Đánh giá ổn định hệ thống điện khi kết nối với hệ thống phát điện gió

1.2 CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA LUẬN VĂN  Về mặt cấu trúc luận văn bao gồm 5 phần: 1 Giới thiệu về mô hình toán các phần tử của hệ thống trên hệ thống điện, các máy phát điện và nh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HỒ NGỌC THIỆN

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN KHI KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ : 605250

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phan Thị Thanh Bình

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) 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: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HỒ NGỌC THIỆN MSHV: 12183187 Ngày, tháng, năm sinh: 11/11/1988 Nơi sinh: KHÁNH HÒA Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605250

I TÊN ĐỀ TÀI:

ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN KHI CÓ MẶT MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tác động của mô hình máy phát điện gió lên lưới điện cao áp theo lưới của

IEEE 14 nút

- Mô tả quá trình động của hệ thống khi có sự tham gia của hệ thống máy phát điện gió

Phân tích hệ thống khi xáy ra các sự cố khác nhau trên lưới điện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 10 tháng 02 năm 2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): ngày 20

LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, Phòng quản lý và Đào tạo SĐH, chuyên ngành thiết bị, mạng và nhà máy điện Xin cám ơn quí thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi

để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn cô trực tiếp hướng dẫn, PGS.TS Phan Thị Thanh Bình đã nhiệt tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em thực hiện đề tài này Nếu không có sự khích lệ, đôn đốc và giám sát tiến độ trong suốt quá trình thực hiện cũng như sự tận tình giúp đỡ của cô khi gặp khó khăn thì luận văn này sẽ không thể thực hiện thành công được

Rất cảm kích trước sự cộng tác của các anh chị và các bạn học viên lớp cao học Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2012 vì những đóng góp ý kiến hữu ích và những thảo luận thú vị Đồng cám ơn đến các kỹ sư phòng Thiết kế đường dây – Trung tâm tư vấn

lưới điện, Công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện 2 (EVNPECC2) đã đóng góp những ý

kiến, kinh nghiệm tham khảo cũng như kiến thức về thiết kế, vận hành lưới điện truyền tải

Lời tri ân đến gia đình và những người thân đã luôn ủng hộ và động viên trong suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe thầy cô, các anh, chị và các bạn

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Sự cố mất điện miền nam Việt Nam diễn ra từ lúc 14 giờ ngày 22 tháng 5 năm

2013 (giờ địa phương) làm các tỉnh thành miền Nam Việt Nam bị mất điện trong nhiều giờ Sự cố này cũng gây mất điện một số khu vực tại quốc gia láng giềng Campuchia Đây là sự cố điện xảy ra gây ảnh hưởng với quy mô lớn trên diện rộng chưa từng có trong vòng 100 năm Nguyên nhân được xác định là sự cố trên lưới truyền tải

Những cuộc khủng hoảng năng lượng trong những thập niên trước và đặc biệt là những năm gần đây đã rung lên những hồi chuông báo động về giới hạn của năng lượng hóa thạch Dưới áp lực giảm dần dầu mỏ trên toàn thế giới, Việt Nam cũng bắt đầu để tâm để tận dụng các nguồn tài nguyên tái tạo Năng lượng gió hiện nay đang được chú trọng đầu tư nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam Nhiều cánh đồng năng lượng gió tập trung đã được lắp đặt và kết nối vào lưới truyền tải (Bình Thuận, Bạc

Công cụ mô phỏng dựa trên nền MATLAB, toolbox có nguồn mở, rất mạnh mẽ tuy nhiên không hoàn toàn được thừa nhận bản quyền Toolbox cung cho luận văn những kết quả ở mức một độ tin cây tốt nhưng chưa phải là hoàn hảo trong kỷ nguyên tính toán

số hiện đại Vì vậy, tôi rất mong muốn sau này sẽ có những phương pháp thực hiện mô phỏng tương tự trên các công cụ mạnh hơn như PSS/E, ASPEN,… sẽ là nguồn tài liệu để

có thể so sánh các kết quả và nhận định với nhau

Abstract

The outages occurred in southern Vietnam at 14h May 22, 2013 (local time)

forces the provinces of South Vietnam lost electricity for several hours This incident also caused power outages in some areas neighboring Cambodia This is the largest scale power incident occurred unprecedented in 100 years The cause was identified as the problem on the transmission grid

The energy crisis in the past decades and especially in recent years has been

shaking up the alarm bell about the limits of fossil energy Under pressure from declining

of worldwide oil, Vietnam began to concentrate on using renewable resources Wind energy is now focused on investing in renewable energy sources in Vietnam Several fields of wind energy focus has been installed and connected to the transmission grid (Binh Thuan, Bac Lieu, )

Since then, as an engineer design transmission grid, I was interested in the

problem of the transmission grid stability and transmission grid in the future when

renewable energy is widely used

In this thesis, I’ve just only done a small part related to the problem With limited resources, this thesis also tried to bring a somewhat overview of the transmission system which is linked to wind energy and its response to the incident To illustrate the details of this perspective, I rather use the IEEE grid, not using transmission grid Vietnam, even though that is the main purpose for which I directed to The main conclusions based on observation and analysis of simulation results so this is not a research methodology

Simulation tools based on MATLAB platform, open-source toolbox, powerful but not fully recognized copyright Toolbox provides the results for dissertation at a good reliability but is not perfect in the era of modern numerical calculations So I look

forward to following this method will have the same simulation performed on the more powerful tools such as PSS/E, ASPEN, will be the resources to be able to compare the results and comments together

Lời cam đoan của tác giả

Tôi xin cam đoan những kết quả được trình bày trong luận văn dựa trên những nghiên cứu cá nhân và chưa từng được đăng tải trên bất kỳ công trình nghiên cứu khoa học nào

Tôi chịu mọi trách nhiệm về nội dung và những kết quả nghiên cứu

Tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor Momen điện từ và momen cơ

Số cặp cực từ

Đề tài: Đánh giá ổn định động hệ thống điện với sự có mặt của máy phát điện gió

Mục Lục

I TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN 8

1.1 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN 8

1.2 CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA LUẬN VĂN 10

1.3 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN 11

1.4 CÔNG NGHỆ NGUỒN PHÂN BỐ 13

1.5 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 17

1.6 MÁY PHÁT CẢM ỨNG? 19

1.7 ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN? 21

II TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 23

2.1 ĐỊNH NGHĨA 23

2.2 PHÂN LOẠI 23

2.3 VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG 27

2.4 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG VỚI SỰ CỐ THOÁNG QUA 29

III CÁC MÔ HÌNH MÁY PHÁT TRÊN LƯỚI ĐIỆN 37

3.1 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 37

3.1.1 Hệ phương trình vi phân và đại số của máy phát đồng bộ 37

3.1.2 Hệ phương trình đại số của stator 40

3.1.3 Hệ phương trình của mạng điện 42

3.2 MÔ HÌNH ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT CẢM ỨNG 44

3.2.1 Vector không gian 44

3.2.2 Các phép chuyển trục tọa độ 45

3.2.3 Mô hình máy điện cảm ứng 46

3.3 MÔ HÌNH MÁY PHÁT GIÓ DẠNG DFIG 51

3.4 CÁC BẬC CỦA PHƯƠNG TRÌNH TOÁN MÁY PHÁT CẢM ỨNG 57

IV ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CỦA LƯỚI ĐIỆN KHI CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 61

