KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM SỬ DỤNG PSSE

TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM SỬ DỤNG PSSE II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu vấn đề ổn định hệ thống điện Tìm hiểu và sử dụng phần mềm PSSE cho việc khảo sát ổn định hệ thống điện. Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm PSSE. Sử dụng phần mềm PSSE khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ hệ thống điện miền Nam. Sử dụng phần mềm PSSE khảo sát ổn định quá độ hệ thống điện miền Nam. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07072014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07122014TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM SỬ DỤNG PSSE II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu vấn đề ổn định hệ thống điện Tìm hiểu và sử dụng phần mềm PSSE cho việc khảo sát ổn định hệ thống điện. Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm PSSE. Sử dụng phần mềm PSSE khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ hệ thống điện miền Nam. Sử dụng phần mềm PSSE khảo sát ổn định quá độ hệ thống điện miền Nam. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07072014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07122014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ ĐỨC THIỆN VƯƠNG

KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Võ Ngọc Điều

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-o0o - -o0o -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM SỬ DỤNG PSS/E

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu vấn đề ổn định hệ thống điện

- Tìm hiểu và sử dụng phần mềm PSS/E cho việc khảo sát ổn định hệ thống điện

- Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm PSS/E

- Sử dụng phần mềm PSS/E khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ hệ thống điện miền Nam

- Sử dụng phần mềm PSS/E khảo sát ổn định quá độ hệ thống điện miền Nam

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/07/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS VÕ NGỌC ĐIỀU

Tp HCM, ngày tháng năm 2014

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học và sau đại học đến khi hoàn thành Luận Văn Tốt Nghiệp cao học này, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và tận tình hướng dẫn của Quý thầy Cô trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, gia đình và bạn bè

Lời đầu tiên tôi muốn gửi đến là lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Võ Ngọc Điều đã tận tình, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài của Luận Văn Tốt Nghiệp Bên cạnh đó tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa đã trang bị cho tôi những kiến thức thật bổ ích, đặc biệt tôi muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô trong khoa Điện – Điện tử và các bạn học viên, đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến cho Luận Văn Tốt Nghiệp của tôi được hoàn thành tốt đẹp

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Lê Đức Thiện Vương

Ổn định hệ thống điện là một vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu đối với bất kỳ quốc gia nào Tùy theo quan điểm của mỗi nhà nghiên cứu, ổn định hệ thống điện có thể được phân loại theo những nguyên tắc khác nhau Tuy nhiên về cơ bản thì ổn định

hệ thống điện vẫn được đánh giá theo các dạng dao động xảy ra trong hệ thống Trên

cơ sở đó, luận văn này đi sâu vào nghiên cứu ổn định hệ thống điện Việt Nam, mà cụ thể là hệ thống điện miền Nam theo hai loại dao động chính: các nhiễu động nhỏ - ổn định tín hiệu nhỏ và các nhiễu động lớn - ổn định quá độ Việc khảo sát ổn định hệ thống điện được thực hiện bằng phần mềm PSS/E của hãng PTI với cơ sở dữ liệu là

hệ thống điện Việt Nam được cập nhật đến tháng 6 năm 2014

ABSTRACT

Power system stability is always the priority of any country Depending on philosophy

of each researcher, power system stability may be classified according to various principles However, power system stability is still estimated in accordance with the type of disturbances in power system From that basis, this thesis shall contribute to research the stability of Viet Nam power sytem and the power sytem of Southern Region is the main object Power system stability of Southern Region shall be researched according to two type of disturbances: small disturbance – small signal stability and large disturbance – transient stability PSS/E programme issued by PTI shall be used to study the stability of power system and the database is the Viet Nam power system, which was updated to June, 2014

Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả nêu trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực

Tôi xin chân thành cảm ơn

NGƯỜI CAM ĐOAN

Lê Đức Thiện Vương

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan 1

1.1.1 Đặt vấn đề 1

1.1.2 Hướng tiếp cận đề tài 2

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2

1.2.1 Mục tiêu của đề tài 2

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài 3

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 3

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu 3

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Nội dung đề tài 4

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PSS/E 5

2.1 Chức năng của phần mềm PSS/E 5

2.2 Giải thuật tính toán của phần mềm PSS/E 6

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 8

3.1 Tổng quan về ổn định 8

3.1.1 Ổn định góc máy phát 10

3.1.2 Ổn định theo thời gian dao động 10

3.1.3 Ổn định điện áp 10

3.2 Ổn định tín hiệu nhỏ trong hệ thống điện 11

3.2.1 Tổng quan 11

3.2.2 Một số tiêu chuẩn đánh giá ổn định tín hiệu nhỏ 12

3.3 Ổn định quá độ trong hệ thống điện 15

3.3.1 Tổng quan 15

3.3.2 Tiêu chuẩn đánh giá ổn định quá độ 16

4.1 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam và hệ thống điện miền Nam 23

4.1.1 Hệ thống điện Việt Nam 23

4.1.2 Hệ thống điện miền Nam 25

4.2 Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam 27

4.2.1 Các mô hình phục vụ cho tính toán xác lập hệ thống điện 29

4.2.2 Các mô hình phục vụ cho tính toán động hệ thống điện 37

CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH TÍN HIỆU NHỎ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM 49

5.1 Mô phỏng ổn định tín hiệu nhỏ với PSS/E 49

5.1.1 Phương pháp tính toán 49

5.1.2 Kịch bản khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ 51

5.1.3 Quá trình thực hiện 53

5.2 Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ cho hệ thống điện miền Nam 62

5.2.1 Tăng phụ tải ở khu vực miền Nam – nguồn bổ sung từ nội bộ miền 63

5.2.2 Tăng phụ tải ở khu vực miền Nam – nguồn bổ sung từ miền Trung 64

5.2.3 Tăng phụ tải ở khu vực miền Nam – nguồn bổ sung từ miền Bắc 66

5.3 Nhận xét 68

5.4 Nâng cao độ dự trữ ổn định của hệ thống điện miền Nam 70

CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN NAM 76

6.1 Mô phỏng ổn định quá độ với PSS/E 76

6.1.1 Phương pháp tính toán 76

6.1.2 Kịch bản khảo sát ổn định quá độ 78

6.1.3 Quy trình thực hiện 79

6.2 Kết quả khảo sát ổn định quá độ cho hệ thống điện miền Nam 84

6.2.1 Trường hợp sự cố tổ máy phát 85

6.2.3 Trường hợp ngắn mạch 1 pha trên đường dây, đóng lặp lại thành công 88

6.3 Nhận xét 89

6.4 Nâng cao khả năng ổn định quá độ hệ thống điện miền Nam 90

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

7.1 Kết luận 96

7.2 Kiến nghị 97

7.3 Hướng phát triển đề tài 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Bảng 1. Quy mô hệ thống điện Việt Nam 24

