Nghiên cứu phương pháp tính toán đánh giá độ tin cậy và giải pháp nâng cao độ tin cậy lưới điện trung á

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ YÊU CẦU NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến, vận hành trong điều kiện mà

MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC BẢNG IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ V LỜI CAM ĐOAN VII LỜI CẢM ƠN……… VIII

MỞ ĐẦU………1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ YÊU CẦU NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 5

1.1 Đặt vấn đề……… 5

1.2 Tổng quan về ổn định hệ thống điện 6

1.2.1 Khái niệm 6

1.2.2 Các chỉ tiêu xét ổn định hệ thống điện 7

1.3 Yêu cầu về nghiên cứu ổn định cho HTĐ Việt Nam 9

1.3.1 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam 9

1.3.2 Các biện pháp nâng cao ổn định hệ thống điện 10

1.4 Kết luận chương 1 14

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN 15

2.1 Các phương pháp nghiên cứu 15

2.1.1 Hướng tiếp cận dựa trên mô phỏng động 17

2.1.2 Hướng tiếp cận tĩnh 17

2.2 Các phương pháp phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện 17

2.2.1 Phương pháp phân tích đặc tuyến P-V, Q-V 17

2.2.2 Phương pháp xác định khoảng cách nhỏ nhất dẫn đến mất ổn định điện áp trên mặt phẳng công suất 19

2.2.3 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ ( VQ sensitivity analysis ) và phân tích trạng thái QV ( QV modal analysis) 21

Phương pháp phân tích trạng thái (modal) QV 23

2.3 Đặc tuyến PV và phân tích ổn định điện áp 24

2.3.1 Đường đặc tuyến PV 24

2.3.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến PV 26

2.4 Đặc tuyến QV và phân tích ổn định điện áp 30

2.4.1 Đặc tuyến QV 30

2.4.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến QV 31

2.5 Phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp 34

2.5.1 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ 34

2.5.2 Ứng dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ để xác định giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện 39

2.5.3 Phương pháp trào lưu công suất lặp lại (Repeated power flow) 39

2.5.4 Phương pháp trào lưu công suất liên tục (Continuation power flow) 46

2.6 Các chỉ tiêu, hệ số đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống điện 52

2.6.1 Hệ số dự trữ điện áp 52

2.6.2 Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống 53

2.6.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của nút tải 53

2.7 Kết luận chương 2 55

CHƯƠNG 3 - ÁP DỤNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM 56

3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu và lựa chọn phần mềm tính toán: 56

3.2 Giới thiệu chương trình PSS/E 56

3.3 Giới thiệu chức năng đường cong PV, QV của phần mềm PSS/E 57

3.3.1 Ứng dụng đường cong PV, QV đánh giá ổn định điện áp tĩnh 57

3.3.2 Kỹ thuật vẽ đường cong PV, QV trong phần mềm PSS/E 57

3.4 Sơ đồ hệ thống điện Việt Nam đến năm 2015 58

3.5 Đánh giá ổn định điện áp lưới điện 500kV Việt Nam năm 2015 61

3.5.1 Đặc tuyến PV của các nút 61

Đặc tuyến QV của các nút 64

3.6 Nhận xét và kết luận 71

4 KẾT LUẬN CHUNG: 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EVN

Viet Nam Electricity Tập đoàn điện lực Việt Nam HTĐ Hệ thống điện

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)

MPĐ Máy phát điện

MBA Máy biến áp

OXL Bộ giới hạn kích từ máy phát điện

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Độ dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 ĐD 500kV 62 Bảng 3.2 Độ dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 tổ máy phát 64 Bảng 3.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của các nút tải 500kV 70

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sự ổn định của một quả bóng lăn 5

Hình 2.1: Các phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp 16

Hình 2.2 Mô hình mạng điện đơn giản 18

Hình 2.3 Không gian (V,P,Q) biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng 19

Hình 2.4 Kỹ thuật xác định khoảng cách nhỏ nhất đến mất ổn định điện áp 20

Hình 2.5 Đặc tuyến PV cơ bản 25

Hình 2.6 Đường đặc tuyến PV ứng với hệ cố công suất cos 1 27

Hình 2.7 Mạng điện đơn giản gồm 2 nút, 2 đường dây truyền tải 27

Hình 2.8 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 0.8 pu 28

Hình 2.9 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 1.2 pu 28

Hình 2.10 Các đường đặc tuyến PV với PR lớn hơn lúc bình thường 29

Hình 2.11 Các họ đường đặc tuyến PV ứng với hệ số tải khác 30

Hình 2.12 Dạng đường đặc tuyến QV điển hình 31

Hình 2.13 Sơ đồ điện đơn giản vẽ đường cong QV 32

Hình 2.14 Đồ thị quan hệ QV 33

Hình 2.15 Sơ đồ thuật toán phương pháp Newton-Raphson 42

Hình 2.16 Sơ đồ thuật toán tính giới hạn ổn định bằng phương pháp RBF 45

Hình 2.17 Kỹ thuật trào lưu công suất liên tục sử dụng phương pháp dự đoán theo phương tiếp tuyến và hiệu chỉnh theo phương pháp tham số hóa cục bộ 48

Hình 2.18 Thuật toán trào lưu công suất liên tục 51

Hình 2.19 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi 55

Hình 3.1 Phân vùng hệ thống điện Việt Nam 59

Hình 3.2 Sơ đồ lưới điện Việt Nam đến năm 2015 60

Hình 3.3 Đặc tuyến PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa - chế độ cơ bản 62

Hình 3.4 Đặc tuyến PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa – 63

chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hiệp Hòa 63

Hình 3.5 Đặc tuyến PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa- chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân 64

Hình 3.6 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ cơ sở 65

Hình 3.7 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ cơ sở 66

Hình 3.8 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ cơ sở 66

Hình 3.9 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình 67 Hình 3.10 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình 67

Hình 3.11 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình 68

Hình 3.12 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân 68

Hình 3.13 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân 69

Hình 3.14 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân 69

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này do Tôi tổng hợp và thực hiện Các kết quả phân tích hoàn toàn trung thực, nội dung bản thuyết minh chưa được công bố Luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Lê Công Định

Hà Nội, ngày 23 tháng 03 năm 2015

Tác giả luận văn

Lê Công Định

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển về kinh tế, nhu cầu về điện năng cũng gia tăng mạnh mẽ cả về công suất, quy mô và tính chất vì thế hệ thống điện có một vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế, xã hội, chính trị của mỗi quốc gia, là yếu tố chi phối hầu như toàn bộ nền kinh tế Do đó các hệ thống điện phải được đầu tư, mở rộng để đáp ứng được những nhu cầu của xã hội Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang gặp phải với những vướng mắc và tồn tại như:

