BÀI TẬP LỚN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Vấn đề định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện đã được giải quyết bởi một vài bản báo cáo công tác của CIGRE và IEEE trước đó. Những nỗ lực trước đó, tuy nhiên, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay, kinh nghiệm và sự hiểu biết. Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và các phân loại không bao gồm tất cả các tình huống mất ổn định thực tế. Báo cáo này được phát triển bởi một nhóm chuyên trách, thành lập đồng thời với Hội đồng nghiên cứu CIGRE 38 và Hội đồng đặc tính động hệ thống điện IEEE, giải quyết các vấn đề về định nghĩa và phân loại ổn định trong hệ thống điện từ một quan điểm cơ bản và khảo sát chặt chẽ các phân nhánh thực tế. Bản báo cáo này nhằm mục đích định nghĩa sự ổn định hệ thốngVấn đề định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện đã được giải quyết bởi một vài bản báo cáo công tác của CIGRE và IEEE trước đó. Những nỗ lực trước đó, tuy nhiên, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay, kinh nghiệm và sự hiểu biết. Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và các phân loại không bao gồm tất cả các tình huống mất ổn định thực tế. Báo cáo này được phát triển bởi một nhóm chuyên trách, thành lập đồng thời với Hội đồng nghiên cứu CIGRE 38 và Hội đồng đặc tính động hệ thống điện IEEE, giải quyết các vấn đề về định nghĩa và phân loại ổn định trong hệ thống điện từ một quan điểm cơ bản và khảo sát chặt chẽ các phân nhánh thực tế. Bản báo cáo này nhằm mục đích định nghĩa sự ổn định hệ thống

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Tóm tắt:

Vấn đề định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện đã được giải quyết bởi một vài bản báo cáo công tác của CIGRE và IEEE trước đó Những nỗ lực trước đó, tuy nhiên, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay, kinh nghiệm và sự hiểu biết Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và các phân loại không bao gồm tất cả các tình huống mất ổn định thực tế

Báo cáo này được phát triển bởi một nhóm chuyên trách, thành lập đồng thời với Hội đồng nghiên cứu CIGRE 38 và Hội đồng đặc tính động hệ thống điện IEEE, giải quyết các vấn đề về định nghĩa và phân loại ổn định trong hệ thống điện từ một quan điểm cơ bản và khảo sát chặt chẽ các phân nhánh thực tế Bản báo cáo này nhằm mục đích định nghĩa sự ổn định hệ thống điện một cách chính xác hơn, cung cấp một

cơ sở có hệ thống cho phân loại của nó, và thảo luận về các mối liên kết đến các vấn

đề liên quan như độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện

I Giới thiệu

Ổn định hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với sự

an toàn của hoạt động hệ thống từ những năm 1920 Nhiều sự cố mất điện chủ yếu gây

ra bởi sự mất ổn định hệ thống điện đã minh họa cho tầm quan trọng của hiện tượng này Trong lịch sử, sự mất ổn định quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế trên hầu hết các hệ thống, và đã trở thành tiêu điểm của sự chú ý của ngành công nghiệp liên quan đến sự ổn định của hệ thống Khi các hệ thống điện đã phát triển thông qua sự tăng trưởng liên tục trong các mối liên kết, sử dụng công nghệ mới và điều khiển, các hoạt động tăng lên trong điều kiện căng thẳng cao, những hình thức khác nhau của hệ thống không ổn định đã xuất hiện Ví dụ, ổn định điện áp, ổn định tần số và dao động interarea đã trở thành mối quan tâm lớn hơn trong quá khứ Điều này đã tạo ra một nhu cầu để xem xét các định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện Một sự hiểu biết rõ ràng về các loại khác nhau của sự mất ổn định và làm thế nào chúng có mối quan hệ với nhau là điều cần thiết cho việc thiết kế và hoạt động đạt yêu cầu của hệ thống điện Đồng thời, thống nhất sử dụng thuật ngữ là cần thiết cho việc phát triển thiết kế hệ thống và tiêu chí hoạt động, công cụ phân tích tiêu chuẩn, và thủ tục nghiên cứu

Vấn đề định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện là một vấn đề cũ, có một vài bản báo cáo trước đây với chủ đề này bởi CIGRE và IEEE Task Forces Do đó, tuy nhiên, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu của ngành công nghiệp hiện nay, kinh

nghiệm, và hiểu biết Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và các phân loại không bao gồm tất cả các tình huống mất ổn định thực tế

Bản báo cáo này là kết quả của các cuộc thảo luận dài của Task Force được thành lập đồng thời bởi Hội đồng nghiên cứu CIGRE 38 và Hội đồng đặc tính động hệ thống điện IEEE Mục tiêu của chúng tôi là:

 Định nghĩa ổn định hệ thống điện chính xác hơn, bao gồm tất cả các hình thức

 Cung cấp một cơ sở có hệ thống cho phân loại ổn định hệ thống điện, nhận dạng và định nghĩa các loại khác nhau, và cung cấp một bức tranh tổng quát về các hiện tượng

 Thảo luận các mối liên kết đến các vấn đề liên quan như độ tin cậy và an toàn của hệ thống điện

Ổn định hệ thống điện tương tự như ổn định của bất kỳ hệ thống động nào, và

có nền tảng toán học cơ bản Định nghĩa chính xác của sự ổn định có thể được tìm thấy trong các tài liệu giao với lý thuyết toán học chặt chẽ của ổn định hệ thống động Mục đích chúng tôi ở đây là để cung cấp một định nghĩa về động lực vật lý của ổn định hệ thống điện mà trong điều kiện rộng rãi phù hợp với các định nghĩa toán học chính xác

Bản báo cáo được tổ chức như sau Trong phần II sẽ cung cấp định nghĩa của

ổn định hệ thống điện Thảo luận và xây dựng chi tiết về định nghĩa được trình bày

Sự phù hợp của định nghĩa này với định nghĩa lý thuyết hệ thống được thành lập Phần III cung cấp một phân loại chi tiết của ổn định hệ thống điện Trong phần IV của bản báo cáo, mối quan hệ giữa các khái niệm của độ tin cậy hệ thống điện, an toàn, và

ổn định được thảo luận Một mô tả làm thế nào những điều khoản này được định nghĩa và sử dụng trong thực tế cũng được cung cấp Cuối cùng, trong phần V, định nghĩa và khái niệm của ổn định từ toán học và lý thuyết điều khiển được khảo sát để cung cấp thông tin nền liên quan đến ổn định của hệ thống động nói chung và để thiết lập kết nối lý thuyết

Các định nghĩa phân tích trình bày trong phần V tạo thành một khía cạnh quan trọng của báo cáo Chúng cung cấp các nền tảng toán học và cơ sở cho các định nghĩa được nêu trong các phần trước đó Chi tiết được cung cấp tại cuối bản báo cáo do đó những đọc giả quan tâm có thể kiểm tra những điểm tốt hơn và đồng hóa sự chặt chẽ toán học

II Định nghĩa về sự ổn định hệ thống điện

Trong phần này, chúng tôi sẽ cung cấp một định nghĩa chính thức về ổn định

hệ thống điện mục đích là để cung cấp một mộc cách tổng thể định nghĩa đó, trong

khi phù hợp với các định nghĩa từ lý thuyết hệ thống là dể hiểu và dể áp dụng bởi kỹ

sư chuyên môn hệ thống điện

A Định nghĩa đƣợc đề xuất

Sự ổn định của hệ thống điện là khả năng của một hệ thống điện, hoạt động với một điều kiện ban đầu được đưa ra để lấy lại một trạng thái hoạt động cân bằng sau khi chịu một nhiễu tổng thể với hầu hết các biến hệ thống bị hạn chế, vì vậy mà thực

tế toàn bộ hệ thống vẩn còn nguyên vẹn

B Sự thảo luận và phát sinh

Thông thường định nghĩa áp dụng cho một hệ thống liên kết toàn bộ với nhau Tuy nhiên, sự ổn định của các máy phát điện cụ thể hoặc của nhóm các máy phát điện cũng được quan tâm Một máy phát điện điều khiển từ xa có thể mất ổn định ( đồng bộ) mà không có sự phân tầng ổn định của hệ thống chính Tương tự như vậy, sự ổn định của một tải đặc biệt hoặc một vùng tải có thể được quan tâm, động cơ có thể một