4.1 MỤC TIÊU CỦA KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 61

4.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN CỦA CÁC MÁY ĐIỆN KHÁC NHAU TRÊN HỆ THỐNG 62

4.2.1 Mô hình toán của máy phát đồng bộ 62

4.2.2 Mô hình toán của máy phát DFIG 63

4.3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG KHI CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 64

4.3.1 Phương pháp SI 64

4.3.2 Phương pháp PE 64

4.4 GIẢI THUẬT DÙNG PHƯƠNG PHÁP SI 66

4.4.1 Phương trình của máy phát đồng bộ 66

4.4.2 Máy phát gió DFIG 67

4.4.3 Giải thuật 68

4.5 PHƯƠNG PHÁP TIẾN HÀNH KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐỘNG 71

4.4.3 Phương pháp xác định CCT 72

4.5.2 Phương pháp thực hiện khảo sát ổn định 73

V GIỚI THIỆU VỀ PSAT VÀ MÔ HÌNH TRÊN LƯỚI THỬ NGHIỆM 14 NÚT CỦA IEEE BẰNG PSAT 75

5.1 GIỚI THIỆU VỀ PSAT 75

5.2 CÁC MÔ HÌNH CỦA PSAT 77

5.3 KẾT QUẢ TRÊN PSAT 78

5.4 MÔ HÌNH TURBINE GIÓ 79

5.5 MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN 14 NÚT IEEE THỬ NGHIỆM 80

VI THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ 87

6.1 TRƯỜNG HỢP 0: KHI CHƯA SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ (BASE CASE) 87

6.2 TRƯỜNG HỢP 1: LOẠI BỎ MÁY PHÁT 40MW Ở BUS 02 THAY VÀO ĐÓ LÀ DFIG 40MW 89 6.3 TRƯỜNG HỢP 2: LOẠI BỎ MÁY PHÁT 40MW Ở BUS 02 THAY VÀO ĐÓ LÀ DFIG 40 MW TẠI BUS 04 94

6.4 TRƯỜNG HỢP 3: LOẠI BỎ MÁY PHÁT 40MW Ở BUS 02 THAY VÀO ĐÓ LÀ DFIG 40MW TẠI BUS 05 98

 Thí nghiệm 5: đặt DIFG tại Bus5 chia sẻ với máy phát 03 101

6.5 TRƯỜNG HỢP 4: GIẢM CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ TẠI BUS 02 VÀ GẮN THÊM DFIG TẠI BUS 04 LÀM NHIỆM VỤ CHIA SẺ CÔNG SUẤT 102

6.6 TRƯỜNG HỢP 5: GIẢM CÔNG SUẤT MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ Ở BUS 02 VÀ GẮN THÊM DFIG TẠI BUS 05 LÀM NHIỆM VỤ CHIA SẺ CÔNG SUẤT 106

6.7 NHẬN XÉT VỀ KẾT QUẢ CỦA 5 THÍ NGHIỆM VỚI SỰ CÓ MẶT CỦA DFIG 110

6.8 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ 120

6.8.1 Kết quả quả khảo sát MFĐB cho trường hợp 2 như sau: 121

6.8.2 Kết quả quả khảo sát MFĐB cho trường hợp 3 như sau: 124

6.8.3 Kết quả quả khảo sát MFĐB cho trường hợp 4 như sau: 127

6.8.4 Kết quả quả khảo sát MFĐB cho trường hợp 5 như sau: 130

VII THỰC HIỆN MÔ PHỎNG VÀ CÁC KẾT QUẢ 134

7.1 KẾT LUẬN 134

7.2 NHỮNG NGHIÊN CỨU SAU NÀY 134

Danh mục hình

Hình 1.1 – Sơ đồ hệ thống nguồn tập trung (trái) và phân bố (phải) 15

Hình 1.2 – Hệ thống lưới thí nghiệm trung thế IEEE 13 nút 17

Hình 2.2 – Phân loại các dạng ổn định hệ thống điện 25

Hình 2.5 – Mô hình khối nặng và lưới dây cao su 30

Hình 2.6 – Minh họa về ổn định hệ thống điện 32

Hình 2.7 – Ảnh hưởng của thời gian CCT 34

Hình 3.1 – Mô hình máy phát đồng bộ trong hệ tọa độ 2 trục (i là số máy phát) 37

Hình 3.2 – Sơ đồ mạng điện gồm tải và máy phát đồng bộ 39

Hình 3.3 – Vector không gian 44

Hình 3.4 – Hệ tọa độ 3 pha và hệ tọa độ tĩnh 45

Hình 3.5 – Hệ tọa độ tĩnh và hệ tọa độ quay 46

Hình 3.6 – Mô hình động của máy điện cảm ứng 47

Hình 3.7 – Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 53

Hình 3.8 – So sánh đáp ứng của quá trình động của mô hình bậc 3 và mô hình bậc 5 58

Hình 3.9 – So sánh đáp ứng của quá trình động của mô hình bậc 3 và mô hình bậc 5 59

Hình 4.1 – Lưới 14 nút khảo sát 71

Hình 4.2 – Lưu đồ xác định CCT 72

Hình 5.1 – Cộng đồng những người sử dụng PSAT có thể trao đổi thông tin và kinh nghiệm tại địa chỉ: http://tech.groups.yahoo.com/group/psatforum/ 75

Hình 5.2 – Biểu diễn GNU Octave của lưới điện 14 nút khi có máy phát điện gió 76

Hình 5.3 – Giao diện dứng dụng của PSAT version 2.1.8 76

Hình 5.3 – Giao diện vẽ đồ thị quá trình động của PSAT 78

Hình 5.4a – Turbine tốc độ gió cố định 79

Hình 5.4b – Turbine gió tốc độ biến đổi với máy phát điện nguồn kép (DFIG) 79

Hình 5.5 – Lưới 14 nút của IEEE 80

Hình 5.6 – Thông số của máy phát DFIG 83

Hình 5.7 – Thông số gió 84

Hình 5.8 – Sơ đồ lưới điện trên 14 nút trên PSAT 85

Hình 6.1 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút khi chưa có DG 87

Hình 6.2 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút thay DFIG cho MFĐB tại Bus 02 89

Hình 6.3 – Thống kê CCT theo thứ tự các đường dây bị sự cố 91

Hình 6.4 – Thống kê CCT theo nhóm các Bus 91

Hình 6.6 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút thay MFĐB tại Bus 02 bằng DFIG tại Bus 04 94

Hình 6.7 –Thống kê CCT theo thứ tự các đường dây bị sự cố 95

Hình 6.8 –Thống kê CCT theo nhóm các Bus 96

Hình 6.9 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút thay MFĐB tại Bus 02 bằng DFIG tại Bus 05 98

Hình 6.10 –Thống kê CCT theo thứ tự các đường dây bị sự cố 99

Hình 6.11 –Thống kê CCT theo nhóm các Bus 100

Hình 6.12 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút sử dụng DFIG chia sẻ công suất phát 102

Hình 6.13 – Thống kê CCT các trường hợp sự cố tại các vị trí khác nhau khi thay đổi công suất phát của DFIG Hình 6.14 – Sơ đồ lưới IEEE 14 nút sử dụng DFIG chia sẻ công suất phát 106