Bảng 2. Điện áp và tổng trở cơ bản của hệ thống điện 29

Bảng 3. Thông số đặc trưng của mô hình máy phát GENROU 38

Bảng 4. Thông số đặc trưng của mô hình máy phát GENSAL 39

Bảng 5. Thông số đặc trưng của mô hình bộ điều tốc TGOV1 40

Bảng 6. Thông số đặc trưng của mô hình bộ điều tốc GAST 41

Bảng 7. Thông số đặc trưng của mô hình bộ điều tốc HYGOV 42

Bảng 8. Thông số đặc trưng của mô hình bộ ổn định công suất PSS2A 44

Bảng 9. Thông số đặc trưng của mô hình bộ kích từ ESST4B 46

Bảng 10. Thông số đặc trưng của bộ kích từ EXAC4 48

Bảng 11. Tóm tắt kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ 69

Bảng 12. Tóm tắt kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ sau khi cải tạo lưới 74

Phân loại ổn định hệ thống điện – Cách 1 8

Phân loại ổn định hệ thống điện – Cách 2 9

Đường cong đặc tính công suất 11

Quá trình dao động hệ thống điện 17

Giới hạn ổn định quá độ 19

Hệ thống điện miền Nam năm 2014 28

Sơ đồ thay thế đường dây truyền tải 29

Sơ đồ thay thế máy biến áp hai cuộn dây 30

Sơ đồ thay thế máy biến áp ba cuộn dây 33

Mô hình máy phát cực ẩn GENROU 37

Mô hình máy phát cực lồi GENSAL 39

Mô hình bộ điều tốc TGOV1 40

Sơ đồ hàm truyền của bộ điều tốc TGOV1 40

Mô hình bộ điều tốc GAST 41

Sơ đồ hàm truyền của bộ điều tốc GAST 42

Mô hình bộ điều tốc HYGOV 42

Sơ đồ hàm truyền của bộ điều tốc HYGOV 43

Mô hình bộ ổn định công suất PSS2A 43

Sơ đồ hàm truyền bộ ổn định công suất PSS2A 46

Mô hình bộ kích từ ESST4B 46

Sơ đồ hàm truyền của bộ kích từ ESST4B 47

Mô hình bộ kích từ EXAC4 48

Sơ đồ hàm truyền của bộ kích từ EXAC4 48

Mô hình mạng hai cửa 50

Quan hệ giữa điện áp và công suất truyền tải 51

Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ miền Nam – kịch bản huy động nguồn miền Trung 66

Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ miền Nam – kịch bản huy động nguồn miền Bắc 68

Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ miền Nam – kịch bản huy động nguồn miền Bắc sau khi đã cải thiện điện áp 72

Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ miền Nam – kịch bản huy động nguồn miền Bắc sau khi đã cải tạo đường dây truyền tải 73

Kết quả khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ miền Nam – kịch bản huy động nguồn miền Bắc sau khi đã cải thiện điện áp và cải tạo đường dây truyền tải 74

Lưu đồ giải thuật khảo sát ổn định quá độ với PSS/E 78Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố mất tổ máy Vĩnh Tân 2 (1/3) 85Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố mất tổ máy Vĩnh Tân 2 (2/3) 85Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố mất tổ máy Vĩnh Tân 2 (3/3) 86Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây Nhà

Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây Di Linh – Tân Định thời gian cắt 50ms 93

Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây Di Linh – Tân Định thời gian cắt 700ms 93

Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây Vĩnh Tân – Sông Mây – không tách thanh cái 94

Kết quả khảo sát ổn định quá độ – Sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây Vĩnh Tân – Sông Mây – vận hành tách thanh cái 500kV Vĩnh Tân 95

ta nói riêng và thế giới nói chung là năng lượng điện Để đảm bảo được nguồn năng lượng đó, phải xây dựng được một hệ thống điện cho Quốc gia ổn định và bền vững

Hệ thống điện thực hiện công việc chuyển đổi năng lượng tự nhiên như nhiệt năng, thủy năng, năng lượng gió, năng lượng mặt trời thành năng lượng điện từ các nhà máy điện Từ đây năng lượng sẽ được chuyển tải trên các đường dây để đưa đến các

hộ tiêu thụ Hệ thống gồm các nhà máy phát điện, máy biến áp, đường dây tải điện

và các hộ tiêu thụ sẽ lập thành một hệ thống điện

Đặc điểm của hệ thống điện là sự cân bằng công suất: Công suất tạo ra tại các nhà máy điện sẽ cân bằng với công suất tiêu thụ tại các phụ tải cộng với công suất tổn hao trên đường dây và thiết bị

Do hiện tượng đáp ứng tức thời và đặc điểm hằng số quán tính điện của các thiết bị điện trong hệ thống là nhỏ nên khi có dao động trong toàn hệ thống hay tại một điểm nào đó của hệ thống sẽ dẫn đến nguy cơ dao động của toàn hệ thống điện

Trong quá trình vận hành hệ thống điện cần phải tiến hành các công tác tính toán mô phỏng hệ thống và tính toán các quá trình quá độ và xác lập của hệ thống điện để đảm bảo cho sự vận hành tối ưu, an toàn, liên tục của hệ thống điện:

− Quá trình xác lập của hệ thống: tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện trên các nhánh ở các chế độ làm việc và các sơ đồ kết dây khác nhau của hệ thống, tạo phương thức vận hành kinh tế và chất lượng điện năng tối ưu nhất

− Quá trình quá độ khi có các dao động trong hệ thống: sự cố ngắn mạch, khi có sự cắt/đóng tải đột ngột để có phương án bảo vệ rơle và tiến hành sa thải, huy động nguồn, để loại trừ các dao động ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống

Đối với hệ thống điện Việt Nam, một nước đang trong thời kỳ phát triển, mức tiêu thụ của phụ tải tăng lên nhanh chóng, cơ sở hạ tầng của hệ thống điện ngày càng phát triển thì việc tiến hành mô phỏng, giả lập các sự cố, các quá trình dao động xảy ra trong hệ thống để dự báo hậu quả và đưa ra giải pháp khắc phục là điều cần thiết Trên cơ sở đó, đề tài này đi sâu vào nghiên cứu vấn đề ổn định của hệ thống điện Việt Nam, cụ thể là hệ thống điện miền Nam, nơi tập trung phụ tải lớn nhất cả nước và thường xảy ra các sự cố điện

1.1.2 Hướng tiếp cận đề tài

Việc tính toán một hệ thống điện lớn không thể thực hiện bằng tay mà phải có sự trợ giúp của các phần mềm chuyên dụng Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học,

kỹ thuật, ngày càng có nhiều phần mềm phục vụ cho tính toán hệ thống điện ra đời: Power World, Etap, PSS/E,…

Với những ưu điểm mạnh mẽ, không ngừng cập nhật phiên bản mới, PSS/E là lựa chọn hàng đầu cho nhiều Công ty điện lực và Tư vấn của Việt Nam cũng như trên toàn thế giới Cùng với việc đang công tác tại Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2, trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam, có thể tiếp cận được các nguồn dữ liệu lớn của hệ thống điện Việt Nam và phần mềm PSS/E, tôi sử dụng phần mềm PSS/E để thực hiện đề tài của mình

