NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

TRẦN THỊ LỆ QUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR MÁY PHÁT ĐIỆN BẰNG BỘ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT (PSS) VÀ THIẾT BỊ BÙ NGANG TĨNH (SVC)

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện

Mã số : 60.52.50

THÁI NGUYÊN - 2012

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Trần Thị Lệ Quyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất

nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong suốt quá

trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS Nguyễn

Đăng Toản Trường Đại học Điện lực Hà Nội

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 6 năm 2012

Trần Thị Lệ Quyên

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hướng thị trường hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy

mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn về ổn định Hiện nay, các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rôto máy phát điện Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hưởng, các phương pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ dành để phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới như PSS và SVC cũng như là cơ sở để nâng cao hiệu quả

ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn Chương II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện được trình bày

cụ thể trong chương này Chương III, nghiên cứu về thiết bị PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn được trình bày trong chương IV của luận văn Chương V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định góc rotor máy phát điện, PSS, SVC.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN 1 LỜI CẢM ƠN 2 TÓM TẮT LUẬN VĂN 3 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7 DANH MỤC CÁC BẢNG 10 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 11 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG 13 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 14 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định góc rotor máy phát điện 14

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết bị FACTS - SVC 15

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN 16 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 17 CHƯƠNG II : ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR 18 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 18 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới 18

2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện 30

2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện 33

2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện 36

2.2 ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC ROTO 36 2.2.1 Định nghĩa 36

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá độ 38

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu 38

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5

2.2.4 Phương pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện 42

2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 44 2.4 KẾT LUẬN 47 CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU VỀ THIẾT BỊ PSS VÀ SVC 49 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG 49 3.2 THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH CÔNG SUẤT – POWER SYSTEM STABILIZER- PSS 49 3.2.1 Mô hình thiết bị PSS 49

3.2.2 Sử dụng PSS để nâng cao ổn định 51

3.2.3 Bộ ổn định dựa trên tần số 54

3.3 THIẾT BỊ SVC 55 3.3.1 Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) 57

3.3.2 Tụ đóng mở bằng thyristor TSC (thyristor switch capacitor) 58

3.3.3 Kháng đóng mở bằng thyristor TSR (thyristor switch reactor) 59

3.3.4 Ứng dụng của SVC trong thực tế 60

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 63 CHƯƠNG IV : MÔ HÌNH THIẾT BỊ VÀ CÔNG CỤ MÔ PHỎNG -PSS/E 65 4.1 PHẦN MỀM PSS/E 65 4.1.1 Giới thiệu chung về PSS/E 65

4.1.2 Giới thiệu tổng quan về chương trình PSS/E 65

4.1.3 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E 68

4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN 72 4.2.1 Mô hình máy phát điện GENROE 74

4.2.2 Mô hình thiết bị kích từ SEXS 75

4.2.3 Mô hình thiết bị PSS 76

4.2.4 Mô hình SVC 78

4.2.5 Máy biến áp 80

4.2.6 Đường dây 81

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6

4.3.1 Mô phỏng động hệ thống điện khi chƣa có thiết bị PSS, và SVC 82 4.3.2 Mô phỏng động khi thêm thiết bị PSS, và SVC 87

5.1.1 Nghiên cứu các sự cố 98 5.1.2 Nghiên cứu về PSS, SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện 98

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987 21

Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500 kV – WSCC – USA – 1996 23

Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 23

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [20] 24

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 27

Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trước và sau khi 3h 25 phút 33 giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 28

Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17] 30

Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 33

Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 35

Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 36

Hình vẽ II-11: Góc Rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua [1] 37

Hình vẽ II-12: Minh họa phương pháp cân bằng diện tích 40

Hình vẽ II-13: Minh họa phương pháp hàm năng lượng quá độ 41

Hình vẽ III-1: Sơ đồ điển hình về hệ thống kích từ 49

Hình vẽ III-2: Sơ đồ một hệ thống kích từ đơn giản với thiết bị AVR và PSS 50

Hình vẽ III-3: Sơ đồ khối bộ ổn định Delta – P – Omega 54

Hình vẽ III-4: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC 56

Hình vẽ III-5: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR 57

Hình vẽ III-6: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSC 59

Hình vẽ III-7: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TSR 60

Hình vẽ III-8: Hình ảnh SVC được lắp đặt tại ESKOM – Nam phi 62

Hình vẽ III-9: Hình ảnh SVC được lắp đặt tại Enelpower, Brazil 63

Hình vẽ IV-1: Sơ đồ khối của PSS/E 68

Hình vẽ IV-2: Mô hình hệ thống điện chuẩn 72

Hình vẽ IV-3: Mô hình máy phát điện GENROE trong thư việc PSS/E 74

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8

Hình vẽ IV-4: Mô hình thiết bị kích từ SEXS trong thư việc PSS/E 75

Hình vẽ IV-5: Mô hình kích từ 76

Hình vẽ IV-6: Mô hình bộ ổn định công suất STAB1 trong thư viện của PSS/E 77

Hình vẽ IV-7: Mô hình bộ ổn định tốc độ 78

Hình vẽ IV-8: Mô hình thiết bị SVC 80

Hình vẽ IV-9: Mô hình máy biến áp 2 dây quấn 81

Hình vẽ IV-10: Mô hình đường dây tải điện 82

Hình vẽ IV-11: Góc rotor máy phát G1 khi không có PSS, SVC 83

Hình vẽ IV-12: Góc rotor máy phát G2 khi không có PSS, SVC 84

Hình vẽ IV-13: Góc rotor máy phát G3 khi không có PSS/SVC 84

Hình vẽ IV-14: Góc rotor máy phát G4 khi ngắn mạch khi không có PSS/SVC 85

Hình vẽ IV-15: Điện áp trên thanh góp 8 của hệ thống điện khi không có PSS/SVC 85