- Thứ nhất, là khó khăn trong việc đầu tư nguồn điện, hệ thống truyền tải: Hiện nay, việc đầu tư đồng bộ hóa giữa nguồn điện và lưới điện truyền tải đang rất khó khăn Theo Tổng công ty truyền tải điện Quốc Gia thì nhu cầu vốn để phát triển lưới điện truyền tải giai đoạn 2011 - 2020 là hơn 200 nghìn tỷ đồng, chiếm 34% tổng vốn đầu tư phát triển điện lực; giai đoạn 2021 - 2030 là gần 500 nghìn tỷ đồng, chiếm 35% Hiện tại mới có một vài cá nhân trong nước đầu tư một số thủy điện nhỏ có công suất không đáng kể, các nhà đầu tư nước ngoài thời điểm hiện tại chưa quan tâm nhiều đến đầu tư vào ngành điện

- Thứ hai, là sự tăng trưởng nhanh chóng của phụ tải: Theo số liệu của Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia, tốc độ tăng trưởng phụ tải từ năm 2009 trở lại đây luôn cao hơn 10% (Năm 2009: 12,5%; Năm 2010: 14%; Năm 2011: 15%; Năm 2012: 16,8%) Dự kiến các năm tiếp theo từ 2013 đến 2020 thì tốc độ tăng trưởng phụ tải khoảng 12% - 16%

- Vần đề thứ ba là tài nguyên thiên nhiên để sản xuất ra điện ngày càng khan hiếm: Ở nước ta, nguồn tài nguyên thiên nhiên dùng để sản xuất ra điện cung cấp cho phụ tải chủ yếu hồ thủy điện (nhà máy thủy điện), từ khí đốt (nhà máy nhiệt điện khí), than (nhà máy nhiệt điện than) Theo EVN, nếu phương án tăng trưởng điện 13% thì nhu cầu khí cho điện phải đạt 8,2 tỷ m3/năm, than cho điện sẽ tăng từ 5,85 triệu tấn (năm 2011) lên 24,75 triệu tấn (năm 2015) Tuy nhiên, với yêu cầu về

trữ lượng nói trên thì nguồn tài nguyên về than khí không đáp ứng được lâu dài cho việc phát triển nguồn điện Tại Việt Nam thời gian vừa qua phát triển nhiều thủy điện tuy nhiên nguồn năng lượng này thì phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết vì việc tích nước hồ hàng năm phải trông vào các trận lũ

- Thứ tư đó là xu hướng thị trường hóa ngành điện, hiện tại EVN đã nỗ lực hình thành công ty mua bán điện là bước đầu tiên cho việc hình thành thị trường điện lực Như vậy ngành điện sẽ được đối xử như những ngành khác và công tác quản lý cần phải nâng thêm một bước nữa, 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 quy mô, tính chất, khó khăn trong việc quản lý, vận hành, điều khiển giám sát

- Vấn đề cuối cùng đó là môi trường: Vấn đề môi trường biến đổi khí hậu đang là ưu tiên quan tâm hàng đầu trên thế giới nói chung cũng như Việt Nam nói riêng Gần đây đã xuất hiện một số hệ lụy cho vấn đề này như vấn đề xả tràn hồ thủy điện, việc phá rừng làm thủy điện, hoặc việc sử dụng các thiết bị công nghệ lạc hậu của nhà máy nhiệt điện đã gây dư luận không tốt trong xã hội Do đó, việc xây dựng các nhà máy điện cần phải được xem xét một cách khoa học và kỹ lưỡng

Do đó hiện tại Hệ thống điện vận hành rất gần với giới hạn về Ổn định Khi xảy ra các sự cố trên lưới các hệ thống điện đã bị rã lưới hệ thống điện làm mất điện trên diện rộng và thời gian khắc phục sự cố kéo dài gây thiệt hại lớn cho nền kinh

tế Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới, cũng như tại nước ta đã gây ra tan rã hệ thống điện:

Sự cố sụp đổ điện áp tại Hoa Kỳ/ Canada ngày 14 tháng 08 năm 2003 trong thời gian 05 phút đã làm mất 61800 MW cấp cho Ohio, Michigan, Pennsylvania, New York, Vermont, Massachusetts, Connecticut, New Jersey, and Ontario (Canada) Ảnh hưởng tới sinh hoạt, làm việc của hơn 50 triệu người

Sự cố sụp đổ điện áp và tần số tại Thụy Điển/ Đan Mạch ngày 23 tháng 08 năm 2003 trong thời gian 07 phút mất 3000MW điện hạt nhân Gây rã lưới cho miền Nam Thụy Điển và Tây Đan Mạch

Sự cố rã lưới tại Italy ngày 28 tháng 09 năm 2003 nguyên nhân do một đường dây từ Thụy Sĩ sang Italy bị cắt do sự cố và không tự động đóng lại do không đồng

bộ góc pha Các đường dây khác bị quá tải, dẫn đến làm mất điện toàn nước Italy mất điện 27000 MW

Sự cố rã lưới tại Việt Nam ngày 22 tháng 05 năm 2013 trong thời gian 2 phút

do vi phạm hành lang gây sự cố làm mất điện cho phụ tải 19 tỉnh thành khu vực miền Nam mất 9000 MW

Như vậy, có thể thấy HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam đang phải đối diện với nhiều thách thức trong việc cung cấp điện an toàn, ổn định và tin cậy và đặc biệt trong thời điểm nền kinh tế đang phát triển có nhiều ngành công nghiệp có nhiều máy móc phản ứng nhạy cảm với chất lượng điện

Từ đó, phát sinh các vấn đề về kỹ thuật cần được nghiên cứu và đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải, đặc biệt là vấn đề về ổn định hệ thống điện Hệ thống điện ngày càng phát triển thì việc tính toán để nghiên cứu các vấn đề về kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, đòi hỏi con người phải tìm ra các công cụ để tính toán nhanh và chính xác các thông số

kỹ thuật Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều các công cụ để phục vụ việc tính toán các thông số kỹ thuật của các hệ thống điện phức tạp như: phần mềm tính toán PSS/E-ADEPT; DlgSilent; Power word….Khi đã có các công cụ tính toán thì đòi hỏi những người ứng dụng nó phải biết cách sử dụng thành thạo và có thể phân tích được các giá trị phù hợp với mục đích nghiên cứu của mình

2 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích nghiên cứu:

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá ổn định của

hệ thống điện Qua đó áp dụng để đánh giá ổn định điện áp cho lưới điện 500kV của Việt Nam hiện nay Để thưc hiện được mục tiêu này nhiệm vụ là:

- Nghiên cứu ổn định HTĐ

- Nghiên cứu ổn định điện áp trong hệ thống điện

- Tìm hiểu các chỉ tiêu, phương pháp đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống điện

