

dt

d

S.H

 (1.8)

Ở chế độ xác lập, tốc độ góc của máy phát bằng tốc độ đồng bộ, do đó có thể thay ωs= ωr Khi đó ta có:

e m 2 2 s

dt

d

S.H

 (1.9) Nếu sử dụng hằng số quán tính TJ, xác định bởi công thức:

s

CB J

S.H.2T



Thì ta nhận được phương trình chuyển động trong hệ đơn vị có tên như sau:

e m 2

2

dt

d

T    (1.11) Nếu kể đến lực cản ma sát hoặc mômen cản điện từ tỉ lệ với tốc độ quay, cần phải thêm vào phương trình thành phần tỉ lệ với tốc độ biến thiên góc lệch δ

e m D

d

Hình 1.4 - Mô hình máy phát đẳng trị trong hệ tọa độ vuông góc

Các cuộn dây stator được quy đổi về rotor gồm hai cuộn dây vuông góc nhau quay cùng tốc độ với rotor Dòng điện trong mỗi cuộn dây tương ứng là id, iq Do không có chuyển động quay tương đối nên các hệ số tự cảm và hỗ cảm là hằng số

Hệ phương trình Park – Gorev mô tả quá trình quá độ trong các cuộn dây của máy phát đồng bộ như sau

Đối với các cuộn dây stator:

0 0

q a r d

q q

d a r q

d d

iR

dt

de

iR

dt

de

iR

dt

de

kd kd kd

d fd

fd fd

i.Rdt

d0

i.Rdt

d0

i.Rdt

de

Với:

Q Q

f fD d

D D

D D

D fD d

f f

f f

0 0

q q q

' q

D D f f d

' d

iM.2

3iL

iMiM.2

3iL

iMiM.2

3iL

i)

M.2L(

iMi)

L.2

3ML(

iMiMi)

L.2

3ML(

(1.15)

Trong đó:

+ Ψd, Ψq, Ψ0, Ψf, ΨD, id, iq, i0, if, iD, iQ là các từ thông móc vòng và dòng điện trong các cuộn dây stator, cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc trục và ngang trục

+ L, L’, M, M’ là các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các cuộn dây stator Các

hệ số có thể xem là hằng số nếu bỏ qua bão hòa từ

+ Lf là hệ số tự cảm cuộn dây kích từ

+ LD, LQ là các hệ số tự cảm của cuộn cản dọc trục và ngang trục

+ Mf, MD, MQ là các hệ số hỗ cảm của cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc trục và ngang trục của cuộn dây stator

+ MfD là hỗ cảm của cuộn dây kích từ và cuộn cản dọc trục

+ Rf, RD, RQ, Ra là điện trở các dây quấn trên rotor và dây quấn stator + ef’ là điện áp kích từ

+ ed, eq là thành phần điện áp dọc trục và ngang trục stator máy phát + e là điện áp đầu cực máy phát

Hệ phương trình quá trình quá độ trên mô tả chi tiết trạng thái điện từ của máy phát điện quay Quan hệ của các phương trình quá trình quá độ điện từ với hệ phương trình chuyển động tương đối rotor các máy phát được tính theo biểu thức:

q d d q

Phương trình chứa các đại lượng đầu cực các máy phát ed, eq, id, iq có quan hệ chặt chẽ với hệ phương trình lưới

Công suất điện đầu ra của stator được tính theo biểu thức sau:

)ie.2ieie.(

Trường hợp mô tả đơn giản nhất hệ thống kích từ và cuộn dây rotor của máy phát được mô tả như nh ng khâu tuyến tính cấp 1 Quán tính của cuộn dây rotor chính là hằng số thời gian Td’ của cuộn dây Hằng số quán tính của hệ thống kích từ phụ thuộc vào loại máy kích thích Phương trình vi phân tương ứng của các khâu trên có thể được viết như sau:

- Đối với cuộn dây rotor:

' q

' d q

qe E T p.E

E   (1.18)