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

1.2.1 Mục tiêu của đề tài

Ổn định hệ thống điện là một trong những vấn đề kinh điển của ngành điện, một hệ thống điện vững mạnh, chắc chắn thì phải có độ ổn định tốt, tức là có khả năng trở về trạng thái xác lập sau khi xảy ra các sự cố, các dao động trong hệ thống

Việc khảo sát ổn định của hệ thống phải xem xét cả trường hợp xảy ra các nhiễu động lớn như ngắn mạch, mất tổ máy, mất đường dây,… và trường hợp xảy ra các nhiễu động nhỏ như quá tải, khởi động động cơ,…

Trên những yêu cầu đó, mục tiêu đề ra của đề tài này không đi sâu vào nghiên cứu lý thuyết về ổn định hệ thống điện mà là áp dụng nó trong thực tiễn, cụ thể là có thể xây

dựng được mô hình của hệ thống điện Việt Nam một cách chính xác nhất, tiến hành khảo sát được ổn định của hệ thống điện bằng chương trình PSS/E, đầu tiên là hệ thống điện miền Nam, nơi có phụ tải tiêu thụ lớn nhất nước nhưng lại thiếu nguồn Trên cơ sở khảo sát đó sẽ đưa ra được những giải pháp khắc phục và hướng phát triển cho hệ thống điện Việt Nam để đạt đến trạng thái ổn định hơn, bền vững hơn

1.2.2 Nhiệm vụ của đề tài

Dựa trên những mục tiêu đã đề ra, nhiệm vụ của đề tài bao gồm các vấn đề sau:

− Nghiên cứu các bài báo về vấn đề liên quan: khảo sát ổn định hệ thống điện của Việt Nam, ổn định hệ thống điện của một khu vực khác trên thế giới,… bằng phần mềm PSS/E hoặc các phần mềm tương tự,…

− Giới thiệu tổng quan về phần mềm PSS/E và các ưu điểm nổi bật cho việc phân tích hệ thống điện nói chung và phân tích ổn định hệ thống điện nói riêng

− Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam phục vụ cho việc khảo sát ổn định hệ thống điện

− Thực hiện khảo sát ổn định hệ thống điện miền Nam Việt Nam bằng chương trình PSS/E với hai tiêu chuẩn: ổn định tín hiệu nhỏ và ổn định quá độ

− Đánh giá kết quả thực hiện được và khả năng áp dụng trong thực tế

− Đề xuất phương hướng nghiên cứu phát triển đề tài

1.3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Phạm vi nghiên cứu

Với mục đích là sử dụng phần mềm PSS/E để khảo sát ổn định của hệ thống điện miền Nam Việt Nam, đề tài sẽ xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam trên phạm

vi lưới truyền tải 500kV và 220kV

Dựa trên tham khảo một số mô hình đã thực hiện ở nước ngoải, theo đó đề tài sẽ khảo sát quá trình dao động của hệ thống điện trên cơ sở dao động của điện áp, tần số, góc pha, công suất của một số nút và đường dây điển hình của hệ thống Dao động của các thành phần trên chính là thể hiện tính ổn định của hệ thống điện

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên việc khảo sát chỉ được tiến hành ở khu vực miền Nam, nơi tập trung phụ tải lớn nhất nước, dễ xảy ra nhiễu động nhất

Phạm vi khảo sát sẽ được tiến hành tại một số nút tải và nhà máy, cùng các đường dây truyền tải quan trọng, điển hình của miền Nam

Hệ thống điện dùng cho khảo sát sẽ là hệ thống điện Việt Nam hiện tại – năm 2014

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài thực hiện khảo sát ổn định hệ thống điện miền Nam bằng phương pháp mô phỏng, sử dụng chương trình PSS/E của hãng PTI (nay thuộc Siemens)

Ổn định tín hiệu nhỏ được thực hiện thông qua chức năng mô phỏng đường cong PV xét tại một số nút tải và khả năng truyền tải của các đường dây ở miền Nam

Ổn định quá độ được thực hiện thông qua chức năng mô phỏng động của PSS/E Giả lập sự cố đối với các phần tử của hệ thống điện, sau đó quan sát dao động của các thông số

Dựa trên kết quả đạt được để đánh giá khả năng ổn định của hệ thống điện miền Nam

1.4 Nội dung đề tài

Trên cơ sở những mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, đề tài “Khảo sát ổn định hệ thống điện miền Nam sử dụng PSS/E” gồm các nội dung chính sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Giới thiệu phần mềm PSS/E

Chương 3: Tổng quan về ổn định hệ thống điện

Chương 4: Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam

Chương 5: Khảo sát ổn định tín hiệu nhỏ hệ thống điện miền Nam

Chương 6: Khảo sát ổn định quá độ hệ thống điện miền Nam

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PSS/E

2.1 Chức năng của phần mềm PSS/E

PSS/E (Power System Simulator for Engineering) được phát triển bởi PTI (Power Technologies International – nay thuộc tập đoàn Siemens) ra đời từ năm 1976 và là một phần mềm tính toán hệ thống điện phổ biến, sử dụng các kỹ thuật giải tích số và công nghệ lập trình tiên tiến nhất để giải quyết các hệ thống điện lớn và nhỏ PSS/E

có khả năng phân tích hệ thống điện lên đến 50000 nút

Ở Việt Nam, PSS/E được dùng rất nhiều ở các các đơn vị ngành điện như Trung tâm điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0), Viện Năng lượng, cũng như các Công ty Tư vấn Điện 1, 2, 3, 4 PSS/E được dùng để giả lập và tính toán cho các Hệ thống điện lớn ở chế độ xác lập và chế độ động (chế độ quá độ) như tính toán trào lưu công suất,

ngắn mạch, quá trình quá độ điện cơ, tối ưu dòng công suất

Các tính toán phân tích hệ thống mà chương trình có khả năng thực hiện bao gồm [1]:

− Tính toán trào lưu công suất

− Tối ưu hóa trào lưu công suất

− Nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng

− Tương đương hóa hệ thống

− Mô phỏng quá trình quá độ điện cơ

− Tính toán trào lưu công suất

− Phân tích ổn định điện áp và tính toán công suất phản kháng dự trữ thông qua đường cong PV/QV

− Phân tích tuyến tính hóa hệ thống điện

− Các module phụ trợ khác

PSS/E không chỉ là công cụ giúp phân tích được hệ thống ở hiện tại mà còn có thể phân tích được các hệ thống trong tương lai, phục vụ cho nhu cầu thực hiện các quy hoạch phát triển điện lực tỉnh, phát triển điện lực vùng miền, phát triển điện lực Quốc gia