ổn định ( chạy xuống và cưỡng bức) mà không có sự phân tầng ổn định của hệ thống chính

Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến tính hoạt động trong một môi trường thay đổi liên tục, tải và đầu ra của máy phát và các thông số hoạt động quan trọng thay đổi liên tục Khi phải chịu một nhiễu , sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện ban đầu cũng như bản chất của nhiễu

Sự ổn định của một hệ thống điện là một đặc tính của hệ thống chuyển động xung quanh bộ cân bằng, tức là các điều kiện vận hành ban đầu Trong một bộ cân bằng, sự ảnh hưởng đối lập khác nhau tồn tại trong một hệ thống bình đẳng ngay lập tức (như trong trường hợp của điểm cân bằng) hoặc trên một chu kỳ (giống như trong trường hợp làm chậm biến chu kì do sự dao động nhỏ liên tục trong tải hoặc điểm thu hút không tuần hoàn)

Hệ thống điện phải chịu một loạt các nhiễu bé và lớn Nhiễu bé trong các hình thức của tải thay đổi xảy ra liên tục, hệ thống phải có khả năng thích nghi với điều kiện thay đổi và hoạt động một cách thoả đáng Nó cũng có thể tồn tại nhiều nhiễu có tính chất nghiêm trọng, như một ngắn mạch trên đường truyền hoặc mất một số lượng lớn máy phát Một nhiễu lớn có thể dẩn đến những thay đổi về cấu trúc do sự cách ly của các thành phần sự cố

Tại một bộ cân bằng, một hệ thống có thể ổn định cho một nhiễu tổng thể nhất định và không ổn định cho những cái khác Nó là không thực tế và không kinh tế để thiết kế hệ thống ổn định cho mỗi nhiễu có thể Các thiết kế dự phòng được lực chọn trên cơ sở họ có một xác suất tương đối cao xảy ra Do đó, sự ổn định nhiễu lớn luôn

đề cập đến một viễn cảnh nhiễu được quy định Một trang thái cân bằng ổn định được

thiết lập như vậy, có một khu vực giới hạn của sự thu hút, lớn nhiều hơn khu vực càng

có nhiều thiết thực các hệ thống có liên quan đến nhiễu lớn Khu vực của những thay đổi với điều kiện hoạt động của hệ thống điện

Sự đáp ứng của một hệ thống cho một nhiễu có thể bao gồm nhiều thiết bị Ví

dụ, có một sự cố trên một thành phần quan trọng theo dõi bằng việc cách ly bởi relay bảo vệ sẽ gây ra các biến trong các dòng công suất, mạng lưới điện áp và tốc độ rotor máy phát, các biến điện áp sẽ kích thích ở cả máy phát điện và mạng lười truyền tải điều chỉnh điện áp, biến tốc độ máy phát sẽ kích thích máy điều tốc động lực đầu tiên

và biến điện áp và tần số sẽ anh hưởng đến hệ thống tải với mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào mỗi đặc điểm riêng biệt của nó Hơn nữa, các thiết bị dùng để bảo vệ các thiết bị riêng biệt có thể đáp ứng với các biến trong hệ thống biến đổi và gây tách ra của thiết bị do đó làm suy yếu hệ thống có thể dẩn đến hệ thống không ổn định

Nếu sau khi chịu tác động của một nhiễu, hệ thống điện trở về trạng thái cân bằng mới với sự toàn vẹn hệ thống Nghĩa là, với thực tế, tất cả các máy phát điện và tải nối thông qua một hệ thống truyền dẩn tiếp giáp duy nhất Một sô máy phát và tải

có thể bị ngắt bởi sự cách ly của thành phần sự cố hoặc cố ý hoán đổi để đảm bảo tính liên tục của sự hoạt động một số lượng lớn hệ thống Hệ thống được kết nối với nhau, đối với một số nhiễu nghiêm trọng, có thể được chia ra thành hai hay nhiều ―vùng‖ để bảo vệ nhiều máy phát và nhiều tải tải nhất có thể Hoạt động của điều khiển tự động

và có thể tác động của con người sẽ khôi phục lại hệ thống bình thường Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, nó sẽ cho một kết quả đi lên hoặc đi xuống so với điểm làm việc ổn định Ví dụ như, một sự tăng dần góc của rotor máy pháy điện, hoặc giảm dần điện áp đường dây Một điều kiện hệ thống không ổn định có thể dẩn đến mất sựu phân tầng và tắt của một phần lớn hệ thống điện

Hệ thống điện liên tục có biến động tăng nhỏ độ lớn Tuy nhiên, để đánh giá sự

ổn định khi phải chịu một nhiễu nhất định nó thường là hợp lệ khi cho rằng hệ thống này là bước đầu trong một hoạt động ổn định đúng điều kiện

C Sự phù hợp với hệ thống lý thuyết xác định

Trong phần II-A, chúng ta đã xây dựng các định nghĩa bằng cách xem xét một điều kiện nhất định và điều khiển một hệ thống đang chịu tác động của nhiễu tổng thể Dưới những điều kiện này, yêu cầu hệ thống có thể lấy lại trạng thái cân bằng mới của hoạt động hay trở về tình trạng hoạt động ban đầu (nếu không có sự thay đổi topo xảy

ra trong hệ thống) Những yêu cầu này tương quan trực tiếp đến việc định nghĩa lý thuyết hệ thống của sự ổn định tiệm cận đưa ra trong mục V-C-I Nó nên được công nhận ở đây là định này đỏi hỏi sự cần bằng là (a) ổn định trong ý nghĩa của Lyapunov, tức là, tất cả các điều kiện ban đầu bắt đầu vào một vùng lân cận nhỏ hình cầu của bán kính δ kết quả trong hệ thống quỹ đạo còn lại trong một hình trụ có bán kính ε cho tất

cả các thời gian t ≥ t0, thời gian ban đầu tương ứng với tất cả các biến trạng thái hệ thống bị giới hạn và (b) tại thời điểm t → ∞ quỹ đạo hệ thống tiến đến gần điểm cân bằng bất cứ khi đáp ứng đến điểm cân bằng được thu hút Như là một kết quả, một sự theo dõi rằng sự phân tích định nghĩa hướng dẩn tương đương với một tráng thái mong đợi trong một hệ thống vật lí

III Phân loại ổn định hệ thống

Một hệ thống điện hiện đại điển hình là một quá trình đa biến cao để có phản ứng năng động chịu ảnh hưởng bởi một loạt các thiết bị với các đặc tính khác nhau và

tỷ lệ đáp ứng Sự ổn định là một điều kiện cân bằng giữa các lực đối lập Phụ thuộc cấu hình mạng, tình trạng hoạt động của hệ thống và các hình thức của sự xáo trộn, sự khác nhau của lực đối lập có thể gây ra sự mất cân bằng tạo ra các hình thức khác nhau của sự bất ổn Trong phần này, chúng tôi cung cấp một cách có hệ thống phân loại của sự ổn định hệ thống điện

A.Những điều cần biết về phân loại ổn đinh:

Sự ổn định hệ thống điện cơ bản là một vấn đề duy nhất; Tuy nhiên, các hình thức khác nhau của những bất ổn mà một hệ thống điện có thể trải qua không thể được hiểu đúng và xử lý hiệu quả bằng cách xử lý nó như vậy Bởi vì độ phức tạp của các vấn đề ổn định, ta có giúp để làm đơn giản hóa các giả định để phân tích các ại cụ thể của vấn đề bằng cách sử dụng một mức độ thích hợp của các chi tiết của hệ thống đại diện và các kỹ thuật phân tích phù hợp Phân tích sự ổn định, bao gồm xác định các yếu tố quan trọng góp phần vào ổn định và đề ra biện pháp nâng cao hoạt động ổn định, là rất thuận tiện phân loại của sự ổn định vào các mục thích hợp [8] Phân loại,

do đó, là điều cần thiết để phân tích thực tế có ý nghĩa và giải quyết các vấn đề ổn định hệ thống điện Như đã thảo luận trong Phần VCI, phân loại như vậy là hoàn toàn hợp lý về mặt lý thuyết của các khái niệm về sự ổn định một phần [9] - [11]

