Ổn định điện áp của nút phụ tải, sử dụng SVC nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện việt nam năm 2015

Nhiều nghiên cứu về mất ổn định điện áp đã được thực hiện để đề xuất các biện pháp ngăn ngừa và chống lại sự cố sụp đổ điện áp SĐĐA như: sa thải phụ tải, huy động các máy phát dự phòng,

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

-

PHẠM QUANG CHIẾN

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CỦA NÚT PHỤ TẢI,

SỬ DỤNG SVC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO

HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2015

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan .

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 3

1.1 Khái quát về ổn định điện áp 3

1.1.1 Khái niệm về ổn định: 3

1.1.2 Khái niệm ổn định điện áp: 4

1.1.3 Đặc tính của những phần tử trong HTĐ liên quan đến ÔĐĐA: 7

1.1.4 Hiện tượng sụp đổ điện áp: 12

1.2 Ổn định điện áp tại nút phụ tải: 16

1.2.1 Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng 16

1.2.2 Ổn định của HTĐ đơn giản nhận công suất 18

1.3 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (Tiêu chuẩn Gidanov) 26

1.4 Một số biện pháp nâng cao ổn định và ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp 28

1.4.1 Các biện pháp vận hành: 28

1.4.2 Các biện pháp thiết kế: 29

1.5 Kết luận: 31

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC 32

2.1 Sơ lược về SVC: 32

2.2 Các phần tử cơ bản của SVC: 33

2.2.1 TCR và TSR: 33

2.2.2 TSC: 39

2.3 Thiết bị bù tĩnh có điều khiển (SVC): 41

2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC: 41

2.3.2 Các thành phần điều khiển của SVC: 49

2.3.3 Hiệu quả nâng cao ổn định điện áp của SVC: 58

2.4 Kết luận: 59

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU, KHAI THÁC PHẦN MỀM CONUS TÍNH TOÁN ỔN

ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 60

3.1 Giao diện trong CONUS: 60

3.1.1 Các trường dữ liệu trong CONUS: 60

3.1.2 Soạn thảo sơ đồ trong CONUS: 61

3.2 Các chức năng chạy chương trình: 63

3.2.1 Tính chế độ xác lập: 63

3.2.2 Tính toán bù kinh tế: 63

3.2.3 Tính toán ổn định tĩnh: 63

CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỆN 500, 220kV ViỆT NAM ĐẾN NĂM 2015 67

4.1 Nguồn điện: 67

4.2 Lưới điện 220 – 500 kV: 71

4.2.1 Lưới điện 500 kV: 71

4.2.2 Lưới điện 220 kV: 74

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN CĐXL VÀ ỨNG DỤNG SVC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HTĐ VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2015 78

5.1 Nội dung tính toán và các giả thiết cơ bản: 78

5.1.1 Nội dung tính toán: 78

5.1.2 Các giả thiết cơ bản: 78

5.2 Tính toán phân tích các đặc trưng ổn định tĩnh HTĐ Việt Nam 2015: 79

5.2.1 Khảo sát chế độ xác lập: 79

5.2.2 Phân tích độ nhậy: 82

5.3 Sử dụng SVC nâng cao độ dự trữ ổn định điện áp nút phụ tải: 83

Kết luận và kiến nghị 89

Tài liệu tham khảo 90

Phụ lục

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một bản luận văn nghiên cứu nào khác

Hà Nội, tháng 3 năm 2011 TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Quang Chiến

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Giải thích

8 ULTCs Máy biến áp điều áp dưới tải

9 FACTS Flexible AC Transmission Systems

10 SVC Static Var Compensator

11 TCR Thyristor-Controlled Reactor

12 TSR Thyristor-Switched Reactor

13 TSC Thyristor-Switched Capacitor

14 NMTĐ Nhà máy thủy điện

15 NMNĐ Nhà máy nhiệt điện

16 EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam

17 IPP, BOT Dự án nguồn điện độc lập, dự án có vốn BOT nước ngoài

18 P0 Công suất truyền tải ở chế độ xác lập

19 Pgh Công suất truyền tải ở chế độ giới hạn

20 U0 Điện áp ở chế độ xác lập

21 Ugh Điện áp ở chế độ giới hạn

22 kU% Hệ số sụt áp nút

23 kP% Hệ số biến thiên công suất nhánh

24 dP/dδ Tốc độ biến thiên công suất tác dụng theo góc lệch

25 dQ/dU Tốc độ biến thiên công suất phản kháng theo điện áp

26 dU/dk Tốc độ biến thiên điện áp theo hệ số làm nặng

27 dδ/dk Tốc độ biến thiên góc lệch pha theo hệ số làm nặng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các thông số bộ điều chỉnh điện áp SVC điển hình 53

Bảng 4.1: Danh mục nguồn điện đến năm 2015 .68

Bảng 4.2: Danh mục các trạm biến áp 500kV đến năm 2015 .72

Bảng 4.3: Danh mục các đường dây 500kV đến năm 2015 73

Bảng 5.1: Công suất truyền tải và giá trị điện áp của hệ thống 500kV trong chế độ vận hành phụ tải cực đại .80

Bảng 5.2: Kết quả biến thiên thông số các nút 500kV – Chế độ phụ tải cực đại 82

Bảng 5.3: Độ dự trữ ổn định của hệ thống khi thay đổi dung lượng bù của SVC (Đặt SVC tại một nút yếu của hệ thống) 85

Bảng 5.3: Độ dự trữ ổn định của hệ thống khi thay đổi dung lượng bù của SVC (Khi đặt SVC tại một số nút yếu của hệ thống) 88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: .4

Hình 1.2: Đặc tính của hệ thống điện đơn giản .7

Hình 1.3: Ảnh hưởng của mất điều khiển điện áp tại nút trung gian 10

Hình 1.4: .17

Hình 1.5: .18

Hình 1.6: Đặc tính công suất tác dụng theo góc lệch δ .19

Hình 1.7: .21

Hình 1.8: Miền ổn định hệ thống theo P, Q .23

Hình 1.9: .24

Hình 1.10: Đặc tính công suất phản kháng theo điện áp nút .25

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC .32

Hình 2.2: a.Cấu tạo của TCR, b.Điều khiển góc đánh lửa, c.Dạng sóng vận hành 34 Hình 2.3: Biến thiên biên độ các dòng điện thành phần cơ bản qua TCR phụ thuộc góc mở α 35

Hình 2.4: Đặc tính V-I của TCR 36

Hình 2.5: Biên độ các thành phần dòng điện bậc cao của TCR so với α 37

Hình 2.6: Dạng sóng minh họa cho phương pháp điều khiển tuần tự để giảm sóng hài bằng hệ thống 4 TCR 37

Hình 2.7: Cách sắp xếp 12 xung 2 bộ TCR và dạng sóng dòng điện .38

Hình 2.8: Cấu tạo TSC và dạng sóng vận hành 39

Hình 2.9: Dạng sóng minh họa quá trình đóng cắt không có QTQĐ của TSC .40

Hình 2.10: Đặc tính V-I của TCR .41

Hình 2.11: Cấu tạo SVC và đặc tính công suất yêu cầu so với công suất đầu ra 41

Hình 2.12: Đặc tính V-I của SVC .42

Hình 2.13: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp 43

Hình 2.14: Đặc tính điều chỉnh của SVC có đặc tính điều chỉnh mềm .44

Hình 2.15: Sơ đồ và hoạt động của Thyristor 44

Hình 2.16: Quá trình điều chỉnh dòng điện trong TCR bằng cách thay đổi góc cắt α

của Thyristor .45

Hình 2.17: Sóng tín hiệu dòng điện của TCR 45

Hình 2.18: Đặc tính điều chỉnh dòng điện của TCR theo góc cắt α .47

Hình 2.19: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR .48

Hình 2.20: Sơ đồ điều khiển chức năng của SVC 49

Hình 2.21: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển của SVC 50

Hình 2.22: Mạch đo của module điều khiển cho SVC .51

Hình 2.23: Các cách thức điều chỉnh điện áp .52

Hình 2.24: Mô hình cơ bản 1 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và mô hình điều chỉnh điện áp (b) 54