- Sử dụng phần mềm PSS/E để đánh giá ổn định điện áp cho lưới điện 500kV Việt Nam theo đặc tuyến PV, QV

2.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

Tìm hiểu và mô phỏng hệ thống lưới điện truyền tải 500kV Việt Nam

3 Nội dung luận văn

Chương 1: Tổng quan chung về ổn định và yêu cầu nghiên cứu ổn định cho hệ thống điện Việt Nam

Chương 2: Phương pháp và các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện Chương 3: Áp dụng phân tích ổn định điện áp cho hệ thống điện 500kV Việt Nam

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ YÊU CẦU NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CHO HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM

1.1 Đặt vấn đề

Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến, vận hành trong điều kiện mà các biến trạng thái của hệ thống như phụ tải, công suất máy phát,… thay đổi liên tục Khi bị nhiễu loạn, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào các điều kiện vận hành ban đầu cũng như bản chất của sự nhiễu loạn đó Tính ổn định của một hệ thống điện là một thuộc tính sự vận động của hệ thống xung quanh một trạng thái cân bằng đã được thiết lập, như điều kiện vận hành ban đầu Để hiểu rõ hơn về trạng thái cân bằng ta xét mô hình quả bóng lăn như hình 1.1

Hệ thống bóng lăn có 2 loại điểm cân bằng hay 2 trạng thái nghỉ, tương ứng với các trạng thái hệ thống điện mà tại đó banh sẽ không lăn nữa nếu tốc độ v của

nó là 0 Các điểm cân bằng này như sau:

- Điểm cân bằng ổn định sep tương ứng với phần đáy của phần lõm hình 1.1

và banh khối lượng m sẽ trở lại sau các dao động lớn hay nhỏ

- Hai điểm cân bằng không ổn định uep 1 & uep 2 tương ứng với phần đỉnh

trên cùng của hình 1.1, tại đó banh sẽ bị rời đi xa nếu chỉ cần một xáo động nhẹ

Sự ổn định của banh được định nghĩa như là khả năng của banh trở lại trạng

thái nghỉ lâu dài sep (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật) sau các

Hình 1.1 Sự ổn định của một quả bóng lăn

dao động nhỏ hoặc lớn Hệ thống là bền nếu banh trở lại trạng thái ổn định sep của

nó sau khi bị đẩy

Trong hệ thống điện có thể tồn tại các nhiễu loạn khác nhau Các nhiễu loạn nhỏ thường ở dạng phụ tải thay đổi liên tục và hệ thống phải có khả năng vận hành thích ứng với các thay đổi của yêu cầu phụ tải Đối với các nhiễu loạn lớn như: sự

cố do ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố mất điện các máy phát lớn hay mất điện ở một nút quan trọng hệ thống cũng phải có khả năng tiếp tục làm việc sau khi xảy ra sự cố Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những sự

cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống [1], [2]

Sau một kích động tạm thời, nếu hệ thống điện vẫn ổn định, nó sẽ tiến đến một trạng thái vận hành cân bằng Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, nó sẽ dần rơi vào trạng thái ngừng hoạt động

Như vậy ổn định HTĐ là khả năng của một HTĐ ứng với một điều kiện vận hành ban đầu, lấy lại một trạng thái cân bằng sau khi trải qua một nhiễu loạn có sự biến đổi lớn của hệ thống [3]

1.2 Tổng quan về ổn định hệ thống điện

1.2.1 Khái niệm

Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực tế Vì các chế độ trong thực tế luôn luôn bị các kích động từ bên ngoài Một chế độ thỏa mãn các điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá hủy

Các kích động đối với chế độ hệ thống điện được chia làm hai loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn

Người ta thường sử dụng các định nghĩa ổn định như sau đối với HTĐ [4] [5]:

Định nghĩa ổn định tĩnh:

Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu

hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ

Trong đó: PΣgh, PΣ0 - là tổng công suất phụ tải ở chế độ giới hạn và chế độ ban đầu

Hệ số dự trữ ổn định tính theo kịch bản điển hình là một trong những chỉ tiêu đặc trưng cho mức độ ổn định chung của hệ thống

b - Hệ số dự trữ ổn định tính theo các kịch bản quan tâm.

Ngoài kịch bản điển hình, tùy theo cấu trúc và đặc điểm vận hành, mức độ

ổn định hệ thống còn cần được kiểm tra theo những kịch bản khác gọi là kịch bản quan tâm (thiết lập theo mục đích người nghiên cứu) Kịch bản quan tâm thường liên quan đến các tình huống chuyển đổi phương thức vận hành Ví dụ từ mùa mưa chuyển sang mùa khô cần giảm dần công suất các NMTĐ và tăng dần công suất các NMNĐ Chế độ giới hạn được quan tâm nhằm theo dõi hệ số dự trữ ổn định Phụ

thuộc vào cấu trúc sơ đồ nhiều trường hợp hệ số dự trữ theo kịch bản quan tâm mang ý nghĩa quyết định.

Hệ số dự trữ ổn định tính theo các kịch bản quan tâm được xác định theo công thức sau:

-

qtgh qt0qt

qt0Trong đó: Pqtgh và Pqt0 là thông số quan tâm trong kịch bản (ví dụ công suất truyền tải trên đường dây tải nặng) ở chế độ giới hạn và chế độ đầu

Tăng công suất máy phát của NMĐ để tìm giới hạn ổn định và hệ số dự trữ (như ví

dụ trên) cũng là một trường hợp của kịch bản quan tâm

d Hệ số độ nhậy biến động công suất nhánh.

Với kịch bản quan tâm tính được công suất nhánh ở chế độ ban đầu Pi0 và chế

độ giới hạn Pigh Hệ số độ nhạy biến động công suất nhánh được tính theo công thức:

P - P igh i0

i0Nhánh có độ nhạy lớn là nhánh nguy hiểm (cắt ra sẽ ảnh hưởng nhiều đến tính ổn định)

e Tốc độ biến thiên điện áp và góc lệch pha các nút.

