Nghiên cứu phương pháp tăng độ ổn định của hệ thống điện đơn giản bằng cách sa thải phụ tả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- Đinh Quốc Nam NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG ĐỘ ỔN ĐINH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN BẰNG CÁCH SA THẢI PHỤ TẢI... Trường Đại Học Bá

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Đinh Quốc Nam

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TĂNG ĐỘ ỔN ĐINH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN BẰNG CÁCH SA THẢI PHỤ TẢI

Trang 2

Phụ lục1: Kết quả tính toán trào lưu công suất trong trường hợp 1

PTI INTERACTIVE POWER SYSTEM SIMULATOR PSS/E TUE, JAN 17 2012 20:51

HE THONG DIEN RATING

ON DINH HTD SET A

BUS 2 LOAD 1 500.00 CKT MW MVAR MVA %I 0.9851PU 9.29 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 2

492.54KV MW MVAR 1 1

TO LOAD-PQ 1140.0 550.0 1265.7 TO 3 LOAD 2 500.00 1 348.1 3.5 348.1 39 3.57 50.03 1 1

TO 3 LOAD 2 500.00 2 348.1 3.5 348.1 39 3.57 50.03 1 1

TO 11 N1 220.00 1 -260.4 -162.3 306.9 52 1.0000LK 0.58 17.66 1 1

TO 12 N2 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

TO 13 N3 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

TO 14 N4 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

TO 15 N5 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

TO 16 N6 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

TO 17 N7 220.00 1 -262.6 -65.8 270.7 46 1.0000LK 0.45 13.75 1 1

BUS 3 LOAD 2 500.00 CKT MW MVAR MVA %I 0.9652PU 1.11 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 3

482.59KV MW MVAR 1 1

TO LOAD-PQ 1800.0 900.0 2012.5 TO 2 LOAD 1 500.00 1 -344.5 -44.2 347.4 40 3.57 50.03 1 1

TO 2 LOAD 1 500.00 2 -344.5 -44.2 347.4 40 3.57 50.03 1 1

TO 41 T1 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 42 T2 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 43 T3 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 44 T4 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 45 T5 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 46 T6 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

TO 47 T7 220.00 1 -158.7 -116.0 196.6 51 1.0000UN 0.30 11.28 1 1

BUS 11 N1 220.00 CKT MW MVAR MVA %I 1.0178PU 11.94 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 11

FROM GENERATION 261.0 180.0L 317.1 67 223.91KV MW MVAR 1 1

TO 2 LOAD 1 500.00 1 261.0 180.0 317.1 52 1.0000UN 0.58 17.66 1 1

TO 2 LOAD 1 500.00 1 263.1 79.5 274.8 46 1.0000UN 0.45 13.75 1 1

-

PTI INTERACTIVE POWER SYSTEM SIMULATOR PSS/E TUE, JAN 17 2012 20:51 HE THONG DIEN RATING ON DINH HTD SET A BUS 13 N3 220.00 CKT MW MVAR MVA %I 1.0000PU 12.05 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 13

TO 2 LOAD 1 500.00 1 263.1 79.5 274.8 46 1.0000UN 0.45 13.75 1 1

BUS 41 T1 220.00 CKT MW MVAR MVA %I 1.0000PU 3.62 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 41

FROM GENERATION 159.0 127.2R 203.6 72 220.00KV MW MVAR 1 1

TO 3 LOAD 2 500.00 1 159.0 127.2 203.6 51 1.0000LK 0.30 11.28 1 1

BUS 42 T2 220.00 CKT MW MVAR MVA %I 1.0000PU 3.62 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 42

FROM GENERATION 159.0 127.2R 203.6 72 220.00KV MW MVAR 1 1

TO 3 LOAD 2 500.00 1 159.0 127.2 203.6 51 1.0000LK 0.30 11.28 1 1

Trang 3

BUS 44 T4 220.00 CKT MW MVAR MVA %I 1.0000PU 3.62 X - LOSSES -X X AREA -X X ZONE -X 44 FROM GENERATION 159.0 127.2R 203.6 72 220.00KV MW MVAR 1 1