Hình 2.25: Mô hình cơ bản 2 của IEEE cho hệ thống điều khiển của SVC (a) và mô hình điều chỉnh điện áp (b) 54

Hình 2.26: Mô hình PLL nói chung cho hệ thống điều khiển số .55

Hình 2.27: Sơ đồ khối điều khiển góc đánh lửa của TCR 57

Hình 2.28: Đồ thị biến thiên giới hạn ổn định điện áp khi tải có hệ số công suất tải thay đổi, (a) khi chưa bù và (b) khi có bù .58

Hình 3.1: Màn hình kết quả phân tích hiệu quả bù .63

Hình 3.2: Màn hình kết quả tính toán hệ số dự trữ ổn định .64

Hình 3.3: Màn hình kết quả phân tích độ nhậy .65

Hình 3.4: (a) Bảng “Làm biến thiên chế độ”, (b) Miền ổn định (nút tải 5) xây dựng trên Exel 66

Hình 4.1: Cơ cấu nguồn điện theo công suất đặt năm 2015 .70

Hình 5.1, 5.2: Kết quả tính toán trào lưu công suất và điện áp nút của HTĐ Việt Nam đến năm 2015 trong chế độ phụ tải cực đại PL Hình 5.3: Biểu đồ thay đổi độ dự trữ ổn định HT theo công suất đặt của SVC 85

Hình 5.4: Biểu đồ miền ổn định của nút tải 220kV Sài Đồng trước và sau khi đặt SVC .86

Hình 5.5: Biến thiên dU/dk của nút 500kV Thường Tín theo hệ số làm nặng 86

Hình 5.6: Độ dự trữ ổn định tĩnh HT khi đặt SVC tại một số nút yếu của HTĐ .88

MỞ ĐẦU

Ổn định điện áp (ÔĐĐA) không phải là vấn đề mới của ngành công nghiệp điện năng nhưng vẫn nhận được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong nhiều năm qua Các vấn đề liên quan đến điện áp thường xảy ra trong các hệ thống điện yếu và những đường dây dài do sự tăng cao của nhu cầu phụ tải Nhiều công trình nghiên cứu đã trình bày về sự quan trọng của ổn định điện áp, một vài trường hợp mất ổn điện điện áp dẫn đến hệ thống điện lớn bị sụp đổ xảy ra trên thế giới cho thấy hậu quả nghiêm trọng của loại sự cố này

Một số sự cố mất ổn định điện áp đã xảy ra trên thế giới:

• New York (Mỹ) ngày 22/9/1970

“mất ổn định điện áp” và “sụp đổ điện áp” xuất hiện ngày càng nhiều trong các tài liệu giảng dạy và các cuộc thảo luận về vận hành hệ thống

Nhiều nghiên cứu về mất ổn định điện áp đã được thực hiện để đề xuất các biện pháp ngăn ngừa và chống lại sự cố sụp đổ điện áp (SĐĐA) như: sa thải phụ tải, huy động các máy phát dự phòng, sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng… Trong đó biện pháp sử dụng bộ tụ bù ngang có điều khiển (SVC) tỏ ra có hiệu quả

rõ rệt và đang được sử dụng rộng rãi trong các Hệ thống điện để nâng cao ổn định điện áp, đồng thời nâng cao ổn định tĩnh của hệ thống

Mục đích nghiên cứu:

− Nghiên cứu về ổn định điện áp và hiện tượng sụp đổ điện áp của nút tải

− Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tác động điều khiển của SVC

− Phân tích hiệu quả điều khiển của SVC để ổn định điện áp đối với HTĐ

220 - 500kV Việt Nam đến năm 2015

Ý nghĩa khoa học:

Với những nội dung nghiên cứu nêu trên, luận văn có ý nghĩa đáng kể về mặt khoa học Đồng thời luận văn còn có ý nghĩa thực tiễn là đánh giá hiệu quả điều khiển của SVC để ổn định điện áp khi áp dụng với HTĐ 220 - 500kV Việt Nam đến năm 2015

Bố cục của Luận văn:

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung luận văn được trình bày trong 5 chương:

Chương 1: Tổng quan về ổn định điện áp

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

Chương 3: Giới thiệu, khai thác phần mềm CONUS tính toán ổn định HTĐ Chương 4: HTĐ 500,220kV Việt Nam đến năm 2015

Chương 5: Tính toán CĐXL và ứng dụng SVC nâng cao ổn định điện áp HTĐ Việt Nam đến năm 2015

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

1.1 KHÁI QUÁT VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Ngoài CĐXL còn diễn ra các CĐQĐ trong HTĐ Đó là các chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác CĐQĐ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích động lớn) CĐQĐ được gọi là CĐQĐ bình thường nếu nó tiến đến CĐXL mới Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi Ngược lại, có thể diễn ra CĐQĐ với thông số

hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0 CĐQĐ khi

đó được gọi là CĐQĐ sự cố Nói chung, với mọi HTĐ yêu cầu nhất thiết phải đảm bảo cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang CĐXL mới, bởi CĐQĐ chỉ có thể là tạm thời, CĐXL mới là chế độ làm việc lâu dài của HTĐ

Từ khái niệm về các chế độ của HTĐ có thể thấy rằng điều kiện tồn tại CĐXL gắn liền với sự tồn tại điểm cân bằng công suất Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống mới giữ được không đổi Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần của CĐXL Thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng (tuy rất nhỏ), chẳng hạn những thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải Chính trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của

các thông số, nghĩa là đảm bảo tồn tại CĐXL Khả năng này phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống: tính ổn định tĩnh (điều kiện đủ)

Các định nghĩa về ổn định:

- Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu (trong trường hợp kích động không được loại trừ)

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

Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài

1.1.2 Khái niệm ổn định điện áp

i i

E U U

i F

E U U

Coi đặc tính Q là hằng số (thực tế là đường cong)

- Điều kiện cần để điểm cân bằng bền: Q < QFmax

- Điều kiện đủ để điểm cân bằng bền:

¾ Tại C: Xét kích động của phụ tải làm ∆U > 0: QF > Q → U↑ → xa khỏi U01

∆U < 0 → QF < Q → U↓ → xa khỏi U01

→ điểm C: cân bằng không ổn định

¾ Tại D: ∆U > 0: QF < Q → U↓ → quay về U02

∆U < 0 → QF > Q → U↑ → quay về U02

→ điểm D: cân bằng bền - ổn định

→ Hệ thống ổn định ở điểm D

Nếu vượt quá xa U01 → hệ thống bị sụp đổ điện áp → đặc tính phụ tải bị biến động mạnh (do U↓ → các thiết bị bảo vệ làm việc → các phần tử trong hệ thống tách ra…)