' d q

q d ' q ' d q

' d d Q q

XX

XX.EXX

XX.EE

T.p1

Hình 1.5 – Mô hình hệ thống kích từ và TĐK Phức tạp và đa dạng hơn cả là hàm truyền của thiết bị TĐK Nói chung TĐK được cấu tạo bao gồm kênh điều chỉnh theo độ lệch điện áp (với hệ số khuếch đại âm) để gi điện áp cho đầu cực máy phát và một số kênh với hàm truyền tuyến tính được cấu tạo và chỉnh theo mục đích nâng cao ổn định Các kênh này tạo ra các tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với với tốc độ biến thiên của các thông số đo như trong các TĐK tác động mạnh của các nước thuộc Liên Xô c ) hay theo độ lệch tần số 𝛥ω và công suất 𝛥P (trong kênh PSS của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ AVR của các máy phát Âu – M )

 Mô hình tuabin và hệ thống điều khiển tốc độ quay tuabin

Công suất cơ của tổ máy Pm được truyền trực tiếp từ công suất dòng hơi hoặc dòng nước có áp lực đưa vào cửa điều chỉnh Tuy nhiên, do quán tính giãn nở hơi

c ng như quán tính chuyển động của dòng nước mà sự thay đổi công suất chậm sau

độ mở μ của cửa điều chỉnh Như vậy trong trường hợp đơn giản nhất tuabin c ng

có thể được mô tả như một khâu quán tính Với các cấu tạo khác nhau của tuabin, hàm truyền của khâu này cần được mô tả phức tạp hơn

Thiết bị điều tốc thường bao gồm các bộ phận chính là bộ biến đổi (tạo ra độ dịch chuyển 𝛥X theo độ lệch tốc độ quay 𝛥ω) và cơ cấu chấp hành đóng mở xupap điều chỉnh cửa hơi hoặc của nước) Hằng số thời gian quán tính của các cơ cấu trên

có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng điều chỉnh và quá trình quá độ Máy phát tuabin hơi và tuabin nước có mô hình và các hằng số quán tính tuabin và thiết bị điều tốc khác nhau nhiều nên cần phải lựa chọn k

1.2.3 Mô hình lưới điện, phụ tải và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải

 Mô hình lưới điện

Quá trình quá độ liên quan đến lưới truyền tải diễn ra rất nhanh, các quá trình này gần như chấm dứt chỉ sau một khoảng thời gian rất ngắn Vì vậy, trong khi xem xét quá trình quá độ điện từ có thể coi như lưới điện đi từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác Tần số cơ bản của hệ thống (50Hz hoặc 60Hz) có thể coi như các vi quá trình và chỉ biến đổi trong đường bao điều biên của dòng và áp mới cần xem xét đối với quá trình quá độ Trạng thái của lưới điện được mô tả dưới dạng hệ phương trình cân bằng công suất nút Giả thiết biết rõ tổng dẫn riêng và tổng dẫn tương hỗ các nút, ta có hệ phương trình trạng thái như sau:

Q)cos(

.U.Ucos

.y.U

P)sin(

.U.Usin

.y.U

i n

1 j

ij j i j

i ii

ii

2 i

i n

1

ii ii

2 i

(1.21)

2 q 2 d

q

d i

U

Uarctan



Trong đó:

Ui : modul của điện áp nút i

θi : góc pha của điện áp nút i

yii : tổng dẫn riêng của nút i

i q

i Qi q

2 Qi i

EI i

i q

i Qi i

Q)cos(

.X

U.EX

EQ

P)sin(

.X

U.EP

di qi

qi di ' qi '

di qi

' di di Qi qi

XX

XX.EXX

XX.EE

Phụ tải tĩnh được mô hình hóa như một phần của hệ phương trình tuyến tính

mô tả lưới điện Các phụ tải với tổng trở không đổi được thay thế bằng cách đưa vào ma trận điện dẫn nút Các phụ tải phi tuyến được mô hình hóa bằng các hàm m hoặc hàm đa thức của biên độ và tần số điện áp nút Kết quả cuối cùng là phụ tải phi

tuyến được đưa vào mô hình như một nguồn dòng tại điểm tương ứng trong phương trình lưới điện Giá trị của nguồn dòng đi vào lưới từ đất là:

* L

L L

L

V

jQPI

V

 : giá trị liên hợp của điện áp nút tải

PL : phần biến đổi theo hàm phi tuyến của tải tác dụng

QL : phần biến đổi theo hàm phi tuyến của tải phản kháng Phụ tải động được mô tả như các động cơ đồng bộ và xử lý tương tự các máy phát đồng bộ

Như vậy hệ phương trình mô tả lưới điện có thể viết dưới dạng:

Ảnh hưởng của các máy phát, phụ tải phi tuyến, phụ tải động và một số thiết

bị khác như các bộ biến đổi HVDC hoặc các bộ bù có điều khiển được phản ánh qua các điều kiện biên theo các quan hệ bổ sung gi a V và I tại nút tương ứng Khác với tính toán dòng công suất trong quá trình xác lập, điều khiển dòng công suất trong các đường dây truyền tải liên kết, giới hạn phát công suất phản kháng của máy phát c ng như nút cân bằng không cần xem xét trong tính toán ổn định động

 Mô hình thiết bị của FACTS trong tính toán quá trình quá độ

Các thiết bị của F CTS ngày càng được quan tâm và ứng dụng trong hệ thống điện hiện đại FACTS có hiệu quả tổng hợp nhiều mặt, đặc biệt với chế độ quá độ Đó là vì các thiết bị này được cấu tạo và hoạt động trên cơ sở tá động điều khiển nhanh bằng thyristor công suất lớn Các phần tử của FACTS có thể được ứng

dụng tổ hợp với nhau hoặc cho từng mục đích riêng lẻ Trong mục đích nâng cao ổn định động các thiết bị thường được áp dụng là TCSV, SVC, UPFC, các máy biến áp điều chỉnh pha bằng thyristor Các thiết bị này có ảnh hưởng mạnh đến diễn biến quá trình quá độ điện cơ sau các kích động lớn

1.2.4 Mô hình tổng thể hệ thống điện

Mô hình tổng thể hệ thống điện dùng cho phân tích ổn định động có thể biểu diễn dưới dạng một tập các phương trình vi phân bậc nhất

)V,x(

- Phương pháp tích phân số: Giải hệ phương trình của mô hình hệ thống

điện

- Phương pháp diện tích: So sánh các trị số của công gia tốc và h m tốc tỉ lệ

với các diện tích giới hạn bởi các đường cong đặc tính công suất còn gọi là các diện tích gia tốc và diện tích h m tốc)

- Phương pháp trực tiếp (phương pháp thứ 2 của L apunov): Nghiên cứu

ổn định thông qua việc thiết lập một hàm mới dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi

phân quá trình quá độ kích động là độ lệch ban đầu so với điểm cân bằng)

1.3.1 Phương pháp tích phân số

Phương pháp tích phân số phân tích ổn định động dựa trên việc giải hệ phương trình vi phân - đại số của mô hình hệ thống điện Phương pháp này được áp dụng phổ biến để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện

 Ưu điểm của phương pháp tích phân số

- Xem xét được hầu hết các mô hình và kịch bản ổn định của hệ thống điện

- Cung cấp được thông tin cơ bản về các thông số hệ thống thay đổi theo thời gian đường cong chuyển động máy phát, góc rotor, vận tốc rotor, công suất…)

- Có thể đạt sai số yêu cầu nếu mô hình hệ thống điện được thiết kế đủ tốt

và các thông số hệ thống cho với độ chính xác cần thiết

 Nhược điểm của phương pháp tích phân số

- Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, có thể làm mất hiệu quả ứng dụng trong các bài toán điều khiển nhanh

- Độ chính xác thấp khi tính quá trình quá độ trong thời gian dài

- Không thể lọc trực tiếp để loại các biến cố không nguy hiểm và không đáng quan tâm