B Các loại ổn định

Việc phân loại các hệ thống ổn định điện đề xuất ở đây được dựa trên những yếu tố sau [8]:

- Các tính chất vật lý của các chế độ dẫn đến sự mất ổn định như được chỉ

ra bởi các biến hệ thống chính, trong đó bất ổn có thể được quan sát thấy

- Kích thước của xáo trộn coi, ảnh hưởng đến các phương pháp tính toán

và dự báo ổn định

- Các thiết bị, quy trình, và khoảng thời gian đó phải được đưa vào xem xét để đánh giá sự ổn định

Hình 1 cho hình ảnh tổng thể của hệ thống điện ổn định vấn đề, xác định các loại và thể loại nhỏ của nó Sau đây là những mô tả trong các hình thức tương ứng của hiện tượng ổn định

B.1 Ổn định góc rotor:

Ổn định góc rotor đề cập đến khả năng của máy đồng bộ của một hệ thống điện liên kết với nhau để duy trì sự đồng bộ sau khi chịu một sự xáo trộn Nó phụ thuộc vào khả năng duy trì / khôi phục lại trạng thái cân bằng giữa mômen điện từ và mô-men xoắn cơ chúngc của từng máy đồng bộ trong hệ thống Sự bất ổn định có thể dẫn đến xảy ra trong các hình thức tang đột ngột góc của một số máy phát dẫn đến mất đồng bộ giữa các máy phát

Các vấn đề ổn định góc rotor liên quan đến việc nghiên cứu các dao động điện vốn có trong hệ thống điện Một yếu tố cơ bản trong vấn đề này là cách thức mà các kết quả đầu ra sức mạnh của máy móc đồng bộ khác nhau như góc rotor của chúng thay đổi Dưới điều kiện trạng thái ổn định, có sự cân bằng giữa các mô-men xoắn cơ khí đầu vào và mômen điện đầu ra của mỗi máy phát điện, và tốc độ vẫn không đổi Nếu hệ thống đang bị nhiễu loạn, trạng thái cân bằng này là khó chịu, dẫn đến tăng tốc hoặc giảm tốc độ của rotor của máy theo các định luật chuyển động của một cơ thể luân phiên Nếu một máy phát điện tạm thời chạy nhanh hơn người khác, vị trí góc của rotor của nó tương đối của máy chậm hơn sẽ thúc đẩy Sự khác biệt góc cạnh kết quả chuyển giao một phần của tải trọng từ máy chậm để các máy tính nhanh chóng, tùy thuộc vào mối quan hệ quyền lực góc Điều này có xu hướng giảm tốc độ khác nhau và do đó việc tách góc cạnh Các mối quan hệ quyền lực góc rất phi tuyến Ngoài một giới hạn nhất định, sự gia tăng ly góc cạnh được đi kèm với sự sụt giảm về chuyển giao quyền lực như vậy mà việc tách góc cạnh được tăng thêm Sự bất ổn định kết quả nếu hệ thống không thể hấp thụ động năng tương ứng với các tốc độ khác nhau rotor Đối với bất kỳ tình huống nào, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào việc

có hay không sự lệch vị trí góc của rotor dẫn đến đủ Miếng khôi phục [8] Mất đồng

bộ có thể xảy ra giữa một máy và phần còn lại của hệ thống, hoặc giữa các nhóm máy, với tính đồng bộ duy trì trong mỗi nhóm sau khi tách khỏi nhau Sự thay đổi mômen điện từ của máy đồng bộ sau một nhiễu loạn có thể được giải quyết thành hai thành phần:

• Đồng bộ hóa thành phần mô-men xoắn, trong giai đoạn với độ lệch góc rotor

• Sự rung động thành phần mô-men xoắn, trong giai đoạn với độ lệch tốc

Để thuận tiện trong việc phân tích và cho cái nhìn sáng suốt vào bản chất của

vấn đề ổn định, nó là hữu ích để mô tả sự ổn định góc rotor về hai tiểu thể loại sau

đây:

• Nhiễu tín hiệu nhỏ ổn định góc rotor là có liên quan với khả năng của hệ

thống điện để duy trì tính đồng dưới rối loạn nhỏ Các rối loạn này được coi

là đủ nhỏ mà tuyến tính của phương trình hệ thống cho phép đối với các

mục đích của phân tích [8], [12], [13]

- Ổn định nhỏ xáo trộn phụ thuộc vào trạng thái hoạt động ban đầu của hệ

thống Sự bất ổn định có thể dẫn đến có thể được của hai hình thức:

i) tăng góc rotor thông qua một chế độ nonoscillatory hoặc không tuần hoàn

do thiếu đồng bộ mô-men xoắn, hoặc

ii) dao động rotor của việc tăng biên độ do thiếu đủ mô-men xoắn giảm xóc

- Trong các hệ thống điện ngày nay, nhỏ xáo trộn sự ổn định rotor góc vấn đề

thường được kết hợp với đủ độ hãm dao động Các vấn đề bất ổn không tuần hoàn đã

được phần lớn loại bỏ bằng cách sử dụng liên tục hành động điều chỉnh điện áp máy

phát điện; Tuy nhiên, vấn đề này vẫn có thể xảy ra khi máy phát điện hoạt động với sự

kích thích liên tục khi bị các hành động của Bộ hạn chế kích thích (trường bị giới hạn

hiện tại)

Hình 1 Phân loại các hệ thống ổn định điện

- Vấn đề ổn định góc rotor nhỏ xáo trộn có thể là địa phương hay toàn cầu

trong tự nhiên Các vấn đề liên quan đến địa phương là một phần nhỏ của hệ thống

điện, và thường được kết hợp với dao động góc rotor của một nhà máy điện duy nhất

so với phần còn lại của hệ thống điện Dao động đó được gọi là dao động chế độ nhà máy địa phương Ổn định (giảm xóc) của sự dao động phụ thuộc vào sức mạnh của hệ thống truyền tải theo cách nhìn của các nhà máy điện, hệ thống điều khiển kích từ máy phát điện và sản lượng cây trồng [8]

- Vấn đề toàn cầu đang gây ra bởi sự tương tác giữa các nhóm lớn của máy phát điện và có ảnh hưởng rộng rãi Chúng liên quan đến dao động của một nhóm các nhà máy phát điện trong một khu vực đánh đu với một nhóm máy phát điện trong một khu vực khác Dao động đó được gọi là chế độ interarea dao động Đặc điểm của chúng rất phức tạp và có sự khác biệt đáng kể so với những người của chế độ dao động thực vật địa phương Đặc tính tải, đặc biệt, có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định [8]

- Khung thời gian quan tâm trong nghiên cứu ổn định nhỏ xáo trộn là vào thứ

tự từ 10 đến 20 giây sau một sự xáo trộn

 Ổn định góc cánh quạt lớn hoặc xáo trộn sự ổn định thoáng qua, vì nó thường được gọi, là có liên quan với khả năng của hệ thống điện để duy trì tính đồng khi bị một rối loạn nghiêm trọng, chẳng hạn như một mạch ngắn trên một đường truyền Các phản ứng hệ thống kết quả liên quan đến sự thay đổi lớn của góc rotor máy phát điện và chịu ảnh hưởng bởi các mối quan hệ quyền lực góc phi tuyến - Ổn định thoáng qua phụ thuộc vào cả hai trạng thái hoạt động ban đầu của hệ thống và mức độ nghiêm trọng của sự xáo trộn Sự bất ổn định thường ở dạng tách góc không tuần hoàn là do không đủ mô-men xoắn đồng

bộ, biểu hiện như bất ổn xoay đầu tiên Tuy nhiên, trong các hệ thống năng lượng lớn, ổn định thoáng qua có thể không luôn luôn xảy ra sự bất ổn xoay đầu tiên kết hợp với một chế độ duy nhất; nó có thể là một kết quả của sự chồng chất của một chế độ interarea đu chậm và một chế độ xoay của địa phương nhà máy gây ra một chuyến tham quan lớn của góc rotor ngoài swing đầu tiên [8] Nó cũng có thể là một kết quả của hiệu ứng phi tuyến ảnh hưởng đến một chế độ duy nhất gây mất ổn định ngoài đầu tiên