PTI INTERACTIVE POWER SYSTEM SIMULATOR PSS/E TUE, JAN 17 2012 20:51

HE THONG DIEN RATING

Trang 4

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện đào tạo sau đại học

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1 Thông số máy phát 74

Bảng 4.2 Thông số máy biến áp 75

Bảng 4.3 Thông số đường dây 75

Bảng 4.4 Thông số tải: 75

Bảng 4.5 Kết quả tính toán tại nút 2 76

Bảng 4.7 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 1 77

Bảng 4.9 Dữ liệu máy phát thủy điện 78

Bảng 4.10 Tự động kích từ máy phát thủy điện 78

Bảng 4.11 Điều tốc máy phát thủy điện 78

Bảng 4.12 Thông số máy phát tuabin hơi 78

Bảng 4.13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện 79

Bảng 4.14 Điều tốc máy phát nhiệt điện 79

Bảng 4.15 Thông số máy phát 89

Bảng 4.16 Thông số máy biến áp 89

Trang 6

Bảng 4.18 Thông số tải 90

Trang 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 13

Hình 1.2 15

Hình 1.3 18

Hình 1.5 19

Hình 1.7 20

Hình 1.8 22

Hình 1.9 26

Hình 1.10 27

Hình 1.11 29

Hình 2.1 30

Hình 2.2 31

Hình 2.3 33

Hình 2.4 35

Hình 2.5 36

Hình 2.6 38

Hình 2.7 Sơ đồ thay thế hệ thống 39

Hình 2.8 Đường đặc tính công suất –góc khi hệ thống làm việc bình thường 42

Hình 2.9 Đường đặc tính công suất cơ 42

Hình 2.10 Đường đặc tính công suất khi ngắn mạch 44

Hình 2.11: Đường đặc tính công suất góc khi cắt một lộ đường dây PE2 45

Trang 8

Hình2.13 Đặc tính công suất góc của hệ thống khi chưa sa thải phụ tải 47

Hình 2.14 Đường đặc tính công suất góc của hệ thống sau khi áp dụng phương pháp sa thải phụ tải 48

Hình 3.1: đường đặc tính δ và s trong trường hợp 51

Hình 3.2: Ranh giới quỹ đạo ổn định của hệ thống 52

Hình 3.3: Bán kính xác định ranh giới ổn định của hệ thống 53

Hình 3.4: quan hệ giữa đường đặc tính công suất góc và tốc độ trượt của hệ thống 53

Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán sa tải phụ tải theo tốc độ chuyển động tương đối của hệ thống 55

Hình 3.6: Chọn thời điểm sa thải phụ tải theo tần số 58

Hình 3.7: Sơ đồ thuật toán chọn thời điểm sa thải phụ tải theo tần số 59

Hình 3.8: Sơ đồ thuật toán chọn thời điểm sa thải phụ tải theo góc lệch 62

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điện 74

Hình 4.2:Đường đặc tính góc của 2 nhà máy trong quá trình ngắn mạch trên một lộ đường dây 80

Hình 4.3: Đường đặc tính góc lệch của 2 máy phát khi cắt lộ đường dây bị sự cố ra khỏi lưới 81

Hình 4.4: Đường đặc tính công suất tác dụng của 2 lộ đường dây 82

Hình 4.5: Tần số của hệ thống trong quá trình dao động 83

Hình 4.6: Góc lệch 2 máy phát khi cắt và sa tải tại thời điểmi 0 12 =90 δ 84

Hình 4.7: Tần số của 2 hệ thống điện con 85

Hình 4.8: Công suất tác dụng sau khi cắt ngắn mạch và sa thải phụ tải 86

Hình 4.9: Điện áp tại nút số 2 và nút số 3 87

Trang 9

Hình 4.11 : Đặc tính góc lệch của 2 tổ máy phát sau khi cắt lộ đường dây bị sự cố 93

Hình 4.12: Công suất truyền tải trên đường dây giữa 2 nhà máy 94

Hình 4.13: Công suất cơ của 2 tổ máy phát 95

Hình 4.14 : Điện áp tại 2 hệ thống điện con 96

Hình 4.15: Góc lệch giữa 2 máy phát sau khi sa thải phụ tải tại thời điểm 0 12 =90 δ 97 Hình 4.16: Công suất truyền tải trên đường dây giữa 2 nhà máy 98

Hình 4.17: Điện áp tại nút 2 và nút 3 99

Hình 4.18: Tần số tại 2 nút 2 và nút 3 100

Hình 4.19: Thời điểm sa tải lần 2 ứng với 0 12 =120 δ 101

Hình 4.20 : Góc lệch giữa 2 nhà máy sau khi sa tải lần 2 102

Hình 4.21 : Công suất truyền tải trên đường dây giữa 2 nhà máy 103

Hình 4.22 : Điện áp tại 2 hệ thống điện con sau khi sa tải 104

Hình 4.23: Tần số tại 2 nhà máy điện con sau khi sa tải lần 2 105

Trang 10

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I 12

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 12

1.1 Chế độ của hệ thống điện: 12

1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ 16

1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ 17

1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh 17

1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua 18

1.3.3 Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp 19

1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện 21

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động 23

1.4.1 Phương pháp tích phân số 24

1.4.2 Phương pháp diện tích 26

Kết luận: 29

CHƯƠNG 2: 30

CƠ SỞ LÝ THUYẾT SA TẢI ĐỂ TĂNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 30