Mức độ ổn định hệ thống có liên qua đến các đạo hàm dQ/dU và dP/dδ (tiêu chuẩn thực dụng của Markovits) Hệ thống sẽ mất ổn định khi các đạo hàm này tiến tới 0 Chương trình Conus có chức năng khảo sát sự thay đổi các hệ số độ nhạy (trị

số nghịch đảo của các đại lượng này) trong quá trình làm biến thiên thông số (vẽ đường cong) Các yếu tố giới hạn thường có ảnh hưởng làm thay đổi đột biến (nhảy bậc) đường cong

f Miền ổn định nút tải trong không gian công suất nút

Làm biến thiên công suất nút tải theo những hướng khác nhau có thể tìm được các điểm nằm trên giới hạn ổn định Đường cong nối các điểm sẽ phân chia ra miền ổn định và không ổn định trong không gian công suất nút

Miền ổn định đặc trưng cho khả năng cung cấp công suất từ nút (tỉ lệ với độ rộng của miền ổn định)

1.3 Yêu cầu về nghiên cứu ổn định cho HTĐ Việt Nam

1.3.1 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam

Do yếu tố lịch sử cũng như địa lý, hệ thống điện Việt Nam được chia thành 3 miền và liên kết bởi hệ thống truyền tải điện 500 kV [7]:

- Hệ thống điện miền Bắc: bao gồm 28 tỉnh, thành phố phía Bắc trải dài từ

Quảng Ninh đến Hà Tĩnh HTĐ miền Bắc liên kết với HTĐ quốc gia từ 4 TBA 500kV là Hòa Bình (2x450MVA), Nho Quan (1x450MVA), Thường Tín (1x450MVA), Hà Tĩnh (1x 450MVA); liên kết với HTĐ miền Trung qua đường dây 220kV Hà Tĩnh – Đồng Hới

Khánh Hòa và 4 tỉnh Tây Nguyên HTĐ miền Trung liên kết với HTĐ Quốc gia qua TBA 500kV là Đà Nẵng (2x 450MVA) và Pleiku (1x450MVA); liên kết với HTĐ miền Bắc qua đường dây 220kV Đồng Hới – Hà Tĩnh; với HTĐ miền Nam qua đường dây 220kV Nha Trang – Đa Nhim và 2 đường dây 110kV Cam Ranh – Ninh Hải, Cam Ranh – Đa Nhim; ngoài ra trong HTĐ miền Trung còn có trạm 110kV

Đắc Nông (7MVA) của tỉnh Đắc Nông nhận điện từ HTĐ miền Nam qua đường dây 110kV Thác Mơ – Bù Đăng – Đắc Nông

- Hệ thống điện miền Nam: bao gồm 23 tỉnh, thành phố phía Nam từ Ninh

Thuận đến Cà Mau HTĐ miền Nam liên kết với HTĐ quốc gia qua 5TBA 500kV là Di Linh (1 x450MVA), Tân Định (1 x 450MVA), Phú Lâm (2 x 450MVA), Nhà

Bè (2 x 600MVA) và Phú Mỹ 500 (2x 450MVA); liên kết với HTĐ miền Trung thông qua đường dây 220kV Đa Nhim – Nha Trang và 2 đường dây 110kV Ninh Hải – Cam Ranh, Đa Nhim – Cam Ranh

Ngoài ra, hiện nay toàn bộ phụ tải các tỉnh Hà Giang, Tuyên Quang, Yên Bái, Phú Thọ và một phần phụ tải các tỉnh từ Vĩnh Phúc, Thái Nguyên, Cao Bằng, Quảng Ninh thuộc HTĐ miền Bắc đang nhận điện từ Trung Quốc với công suất lớn nhất khoảng 570MW và sản lượng trung bình ngày khoảng 9 – 10 tr.kWh nhằm giảm thiểu nguy cơ thiếu điện ở khu vực phía Bắc nói riêng và cả nước nói chung

1.3.2 Các biện pháp nâng cao ổn định hệ thống điện

Việc đảm bảo cho HTĐ được ổn định trong mọi điều kiện có tầm quan trọng đặc biệt nhằm đảm bảo cung cấp điện năng liên tục cho các hộ tiêu thụ Trong thực

tế nhiều khi bản thân HTĐ với các thiết bị cơ bản không đủ để đảm bảo ổn định, không đủ độ dữ trữ ổn định cần thiết, người ta phải dùng các biện pháp nhằm tăng cường ổn định của HTĐ Các biện pháp nâng cao ổn định HTĐ [8] chia làm hai loại:

1 Cải thiện các phần tử chính của HTĐ

2 Thêm vào hệ thống các phần tử phụ nhằm nâng cao khả năng ổn định hệ thống

Cải thiện đặc tính của những phần tử chính trong HTĐ

Máy phát điện

- Cải tạo tham số MPĐ

Ảnh hưởng của điện kháng của MPĐ Xd đến ổn định tĩnh của HTĐ Trong trường hợp không có TĐK, nếu giảm Xd thì sẽ tăng được độ dự trữ ổn định tĩnh Đối với ổn định động thì việc giảm Xd sẽ có tác dụng tốt (Hình 1.2) Ngoài ra việc

tăng hằng số quán tính Tj sẽ có lợi đối với ổn định động ở chỗ nó cho tcắt kéo dài hơn hoặc với tcắt không đổi thì công suất truyền tải sẽ cao hơn (Hình 1.3)

Hình 1.2 Hình 1.3

Tuy nhiên muốn tăng Tj, giảm X’d thì giá MPĐ tăng lên nhiều, do đó chỉ có thể làm các máy phát thủy điện có thông số theo yêu cầu, còn các nhà máy phát nhiệt điện thì sản xuất hàng loạt với thông số giống nhau

- Hệ số cos của các MPĐ

Hệ số cos của MPĐ có ảnh hưởng nhiều đến đặc tính công suất của nó Nếu cos của MPĐ càng cao thì càng không lợi về ổn định Nhưng sản xuất máy phát với cos thấp thì cùng một giá trị của CSTD P, công suất biểu kiến sẽ lớn vì S = P/ cos làm cho máy phát đắt tiền Trong thực tế người ta chọn giá trị thích hợp của cos

Trong lúc vận hành, nếu cos của máy phát cao quá thì để đảm bảo ổn định cần phải có biện pháp giảm nó xuống, ví dụ như đấu thêm kháng vào cực MPĐ để tăng lượng CSPK của máy phát, hạ thấp cos

được nâng cao Ngoài việc cắt nhanh ngắn mạch còn có tác dụng ngăn chặn sự biến hóa của ngắn mạch không đối xứng thành ngắn mạch 3 pha

Phần lớn các ngắn mạch xảy ra trên đường dây là tạm thời, nên sau 1 thời gian nhất định đủ để khử Ion nếu ta đóng lại đường dây thì nó có thể làm việc bình thường Thời gian khử Ion: 110kV từ 0,1s đến 0,13s; 220kV thời gian từ 0,12s đến 1,33s Kết quả đóng lại thường trong khoảng 80% đến 90% là thành công