Giả sử cần phải ngừng sửa chữa máy phát 3 → làm đặc tính Q(U) thấp xuống

→ chế độ sau sự cố: chế độ xác lập vẫn có thể tồn tại, nhưng chất lượng điện năng không cao

Có chế độ sau sự cố: với nguồn rất lớn (ví dụ MF1) → làm đặc tính Q(U) quá thấp → không thể tồn tại chế độ xác lập sau sự cố → sa thải phụ tải

Dưới đây là một số khái niệm liên quan đến ổn định điện áp:

- ÔĐĐA (Voltage Stability): là khả năng của một Hệ thống điện khôi phục

lại điện áp ban đầu hay rất gần với điện áp ban đầu khi bị các kích thích nhỏ ở nút phụ tải Khi có sự thay đổi phụ tải (tăng hoặc giảm) thì cả công

suất và điện áp đều có thể điều khiển được Ổn định điện áp được phân thành hai loại: ổn định điện áp khi có nhiễu động lớn và ổn định điện áp khi có nhiễu động nhỏ

+ Ổn định điện áp khi có nhiễu động lớn: là khả năng của hệ thống có thể điều chỉnh được điện áp sau những nhiễu động lớn như: những sự cố hệ thống, mất tải hay mất mất máy phát Để xác định dạng ổn định này cần

kiểm tra sự vận hành động của hệ thống vượt quá thời gian tác động điều chỉnh có hiệu quả của các thiết bị như các bộ điều áp dưới tải và các bộ giới hạn dòng điện trường của máy phát Ổn định điện áp khi có nhiễu động lớn có thể chia tiếp thành hai dạng: nhất thời hoặc diễn ra trong một thời gian dài

+ Ổn định điện áp khi có những nhiễu động nhỏ: là khả năng của hệ thống

có thể điều chỉnh được điện áp sau những nhiễu động nhỏ như sự thay đổi của phụ tải

- SĐĐA (Voltage Collapse) là hậu quả do mất ổn định điện áp dẫn đến điện

áp giảm thấp không thể chấp nhận được trong một phần quan trọng của HTĐ

- Độ dự trữ ổn định: đây là đại lượng phản ánh sự so sánh giữa chế độ được

xét ổn định và chế độ giới hạn ổn định, tức là chế độ mà bắt đầu từ đó hệ thống mất ổn định Độ dự trữ ổn định của hệ thống điện là độ dự trữ của chế độ có độ dự trữ bé nhất trong tất cả các chế độ có thể xảy ra của hệ thống điện

Một hệ thống có thể mất ổn định sau kích động dẫn đến điện áp giảm mạnh

mà người vận hành và các hệ thống điều khiển tự động không cải thiện được điện

áp Nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp thường là do hệ thống điện không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng (CSPK) cho phụ tải Công suất tại các nút phụ tải của Hệ thống điện thường xuyên thay đổi để đáp ứng nhu cầu của hộ tiêu thụ, khi phụ tải tăng đến một mức nào đó sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp Tuy hệ thống không ổn định điện áp là hiện tượng mang tính cục bộ nhưng hậu quả của nó lại có thể rất nghiêm trọng, do đó Hệ thống điện cần có khả năng giữ ổn định điện

áp Để đảm bảo hệ thống điện giữ được ổn định điện áp, phải phối hợp các biện pháp cải thiện công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp Nếu các tác động điều khiển không hợp lý thì khi nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải tăng liên tục,

hệ thống điện có thể bị mất ổn định điện áp

Sau những kích động, điện áp hệ thống thường không thể trở về giá trị ban đầu Do đó cần thiết phải xác định được giới hạn điện áp cho phép Hệ thống như vậy được gọi là ổn định hữu hạn trong phạm vi điện áp xác định

1.1.3 Đặc tính của những phần tử trong HTĐ liên quan đến ổn định điện áp

Ổn định điện áp là vấn đề thường xuất hiện trong những hệ thống bị căng thẳng trong việc cung cấp công suất Sự sụp đổ điện áp có thể được khởi xướng bởi một loạt những nguyên nhân, tuy nhiên vấn đề chính là do sự yếu kém của hệ thống điện Bên cạnh sức mạnh của hệ thống truyền tải và các cấp biến đổi năng lượng (các máy biến áp), nhân tố chính dẫn đến sự sụp đổ điện áp là giới hạn điều khiểu công suất phát/điện áp của máy phát, đặc điểm của phụ tải, đặc điểm của các thiết bị

bù, và sự hoạt động của các thiết bị điều khiển điện áp như máy biến áp điều áp dưới tải (ULTCs)

Trong phạm vi của quyển luận văn này, ta sẽ đề cập đến đặc điểm của hệ thống truyền tải, máy phát, tải và các thiết bị bù

1.1.3.1 Đặc tính của hệ thống truyền tải:

Những đặc điểm thú vị đó là các mối quan hệ giữa công suất truyền tải (PR), điện áp cuối đường dây (VR) và sự thay đổi của công suất phản kháng (Qi)

Dòng điện I, điện áp cuối đường dây (VR) và công suất truyền tải (PR) được xác định theo những công thức sau:

LN

E I

Z F

2os

S LD R

LN

E Z

Cho một giá trị công suất truyền tải PR (PR < PRMAX), hai điểm làm việc có thể được xác định tương ứng với các giá trị khác nhau của ZLD Như đồ thị trên hình 1.2.b với PR = 0.8 Điểm phía bên trái tương ứng với điểm làm việc bình thường, Tại điểm làm việc bên phải, I lớn hơn và VR thấp hơn so với điểm ở bên trái

Khi nhu cầu phụ tải cao hơn khả năng truyền tải công suất cực đại, công suất đảm bảo theo đồ thị phụ tải có thể không bền vững, phụ tải tăng lên dẫn đến giảm công suất truyền tải Trong vùng bên phải, điện áp của nút tải có thể bị giảm mạnh phụ thuộc vào đặc tính Phụ tải – điện áp Với đặc tính tải không thay đổi, hệ thống

ổn định với điện áp cuối đường dây thấp hơn so với bình thường Trong trường hợp

khác, nếu phụ tải được cung cấp bởi một máy phát có điều chỉnh điện áp dưới tải, thay đổi các đầu phân áp để cố gắng làm tăng điện áp nút tải, là nguyên nhân làm

VR tiếp tục giảm hơn nữa Đó là dấu hiệu của sự mất ổn định điện áp

Một số nguyên nhân dẫn đến mất ổn định điện áp:

• Phụ tải trên đường dây truyền tải tăng cao

• Nguồn điện áp ở quá xa so với trung tâm phụ tải

• Điện áp nguồn giảm thấp

• Không đảm bảo nhu cầu công suất phản kháng cho phụ tải

1.1.3.2 Đặc tính của máy phát

Các máy phát tự động điều khiển điện áp (Generator AVR) là phần tử quan trọng để điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện Ở điều kiện bình thường điện áp tại các đầu máy phát được giữ không đổi Trong suốt quá trình điện áp giảm thấp, yêu cầu công suất phản kháng do máy phát cung cấp có thể vượt quá giới hạn Khi công suất phản kháng từ những nguồn bên ngoài đạt đến giới hạn, điện áp tại đầu máy phát không còn được duy trì nữa

Dòng điện trường trong máy phát được giới hạn tự động bởi thiết bị giới hạn kích động quá mức (OXL) Với dòng điện trường không đổi, điểm có điện áp không đổi ở phía sau điện kháng đồng bộ Hiệu ứng này làm tăng đáng kể điện kháng hệ thống, từ đó làm trầm trọng thêm hiện tượng sụp đổ điện áp

Trong hầu hết các máy phát, giới hạn dòng điện phần ứng được phát hiện thông qua đèn báo Người vận hành sẽ giảm công suất phát để đưa dòng điện trường quay lại giới hạn an toàn Trong một số máy phát, các thiết bị tự động giới hạn dòng điện phần ứng với thời gian trễ được sử dụng để hạn chế công suất phản kháng phát

ra thông qua AVR (automatic voltage regulator)

Hình vẽ minh họa tác động mất khả năng điều khiển điện áp máy phát, với hệ thống như hình 1.3

Hình 1.3: Ảnh hưởng của mất điều khiển điện áp tại nút trung gian

Với điện thế tại nút trung gian được duy trì, đặc tính V-P như đường cong 1 trên hình 1.3.b Khi máy phát nối vào nút trung gian đạt đến dòng điện trường giới hạn, điện thế nút (V1) không được duy trì lâu hơn nữa và đặc tính V-P sẽ như đường cong 2 Giả sử máy phát đang vận hành tại điểm A thì độ ổn định theo đường cong

1 là đáng kể hơn so với đường cong 2 Kết quả này giải thích sự quan trọng phải duy trì khả năng điều chỉnh điện áp của máy phát Thêm nữa, điều đó cho thấy không thể đánh giá ổn định điện áp chỉ dựa trên điện áp nút có gần với cấp điện áp bình thường hay không

và CSPK (Q)) không đổi Đó là dấu hiệu của hiện tượng sụp đổ điện áp

Khi các bộ điều áp dưới tải đạt đến nấc điều chỉnh cuối cùng, điện áp của hệ thống phân phối bắt đầu giảm xuống Phụ tải sinh hoạt và phụ tải công suất phản

kháng sẽ giảm theo điện áp Đó là khởi đầu cho việc giảm công suất truyền tải trên đường dây và cuối cùng sẽ mất công suất phản kháng của đường dây Với những phụ tải công nghiệp, phần lớn các động cơ cảm ứng sẽ thay đổi chút ít Tuy nhiên những tụ điện trong khu công nghiệp sẽ cung cấp ít công suất phản kháng hơn, làm nghiêm trọng hơn sự thiếu hụt công suất phản kháng

Khi mà điện áp của lưới phân phối vẫn còn thấp trong một vài phút, những bộ điều chỉnh nhiệt và các thiết bị điều chỉnh tải khác, là những biện pháp điều khiển tốt, hướng tới khôi phục phụ tải Ví dụ những tải kiểu đốt nóng sẽ chạy lâu hơn để nâng nhiệt độ đến cấp độ định trước bởi bộ điều chỉnh nhiệt Do đó, hầu hết các thiết bị này sẽ hoạt động bất cứ lúc nào Nhiều tải loại này sẽ khôi phục lại giá trị điện áp bình thường trong khoảng từ 10 đến 15’ Khi cảm biến điện áp thay đổi do

sự quay trở lại của phụ tải, điện áp truyền tải và phân phối sẽ giảm hơn nữa

Khi điện áp giảm xuống còn 85 đến 90% giá trị bình thường, một số động cơ cảm ứng sẽ quay chậm lại và đẩy cao dòng điện phản kháng Điều này sẽ làm cho điện áp xuống thấp nữa Những động cơ thương mại và công nghiệp thường xuyên được điều khiển bởi những bộ đóng cắt từ tính, do đó, điện áp giảm sẽ làm nhiều động cơ dừng hoạt động Mất tải sẽ giúp khôi phục điện áp Sau một vài lần, những động cơ sẽ khôi phục lại hoạt động Tuy nhiên điện áp lại bị giảm nếu những nguyên nhân ban đầu vẫn chưa được giải quyết

1.1.3.4 Đặc tính của các thiết bị bù công suất phản kháng

a) Tụ bù ngang (song song):

Cho đến nay hầu hết các phương pháp không đắt tiền để bù công suất phản kháng và hỗ trợ điện áp đều sử dụng bộ tụ bù ngang Chúng được sử dụng để nâng cao giới hạn ổn định điện áp Chúng còn có thể được sử dụng như là “dự trữ điện kháng quay” trong máy phát và do đó giúp chống SĐĐA trong nhiều tình huống Tuy nhiên, tụ bù ngang có một số giới hạn từ quan điểm ổn định và điều khiển điện áp:

• Trong những hệ thống lớn sử dụng tụ bù ngang, phạm vi điều chỉnh điện áp hẹp

• Ngoài một số cấp độ bù, tụ bù ngang không đảm bảo vận hành ổn định

• Dung lượng công suất phản kháng tạo ra bởi tụ bù ngang tỷ lệ với bình phương của điện áp, trong điều kiện điện áp hệ thống giảm thấp, dung lượng bù bị giảm xuống → những sự cố phức tạp

b) Tụ bù ngang có điều khiển:

Một hệ thống bù tĩnh (SVS) với công suất hữu hạn sẽ điều chỉnh được công suất phản kháng phát ra đến cực đại của nó Sẽ không có những vấn đề mất ổn định hay không điều khiển được điện áp trong phạm vi điều chỉnh Khi đến ngưỡng giới hạn, SVS trở thành một tụ điện thông thường Khả năng mất ổn định điện áp phải được nhận biết

Máy bù đồng bộ, không giống như SVS, là nguồn áp Nó tiếp tục cung cấp công suất phản kháng khi điện áp giảm thấp và góp phần nhiều hơn vào quá trình ổn định điện áp

c) Tụ bù dọc (nối tiếp):

Tụ bù dọc có thể tự điều chỉnh Công suất phản kháng cung cấp bởi tụ bù dọc

tỷ lệ với bình phương của dòng điện và phụ thuộc vào điện áp nút Đó là đặc tính tốt

để ổn định điện áp

Tụ bù dọc là thiết bị lý tưởng để giảm bớt ảnh hưởng của những đường dây dài Không giống như tụ bù ngang, tụ bù dọc làm giảm đồng thời đặc tính trở kháng (ZC) và độ dài điện (θ) của đường dây Do đó khả năng điều chỉnh điện áp và ổn định đều rất tốt

1.1.4 Hiện tượng sụp đổ điện áp

Sụp đổ điện áp (SĐĐA) là hiện tượng phức tạp, xảy ra do mất ổn định điện áp dẫn đến điện áp giảm thấp không thể chấp nhận được trong một phần quan trọng của hệ thống điện, có thể gây tan rã hệ thống điện

1.1.4.1 Diễn biến của quá trình sụp đổ điện áp

Khi một hệ thống điện đột ngột tăng nhu cầu công suất phản kháng, nhu cầu

bổ sung công suất phản kháng sẽ được cung cấp đủ bởi các máy phát và thiết bị bù Thông thường lượng dự trữ này đủ và hệ thống sẽ ổn định điện áp Tuy nhiên, trong

một số trường hợp do những nguyên nhân và điều kiện của hệ thống, sự bổ sung công suất phản kháng có thể dẫn đến sụp đổ điện áp, kết quả là một phần hoặc toàn

bộ hệ thống tan rã

Một dạng diễn biến của quá trình sụp đổ điện áp có thể diễn ra như sau:

- Hệ thống điện đang vận hành trong điều kiện bất thường với những máy phát lớn ở gần trung tâm phụ tải bị tách ra Hậu quả một vài đường dây siêu cao áp bị nặng tải và các nguồn công suất phản kháng là cực tiểu