- Không tính được độ dự tr ổn định

- Không tạo cơ sở r ràng cho điều khiển ổn định hệ thống điện

 Nội dung phương pháp tích phân số

Hiện nay có nhiều phương pháp tích phân số tính toán được hệ phương trình quá trình quá độ hệ thống điện như các phương pháp một bước Euler, Euler – Cauchy, Runge – Kutta hay các phương pháp nhiều bước Adam – Stermer, Milne Trong đó phương pháp một bước Euler và Runge – Kutta được sử dụng phổ biến,

có thể cho ta xác định điểm tiếp theo của quá trình quá độ khi biết được thông số của một điểm trước đó Ngoài ra còn có phương pháp nhiều bước xác định điểm tiếp theo của quá trình quá độ

Để xác định miền ổn định một thông số chế độ nào đó, tích phân số nhiều lần

hệ phương trình với các giá trị khác nhau của thông số này Như vậy đối với hệ thống có cấu trúc phức tạp có hàng loạt thông số biến động việc xác định miền ổn định động trong không gian các thông số chế độ là rất khó khăn Trong khi đó, nếu không xác định trước miền ổn định thì mỗi lần có kích động lớn, cần phải tích phân lại phương trình vi phân theo các thông số cụ thể để phán đoán ổn định, thời gian tính toán kéo dài không đáp ứng yêu cầu tác động nhanh của hệ thống điện

1.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích

Phương pháp cân bằng diện tích là phương pháp được sử dụng rộng rãi, nhằm xác định xem hệ thống có ổn định hay không sau khi chịu các kích động Ví dụ xét

hệ thống gồm một máy phát nối với thanh cái có công suất vô cùng lớn như hình 1.6

Trong hình 1.6, máy phát cấp điện cho thanh cái vô cùng lớn thông qua hai đường dây truyền tải chạy song song, bỏ qua điện trở đường dây Công suất ra của máy phát bằng với công suất phân phối tại thanh cái vô cùng lớn

Hình 1.6 – Mô hình một máy phát nối với lưới vô cùng lớn

Giả sử hệ thống này phải chịu sự cố ngắn mạch 3 pha tại gi a đường dây truyền tải 1 Trong thời gian sự cố, một lượng công suất được truyền từ máy phát tới thanh cái vô cùng lớn giảm xuống Sự cố này được loại trừ bằng cách ngắt đường dây số 1, công suất truyền tải được tăng lên so với công suất truyền tải trong thời gian sự cố tuy nhiên vẫn ít hơn so với công suất truyền tải trước khi sự cố Đồ thị công suất – góc cho các giai đoạn trước sự cố, trong khi sự cố và sau sự cố được đưa ra trong hình 1.7

an đầu, công suất gia tốc bằng không, công suất điện đầu ra bằng với công suất cơ đầu vào Điểm hoạt động ban đầu được chỉ định bởi góc rotor 1 như hình 1.7 Khi sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra ở gi a đường dây truyền tải số 1, công suất

ra của máy phát giảm xuống Tuy nhiên, công suất cơ đầu vào không đổi và máy phát sẽ tăng tốc cho đến điểm sự cố bị loại trừ 2 Tại thời điểm này, rotor đ tích

l y một năng lượng tăng tốc 1) Sau khi sự cố bị loại bỏ, công suất điện đầu ra vượt quá công suất cơ đầu vào và máy phát bắt đầu bị h m tốc Khi máy phát bị

h m tốc, góc rotor máy phát vẫn tăng cho đến góc 3 Góc rotor chỉ giảm khi năng lượng h m tốc 2) bằng với năng lượng tăng tốc 1) Trong trường hợp này, hệ thống sẽ trở lại hoạt động ổn định nếu góc lệch 3 không vượt quá giới hạn giá trị góc lớn nhất max Nếu vượt qua giới hạn này, tốc độ rotor sẽ tăng và hệ thống sẽ trở nên mất ổn định

Diện tích 1 và 2 được tính như sau:

d)PP(

d)PP(

Hình 1.7 - Đồ thị công suất - góc

Theo lý thuyết cân bằng diện tích (EAC), độ dự tr ổn định là lượng thừa của diện tích vùng h m tốc lớn nhất có thể so với diện tích vùng tăng tốc trong đồ thị công suất – góc Trong hình 1.7, diện tích vùng h m tốc lớn nhất là tổng của 2 và