Tự động đóng lại thường dùng cho đường dây cụt một lộ đến các phụ tải để đảm bảo cung cấp điện Nhưng cũng được dùng cho các máy phát làm việc song song và có tác dụng đảm bảo ổn định động nhất là với các đường dây liên lạc một

lộ

Đường dây tải điện

Điện thế của đường dây tải điện đi xa đóng vai trò quan trọng nâng cao ổn định của HTĐ, nó làm giảm điện kháng tương đối của đường dây tải điện so với các phần tử còn lại vì:

dd * * cs2ddo

Rõ ràng là Xdd tỷ lệ nghịch với bình phương điện áp của đường dây tải điện

Do Xdd giảm nên Pmax sẽ tăng lên

Đối với các đường dây dài điện kháng tuyết đối Xdd của đường dây cũng có tác dụng đáng kể đến độ dự trữ ổn định Để giảm Xdd người ta có thể thực hiện các biện pháp:

+ Bù dọc bằng cách thêm Xc vào đường dây, do đó Xdd = XL – XC sẽ giảm đi

+ Phân nhánh dây dẫn, làm tăng bán kính tương đương của dây dẫn đó giảm điện kháng

+ Đặt các trạm cắt trung gian để khi ngắn mạch chỉ cần cắt 1 đoạn đường dây bị sự

cố, như vậy cải thiện chế độ của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch

+ Đối với các đường đây siêu cao áp có thể đặt máy bù đồng bộ ở dọc đường dây hoặc các máy bù tĩnh (SVC) để tăng khả năng tải của hệ thống

Thêm vào hệ thống các phần tử phụ nhằm nâng cao khả năng ổn định hệ thống

- Nối đất các điểm trung tính của máy biến thế qua điện kháng hoặc điện trở tác dụng

Việc nối đất một số điểm trung tính của MBA qua điện kháng hoặc điện trở trong HTĐ trung tính nối đất trực tiếp sẽ làm cho tổng trở thứ tự không của hệ thống Z0 khi xảy ra ngắn mạch không đối xứng tăng lên Việc tăng Z0sẽ làm cho tổng trở ngắn mạch Ztăng lên và tổng trở tương hỗ Z12giảm đi vì

Z

  cho nên Pmax sẽ tăng lên

Trong trường hợp dùng điện trở tác dụng sẽ lớn hơn bởi vì điện trở tiêu thụ CSTD làm cho đặc tính công suất khi ngắn mạch đỡ giảm

- Ghìm điện

Trong HTĐ có thể xảy ra trường hợp tcắt rất nhỏ, đến mức bảo vệ rơle và máy cắt không đủ khả năng thực hiện, hoặc là thực hiện được nhưng độ dự trữ ổn định động không đảm bảo, khi đó ghìm điện được áp dụng để nâng cao ổn định động

Hình 1.4

Để nâng cao ổn định động đối với ngắn mạch 3 pha người ta đấu thêm các điện trở 3 pha vào mạch MPĐ (hình 1.4) gọi là ghìm điện (dynamic brake) Các điện trở này sẽ có tác dụng khi xảy ra ngắn mạch 3 pha như là các phụ tải tiêu thụ

CSTD làm cho đường đặc tính công suất đỡ giảm, và do đó máy phát đỡ tăng tốc hơn, rotor bị các điện trở này ghìm lại

Sơ đồ a) máy cắt C ở vị trí đóng, nó mở ra khi ngắn mạch Ở sơ đồ b) thì ngược lại, máy cắt C sẽ đóng vào khi ngắn mạch

1.4 Kết luận chương 1

Hệ thống điện hiện đại có quá trình biến đổi phức tạp với khả năng đáp ứng yêu cầu tác động bởi nhiều loại thiết bị với các đặc tính và các đáp ứng khác nhau Phụ thuộc vào sự thay đổi cấu trúc của lưới điện, điều kiện vận hành của hệ thống

và các dạng nhiễu loạn, trạng thái cân bằng của hệ thống điện có thể không được duy trì dẫn đến xảy ra hiện tượng mất ổn định dưới các dạng khác nhau như ổn định góc quay rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp

Ổn định góc quay rô to là khả năng của các thiết bị đồng bộ của một HTĐ phức tạp vẫn giữ được đồng bộ sau khi xảy ra một nhiễu loạn Nó phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi sự cân bằng giữa mômen điện từ và mômen cơ của các thiết bị đồng bộ trong HTĐ Việc mất ổn định có thể là do xuất hiện sự gia tăng góc quay của một số máy phát dẫn đến mất đồng bộ với những máy phát khác

Ổn định tần số là khả năng của HTĐ giữ được tần số ổn định sau khi HTĐ có một nhiễu loạn lớn do mất cân bằng đủ lớn giữa nguồn phát và phụ tải Nó phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi lại sự cân bằng giữa nguồn phát và phụ tải với công suất tải mất ít nhất Mất ổn định có thể là kết quả do tần số của HTĐ bị dao động dẫn đến việc cắt điện các tổ máy phát và/hoặc các phụ tải

Ổn định điện áp là khả năng của HTĐ duy trì điện áp ổn định có thể chấp nhận được tại tất cả các nút trong hệ thống dưới các điều kiện vận hành bình thường

và sau khi xảy ra nhiễu loạn

Trong nội dung tiếp theo, luận văn sẽ tập trung trình bày về ổn định điện áp

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 Các phương pháp nghiên cứu

Về thực chất vấn đề ổn định điện áp hệ thống điện đã được nghiên cứu và phân tích từ rất lâu, các lý thuyết về ổn định điện áp đã được đề cập đến tương đối hoàn chỉnh Tuy nhiên, với sự xuất hiện các sự cố tan rã HTĐ nghiêm trọng liên quan đến hiện tượng sụp đổ điện áp trong những năm gần đây, vấn đề này vẫn là một trong những vấn đề nóng hổi đối với các nhà nghiên cứu và các cơ quan điện lực, nhiều hệ thống lưới điện hiện đại vẫn tồn tại các nguy cơ về mất ổn định điện

áp Rất nhiều các nghiên cứu tiến hành trên nhiều khía cạnh của vấn đề tính ổn định điện áp được liệt kê trong các tài liệu tham khảo ở trên Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các vấn đề sau:

- Công cụ hỗ trợ và kỹ thuật tính toán: Việc lựa chọn kỹ thuật tính toán và

công cụ trợ giúp thích hợp để hiểu được cơ chế của vấn đề ổn định điện áp và đưa ra các quyết định vận hành và quy hoạch dựa trên nhiều quá trình mô phỏng đáng tin cậy hơn Phân tích trào lưu công suất, phân tích trạng thái gần ổn định và phân tích

ổn định quá độ là các công cụ chính có thể được lựa chọn để phân tích tĩnh và động

hệ thống điện

- Mô hình hóa thiết bị: việc lựa chọn mô hình và các kịch bản thích hợp hoặc

các sự cố để mô phỏng gắn với sự cố sụp đổ điện áp là rất quan trọng Tương tác của tải hệ thống và thiết bị, chẳng hạn như các thiết bị bảo vệ chống quá kích từ OXL, bộ tự động điểu chỉnh điện áp OLTC, tụ bù ngang và chức năng F81 sa thải phụ tải đóng vai trò quan trọng trong quá trình này