Hình 6.15 – CCT tất cả các trường hợp sự cố khi thay đổi công suất phát của DFIG trong trường hợp 5 108

Hình 6.16 – CCT tại công suất gió định mức trong 5 trường hợp thí nghiệm 112

Hình 6.17 – CCT tất cả các trường hợp sự cố khi MFĐB phát công suất tại Bus 04 121

Hình 6.18 – So sánh việc sử dụng MFĐB và DFIG để phát công suất tại Bus 04 123

Hình 6.19 – CCT tất cả các trường hợp sự cố khi MFĐB phát công suất tại Bus 05 124

Hình 6.20 – So sánh việc sử dụng MFĐB và DFIG để phát công suất 126

Hình 6.21 – CCT tất cả các trường hợp sự cố khi MFĐB phát công suất tại Bus 04 127

Hình 6.22 – CCT tất cả các trường hợp sự cố khi MFĐB phát công suất tại Bus 05 130

Danh mục bảng

Bảng 1.1 – Phân loại DG dựa trên công suất định mức 14

Bảng 1.2 – Những tiện ích của công nghệ DG và dịch vụ của chúng 16

Bảng 3.1 –Phương trình toán mô hình máy phát không đồng bộ trong hệ quy chiếu tùy ý 49

Bảng 3.2 - Phương trình toán mô hình máy phát không đồng bộ trong hệ quy chiếu ' s  và ' s x 50

Bảng 5.1 – Các mô hình thiết bị hệ thống điện được cung cấp bởi PSAT 77

Bảng 5.3 – Thông số các máy phát trong hệ thống 81

Bảng 5.4 – Thông số các thanh cái trong hệ thống 82

Bảng 5.5 – Thông số các đường dây trong hệ thống 82

Bảng 6.1 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp cơ sở 88

Bảng 6.2 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 1 90

Bảng 6.3 – CCT khi sử dụng MFĐB 92

Bảng 6.4 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp2 95

Bảng 6.5 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 3 99

Bảng 6.6 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 4 103

Bảng 6.7 – Tỷ lệ thay đổi CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 4 104

Bảng 6.8 – CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 5 107

Bảng 6.9 – Tỷ lệ thay đổi CCT của các trường hợp sự cố trong trường hợp 5 108

Bảng 6.10 – CCT tại công suất gió định mức trong 5 trường hợp thí nghiệm 111

Bảng 6.11 – Ảnh hưởng lên ổn định do thâm nhập của công suất gió trong trường hợp 4 115

Bảng 6.12 – Ảnh hưởng lên ổn định do thâm nhập của công suất gió trong trường hợp 5 117

Bảng 6.12 – CCT của Bus 04 và Bus 05 trong các sự cố khác nhau của trường hợp 4 118

Bảng 6.13 – CCT của Bus 04 và Bus 05 trong các sự cố khác nhau của trường hợp 5 118

Bảng 6.14 – CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB phát công suất tại Bus 04 121

Bảng 6.15 – Tỷ lệ thay đổi CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB so với sử dụng DFIG để phát công suất tại Bus 04 122

Bảng 6.17 – Tỷ lệ thay đổi CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB so với sử dụng DFIG để phát công suất tại Bus 05 125

Bảng 6.18 – CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 04 127

Bảng 6.19 – CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 04 128

Bảng 6.20 – Tỷ lệ thay đổi CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 04 129

Bảng 6.21 – CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 05 130

Bảng 6.22 – CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 05 131

Bảng 6.23 – Tỷ lệ thay đổi CCT các trường hợp sự cố khi sử dụng MFĐB chia sẻ công suất tại Bus 05 132

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN

Chương này giới thiệu tổng quan về đề tài, phương pháp luận thực hiện

đề tài

I TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN

1.1 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Ngày nay, phát triển của loài người đang phải đối mặt với một thách thức nghiêm trọng Đó chính là vấn đề năng lượng Trong một trăm năm trở lại đây, chúng ta đã sử dụng đầu mỏ và các sản phẩm từ dầu mỏ để tạo ra năng lượng Dầu mỏ có mặt mọi nơi trong cuộc sống hiện đại Thế nhưng thời đại này lại nhanh chóng đi vào hồi kết Những cuộc khủng hoảng năng lượng trong những thập niên trước và đặc biệt là những năm gần đây đã rung lên những hồi chuông báo động về giới hạn của nguồn năng lượng này

Đó là lý do tại sao trong mấy mươi năm qua, kỹ sư và các nhà khoa học trên toàn thế giới đã cố gắng tìm kiếm một giải pháp cho vấn đề năng lượng Hiện nay, ta đã có thể thấy trước rằng các nguồn năng lượng tái tạo chính là cơ hội triển vọng nhất cho sự thay thế dầu mỏ

Ở Châu Âu và Bắc mỹ, rất nhiều nguồn năng lượng tái tạo được xây dựng và sử dụng hiệu quả Những nguồn này không ngừng tăng lên cả về số lượng lẫn công suất phát Ví dụ, chỉ trong thời gian ngắn từ tháng 01 đến tháng sáu năm 2003, tại các nước châu Âu, gần 1500MW công suất năng lượng gió đã được lắp đặt và đánh dấu mức 24,626 MW tổng công suất phát của nguồn năng lượng này [1]

Dưới áp lực giảm dần dầu mỏ trên toàn thế giới, Việt Nam cũng bắt đầu để tâm

để tận dụng các nguồn tài nguyên tái tạo Đến tháng 3 năm 2012, Việt Nam có 48 dự án điện gió đã được đăng ký với tổng công suất ước tính khoảng 5.000 MW Tuy nhiên, chỉ có một dự án năng lượng gió đã được xây dựng và lắp đặt thành công và đi vào hoạt động Nổi bật trong số đó là dự án năng lượng gió tại huyện Tuy Phong, tỉnh Bình

Thuận với công suất phát 30 MW (gồm 20 tua-bin với công suất 1.5MW mỗi tuabin) [2] Trong khi đó, năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác hầu như chưa được phát triển tại Việt Nam

Công nghệ nguồn phân bố (Distributed Generator – DG) đã phát triển và ngày càng trở nên phổ biến hơn bởi những ưu thế của nó trêng hệ thống điện Có thể hiểu đơn giản công nghệ này là nhiều máy phát điện nhỏ sẽ được lắp đặt thay vì xây dựng một

nhà máy phát điện lớn (hay còn gọi là nguồn tập trung để phân biệt với DG) Phân tích chi tiết về DG sẽ được thực hiện trong luận văn Do độ tin cậy đang dần được cải thiện, đặc điểm dễ lắp đặt và nhất là tính dễ sử dụng của năng lượng mặt trời, năng lượng gió, công nghệ DG ngày nay đang được nghiên cứu rộng rãi và sử dụng phổ biến

Một khía cạnh quan trọng của hệ thống điện là sự ổn định của hệ thống Trong khi với cấu trúc đặc biệt của mình mà năng lượng gió ngày nay đang được lựa chọn khác với các máy phát điện thông thường dựa trên các nguyên nhân kinh tế kỹ thuật Vì

lý do này mà nghiên cứu sự ổn định của hệ thống điện với sự có mặt của máy phát điện gió ngày càng trở nên quan trọng hơn