A3 Hệ số ổn định có thể được xác định bằng:

1 3

2 A ) AA

Nếu > 0, hệ thống là ổn định

Nếu < 0, hệ thống là mất ổn định

Nếu = 0, hệ thống ổn định tới hạn

Một ứng dụng khác của E C là tính thời gian lớn nhất phải xóa bỏ sự cố để

hệ thống vẫn gi được ổn định Xét hệ thống một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn trong hình 1.6 và giả thiết sự cố ở đầu phía máy phát và được loại trừ bằng cách cắt đường dây số 1 Như đ nói ở trên, nếu góc rotor chuyển động quá max, hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Tồn tại một góc tới hạn lớn nhất) để loại trừ sự cố mà vẫn duy trì ổn định hệ thống, góc này được gọi là góc tới hạn cr, được thể hiện trong hình 1.8 Thời gian tới hạn tương ứng cho việc loại bỏ sự cố được gọi là thời gian cắt tới hạn, tcr (hay còn gọi là CCT – Critical Clearing Time) Do đó, thời gian

cắt tới hạn là khoảng thời gian lớn nhất từ lúc bắt đầu sự cố đến lúc sự cố bị loại trừ

mà dẫn đến hệ thống điện vẫn ổn định động

Hình 1.8 - Đồ thị công suất - góc Trong trường hợp cụ thể của hình 1.8, cả góc cắt tới hạn và thời gian cắt tới hạn có thể được tính như sau

max 2

0 max 1 max m 1 2

1

P

P.rr

1

Trong đó:

1 max

2 max 1

P

P

1 max

3 max 2

bằng không Pmax2=0), tương ứng với trường hợp ngắn mạch ba pha, công thức tính góc tới hạn được đơn giản hóa thành:

max 3 max

m 1

Pdt

d.H.2

d

m t

0

s m

P.)t

H4

P

0 cr cr

P

).(

H.4t

sử dụng

1.3.3 Phương pháp trực tiếp

Phương pháp trực tiếp là phương pháp đánh giá ổn định hệ thống thông qua việc thiết lập một hàm mới (hàm V) dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi phân quá trình quá độ kích động là độ lệch ban đầu so với điểm cân bằng) Hàm V(x1, x2, …,

xn) chứa các biến là thông số trạng thái hệ thống (biến thiên theo thời gian) và cần đảm bảo có nh ng tính chất nhất định Nhờ các tính chất của hàm V có thể phán đoán được tính ổn định của hệ thống Cụ thể như sau:

- Hệ thống ổn định nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian dV/dt là một hàm không đổi dấu, ngược dấu với hàm V hoặc là một hàm đồng nhất bằng 0 trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống Định lý I)

- Hệ thống có ổn định tiệm cận nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần dV/dt c ng có dấu xác định nhưng ngược với dấu hàm V trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống Định lý II)

Nguyên lý của phương pháp Lyapunov có thể giải thích thông qua ví dụ về quả bóng trượt không ma sát bên trong chiếc bát như sau:

Hình 1.9 - Nguyên lý ổn định của quả bóng trượt không ma sát

Trên hình 1.9, nếu không có tác động nào thì quả bóng sẽ nằm yên ở vị trí 1 điểm cân bằng ổn định hay cân bằng bền) Khi đẩy quả bóng trong chiếc bát, nghĩa

là nạp vào hệ thống một năng lượng bổ sung Giả sử quả bóng có vận tốc ban đầu là

v0 và khối lượng là m, thì tổng năng lượng của quả bóng là m.v20

21

Nếu quả bóng nằm ở độ cao h với vận tốc v thì tổng năng lượng V của quả bóng bao gồm cả động năng và thế năng:

h.g.mv.m.2

1

Nếu có ma sát qu quả bóng và chiếc bát thì năng lượng của quả bóng sẽ giảm

do ma sát Giả sử chiều cao của chiếc bát là H, khi bóng đạt đến rìa bát điểm 2), vận tốc của nó sẽ bằng 0 Quả bóng khi đó sẽ đạt điểm cân bằng không ổn định, thế năng tương ứng là VP Thế năng này là năng lượng tới hạn của hệ thống Vcr

Nếu bỏ qua ma sát, tổng năng lượng của quả bóng sau tác động sẽ lớn hơn năng lượng tới hạn, quả bóng sẽ lăn ra khỏi bát và hệ thống sẽ mất ổn định Nếu tổng năng lượng của quả bóng sau tác động bằng năng lượng tới hạn, quả bóng sẽ dừng ở điểm cân bằng không ổn định điểm 2), và hệ thống khi đó ổn định tới hạn Nếu tổng năng lượng của quả bóng sau tác động nhỏ hơn năng lượng tới hạn, quả bóng sẽ không bao giờ đạt tới điểm cân bằng không ổn định và nếu xét cả ma sát năng lượng của hệ thống sẽ giảm khi quả bóng lăn qua lại trong bát cho đến một lúc nào đó nó sẽ trở lại điểm cân bằng ổn định điểm 1), và hệ thống là ổn định

Thủ tục áp dụng lý thuyết ổn định Lyapunov cho hệ thống điện:

- Xác định hàm Lyapunov cho hệ thống sau sự cố

- Tính giá trị tới hạn Vcr của hàm Lyapunov tương ứng với sự cố xem xét

- Tính năng lượng quá độ V(t) tại thời điểm cuối nhiễu loạn, nếu tại thời điểm t ta có V(t)= Vcr thì hệ thống ở trạng thái tới hạn; đối với sự cố thời điểm này gọi là thời gian cắt tới hạn (CCT)

Cho thời gian giải trừ sự cố là tcl, năng lượng quá độ tương ứng sẽ là Vcl Nếu:

- Vcl > Vcr thì hệ thống mất ổn định

- Vcl < Vcr thì hệ thống ổn định

- Vcl = Vcr thì trạng thái ở trạng thái tới hạn

1.4 Nghiên cứu ổn định động của hệ thống nhiều má phát

Nghiên cứu ổn định động là việc phân tích trạng thái vận hành của máy phát trong hệ thống điện khi xảy ra sự cố Các phương trình đại số thể hiện công suất truyền của máy phát đồng bộ được kết hợp với các phương trình vi phân để mô tả trạng thái vận hành động của máy phát đồng bộ Nh ng phương trình này được giải bằng cách sử dụng tích phân số để xác định chuyển động góc của rotor swing curve) cho mỗi máy phát Đường cong dao động của mỗi máy phát sẽ được kiểm tra

để xác định liệu hệ thống có gi được ổn định quá độ trong trường hợp xảy ra sự cố hay không

Các chương trình đánh giá ổn định được sử dụng để nghiên cứu ổn định động đặc biệt rất cần thiết trong hệ thống lớn và chương trình Matlab là một trong số đó Các chương trình này tự động giải các phương trình vi phân và đại số của mỗi máy phát trong hệ thống điện Các nghiên cứu ổn định động được thực hiện để kiểm tra

hệ thống điện khi phải chịu các dạng sự cố khác nhau Mục đích của các nghiên cứu này là xác định giới hạn độ tin cậy của cấu hình với các điều kiện vận hành đ cho Các kết quả thu được từ việc chạy chương trình ổn định chỉ có giá trị cho trường hợp cụ thể đ phân tích ất kì thay đổi nào về d liệu về điều kiện vận hành ban đầu hoặc trong kịch bản quá độ thì đều cần phải chạy lại chương trình Đối với giới hạn ổn định động của hệ thống, các kịch bản khảo sát ổn định động phải được thực hiện để xác định giới hạn ổn định

Chương 2 sẽ trình bày phương pháp sử dụng phần mềm Matlab tìm thời gian cắt tới hạn CCT để đánh giá sự ổn định của hệ thống điện nhằm khắc phục nh ng nhược điểm của phương pháp E C truyền thống