- Sự kiện khởi đầu là đường dây mang tải lớn bị cắt ra làm cho các đường dây còn lại ở bên cạnh phải mang thêm tải Điều này làm gia tăng công suất phản kháng thiếu hụt trên đường dây (Q hút bởi đường dây tăng nhanh hơn trở kháng nạp vào),

do đó làm tăng nhu cầu công suất phản kháng trên hệ thống

- Ngay lập tức đường dây siêu cao áp bị ngắt ra, có thể nguyên nhân do điện thế bị giảm ở lân cận trung tâm phụ tải vì nhu cầu công suất phản kháng tăng thêm Điều này làm cho phụ tải giảm xuống, và kết quả của sự giảm xuống này là làm cho luồng công suất truyền tải trên đường dây siêu cao có hiệu ứng ổn định Các máy phát tự động điều chỉnh điện áp nhanh chóng khôi phục điện áp bằng cách tăng kích

từ Kết quả bổ sung dòng công suất phản kháng thông qua điện cảm tương hỗ với máy phát, máy biến áp và đường dây, điều này làm điện áp bị giảm thấp hơn nữa tại một vị trí lân cận nào đó Ở thời điểm này, các máy phát phát P-Q trong khả năng, phần ứng và dòng điện trường trong giới hạn nhiệt Tốc độ của bộ điều khiển phụ thuộc tần suất điều chỉnh bằng cách giảm công suất tác dụng phát ra

- Sự sụp đổ điện áp ở cấp siêu cao áp tại trung tâm phụ tải sẽ ảnh hưởng đến

hệ thống phân phối Các bộ điều áp dưới tải của máy biến áp phân phối sẽ khôi phục lại điện áp lưới phân phối và tải về trước khi sự cố trong khoảng từ 2 đến 4’ Với thao tác thay đổi đầu phân áp, kết quả làm tăng tải trên đường dây siên cao,

thành phần XI2 trên đường dây tăng lên và RI2 giảm xuống, làm trầm trọng hơn sự

cố sụt giảm điện áp trong cấp siêu cao áp Nếu đường dây siêu cao áp truyền tải vượt quá ngưỡng đảm bảo điện áp, mỗi đơn vị công suất tác dụng truyền tải trên đường dây tương ứng mất một vài đơn vị công suất phản kháng

- Kết quả là, với mỗi thao tác điều chỉnh đầu phân áp, công suất phản kháng của máy phát phát lên hệ thống tăng lên Dần dần, máy phát đạt đến giới hạn phát công suất phản kháng (bão hòa dòng điện từ trường) Khi máy phát đầu tiên đạt đến ngưỡng bão hòa dòng điện từ trường, điện áp đầu cực của nó giảm xuống, dòng điện cảm ứng tăng lên Dẫn đến có thể vượt quá giới hạn phát công suất phản kháng

để giữ dòng điện cảm ứng nằm trong giới hạn cho phép Các máy phát khác sẽ phải san sẻ yêu cầu phát công suất phản kháng, dẫn đến quá tải cho các máy phát khác.Với một số ít các máy phát khác có thiết bị tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống càng dễ dàng bị mất ổn định điện áp Điều này giống như trường hợp giảm hiệu quả của tụ bù ngang khi điện áp thấp

Quá trình cuối cùng sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp, có thể dẫn đến các máy phát bị mất đồng bộ và mất điện trên diện rộng

1.1.4.2 Những đặc điểm cơ bản của sự cố sụp đổ điện áp trong thực tế

Trên thực tế, những sự cố SĐĐA trên thế giới có những đặc điểm cơ bản sau: a) Giả sử một hệ thống điện đang ở trạng thái ổn định Thông thường khi có kích động trong hệ thống điện, hệ thống sẽ có quá trình quá độ để thiết lập lại trạng thái ổn định với điểm vận hành ổn định mới Nếu sự thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi Đây là mục tiêu mong muốn khi vận hành hệ thống điện

Tuy nhiên, hệ thống điện có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống điện dẫn đến không có điểm vận hành ổn định nữa Vì không tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp đặc trưng bởi sự sụp đổ điện áp Sự sụp đổ điện áp này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống (Đôi khi, một vài kích động ban đầu không nghiêm trọng có thể dẫn đến những sự cố liên tiếp và cuối cùng làm hệ thống sụp đổ) Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và hệ thống điện bị tan rã

b) Nguyên nhân chính của vấn đề là hệ thống không đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng Thông thường sụp đổ điện áp liên quan đến các đường dây bị quá tải Khi công suất phản kháng truyền tải từ khu vực lân cận gặp khó khăn, bất cứ lý do nào làm tăng nhu cầu công suất phản kháng đều có thể dẫn đến sụp đổ điện áp

c) Hiện tượng sụp đổ điện áp thường bắt đầu bằng việc điện áp bị giảm thấp

Nó là kết quả của quá trình tích tụ liên quan đến các hoạt động và tác động qua lại của rất nhiều thiết bị điện, thiết bị điều khiển và hệ thống bảo vệ Quá trình sụp đổ điện áp có thể diễn ra trong vài phút

Khoảng thời gian diễn ra sụp đổ điện áp trong một vài tình huống có thể rất ngắn, trong khoảng vài giây Sự cố dạng này thường do các tải bất lợi gây

ra như các động cơ cảm ứng hay các bộ biến đổi nguồn một chiều.Thời gian diễn ra sự cố mất ổn định điện áp dạng này cũng giống như là mất ổn định góc lệch rotor Trong nhiều tình huống, mất ổn định điện áp và mất ổn định góc lệch không được phân biệt rõ ràng và có thể có một vài đặc điểm chung Dạng mất ổn định này có thể được phân tích bằng các mô phỏng ổn định nhất thời, với mô hình phần tử đặc trưng như: các thiết bị điện, đặc biệt là phụ tải động cơ cảm ứng, các phần tử điều khiển và bảo vệ trong hệ thống điện

d) Bản chất vật lý của hiện tượng sụp đổ điện áp chính là yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải công suất phản kháng Các giới hạn về phát công suất phản kháng bao gồm giới hạn của các máy phát, giới hạn công suất của SVC và

sự sụt giảm công suất phản kháng của các tụ ở điện áp thấp Các giới hạn

về truyền tải công suất phản kháng do tổn thất công suất phản kháng lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố trên đường dây dẫn đến giảm công suất truyền tải Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ thống

Một số nguyên nhân có thể dẫn tới mất ổn định / sụp đổ điện áp:

• Công suất phát của máy phát không đáp ứng được nhu cầu của phụ tải

• Thao tác với MBA điều áp dưới tải trong điều kiện điện áp nút giảm thấp

• Đặc tính làm việc của các tải bất lợi: động cơ cảm ứng, bộ biến đổi nguồn một chiều

• Sự phối hợp không hiệu quả giữa các thiết bị tự động và thiết bị bảo vệ trong hệ thống

e) Các nguyên nhân này có ảnh hưởng rất lớn tới việc phát, truyền tải và tiêu thụ công suất phản kháng Sử dụng quá thừa các bộ tụ bù ngang có thể làm trầm trọng thêm sự cố sụp đổ điện áp Do đó, việc ngắt bớt các bộ tụ bù ngang, khóa các MBA điều áp dưới tải, phân bố lại công suất phát, điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải, và quá tải tạm thời công suất phản kháng của các máy phát là một số phương pháp điều khiển được sử dụng như là các biện pháp ngăn ngừa sụp đổ điện áp

1.2 ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TẠI NÚT PHỤ TẢI

1.2.1 Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng

Khái niệm ổn định cổ điển cho rằng, nếu biến động làm cho năng lượng phát của nguồn lớn hơn năng lượng tiêu thụ tính theo hướng lệch xa thêm thông số thì hệ thống không ổn định Đó là vì năng lượng thừa làm hệ thống chuyển động không ngừng về một hướng dẫn đến thông số lệch vô hạn khỏi trị số ban đầu Trường hợp ngược lại hệ thống nhanh chóng trở về vị trí cân bằng với thế năng nhỏ nhất – hệ thống sẽ ổn định Về toán học, có thể mô tả điều kiện ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn như sau

Trạng thái cân bằng của hệ thống ổn định nếu:

∆W/∆Π < 0 Trong đó: ∆W = ∆WF - ∆Wt là hiệu các số gia năng lượng của nguồn và tải, ∆Π – số gia thông số trạng thái

Xét với những khoảng thời gian ngắn, tương quan sẽ ứng với các số gia công suất, đồng thời biểu thức còn có thể viết ở dạng vi phân:

Với mỗi hệ thống đã cho, xét những điểm nút trao đổi công suất khác nhau có thể nhận được hàng loạt biểu thức cụ thể dạng (1.5) Đó chính là các biểu thị cụ thể của tiêu chuẩn năng lượng, kiểm tra tính ổn định hệ HT Chẳng hạn các nút nguồn của HTĐ dùng tiêu chuẩn dP/dδ, các nút tải dùng tiêu chuẩn dQ/dU… Phần quan trọng trong phương pháp này là thiết lập được các quan hệ đặc tính công suất

WF(Π) và Wt(Π) Với HTĐ là các quan hệ của P,Q với các thông số trạng thái δ và

U (gọi là các đặc tính công suất)

Để minh họa cách ứng dụng tiêu chuẩn năng lượng ta xét các sơ đồ hình 1.1

và hình 1.4 Tính ổn định của HTĐ trên hình 1.4 đặc trưng bởi trạng thái cân bằng công suất máy phát và sự biến thiên của góc lệch δ Theo tiêu chuẩn năng lượng hệ thống sẽ ổn định nếu:

Ở đây, nút phân tích là máy phát nên công suất nguồn được hiểu là công suất

cơ của tua bin (không đổi), còn công suất tiêu thụ là công suất điện nhận về hệ thống Vì ∆P = 0 nên tiêu chuẩn có thể viết lại ở dạng:

Với HTĐ trên hình 1.1.a tiêu chuẩn năng lượng có thể viết theo lượng không cân bằng công suất phản kháng và biến thiên điện áp nút tải:

Dựa vào dạng đường cong đặc tính công suất như trên hình 1.1.b có thể kết luận được: điểm D ổn định vì có dQ/dU < 0 Điểm C ngược lại, không ổn định vì có dQ/dU > 0 Xét với đặc tính công suất tải Qt = const, có thể viết biểu thức giải tích của tiêu chuẩn ổn định:

i

i F

1.2.2 Ổn định của hệ thống điện đơn giản nhận công suất (cấu trúc II)

Xét sơ đồ hệ thống điện như hình 1.5

Hình 1.5

Theo sơ đồ cấu trúc này, máy phát không đủ công suất cung cấp cho phụ tải địa phương, luôn phải nhận một lượng công suất đáng kể từ đường dây liên kết hệ thống mới cân bằng được công suất Điện áp thanh góp UH vẫn được coi là không

đổi Sơ đồ trên là trường hợp điển hình khi nghiên cứu ổn định của một hệ thống nhỏ thiếu công suất, nối với hệ thống khác (lớn hơn nhiều) qua đường dây dài Hệ thống nhỏ đang xét được đẳng trị bằng một máy phát và một phụ tải tập trung Các công suất tác dụng và phản kháng PF, 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

Xét trường hợp đơn giản nhất khi bỏ qua tổn thất CSTD của máy biến áp và đường dây truyền tải Đặc tính công suất của máy phát có dạng (không kể hiệu quả của TĐK):

Hình 1.6: Đặc tính công suất tác dụng theo góc lệch δ

Có thể coi công suất phát PF gồm 2 phần P11 và P12 Thành phần P11 bằng công suất của phụ tải địa phương (vì khi không có phụ tải các góc α đều bằng 0 và

P11=0) Thành phần P12 là công suất nhận về từ hệ thống (trị số âm theo hướng đi lên hệ thống)

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

d δ = Ở đây P12 = EqUHy12 là trị số cực đại của thành phần công suất trao

đổi trên đường dây Như vậy khi tăng công suất phụ tải (làm nâng cao đặc tính công suất điện từ), hoặc giảm công suất tua bin (cũng có nghĩa giảm công suất máy phát) đều có nguy cơ dẫn đến mất ổn định Dĩ nhiên khi phụ tải nhỏ, đường dây tương đối ngắn thì ổn định tĩnh có thể luôn được đảm bảo (bởi luôn đảm bảo được P12m – P11

> 0, nghĩa là cho phép cắt giảm công suất phát PT đến 0 mà hệ thống vẫn giữ được

ổn định)

Khi nghiên cứu ồn định tĩnh của hệ thống trên, cần phải quan tâm đến đặc tính CSPK Bởi vì, đối với những hệ thống thiếu công suất, điện áp nút U bị thay đổi rất mạnh do CSPK mất cân bằng Khi đó tiêu chuẩn năng lượng d Q

dU

∆ lại giữ vai trò quan trọng cần phải được đánh giá, kiểm tra Với giả thiết đơn giản hơn: công suất phát của máy phát đưa đến nút tải là cố định (XF = 0) Sự thay đổi công suất phụ tải

có thể dẫn đến mất ồn định cả theo tiêu chuẩn dP

d δ và d Q dU

∆ Hãy tính số gia công suất phản kháng đối với nút tải:

Trong đó:

QF–công suất máy phát cung cấp đến thanh cái phụ tải, coi là hằng số,

QD – công suất phản kháng nhận từ đường dây tính tại nút tải,

Qt – công suất phản kháng của phụ tải, trong trường hợp chung phụ thuộc U theo đặc tính tĩnh, ở đây giả thiết Qt = const

Tiêu chuẩn ổn định tĩnh (ứng với cân bằng công suất phản kháng):

U U U

áp nút U Hãy xuất phát từ trạng thái cân bằng công suất (tác dụng và phản kháng) viết cho nút U

0 0

cả điểm cân bằng giới hạn Ugh Quan hệ (1.8) là phương trình trùng phương của U,

do đó có thể có 2 nghiệm thực, vô nghiệm hoặc 1 nghiệm bội phụ thuộc vào các trường hợp khác nhau của tương quan công suất (các điểm cắt trên hình vẽ (1.9)) Khi phương trình có 1 nghiệm thực dương (nghiệm bội) sẽ chính là điểm giới hạn

Sử dụng ký hiệu điện dẫn b = 1/X và biến đổi phương trình về dạng:

b U2 4+ (2 bQ b U U − 2 H2) 2+ P2+ Q2 = 0

sẽ dễ nhận thấy hơn về điều kiện để hệ thống ở giới hạn ổn định Đó là lúc:

2 2 2 2 2 2(2 bQ b UH) 4 ( b P Q ) 0

Từ (1.9a) có thể suy ra các quan hệ trong chế độ giới hạn:

2

2 2

U

U = Khi P = 0

24

U

U = Nếu biểu diễn quan hệ (1.10) trên mặt phẳng

công suất (P,Q) đường cong nhận được sẽ là giới

hạn phân chia giữa miền ổn định và không ổn

định Đường cong giới hạn có dạng như trên hình

vẽ 1.8 Như vậy đối với hệ thống đang xét, tồn tại

miền ổn định trên mặt phẳng công suất truyền tải

(P,Q) trên đường dây

dU trên mặt phẳng công suất truyền tải

− Khả năng điều chỉnh CSPK phát tại chỗ của hệ thống điện thiếu công suất có ảnh hưởng nhiều đến khả năng nhận CSTD về cho phụ tải Khi khả năng phát này bị giảm sẽ dẫn đến giảm nhanh giới hạn nhận về của CSTD

− Việc bù tại chỗ, nâng cao cosφ phụ tải là những biện pháp hữu hiệu nâng cao khả năng nhận công suất và tính ổn định cho hệ thống

Miền

ổn định P

Hãy xét thêm ảnh hưởng của việc bù công suất phản kháng tại nút phụ tải, sử dụng thiết bị bù tĩnh (hình 1.9)

Trong đó: bc = ωC là dung dẫn của tụ điện

Sự thay đổi trong trường hợp này (so với khi không bù) là có thêm thành phần

Qc trong phương trình cân bằng công suất và trong biểu thức ∆Q Quan hệ giới hạn công suất truyền tải và điện áp giới hạn, có thể nhận được theo phương pháp hoàn toàn tương tự như trên (khi chưa bù) Kết quả viết được như sau:

22

2.

2

H gh

kU

U =

Khi P = 0

2 4

kU

Có thể giải thích hiệu quả này bằng việc cộng thêm vào đặc tính công suất phát thành phần công suất của tụ bù tĩnh: Qc = bcUc2 (Hình 1.10)

Hình 1.10: Đặc tính công suất phản kháng theo điện áp nút

Nếu xét phụ tải thay đổi theo điện áp (đường đặc tính Qt(U)) điện áp làm việc

U’0 có thể giảm thấp hơn so với lúc coi Qt hằng số Đó là vì đường đặc tính tĩnh phụ tải thường có dạng tăng theo điện áp (xấp xỉ bậc 2)

Giả thiết điện áp làm việc U là cố định (bằng giá trị U0 ở chế độ xác lập, hoặc coi U = Uđm) Khi đó:

100%

m P

000

os 2

os 0 os

2

H D

H

H gh

UU U

δ δ δ

os =

Hệ số dự trữ theo công suất phản kháng:

ax 00

100%

Dm Q

1.3 TIÊU CHUẨN MẤT ỔN ĐỊNH PHI CHU KỲ (TIÊU CHUẨN GIDANOV)

Để nghiên cứu ổn định tĩnh HTĐ theo mô hình đơn giản có thể sử dụng các tiêu chuẩn gần đúng khác nhau, gọi là tiêu chuẩn thực dụng (tiêu chuẩn năng lượng cũng là một trong những tiêu chuẩn thực dụng) Đặc điểm chung của các tiêu chuẩn thực dụng là phân tích không hoàn toàn đầy đủ tính ổn định (hay không ổn định) của hệ thống Chẳng hạn có thể phát hiện theo điều kiện đủ để hệ thống mất ổn định nhưng lại không khẳng định được tính ổn định của hệ thống trong phần còn lại Miền ổn định xác định được có thể bị sai khác so với khi xác định theo phương pháp dao động bé Tuy nhiên nhiều trường hợp theo các tiêu chuẩn thực dụng chỉ bằng những tính toán đơn giản đã có thể kết luận những đặc trưng quan trọng, trong

đó phải để đến khả năng đánh giá sơ bộ độ dự trữ ổn định theo điều kiện cần Vì vậy trong thiết kế và vận hành người ta vẫn rất quan tâm đến các tiêu chuẩn thực dụng Một tiêu chuẩn thực dụng quan trọng áp dụng hiệu quả để đánh giá ổn định

tĩnh HTĐ phức tạp đó là tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov)

Giả thiết hệ thống điện đang làm việc ổn định, nghĩa là nếu đánh giá bằng các tiêu chuẩn Hurwitz thì nhận được dấu các định thức ∆1, ∆2,…, ∆n, đều dương Từ các chế độ này làm thay đổi các thông số chế độ một cách liên tục về hướng làm mất ổn định của hệ thống Theo dõi sự biến thiên các tiêu chuẩn ổn định vào lúc hệ thống chuyển trạng thái qua giới hạn: từ ổn định sang mất ổn định tĩnh Lý thuyết toán về ổn định đã chứng minh được rằng vào lúc hệ thống bắt đầu chuyển sang trạng thái mất ổn định thì hoặc dấu của định thức thứ n là ∆n hoặc dấu của định thức thứ n-1 là ∆n-1 đổi dấu (từ dương sang âm) Các định thức còn lại đổi dấu sau Mặt khác, theo biểu thức của định thức Hurwitz ∆n = an.∆n-1, cho nên cũng có nghĩa là hoặc số hạng tự do an đổi dấu hoặc định thức ∆n-1 đổi dấu Ngoài ra theo điều kiện cần của ổn định, lúc đầu tất cả các hệ số của phương trình đặc trưng a0, a1,

… , an cũng đều phải dương - tương ứng với trạng thái ổn định Như vậy để tìm giới

hạn thông số chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh chỉ cần theo dõi dấu của an và ∆n-1 Lúc một trong hai số này đổi dấu sẽ nhận được giới hạn ổn định Việc xét định thức

∆n-1 là rất khó, nhưng xét dấu của an thì đơn giản hơn Tuy nhiên nếu chỉ theo dõi dấu của an thì chưa đủ vì còn có các trường hợp mất dấu do đổi dấu định thức ∆n-1 May thay, theo chứng minh lý thuyết (phân tích cấu trúc hệ phương trình QTQĐ)

và các kiểm nghiệm thực tế HTĐ đã chứng tỏ rằng, phần lớn sự đổi dấu xảy ra đầu tiên thuộc về số hạng tự do an Chính vì lý do này, đối với HTĐ người ta sử dụng điều kiện an > 0 như là một tiêu chuẩn thực dụng đánh giá ổn định hệ thống

Giả sử phương trình đặc trưng có dạng:

an dễ nhận thấy rằng nghiệm đổi dấu duy nhất này phải là một nghiệm thực (không

có phần ảo) Thật vậy, nếu viết lại biểu thức an ở dạng:

2 1

2 1

k i n

n n

) 1 (

Với pi, pk là các nghiệm phức của đa thức đặc trưng Như vậy ∆n-1 đổi dấu chỉ khi phần thực của cặp nghiệm phức chuyển sang có giá trị dương

Như vậy đúng ra để phát hiện đủ các trường hợp mất ổn định cần theo dõi sự đổi dấu của cả an và ∆n-1 Việc xét dấu của ∆n-1 là rất khó khăn vì biểu thức của nó phức tạp, trong khi biểu thức của an rất dễ xác định Việc bỏ qua không xét sự đổi dấu của ∆n-1 chính là mấu chốt của tiêu chuẩn thực dụng Gidanov

Ta xét kỹ hơn những hạn chế của tiêu chuẩn Gidanov Trước hết tiêu chuẩn Gidanov dựa trên giả thuyết HTĐ đang làm việc ổn định, cần phát hiện khả năng mất ổn định hệ thống khi thông số chế độ thay đổi (Có như vậy sự đổi dấu đầu tiên mới xẩy ra ở an và ∆n-1) Thêm nữa điều kiện an < 0 chỉ là điều kiện đủ để HTĐ mất

ổn định dạng phi chu kỳ, do đó mọi khả năng mất ổn định dạng chu kỳ đều không phát hiện được Đó chính là các trường hợp mất ổn định do cấu trúc sai hoặc hiệu chỉnh không đúng các bộ điều chỉnh Như vậy để nghiên cứu hệ thống điện có điều chỉnh, tiêu chuẩn Gidanov không áp dụng được Tiêu chuẩn Gidanov sẽ rất thích hợp cho mô hình đơn giản hóa QTQĐ trong HTĐ có cấu trúc đơn giản cũng như phức tạp, đặc biệt khi cần tìm giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh

1.4 MỘT SỐ BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH VÀ NGĂN NGỪA SỰ SỤP

rằng, công suất dự trữ quay phải được phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp

1.4.1.3 Người vận hành:

Yêu cầu đối với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên quan đến ổn định điện áp và kịp thời có các thao tác hợp lý như điều chỉnh điện áp, sa thải phụ tải … Các phương thức vận hành ngăn ngừa hiện tượng sụp đổ điện áp phải được thiết lập

1.4.2 Các biện pháp thiết kế

1.4.2.1 Điều khiển điện áp hệ thống và công suất phản kháng máy phát:

Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR (Automatic Voltage Regulator) là điện áp phía cao của MBA tăng áp được giữ ổn định Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo ÔĐĐA

1.4.2.2 Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển:

Một trong các nguyên nhân dẫn đến sụp đổ điện áp là thiếu sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ, điều khiển Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần thiết

1.4.2.3 Điều khiển đầu phân áp của MBA:

Người vận hành có thể thay đổi đầu phân áp của MBA để giảm nguy cơ sụp

đổ điện áp Tuy nhiên, để tránh những ảnh hưởng tiêu cực tại nơi thay đổi đầu phân

áp của MBA, phải khóa đầu phân áp khi điện áp phía nguồn giảm thấp Đầu phân

áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn phục hồi Để mở rộng phạm vi ứng dụng các bộ điều áp dưới tải, phải có quy hoạch dài hạn dựa trên những hiểu biết về phụ tải và đặc tính của hệ thống phân phối

1.4.2.4 Sa thải phụ tải:

Trong một số trường hợp nguy hiểm, người ta phải tiến hành sa thải phụ tải Đây là biện pháp hiệu quả để ngăn chặn hiện tượng sụp đổ điện áp lan rộng Điều này đúng đắn nếu xác suất các sự cố hay những tình huống khẩn cấp trong hệ thống

có thể gây mất ổn định điện áp thấp Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những

hậu quả nghiêm trọng Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần chú

ý khi sử dụng biện pháp này

Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự cố, sụt giảm điện áp thoáng qua, với các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng sụp đổ điện áp Tuy nhiên, phương pháp này chỉ nên sử dụng khi thật cần thiết

1.4.2.5 Sử dụng các thiết bị FACTS:

Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) là khái niệm hệ thống điện truyền tải xoay chiều linh hoạt được phát triển dựa trên công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất

Thực chất, các thiết bị FACTS là sự kết hợp giữa khả năng đóng/cắt nhanh của các thiết bị bán dẫn với các mạch điện phức tạp Ưu điểm của các thiết bị này là khả năng điều chỉnh nhanh và hiệu quả các thông số ảnh hưởng đến vận hành của hệ thống truyền tải như điện kháng đường dây, điện áp, dòng điện, góc pha … nhằm nâng cao sự an toàn (ổn định) khi vận hành các hệ thống điện

Các thiết bị FACTS chính bao gồm:

- Static Var Compensator (SVC): thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor

- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): thiết bị bù dọc được điều khiển bằng thyristor

- Static Sysnchronous Compensator (STATCOM): bộ tụ bù tĩnh

- Unified Power Flow Control (UPFC): thiết bị điều khiển dòng công suất Lợi ích của việc áp dụng các thiết bị FACTS vào hệ thống điện là nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống Ngoài ra, nếu các thiết bị FACTS được lắp đặt tại vị trí phù hợp thì giới hạn công suất truyền tải của hệ thống tăng lên đáng kể Hơn nữa, các thiết bị FACTS còn tỏ ra hiệu quả trong việc ngăn ngừa sụp

đổ điện áp

Nhược điểm của các thiết bị FACTS nói chung đều đắt tiền, nhất là các thiết bị điều khiển hỗn hợp, có thể bù dọc lẫn bù ngang Chính vì thế các thiết bị điều khiển hỗn hợp như UPFC, TCPST, ít được ứng dụng trong thực tế

1.5 Kết luận

Ổn định điện áp, là khả năng hệ thống điện duy trì được điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở điều kiện bình thường cũng như sau khi xảy ra những kích động Một hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định điện áp khi xảy ra những kích động như: nhu cầu phụ tải tăng lên, hoặc do những thay đổi của hệ thống có thể là nguyên nhân dẫn tới mất kiểm soát sự sụp đổ điện áp

Sụp đổ điện áp là hiện tượng phức tạp, xảy ra do mất ổn định điện áp dẫn đến điện áp giảm thấp không thể chấp nhận được trong một phần quan trọng của hệ thống điện, có thể gây tan rã hệ thống điện Dễ nhận thấy rằng tuy hiện tượng này thường liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ thống

Hiện nay, các thiết bị FACTS được áp dụng nhiều trong hệ thống điện, để nâng cao độ tin cậy và khả năng phản ứng động của hệ thống Trên thế giới hiện nay, để ngăn ngừa sự sụp đổ điện áp, người ta đã lắp đặt các thiết bị bù ngang có điều khiển SVC (Static Var Compensator) và chứng tỏ được hiệu quả trong việc ổn định điện áp cũng như nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện Trong phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày nguyên lý hoạt động, mô hình điều khiển và hiệu quả điều khiển của loại thiết bị này

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC

2.1 SƠ LƯỢC VỀ SVC

SVC (Static Var Compensator) - Bộ bù tĩnh: là một máy phát hoặc bộ tiêu thụ

điện tĩnh nối song song, mà công suất đầu ra của nó có thể được điều chỉnh để điều khiển sự trao đổi dòng điện điện cảm hoặc điện dung, do đó duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện (điển hình là điện áp nút)

Hình 2.1: Cấu tạo chung của SVC

SVC được cấu tạo từ 3 loại phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controlled Reactor), TSR (Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor)

TCR (Thyristor-Controlled Reactor) – Cuộn kháng điều chỉnh bằng

thyristor: là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc dẫn của van thyristor (thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn)

TCR là phần tử con của SVC, dòng điện trong cuộn kháng ngang được điều khiển bằng khóa xoay chiều dựa trên thyristor có điều khiển góc đánh lửa (góc mở)

TSR (Thyristor-Switched Reactor) – Cuộn kháng đóng mở bằng thyristor: là

cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, mắc song song, mà điện kháng của nó được thay đổi từng bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

TSR cấu tạo từ các cuộn kháng mắc song song, có thể đóng và cắt bằng thyristor mà không điều khiển góc đánh lửa nhằm đạt được sự thay đổi dạng bậc