- Khung thời gian quan tâm trong nghiên cứu ổn định thoáng qua thường là 3-5 giây sau các sự xáo trộn Nó có thể mở rộng đến 10-20 giây cho hệ thống rất lớn với đu liên khu vực chi phối

Khi xác định trong hình 1, nhỏ xáo trộn sự ổn định góc rotor cũng như sự ổn định tạm thời được phân loại như các hiện tượng ngắn hạn

Sự ổn định tới hạn cũng xuất hiện trong văn chúng như một lớp chúng của sự

ổn định góc rotor Tuy nhiên, nó đã được sử dụng để biểu thị các hiện tượng khác nhau của các tác giả khác nhau Trong văn bản Bắc Mỹ, nó đã được sử dụng chủ yếu

để biểu thị sự ổn định nhỏ xáo trộn trong sự hiện diện của các điều khiển tự động (đặc biệt là, các điều khiển kích thích thế hệ) để phân biệt với các "sự ổn định trạng thái ổn

định" cổ điển với không có điều khiển máy phát điện [7], [số 8] Trong văn bản châu

Âu, nó đã được sử dụng để biểu thị sự ổn định thoáng qua Do nhiều nhầm lẫn là kết quả từ việc sử dụng thuật ngữ ổn định, chúng tôi khuyên bạn không nên sử dụng thu ật ngữ trước đó, cũng như các thuật ngữ trước đó của các tổ chức IEEE và CIGRE [6], [7]

B2 Ổn định điện áp

Ổn định điện áp được xem như là hoat động của hệ thống nguồn điện được duy trì điện áp tại các tuyến đường đây Nó phụ thuộc vào hoạt động duy trì/phục hồi trạng thái giữa nhu cầu phụ tải và cung cấp tải từ hệ thống nguồn điện

Trong ổn định điện áp kết quả xảy ra dưới dạng suy giảm hoặc gia tăng điện áp một cách đột ngột trên các tuyến dây Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là mất điện trên nhiều khu vực hoặc cắt các đường dây truyền tải khác bởi các hệ thống bảo

vệ Mất tính đồng bộ máy phát điện có thể dẩn đến kết quả thiếu điện hoặc vi phạm các điều kiện hoạt động của hệ thống

Việc suy giảm điện áp trên các tuyến dây có thể dẫn đến góc quay của roto không ổn định Ví dụ như việc mất đồng bộ giữa các máy cũng như góc roto của hai nhóm máy lệch nhau 180 độ là nguyên nhân gây suy giảm điện áp nhanh chóng tại các điểm trong mạng lưới điện Hệ thống bảo vệ riêng biệt của hai nhóm máy và việc khôi phục điện áp theo từng cấp nó phụ thuộc vào điều kiện hoạt động riêng biệt Tuy nhiên nếu hệ thống không hoạt động riêng lẻ điện áp sẽ thay đổi nhanh chóng giữa giá trị điện áp cao và thấp tại các điểm làm việc của hai nhóm máy, sự suy giảm điện áp

có liên quan đến đến sự mất ổn định điện áp tải và nó có thể xảy ra bất cứ khi nào tốc

độ góc roto không ổn định

Thuật ngữ sụp đổ điện áp là thường được sử dụng Nó là một quá trình có liên quan đến một chuỗi các sự kiện mất ổn định điện áp và sự suy giảm điện áp bất thường trong toàn bộ hệ thống điện.Việc hoạt động tại điện áp thấp có thể dẩn đến một vài phụ tải bị cắt Việc duy trì các tải trog hoạt động này là không thể đáp ứng

Độ ổn định điện áp ảnh hưởng bởi tải Nguồn điện tiêu thụ bởi các tải có xu hướng sẽ được khôi phục thông qua việc điều chỉnh động cơ Bộ điều chỉnh phân phối điện áp và bộ điều chỉnh nhiệt Việc khôi phục các tải tại các nhánh có điện áp cao trong mạng lưới bằng việc gia tăng việc tiêu thụ điện là nguyên nhân gây ra sự giảm điện áp

Nhân tố chính góp phần ổn định điện áp là sự giảm điện áp nó xảy ra khi công suất tác dụng và công suất phản kháng qua dòng điện cảm ứng trong hệ thống truyền tải Sự truyền tải nguồn điện và hổ trợ điện áp là có giới hạn trong khi một vài máy phát điện trong mạng điện hoạt động quá thời gian cho phép thì đe dọa đến sự ổn định

điện áp khi gia tăng nhu cầu công suất phản kháng vượt quá khả năng đáp ứng của hệ thống

Các hình thức phổ biến nhất của ổn định điện áp là sự giảm điện áp trên thanh cái Nó là nguyên nhân của việc gia tăng nhu cầu điện dung của mạng điện cũng như

là các dòng kích thích của máy phát hoạt bù đồng bộ từ việc hấp thụ công suất phản kháng dư thừa Trong trường hợp việc không ổn định điện áp có liên quan đến việc kết hợp thiết kế trong hệ thống

Ổn định điện áp trong thời gian ngắn nó bao gồm các tác động nhanh của dòng tải và dòng cảm ứng của motor, việc điều khiển tải và chuyển đổi HVDC điều khiển điện tử, thời gian đáp ứng cần quan tâm là vài giây và việc phân tích yêu cầu giải pháp thích hợp của các biểu thức toán khác nhau điều này tương tự như phân tích ổn định góc rotor, mô hình tải là cần thiết Ngược lại với ổn định góc, ngắn mạch gần tải là quan trọng

Ổn định điện áp dài hạn có liên quan đến các thiết bị tác động chậm chẳng hạn như máy biến áp, điều khiển tải và máy phát điện Nghiên cứu này quan tâm có thể

mở rộng thêm thời gian và mô phỏng trong thời gian dài để phân tích sự ổn định

Tính ổn đinh thường được xác định bằng kết quả của hoạt động thiết bị chứ không phải là sự mất ổn định ban đầu Việc không ổn định là do mất cân bằng dài hạn

Trong nhiều trường hợp phân tích tỉ mĩ có thể được sử dụng ước tính, các yếu

tố ảnh hưởng đến ổn định và việc mở rộng hệ thống, thời gian điều khiển hoạt động là rất quan trọng điều này cần được bổ sung trong thời gian mô phỏng

Vấn đề ổn định điện áp có lẽ chỉ được xem xét phía cuối của HVDC, hoặc sử dụng cho cả đoạn đường dài, nó thường liên kết HVDC nối vào hệ thống AC và có liên quan đến công suất phản kháng ‗tải‘ đây là đặc trưng của bộ chuyển đổi Việc điều khiền các dòng HVDC có ảnh hưởng đáng kể đến các vấn đề như bởi vì công suất tác dụng và công suất phản kháng tại giao điểm AC/DC được xác định bằng bộ điều khiển Nếu việc truyền tải AC vượt quá khả năng của nó việc mất ổn đinh điện áp

sẽ xảy ra, nó xảy ra nhanh chóng một giây hoặc thậm chí ít hơn Điện áp không ổn định, có thể kết hợp với bộ điều khiển biến đổi Một hiện tượng chậm hơn đáng kể được phát hiện gần đây trong công nghệ HVDC có ý nghĩa rất quan trọng trong hoạt động ổn định điện áp so với dòng chuyển đổi song song

Một hình thức của ổn định điện áp là không kiểm soát được sự quá áp là sự tự kích của máy phát đồng bộ Điều này có thể gia tăng nếu đó là tải điện dung của máy quá lớn Ví dụ như các tải điện dung quá lớn và có thể tự kích

Có thể mở bằng tụ shunt thông qua các trạm HVDC Các quá áp mà kết quả khi tải máy phát điện thay đổi và sự gia tăng điện dung từ từ Sau khi tăng nó phụ thuộc

vào các thành phần phụ tải điện dung và máy phát cùng với kích từ của hệ thống kích

từ của máy đồng bộ

Như trong trường hợp của ổn định góc rotor, nó rất hữu ích để phân loại điện

áp ổn định thành các phân nhóm sau đây:

Ổn định điện áp tính hiệu lớn lớn: Đề cập đến vấn đề khả năng duy trì ổn định điện áp của hệ thống chẳng hạn như lổi hệ thống hoặc dự phòng, khả năng này được xác định bởi hệ thống và đặc trưng của loại tải, sự tương tác của hệ thống điều khiển liên tục, rời rạc và hệ thống bảo vệ Kiểm tra đáp ứng phi tuyến trong một thời gian ngắn đủ để nắm bắt kết quả và tương tác của các thiết bị như động cơ, máy biến áp, máy phát điện thời gian nghiên cứu quan tâm kéo dài từ một đến một vài giây

Ổn định điện áp tính hiệu nhỏ: Đề cập đến khả năng duy trì ổn định điện áp khi sự thay đổi nhỏ dẩn đến sự biến đổi lớn trong hệ thống tải, đây là hình thức ổn định ảnh hưởng bởi đặc trưng của loại tải, điều khiển liên tục, rời rạc tại một thời gian nhất định Khái niệm này rất hữu ích trong việc ổn định trong bất kì thời điểm nào Làm thế nào để hệ thống đáp ứng sự thay đổi nhỏ Với các điều kiện giả định thích hợp và các phương trình tuyến tính sẽ giải thích cho ta biết điều này

B3 Cơ sở cho sự phân biệt giữa điện áp và góc rotor

Điều quan trọng là phải nhận ra rằng sự phân biệt giữa ổn định điện áp và ổn định góc là nó không dựa trên các biến trong vận hành điện/góc độ, nguồn điện phản kháng/độ lớn điện áp Trong thực tế nhấn mạnh các điều kiện, ổn định góc rotor, ổn định điện áp bị ảnh hưởng bởi các dòng công suất phản kháng Thay vào đó sự khác biệt dựa trên các biến của hệ thống là kết quả rõ ràng nhất

số gây ra rã máy phát hoặc tải

Sự cố thường dẫn đến sự sai lệch của tần số, điện áp…và các biến số khác trong hệ thống Hoạt động của các quá trình điều khiển, bảo vệ không phải là mô hình thường được nghiên cứu trong quá độ hay ổn định điện áp Các quá trình có thể rất chậm, như boiler dynamics, hoặc chỉ được kích hoạt ngay lập tức, ví dụ như ngắt máy phát Đối với các hệ thống lớn, điển hình của trường hợp này là chia hệ thống thành các phân vùng Ổn định trong trường hợp này là yêu cầu các phân vùng hoạt động ở trạng thái cân bằng với tổn thất tối thiểu của tải Nó được xác định bởi các phản ứng tổng thể của phân vùng bằng tần số trung bình, lớn hơn chuyển động tương đối máy

phát Nói chung, vấn đề ổn định tần số có liên quan đến những phản ứng không chính xác của thiết bị, phối hợp kém giữa thiết bị điều khiển và thiết bị bảo vệ, hoặc dự trữ máy phát không đủ Ví dụ, trong phân vùng bị cô lập, ổn định tần số chịu ảnh tác động của bất cứ sự tác động sẽ gây ra thiệt hại đáng kể đối với tải hoặc máy phát

Trong khi tần số thay đổi, biên độ điện áp sẽ thay đổi đáng kể Đặc biệt đối với các phân vùng có điều kiện dưới tần số tải sẽ làm mất tải Biên độ điện áp có thể thay đổi cao hơn tỉ lệ phần trăm tần số thay đổi, gây ra mất cân bằng giữa tải và máy phát Điện áp cao có thể gây ra tripping không mong muốn ở máy phát do thiết kế không chính xác hoặc sự mất điều khiển của excitation relays hoặc volts/Hertz relays Đối với hệ thống quá tải, điện áp thấp sẽ gây ra hoạt động không mong muốn của impedance relays

B5 Nhận xét về sự phân loại ổn định

Chúng ta đã phân loại sự ổn đinh của hệ thống để thuận lợi trong việc xác định nguyên nhân của sự mất ổn định, ứng dụng các công cụ phân tích thích hợp, và phát triển các biện pháp khắc phục trong bất cứ trường hợp nào Tuy nhiên, bất kỳ sự mất

ổn định có thể không xảy ra hoàn toàn giống như các trường hợp ta đã đề cập Điều này rất đúng trong hệ thống công suất lớn và gây ra hậu quả theo ―tầng‖ như là thiệt hại hệ thống Tuy nhiên, phân biệt giữa các hình thức mất ổn định khác nhau rất quan trọng, từ đó nắm rõ các nguyên nhân cơ bản để xây dựng và thiết kế thích hợp các phương pháp hoạt động

Phân loại ổn định hệ thống điện rất thuận tiện và hiệu quả để giải quyết các vấn

đề phức tạp, sự ổn định tổng thể của hệ thống luôn luôn phải được chú ý tới Nó là yếu

tố cần thiết để tìm tất cả các khía cạnh của hiện tượng ổn định, và mỗi khía cạnh tìm

ra nhiều hơn một quan điểm

IV Mối quan hệ giữa độ tin cậy, sự an toàn và tính ổn định

Trong phần này, chúng ta thảo luận về mối quan hệ giữa các khái niệm về độ tin cậy, sự an toàn và tính ổn định hệ thống điện Chúng ta cũng sẽ mô tả một cách ngắn gọn các thuật ngữ này đã được định nghĩa và được sử dụng như thế nào trong thực tế

A Mối quan hệ khái niệm

Độ tin cậy của hệ thống điện đề cập đến khả năng hoạt động của nó thỏa mãn yêu cầu về lâu dài Nó biểu thị khả năng cung cấp điện đầy đủ gần như liên tục, với vài gián đoạn trong một khoảng thời gian kéo dài

Sự an toàn của một hệ thống điện đề cập đến mức độ rủi ro trong khả năng của

nó để tồn tại qua được các nhiễu sắp xảy ra (ngẫu nhiên) mà không có sự gián đoạn của dịch vụ tới khách hàng Nó liên quan đến độ bền của hệ thống đối với các nhiễu

sắp xảy ra và do đó, phụ thuộc vào các điều kiện vận hành hệ thống cũng như xác suất ngẫu nhiên của các nhiễu

Tính ổn định của một hệ thống điện, như đã thảo luận trong Phần II, đề cập đến

sự tiếp tục của hoạt động còn nguyên vẹn sau một sự nhiễu Nó phụ thuộc vào điều kiện hoạt động và bản chất vật lý của sự nhiễu loạn

Sau đây là những khác biệt căn bản giữa ba khía cạnh của hiệu suất hệ thống điện:

1) Độ tin cậy là mục tiêu tổng thể trong thiết kế và vận hành hệ thống điện Để được xem là đáng tin cậy, hệ thống điện phải được an toàn trong hầu hết thời gian Để

an toàn, hệ thống phải được ổn định nhưng cũng phải an toàn chống lại bất thường khác có thể sẽ không được phân loại như là vấn đề ổn định ví dụ như, thiệt hại cho các thiết bị như một sự nổ đột ngột của một dây cáp, sụp đổ của trụ truyền tải do tải trọng băng hoặc phá hoại Cũng như vậy, một hệ thống có thể được ổn định sau một sự cố bất ngờ, nhưng không an toàn do điều kiện hệ thống sau sự cố dẫn đến quá tải thiết bị hoặc vi phạm điện áp

2) Sự an toàn hệ thống có thể được tiếp tục phân biệt với tính ổn định về mặt hậu quả Ví dụ, cả hai hệ thống có thể được ổn định với độ dự trữ ổn định như nhau, nhưng một hệ thống có thể tương đối an toàn hơn vì những hậu quả của sự mất ổn định ít nghiêm trọng hơn

3) Sự an toàn và tính ổn định là thuộc tính thay đổi theo thời gian mà có thể được đánh giá bằng cách nghiên cứu hiệu suất của hệ thống điện theo một tập hợp các điều kiện Độ tin cậy, mặt khác, là một hàm của hiệu suất trung bình theo thời gian của hệ thống điện; nó chỉ có thể được đánh giá bằng cách xem xét các hành vi của hệ thống trong một thời gian đáng kể