2.2 Giải thuật tính toán của phần mềm PSS/E

Chương trình PSS /E dựa trên các lý thuyết về năng lượng để xây dựng các mô hình cho các thiết bị trong hệ thống điện với mô hình một sợi và đơn vị tương đối Việc

mô hình hóa các thiết bị và thực hiện tính toán phụ thuộc rất nhiều vào giới hạn của các thiết bị tính toán Trước kia, do các máy tính có khả năng còn hạn chế nên việc tính toán trở nên khó khăn, chỉ thực hiện đối với các hệ thống nhỏ và độ tin cậy tính toán không cao Ngày nay, với các kỹ thuật hiện đại, máy tính có các tiện nghi như

bộ nhớ ảo, bộ nhớ phân trang và tốc độ tính toán rất lớn nên việc tính toán mô phỏng trở nên dể dàng và hiệu quả hơn

Các bước được sử dụng trong PSS/E để tiến hành mô phỏng và tính toán các quá trình xảy ra trong hệ thống là:

1/ Phân tích các thiết bị vật lý (đường dây truyền tải, máy phát, máy biến áp, bộ điều tốc, rơle, ) để thực hiện việc mô phỏng và tính toán các thông số đặc trưng và hàm truyền của nó

2/ Chuyển các mô hình vật lý đã được nghiên cứu thành dữ liệu đầu vào cho chương trình PSS/E Trong PSS/E các thiết bị vật lý đã được xây dựng theo các phương trình vi phân đặc trưng, khi đưa dữ liệu đầu vào theo đúng cấu trúc của PSS/E, các phương trình vi phân mô tả thiết bị cụ thể đang khảo sát sẽ được xây dựng 3/ Sử dụng các chương trình của PSS/E để xử lý dữ liệu, thực hiện tính toán và xuất kết quả

4/ Chuyển đổi kết quả tính toán thành các thông số cho các thiết bị thực đã dùng để

mô phỏng trong bước 1

Giải thuật chính của PSS/E là thuật toán tính lặp, áp dụng cho việc phân tích hệ thống

ở chế độ xác lập, là tiền đề cho việc phân tích ổn định của hệ thống Thuật toán lặp trong PSS/E thực hiện như sau:

Bước 1: Xây dựng hệ thống khảo sát và xác định giá trị ban đầu của điện áp các nút Bước 2: Xây dựng vectơ dòng in ở mỗi nút từ điều kiện biên:

*

k k k k

Trong đó: Pk + jQk: Nhu cầu phụ tải và máy phát ở nút k

Bước 3: Tính toán các vectơ điện áp mới vn theo công thức:

n Y V nn n

Trong đó: In: Vectơ dòng điện từ các nút chạy vào hệ thống

Vn: Vectơ điện áp tại các nút của hệ thống

Ynn: Ma trận tổng dẫn của hệ thống Bước 4: Quay lại bước 2 và lặp lại chu kỳ cho đến khi nó hội tụ đến một giá trị điện

áp không thay đổi vn

Chương trình PSS/E sử dụng hai phương pháp lặp chủ yếu là:

− GAUSS-SEIDEL: Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của phương pháp GAUSS là khả năng hội tụ rất cao, do đó được dùng để tính toán trào lưu công suất trong những trường hợp mà khả năng hội tụ là chưa biết trước Đồng thời cũng là những bước thử đầu tiên cho các phương pháp khác Phương pháp lặp Gauss có 2 lựa chọn:

+ Phương pháp lặp Gauss-Seidel cổ điển

+ Phương pháp lặp Gauss-Seidel cải tiến

− NEWTON-RAPHSON: Một trong những đặc điểm nổi bật nhất của phương pháp Newton-Raphson là tốc độ hội tụ rất cao nếu có những điểm ban đầu được lựa chọn tốt Do đó được dùng để tính toán trong những trường hợp đòi hỏi sự tính nhanh và có khả năng hội tụ cao Phương pháp Newton-Raphson có 3 lựa chọn: + Phương pháp lặp Newton-Raphson liên kết đầy đủ

+ Phương pháp lặp Newton-Raphson không liên kết

+ Phương pháp lặp Newton-Raphson không liên kết có độ dốc cố định

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

3.1 Tổng quan về ổn định

Ổn định hệ thống điện là một đặc tính của hệ thống điện, đặc tính này là sự duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống điện trong điều kiện vận hành bình thường và sự phục hồi về trạng thái cân bằng sau khi xảy ra nhiễu động trong hệ thống

Tầm ổn định của hệ thống điện nằm trong một dải giá trị nhất định, khi hệ thống vận hành ra khỏi tầm này thì sẽ xảy ra các nhiễu động, nếu không xử lý kịp thời, đưa hệ thống về trạng thái xác lập thì sẽ gây ra các dao động trong hệ thống (ví dụ: Các thay đổi của tải hoặc máy phát hay sau các sự cố như ngắn mạch, mất điện….) Khi các dao động này vượt quá phạm vi điều khiển của hệ thống, hệ thống sẽ bị mất ổn định Theo [2], xét về bản chất ta có thể chia ổn định hệ thống điện thành các dạng sau đây:

Phân loại ổn định hệ thống điện – Cách 1

Ổn định ĐA nhiễu bé

Small disturbance

Large disturbance

Transient Stability

Ổn định thời gian ngắn

Mid-term Stability

Ổn định thời gian dài

Long-term Stability

Mất ổn định có dao động

Oscilloiary Instability

Mất ổn định phi

chu kỳ

Non- oscillatory

Instability

Hoặc theo [4] thì ổn định hệ thống điện có thể được phân loại như sau:

Phân loại ổn định hệ thống điện – Cách 2

Tuy 2 cách phân loại trên có khác nhau tuy nhiên có thể thấy việc phân chia dựa theo các yếu tố xem xét như sau:

− Bản chất vật lý của việc mất ổn định;

− Loại nhiễu động xem xét;

− Các thiết bị, quá trình, và thời gian cần thiết cho việc xác định ổn định;

Ổn định thời gian dài

Long-term Stability

Ổn định động

Dynamic Stability

Oscilloiary Instability

Ổn định tĩnh

Steady-state Stability

− Phương pháp thích hợp nhất để tính toán và dự báo sự ổn định của hệ thống điện

3.1.1 Ổn định góc máy phát

Ổn định góc máy phát là khả năng duy trì sự đồng bộ, cân bằng moment của các máy phát đồng bộ Khảo sát xem góc máy phát có ngừng dao động và trở về giá trị xác lập mới trong các điều kiện:

− Nhiễu lớn (Ổn định quá độ - do các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch, mất pha, mất tổ máy phát,…)

− Nhiễu nhỏ (Tín hiệu nhỏ - các nhiễu nhỏ trong hệ thống như việc khởi động động

cơ, quá tải,… có làm cho hệ thống dao động, mất điều khiển hay không)

3.1.2 Ổn định theo thời gian dao động

Khả năng dao động của tần số và điện áp lớn Khảo sát xem tần số và điện áp hệ thống điện có nằm trong một dải cho phép trong các điều kiện:

− Khoảng thời gian ngắn (tác động của các bộ điều tốc, các dao động thường chậm hoặc nhanh, kéo dài trong khoảng vài phút,…,)

− Khoảng thời gian dài (vận hành tua-bin, lò hơi, lò nguyên tử, các dao động diễn ra chậm, tần số hệ thống không thay đổi…)

Nội dung của đề tài sẽ xem xét 2 loại ổn định thường gặp trong hệ thống: ổn định khi

hệ thống xảy ra các dao động nhỏ và ổn định khi có các dao động lớn trong hệ thống

3.2 Ổn định tín hiệu nhỏ trong hệ thống điện

3.2.1 Tổng quan

Ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống điện hay ổn định với nhiễu động nhỏ là ổn định khi xảy ra các dao động nhỏ, ví dụ như phụ tải tăng, giảm, khởi động động cơ, tăng giảm máy phát,…

Ví dụ xét đường đặc tính công suất như hình dưới:

Đường cong đặc tính công suất

Phương trình công suất có dạng:

δ là góc lệch giữa điện áp đầu phát và đầu nhận hay là góc lệch của rotor máy phát với trục đang xét Điểm a là điểm làm việc cân bằng, khi có một kích động xuất hiện làm góc δ lệch khỏi vị trí cân bằng một lượng ∆δ

− Nếu ∆δ >0 thì công suất điện P(δ) lớn hơn công suất cơ PT (P0) làm máy phát quay chậm lại, giảm góc δ về vị trí ban đầu

− Nếu ∆δ < 0 thì ngược lại, P(δ) < PT, máy phát quay nhanh hơn, góc δ tăng trở về

vị trí ban đầu Điểm a như vậy gọi là cân bằng bền

Xét điểm b, khi ∆δ > 0 thì P(δ) < PT, máy phát quay nhanh hơn, góc δ tăng lên, đi xa khỏi b Khi ∆δ < 0 thì P(δ) > PT, máy phát quay chậm lại, giảm góc δ, đi xa khỏi b

Như vậy tại b chỉ cần xảy ra một giao động nhỏ thì sẽ lệch khỏi vị trí cân bằng Điểm

b là điểm không ổn định

3.2.2 Một số tiêu chuẩn đánh giá ổn định tín hiệu nhỏ

3.2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng

Tiêu chuẩn ổn định về năng lượng [3] được mô tả qua bất đẳng thức sau:

W0

∆ , ∆Wt- số gia năng lượng phát và tiêu tán

Điều này tương đương với: PT P( )

3.2.2.2 Tiêu chuẩn Lyapunov [3] (dao động bé – áp dụng cho hệ thống điện)

Xét phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ với ảnh hưởng của cuộn cản thể hiện qua moment cản:

là giây thì TJ cần phải được nhân với 1/ωo

Khai triển phương trình trên xung quanh điểm cân bằng và lấy đạo hàm bậc nhất ta

−Trường hợp này cần có các nghiên cứu bổ sung mới có thể kết luận được

3.2.2.3 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ

Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ [4], chỉ áp dụng riêng cho hệ thống điện, lần đầu tiên được đề xuất bởi П С Жданов (năm 1948) Cơ sở xuất phát của tiêu chuẩn này chính là phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov Có thể mô tả sơ lược như sau Giả thiết sau khi thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động quá độ cho hệ thống

điện và tuyến tính hóa xung quanh điểm cân bằng, nhận được phương trình đặc trưng (PTĐT) ở dạng:

D(p) = a0pn + a1pn-1 + + an-1p+ an = 0 (3.10) Dựa trên đó các định thức Hurwitz có thể thiết lập Ký hiệu n định thức nhận được là

∆1, ∆2, , ∆n Tiêu chuẩn Hurwitz phát biểu như sau: Hệ thống sẽ ổn định nếu tất cả các hệ số của PTĐT và các định thức Hurwitz đều mang dấu dương

Về bản chất, khi tất cả các điều kiện của tiêu chuẩn Hurwitz được thỏa mãn thì mọi nghiệm của PTĐT sẽ có phần thực âm Khi đó hệ thống ổn định tiệm cận Khi có ít nhất một nghiệm có phần thực dương thì hệ thống không ổn định Hơn nữa nếu nghiệm có phần thực dương là nghiệm thuần thực thì hệ thống sẽ mất ổn định ở dạng phi chu kỳ, còn nếu phần thực dương là của cặp nghiệm phức thì hệ thống sẽ mất ổn định ở dạng chu kỳ (dao động với biên độ tăng trưởng vô hạn)

Giả thiết hệ thống điện đang ở chế độ làm việc ổn định, khi đó theo tiêu chuẩn Hurwitz

sẽ phải có: am > 0, ∆k > 0 (với , ) Từ từ thay đổi các thông số chế độ

về hướng làm mất ổn định hệ thống Lúc hệ thống chuyển qua giới hạn mất ổn định thì một bất đẳng thức nào đó sẽ phải đổi dấu, tương ứng với phần thực một nghiệm nào đó của PTĐT đổi dấu từ âm sang dương Hurwitz đã chứng minh được rằng sự đổi dấu đầu tiên xảy ra tương ứng với dấu của định thức cấp n Theo cấu trúc của ma trận Hurwitz ta còn có ∆n =an.∆n−1 Như vậy ∆n đổi dấu tương đương với an hoặc

∆n-1 đổi dấu Nói khác đi khi hệ thống chuyển từ ổn định sang mất ổn định có thể xảy

ra đổi dấu đầu tiên ở hệ số an hoặc định thức Hurwitz ∆n-1 Về toán học còn có thể chứng minh nếu mất ổn định xảy ra do đổi dấu an thì mất ổn định có dạng phi chu kỳ, còn nếu do ∆n-1 thì sẽ có dạng dao động với biên độ tăng lên vô hạn

Mặt khác, khi nghiên cứu cấu trúc hệ thống phương trình vi phân chuyển động quá

độ của hệ thống điện, Жданов đã nhận thấy, mất ổn định dạng chu kỳ và mất ổn định dạng phi chu kỳ trong hệ thống điện, về cơ bản xảy ra do các nguyên nhân khác nhau Nếu hệ thống bị mất ổn định do các thông số chế độ thì quá trình diễn ra có dạng phi chu kỳ Còn nếu do các thông số của thiết bị tự động điều chỉnh gây ra thì mất ổn

n

m=0, k =1,n

định có dạng chu kỳ (khi chỉnh định sai, làm phát sinh dao động tự kích) Như vậy, nếu giả thiết các bộ tự động điều chỉnh đang làm việc đúng (ứng với chế độ đang vận hành) thì mất ổn định xảy ra đối với hệ thống điện luôn chỉ ở dạng phi chu kỳ và chỉ cần theo dõi điều kiện an > 0 là đủ

Sử dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ đơn giản hơn rất nhiều so với các tiêu chuẩn chung ổn định theo Lyapunov Hơn nữa, hệ thống điện có cấu trúc bất kỳ đều chỉ cần sử dụng một chỉ tiêu dưới dạng bất đẳng thức sẽ rất thuận lợi để xác định chế