- Các thông số hệ thống: các thông số hệ thống điện có thể được sử dụng để

hỗ trợ người vận hành xác định xem trạng thái của hệ thống an toàn hay nguy hiểm Ngoài ra, chúng có thể được xem là các tiêu chuẩn cho việc đánh giá tính an toàn hệ thống

- Phương pháp điều khiển: phương pháp phòng ngừa và ngăn ngừa được cần

đến để giảm bớt sự sụp đổ điện áp Trong các trường hợp mà tiêu chuẩn về tính ổn định điện áp không được đáp ứng, các biện pháp phòng ngừa và ngăn chặn phải được thiết kế để tăng cường cho hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn này

Rất nhiều phương pháp nghiên cứu liên quan đến ổn định điện áp được liệt kê trong các tài liệu tham khảo [9] [10] [11] Các phương pháp này có thể được phân loại thành hai nhóm và tổng kết trong lược đồ

Hình 2.1 Các phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp

Các phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp

Phương pháp dựa trên việc

tính toán trào lưu công suất

ở chế độ xác lập

Các phương pháp dựa trên chỉ số ổn định tĩnh

Kết hợp giữa phân tích tĩnh và mô phỏng động

Tính toán dòng

công suất, khả năng

truyền tải lớn nhất

Tính toán lặp bài

toán phân bố trào

lưu công suất

ổn định Saddle bằng kỹ thuật tiếp tuyến liên tục

Kỹ thuật phân tích độ nhạy của giá trị riêng

Phương pháp Lyapunov để nghiên cứu dao động điện áp

Mô phỏng thời gian thực, hoặc mô phỏng dài hạn

Các hướng tiếp cận tĩnh

Các hướng tiếp cận động

2.1.1 Hướng tiếp cận dựa trên mô phỏng động

Phương pháp mô phỏng động được ứng dụng rộng rãi để tìm hiểu các đáp ứng động của HTĐ trong các hiện tượng động như sụp đổ điện áp Đặc biệt, các phương pháp kết hợp giữa mô phỏng tĩnh-động cũng được dùng rộng rãi để nghiên cứu các vấn đề ổn định điện áp Phương pháp nghiên cứu này cho phép kết hợp cả hai ưu điểm của phương pháp mô phỏng tĩnh và động, do đó đưa ra các kết quả chính xác hơn khi có sự có mặt của mô hình các thiết bị động như: máy phát, kích từ, giới hạn kích từ, bộ điều áp dưới tải…Đối với phương pháp này đã tính đến hết các thành phần trong hệ thống điện

2.1.2 Hướng tiếp cận tĩnh

Hướng tiếp cận tĩnh thì có phương pháp dựa trên việc tính toán trào lưu công suất ở chế độ xác lập và phương pháp dựa trên chỉ số ổn định tĩnh Đối với hướng tiếp cận này thì chưa thể hiện được hết các thành phần trong hệ thống điện, các phẩn tử động Do đó phương pháp này sẽ giúp hiểu rõ các lý thuyết về ổn định để gắn với thực tế

2.2 Các phương pháp phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện

2.2.1 Phương pháp phân tích đặc tuyến P-V, Q-V

Mất ổn định điện áp có ảnh hưởng mở rộng đến toàn hệ thống điện vì nó phụ thuộc vào quan hệ giữa công suất tác dụng truyền tải P, công suất phản kháng Q bơm vào nút và điện áp cuối đường dây V Các quan hệ này đóng vai trò hết sức quan trọng trong phân tích ổn định điện áp và thường được thể hiện dưới dạng các đường đặc tuyến trên đồ thị

Nhờ các đường đặc tuyến này ta sẽ phân tích sự ổn định của hệ thống, trong phân tích ổn định điện áp ta thường sử dụng hai loại đường cong hay còn gọi là đặc tuyến: đặc tuyến P-V và đặc tuyến Q-V Đây là 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi để xác định giới hạn ổn định tải, yếu tố liên quan chặt chẽ đến ổn định điện áp

Để xây dựng đường đặc tuyến, ta xét mạng điện đơn giản gồm 2 nút như hình vẽ 2.2

Có thể biểu diễn quan hệ

Rút cos và sin từ các phương trình trên ta có

Hình 2.2 Mô hình mạng điện đơn giản

1 cos

sin

2 2

R

R

E V

QR PX E

V

V QX PR



0 ) (

) (

).

2 2

Đây là biểu đồ tổng quát mô tả mối liên hệ chung của các đại lượng V, P, Q nhưng trong thực tế ta thường xét riêng từng loại đặc tuyến để phân tích ổn định Trên cơ sở đó, ta xét từng loại đường đặc tuyến phục vụ cho việc phân tích ổn định điện áp sau này

2.2.2 Phương pháp xác định khoảng cách nhỏ nhất dẫn đến mất ổn định điện

áp trên mặt phẳng công suất

Bình thường khoảng cách đến mất ổn định điện áp nhỏ nhất được xác định

Hình 2.3 Không gian (V,P,Q) biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng

bằng phương pháp tăng tải hệ thống theo một kiểu xác định được lựa chọn là kịch bản nặng nề nhất có thể xảy ra dựa trên các dữ liệu vận hành và dự báo phụ tải Phương pháp được trình bày sau đây được mô tả là phương pháp xác định giới hạn

Đối với HTĐ bất kỳ đều tồn tại miền ổn định trên mặt phẳng công suất truyền tải P-Q Các bước chung để xác định khoảng cách nhỏ nhất từ mức tải ban đầu đến đường giới hạn ổn định S của HTĐ gồm các bước sau

Bước 1: Gia tăng tải từ P0, Q0 theo vài hướng cho đến khi có một giá trị riêng của Jacôbi gần bằng 0 Mức tải P1, Q1 tương ứng với điểm này là giới hạn ổn định

Q( pu)

P (pu)

Hình 2.4 Kỹ thuật xác định khoảng cách nhỏ

nhất đến mất ổn định điện áp

Điểm P1, Q1 này xem như nằm trên đường S

Bước 2: Với các điều kiện tại P1, Q1 xác định véc tơ riêng bên trái của ma trận Jacôbi đầy đủ Véc tơ riêng bên trái chứa các phần tử tác động đến sự gia tăng của phụ tải MW và MVAr cho mỗi nút Véc tơ riêng chỉ rõ hướng ngắn nhất dẫn đến duy nhất nghĩa là hướng vuông góc với S

Bước 3: Trở lại trường hợp cơ sở với mức tải là P0, Q0 và tăng tải HTĐ, nhưng lần này theo hướng cho bởi véc tơ riêng được tìm thấy trong bước 2 Khi S được tìm thấy, một véc tơ riêng bên trái mới được tính toán