B Sự định nghĩa về Độ tin cậy theo NERC

NERC (Hội đồng Tin cậy điện Bắc Mỹ) định nghĩa độ tin cậy hệ thống điện như sau

Độ tin cậy, trong một hệ thống điện công suất lớn, là mức độ mà hiệu suất của các yếu tố của hệ thống dẫn đến kết quả là công suất được phân phối cho người tiêu dùng trong tiêu chuẩn được chấp nhận và trong số tiền mong muốn Mức độ tin cậy có thể được đo bằng tần số, thời gian, và độ lớn của ảnh hưởng xấu đến dịch vụ tiêu dùng

Độ tin cậy có thể được giải quyết bằng cách xem xét hai khía cạnh chức năng

cơ bản của hệ thống điện:

- Sự thích hợp - khả năng của hệ thống điện để cung cấp toàn bộ năng lượng và công suất điện yêu cầu của khách hàng tại mọi thời điểm, có tính đến dự trữ và

sự ngắt đột xuất của các thành phần hệ thống

- Sự an toàn - khả năng của hệ thống điện để đứng vững trước các nhiễu loạn đột ngột như ngắn mạch hoặc mất mát không mong đợi của các thành phần hệ thống

Những định nghĩa trên cũng xuất hiện trong một số tài liệu IEEE và các văn bản CIGRE Working Group / Task Force [37], [38]

Hình thức thay thế khác của định nghĩa về sự an toàn hệ thống điện đã được đề xuất trong văn học Ví dụ, trong tài liệu tham khảo [39], sự an toàn được quy định tại các điều khoản của sự thỏa mãn một tập hợp các ràng buộc bất bình đẳng trên một tập hợp con của các nhiễu loạn có thể được gọi là "sự ngẫu nhiên tiếp theo"

C Phân tích về sự an toàn hệ thống điện

Việc phân tích sự an toàn liên quan đến việc xác định sự bền vững của hệ thống điện tương đối so với các nhiễu loạn sắp xảy ra Có hai thành phần quan trọng của việc phân tích sự an toàn Đối với một hệ thống điện có mục tiêu thay đổi (lớn hay nhỏ), điều quan trọng là khi các thay đổi được hoàn tất, hệ thống ổn định ở các điều kiện hoạt động mới như vậy mà không có ràng buộc vật lý nào bị vi phạm Điều này ngụ ý rằng, ngoài các điều kiện hoạt động tiếp theo là có thể chấp nhận được, hệ thống phải tồn tại qua quá trình chuyển đổi để đến các điều kiện đó

Các đặc điểm nêu trên của sự an toàn hệ thống làm nổi bật hai khía cạnh của việc phân tích của nó:

• Phân tích sự an toàn tĩnh – nó bao gồm việc phân tích trạng thái xác lập của các điều kiện hệ thống sau nhiễu loạn để xác minh rằng không có định mức thiết bị và ràng buộc điện áp bị vi phạm

• Phân tích sự an toàn động – nó bao gồm việc kiểm tra các loại khác nhau của

sự ổn định hệ thống đã được mô tả ở mục III

Do đó phân tích sự ổn định là một phần không thể thiếu của việc đánh giá độ tin cậy và sự an toàn hệ thống

Trong thực tế ngành công nghiệp nói chung, việc đánh giá sự an toàn đã được

sử dụng một cách tiếp cận tất định Hệ thống điện được thiết kế và vận hành để chịu được một sự ngẫu nhiên gọi là "những sự ngẫu nhiên bình thường" được lựa chọn trên

cơ sở đó họ có một khả năng đáng kể xảy ra Trong thực tế, chúng thường được định nghĩa như là sự tổn thất của bất kỳ phần tử đơn lẻ nào trong một hệ thống điện hoặc tự phát hoặc đi trước bởi một sự cố một, hai hay ba pha Điều này thường liên quan đến cái gọi là tiêu chuẩn N - 1 bởi vì nó kiểm soát hành vi của một lưới gồm N phần tử sau

sự tổn thất của bất kỳ một trong những phần tử chính của nó Ngoài ra, mất tải hoặc sự mất điện theo tầng có thể không được phép cho sự mất điện liên quan nhiều như mất một đường dây lộ kép Các xem xét có thể được đưa ra để các sự ngẫn nhiên cực độ

mà vượt quá mức độ nghiêm trọng trong các thiết kế ngẫu nhiên bình thường Điều khiển khẩn cấp, chẳng hạn như việc cắt máy phát, thả rơi tải, và kiểm soát islanding,

có thể được sử dụng để đối phó với các sự kiện như vậy và ngăn ngừa mất điện trên diện rộng

Phương pháp tiệm cận tất định đã phục vụ ngành công nghiệp hợp lý tốt trong quá khứ - nó đã dẫn đến mức độ bảo mật cao và các nỗ lực nghiên cứu được giảm thiểu Hạn chế chính của nó, tuy nhiên, là nó xử lý tất cả các tình huống giới hạn sự an toàn như là có rủi ro tương tự Nó cũng không đưa ra việc xem xét đầy đủ như thế nào đối với các tình huống khác nhau có khả năng hoặc không có

Trong môi trường tiện ích hiện nay, với sự đa dạng của người tham gia với lợi ích kinh doanh khác nhau, phương pháp tiệm cận tất định có thể không được chấp nhận Cần thiết có một sự tính toán cho bản chất xác suất các sự kiện và điều kiện hệ thống, để xác định số lượng và quản lý rủi ro Xu hướng này sẽ được mở rộng việc sử dụng các đánh giá sự an toàn dựa trên rủi ro Trong phương pháp này, xác suất của hệ thống trở nên không ổn định và hậu quả của nó được kiểm tra, và mức độ lộ diện đến

sự cố hệ thống được ước tính Cách tiếp cận này là tính toán chuyên sâu nhưng có thể thực hiện được với công cụ tính toán và phân tích ngày nay

V Hệ thống cơ sở lý thuyết của ổn định hệ thống điện

lý như hệ thống điện Mô hình nguyên lý đầu tiên thường được sử dụng để miêu tả hệ thống điện ít khi ở dạng này, và sự biến đổi là cần thiết để đưa ra dạng tường minh bậc nhất, nói chung, đưa ra giải pháp không xác thực [40]

Quan trọng hơn, thường tồn tại nhiều phương trình đại số (ẩn), điều này ràng buộc các đại lượng khác, và một tập hợp các phương trình đại số (DAE) thường được

sử dụng trong mô phỏng quá độ hệ thống điện Phần đại số thường xuất phát từ lý luận dạng nhiễu suy biến, nó thường tách biệt thời gian giữa các tập hợp con của biến để giải thiết rằng các biến cố định đã đạt tới trạng thái ổn định trong móc thời gian đáng quan tâm [41], [42]

Nói chung, chứng minh sự tồn tại của các giải pháp của DAE là một vấn đề khó khăn Trong khi các kết quả cục bộ bắt nguồn từ các định lý hàm ẩn mà điều kiện bậc cụ thể cho Jacobian của thành phần đại số, kết quả không cục bộ khó tìm được Một phương pháp chung để tìm hiểu không cục bộ của ổn định hệ thống DAE, đó là dựa trên hình học vi phân được trình bày trong [43] (điều kiện đủ xem [41]) Các bề mặt nơi điều kiện bậc cho Jacobian của thành phần đại số không cố định thường được

kí hiệu như bề mặt bế tắc, và trong phân tích các mô hình của hệ thống điện, nó

thường được giả định rằng bộ cân bằng trong phân tích ổn định thường tách biệt với các bề mặt như vậy [41], [45]

Một sự xấp xỉ nhanh năng lượng thường hữu ích, dựa trên khái niệm pha năng lượng (biến động thời gian) và các thành phần đối xứng năng lượng Nó cũng thường được giả định rằng bản chất phân tán của một số phần tử trong hệ thống điện (như đường dây truyền tải) có thể tính xấp xỉ với các mô hình tham số khối mà không hao hụt quá lớn so với mô hình chính xác Nó hầu như được quyết định bởi sự bất biến cơ bản của mô hình bao gồm các phương trình vi phân từng phần và bởi trạng thái thích hợp của mô hình tham số khối (khi đánh giá về cấp của phần tử đơn, ví dụ như việc sử dụng nhiều ― ― mô hình bộ phận cho đường dây truyền tải dài) Một vài ảnh hưởng chất lượng của sự lan truyền sự cố trong hệ thống điện mở rộng không gian có thể, tuy nhiên, được nghiên cứu có hiệu quả với mô hình phân phối [48]