Hình vẽ IV-16: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86

Hình vẽ IV-17: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 khi không có PSS/SVC 86

Hình vẽ IV-18: Góc rotor máy phát G1 khi có thiết bị PSS/SVC 88

Hình vẽ IV-19: Góc rotor máy phát G2 khi có PSS/SVC 88

Hình vẽ IV-20: Góc rotor máy phát G3 khi có PSS/SVC 89

Hình vẽ IV-21: Góc rotor máy phát G4 khi có PSS/SVC 89

Hình vẽ IV-22: Điện áp trên thanh góp 8 khi có PSS/SVC 90

Hình vẽ IV-23: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1 khi có PSS/SVC 90

Hình vẽ IV-24: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 khi có PSS/SVC 91

Hình vẽ IV-25: Góc rotor máy phát G1 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC 92

Hình vẽ IV-26: Góc rotor máy phát G2 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC 92

Hình vẽ IV-27: Góc rotor máy phát G3 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC 93

Hình vẽ IV-28: Góc rotor máy phát G4 trong hai trường hợp không có và có PSS/SVC 93

Hình vẽ IV-29: Điện áp trên thanh góp 8 khi không có và có PSS/SVC 94

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9

Hình vẽ IV-30: Công suất trên đường dây 7-8 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 94 Hình vẽ IV-31: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 khi không có và có PSS/SVC 95 Hình vẽ IV-32: Công suất trên đường dây 8-9 mạch 1 trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS, và khi có cả PSS/SVC 96 Hình vẽ IV-33: Điện áp tại thanh góp 8 trong các trường hợp không có PSS/SVC, khi chỉ có PSS,

và khi có cả PSS/SVC 96

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng III-1: Danh sách các SVC đã đƣợc lắp đặt trên thế giới 61

Bảng IV-1: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình Máy phát điện 74

Bảng IV-2: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình thiết bị kích từ 75

Bảng IV-3: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình PSS 77

Bảng IV-4: Mô tả các biến đầu vào và các biến trạng thái đầu ra của mô hình SVC 79

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AVR Automatic Voltage Regulator

(Bộ điều chỉnh điện áp)

CIGRE

Conseil International des Grands Réseaux Électriques

or : International Council on Large Electric systems

(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)

(Hệ thống quản lý năng lượng)

FACTS Flexible AC Transmission System

(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)

HVDC High Voltage Direct Current

(Đường dây tải điện một chiều)

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)

RTCA Real Time Contingency Analysis

(Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực)

(Hệ thống đánh giá trạng thái)

(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12

(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)

TCR Thyristor Controlled Reactor

(Hệ thống đo lường trên diện rộng)

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13

CHƯƠNG I:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Các hệ thống điện (HTĐ) nói chung và HTĐ Việt Nam đang phải đối mặt với các thách thức như sau: thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của nhu cầu phụ tải do

sự phát triển nhanh về kinh tế Trong khi đó, chúng ta lại đang phải đối phó với sự cạn kiệt về tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ… (kể cả tiềm năng về nguồn thủy điện) Các áp lực về việc gìn giữ môi trường cũng làm cho việc xây dựng thêm các nhà máy điện chạy than gặp nhiều khó khăn Đồng thời, HTĐ Việt Nam đang trải qua quá trình thị trường hóa, dẫn đến có sự mua bán điện và liên kết với HTĐ của các nước bạn Mặt khác, chúng ta cũng đang ngày càng sử dụng nhiều hơn các nguồn năng lượng tái tạo ở phía trung áp Tất cả các yếu tố này, làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về qui mô, khó khăn trong quản lý, vận hành và phối hợp điều khiển Chính vì vậy mà một số HTĐ có thể đang được vận hành gần với giới hạn ổn định

Các HTĐ trở lên “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra và có thể dẫn đến mất ổn định Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở Châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này Ví dụ như sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 08 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ Sự cố tại Ý vào tháng 09 năm 2003, tổng lượng tải bị cắt là 27

GW, và tổng thiệt hại vào khoảng 50 tỉ USD…Trong đó có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện tượng mất ổn định góc rôto máy phát điện Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về nâng cao ổn định HTĐ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14

Đã có rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới về vấn đề này, chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các cơ chế xảy ra sự cố, các yếu tố ảnh hưởng, các phương pháp nghiên cứu – công cụ nghiên cứu, các mô hình thiết bị, để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao mất ổn định góc rôto máy phát điện Trong đó, có nhiều tác giả tập trung vào nghiên cứu khả năng nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện bằng thiết

bị ổn định công suất (power system stabilize- PSS) và thiết bị FACTS -SVC

Từ những năm đầu của thập niên 60, các bộ PSS được lắp đặt trong hầu hết các hệ thống kích từ của các MPĐ Bộ PSS là một khối chức năng của hệ thống kích từ nhằm bổ xung tín hiệu cản dao động vào đầu vào của hệ thống kích từ để ngăn chặn dao động công suất trong HTĐ

Các thiết bị FACTS cũng đã được dùng từ rất lâu trong các HTĐ Không những để nâng cao khả năng truyền tải công suất, điều chỉnh điện áp, mà còn để nâng cao ổn định nói chung Trong đó SVC là một thiết bị bù ngang tĩnh, được lắp đặt tại các nút để nhanh chóng điều chỉnh điện áp, và cũng có tác dụng nâng cao ổn định

Chính vì vậy trong luận văn này sẽ dành để phân tích ưu nhược điểm của các thiết bị PSS và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rôto máy phát điện Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ góp phần tìm hiểu về nguyên lý làm việc, các ứng dụng của các thiết bị mới như PSS và SVC cũng như là cơ sở để nâng cao hiệu quả