Chương 2 – NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÌM THỜI GIAN CẮT TỚI HẠN VÀ ỨNG DỤNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO HTĐ MẪU

2.1 Một số phương pháp tính thời gian cắt tới hạn CCT

 Tìm CCT dựa trên hệ số dự trữ

Dựa trên phương pháp cân bằng diện tích đ trình bày ở mục 1.3.2, có thể thấy rằng vận tốc của máy phát đẳng trị tại thời điểm qu đạo P- giao cắt Pm có thể coi như một đại lượng biểu diễn độ dự tr ổn định Theo phương pháp cân bằng diện tích cải biên SIME [4], tại thời điểm qu đạo P- giao cắt Pm cho biết mức độ mất ổn định của hệ thống Để hệ thống đạt ổn định, ta cần có (tối thiểu) tại vị trí giao cắt này Do vậy phương pháp SIME đề xuất sử dụng như độ

dự tr ổn định1 Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT được thể hiện trong hình 2.1 dưới đây

Hình 2.1 - Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT

Từ sơ đồ hình 2.1, thuật toán tìm CCT như sau:

(i) Đặt k= 0 và chọn thời gian giải trừ sự cố là te k) đủ lớn để sao cho hệ

thống mất ổn định Chạy chương trình mô phỏng, xác định hệ số dự phòng tương ứng (k)< 0 Đặt k= k+1 và te(k) = te(k-1) - *te(k-1) 

có thể lấy các giá trị khác nhau phụ thuộc vào te, ví dụ nếu te nằm trong khoảng 50 đến 200 ms thì có thể chọn =10%, te> 200 ms thì có thể chọn = 20%

(ii) Chạy chương trình mô phỏng quá trình quá độ với thời gian giải trừ sự

cố là te k) Nếu (k)> 0, đặt kst= k Nếu (k)< 0, đặt ku= k

(iii)

 Nếu (k)< 0 có thể ngoại suy hệ số dự tr của 2 mô phỏng mất ổn định cuối để được CCT(k)

 Nếu (k)> 0 có thể nội suy hệ số dự tr của mô phỏng mất ổn định cuối

và mô phỏng ổn định cuối để được CCT(k)

Phương pháp tìm CCT dựa trên hệ số dự tr ổn định có ưu điểm là độ hội tụ cao giúp nhanh chóng tìm được CCT Nhưng phương pháp này có nhược điểm là phải tính hệ số dự tr ổn định tương đối phức tạp và có hạn chế đối với chương trình mô phỏng sử dụng bước tính cố định

 Tìm CCT bằng phương pháp chia đôi

Phương pháp tìm CCT bằng việc dựa trên giới hạn ổn định theo đề xuất của [3] có thể cho phép xác định CCT với số bước lặp tương đối ít Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là tại mỗi bước tính, cần phải xác định các thông số của

hệ thống điện đẳng trị Nếu áp dụng phương pháp SIME, cần phải phân nhóm các máy phát thành hai nhóm: đồng bộ và mất đồng bộ Vì vậy trong luận văn này sử dụng một phương pháp đơn giản hơn, được thực hiện như sau:

(i) Chọn thời gian giải trừ sự cố tu đủ lớn để hệ thống mất định, chọn thời

gian giải trừ sự cố đủ nhỏ tst để hệ thống ổn định

(ii) Đặt te= (tu+tst)/2 Dùng mô phỏng để xác định tính ổn định của hệ

thống với thời gian giải trừ sự cố là te (iii)

Chương trình Matlab tính thời gian cắt tới hạn CCT như mô tả ở trên được xây dựng theo sơ đồ khối như hình vẽ sau:





 ( k  1 ) ) k

t

Đánh giá ổn định

Đúng Sai

) k ( ) 1 k ( ) k (

t t

) k ( ) 1 k ( ) k (

t t

2

t t

) 1 k ( ) k (

2.2 Đánh giá ổn định động dựa trên kết quả phân tích

Giả sử hệ thống điện có NG máy phát Sử dụng tâm quán tính COI để tham chiếu, phương trình động học của máy phát thứ i có dạng:

T

COI i ei mi i i

M

P.MPP