Hệ thống điện cũng là một ví dụ của hệ thống động ràng buộc, như quỹ đạo pha của chúng được giới hạn trong một tập hợp con đặc biệt trong không gian trạng thái (không gian pha trong cách diễn đạt của hệ thống động) đánh dấu vùng hoạt động khả thi (hoặc kỹ thuật khả thi hoặc cho phép) [45] Các quỹ đạo mà nằm ngoài vùng mong muốn này có thể hoặc dẫn đến sự thay đổi cấu trúc (như cầu dao ngắt trong hệ thống điện), hoặc dẫn đến hoạt động không an toàn Đây là loại hình được xem xét đưa vào khu vực ổn định trong hệ thống điện

Một số vấn đề khác được nêu ra bởi thực tế hệ thống điện tương tác với môi trường (thường không theo mô hình), làm cho các mô hình hệ thống điện không tự xử

lý được (hoặc biến động thời gian) Các ví dụ bao gồm sự thay đổi tải và địa hình học thay đổi do điều chỉnh trong trạm biến áp Tương tác bổ sung với môi trường bao gồm các nhiễu, mô tả vật lý, bao gồm các phần tử hệ thống ngừng hoạt động, trong khi một

mô tả toán học bao gồm các biến trong trình tự hệ thống, hoặc các biến đáng quan tâm

Cuối cùng, một hệ thống điện là hệ thống điều khiển (hoặc bắt buộc) với nhiều vòng lặp điều khiển, và cần thiết để bao gồm các tác động của đầu vào điều khiển (kể

cả độ bão hòa của chúng), đặc biệt là ở mốc thời gian dài hơn

Các vấn đề về mô hình phác thảo thường được đề cập trong một khuôn khổ phân tích hệ thống điện trong các cách sau:

1 Vấn đề xác định sự ổn định của hệ thống không tự động là rất khó khăn ngay

cả trong lĩnh vực lý thuyết [40], và một cách tiếp cận có thể được nói đến trong

hệ thống điện mà môi trường cung cấp tín hiệu hình vuông khả tích như đầu vào trong một khoảng thời gian là ổn định nếu biến đáng quan tâm (như đầu ra) cũng là hình vuông khả tích Trong một số thiết lập tổng quát, chúng tôi có thể xem xét các tín hiệu xén theo thời gian và kí hiệu hệ thống như đặt nếu nó ánh

xạ tín hiệu vuông xén khả tích thành các tín hiệu có cùng đặc tính Trong một thiết lập hệ thống điện, người ta thường giả định rằng các biến tại mặt phân

cách với môi trường được biết (hoặc dự đoán), ví dụ, các đầu vào cơ cho tất cả máy phát là không đổi, hoặc nó thay đổi tùy theo đáp ứng của bộ điều chỉnh tuabin

2 Các nhiễu loạn đáng quan tâm sẽ rơi vào hai loại chính: kiểu giai đoạn (thường được mô ta như cúp điện một phần cụ thể của thiết bị) và kiểu quy chuẩn (mô

tả bởi kích thước, ví dụ như các định mức khác nhau của tín hiệu), chúng tôi sẽ trao đổi về vấn đề này một cách vắn tắt Chúng tôi cũng quan sát thấy rằng trong trường hợp khi nhiễu kiểu giai đoạn (như chuyển đổi) xảy ra nhiều lần, một cơ chế phân tích riêng biệt của hệ thống hybrid (cho một đánh giá gần đây, xem [49]), các nhiễu loạn kiểu giai đoạn có thể bắt nguồn từ hoạt động của con người Chúng tôi tập trung vào các mốc thời gian theo trình tự từ vài giây đến vài phút, trong một quy mô thời gian dài, ảnh hưởng của cấu trúc có thể đáng chú ý Trong trường hợp đó, các khái niệm về ổn định cần được xem xét lại, một số dây dẫn điện với việc quyết định phân bố có thể căn cứ vào [50]

3 Nhấn mạnh việc phân tích ổn định, chúng tôi giả định rằng hoạt động của tất cả các bộ điều khiển hoàn toàn có thể dự đoán trong điều kiện biết rõ các định lượng của hệ thống (tình trạng), hoặc như chức năng của thời gian, vấn đề kép của thiết kế điều khiển ổn định cho hệ thống phi tuyến là rất khó khăn, xem ví

dụ [8], [51]

Một nghiên cứu sự ổn định hệ thống điện bao gồm các bước sau:

1 Hãy giả định mô hình và xây dựng một mô hình toán học thích hợp cho quy mô thời gian và hiện tượng được nghiên cứu

Trước khi xem xét chi tiết cụ thể hệ thống điện, chúng tôi cần phải đánh giá các

nỗ lực tính toán cần thiết Trong trường hợp mô hình hệ thống tuyến tính, câu hỏi về

ổn định có thể quyết định được, và có thể trả lời một cách hiệu quả trong thời gian đa thức [52].Trong trường hợp hệ thống phi tuyến, các thuật toán có sẵn vốn kém hiệu quả Ví dụ, một vấn đề liên quan đến tất cả quỹ đạo của hệ thống với một phi tuyến vô hướng đơn hội tụ về điểm khởi đầu cần có sự hỗ trợ đắc lực của máy tính (nghĩa là NP-khó) và nó không rõ ràng nếu nó có tính quyết định tất cả [52] Với kích thước lớn của hệ thống điện và sự cần thiết xem xét sự rối loạn kiểu giai đoạn mà chắc chắn dẫn đến các mô hình phi tuyến, rõ ràng là việc xác định sự ổn định của hệ thống điện sẽ là một thử thách Nó chỉ ra, tuy nhiên, các công cụ chính của chúng tôi trong việc làm giảm sự phức tạp tính toán sẽ là khả năng của chúng tôi dùng để tính toán gần đúng và các tính chất đặc biệt của nhiễu loạn kiểu giai đoạn mà chúng tôi đang phân tích

Chúng tôi cũng muốn chỉ ra rằng một sự thay đổi có thể có trong sự nhấn mạnh

về các hiện tượng khác nhau trong hệ thống điện (ví dụ như các dạng hybrid) sẽ cần

thiết đánh giá lại các khái niệm về sự ổn định Đối với một đánh giá gần đây về khái niệm của sự ổn định trong các loại hệ thống (bao gồm cả những loại có kích thước vô hạn), xem [53]

B Phân tích ổn định

Xét hệ thống ̇ =f(t,x) trong đó x là vector trạng thái , ̇ là đạo hàm của nó Các

hệ thống được mô tả ở trên được cho là độc lập nếu f(t,x) là không phụ thuộc thời gian

1) Hệ thống này là bước đầu hoạt động trong một trạng thái nhiễu loạn cân bằng

bộ Xn.Trong tập hợp đó, các chiều hướng khác nhau ảnh hưởng đến các biến hệ thống được cân bằng (hoặc ngay lập tức, hoặc trong một khoảng thời gian) Chúng ta sử dụng các khái niệm về một bộ cân bằng để biểu thị điểm cân bằng,

bộ giới hạn và các cấu trúc phức tạp hơn như attractors không tuần hoàn (có thể

là có thể trong mô hình thực tế của hệ thống điện) Tuy nhiên, trong phần lớn các trường hợp hiện nay , các điểm cân bằng đang được quan tâm

Nói chung, một bộ cân bằng, là một tập hợp các quỹ đạo trong không gian pha

mà tất cả các quỹ đạo lân cận hội tụ Do đó attractors mô tả các hành vi lâu dài của một hệ thống động Tương ứng với các đường cong khép kín trong không gian pha; chu kỳ giới hạn hàm ý hành vi kỳ Hỗn loạn (hoặc không tuần hoàn, hoặc lạ) tương ứng với một bộ cân bằng mà quỹ đạo hệ thống không bao giờ hội tụ vào một điểm hoặc một đường cong khép kín, nhưng vẫn nằm trong cùng một vùng của không gian pha Không giống như chu kỳ giới hạn, attractors lạ là không định kỳ, và những bước tiến trong các hệ thống như vậy

là rất nhạy cảm với các điều kiện ban đầu

2) Tiếp theo, một sự xáo trộn hoạt động trên hệ thống Một sự kiện-type (hay sự cố-type) rối loạn đặc trưng bởi một sự cố cụ thể (ví dụ, ngắn mạch ở đâu đó trong mạng truyền dẫn theo sau bởi một ngắt dòng kể cả thời gian của sự kiện-