ổn định của HTĐ nói chung, và là điều kiện tiền đề để khai thác tính năng của các thiết bị PSS và SVC trong HTĐ Việt Nam

1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định góc rotor máy phát điện

Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nào bởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dưới góc độ kinh tế và an ninh năng lượng Do đó vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15

qua Một sự cố tan rã HTĐ thường là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, và

là một hiện tượng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời Trong

đó việc mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân chính

Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định do mất ổn định góc rotor máy phát điện Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự

cố tan rã HTĐ sẽ được tóm tắt ngắn gọn Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phương án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ

1.2.2 Tìm hiểu phương pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện bằng bộ ổn định công suất PSS và thiết

ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), và ổn định quá độ (transient stability)

Khi nghiên cứu các vấn đề ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ , các dạng nhiễu loạn thông thường được coi là đủ nhỏ và phương pháp tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc cân bằng của HTĐ thường được áp dụng cho việc nghiên cứu

và phân tích Các phương pháp truyền thống dựa trên các phân tích các giá trị riêng của ma trận trạng thái và các ma trận liên quan , hệ số tham gia

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16

Sự phân tích tính ổn định của ổn định quá độ được thực hiện bởi sự kết hợp lời giải của các phương trình đại số mô tả mạng điện, với cách giải bằng phương pháp số của các phương trình vi phân Việc giải các phương trình mạng điện dùng

để nhận dạng hệ thống bằng cách lấy điện áp, dòng điện cửa vào hệ thống trong quá trình quá độ Phương pháp biến đổi Euler và Runge - Kuta được thực hiện để giải các phương trình vi phân trong việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ

Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định góc rotor máy phát điện, chúng tả phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản - hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất như: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị PSS, SVC

đã được chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định góc rotor Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số lượng các thiết bị điều khiển thì thường hạn chế về số lượng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải lựa chọn thiết bị tối ưu để nâng cao ổn định

Trong luận văn này, chúng tôi tập trung phân tích tác dụng của thiết bị PSS

và SVC trong việc nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Kết quả được thực

hiện với HTĐ chuẩn của IEEE chứng minh những hiệu quả của việc sử dụng thiết

bị PSS và SVC

1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Bản luận văn được trình bày như sau:

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương I của luận văn Chương

II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây Trong đó, sự mất ổn định góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân chính Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu nâng cao ổn định nhiễu góc rotor máy phát điện được trình bày cụ thể trong chương này Chương III, giới thiệu về thiết bị

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17

PSS và SVC dùng để nâng cao ổn định góc rotor máy phát điện Các kết quả mô phỏng với HTĐ chuẩn IEEE được trình bày trong chương IV của luận văn Chương

V trình bày các kết luận chủ yếu và các kiến nghị

1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN

Bản luận văn chỉ đưa ra phân tích so sánh giữa thiết bị PSS và SVC, và tác dụng của hai loại thiết bị này đối với nâng cao độ ổn định góc rotor Phương pháp thực hiện là mô phỏng theo thời gian các tác động của bộ PSS và SVC khi có sự cố xảy ra trong HTĐ Kết quả chỉ được áp dụng cho HTĐ ví dụ hoặc hệ thống điện chuẩn của IEEE

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18

CHƯƠNG II:

ĐỊNH NGHĨA VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH

GÓC ROTOR

2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY

2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới

Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu… Trong phần này, một số các sự cố điển hình được thảo luận tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19]:

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp Lúc đó HTĐ Pháp đang nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh Phụ tải tăng lên từ khoảng 7 giờ đến 8 giờ là 4600 MW So với ngày hôm trước thì nhu cầu phụ tải tăng lên là 1600 MW Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV) Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút, thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trong khoảng từ 342 kV đến 374 kV Trong khi đó một số đường dây đã bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và xảy ra sụp đổ điện áp sau đó Trong quá trình khôi phục lại HTĐ

đã xảy ra một sự cố sụp đổ điện áp khác Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt, với tổng năng lượng không truyền tải phân phối được là 100 GWh Hậu quả về tiền được dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla Nguyên nhân chính là sự mất ổn định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng một tổ máy có công suất 700 MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo dưỡng Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã tác động để giảm lượng công suất phản kháng phát ra Ba đến bốn phút sau sự cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất phản kháng” của máy phát điện Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của một số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82 pu (đơn vị tương đối) Vào lúc 4 phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ điện áp do mất ổn định điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hư hỏng một

bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV Khoảng 8 giây sau, một đường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng Điện áp của HTĐ bị giảm thấp làm cho các máy biến áp với bộ điều áp dưới tải tác động, càng làm cho điện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng cao trong các đường dây từ phía Bắc đến phía Nam Khoảng 55 giây sau sự cố ở trong trạm biến áp, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thụy Điển bị tách thành hai phần, Bắc và Nam Các hiện tượng sụp đổ tần số và điện áp xảy ra trong HTĐ Hệ thống

sa thải phụ tải đã không có hiệu quả trong việc cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ Các tổ máy hạt nhân trong khu vực HTĐ chia rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở kháng thấp dẫn đến sự cố tan rã hoàn toàn HTĐ Tổng lượng tải bị cắt ra vào khoảng

11400 MW Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp trong khoảng thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Florida - Mỹ ngày 17 tháng 5 năm 1985: Một sự

cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500 kV đang mang tải nhẹ dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây Lượng tải bị mất khoảng 4292 MW Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ [2], [3]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20

 Sự cố tan rã HTĐ Tokyo - Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn

bộ thủ đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lượng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt

độ tăng cao Sau thời gian buổi trưa, lượng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút (tương đương với 400 MW/1 phút) Mặc dù, các tụ bù đã được đóng hết, nhưng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500 kV Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống truyền tải và xa thải 8000 MW Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của các thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp [1], [2], [3]

 Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền Tây nước Pháp: trong khoảng 50 phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến điện áp trong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trong vòng 7 phút sau đó, trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động Tuy nhiên thì điện áp vẫn được giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ 0.5 pu đến 0.8 pu) Trong khoảng thời gian 6 phút, điện áp giảm thấp đã phải cắt một lượng tải

là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ Nguyên nhân chính là do sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3] Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp

đổ đối với HTĐ Pháp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 21

Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ Pháp ngày 12/1/1987

Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ được vận hành rất gần với giới hạn an ninh cho phép, lượng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn, chính vì vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400 kV Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồng thời với việc bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400 kV đã làm giảm lượng công suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lưới 400 kV giảm xuống còn 344 kV Điện áp đã được khôi phục bằng cách khởi động các nhà máy điện dùng tuabin khí và sa thải một lượng phụ tải [3]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền tây nước Mỹ (Western Systems Coordination Council - WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùng Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải và nhiệt độ trong vùng miền Nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C Lượng công suất truyền tải từ vùng Pacific về California khá cao cụ thể như sau:

o Đường dây liên lạc AC: 4300 MW (giới hạn là 4800 MW)

o Đường dây liên lạc DC: 2800 MW (giới hạn là 3100 MW)

o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đường dây 345 kV từ nhà máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng điện

từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến Sự cố này dẫn đến việc cắt một đường

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 22

dây mạch kép khác do sự tác động sai của bảo vệ rơ le Việc cắt 2 trong bốn tổ máy của nhà máy điện Jim Bridger theo tiêu chuẩn ổn định lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ Tuy nhiên việc sự cố cắt đường dây 220 kV trong miền Đông Oregon đã làm điện

áp giảm thấp trong vùng miền Nam Idaho, và sự suy giảm dần dần trong vùng trung tâm Oregon Khoảng 24 giây sau, một đường dây 220 kV khá dài khác từ vùng miền Tây Montana đến miền Nam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách, điều này làm cho một đường dây kép 161 kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến việc suy giảm khá nhanh điện áp trong vùng Idaho và Oregon Khoảng 3 giây sau, 4 đường dây 220 kV từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt ra, 2 giây sau, hệ thống truyền tải liên lạc với vùng Pacific bị cắt ra Sự tan rã HTĐ xảy ra sau khoảng 35 giây từ sự cố đầu tiên Khoảng 2,2 triệu người đã bị ảnh hưởng, lượng tải bị mất vào khoảng 11900 MW Nguyên nhân chính là sự sụp đổ điện áp [1], [10]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền Tây nước Mỹ: (Western Systems Coordination Council -WSCC), ngày 10 tháng 8 năm 1996

o Trong thời gian trước khi xảy ra sự cố, nhiệt độ ở miền Tây Bắc, và lượng công suất truyền tải từ phía Canada về California tăng cao Trước khi tan rã

hệ thống, ba đường dây 500kV truyền tải công suất từ vùng hạ lưu sông Columbia River đến trung tâm phụ tải Oregon đã bị cắt ra do sự cố phóng điện vào cây trên hành lang tuyến Đường dây liên lạc California-Oregon truyền tải 4330 MW từ miền Bắc về miền Nam Đồng thời đường dây liên lạc một chiều Pacific DC Intertie truyền tải 2680 MW từ miền Bắc về miền Nam Dao động công suất tăng dần xảy ra

ở tần số 0.23, sự thiếu các thiết bị điều khiển cản dao động đã dẫn đến việc cắt các đường dây khác, và làm HTĐ bị chia tách thành bốn vùng riêng biệt

o Tổng lượng tải bị mất là khoảng 30,500 MW, hơn 7,5 triệu người đã

bị ảnh hưởng mất điện từ vài phút đến 9 giờ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 23

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 24

Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây California-Oregon [20]

 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang Miền Bắc nước Mỹ - Canada (North American Electricity Reliability Council (NERC-USA) ngày 14/08/2003 Dựa trên các điều tra của NERC, HTĐ lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và rất thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio Hệ thống đánh giá trạng thái, và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO) (state estimator -SE và real time contingency analysis RTCA) đã không hoạt động đúng

do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến 16 giờ 04 phút Điều này đã ngăn cản MISO đưa ra các cảnh báo sớm trong việc đánh giá trạng thái của HTĐ Tại trung tâm điều khiển HTĐ FE (First Energy control center) đã xảy ra một sự cố

hư hỏng phần mềm máy tính trong hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System EMS) lúc 14 giờ 14 phút Những hư hỏng này đã khiến FE không thể đánh giá đúng được tình trạng làm việc và đưa ra những cảnh báo sớm và biện pháp phòng ngừa Sự cố đầu tiên xảy ra trong hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút,

tổ máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra do quá kích thích, và một số tổ máy

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 25

khác trong vùng FE và phía Bắc của Ohio đang vận hành ở chế độ quá tải về công suất phản kháng, trong khi đó tải công suất phản kháng trong khu vực này tiếp tục tăng cao Mặc dù các kỹ sư vận hành đã cố gắng khôi phục lại hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhưng tổ máy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến đường dây 345 kV trong vùng FE Chamberlin-Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào cây trong hành lang tuyến, mặc dù lúc đó đường dây này chỉ mang 44% tải định mức Tiếp theo là đường dây 345 kV Hanna-Juniper đang mang tải 88% cũng bị cắt ra do phóng điện vào cây trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút Một đường dây 345 kV khác đang mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra

do phóng điện vào cây lúc 15 giờ 41 phút Trong khoảng thời gian này, vì hệ thống phần mềm của trung tâm điều khiển FE và MISO bị hỏng, nên không hề có một hành động ngăn chặn nào Tiếp sau đó là một loạt các đường dây tải điện trong hệ thống 138 kV bị cắt ra trong khoảng 15 phút tiếp theo, nhưng vẫn không có sự sa thải phụ tải nào Sự cố nguy kịch nhất dẫn đến việc mất điều khiển HTĐ và mất điện lan rộng trong vùng Ohio sau khi đường dây 345 kV Sammis-Star 345 kV bị cắt ra lúc 16 giờ 05 phút 57 giây Vào khoảng 16 giờ 10 phút 38 giây, do việc mất các đường dây liên lạc giữa Ohio và Michigan, công suất trao đổi giữa Mỹ và Canada đã bị thay đổi Tại thời điểm này, điện áp xung quanh vùng Detroit bị giảm thấp do các đường dây bị quá tải nặng HTĐ đã mất ổn định kết quả là sự mất điện hàng loạt, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đường dây trong một vùng rộng lớn Người ta ước tính khoảng 65000 MW đã bị cắt và phải mất gần 30 giờ để khôi phục lại HTĐ, dao động công suất, mất ổn định điện áp là nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ [5], [9], [10], [11], [12], [13], [14]

 Sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển/ Đan Mạch ngày 23 tháng 9 năm 2003: Trước khi xảy ra sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạn cho phép Tổng lượng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000 MW, và không quá nặng tải Hai đường dây 400 kV trong vùng sự cố đã được cắt ra để bảo dưỡng định kỳ, một đường dây HVDC khác nối với Đức cũng bị cắt ra cho mục đích bảo dưỡng Bắt đầu từ 12 giờ 30 phút, tổ máy 3 của nhà máy điện hạt nhân Oskarshamn bị sự

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 26

cố phải giảm công suất từ 1250 MW xuống 800 MW vì sự cố trong hệ thống bơm cấp nước Nhân viên nhà máy đã không thể khắc phục được sự cố này và dẫn đến tổ máy 3 bị cắt ra làm mất hoàn toàn 1250 MW Sự cố này lẽ ra được coi là bình thường và thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh N-1, bởi lượng công suất dự phòng nóng và khả năng mang tải của các đường dây vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh kể trên Sau quá trình quá độ bình thường, các hệ thống tự động đã khởi động để lấy công suất

dự phòng từ các nhà máy thủy điện từ Na Uy, bắc Thụy Điển và Phần Lan, người ta tin rằng điều này sẽ làm HTĐ trở lên ổn định trong vòng khoảng 1 phút Tuy nhiên điện áp ở vùng phía Nam đã giảm khoảng 5 kV, tần số ổn định trong giới hạn cho phép là 49,90 Hz Lượng công suất chạy trên các đường dây nằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng công suất chạy từ phía Nam - Tây Nam đã tăng lên Vào lúc

12 giờ 35 phút đã xảy ra một sự cố thanh góp kép ở trạm 400 kV Horred phía Tây Thụy Điển đã làm mất 1,8 GW từ nhà máy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối Bắc - Nam cũng bị cắt ra, từ 12 giờ 35 phút đến 12 giờ 37 phút vùng phía Đông

đã trở lên quá tải dẫn đến sự sụp đổ điện áp, vùng phía Nam (Nam Thụy Điển và Tây Nam của Đan Mạch) bị tách rời Lúc 12 giờ 37 phút sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp đổ cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã HTĐ Tổng lượng tải bị cắt vào khoảng 6,3 GW và mất hơn 6 giờ để khôi phục HTĐ [9], [11], [15]

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 27

Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand)

 Sự cố tan rã HTĐ tại Italy, ngày 28/09/2003 Vào lúc 3 giờ sáng, lượng công suất nhập khẩu là 6,9 GW, và nhiều hơn 300 MW so với định mức Lúc

03 giờ 01 phút 42 giây, có một sự cố xảy ra trên đường dây 380 kV mang tải nặng

từ Mettlen -Lavorgo trong HTĐ Thụy Sỹ, gần với biên giới của Italy Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây một cách tự động và bằng tay nhưng không thành công do sự sai lệch lớn về góc pha điện áp giữa hai cực của máy cắt điện Việc này đã làm đường dây truyền tải 400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110% Vì sự dao động công suất này không làm ảnh hưởng đến tiêu chuẩn an ninh N-1 của HTĐ Italy nên các nhà vận hành HTĐ Italy (GRTN) đã không nhận thức được sự nguy hiểm đang xảy ra ở HTĐ Thụy Sỹ và đã không tiến hành bất cứ hành động phòng ngừa nào Vào lúc 03 giờ 11 phút, các nhà vận hành HTĐ Thụy Sỹ (ETRANS) đã yêu cầu GRTN giảm lượng công suất nhập khẩu xuống để giảm lượng quá tải trong HTĐ Thụy Sỹ để đưa HTĐ trở lại chế độ vận hành an toàn hơn Tuy nhiên sự phối hợp thiếu đồng bộ, và chính xác giữa ETRANS và GRTN, đã dẫn đến việc ETRANS đưa ra một hành động gây tranh cãi

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 28

là cắt đường dây Sils – Soazza do quá tải lúc 03 giờ 25 phút 21 giây Ngay lập tức, một đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bị quá tải và bị cắt ra làm mất một lượng tải truyền sang Italy là 740 MW Sau sự cố này, các đường dây nhập khẩu điện từ các nước khác như Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị quá tải

và lần lượt bị cắt ra Kết quả là HTĐ Italy đã bị mất điện hoàn toàn, tổng lượng tải

bị cắt là 27 GW, thiệt hại về kinh tế là hàng chục tỉ đô la Đây được coi là sự cố lớn nhất trong lịch sử ngành điện lực Italy Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là

đã không tiến hành sa thải) Vào lúc 12 giờ 37 phút, một tổ máy khác bị cắt ra đã làm cho điện áp sụp đổ hoàn toàn Lúc 12 giờ 39 phút, hệ thống bị tách ra bảo vệ đường

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 29

dây tác động, phần HTĐ còn lại bị tách khỏi vùng phía Nam, dẫn đến sự cố tan rã HTĐ ở Athens và đảo Peloponnes Tổng lượng tải bị mất vào khoảng 9 GW [16]

 Sự cố tan rã HTĐ các nước châu Âu ngày 04/11/2006 Đây là một trong những sự cố có nguyên nhân phức tạp, ảnh hưởng đến nhiều quốc gia Nguyên nhân chính là do sự mất ổn định về tần số [17], [18] Tuy nhiên việc sa thải phụ tải kịp thời đã tránh được một sự cố tan rã HTĐ trên diện rộng trong đó riêng Pháp đã sa thải 6460 MW hay 12% Khoảng hơn 15 triệu người đã bị ảnh hưởng

a Tần số HTĐ ghi được cho đến khi bị chia tách

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 30

b Tần số ghi được sau khi HTĐ bị chia tách Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17] Ngoài ra còn rất nhiều các sự cố mất điện khác như: các nước châu Âu ngày 4/11/2006, London - nước Anh (08/08/2003), Helsinki - Phần Lan (09/08/2003), Shanghai - Trung Quốc (27/08/2003), Athens - Hy Lạp (06/10/2003), Georgia (23/09/2003), Bahrain (08/08/2004), Úc (14/08/2004), Kuwait (01/11/2004), Malaysia (13/01/2005), Moscow - Nga (25/05/2005), Dubai (09/06/2005)

Một loạt các sự cố tan rã HTĐ kể trên đã chứng tỏ rằng vấn đề này vẫn đang được đặc biệt quan tâm Mặc dù đã có những đầu tư lớn trong việc qui hoạch, thiết

kế, cũng như lắp đặt nhiều thiết bị, nhà máy điện mới, đường dây tải điện mới, cũng như đào tạo nâng cao trình độ cho cán bộ vận hành, nhưng những nguy cơ về tan rã HTĐ vẫn còn nguyên tính thời sự Chính vì vậy mà chúng ta cần phải nghiên cứu, tìm hiểu cơ chế, cũng như các biện pháp phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố mất điện đó trong tương lai

2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện

Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây, máy phát điện… liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 31

các vùng, khu vực cách ly nhau Trong luận văn này, chúng tôi tổng kết một số các nguyên nhân chính như sau:

Nguyên nhân đầu tiên có thể bắt đầu ngay từ khâu qui hoạch và thiết kế Ví

dụ như việc dự đoán sai nhu cầu phụ tải dẫn đến sự thiếu hụt năng lượng cung cấp cho phụ tải (sự cố tan rã HTĐ Hy Lạp năm 2004 là một ví dụ điển hình) Một vấn

đề quan trọng khác trong giai đoạn này đó là việc tuân theo các tiêu chuẩn an ninh khi thiết kế Vì việc đảm bảo an ninh cho một HTĐ đối với tất cả các sự cố là không thể thực hiện được Trường hợp hay gặp nhất là khi có một hư hỏng bất kỳ xảy ra trong HTĐ - hay còn gọi là tiêu chuẩn N-1 Xác xuất xảy ra hai (N-2) hay nhiều thiết bị cùng hư hỏng đồng thời là nhỏ hơn Tuy nhiên để đảm bảo an ninh cho HTĐ, một số HTĐ còn phải đảm bảo tiêu chuẩn N-2 Nhưng một số HTĐ, trong giai đoạn qui hoạch và thiết kế đã không đảm bảo tiêu chuẩn N-1 ( hoặc N-2) đã dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây (ví dụ như sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển - Đan Mạch 2003 là một ví dụ) Việc thiết kế và cài đặt các thông số bảo vệ sai cũng là một trong những nguyên nhân của các sự cố tan rã HTĐ (Ví dụ như việc cài đặt các thông số bảo vệ khác nhau của hai đầu đường dây liên lạc (nằm ở hai nước khác nhau) trong HTĐ châu Âu UCTE dẫn đến sự cố ở các nước châu Âu năm

2006 Hoặc việc cài đặt thông số sai của hệ thống xa thải phụ tải theo tần số là nguyên nhân chính của sự cố tại Italy năm 2003) Việc thay đổi cấu trúc hệ thống,

và quan điểm vận hành theo thị trường điện cũng cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng khi qui hoạch và thiết kế

Rất nhiều nguyên nhân nguy hiểm dẫn đến sự cố tan rã HTĐ xuất phát từ quá trình vận hành HTĐ Trong môi trường thị trường điện, có nhiều các HTĐ con (sub-systems) cùng vận hành và điều khiển hệ thống truyền tải xương sống (interconnected transmission system the so-called TSOs) Sự có mặt với tỉ lệ khá lớn của HTĐ phân tán cũng làm cho HTĐ ngày càng trở lên phức tạp khi xem xét trên quan điểm vận hành và quản lý Chính vì vậy mà những người vận hành HTĐ

có thể không hiểu hết về HTĐ mình đang quản lý - vận hành, đặc biệt là khi có nhiều hợp đồng mua bán điện, dòng chảy công suất - năng lượng liên tục thay đổi,

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 32

và các sự cố ngẫu nhiên phức tạp có thể xảy ra trong một HTĐ lớn Kết quả là thiếu

sự phối hợp và hành động chính xác trong việc phòng ngừa, ngăn chặn sự cố giữa các trung tâm điều độ HTĐ (Ví dụ như sự cố ở lưới điện Thụy Sỹ - Italy năm

2003, hay lưới điện châu Âu năm 2006)

Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị cũng có những nguy cơ tiêm ẩn, đặc biệt

là các công việc bảo dưỡng bất thường, sự hư hỏng của các thiết bị điện quá cũ, thiếu những công việc bảo dưỡng định kỳ (thậm chí là việc cắt tỉa cây trên hành lang tuyến) Việc thiếu sự đào tạo thường xuyên, cập nhật cho những người vận hành HTĐ và phối hợp đào tạo liên trung tâm điều độ cũng có thể gây ra các sự cố tan rã HTĐ (ví dụ như sự cố ở London - Anh năm 2003, Moscow - Nga năm 2005,

và sự cố mất điện ở các nước châu Âu năm 2006)

Ngoài ra còn nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management - ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA) đã làm cho các kỹ sư vận hành không thể giám sát và đánh giá tình trạng làm việc cũng như việc đưa ra các biện pháp kịp thời (Ví dụ như sự tan rã HTĐ ở bắc Mỹ - Canada năm 2003) Những điều kiện thời tiết bất thường (quá nóng, quá lạnh), hay hiện tượng thiên nhiên cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường của phụ tải hay hư hỏng thiết bị được xem là những điều kiện bất lợi ban đầu cho HTĐ, là nguyên nhân bắt nguồn các sự cố

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 33

Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ

2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện

Trong phần trước, chúng tôi đã tóm tắt các sự cố tan rã HTĐ xảy ra gần đây trên thế giới, nhưng các cơ chế xảy ra sự cố rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên kết Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từ trạng thái vận hành bình thường (có thể rất gần với giới hạn an ninh/ ổn định) đến mất ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và có thể được tổng kết như sau:

 Ban đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi, khá gần với giới hạn ổn định Ví dụ như mất một số tổ máy/ nhà máy điện, một số đường dây tải điện do sự cố hay bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rất lớn hay tăng lên do những điều kiện bất thường của thời tiết Hơn nữa, vùng trung tâm phụ tải lại ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất tác dụng và phản

HỆ THỐNG ĐIỆN

Hệ thống truyền tải

Nhà máy điện

Thiết bị quá

cũ Thiếu sự đào tạo chuyên sâu nhân viên vận hành

Sự phối hợp vận hànhkém

Thiếu biện pháp ngăn chặn

Thảm họa thiên nhiên

Các

hư hỏng

ẩn Bảo vệ tác động nhầm

Bảo dưỡng

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 34

kháng, hoặc không có đủ công suất dự phòng Những điều kiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị giảm thấp

 Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số

sự cố cực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như là mất đường dây, máy phát quan trọng, làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh (N-1 hay N-m (m2)) Làm phát sinh các vấn đề ổn định HTĐ như mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto, làm quá tải các thiết

bị còn lại, điện áp giảm thấp tại một số nút, mất đồng bộ giữa các máy phát điện Việc mất cân bằng công suất phát/ tải làm nảy sinh sự sụp đổ về tần số và đồng bộ hóa

 Việc thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ

hệ thống, lỗi vận hành của con người, sự tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn

 Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải, hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng/phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điều khiển điện áp Kết quả là điện áp tiếp tục giảm thấp, dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hệ thống

 Việc thiếu mô men cản các dao động hay quá trình quá độ dẫn đến các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ, làm cho sự mất cân bằng phát/ tải tăng lên mạnh hơn nữa, và dẫn đến việc cắt hàng loạt các thiết bị khác, và làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống

 Cơ chế tan ra HTĐ có liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp/ tần số/ góc roto

Sự tổng kết về cơ chế tan rã HTĐ được trình bày ở hình vẽ dưới đây:

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 35

Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ

Thiếu mô men cản dao động

Tổn thất c/s

phản kháng

tăng mạnh

ULTC đạt đến nấc cao nhất

Thiếu công suất tác dụng và phản kháng dự trữ

Máy phát/bù đạt đến giới hạn phát c/s phản kháng

Nặng tải và điện

áp thấp ở một số nút trong HTĐ

HỆ THỐNG ĐIỆN

Bắt nguồn bởi một sự cố nguy kịch:

Mất một đường dây, máy phát điện quan trọng…

Giảm từ từ điện áp

tại các nút Quá tải các thiết bị khác Vấn đề đồng bộ hóa HTĐ

Điều kiện thời tiết

bất thường dẫn đến

hay tải tăng đột

ngột

Mất một số máy phát, đường dây, tụ

bù, máy bù …

Vùng phụ tải ở xa vùng phát điện, đường dây truyền tải dài

Cắt các thiết bị quá tải khác trong HTĐ

Sự cắt nhanh các đường dây, máy phát và

thiết bị điện trong HTĐ

Tan rã hệ thống

điện Mất ổn định tần số

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 36

2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện

Nhƣ đã phân tích ở trên, mặc dù các sự cố tan rã HTĐ có nhiều nguyên nhân, nhƣng nguyên nhân vật lý trực tiếp đó là sự mất ổn định HTĐ Một tổng kết của IEEE/CIGRE về các loại ổn định đƣợc chỉ ra trong hình vẽ II-10: [1], [20]

Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ

Từ hình vẽ trên có thể thấy rằng ổn định quá độ góc rotor máy phát điện là một trong những nguyên nhân gây ra sự cố tan rã HTĐ Vì vậy trong luận văn này, chúng tôi sẽ tập trung vào nghiên cứu về vấn đề này

Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn

Nhiễu loạn nhỏ

Kích động lớn

Ngắn hạn Dài hạn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 37

Ổn định góc rotor: liên quan đến khả năng của các MPĐ đồng bộ trong một

HTĐ liên kết vẫn còn giữ được sự đồng bộ hóa sau khi trải qua các kích động có thể xảy ra trong HTĐ Nó liên quan đến khả năng duy trì/phục hồi sự cân bằng giữa mô men điện từ và mô men cơ khi của mỗi máy phát điện đồng bộ trong HTĐ Sự mất

ổn định có thể xảy ra khi có sự tăng lên của góc rô to của một số MPĐ dẫn đến sự mất đồng bộ hóa so với các MPĐ khác trong HTĐ Ổn định góc có thể được phân loại thành 2 loại: ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ (small signal stability), và ổn định góc khi quá độ (transient stability):

Ổn định quá độ (ổn định động) (transient stability) là khả năng của HTĐ

vẫn còn duy trì được sự đồng bộ hóa khi trải qua các kích động lớn, ví dụ như ngắn mạch trên đường truyền tải, mất nguồn hoặc mất tải Các phản ứng của hệ thống dẫn đến sự sai lệch lớn góc rotor máy phát điện và bị tác động bởi hệ số góc công suất với quan hệ phi tuyến Ổn định quá độ phụ thuộc vào cả hai trạng thái hoạt động ban đầu của hệ thống và mức độ nghiêm trọng của nhiễu loạn Sự bất

ổn định thường là ở dạng khoảng cách góc không tuần hoàn do mô-men quay đồng

bộ hóa không đủ, biểu hiện là sự mất ổn định dao động đầu tiên Thông thường, hệ thống sẽ có sự thay đổi sao cho vận hành ở trạng thái ổn định sau nhiễu loạn khác với trước khi nhiễu loạn

Hình vẽ II-11: Góc Rotor phản ứng với một nhiễu loạn thoáng qua [1]

Hình vẽ II-11 minh họa phản ứng góc rotor với một nhiễu loạn thoáng qua Trong trường hợp ổn định, (trường hợp 1), góc rotor đạt đến giá trị tối đa và dao

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 38

động với biên độ giảm dần cho đến khi nó đạt đến giá trị ổn định Trong trường hợp

2, tăng dần cho đến khi góc rotor bị mất đồng bộ Dạng này đề cập đến sự mất ổn định dao động đầu tiên Trong trường hợp 3, góc rotor là ổn định ở hai chu kỳ đầu tiên, nhưng dao động và trở nên bất ổn định sau hai chu kỳ là kết quả của các biên

độ dao động ngày càng tăng như là trạng thái cuối cùng là tiệm cận

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá độ

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ổn định quá độ như:

 Sự nặng tải của HTĐ , hay công suất của MPĐ trong quá trình sự cố

 Loại sự cố, vị trí sự cố, thời gian loại trừ sự cố

 Điện kháng của hệ thống truyền tải sau sự cố

 Điện kháng quá độ của MPĐ, hằng số quán tính của MPĐ (H càng lớn thì càng làm giảm khả năng tăng của góc rôto, giảm diện tích tăng tốc

 Điện áp quá độ của MPĐ, điện áp quá độ này phụ thuộc vào hệ thống kích từ

2.2.3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ cung cấp những thông tin liên quan tới khả năng mất đồng bộ của HTĐ trong thời gian bị kích động Đặc biệt vấn

đề nghiên cứu này cung cấp những thay đổi về điện áp, dòng điện, công suất, tốc độ

và mômen của các máy trong HTĐ cũng như là sự thay đổi về điện áp của hệ thống

và công suất trong khoảng thời gian ngay tức khắc theo sau sự kích động Công cụ phân tích HTĐ xoay chiều được dùng cho việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ có được từ đặc trưng vận hành của HTĐ trong suốt thời gian kích động,

sự tính toán từng bước, mô tả sự vận hành của các máy được thực hiện Đặc tính của HTĐ trong suốt thời gian quá trình quá độ có thể có được từ phương trình đặc trưng của mạng điện Việc sử dụng các phương trình đặc trưng dưới hình thức tổng trở nút được dùng trong việc tính toán ổn định của quá trình quá độ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 39

Trong việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ thì việc tính toán trào lưu công suất được làm đầu tiên, để có được tình trạng của hệ thống trước khi

bị kích động Vì thế sau khi tính toán trào lưu công suất, ma trận tổng trở hay tổng dẫn của mạng điện phải được hiệu chỉnh để phản ánh sự thay đổi tính đặc trưng của mạng điện

Đường đặc tính vận hành của máy điện đồng bộ và máy điện cảm ứng được

mô tả bởi hệ phương trình vi phân Số phương trình vi phân yêu cầu cho các máy điện còn phụ thuộc vào chi tiết cần để mô tả đặc trưng của máy một cách chính xác Hai phương trình vi phân bậc nhất cần phải có đối với sự đặc trưng đơn giản nhất của máy điện đồng bộ

Sự phân tích tính ổn định của quá trình quá độ được thực hiện bởi sự kết hợp lời giải của các phương trình đại số mô tả mạng điện, với cách giải bằng phương pháp số của các phương trình vi phân Việc giải các phương trình mạng điện dùng

để nhận dạng hệ thống bằng cách lấy điện áp, dòng điện cửa vào hệ thống trong quá trình quá độ Phương pháp biến đổi Euler và Runge - Kuta được thực hiện để giải các phương trình vi phân trong việc nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ

Việc nghiên cứu ổn định hệ thống theo hệ phương trình vi phân phi tuyến rất khó khăn, vì vậy để nghiên cứu về ổn định quá độ sử dụng phương pháp tích phân

số Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ phương trình vi phân phi tuyến QTQĐ có thể xác định được đường cong biến thiên góc lệch δ, trên cơ sở

đó đánh giá được ổn định quá độ

2.2.3.1 Phương pháp cân bằng diện tích

Phương pháp này đơn giản, trực quan, dễ hiểu về hiện tượng, vùng ổn định nhưng chỉ áp dụng được trong hệ thống có một máy phát nối với thanh góp vô cùng lớn, hoặc hai nhà máy nối với nhau