2.1 Cơ sở lý thuyết sa tải để tăng ổn định động của hệ thống điện đơn giản 30

Trang 11

2.1.1 Các giả thiết: 30

2.1.2 Mối liên hệ giữa biến thiên phụ tải với sự thay đổi của đường đặc tính công suất-góc 30

2.2 Cơ sở lý thuyết sa tải để tăng ổn định động của hệ thống điện gồm 2 máy phát 32

2.2.1 Phân tích ổn định tĩnh của hệ thống điện 2 máy phát bằng phương pháp dao động bé 32

2.2.2 Cơ sở lý thuyết biến đổi phương trình chuyển động của roto trong hệ thống điện 2 máy phát về dạng tương tự như HTĐ đơn giản 36

2.2.3 Chứng minh giả thuyết sa tải sẽ tăng ổn định động của HTĐ 2 máy phát 38

2.2.3.1.Thông số tính toán ví dụ của HTĐ 2 máy phát 38

2.2.3.3 Đường đặc tính công suất cơ PT 42

2.2.3.4 Đường đặc tính công suất trong thời gian ngắn mạch 43

2.2.3.5.Đường đặc tính công suất góc khi cắt lộ đường dây sự cố ra khỏi lưới 44

2.2.3.6 Đường đặc tính công suất góc khi sa thải phụ tải đồng thời với cắt lộ đường dây sự cố 45

2.2.3.7 Phân tích ổn định động của HTĐ phức tạp bằng phương pháp diện tích 46

2.3.Kết luận 49

CHƯƠNG III: 50

LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THỜI ĐIỂM SA TẢI VÀ THUẬT TOÁN 50

3.1 Chọn thời điểm sa tải theo tốc độ chuyển động tương đối và góc lệch tương đối của hệ thống 50

Trang 12

3.1.2 Thuật toán 54

3.1.3 Kết luận 56

3.2 Sa thải phụ tải theo tốc độ biến thiên tần số của 2 hệ thống 57

3.2.1 Cơ sở lý thuyết 57

3.3 Sa thải phụ tải theo góc lệch: 61

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 61

3.4 Kết luận 64

CHƯƠNG IV: 66

ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSSE ĐỂ MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN 66

4.1.Giới thiệu về phần mềm PSS /E 66

4.1.1 Mô phỏng các phần tử chính của hệ thống điện trong PSS /E 66

4.1.1.1 Nút phụ tải 67

4.1.1.2 Nút máy phát 67

4.1.1.3 Nhánh 69

4.1.1.4 Máy biến áp 2 cuộn dây 70

4.1.2 Các bước tính toán mô phỏng HTĐ sử dụng chương trình PSS/E 71

Trang 13

4.1.2.2 Quá trình quá độ 72

4.1.2.3 Hiển thị kết quả 72

4.1.3 Kết luận: 73

4.2 Tính toán mô phỏng trường hợp 1 73

4.2.1.Thông số sơ đồ của trường hợp 1 73

4.2.2.Tính toán chế độ xác lập 76

4.2.3 Tính toán quá trình quá độ 78

4.2.3.1 Mô hình và số liệu tính toán ổn định động trong PSS/E 78

4.2.3.2.Tính toán quá trình quá độ khi không sử dụng phương pháp sa tải 79

4.2.3.3 Kết quả tính toán khi áp dụng phương pháp sa tải 84

4.3 Tính toán mô phỏng trường hợp 2 88

4.3.1.Thông số của ví dụ mô phỏng 2 88

4.3.2 Tính toán chế độ xác lập của mô phỏng thứ 2 91

4.3.3 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ khi không áp dụng thuật toán sa thải phụ tải 92

4.3.4 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ khi có sử dụng thuật toán sa tải 97

4.3.5.Kết luận 105

4.4 Kết luận chương 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

Trang 14

MỞ ĐẦU

Sự tăng trưởng về công suất và quy mô lãnh thổ của hệ thống điện nước ta trong những năm qua đã làm tăng yêu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu đặc tính ổn định của hệ thống điện Đặc biệt là hệ thống điện 500kV truyền tải điện giữa hai miền bắc

và nam với lượng công suất truyền tải lớn đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu về các phương pháp giử ổn định cho hệ thống khi có những sự cố hoặc khi có những dao động lớn trong hệ thống điện

Nhiệm vụ của đề tải là nghiên cứu phương pháp sa thải phụ tải để tăng ổn định của hệ thống trên một mô hình mô phỏng hệ thống điện đơn giản gổm hai máy phát truyền tải công suất qua một đường dây kép bằng phần mềm PSSE

Cấu trúc của luận văn bao gồm 4 chương, bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về ổn định động hệ thống điện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết sa tải để tăng ổn định động của hệ thống điện

Chương 3: Lý thuyết xác định thời điểm sa thải và thuật toán

Chương 4: Ứng dụng phần mềm PSSE để tính toán nâng cao ổn định động của

hệ thống điện đơn giản

Để hoàn thành luận văn này tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn

sâu sắc đến giáo viên hướng dẫn T.S Nguyễn Thị Nguyệt Hạnh, người đã luôn chu

đáo, tận tình giúp đỡ và đã có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời về nội dung cũng như chất lượng và tiến độ của luận văn Đồng thời tác giả cũng xin được gửi lời cảm

ơn chân thành những nhận xét góp ý, sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ

môn Hệ Thống Điện – Viện Điện –Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Cũng như sự giúp đỡ tận tình của Viện đào tạo sau đại học Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

cùng các anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình làm luận văn Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế nên chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những nhận xét đánh giá của các thầy cô và các đồng nghiệp để hoàn chỉnh thêm nội dung của

Trang 15

Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường) Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau sự cố) Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chống khắc phục

Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thông điện Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn) Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu

nó tiến tới chế độ xác lập mới.Trong trường hợp náy các thông số của hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 Chế độ quá độ khi khi đó gọi là chế độ quá độ sự

cố Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang hế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống

Trang 16

Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0 Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột ngột sơ

đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột Chế độ xác lập tương ứng bị dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc làm thay đổi góc lệch roto

Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau những kích động lớn VD như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị cắt ra đột ngột

P m1

2 1

Trang 17

Công suất PT được coi là không đổi Công suất điện từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp δ

H

E.U.sinδ=P sinδ

Trong đó XH = XF + XB + XD/2

Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ PT của tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1) Hệ thống làm việc tại điểm cân bằng a Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống XH tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2) Điểm cân bằng mà

hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’01 (điểm cân bằng ổn định tĩnh) Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’01 là chế độ quá độ, diễn ra theo đặc tính động của hệ thống Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’01 hoặc không, phụ thuộc tính chất

hệ thống và mức độ kích động Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy phát chuyển từ a → b Công suất điện

từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c Đến thời điểm góc lệch bằng δ’01 thì tương quan công suất trở nên cân bằng Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng do quán tính Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là động năng tích lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm, điểm làm việc tiếp tục chuyển từ c→d Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δmax động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng nữa – thời điểm góc lệch cực đại Sau thời điểm này, không còn động năng mà P(δ)>PT (momen hãm lớn hơn momen phát động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d về c Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao động của góc lệch δ Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ’01của chế độ xác lập mới Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động Phần diện tích giới hạn

Trang 18

tích lũy trong roto và năng lượng hãm Trong khoảng góc lệch δ01 → δ’01 là năng lượng tăng tốc ứng với quá trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’01 → δmax là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích lũy

Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài) đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn trong trường hợp này, khi góc lệch δ tăng nó không dừng lại ở trị số δmax trước khi tiến tới điểm δ’02 Đó là vì công hãm (tỷ

lệ với phần diện tích giới hạn đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công suất tuabin

PT) nhỏ hơn động năng tích lũy trước đó của động năng máy phát (tỷ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới PT) Sau khi vượt qua δ’02 tương quan công suất lại đổi chiều PT> P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng Dễ thấy tương quan PT > P(δ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy phát.Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, nên trị số rất lớn Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động

Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong sau

3 2

1

d c

U 02

U 01

U 0

Trang 19

Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát Trong trường hợp này đặc tính công suất phản kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp U sẽ giao động tắt dần vế điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của

sự cố - cắt ít hay nhiều công suất của máy phát

Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống Chẳng hạn đặc tính công suất phát QF bị giảm xuống quá thấp, không cắt đặc tính Qt Trong các trường hợp như vậy hiển nhiên quá trình quá độ không ổn định vì không có điểm cân bằng Nói khác đi sự tồn tại chế

độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định động

Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này không hoàn toàn tương đương nhau Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn định động như sau đối với hệ thống điện

Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

1.2 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ

Khi hệ thống rơi vào mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:

- Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra làm mất

đi một lượng công suất lớn

- Tần số hệ thống bị thây đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ

- Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiên tượng sụp đổ điện áp tại các phụ tải.Hậu quả kéo theo:

- Bảo vệ role tác dộng nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc

Trang 20

- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống Quá trình phục hồi có thể làm ngừng cung cấp điện trong nhũng thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các máy phát

Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:

- Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình trường và sau

Các yêu cầu trên chính là nhưng điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản xuất

và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện Ngoài ra, còn hành loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại quá trình quá dộ diễn ra đủ ngắn ……

1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ

1.3.1 Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh

Cắt nhanh ngắn mạch là biện pháp hiệu quả và được áp dụng phổ biến để cải thiện ổn định động hệ thống Hiệu quả của phương pháp này dễ dàng giải thích bởi việc làm giảm được thời gian gia tốc cho roto các máy phát Khi đó, đồng thời với việc làm giảm diện tích gia tốc còn có thể làm tăng diện tích hãm tốc Như vậy cắt nhanh ngắn mạch làm tăng được khả năng chuyên tải công suất trên đường dây theo giới hạn

Trang 21

1.3.2 Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua

Thiết bị tự động đóng trở lại đường dây bị cắt ra do ngắn mạch đường được áp dụng khá rộng rãi do xác xuất xảy ra ngắn mạch thoáng qua tương đối lớn Chẳng hạn, đường dây bị ngắn mạch do phóng điện sét sẽ không còn sự cố sau khi cắt nhanh ra khỏi nguồn một thời gian ngắn (đủ để hồ quang bị dập tắt) Sau đó nếu đường dây được đóng trở lại nó sẽ làm việc bình thường Ngoài ý nghĩa tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, việc thực hiện đóng lại đường dây (1 lần hay nhiều lần), nếu thành công

Trang 22

còn có ý nghĩa nâng cao ổn định động Trên hình 1.5 và 1.6 minh họa hiệu quả đóng trở lại đường dây thành công theo phương pháp diện tích

1.3.3 Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp

Điều chỉnh kích từ máy phát có hiệu quả rõ rệt đối với ổn định tĩnh, đặc biệt khi

áp dụng hệ thống kích từ nhanh với TĐK tác động mạnh Tuy nhiên khi diễn ra quá trình quá độ đối với kích động lớn TĐK rất ít tác dụng Vấn đề ở chỗ TĐK được cấu tạo trên cơ sở mô hình tuyến tính (xuất phát từ hệ phương trình vi phân đã tuyến tính hóa) còn quá trình quá độ diễn ra với kích động lớn lại rất phi tuyến Cũng vậy, cơ cấu

tự động điều chỉnh tần số của tuabin vốn có tại các tổ máy, được thiết kế không theo yêu cầu nâng cao ổn định động Hiệu quả nâng cao ổn định động chỉ có thể có được khi

Trang 23

điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp bằng quy luật riêng Về nguyên tắc luôn có thể chọn được các quy luật điều khiển với tác động tối ưu

Hình 1.7

Ví dụ khi điều khiển tuabin bằng một xung tác động vào động cơ sơ cấp nhằm nâng cao ổn định động hệ thống trong tình huống sự cố ngắn mạch Diện tích gia tốc có thể giảm được nếu có thể giảm nhanh công suất tuabin đến trị số cân bằng Muốn vậy

ta tạo ra một xung với biên độ cực đại theo chiều làm giảm độ mở của hơi ngay khi xảy

ra ngắn mạch Quán tính của động cơ sơ cấp và quán tính giãn nở hơi làm công suất tuabin chỉ gảm được từ từ theo quy luật hàm mũ Hình 1.7 thể hiện hiệu quả của tác động xét theo phương pháp diện tích

Trong trường hợp đang xét hệ thống sẽ bị mất ổn định nếu không điều khiển hạ thấp công suất tuabin Khi có điều khiển không những diện tích hãm tăng lên mà diện tích gia tốc cũng giảm đi một lượng Hệ thống giữ được ổn định với góc cắt ngắn mạch

Trang 24

lớn hơn đáng kể so với công suất tuabin Dễ thấy rằng nếu xung điều khiển bị kéo dài dao động diễn ra sẽ lớn hơn nhiều so với khi lựa chọn thích hợp Hơn nữa, yếu tố quán tính chuyển động của xu-pap đóng mở cửa hơi có ảnh hưởng tương đối nhiều đối với hiệu quả điều khiển Nếu quán tính quá lớn sẽ không còn tác dụng nữa Việc giảm công suất tuabin nước có thêm khó khăn khác là xung động sẽ rất mạnh khi khép đột ngột cửa nhận nước Để giải quyết khó khăn này người ta đã nghiên cứu kiểu cấu tạo riêng cửa nhận nước giành cho mục đích nêu trên Một buồng chân không được khóa kín nối liên thông với hệ thống ống dẫn nước vào Khi có tín hiệu điều khiển, cửa van được mở đột ngột, nước từ đường dẫn chính dồn vào bình chân không, cắt lượng nước chảy vào tuabin Sau sự cố trạng thái chân không của bình lại được khôi phục sẵn sàng chờ lần

sự cố tiếp theo

Về nguyên lý, thược hiện kích thích cường hành (điều khiển trực tiếp điện áp kích từ) với chiều dài thời gian thích hợp cũng có thể tạo ra hiệu quả làm tăng momen hãm tương tự điều khiển cửa hơi (hoặc nước) Tuy nhiên, quán tính điện từ của cuộn roto khá lớn nên hiệu quả không cao (do momen điện từ thay đổi chậm)

1.3.4 Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện

Các đường dây điện áp siêu cao thường được bù thông số Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh tăng lên do bù dọc làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng đường dây) Một cách gián tiếp giới hạn ổn định động cũng được tăng do nâng cao thêm đương cong công suất điện từ Tuy nhiên, ổn định động hệ thống còn có thể cải thiện đáng kể nếu đặt thiết bị bù có điều khiển Đặc điểm quan trọng của các thiết bị bù cấu tạo với thyristor là có tác động điều khiển (làm thay đổi điện kháng) gần như tức thời, do đó hiệu quả điều khiển rất cao Kháng bù ngang có điều khiển thường được dùng nguồn cung cấp công suất phản kháng điều

Trang 25

có điều khiển thường dùng vào mục đích giảm dao động công suất và nâng cao ổn định động Hình 1.8 minh họa hiệu quả nâng cao giới hạn ổn định động và giảm biên độ dao động góc lệch (cũng có nghĩa là giảm dao động công suất) giữa hai hệ thống liên kết đường dây dài có tụ bù dọc và bù ngang tại điểm giữa

Sau khi cắt đoạn đường dây bị ngắn mạch, nếu không điều khiển dung lượng bù điện dẫn liên kết hệ thống có trị số y0 Khả năng tăng cường điện dẫn lên ymax hoặc giảm xuống ymin có thể thực hiện bằng cách điều khiển tụ bù dọc Dễ nhận thấy, thời điểm đóng cắt thay đổi dung lượng bù có ý nghĩa hết sức quan trọng Tác động sai sẽ rất ít hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng thêm dao động dẫn đến làm mất ổn định hệ thống

d

t

d d

y y y

Trang 26

1.4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định động

Việc tính toán kiểm tra điều kiện ổn định động là hết sức cần thiết cho việc xây dựng và vận hành an toàn lưới điện, đặc biệt là giải quyết bài toán thời gian thực, đánh giá ổn định nhanh và chính xác để phuc vụ thao thác điều khiển Có nhiều phương pháp phân tích ổn định động, chúng được nghiên cứu và ứng dụng với nhiều kiểu hệ thống khác nhau Để tính toán ổn định động cần dựa vào hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ, do đó có các mô hình khác nhau mô tả hệ thống: Mô hình đơn giản

bỏ qua ảnh hưởng quá trình quá độ bên trong các bộ tự động điều chỉnh và mô hình đầy

đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này Mỗi trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích tính ổn định động Việc lựa chọn hợp lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ Khác với ổn định tĩnh, các phương trình vi phân ban đầu không có khẳ năng tuyến tính hóa Đó là vì các kích động lớn quá trình quá độ diễn ra có các thông số thay đổi mạnh, trên phạm vi rộng của các đặc tính phi tuyến Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là đoạn thẳng sẽ mắc sai số đáng kể

Nghiên cứu ổn định động hệ thống điện theo hệ phương trình vi phân phi tuyến

là rất khó khăn Về nguyên tắc có thể ứng dụng phương pháp trực tiếp của Lyapunov

để kết luận tính ổn định theo miền kích động ban đầu Miền này có thể tính được dựa trên các yếu tố sự cố (ví dụ sự cố, thời gian tồn tại ngắn mạch ….) Tuy nhiên có rất nhiều khó khăn trong cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov theo phương trình quá trình quá độ của hệ thống điện Đó cũng là lý do chủ yếu hạn chế các ứng dụng thực tế của phương pháp này

Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn cả để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ có thể xác định được đường con biến thiên góc

Trang 27

này là tính vạn năng đối với các loại mô hình và cấu trúc hệ thống điện Tuy nhiên, phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm rất cơ bản:

- Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế 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

- Khó phân tích kết quả

Đối với các hệ thống điện đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa quá trình quá

độ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả Trong phạm vi có thể (với các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa ưu điểm của phương pháp này

1.4.1 Phương pháp tích phân số

Với mô hình đơn giản (coi E’q = const) phương trình vi phân quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống đang xét, kể từ thời điểm một đường dây cắt ra có dạng sau:

' 2

q J

dδ = s

dt (1-3)

' 0

E X

Trang 28

δ(0) = δ0I = arsin(P0/PmI) s(0) = 0

suy ra từ điều kiện cụ thể của hệ thống tại t = 0 sau khi cắt đường dây

Kết quả tính toán nhận được bằng phương pháp tích phân số sẽ là các trị số của góc lệch δ(t) ở những thời điểm khác nhau (đồng thời cũng có các giá trị của độ lệch tần số s(t) biến thiên theo thời gian) Có thể biểu diễn kết quả dưới dạng đường cong hoặc bảng số để phân tích Nếu tính toán thời gian đủ dài mà ở mọi thời điểm đều có δ(t) < 2π ta nói quá trình quá độ ổn định Cũng có thể bằng trực giác Dựa váo dạng đường cong δ(t) để kết luận về đặc trưng ổn định của hệ thống (dao động tắt dần hay tăng trưởng vô hạn)

Trong ví dụ trên mỗi lần tính toán ta nhận được một đường cong duy nhất của góc lệch δ (và 1 đường cong dao động tần số góc s = ω – ω0 nếu quan tâm) Tuy nhiên cũng có thể tiến hành tính toán nhiều lần để quan sát đặc trưng ổn định của hệ thống theo các điều kiện khác nhau, ví dụ với trị số công suất phát P0 khác nhau, điện áp U của hệ thống khác nhau … Trên hình 1.9 là kết quả tính toán với các giá trị P0 khác nhau của ví dụ đang xét Có thể thấy sau khi bị cắt đột ngột một đường dây nhưng vào lúc tải nhẹ hệ thống ổn định động Công suất tải càng tăng khả năng mất ổn định càng lớn Thay đổi điện áp U ta cũng có các kết quả khác nhau: điện áp U càng giảm khả

năng giữ ổn định động hệ thống càng kém

Trang 29

1.4.2 Phương pháp diện tích

Xét hệ thống điện đơn giản như trên hình 1.10 do sự cố (ví dụ sét đánh) một đường dây bị cắt ra không đóng lại được Hệ thống chuyển sang trạng thái vận hành với một đường dây

Trang 30

roto nhận được một công A1 nào đó của mômen thừa Từ hình 1.10 ta có dễ dàng xác định được:

II 0

I 0

δ

II m

Trang 31

max

II 0

δ

II m

δ

II m 0 δ

Trang 32

Tuy đã có một số phương pháp nâng cao ổn định động nêu trên, nhưng khi xảy

ra những sự cố nặng nề vẫn có khả năng hệ thống điện bị mất ổn định động gây ra hậu quả nặng nề Trong luận văn này, tác giả xin giới thiệu thêm phương pháp sa thải phụ tải để tăng cường ổn định động của hệ thống điện

∆P

Trang 33

- Các sức điện động và điện kháng máy phát không đổi

2.1.2 Mối liên hệ giữa biến thiên phụ tải với sự thay đổi của đường đặc tính công góc

Xét sơ đồ hệ thống điện đơn giản gồm một hệ thống điện nhỏ nhận công suất từ một thanh cái có điện áp không đổi qua một đường dây

F

HTD

Tương ứng với mô hình đơn giản có thể biểu diễn gần đúng máy phát bằng sđđ

cố định EF sau điện kháng XF Bỏ qua các điện trở, có thể đẳng trị sơ đồ bằng một điện kháng tổng X như trên hình 2.1 đồng thời để đơn giản khi viết ký hiệu suất điện động

Trang 34

nhận một lượng công suất đáng kể từ đường dây liên kết hệ thống mới cân bằng được công suất Điện áp thanh góp hệ thống UH được coi là không đổi Các công suất tác dụng và phản kháng PF và QF cung cấp đến thanh góp phụ tải U thường được giả thiết là đã

ở giới hạn có thể (đã cho) Sự biến thiên nhu cầu phụ tải St là điều kiện quan trọng quyết định tính ổn định tĩnh của hệ thống

Bỏ qua tổn thất công suất tác dụng của máy biến áp và đường dây truyền tải Đặc tính công suất của máy phát có dạng

Trang 35

Từ đồ thị ta nhận thấy điểm cân bằng ổn định của hệ thống là δ0, nằm phía bên phải của điểm δgh, ứng với cực tiểu của công suất PF Theo tiêu chuẩn năng lượng điểm

δ0 thỏa mãn điều kiện ổn định:

0d

)PP(dd

∆

d

)P(

d F =

đây P12m =Eq.UH.y12 là trị số cực đại của thành phần công suất trao đổi trên đường dây

Như vậy khi giảm công suất phụ tải có nghĩa là hạ thấp đường đặc tính công suất –góc thì hệ thống sẽ nâng cao độ dự trữ ổn định

Tuy nhiên nếu hệ thống gồm 2 hệ thống điện con nối với nhau qua một đường dây liên lạc thì việc nghiên cứu ổn định sẽ gặp khó khăn

2.2 Cơ sở lý thuyết sa tải để tăng ổn định động của hệ thống điện gồm 2 máy phát

2.2.1 Phân tích ổn định tĩnh của hệ thống điện 2 máy phát bằng phương pháp dao động bé

Nghiên cứu ổn định tĩnh của hệ thống 2 máy phát có liên kết mạnh Thường dung các tiêu chuẩn thực dụng hoặc tiêu chuẩn Lyapunov

Xét mô hình phụ tải với tổng trở cố định Liên kết qua lưới điện có phụ tải và tổn hao công suất tác dụng, có thể mô tả tổng quát như hình b) để tính các điện dẫn coi các phụ tải là tổng trở cố định (mô hình tuyến tính)

Trang 36

Khi đó ta có thể viết các đặc tính công suất của nhà máy số 1

Trang 37

Về lý thuyết P1 có thể nhận công suất âm

Nếu xét ổn định tĩnh theo phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov

Ta có thể viết phương trình chuyển động quá độ của hệ thống chỉ bằng 2 phương trình vi phân ( phương trình chuyển động roto của máy phát) sau khi đã tuyến tính hóa:

0

P dt

d

12

1 2

0

P dt

d

12

2 2

Trừ phương trình thứ nhất với phương trình thứ 2 ta được:

0 a

dt

d

12 12 2

12

2

= δ

∆ + δ

∆

Trong đó δ12 = δ1 − δ2

12

2 12

1 1 j 12

d

dP 2 T

1 d

dP T

1 a

δ

− δ

1

d

dP , d

Trang 38

Kết luận: Với cách mô phỏng và nghiên cứu như các phương pháp vừa nêu trên

ta chỉ có thể nghiên cứu ổn định tĩnh rất khó để có thể phân tích và nghiên cứu ổn định động của một mô hình 2 nhà máy với nhau do đó tác giả xin đưa vào phần chứng minh công thức có thể phân tích một hệ thống với 2 nhà máy điện nối với nhau như một hệ thống máy phát nối với một thanh cái của hệ thống có công suất vô cùng lớn để dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tăng ổn định của hệ thống điện như phương pháp diện tích Đây là lý thuyết đã được GS Zelenokhat công

bố trên tạp chí “ ELECTROENERGETIKA”

Trang 39

2.2.2 Cơ sở lý thuyết biến đổi phương trình chuyển động của roto trong hệ thống điện

2 máy phát về dạng tương tự như HTĐ đơn giản

Tj1, Tj2 là hằng số quán tính của máy phát số 1 và máy phát số 2

PT1, PT2 là công suất cơ của tua bin 1 và tua bin 2

PE1, PE2 là công suất điện của máy phát 1 và máy phát 2

1

δ , δ là góc lệch của tổ máy phát số 1 và số 2 với trục quay đồng bộ 2

Nhân phương trình 1 với hằng số Tj2 và phương trình 2 với hằng số Tj1 và trừ cho nhau ta có:

1 E 2 j 1 T 2 j 1 2 2

J

1

j.T d T P T P

Trang 40

2 E 1 j 2 T 1 j 2 2 2 2

)P.TP.T()P.TP.T()dt

ddt

d(T

T 22 j2 T1 j2 E1 j1 T2 j1 E2

2 2 1 2 2

2 E 1 j 1 E 2 j 2 T 1 j 1 T 2 j 2

2 2 2 1 2

2 j 1

j

2 J

1

j

TT

)P.TP.T()P.TP.T()dt

ddt

d(T

T P

T T

T ( ) P T T

T P

T T

T ( dt

d T T

T T

2 E 2 j 1 j

1 j 1

E 2 j 1 j

2 j 2

T 2 j 1 j

1 j 1

T 2 j 1 j

2 j 2

12 2

2 j 1

j

2 J 1

j

+

− +

=

δ +

2 J 1 j j

TT

T.TT

+

=

2 T 2 j 1 j

1 j 1

T 2 j 1 j

2 j

TT

TP

TT

TP

+

−+

2 E 2 j 1 j

1 j 1

E 2 j 1 j

2 j

TT

TP

TT

TP

+

−+

=

Để nghiên cứu đường đặc tính của hệ thống mới tuơng đương với hệ thống 2 máy phát, ta phải xây dựng các đường đặc tính công suất tác dụng của hệ thống giả tưởng truyền tải từ máy phát đến thanh góp có công suất vô cùng lớn qua một đường dây

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	1,98 MB