Luận văn này sẽ chỉ quan tâm đến ổn định động của hệ thống với sự tham gia của máy phát điện gió Bao gồm những phản ứng của hệ thống khi có sự cố trên lưới khi có mặt của nguồn năng lượng này

1.2 CẤU TRÚC VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN CỦA LUẬN VĂN

 Về mặt cấu trúc luận văn bao gồm 5 phần:

1) Giới thiệu về mô hình toán các phần tử của hệ thống trên hệ thống điện, các máy phát điện và nhất là máy phát điện DFIG

2) Giới thiệu về bài toán ổn định động, cách giải bài toán này và cách giải khi

có máy phát điện gió DFIG

3) Giới thiệu về Power system analysis tool box (PSAT), công cụ phân tích ổn định động hệ thống

4) Nghiên cứu lưới điện 14 nút IEEE, các phương án thí nghiệm nhằm đi đến giải pháp tối ưu nhất cho việc sử dụng DFIG trên lưới

 Ảnh hưởng của mức độ xâm nhập của năng lượng gió

Sự cố 3 pha là sự cố ít xảy ra trên lưới điện tuy nhiên lại là sự cố nặng nhất trên lưới điện, do đó để có thể đánh giá mức độ nghiêm trọng nhất khi có sự cố trên lưới Luận văn sẽ khảo sát sự cố 3 pha

Cũng tương tự như vậy, vị trí sự cố cũng sẽ được khảo sát tại các thanh cái là những nơi gây tác động mạnh nhất đối với ổn định hệ thống điện

1.3 CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN

Trong những năm gần đây, năng lượng gió được chú ý đầu tư và phát triển tại Việt Nam Có rất nhiều nguyên nhân giải thích cho chiến lược đầu tư năng lượng gió như là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng của chúng ta trong tương lai Báo cáo “Tình hình phát triển điện gió và khả năng cung ứng tài chính cho các sự án ở Việt Nam” [2], thuộc dự án năng lượng gió GIZ lập trình bộ Công Thương tháng 2 năm 2013 cung cấp cho chúng ta những cái nhìn tổng quát về tương lai phát triển của ngành năng lượng này

cả về yếu tố kinh tế và kỹ thuật

Vấn đề ổn định hệ thống điện cơ bản là vấn đề cổ điển trong ngành và được nhiều

kỹ sư, nhà khoa học nghiên cứu dưới nhiều góc độ khác nhau Nghiên cứu [6] đã thống

kê, phân loại tất cả các vấn đề về ổn định hệ thống điện theo IEEE/CIGRE

Phương án tiếp cận ổn định động hệ thống nhờ thông số Critical Clearing time (CCT) là một phương án quan trọng được khảo sát trong những năm gần đây Các tài liệu khác nhau tiếp cận phương pháp này Theo [3], tác giả đã chỉ ra cách tiếp cập bằng phương pháp CCT cho lưới phân phối, kiểm chứng thực nghiệm độ chính xác của

phương pháp này so với thực tế Tài liệu [9] đưa ra phương pháp tiếp cận cách xác định CCT bằng các ứng dụng UPFC cho hệ thống truyền tải

[7] trình bày ổn định động của hệ thống điện khi tập trung một lượng lớn công suất máy phát điện gió Tài liệu này cũng phân tích theo hướng tiếp cận ổn định hệ

thống nhờ CCT Tài liệu cũng đề xuất phương pháp xác định CCT bằng phương pháp Lyapunov, tuy nhiên kết quả này vẫn còn đang được xem xét vì mức độ chính xác của phương pháp tính còn chưa cao khi so sánh với mô phỏng toàn hệ thống

[8] trình bày vấn đề ổn định hệ thống tương tự khi đưa công suất phát điện gió lên

hệ thống truyền tải Tài liệu này khảo sát 2 loại công nghệ máy phát khác nhau là DFIG

và Fix-speed wind turbine (FSWTs) Phương pháp áp dụng vẫn dựa trên nguyên tắc thử

và sai để xác định CCT với các bước 10ms cho mỗi trường hợp Điểm lưu ý nhất của luận văn này là tác giả sử dụng phần mềm được thương mại hóa rất phổ biến là PSS/E

[11] nêu lên tổng quan tất cả các ảnh hưởng của máy phát điện gió lên hệ thống [13] đi xa hơn nữa khi quan tâm đến các ảnh hưởng này trong chế độ sự cố

[17] trình bày các bậc mô hình toán của máy phát và phương pháp xấp xỉ trong giải bài toán ổn định hệ thống điện

1.4 CÔNG NGHỆ NGUỒN PHÂN BỐ

Phát điện phân bố, cho đến thời điểm này có thể hiểu một cách dễ dãi là thực hiện phát điện với quy mô nhỏ, là một khái niệm khá mới lạ trong kinh tế và thị trường điện, tuy nhiên khái niệm đứng sau nó không phải là hoàn toàn mới Trong giai đoạn đầu khi con người khám phá và sử dụng điện năng thì nguồn phân bố là quy luật tất yếu chứ

không phải là một ngoại lệ Những nhà máy điện đầu tiên chỉ phát điện và cung cấp điện năng cho những khách hàng gần nhà máy Những lưới điện đầu tiên là lưới điện DC Vì thế điện áp cung cấp rất hạn chế Khoảng cách cung cấp điện cũng rất hạn chế giữa khách hàng và nhà cung cấp

Trong thập kỷ qua, đổi mới công nghệ và môi trường kinh tế và pháp lý đã nhắc lại những quan tâm về các nhà máy điện phân phối Đây là khẳng định của IEA (2012), cơ quan đã liệt kê năm yếu tố chính góp phần vào sự phát triển này Bao gồm sự phát triển của thế hệ công nghệ nguồn phân phối, những hạn chế về việc xây dựng lưới truyền tải thế hệ mới, nhu cầu khách hàng tăng đòi hỏi độ tin cậy cao, tự do hóa cạnh tranh trong thị trường điện và các mối quan tâm về biến đổi khí hậu cũng như sự suy giảm các nguồn năng lượng hóa thạch

Với sự phát triển không ngừng của nhu cầu năng lượng và sự xuất hiện của các mạng truyền tải quy mô lớn, khái niệm về các nguồn điện phân bố nhằm tạo ra năng

lượng điện từ nhiều nguồn nhỏ hơn đã đưa đến những cân nhắc mới liên quan đến lưới điện phân phối So với mô hình truyền thống của các nhà máy điện tập trung công suất lớn, hệ thống nguồn phân phối rõ ràng có lợi thế rõ ràng về kinh tế (giàm tổn thất năng lượng), ổn định và về môi trường Kết quả, nhiều khu vực tư nhân và các tổ chức chính phủ đã thúc đầy việc triển khai công nghệ nguồn phân bố trong những năm gần đây Một loạt các nhà máy điện phân loại qua tính năng hoạt động, nguồn nhiên liệu sử dụng, năng lượng và xếp hạng hiệu quả đã tác động đến thị trường điện Các đơn vị phát điện phân

bố (DGU- Distributed generation unit) đã được phân loại dự và công suất định mức của chúng Bảng 1.1 giới thiệu cách phân loại này của DG

Loại DGU Công suất định mức

Bảng 1.1 – Phân loại DG dựa trên công suất định mức

Công nghệ nguồn phân bố có những ưu điểm nổi bật như sau [11]:

1 Nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho người tiêu dùng từ xa thông qua hệ thống cung cấp năng lượng trung tâm

2 Cung cấp cho người sử dụng một hệ thống cấp điện độc lập

3 Cơ hội sử dụng các nguồn năng lượng địa phương

4 Giảm thiểu gánh nặng cho hệ thống cung cấp điện chính

5 Giảm dự trữ năng lượng trong hệ thống

6 Đồ thị đỉnh tải được cân bằng tốt hơn

7 Công nghệ DG cho phép đáp ứng các tiêu chuẩn an ninh năng lượng ngày càng cao hơn

8 Giảm tổn thất năng lượng trên lưới truyền tải do giảm truyền tải điện đi xa

9 Không cần thiết phải dành một phần chi phí hoàn trả cho các nhà máy điện

dự phòng nhằm ổn định năng lượng trên hệ thống

Hình 1.1 cho thấy một so sánh giữa mô hình các nhà máy điện tập trung truyền thống và hệ thống các nhà máy điện phân bố hiện đại Như đã để cập đên ở trên, trong mô hình phát điện truyền thống, sẽ có một vài nhà máy điện lớn rất xa các tải, giải pháp sử dụng các đường dây truyền tải cao áp để cấp điện cho các trạm biến áp Sau đó là mạng lưới phân phối sử dụng nhiều máy biến áp được sử dụng để kế nối giữa lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối đi kèm với nó

Hình 1.1 – Sơ đồ hệ thống nguồn tập trung (trái) và phân bố (phải) Đặc điểm quan trọng của sơ đồ này là nguồn điện có công suất rất lớn nhưng lại rất

xa tải Do đó một nhà máy điện sẽ cung cấp cho một loạt rất nhiều tải Khi nhu cầu tải tăng cao giải pháp để đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống là đưa thêm vào một số nhà máy điện dự phòng Ngược lại công nghệ với hệ thống nguồn phân phối sẽ cung ứng một

số nhà máy điện với công suất phát nhỏ hơn được phân bố giữ các tải Tổn thất truyền tải

sẽ giảm đi nhiều Khía cạnh bảo vệ hệ thống cũng thay đổi (những nghiên cứu trong

tương lai đang hướng đến vấn đề này) Tuy nhiên nhu cầu cao về năng lượng gây áp lực lên một nhà máy như trước đã được khắc phục vì một nhà máy điện không phải chịu trách nhiệm cấp điện cho một lưới quá rộng lớn

Có lẽ trong thời đại sau ngày 11 tháng 9, công nghệ DG còn có thể cải thiện sự an toàn của lưới điện Hệ thống điện phân phối giúp giảm các mục tiêu khủng bố các cơ sở hạt nhân và các nhà máy lọc dầu tự nhiên và trong trường hợp bị tấn công thì ảnh hưởng của sự cố không có khả năng gây sụp đổ hệ thống

Các nhà bảo vệ môi trường và các học giả cho rằng công nghệ DG có thể cung cấp thêm những ích lợi khác cho xã hội Các nhà máy phát điện công suất lớn và tập trung phát thải ra một lượng rất lớn các khí thải carbon monoxide, oxit lưu huỳnh, hạt vật chất, hydrocarbon và các oxit nitơ vào không khí Cơ quan bảo vệ môi trường (US) từ lâu đã chú ý đến tương quan giữa mức độ cao của phát thải khí oxit lưu huỳnh và mưa axit Do cần tập trung một lượng lớn nguyên liệu thô để sản xuất điện, các nhà máy điện lớn, tập

trung cũng tập trung ô nhiễm và chất thải nhiệt của họ, thường xuyên phá hủy môi trường sống thủy san và đa dạng sinh học biển Bên cạnh đó, các nghiên cứu gần đây cũng xác nhận rằng sử dụng rộng rãi các công nghệ DG giúp giảm thiểu đáng kể lượng khí thải vào không khí Hơn nữa, dù công nghệ DG vẫn độc lập với lưới điện, công nghệ này vẫn có thể cung cấp cho một lượng lớn các dịch vụ cộng đồng như bệnh viện, trường học, sân bay, cứu hỏa, cảnh sát, căn cứ quân sự, nhà máy cung cấp và xử lý nước thải, hệ thống truyền tải phân phối khí, truyền thông …

Cuối cùng, DG có thể giúp các quốc gia tăng sự đa dạng của các nguồn năng lượng Một số công nghệ DG, như turbine gió, các tấm pin quang điện mặt trời không hề sử dụng năng lượng, trong khi các nguồn khác như tế bào nhiên liệu, micro-turbine… đốt cháy khó tự nhiên, hầu hết những thiết bị này được sản xuất tại Hoa Kỳ

Sự đa dạng ngày càng tăng giúp giảm căng thẳng cho các nền kinh tế từ cú sốc giá, không bị gián đoạn sản xuất, và tình trạng thiếu nhiên liệu [12]

Bảng 1.2 sau đây, tóm tắt lợi ích của công nghệ DG

Bảng 1.2 – Những tiện ích của công nghệ DG và dịch vụ của chúng

Bảng 1.3 - Dòng sự cố trong các trường hợp vị trí và loại sự cố khác nhau

Do đó, công nghệ DG đem đến cho chúng ta rất nhiều lợi ích, đặc biệt là các giải pháp năng lượng toàn cầu và khủng hoảng môi trường Tuy nhiên việc tăng nhiều điểm phát trên hệ thống đi theo đó là mức độ mất ổn định của hệ thống cũng cao hơn Dòng

sự cố càng lớn, khả năng mất ổn định cao hơn và hệ thống có thể mất đi sự cân bằng vốn có, điều này sẽ đòi hỏi sự phức tạp hơn của hệ thống bảo vệ hệ thống đặc biệt là hệ thống rơle Mặc dù khả năng có thể không tệ đến mức làm tan rã hệ thống nhưng những

sự cố như thế có thể gây ra nhiều phiền toái và khó khăn trong vận hành hệ thống, đó là còn chưa kể đến chi phí kinh tế trong vận hành và sản xuất

1.6 MÁY PHÁT CẢM ỨNG?

Thông thường, máy phát điện đồng bộ truyền thống sẽ được lắp đặt trong các nhà máy điện phát công suất lớn và tập trung được xây dựng trong hệ thống Đối với truyền thống sản xuất điện này, chúng ta thường xuyên cố gẳng để giữ cho tốc độ cơ khí của máy phát là không đổi bằng cách điều chỉnh các nguồn tài nguyên được sử dụng (tốc độ dòng chảy của nước và hơi nước đưa vào turbine

Hơn nữa, có mộ hệ thống kích thích với mạch điện DC trong các máy phát động

bộ sẽ cho phép chúng ta kiểm soát công suất phản kháng trong mạng điện Theo quan điểm cá nhân, tôi cho rằng đó là lý do chính tại sao chúng ta trước hết sử dụng các máy phát điện đồng bộ để duy trì năng lượng cấp cho hệ thống

Tuy nhiên, với công nghệ DG, chúng ta thường xuyên sử dụng máy điện cảm ứng với những ưu thế như sau [14] [15]:

1 Máy phát cảm ứng không sử dụng chổi than, lồng sóc, với chi phí xây dựng thấp và dễ dàng xây dựng

2 Quá trình đồng bộ là không cần thiết

3 Quá trình động của máy phát điện cảm ứng là cực kỳ nhanh nếu so với máy phát đồng bộ Do đó việc trao đổi công suất sau một sự cố nhất định

là nhất nhanh và giảm dao động tần số

4 Sự tăng tốc của các turbine đầu vào sẽ tăng công suất phát vao hệ thống của máy phát điện mà không ảnh hưởng đến tốc độ và điện áp

5 Các máy điện cảm ứng ít có các vấn đề về ổn định, do chúng có khả năng nhanh chóng phục hồi trạng thái hoạt động ổn định của mình với giá trị điện áp đầu ra nhanh chóng đạt đến giá trị hoạt động bình thường của nó

6 Máy phát điện cảm ứng lồng sóc có xu hương tăng giảm dao động của dao động hệ thống điện mặc dù ảnh hưởng của chúng lên tần số có thể phức tạp hơn

Tuy nhiên, các máy phát điện cảm ứng không có hệ thống kích ứng DC để có thể

bù điều khiển công suất phản khánh đưa vào hệ thống Trong thực tế, máy phát điện

cảm ứng thậm chí hấp thụ công suất phản kháng từ lưới điện, điều này sẽ được nói chi tiết hơn ở phần sau Đó là lý do tạo sao ở chế độ máy phát, máy phát cảm ứng thường được sử dụng với một tụ mắc shunt hoặc kết nối với lưới thông qua một mạch công suất như trong trường hợp của máy phát điện cảm ứng nguồn kép (Doubly-fed induction generator -DFIG).

1.7 ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN?

Ổn định điện áp và ổn định của hệ thống ít nhiều có quan hệ với nhau; cụ thể với khả năng giữ ổn định điện áp thấp thì hệ thống rất có khả năng dễ bị mất ổn định động Kinh nghiệm cho thấy ổn định điện áp và ổn định động đều bị ảnh hưởng bởi điều

khiển công suất phản kháng Một tác động làm mất ổn định điện áp luôn dẫn đến việc tăng tốc của máy phát trong ổn định động [22]

Tuy nhiên, có một sự khác nhau rất quan trọng giữa ổn định điện áp và ổn định động Những máy phát đầu tiên đưa vào vận hành chủ yếu dựa trên ổn định động,

nhưng về sau này thì thông thường dựa vào ổn định điện áp Trong khi so sánh ổn định điện áp và ổn định động trong trường hợp có sự cố thoáng qua, ta có thể nói ổn định điện áp liên quan chủ yếu đến tải và biên độ của điện áp tải, trong khi đó ổn định động chủ yếu lên quan đến máy phát và góc công suất Mất ổn định động chủ yếu xảy ra khi

có sự cố gần máy phát và có thể gây sụp đổ điện áp Ngược lại, sụp đổ điện áp xảy ra do những tác động từ phía tải, và sự sụp đổ có thể kéo theo hoặc không mất đồng bộ của hệ thống

.Bởi vì luận văn này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của việc lắp đặt DG lên hệ thống, việc này liên quan chủ yếu ổn định động của các máy phát trên hệ thống và nhất là DG Hơn nữa, mất ổn định động luôn kéo theo mất ổn định điện áp Do đó, điều quan trọng hơn là đảm bảo cho các máy phát hoạt động trong tình trạng ổn định

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG

Chương này sẽ định nghĩa ổn định hệ thống, phân loại và trình bày về các hình thức ổn định hệ thống Bên cạnh đó, sẽ nhấn mạnh về ổn định sự cố thoáng qua phổ biến trên lưới điện truyền tải và ổn định góc quay rotor

II TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG

2.1 ĐỊNH NGHĨA

Ổn định hệ thống là khả năng của hệ thống điện nhằm phục hồi trạng thái hoạt động ổn định đối với một số điều kiện ban đầu cho trước sau khi chịu tác động của một

sự cố vật lý trên lưới điện

Điều kiện cân bằng công suất không đủ cho một chế độ xác lập tồn tại trong thực

tế Vì các chế độ trong thực tế luôn bị các tác động bên ngoài Một chế độ thỏa mãn điều kiện cân bằng công suất muốn tồn tại được trong thực tế phải chịu đựng được các tác động mà sau đó điều kiện cân bằng công suất không bị mất

2.2 PHÂN LOẠI

Chúng ta thường phân loại ổn định hệ thống điện dựa trên những tiêu chí sau [6]:

 Bản chất vật lý của hiện tượng ổn định

 Mức độ của sự cố được xem xét

 Thiết bị, quá trình và thời gian được xem xét để tiếp cận ổn định

Một số dạng ổn định hệ thống cơ bản như sau:

a) Ổn định tĩnh

Các tác động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sư biến đổi của thiết bị điều chỉnh…Các tác động này tác dụng lên roto của máy phát, phá hoại sự cân bằng công suất của trạng ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị tác động Trạng thái xác lập muốn duy trì được thì phải chịu được các tác động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các tác động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các tác động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói

Các tác động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải

và các sự cố ngắn mạch… Các tác động lớn xảy ra làm cho công suất cân bằng Điện trong hệ thống bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất

Cơ-mạnh Khả năng của hệ thống điện chịu được các tác động này mà sau đó chế độ xác lập không bị mất đi gọi là khả năng ổn định động của hệ thống

Như vậy ổn định động là điều kiện để trạng thái của hệ thống điện tồn tại lâu dài

c) Ổn định tổng quát

Khi một trạng thái nào đó của hệ thống điện chịu một tác động nhỏ hoặc lớn, nếu

hệ thống điện có tính ổn định tĩnh hoặc ổn định động thì sự cân bằng công suất tác dụng ban đầu sẽ được khôi phục lại, trang thái làm việc được giữ vững Trong quá

trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số được xem như không đổi Vì vậy đặc trưng quá trình dao động roto của máy

chế độ vẫn là chế độ đồng bộ

Nếu hệ thống mất ổn định thì sự cân bằng bị phá hủy, tốc độ góc của roto bị lệch khỏi giá trị định mức với giá trị lớn, trong hệ thống xuất hiện hệ số trượt s

0 0

hệ thống điện chịu được các tác động này mà trạng thái làm việc không bị mất gọi là

ổn định phụ tải hay là ổn định điện áp

 Hệ thống được coi là mất ổn định khi sự cố xảy ra hệ thống không thể hội tụ về một điểm nào đó Phổ biến nhất của sự mất ổn định là mất ổn định tổng quát và mất ổn định điện áp Trong trường hợp đầu tiên, tốc độ rotor của máy phát không trở về tốc độ danh định sau khi bị sự cố, mà vẫn tiếp tục tăng lên, dẫn đến việc máy phát bị ngắt do quá tốc

độ giới hạn Trong trường hợp thứ hai, điện áp đường dây khác giá trị danh nghĩa, nhưng vẫn tiếp tục giảm, cuối cùng dẫn đến việc máy phát điện ngắt và rơi tải để bảo vệ khi quá

áp

 Hệ thống hoạt động có thể ổn định sau khi sự cố xảy ra nhưng không thể trở như thời điểm trước khi xảy ra sự cố Trong trường hợp khác, chẳng hạn như việc ngắt ra khỏi lưới một máy phát điện hoặc hoặc thay đổi công suất tải thì điểm hoạt động ổn định mới khác với các điểm hoạt động ổn định ban đầu

Hình 2.2 sẽ tóm tắt các dạng ổn định của hệ thống điện như sau [6]:

Hình 2.2 – Phân loại các dạng ổn định hệ thống điện

Ở đây luận văn sẽ nhấn mạnh phân biệt trạng thái ổn định tĩnh (steady-state) và ổn định trong các sự cố thoáng qua (transient hay dynamic)

Đối với ổn định tĩnh, chúng ta đánh giá khả năng ổn định của hệ thống dưới một

số điều kiện hoạt động ban đầu cố định Các điều kiện này bao gồm các hệ số máy, tải,

đường dây và máy biến áp… Một yếu tố rất quan trọng ở đây là độ dài của đường dây truyền tải liên quan trực tiếp đến lượng năng lượng mà nó có thể chuyển tải

Đối với ổn định khi có sự cố thoáng qua, ta sẽ quan tâm đến khả năng của hệ

thống đối với những thay đổi đột ngột, chẳng hạn như đối với sự cố ngắn mạch, sự cố N-1, hay sự cố máy phát có công suất lớn… Những thay đổi này sẽ nhanh chóng diễn

ra và mất đi nhưng khả năng hoạt động ổn định của hệ thống sau khi phục hồi là vô cùng quan trọng

Khi hệ thống bao gồm tất cả các máy phát đang làm việc trong trạng thái ổn định,

có một sự cân bằng giữa các mô-men cơ và mô-men điện từ của các máy phát và vì thế nên tốc độ của các máy phát cân bằng không đổi Nếu hệ thống bị xáo trộn, trạng thái cân bằng này cũng sẽ rối loạn, sẽ có mất cân bằng giữa các mô-men điên từ và các mô-men cơ khí, kết quả là tốc độ của máy phát sẽ tăng lên hoặc giảm xuống mất kiểm

soát Mất đồng bộ có thể được nghiên cứu bằng cách áp dụng các định lý của Newton

về chuyển động quay Mất đồng bộ có thể xảy ra giữa một máy phát điện và phần còn lại của hệ thống hay giữa một nhóm các máy đồng bộ nào đó

2.3 VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG

Trong lịch sử, ổn định có liên quá đến ảnh hưởng của các máy điện (máy phát

đồng bộ và máy phát cảm ứng) để duy trì sự hoạt động ổn định nhằm cung cấp năng lượng Khía cạnh này của ổn định được gọi là ổn định góc và bị chi phối bởi động lực của rotor máy phát điện và góc điện áp trên mạng truyền tải Tuy nhiên, mất ổn định cũng có thể xảy ra mà không mất đồng bộ Điều này có thể xảy ra khi điện áp giảm không kiểm soát được do sa thải hoặc bổ sung tải đột ngột Nguyên nhân của hiện

tượng này là do những nỗ lực của hệ thống trong quá trình động này nhằm khôi phục lại việc tiêu thụ năng lượng vượt quá khả năng của hệ thống truyền tải và hệ thống nguồn điện, kết quả hệ thống vẫn duy trì được đồng bộ nhưng điện áp giảm đi nhanh chóng

Khả năng của hệ thống để duy trì mức điện áp trong giới hạn tại tất cả các điểm của hệ thống, cả trong lúc hoạt động bình thường và cả sau khi chịu đựng một sự cố được gọi là ổn định điện áp Nó có xu hướng được điều khiển bới khả năng của hệ

thống nhằm cân bằng giữa nhu cầu và cung ứng công suất thực trên hệ thống Tuy

nhiên luận văn này không liên quan đến ổn định điện áp dù rằng vấn đề này ở một khía cạnh nào đó cho phép hiểu thêm đầy đủ về các hiện tượng ổn định

Ổn định góc và ổn định điện áp có liên quan đến điều kiện trạng thái ổn định, và những điều kiện liên quan đến quá trình động (xét tín hiệu nhỏ), sự cố thoáng qua xảy

ra liên tục trên hệ thống do sự thay đổi của tải, hoạc do những sự cố lớn như lỗi sự cố ngắn mạch hay sa thải đường dây

Phân tích ổn định hệ thống bắt đầu với phân tích trào lưu công suất, thực hiện

bằng cách sử dụng một mô hình tần số (giả sử cân bằng 3 pha) trong tất cả các đường dây, tải và máy phát Mô hình này có dạng của một ma trận tổng dẫn hay ma trận tổng trở và được giải quyết bằng phương pháp lặp nhằm đạt đến kết quả mong muốn Bộ điều chỉnh điện áp (máy biến áp, nguồn công suất phản kháng…) được điều chỉnh tự động để đảm bảo mức điện áp trong giới hạn cho phép trên toàn mạng điện

Phân tích trào lưu công suất không bao gồm các quá trình động liên quan đến máy phát điện do thay đổi gia tăng điện áp, tần số hay tải Điều này được giải quyết bằng

cách phân tích ổn định động hệ thống và đòi hỏi các mô hình có khả năng phản ánh đáp ứng động lực, điểu khiển kích từ và quá trình động của máy phát Ổn định động của hệ thống được kiểm tra bởi các phương trình trào lưu công suất tại các thời điểm hoạt

động quy định bằng cách phân tích các biến động nhỏ của góc pha hay biến động độ lớn điện áp theo thời gian Điều này thường xuyên xảy ra khi máy phát nằm cách xa hệ thống tải, vì vậy những nghiên cứu này cũng cần được áp dụng tương tự đối với các hệ thống DG tập trung trên lưới truyền tải

Cuối cùng, phân tích được thực hiện để đảm bảo rằng hệ thống có thể duy trì ổn định sau những sự cố lớn như sự cố hay sa thải thiết bị Thuật ngữ “Ổn định động”

được dành riêng cho những phân tích thuộc lớp này Nó bao gồm mô phỏng dự báo đáp ứng hệ thống trong tương lai, vì vậy tương tác động liên quan đến hệ thống điều khiển, máy phát động lực và thiết bị điều chỉnh sẽ được đánh giá thích hợp Khảo sát còn phải được cân nhắc thực hiện với tất cả các sự kiện gây sự cố có thể tưởng tượng và dự

phòng những sai sót vận hành mới được xem là hợp lý Lưu ý rằng một nghiên cứu sự

ổn định được đánh giá là thành công nếu có thể chứng minh được khả năng ổn định tĩnh và khả năng ổn định động, điều này khiến cho nghiên cứu là có giá trị nhưng lại mất chi phi lớn khi thực hiện

2.4 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG VỚI SỰ CỐ THOÁNG QUA

Hiện tượng thoáng qua điện-cơ của một hệ thống điện do một sự cố lớn có thể phát triển thành hai tình huống khác nhau Trong trường hợp đầu tiên, khi quan hệ giữa góc rotor giữa các máy phát vẫn cân bằng, nhờ vậy hệ thống vẫn hoạt động đồng bộ nhưng dần chuyển đến một trạng thái hoạt động ổn định khác Ta gọi là hệ thống điện vẫn hoạt động ổn định trong sự cố thoáng qua Trong một trường hợp khác, quan hệ chuyển

động giữa các máy phát thay đổi trong quá trình quá độ điện – cơ, và kết quả là quan hệ góc giữa các máy phát mất cân bằng dẫn đến mất đồng bộ hệ thống, Hệ thống như vậy gọi là không ổn định đối với sự cố thoáng qua

Khi một máy phát điện mất đồng bộ với các máy còn lại của hệ thống, vận tốc góc của nó sẽ cao hơn hay thấp hơn những điều kiện cần thiết để duy trì ổn định điện áp và

ổn định tần số Chuyển động trượt giữa từ trường xoay của stator (liên quan đến tần số

hệ thống) và từ trường của rotor tạo nên điện áp và dòng điện đầu ra dao động với biên

độ rất cao, kết quả xấu nhất sẽ kéo theo sự sụp độ của hệ thống Điều kiện rất quan

trọng để hệ thống có thể duy trì hoạt động ổn định chính là hoạt động đồng bộ của tất

cả các máy phát Do đó phân tích quá trình động của hệ thống sau một sự cố lớn tương đương với phân tích khả năng của các máy phát giữ được hoạt động đồng bộ sau một

sự cố lớn, điều này được gọi là phân tích ổn định động thoáng qua của hệ thống

Máy phát điện trong hệ thống được liên kết với nhau bởi một mạng lưới mà ứng xử của hệ thống tương tự như kết nối của các khối nặng được liên kết bởi mạng lưới dây cao su như hình vẽ 2.5 dưới đây

Hình 2.5 – Mô hình khối nặng và lưới dây cao su Bằng cách kéo một khối trọng lượng và thả nó ra, một dao động sẽ xuất hiện trên toàn mạng lưới do tất cả các khối trọng lượng được liên kết với nhau Kết quả tác động đến chỉ một khối nặng là làm dao động hệ thống tất cả các khối nặng Cuối cùng hệ thống với phần còn lại của nó sẽ dần đi vào trạng thái ổn định trở lại, tùy thuộc vào đặc tính của hệ dao động Tần số dao động phụ thuộc vào khối lượng của các trọng lượng

và đàn hồi của các dây cao su Trọng lượng đại diện cho quán tính quay của các

turbine máy phát điện và các đàn hồi của các dây cao su tương ứng với điện cảm của đường dây truyền tải Theo một cách tương tự, dao động tần số của hệ thống điện phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống, chẳng hạn như tải, máy phát, đường dây truyền tải… Tuy nhiên mức độ ảnh hưởng của nhiễu động trên hệ thống còn bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: vị trí của lỗi, các loại máy điện…

Trong các máy điện đồng bộ, từ trường của rotor và từ thông stator luôn ở cùng tốc

độ ở hệ quy chiếu thông thường Quan hệ cố định giữa chúng là góc quay δ của máy khi khởi động Chúng ta gọi góc này đóng vai trò điều chỉnh trao đổi năng lượng thông qua khe hở không khí giữa stator và rotor Mối quan hệ này là một hàm sin của góc rotor Không có năng lượng trao đổi khi rotor và từ trường stator nằm cùng chiều với nhau và năng lượng được tao đổi tối đa trong máy phát điện đồng bộ kho góc giữa

đồng bộ Vì vậy, rất quan trọng để đại diện cho quan hệ giữa năng lượng tạo bới máy phát và góc rotor trong nghiên cứu ổn định máy đồng bộ

Một máy điện cảm ứng (một số tài liệu còn gọi là máy điện không đồng bộ) không dùng cuộn dây để tạo ra từ trường trong khe hở không khí Vì vậy máy điện cảm ứng không thể làm việc mà không có nguồn điện từ bên ngoài Có hai cách để cung cấp

nguồn điện từ bên ngoài cho máy điện cảm ứng Một là sử dụng lưới điện, ta gọi loại này là máy điện cảm ứng liên kết lưới Đối với loại này, máy điện cảm ứng được liên kết với nguồn điện, hấp thụ công suất phát kháng bằng cách sử dụng mạch từ Máy điện cảm ứng có thể chuyển năng lượng cơ từ trục và chuyển thành năng lượng điện đưa vào lưới Ngay cả khi không tạo ra điện, máy điện cảm ứng vẫn tiêu thụ một lượng đáng kể công suất phản kháng Năng lượng phản kháng tiêu thụ tỷ lệ với năng lượng thực tạo ra

Do đó, một tụ điện cần được sử dụng để cung cấp năng lượng phản kháng cho máy

phát Dạng máy điện cảm ứng còn lại được gọi là dạng độc lập, trong đó sử dụng một tụ mắc shunt sử dụng làm nguồn công suất phản kháng để từ hóa những mạch máy

Chúng tôi chú ý đên dạng liên kết với lưới (dạng đầu tiên) bởi vì có rất nhiều sự tương tác giưa các turbine gió và phần còn lại của lưới điện, đặc biệt là kho có lỗi trên hệ

và những trạng thái sau sự cố còn phụ thuộc vào hệ thống rơle mà nó sử dụng Do đó việc phân tích và xác định các mối quan hệ này là rất quan trọng Tuy nhiên sự đa dạng của các biến có liên quan trong quá trình thực hiện phân tích này cực kỳ phức tạp

Trong thực tiễn, CCT có thể tính toán được bằng hai cách phổ biến: Bằng phương pháp thử và sai của hệ thống sau một nhiễu loạn lớn và kiểm tra hành vi của hệ thống sau những lỗi được xác định trước, các thứ hai thực hiện tính toán trực tiếp thông qua các phương trình mô tả sự cố và kiểm tra bằng phương pháp Lyapunov với rất nhiều quá trình tính toán được tích hợp để xác định thời gian giới hạn như đã phân tích Đối với phương pháp tính toán đầu tiên thì việc chính xác hóa mô tả hành vi quá độ của hệ

thống là cực kỳ quan trọng và số lần thực hiện tính toán là rất nhiều Phương pháp tiếp cận thứ hai đòi hỏi những yêu cầu cao hơn trong giải thuật và những phân tích đầu vào,

số lần thực hiện tính toán giảm lại nhưng độ chính xác của kết quả vẫn chưa cao và ngày càng được nâng cao chất lượng trong những nghiên cứu gần đây

Để có một cái nhìn tổng quan về CCT và mức độ quan trọng của nó, chúng ta sẽ xem xét một minh họa rất đơn giản về sự ổn định góc cánh quạt của máy đồng bộ

Chúng ta có phương trình xoay đại diện cho các phương trình mô tả quan hệ giữa góc rotor của máy đồng bộ và năng lượng điện cơ được mô tả như sau:

Ổn định thoáng qua chủ yếu liên quan đến tác động tức thời của một lỗi đường dây truyền tải hay máy phát đồng bộ Hình dưới đây miêu tả hành vi đáp ứng của máy phát đối với điều kiện sự cố [10]

Hình 2.6 – Minh họa về ổn định hệ thống điện Bắt đầu từ tình trạng hoạt động ban đầu (điểm 1), một sự cố trên đường dây truyền tải khiến cho năng lượng điện đầu ra của máy phát Pe giảm mạnh Sự khác biệt giữa năng lượng điện và năng lượng cơ khiến rotor máy phát tăng tốc trong hệ thống, điều này đã thay đổi góc của năng lượng đến điểm 2 Khi sự cố bị xóa, hệ thống phục hồi lại