độ giới hạn (tương ứng với lúc bất đẳng thức trở thành đẳng thức) Một ưu điểm khác của tiêu chuẩn an >0 đó là có thể tính ngay được giá trị an từ hệ phương trình chế độ xác lập Nhiều công trình đã chứng minh, trị số an chính bằng định thức Jacobi của

hệ phương trình chế độ xác lập lúc viết ở dạng tối giản

3.2.2.4 Tiêu chuẩn thực dụng Markovits

Các tiêu chuẩn năng lượng đưa ra dưới dạng d P

dU

∆ cho các nút tải

Hệ thống sẽ mất ổn định khi các đạo hàm này tiến tới 0

3.3 Ổn định quá độ trong hệ thống điện

− Cắt đường dây tải điện hoặc máy biến áp đang mang tải

− Cắt máy phát điện đang mang tải

− Ngắn mạch các loại

Trong các dạng kích động nói trên thì ngắn mạch là nguy hiểm hơn cả, vì vậy ổn định quá độ của hệ thống điện được xét cho trường hợp xảy ra ngắn mạch

Về bản chất, ổn định quá độ thể hiện đặc tính của quá trình quá độ chuyển trạng thái

từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác Hệ thống ổn định quá độ nếu có:

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

− Thông số biến thiên quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xác lập mới

3.3.2 Tiêu chuẩn đánh giá ổn định quá độ

3.3.2.1 Đánh giá theo tiêu chuẩn diện tích

Giả thiết rằng hệ thống điện đang làm việc bình thường với P0 và δ0 - điểm a (Hình 4) thì xảy ra ngắn mạch Đường đặc tính công suất thay đổi đột ngột từ PI sang đường

PII, rất thấp (điện áp trên điểm ngắn mạch giảm thấp làm công suất của nhà máy điện không truyền vào hệ thống được) Công suất điện giảm thấp nhưng do quán tính của rotor góc δ chưa kịp biến đổi mà vẫn giữ giá trị δ0, vì vậy điểm làm việc rơi xuống điểm b trên đường PII Lúc này công suất tuabin P0 lớn hơn công suất điện và sinh ra công suất thừa dương

'

0 0 0 0 I Im ax 0

Công suất thừa ∆P0 gây cho rotor gia tốc ban đầu α0 và làm cho tốc độ tương đối của rotor ∆ω = ω - ω0 tăng lên (ở thời điểm ban đầu ∆ω = 0) Góc δ tăng lên và điểm làm việc trượt trên đường đặc tính công suất PII

Cùng với sự tăng lên của δ, ∆P = P0 – PIImaxsinδ giảm đi, khiến cho gia tốc tương đối

α giảm nhưng tốc độ góc tương đối ∆ω vẫn tăng lên vì P > 0 Đến khi δ = δC, ∆P = 0

và α = 0, tốc độ góc tương đối ∆ω đạt giá trị cực đại Do quán tính góc δ tiếp tục tăng lên quá δC, lúc này ∆P đổi dấu, tác động hãm rotor lại, gia tốc α mang dấu âm và ∆ω giảm dần

Quá trình dao động hệ thống điện

Quá trình chuyển động tiếp tục cho đến ∆ω = 0, góc δ đạt giá trị cực đại (điểm d), lúc

đó ∆P đạt giá trị âm lớn nhất, gia tốc a cũng đạt giá trị âm lớn nhất Quá trình chuyển động do đó có tính chất ngược lại so với ban đầu, góc δ giảm xuống, ∆ω tăng dần theo chiều âm, ∆P giảm dần Quá trình chuyển động tiếp tục nhờ vậy sau một số chu

kỳ góc δ sẽ dừng lại tại giá trị δ0 là vị trí cân bằng công suất (Hình 4)

Quá trình vừa diễn tả là quá trình trong đó hệ thống có ổn định quá độ và sau một số dao động sự cân bằng công suất được phục hồi với góc làm việc mới là δC

Tình hình sẽ khác hẳn nếu như góc δ trong quá trình dao động vượt góc δC’,lúc đó công suất thừa ∆P lại có giá trị dương, rotor lại bị tăng tốc và góc δ sẽ tăng lên vô cùng Như vậy hệ thống điện chỉ có ổn định quá độ khi nào góc δ nhỏ hơn δC’, là góc giới hạn ổn định của hệ thống điện Góc δC’ phụ thuộc vào đặc tính công suất ngắn mạch hay sau khi cắt ngắn mạch và công suất ban đầu P0

Điều kiện đảm bảo: δmax < '

C

δ (*):

Ta thấy rằng trong suốt quá trình chuyển động của rotor từ góc δ0 đến δC, công suất thừa luôn dương và nó có tác dụng gia tốc, có thể tính được tổng số năng lượng gia tốc do ∆P sinh ra:

δ δ

Vì thế diện tích Fcde là diện tích hãm tốc, Fht có giá trị âm

Tất nhiên rotor sẽ dừng lại ở góc δmax khi mà giá trị tuyệt đối của năng lượng hãm tốc bằng năng lượng gia tốc, hay là: |Fgt| = |Fht|

Từ điều kiện này có thể tính được góc δmax

Ta có thể tính được diện tích hãm tốc cực đại, diện tích này bị giới hạn bởi góc '

C

δ theo điều kiện (*):

' C C

ht max

δ δ

mất ổn định Như vậy ta có thể rút ra tiêu chuẩn ổn định quá độ của hệ thống điện là:

|Fgt| <|F ht max |

Khi |Fgt| =|F ht max | ta có giới hạn ổn định quá độ

Độ dự trữ ổn định quá độ được tính như sau:

ht max gt d

mà diện tích hãm tốc nhận được bằng diện tích gia tốc, ta gọi là góc cắt δcắt, là góc giới hạn ổn định quá độ Nếu thực hiện cắt ngắn mạch ở góc δ nhỏ hơn δcắt thì hệ thống sẽ ổn định quá độ

Giới hạn ổn định quá độ

3.3.2.2 Đánh giá ổn định quá độ theo phương pháp tích phân số

Phân tích ổn định quá độ theo phương pháp số dựa vào các phương trình vi phân:

Cần lưu ý tới hiệu ứng lan truyền sai số

2 Phương pháp Runge – Kutta

k2 – Xấp xỉ bậc 1 của độ dốc ở giữa bước

k3 – Xấp xỉ bậc 2 của độ dốc ở giữa bước

k4 – Độ dốc ở bước cuối

c Phương pháp phân đoạn liên tiếp

Đây là phương pháp tích phân số đơn giản, lời giải với sai số chấp nhận được

Xét phương trình:

2 2

J

T

T d

P P dt

δ

Có thể khảo sát quá trình quá độ theo những phân đoạn thời gian nhỏ bằng nhau ∆t (0,02 – 0,1s) Trong mỗi phần đoạn thời gian thì lượng dư thừa công suất được coi như không đổi (vế phải phương trình 3.23)

Khi xảy ra nhiễu lớn (bắt đầu quá trình quá độ) sẽ có sự không cần bằng công suất

∆Po = ∆Pao Các điều kiện đầu: (dδ/dt)t=0 = 0 và δ = δo Sự gia tăng góc ở phần đoạn

1 được tính từ kết quả lấy tích phân của phương trình chuyển động rotor:

2 1

.2

o J

t P T

Góc ở cuối phân đoạn 1 là δ1 = δo + ∆δ1.