"thời gian giải trừ sự cố "), trong khi chỉ tiêu loại (mô tả bởi kích thước của họ

về các chỉ tiêu khác nhau của tín hiệu-ví dụ, biến thể tải) rối loạn được mô tả bởi kích thước của chúng (định mức, hoặc cường độ tín hiệu) Một vấn đề quan tâm của một số phân tích được xác định thời gian tối đa cho phép của các sự cố (còn được gọi là "thời gian giải trừ quan trọng") mà hệ thống phản ứng tiếp theo vẫn ổn định Điều này phần của phân tích ổn định đòi hỏi kiến thức về hoạt động bảo vệ của rơle

3) Sau một sự kiện kiểu xáo trộn, sự năng động hệ thống được nghiên cứu đối với

sự xáo trộn cân bằng tập hợp được biết đến XP (trong đó có thể được phân biệt với Xn) Các điều kiện ban đầu của hệ thống bắt đầu thiết lập Xn ,v để mô tả chuyển động hệ thống với tôn trọng XP, tức là, nếu quỹ đạo hệ thống sẽ vẫn vào trong tập hợp về mặt kỹ thuật khả thi Ωp Trong trường hợp của chuẩn mực loại rối loạn, rất thường xuyên, ta có Xp=Xn Nếu hệ thống phản ứng hóa ra là

ổn định (một định nghĩa chính xác sẽ làm theo ngay), ta nói rằng Xp ổn định

Một sự mất ổn định được phát hiện có thể dẫn đến một nghiên cứu sự ổn định mới cho một (giảm) hệ thống mới với khởi đầu mới và bộ khả thi, và có thể với các giả định mô hình khác nhau (hoặc một số nghiên cứu như vậy, nếu một hệ thống được chia thành nhiều phần bị ngắt kết nối)

Các phân tích sự ổn định của hệ thống điện là nói chung không cục bộ, như bộ cân bằng khác nhau có thể tham gia Trong trương hợp sự kiện kiểu rối loạn, sự nhiễu loạn của lãi suất được quy định deterministically và nó được giả định rằng các nhà phân tích đã xác định tất cả xp có liên quan cho một Xn đưa ra và

sự xáo trộn Trong trường hợp của chuẩn mực loại nhiễu loạn, cấu trúc chắc chắn là khác nhau, các nhiễu loạn được đặc trưng bởi kích thước (trong trường hợp của cái gọi là nhỏ xáo trộn hoặc phân tích tín hiệu nhỏ này được thực hiện ngầm, để phân tích tuyến tính còn hiệu lực) , và cân bằng cùng một thiết lập thường là đặc điểm của hệ thống trước và sau khi sự xáo trộn Lưu ý, tuy nhiên, mức kiểu nhiễu loạn nguyên tắc có thể được sử dụng trong phân tích tín hiệu lớn là tốt

Chúng ta đề xuất tiếp theo một công thức của sự ổn định hệ thống điện mà sẽ cho phép chúng ta để khám phá các tính năng nổi bật của khái niệm ổn định chung từ lý thuyết hệ thống

 "Một trạng thái cân bằng thiết lập một hệ thống điện ổn định nếu, khi trạng thái ban đầu là trong các thiết lập khởi đầu cho sự chuyển động hệ thống hội tụ để tập trạng thái cân bằng, và hạn chế điều hành được hài lòng cho tất cả các biến có liên quan cùng toàn bộ quỹ đạo."

Các hạn chế điều hành là bất bình đẳng (bình đẳng) loại, và liên quan đến biến

số cá nhân và các bộ sưu tập của họ Ví dụ, hệ thống nối kết là một tính năng tập thể, vì nó hàm ý rằng có tồn tại đường dẫn (về lý thuyết đồ thị) từ bất kỳ xe buýt dành cho tất cả các xe buýt khác trong mạng Cũng lưu ý rằng một số ràng buộc điều hành (ví dụ như, cấp điện áp) vốn đã mềm tức là, các nhà phân tích

hệ thống điện có thể quan tâm đến sự ổn định đặc tính có và không có những hạn chế

Lưu ý rằng chúng ta giả định rằng mô hình của chúng ta là chính xác trong vòng Ωp trong ý nghĩa rằng không có thay đổi hệ thống hơn nữa (ví dụ, rơle khởi xướng dòng vấp ngã) cho đến khi quỹ đạo đi qua ranh giới Ωp

C Định nghĩa ổn định từ lý thuyết hệ thống

Trong phần này, chúng tôi cung cấp thông tin để định và phân tích một cách rõ ràng về một số loại ổn định bao gồm ổn định Lyapunov, ổn định vào ra, ổn định hệ thống tuyến tính và ổn định riêng phần ( cục bộ : partial stability) Trong những loại này, ổn định Lyapunov được định nghĩa là liên quan (related) với ổn định và tiệm cận

ổn định là một trong những ứng dụng tốt nhất vào hệ thống điện dưới những tác động

nhiễu lớn định nghĩa của ổn định liên quan đến hệ thống tuyến tính finds wide sử dụng trong ổn định tín hiệu bé cho việc phân tích hệ thống điện Khái niệm của ổn định riêng phần là rất có ích trong việc phân loại các ổn định hệ thống điện thành nhiều phần khác nhau

C.1.Ổn định Lyapunov

Định nghĩa ở đây thu được hầu hết được trình bày trong [54], chúng tôi đưa ra định nghĩa cho những trường hợp tiêu biểu đối với các dạng mô hình hệ thống điện (kể cả sự khác biệt khác biệt về chức năng), và không nhất thiết là đúng trong hầu hết các ngữ cảnh Chúng ta sẽ tập trung vào việc tìm hiểu ổn định của điểm cân bằng; tìm hiểu một chuỗi các điểm cân bằng phức tạp, quỹ tích điểm cân bằng có thể giảm được việc tìm hiểu các điểm cân bằng của hệ thống mà trạng thái của nó lệch đi so với trạng thái lúc bạn đầu từ trên quỹ tích; một khả năng khác là tìm quỹ tích thông qua một trạng thái mẫu và Poincare maps

Chúng ta một lần nữa xét hệ thống được điều khiển từ bên ngoài

.

( , )

x f t x

Với x là vector trạng thái, x chấm là vi phân của x, f là hàm khả vi và miền của

nó bao gồm điểm bắt đầu Chú ý rằng điều kiện điều khiển ngõ vào không bao gồm i.e, chúng ta không viết f(t,x,u) Trong phân tích ổ định của cốt lõi ổn định Lyapunov

là không có giới hạn, bởi vì tất cả các ngõ vào được điều khiển được giả sử là một hàm theo biến thời gian t và hoặc là một hàm của trang thái x vì những lí do kĩ thuật, chúng ta giả sử rằng điểm bắt đầu là điểm cân bằng ( có nghĩa là f(t,0)=0 với mọi t>=0) Cân bằng tại điểm bắt đầu có thể là sự dịch chuyển của điểm cân bằng nonzero sau khi phối hợp biến đổi thích hợp

Điểm cân bằng tại x=0 của (1) là :

ổn định nếu, với mỗi  > 0 tồn tại 1    ( , 0)t mà:

0

x t   x t  t t

Trong hình 2, chúng ta vẽ được đường cong quỹ đạo trong vùng lân cận của

xR ( hệ thống 2 thứ nguyên (two- dimensional) trong vùng không gian biến thực) bằng cách chọn điều kiện ban đầu nằm trong đường tròn lân cận có bán kính δ đủ nhỏ, chúng ta có thể cưỡng bức (force) quỹ đạo của hệ thống trong khoảng thời gian tt0 để đặt quỹ đạo hoàn toàn trong một hình trụ của đường tròn bán kính ε