Bước 4: Trở về lại trường hợp cơ sở với mức tải là P0, Q0 và tăng tải HTĐ theo hướng véc tơ riêng đã cho như trong bước 3 Quá trình này được lặp lại cho đến khi véc tơ riêng được tính toán không thay đổi với mỗi phép lặp mới Như vậy quá trình sẽ hội tụ

Khi quá trình hội tụ, kết quả của phương pháp là xác định được khoảng cách véc tơ nhỏ nhất (P, Q) từ giá trị ban đầu P0, Q0 đến đường giới hạn ổn định S

2.2.3 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ ( VQ sensitivity analysis ) và phân tích trạng thái QV ( QV modal analysis)

Phương pháp phân tích độ nhạy VQ

Trong bài toán tính toàn trào lưu công suất theo phương pháp Raphson, các phương trình tính toán dòng công suất P, Q sẽ có dạng :

J

J J Q

P

QV Q

Các phần tử của ma trận Jacobi cho biết độ nhạy giữa sự thay đổi trào lưu công suất và điện áp nút Ổn định điện áp hệ thống điện bị ảnh hưởng bởi cả 2 thông số P và Q Tuy vậy tại mỗi điểm làm việc chúng ta giữ P không đổi và đánh giá ổn định điện áp bằng việc xét mối liên hệ tăng lên giữa Q và V

Bằng phép đặt P0 khi đó phương trình (2-6) tương đương với 2 phương trình sau:

V J

J P   PV

0 (2-7)

V J J

Q Q   QV

Từ phương trình ( 2-7) ta có:

V J

V J

Như vậy một hệ thống ổn định về điện áp tại điểm làm việc cho trước, nếu tại mọi nút trong hệ thống khi được cung cấp thêm một lượng công suất phản kháng thì độ lớn điện áp sẽ tăng lên và ngược lại nếu tồn tại một nút có độ lớn điện áp giảm xuống thì hệ thống sẽ không ổn định Nói cách khác một hệ thống ổn định về điện áp nếu tất cả các nút có độ nhạy VQ dương và không ổn định khi có ít nhất một nút có độ nhạy VQ âm

Phương pháp phân tích trạng thái (modal) QV

Đặc tính ổn định điện áp hệ thống điện có thể được nhận biết bằng sự tính toán các giá trị riêng và véc tơ riêng ma trận Jacobi rút gọn JR được định nghĩa bằng phương trình (2-11) Ta có:

: ma trận véc- tơ riêng bên phải của JR

: ma trận véc tơ riêng bên trái của JR

: ma trận giá trị riêng đường chéo của JR

Mỗi giá trị riêng i, véc tơ riêng bên phải i và véc tơ riêng bên trái i xác định trạng thái thứ i của đáp ứng QV

xác định mức độ ổn định của điện áp trạng thái thứ i

Khi i 0, điện áp trạng thái thứ i sụp đổ

2.3 Đặc tuyến PV và phân tích ổn định điện áp

2.3.1 Đường đặc tuyến PV

Như đã đề cập ở phần trước, khi chiếu đường đặc tuyến trong không gian (V,P,Q) như hình 2.3 xuống mặt phẳng (V, P) ta sẽ thu được đường đặc tuyến PV Khi phân tích về sự ổn định điện áp thì quan hệ giữa công suất truyền tải P và điện

áp cuối đường dây V rất được quan tâm

Áp dụng đường cong P-V là một phương pháp tổng quát để kiểm tra ổn định điện áp Đường cong P-V hữu ích đối với việc phân tích ổn định điện áp trên các sơ

đồ hệ thống điện dạng tia Phương pháp này cũng được sử dụng cho các hệ thống điện lớn, trong đó P là tổng tải trong một khu vực và V là điện áp tại một nút tiêu biểu Đại lượng P cũng có thể là công suất truyền dọc theo một đường truyền tải hay là trên đường dây liên kết các hệ thống

Quá trình phân tích của hệ thống điện bao gồm việc giải quyết bài toán phân

bố công suất trong hệ thống điện, từ kết quả của bài toán đó ta thu được sự phân bố công suất tác dụng P trong hệ thống điện và từ đó giám sát tác động

Hình 2.5 là dạng tiêu biểu nhất của đặc tuyến PV Nó biểu diễn sự thay đổi điện áp tại từng nút được xét như là một hàm của tổng công suất tác dụng truyền đến nó Ta có thể thấy rằng tại điểm tới hạn của đường đặc tuyến PV, điện áp sẽ giảm rất nhanh khi có sự tăng công suất tác dụng của phụ tải Bài toán trào lưu công suất sẽ không hội tụ nếu công suất tác dụng vượt quá điểm này, điều này tương ứng với việc hệ thống điện sẽ không ổn định Như vậy đường đặc tuyến này có thể được

sử dụng để xác định điểm làm việc tới hạn của hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp của hệ thống Từ đó xác định độ dữ trữ ổn định điện áp

Hình 2.5 Đặc tuyến PV cơ bản

của hệ thống Chi tiết về thuật toán xác định giới hạn ổn định điện áp sẽ được đề cập ở mục sau của chương này

2.3.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến PV

Quay trở lại với mạng điện đơn giản như hình 2.2, quan hệ giữa công suất truyền tải từ nút máy phát và điện áp tại 2 nút có thể biểu diễn bởi phương trình sau:



j R R

R jQ V I e

)(

42

2 1

4 2

2

V X P X P

V X P

V

V R  S  R  S  R R  (2-20) Trong đó:

- PR là công suất tác dụng truyền đến nút phụ tải qua đường dây

- QR là công suất phản kháng truyền đến nút phụ tải qua đường dây

- X là điện kháng của đường dây truyền tải Ở đây coi đường dây có điện trở nhỏ nên Z LN  jX

-   tan

Giả sử V S  1, X=0.5pu, ta có thể biểu diễn quan hệ giữa VR và PR bằng đường đặc tuyến PV như hình 2.6 ở dưới Vì đường đặc tuyến PV dựa trên quan hệ đẳng thức bậc hai nên ứng với một giá trị PR ta có 2 giá trị của VR Tương ứng trên đồ thị là 2

vị trí: điểm A và điểm B Trong đó điểm A biểu diễn cho điểm vận hành ổn định của hệ thống và điểm B biểu diễn cho điểm vận hành không ổn định Như vậy ta cần quan tâm đến điểm A vì đây là điểm vận hành bình thường của hệ thống

Điểm C trên đồ thị chính là điểm tới hạn Nếu công suất tác dụng truyền tải trên đường dây vượt quá giá trị này thì sẽ gây ra mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp Như vậy khoảng cách từ điểm A đến điểm C (từ điểm vận hành đến điểm tới hạn) chính là độ dự trữ ổn định điện áp của đường đặc tuyến PV Độ dự trữ này càng lớn thì nút càng ổn định điện áp, nghĩa là nếu có biến động như tăng tải, mất một đường dây truyền tải thì khả năng mất ổn định điện áp sẽ thấp hơn so với nút có độ dự trữ ổn định điện áp thấp

Khảo sát trường hợp có sự cố trên đường dây truyền tải thì ảnh hưởng thế nào đến sự ổn định điện áp bằng cách khảo sát các biến đổi của đường đặc tuyến PV trong trường hợp này

Xét mạng điện đơn giản gồm 2 nút với 2 đường dây truyền tải như hình 2.7 ở dưới

Giả sử 2 đường dây có điện kháng khác nhau ( X1= 0.8 pu, X2 = 1.2 pu ) Vì

2 đường dây song song nên điện kháng tổng bằng 0.48 pu Như vậy ở chế độ bình thường, đường đặc tuyến PV ứng với mô hình mạng điện này sẽ giống như hình 2.2

Khi có biến động làm mất đi một đường dây truyền tải X1 = 0,8 pu thì đường đặc tuyến PV sẽ biến đổi từ đường đặc tuyến số 1 thành đường đặc tuyến số

2 Còn điểm làm việc ban đầu điểm A sẽ thành điểm B trên đường đặc tuyến số 2

cos

Hình 2.7 Mạng điện đơn giản gồm 2 nút, 2 đường dây truyền tải

jX 1

jX 2

Tại trạng thái này hệ thống vẫn ổn định điện áp, tuy nhiên bây giờ thì độ dự trữ ổn định điện áp đã giảm xuống (khoảng cách từ điểm vận hành tới điểm tới hạn mới

đã bé lại)

Khi mất đường dây có điện kháng lớn hơn (X= 1.2 pu) Đường đặc tuyến PV được mô tả như hình 2.9 Lúc này, ta thấy điểm làm việc biến đổi từ điểm A thành điểm C và tiếp cận với điểm tới hạn rất gần Tại đây tuy là hệ thống vẫn có thể vận hành nhưng chỉ cần có một biến động nhỏ (như tăng tải) thì sẽ gây nên mất ổn định điện áp

Hình 2.8 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây

0.8 pu

Hai trường hợp trên ứng với giá trị PR nhỏ khi hệ thống vận hành bình thường để khi có sự cố mất một đường dây truyền tải thì hệ thống vẫn có thể làm việc được (điểm làm việc mới chưa vượt điểm giới hạn) Tuy nhiên, nếu như điểm làm việc ban đầu có PR lớn hơn thì khi có sự cố bất kỳ đường dây nào cũng sẽ gây mất ổn định điện áp Điều này có thể minh họa như hình 2.10

Trên hình 2.10, đường đặc tuyến số 1 ứng với lúc làm việc bình thường, đường đặc tuyến số 2 ứng với lúc mất đường dây 0.8 pu, đường đặc tuyến số 3 ứng với lúc mất đường dây 1.2 pu Như vậy với điểm A làm việc ban đầu của hệ thống thì khi có sự cố mất bất kỳ đường dây nào cũng gây ra mất ổn định điện áp

Các đường đặc tuyến PV ta xét ở trên là với  tan 0, có nghĩa là ta chưa xét đến ảnh hưởng của hệ số công suất tải Theo công thức (2-1) thì đường đặc tuyến PV còn phụ thuộc vào hệ số tải khác nhau Hình 2.11 biểu diễn các họ đường đặc tuyến

Như vậy qua khảo sát quan hệ giữa sự thay đổi điện áp V theo sự thay đổi của công suất tác dụng P cung cấp cho phụ tải ta thấy tồn tại điểm “mũi” của đường cong PV, đây chính là điểm giới hạn ổn định điện áp nút tải hay còn gọi là điểm sụp đổ điện áp ứng với công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải đạt giá trị cực đại Điện áp giới hạn Vgh chỉ phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải mà không phụ thuộc vào điện kháng của đường dây Trong khi đó công suất giới hạn Pgh phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải, đồng thời tỉ lệ nghịch với điện kháng đường dây Hệ số công suất càng bé thì độ dự trữ của công suất tác dụng Pgh sẽ càng giảm

P lớn hơn Pgh thì hệ thống không tồn tại chế độ xác lập (hệ thống mất ổn định) Đây là cơ sở cho phép sử dụng các phần mềm tính toán giải tích mạng điện để xây dựng đường cong PV cho hệ thống điện phức tạp theo phương pháp trào lưu công suất dùng thuật toán Newton-Raphson bằng cách làm nặng dần chế độ (Kịch bản tăng dần phụ tải cho đến khi bài toán không hội tụ) để xác định tọa độ điểm giới hạn

2.4 Đặc tuyến QV và phân tích ổn định điện áp

hưởng của đặc tính công suất phản kháng của thiết bị nhận cuối (phụ tải hay thiết bị bù) được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường đặc tuyến QV

Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ Hình 2.12 chỉ ra dạng tiêu biểu của đường đặc tuyến QV Từ hình 2.12 có thể thấy rằng, giới hạn ổn định điện áp chính là tại điểm có đạo hàm dQ/dV = 0 Điểm này còn được định nghĩa là lượng công suất phản kháng nhỏ nhất

để vận hành ổn định

Trong điều kiện bình thường, hệ thống vận hành ổn định Nếu tăng công suất phản kháng Q bơm vào nút thì điện áp nút sẽ tăng lên, tương ứng trên hình là phần bên phải của điểm tới hạn Còn nếu ngược lại công suất phản kháng bơm vào tăng mà điện áp nút giảm thì đó là trạng thái không ổn định (điểm vận hành ở bên trái điểm tới hạn)

2.4.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến QV

Trên cơ sở của đường đặc tuyến PV ta sẽ thiết lập được đường đặc tuyến QV ứng với ứng với các giá trị của P ta sẽ có quan hệ giữa V và Q, quan hệ đó được biểu diễn như hình 2.12 Hệ thống sẽ ổn định tại vùng

R

R

dV

dQ

dương Giới hạn không

ổn định của hệ thống là tại điểm mà đạo hàm trên bằng 0

Hình 2.12 Dạng đường đặc tuyến QV điển hình

Khảo sát sơ đồ điện đơn giản 2 nút như hình 2.13, trong đó có 1 nguồn điện

công suất vô cùng lớn có điện áp E0 cấp điện cho phụ tải P+jQ với điện áp V

qua đường dây với trở kháng jX và có 1 máy bù giả tưởng nối tại nút phụ tải với

Pg=0, Qc 0 để mô phỏng và phân tích lượng công suất phản kháng bơm vào nút