Điều kiện ban đầu của phân đoạn 2 là:

1 1

2

o J

Tốc độ này thu được từ phân đoạn 1

Sự gia tăng góc ở phân đoạn 2:

2 1 2

J

t d dt

t P T

K = ∆

Nếu tại phân đoạn thứ l nào đó có xảy ra sự chuyển dịch đường đặc tính công suất

góc 1 sang đường đặc tính 2 (ví dụ từ ngắn mạch chuyển sang tình trạng sau ngắn mạch nhờ tác động máy cắt) thì gia tốc góc sẽ được tính là:

∆ là gia tăng công suất tương ứng với đường đặc tính 1 và 2

Các công thức trên được tính trong hệ đơn vị tương đối

Biểu thức δ = f(t) trên hình vẽ giúp ta đánh giá hệ thống điện liệu có ổn định hay không và thời gian cắt giới hạn khi đã biết góc cắt giới hạn

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT

NAM

4.1 Tổng quan hệ thống điện Việt Nam và hệ thống điện miền Nam

4.1.1 Hệ thống điện Việt Nam

Hệ thống điện Việt Nam được chia làm 3 miền xét theo phương diện địa lý: miền Bắc – gồm toàn bộ các tỉnh miền Bắc từ Quảng Bình trở ra, miền Trung – gồm toàn bộ các tỉnh Duyên Hải miền Trung từ Quảng Trị đến Khánh Hòa và bốn tỉnh Tây Nguyên: Gia Lai, Kon Tum, Đắk Lắk, Đắk Nông và miền Nam – gồm toàn bộ các tỉnh miền Nam và Bình Thuận, Ninh Thuận, Lâm Đồng, liên kết giữa các miền bằng

hệ thống truyền tải 500kV và 220kV

Theo số liệu thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), điện sản xuất và mua ngoài của toàn hệ thống năm 2013 ước 130,992 tỷ kWh (trung bình ngày 358,9 triệu kWh), tăng 9,22% so với năm 2012 Sản lượng điện hệ thống điện Quốc gia là 129,655 tỷ kWh (trừ điện bán Campuchia) Mức tăng trưởng này là tương đối thấp trong vòng 10 năm qua (tốc độ tăng trung bình từ năm 2002 đến 2012 là 13,22%) Điện thương phẩm toàn tập đoàn khoảng 115,06 tỷ kWh tăng 9,1% so với năm 2012 Trong đó Điện tiêu dùng trong nước 113,4 tỷ kWh, tăng trưởng 9,15% Công nghiệp

- xây dựng chiếm 52,8% điện thương phẩm, tăng 9,35% so với năm 2012; Quản lý tiêu dùng dân cư chiếm 36,3%, tăng 8,66%; Thương mại dịch vụ chiếm 4,7%, tăng 8,49%; Nông lâm ngư nghiệp chiếm 1,3%, tăng 21,1%; các thành phần khác chiếm 4,9%, tăng 7,27%

Tổn thất điện năng toàn hệ thống năm 2013 là 8,9% giảm 0,1% so với năm 2012 Công suất cực đại (Pmax) toàn hệ thống là 20.010MW Tốc độ tăng Pmax bình quân trong 3 năm 2011-2013 là 9,1%/năm, thấp hơn nhiều so với giai đoạn 2006-2010 (10,7%/năm) Xét theo 3 miền: miền Trung có tốc độ tăng trưởng Pmax bình quân cao nhất đạt 13,1%/năm, miền Bắc và miền Nam đạt 11,5% và 8,6%/năm

Tính đến đầu năm 2014 quy mô của hệ thống điện Việt Nam như sau:

Bảng 1. Quy mô hệ thống điện Việt Nam

STT Hạng mục Đơn vị Khối lượng Ghi chú

sẽ phát triển nhiều trung tâm nhiệt điện lớn và điện hạt nhân Việc phát triển nguồn ở miền Trung sẽ giảm bớt gánh nặng cho lưới truyền tải khi đang phải truyền công suất

từ Bắc vào Nam

Về mặt vận hành hệ thống điện vẫn có những khó khăn do truyền tải công suất trên

hệ thống điện 500kV Bắc–Nam chủ yếu theo chiều từ miền Bắc, miền Trung vào miền Nam Trong giai đoạn hiện nay hệ thống điện miền Nam nhận điện từ hệ thống điện 500kV là rất lớn nên một số tuyến đường dây và trạm 500kV thường xuyên bị truyền tải công suất cao Ngoài ra các đường dây 220kV ở khu vực Đông Bắc của miền Bắc và ở khu vực Phú Mỹ - Nhơn Trạch ở miền Nam cũng luôn bị vận hành ở chế độ tải cao

Phụ tải toàn quốc tập trung chủ yếu ở miền Nam và miền Bắc, trong đó miền Đông Nam Bộ là phụ tải lớn nhất nước với nhiều khu công nghiệp và khu dân cư đông đúc, đây cũng là nơi thường xảy ra các sự cố về điện, điển hình là sự cố ngày 22/5/2013

do xe cẩu cây dầu vướng vào đường dây 500kV Di Linh - Tân Định gây ngắn mạch duy trì, làm sụp đổ toàn bộ hệ thống điện miền Nam

4.1.2 Hệ thống điện miền Nam

Trọng tâm của đề tài là khảo sát ổn định cho hệ thống điện miền Nam Phần này sẽ

mô tả chi tiết về hiện trạng của hệ thống điện miền Nam và các vấn đề cần khắc phục Miền Nam là khu vực có phụ tải phát triển nhất của toàn quốc với rất nhiều nhà máy

và khu công nghiệp Trong những năm qua, các tỉnh trong khu vực miền Nam đã thu hút được khá nhiều các dự án đầu tư nước ngoài và trong nước và đang phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp khác nhau Cùng với sự phát triển đó, kéo theo nhu cầu tiêu thụ điện của khu vực miền Nam là rất lớn

Nhu cầu phụ tải cực đại của khu vực miền Nam năm 2013 khoảng 10.609MW, chiếm hơn 50% tổng nhu cầu phụ tải cực đại của toàn quốc, phụ tải tập trung cao nhất tại các trung tâm kinh tế lớn thành phố (TP.) Hồ Chí Minh, Đồng Nai, Bình Dương

(nguồn: Đề án “Kế hoạch đầu tư Phát triển lưới điện truyền tải 5 năm giai đoạn 2014-2018”).

Khu vực miền Nam cũng tập trung rất nhiều Nhà máy điện và Trung tâm điện lực lớn, với tổng công suất đặt năm 2013 lên đến 11.320MW chiếm khoảng 30% tổng công suất toàn hệ thống tại cùng thời điểm

Lưới điện truyền tải khu vực miền Nam đóng vai trò chính là cung cấp điện năng cho phụ tải của các khu công nghiệp trong vùng và khu vực TP Hồ Chí Minh, đồng thời cũng nhận một phần điện năng từ khu vực miền Trung và miền Bắc Kết cấu lưới điện trong khu vực chủ yếu là mạch vòng

Quá tải chỉ xuất hiện trong năm 2013 tại các trạm 500kV cấp điện cho phụ tải khu vực TP Hồ Chí Minh như Phú Lâm, Nhà Bè rải rác trong các tháng từ tháng 1 đến tháng 8 do tải cao Đó là khoảng thời gian trạm biến áp (TBA) 500kV Phú Lâm vẫn chưa được thay xong máy biến áp (MBA) từ 2x450MVA lên 2x900 MVA Kể từ tháng 9/2013 trở đi (khi đã thực hiện xong việc nâng công suất trạm 500kV Phú Lâm), các TBA 500kV trong khu vực vận hành bình thường

Sau khi thay tụ bù dọc đường dây 500kV Phú Lâm – Đăk Nông, quá tải đã không còn xuất hiện trên đường dây này như trong năm 2012 Theo số liệu báo cáo, quá tải chỉ xuất hiện duy nhất 1 lần vào tháng 4/2013 trên đoạn đường dây 500kV Di Linh – Tân Định do phụ tải tăng cao và sự cố tại NMĐ Cà Mau

Đối với hệ thống điện 220kV, trong năm 2013 và 6 tháng đầu năm 2014, nhiều TBA 220kV khu vực Đông Nam Bộ thường xuyên xảy ra quá tải do tải cao, điển hình như trạm Long Bình, Thuận An, MBA 220kV trong trạm Phú Lâm

Trong năm 2013, số lần quá tải của các TBA 220kV là 73 lần (tăng 5 lần so với năm 2012) tuy nhiên số lượng TBA xảy ra quá tải đã giảm bớt chỉ còn xuất hiện tại 18 TBA so với 24 TBA năm 2012

So với năm 2012, số lần quá tải xảy ra trên các đường dây 220kV đã giảm đi đáng kể (từ 750 lần năm 2012 xuống còn 202 lần năm 2013)

Quá tải trên các đường dây trong năm 2013 và đầu năm 2014 vẫn được ghi nhận chủ yếu do tải cao Một số đường đường dây thường xuyên xuất hiện quá tải là Phú Lâm – Hóc Môn; Phú Lâm – Bình Tân, Đường dây Cát Lái – Thủ Đức quá tải do cụm Phú Mỹ - Nhơn Trạch phát cao

Tình trạng điện áp thấp xảy ra tại TBA 500kV Tân Định do phải truyền tải cao Có thời điểm ghi nhận điện áp phía 500kV của trạm chỉ đạt 471kV

Cũng do điện áp tại trạm 500kV Tân Định giảm thấp nên các TBA 220kV nhận điện

từ trạm nguồn này bao gồm 220kV Thuận An, Trảng Bàng cũng ghi nhận nhiều thời điểm điện áp chỉ đạt 205 – 208 kV

Hiện tượng điện áp thấp cũng xảy ra ở một số trạm 220kV khác như Mỹ Tho, Bến Tre, điện áp chỉ đạt 206 – 208 kV ở nhiều thời điểm

Ngoài việc vận hành đang bị quá tải, tình hình dòng ngắn mạch trên lưới 220kV tiếp tục tăng cao vượt quá mức cho phép của thiết bị, mặc dù đã áp dụng giải pháp tách thanh cái 220, 110kV tại một số trạm biến áp 220/110kV So với năm 2012, dòng ngắn mạch có xu hướng tăng cao Tại trạm Nhà Bè, năm 2013 dòng ngắn mạch 1 pha lớn nhất là 47,9 kA so với 45,9 kA năm 2012 Mặt khác với kết dây hiện tại số trạm

có dòng ngắn mạch vượt quá giới hạn cắt của thiết bị cũng tăng lên (6 trạm 220kV

năm 2013 so với 3 trạm 220kV năm 2012) Việc vận hành tách thanh cái đã gây rất nhiều khó khăn trong thao tác vận hành, xử lý sự cố, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện của lưới và tăng tổn thất điện năng

Hiện nay EVN đang nghiên cứu các giải pháp để giảm dòng ngắn mạch khu vực này, đồng thời xem xét lại quy chuẩn về dòng điện ngắn mạch cho các thiết bị (hiện nay tiêu chuẩn dòng ngắn mạch cho các thiết bị điện của các xuất tuyến đường dây và ngăn lộ 220kV của trung tâm nhiệt điện Nhơn Trạch đã được thiết kế là 63kA)

Việc vận hành hệ thống điện trong tình trạng nặng nề như vậy dẫn đến việc mất ổn định khi sự cố có khả năng xảy ra rất cao Do đó đề tài này thực hiện khảo sát, mô phỏng trước các khả năng có thể xảy ra mất ổn định để đưa ra hướng giải quyết cho vận hành

4.2 Xây dựng mô hình hệ thống điện Việt Nam

Nội dung luận văn sẽ thực hiện khảo sát ổn định cho hệ thống điện miền Nam trên cơ

sở dữ liệu hệ thống điện toàn quốc, tiến hành cho năm 2014 – thời điểm thực hiện luận văn Mô hình phục vụ cho khảo sát là mô hình hệ thống điện Việt Nam được xây dựng trên các cấp điện áp 500kV và 220kV, các phụ tải được giả thiết tại các thanh cái 220kV, việc này sẽ làm giảm tính chính xác của hệ thống Tuy nhiên trong phạm

vi của luận văn có thể xem xét chấp nhận được

Dữ liệu cho năm 2014 được xây dựng trên dữ liệu lưới điện truyền tải năm 2014 của

Tổng Công ty truyền tải Điện Việt Nam EVNNPT, và các báo cáo của Trung tâm

điều độ Hệ thống điện Quốc gia A0 và Tập đoàn Điện lực Việt Nam EVN

Để xây dựng được mô hình cho hệ thống điện Việt Nam, đề tài đã sử dụng các dữ liệu thu thập được từ các nguồn đáng tin cậy: Viện Năng lượng, Trung tâm điều độ Quốc gia, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia, đặc biệt là kho dữ liệu về hệ thống điện của Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 Dựa trên các cơ sở dữ liệu đó,

đề tài xây dựng mô hình của hệ thống điện Việt Nam trên phần mềm PSS/E với các

mô hình phục vụ cho tính toán xác lập và các mô phỏng động

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện miền Nam như sau: