Luận văn thạc sĩ với đề tài cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện

Luận văn thạc sĩ với đề tài cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện Luận văn thạc sĩ với đề tài cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện Luận văn thạc sĩ với đề tài cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện Luận văn thạc sĩ với đề tài cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện

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

-

Đỗ Xuân Bình

NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG CƠ ĐIỆN Ở TẦN SỐ

DƯỚI ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Lê Đức Tùng

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 5

LỜI CẢM ƠN 6

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC HÌNH 8

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ 11

1.1 Giới thiệu 11

1.2 Vai trò của tụ bù dọc [3] 11

1.3 Hiện tượng cộng hưởng [1] [6] 13

1.4 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ [1] [6] 13

1.4.1 Định nghĩa 13

1.4.2 Sự nguy hiểm của SSR [1] 14

1.4.3 Thiệt hại kinh tế do sự cố SSR [1] 14

1.4.4 Nguyên nhân sự cố SSR [1] 14

1.4.5 Cơ sở lý thuyết của SSR [1] 15

1.5 SSR trong các nhà máy điện [1] 16

1.6 Kết luận 16

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA HIỆN TƯỢNGCỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ 18

2.1 Giới thiệu [1] [2] 18

2.2 Mô hình máy điện quay[1] [2] 19

2.2.1 Từ thông [1] [2] 20

2.2.2 Điện áp trên cuộn dây [1] [2] 20

2.2.3 Mô hình máy điện không tuyến tính [1] [2] 21

2.3 Mô hình mạng [1] [2] 22

2.4 Kết hợp mô hình máy điện và mô hình lưới điện [1] [2] 23

2.5 Mô hình trục máy phát điện [1] [2] 25

2.5.1 Phương trình chuyển động của rotor [1] [2] 25

2.5.2 Phương trình chuyển động của B.P [1] [2] 26

2.5.3 Phương trình chuyển động của P.I.B [1] [2] 27

2.5.4 Phương trình chuyển động của P.I.A [1] [2] 27

2.5.5 Phương trình chuyển động của H.P [1] [2] 28

2.5.6 Mô hình phi tuyến mô tả trục máy phát [1] [2] 28

2.6 Kết luận 29

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG SSR BẰNG PHẦN MỀM ATP/EMTP 31

3.1 Giới thiệu 31

3.2 Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP 31

3.3 Nghiên cứu hệ thống chuẩn thứ nhất “Fist Benchmark” của IEEE[4] [8] 32

3.3.1 Mô hình các phần tử của hệ thống mô phỏng: 32

3.3.1.1 Máy phát điện xoay chiều G 33

3.3.1.2 Máy biến áp 36

3.3.1.3 Đường dây truyền tải 38

3.3.1.4 Hệ thống điện 39

3.3.1.5 Tụ bù dọc 39

3.3.2 Nghiên cứu hiện tượng SSR 39

3.4 Nghiên cứu hệ thống chuẩn thứ hai “Second Benchmark” của IEEE 50

3.4.1 Trường hợp XC/XL=0% 51

3.4.2 Trường hợp XC/XL=55% 55

3.4.3 Kết luận 60

3.5 Các giải pháp loại trừ sự cố SSR 61

3.5.1 Truyền tải điện áp cao [1] 61

3.5.2 Sử dụng TCSC 62

KẾT LUẬN CHUNG 65

Phụ lục A: Thông số các phần tử của mô hình second benchmark 66

A.1 Mô hình hai máy phát điện song song 66

A.1.1 Mô hình các phần tử của hệ thống: 66

A.1.1.1Máy phát điện xoay chiều G 66

A.1.1.2 Máy biến áp 68

A.1.1.2 Đường dây truyền tải năng lượng điện 70

A.1.1.3 Hệ thống điện 71

A.1.1.4 Tụ bù dọc 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản

Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không sao chép của ai hay số liệu đã được công bố

Nếu sai với lời cam đoan trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến các giảng viên tại Khoa Điện,bộ môn

Hệ thống điện đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao học của tôi tại Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi muốn ghi nhớ lòng biết ơn đến Tiến sĩ Lê Đức Tùng, thầy hướng dẫn

của tôi, người đã giúp tôi cho các nghiên cứu luận văn tốt nghiệp bằng những lời khuyên có giá trị và sự nhiệt tình chỉ bảo của thầy

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất của tôi đến mẹ tôi, cha tôi

và bạn bè của tôi đã hỗ trợ và khuyến khích tôi trong quá trình nghiên cứu luận văn tốt nghiệp

Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả kính mong các thầy cô chỉ bảo, mong các đồng nghiệp và bạn bè đóng góp

ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

Hà Nội, ngày 17 tháng 11 năm 2014

Đỗ Xuân Bình

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

SSR : Cộng hưởng dưới đồng bộ SSR (SubSynchronous Resonance)

IEEE : Viện kỹ nghệ điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineer)

BPA: Công ty điện lực Bonneville Power Administration

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc 11

Hình 1.2Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc (b) 12

Hình 2.1 Hệ thống tiêu biểu dùng để mô phỏng hiện tượng SSR 18

Hình 2.2 Mô hình máy điện đẳng trị trong hệ tọa độ quay vuông góc gắn với roto 20

Hình 2.3 Mô hình cơ học trục tuabin máy điện 25

Hình 3.1 Mô hình fisrt benchmark 32

Hình 3.2 Đầu vào cửa sổ dữ liệu máy phát điện 35

Hình 3.3 Dữ liệu đầu vào máy biến áp 38

Hình 3.4 Cửa sổ dữ liệu đầu vào của đường dây 39

Hình 3.5 Mô hình fisrt benchmark thiết lập trong ATP/EMTP 40

Hình 3.6-1 Dòng IA, IB, IC 43

Hình 3.6-2Mômen xoắn 44

Hình 3.7-1 Dòng IA, IB, IC 46

Hình 3.7-2 Mômen xoắn 48

Hình 3.7-3Kết quả mô phỏng khi không có tụ bù, giá trị kháng của đường dây tương đương với (XL-XC) khi bù 49

Hình 3.8 Mô hình second benchmark hai máy phát điện song song 50

Hình 3.9 Mô hình second benchmark hai máy phát điện song song thiết lập trong ATP/EMTP 51

Hình 3.10-1 dòng IA, IB, IC 53

Hình 3.10-2 Mô men xoắn 55

Hình 3.11-1 Dòng IA, IB, IC 58

Hình 3.11-2 Mômen xoắn 59

Hình 3.12 Hệ thống truyền tải điện một chiều điển hình 61

Hình 3.13 Mô hình TCSC(a) Mô hình cơ bản; (b) Mô hình thực tế 62

Hình 3.14 Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở α 64

Hình A.1 Đầu vào cửa sổ dữ liệu máy phát điện 68

Hình A.2 Dữ liệu đầu vào biến áp 70

Hình A.3Cửa sổ dòng dữ liệu đầu vào 71

MỞ ĐẦU

Các nhà máy điện thường nằm ở khoảng cách rất xa các thành phố lớn, các khu công nghiệp, những phụ tải lớn Để truyền tải năng lượng điện từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ, người ta thường phải xây dựng đường dây truyền tải điện cao áp Trên đường dây truyền tải điện thường có sử dụng các tụ bù dọc để tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng cũng như tăng độ dự trữ ổn định động

Trước năm 1970, người ta nghĩ rằng các tụ bù dọc thì không có tác hại cho

hệ thống điện Nhưng trong năm 1970-1971, sau hai sự cố nổi tiếng tại nhà máy nhiệt điện ở miền Tây Hoa Kỳ [4], các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng các tụ điện

bù dọc có thể gây ra dao động cộng hưởng ở tần số tương đối thấp, từ 10 đến 40 Hz Nguyên nhân gây ra hai sự cố là do sự trùng hợp ngẫu nhiên của tổng tần số tự nhiên phía lưới điện với tần số tự nhiên của bên phía cơ (roto, tuabin) với tần số đồng bộ Hiện tượng này được gọi là hiện tương cộng hưởng dưới đồng bộ SSR (SubSynchronous Resonance) Nguyên nhân phá hỏng các trục tuabin trong nhà máy điện Mohave được xác định là do hiện tượng này

Hệ thống điện 500KV Việt Nam được đưa vào vận hành vào ngày 27/5/1994

đã mang lại hiệu quả rất lớn trong việc truyền tải và cung cấp điện Hiện nay lưới điện 500kV có chiều dài đường dây 500kV là 3466km và 10 trạm biến áp với tổng công suất là 6150MVA Trên các đoạn đường dây 500kV có khoảng cách lớn đều lắp đặt tụ bù dọc ở hai đầu trạm biến áp với mức độ bù là 60% Công suất truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, như công suất trên đường dây 500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1500MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường ở mức thấp Vì vậy trong chế độ vận hành này trạng thái làm việc của tụ bù dọc 500kV ảnh hưởng nhiều đến ổn định điện áp của hệ thống điện

Như vậy có thể thấy việc nghiên cứu và hiểu rõ bản chất của hiện tượng SSR

là cực kỳ cần thiết và quan trọng, góp phần đảm bảo an toàn, đảm bảo độ tin cậy trong quá trình vận hành hệ thống điện Có nhiều phương pháp để nghiên cứu hiện tượng SSR trong hệ thống điện, như phương pháp xác định các giá trị riêng

(Eigenvalue analysis), phương pháp quét tần số (frequency scanning analysis) và phương pháp mô phỏng theo miền thời gian (time domain simulation) Trong phạm

vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tập trung vào các phần cụ thể sau:

• Nghiên cứu bản chất của hiện tượng SSR từ cơ sở lý thuyết: nguyên nhân

và quá trình xuất hiện

• Nghiên cứu mô hình các phần tử trong hệ thống điện, phục vụ cho việc mô phỏng hiện tượng SSR: Mô hình tuabin, máy phát, máy biến áp, đường dây…

• Sử dụng phương pháp mô phỏng để đánh giá hiện tượng SSR: Thực hiện

mô phỏng hai mô hình chuẩn của IEEE bằng phần mềm ATP/EMTP Phân tích và đánh giá hiện tượng thông qua các kết quả mô phỏng Nghiên cứu này được thực hiện dựa vào nghiên cứu của hai tác giả K G Prajapati và A M Upadhyay trong bài báo “Simulation of IEEE FIRST BANCHMARK Model for SSR Studies” Bài báo này giới thiệu nghiên cứu hiện tượng SSR bằng các mô phỏng hiện tượng bằng phần mềm Matlab Simulink Tuy nhiên các tác giả chỉ dừng lại ở việc mô phỏng mô hình “fisrt benchmark” Trong luận văn này, chúng tôi hướng đến việc đánh giá hiện tượng SSR trên cả hai mô hình “first benchmark” và “second benchmark”

Luận văn bao gồm ba chương: Chương thứ nhất nhằm giới thiệu một bức tranh toàn diện của hiện tượng SSR Chương thứ hai trình bày các mô hình, phương trình mô tả các phần tử của hệ thống điện để nghiên cứu hiện tượng SSR Chương thứ ba trình bày kết quả mô phỏng các hệ thống điển hình của IEEE bằng phần mềm

mô phỏng ATP / EMTP Luận văn được kết thúc bằng phần kết luận chung và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 1 HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ

1.1 Giới thiệu

Trong chương này, tác giả trình bày những khái niệm cơ bản về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), lý giải vì sao hiện tượng SSR có thể xuất hiện trong hệ thống điện có các nhà máy nhiệt điện và có tụ bù dọc trên lưới truyền tải

1.2 Vai trò của tụ bù dọc [3]

Tụ bù dọc là thiết bị thường được lắp đặt trên các đường dây truyển tải điện cao áp do nó mang lại nhiều lợi ích Hình 1.1 trình bày mô hình hệ thống điện đơn giản có tụ bù dọc trên đường dây

Hình 1.1Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù dọc

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây khi có tụ bù dọc:

1 2

sin

L C

U U P

X X 



tăng khả năng tải của đường dây do điện kháng của đường dây giảm xuống

Khi có tụ bù dọc thì

1 2 max

sẽ tăng lên do đó độ dự trữ ổn định tĩnh tăng lên

Khảo sát các đường đặc tính công suất P(δ) như ở hình 1.2

2 1

(a) (b)

Hình 1.2Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù

dọc (b)

P(δ) khi xảy ra sự cố (2) và sau khi xảy ra sự cố (3) sẽ được nâng cao Khi 2 đường đặc tính này nâng cao thì diện tích tăng tốc A1 sẽ giảm xuống, còn diện tích hãm tốc A2 sẽ tăng lên Như vậy độ dự trữ ổn định động sẽ được tăng lên khi đường dây

có tụ bù dọc [1, 2]

Tụ bù dọc còn có khả năng bù lại sự giảm áp do điện cảm nối tiếp trên đường dây truyền tải gây ra Khi tải nhỏ, tổn thất điện áp trên đường dây nhỏ và tại thời điểm này điện áp bù nối tiếp do tụ bù dọc sinh ra cũng nhỏ (vì công suất phản kháng

cao tổn thất điện áp sẽ lớn hơn,công suất phản kháng do tụ bù dọc sinh ra sẽ lớn hơn nênđiện áp thanh cái vẫn không bị sụt giảm mạnh

Với các lợi ích trên, tụ bù dọc là một thiết bị quan trọng, thường phải lắp đặt trên các đường dây truyền tải, đặc biệt là ở lưới điện có chiều dài đường dây lớn như Việt Nam

1.3 Hiện tượng cộng hưởng [1] [6]

Cộng hưởng là hiện tượng xảy ra trong dao động cưỡng bức, khi một vật dao động được kích thích bởi một ngoại lực tuần hoàn có cùng tần số với dao động riêng của nó Trong hệ thống điện có hai bộ phận, đó là phần cơ và phần điện:

 Phần cơ: Trong các nhà máy điện có các đoạn trục nối giữa các phần tuabin

và giữa tuabin với roto máy phát Mỗi phần trục lại có một tần số dao động

đối với các nhà máy nhiệt điện, và nhỏ hơn 10 Hz với nhà máy thuỷ điện

 Phần điện: Đường dây được truyền tải có tụ bù dọc, đặc trưng bởi tần số điện:

nằm trong khoảng từ 10 đến 40 Hz Như vậy, hoàn toàn có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng tại các các đoạn trục (phần cơ) do tác động của ngoại lực từ lưới điện (phần điện)

1.4 Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ [1] [6]

1.4.1 Định nghĩa

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) xảy ra trên một hệ thống điện

có lắp đặt các tụ bù dọc Sau một tác động (ngắn mạch, đóng cắt tải…) vào hệ

thống, SSR xuất hiện bởi một sự trao đổi năng lượng giữa bên điện (tần số fe) và

1.4.2 Sự nguy hiểm của SSR [1]

Khi để xảy ra hiện tượng SSR sẽ gây rất nhiều hậu quả nghiêm trọng Báo cáo từ việc nghiên cứu hiện tượng SSR xảy ra ở nhà máy điện Mohave chỉ ra:

• Thứ nhất, các thiết bị thông thường để kiểm soát và bảo vệ hệ thống có thể không phát hiện cũng như không thể giảm thiểu hiện tượng này Như tại nhà máy điện Mohave, hệ thống điều khiển tự động đã không phát hiện được sự cố SSR

• Thứ hai, các dao động do SSR rất mạnh nó gây tổn hại nghiêm trọng đến các đoạn trục nối với tuabin máy phát điện Các phần trục trong hệ thống cơ khí bị gãy và các khớp nối cơ giữa các phần khác nhau của trục cũng bị hư hỏng nặng nề

1.4.3 Thiệt hại kinh tế do sự cố SSR [1]

Các ước tính về thiệt hại do SSR tại nhà máy điện Navajo cho thấy khi xảy ra

sự cố nhà máy sẽ bị tê liệt hoàn toàn, thiệt hại về kinh tế khoảng một tỷ đô la trong vòng hai tháng Ngoài ra, khi không có nhà máy điệncũng phải mất chi phí hơn một triệu đô la một ngày để chạy máy phát điện Thiệt hại về kinh tế là rất lớn

1.4.4 Nguyên nhân sự cố SSR [1]

Nghiên cứu dựa trên dữ liệu liên quan đến sự cố nhà máy điện Mohave Các

Mặt khác, tần số fm của các trục đã được tính toán Bằng cách so sánh giá trị thu

Kiểm tra phần cơ được thực hiện trên một mẫu các trục bị hư hỏng Mẫu này

trong mẫu; nó đã được chỉ ra rằng dao động của SSR có khả năng gây tổn hại nghiêm trọng đến các đoạn trục nối giữa các phần tuabin và nối giữa tuabin với máy phát trong nhà máy điện

1.4.5 Cơ sở lý thuyết của SSR [1]

Lý thuyết về quá trình quá độ có thể cung cấp một lời giải thích rõ ràng hơn

về quá trình SSR Từ trường sinh ra trên cuộn dây stato được tính theo công thức dưới đây:

Trong đó:

r : Góc tương đối so với trục tạit=0

Chúng ta giả thiết rằng có các dao động riêng trên trục của máy phát với tần

số riêngfm, r có thể được viết dưới dạng:

cùng tần số trên stato Nếu tần số này có giá trị gần với tần số điện fe của hệ thống(phương trình 1.3), sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng điện ở phía hệ thống

tác động đến roto và các đoạn trục tuabin Hệ thống cơ nhận được năng lượng từ hệ thống điện Khi fmthỏa mãn phương trình 1.5, quá trình trao đổi năng lượng trở thành hiện tượng cộng hưởng, người ta gọi là cộng hưởng ở tần số dưới đồng bộ,

viết tắt là SSR (SubSynchronous Resonance)

Khi quá trình cộng hưởng xảy ra, cộng thêm các giá trị giảm xóc cơ thấp, dẫn đến hiện tượngkhuếch đại đáng kể của mômen xoắn tác động lên trục tuabin Khi nó vượt quá giới hạn chịu đựng cơ học các đoạn trục sẽ bị phá hủy và hư hỏng

Để nghiên cứu SSR, câu hỏi về sự ổn định hay không ổn định không phải là một vấn đề lớn Mối quan tâm chính là làm thế nào để biết giá trị lực tác động có thể làm hỏng trục và giảm dần tuổi thọ của nó

1.5 SSRtrong các nhà máy điện [1]

Trong phân tích đầu tiên, khi xét các giá trị của tỷ lệ bù thường sử dụng trong thực tế, chúng ta có thể nhận thấy rằng khả năng xảy ra SSR ở nhà máy thủy điện là rất thấp (so với các nhà máy nhiệt điện) Điều này có nghĩa rằng điều kiện xảy ra SSR được xác định bởi phương trình (1.5) ít khi tồn tại với các nhà máy thủy điện Điều này có thể giải thích đơn giản rằng: trong nhà máy thủy điện chỉ có một tầng tuabin và do đó chỉ có một đoạn trục nối từ tuabin đến máy phát, tần số tự nhiên của đoạn trục này cũng rất thấp (dưới 10Hz) Hiện tượng SSR chỉ có thể xảy ra với tỷ lệ bù rất lớn, vượt quá giới hạn thực tế(khoảng 90%)

Đối với các nhà máy nhiệt điện, do có nhiều tầng tuabin nên cũng có nhiều các đoạn trục nối giữa các tầng tuabin với nhau và của tuabin với máy phát Các đoạn trục này có tần số tự nhiên thường nẳm trong khoảng từ 10Hz đến 40Hz Với tỷ lệ bù trong thực tế (từ 40% đến 70%), phương trình (1.5) rất dễ thỏa mãn Do đó hiện tượng SSR cũng thường gặp trong các nhà máy nhiệt điện hơn so với thủy điện

1.6 Kết luận

Từ các phân tích trên, chúng ta có thể thấy được vai trò tích cực của tụ bù dọc đối với hệ thống điện Tuy nhiên, việc lắp đặt tụ bù trong hệ thống điện có các nhà máy nhiệt điện cũng có thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng cộng hưởng SSR, gây ra tác động tiêu cực đến hệ thống và nhà máy điệnnhiệt điện Như vậy việc sử dụng các tụ bù dọc là cần thiết, nhưng cũng cần các biện pháp để loại trừ hay giảm thiểu sự cố SSR

Để phục vụ cho việc nghiên cứu hiện tượng SSR, chương 2 sẽ trình bày các phương trình toán học mô tả các phần tử trong hệ thống điện (máy phát, máy biến

áp, đường dây)

Dạng phương trình như trên có thể giải một cách hiệu quả bằng phương pháp

số thông qua công cụ máy tính hiện đại Quá trình giải hệ phương trình trên được gọi là quá trình mô phỏng hệ thống; trong khi đó việc thiết lập, xây dựng các phương trình thành phần được gọi là mô hình hóa hệ thống

Hình 2.1 Hệ thống tiêu biểu dùng để mô phỏng hiện tượng SSR

Trong chương này, chúng tôi trình bày mô hình của một hệ thống điện điển hình sử dụng phương trình (2.1) ở dạng phi tuyến Mô hình này kết hợp các phương trình động của máy phát điện, mô men xoắn của các trục tuabin và lưới điện, để phân tích hệ thống trong điều kiện có sự xuất hiện của hiện tượng SSR

Hình 2.1 trình bày hệ thống được tác giả sử dụng để mô hình hóa hiện tượng SSR Sơ đồ nghiên cứu bao gồm một máy phát điện và đường dây truyền tải có tụ

bù dọc; đường dây này kết nối máy phát điện với một nguồn vô cùng lớn- đặc trưng cho hệ thống điện Phần cơ của hệ thống này là một đoạn trục gồm năm khối

Các phương trình được thiết lập bằng cách sử dụng đơn vị cơ bản cho tất cả các đại lượng, ngoại trừ thời gian T (tính bằng giây), các hằng số quán tính H (tính

2.2 Mô hình máy điện quay[1] [2]

Các phương trình động mô tả máy điện quay được kế thừa từ mô hình Gorev-Park, có tính đến sáu cuộn dây:

• Hai cuộn dây đặc trưng cho cuộn dây stator và quay cùng vận tốc với roto, cuộn dây dọc trục (d), cuộn dây ngang trục (q)

lại (kq1 và kq2) trên cuộn dây ngang trục vuông góc (q)

Các vị trí trong không gian của các cuộn dây được thể hiện trong hình 2.2

Hình 2.2 Mô hình máy điện đẳng trị trong hệ tọa độ quay vuông góc gắn với

Lfdf, Lkdf, Lkq1f, Lkq2f: điện cảm cuộn dây kích từ hỗ cảm trên cuộn

fd,kd,kq1,kq2

Lfd, Lkd, Lkq1, Lkq2: điện cảm tổng cuộn dây dọc trục fd,kd,kq1,kq2

Rfd, Rkd, Rkq1, Rkq2: điện trở tổng cuộn dây dọc trục fd,kd,kq1,kq2

2.2.3 Mô hình máy điện không tuyến tính [1] [2]

Dòng id, iq, Ifd, Ikd, ikq1 và ikq2qua sáu cuộn dây là biến trạng thái thể hiện quá trình biến đổi của máy điện Vì vậy, các phương trình mô hình ban đầu sẽ

10

d

e R i

dt d

dt d

R i dt

10

dt d

được chuyển đổi để đặt chúng dưới dạng phương trình (2.1) Các phương trình thu được là:

 L d X syn  Z X syn V syn

Đường dây truyền tải trong hệ thống điện đặc trưng (hình 2.1) được mô hình

Quá trình quá độ trên đường dây truyền tải được mô tả bởi các phương trình

vi phân của dòng điện và điện áp như sau:

L

a b c

a b c a b c L

dV

dt C d

d, q (Hình 2.2).Để thực hiện công việc đó, chúng ta sử dụng phép biến đổi Park:

Gorev-Cq d

Cd s

V i

C dt

dV

1

Cd q

Cq s

V i

C dt

dV

1

Ld q

e d e d

s

dt

di L

e q e q

s

e

V i L i R dt

di L

2.4 Kết hợp mô hình máy điện và mô hình lưới điện [1] [2]

Sự kết hợp các phương trình máy phát và lưới điện trong chế độ quá độ có thể cho chúng ta một hệ phương trình vi phân tức thì dưới dạng hệ phương trình

Vlqtheo biểu thức:

Trong đó:

 là góc tải của trục máy phát điện

Mô hình điện từ của tổ hợp máy phát và lưới điện có dạng như sau:

] ' [ ] ' ].[

' [ ] ' [ ] '

X ' ] [ , , ]

T fd

ad

fd

e L

R Cos V

Sin V

V ' ] [ , , , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 ] [   inf 5  inf 5

0 0

0 0

0 1 0 0

0 0

0 0

0 0 0

0 0

0 0 0

0 0

0 0 0 0

0

0 0 0 0

0

0 0 0

0 0

0 0 0 0

kq aq

aq

aq kq

aq

kd ad

ad

ad fd

ad

aq aq

e q

ad ad

e d

s

L L

L

L L

L

L L

L

L L

L

L L

L L

L L

L L

R C

2.5 Mô hình trục máy phát điện [1] [2]

Trục máy phát nhiệt điện được coi là một hệ cơ với năm khối: trục roto và

các bộ phận của tuabin: phần áp suất cao (Haute pression, HP), áp suất trung bình

(P.I.A,P.I.B) và áp suất thấp (BP)và phần tự kích thích

Hình 2.3 Mô hình cơ học trục tuabin máy điện

Để phát triển các phương trình toán học của các hệ cơ trên, chúng ta sử dụng

các ký hiệu sau đây:

• THP, TPIA, TPIB, TBP: Mômen xoắn cơ đặt lên mỗi phần trục (p.u.)

2.5.1 Phương trình chuyển động của rotor [1] [2]

Mô-men xoắn đầu vào:

( )

2.5.2 Phương trình chuyển động của B.P [1] [2]

Mô-men xoắn đầu vào:

) ( )

( )

( )



Ta BP

d ( 4)  (  4) 

2.5.3 Phương trình chuyển động của P.I.B [1] [2]

Mô-men xoắn đầu vào:

(2.25) Mô-men xoắn đầu ra:

(2.26) Mô-men xoắn ma sát:

(2.27) Mô-men xoắn tăng tốc:

(2.28) Phương trình mô tả:

(2.29)

2.5.4 Phương trình chuyển động của P.I.A [1] [2]

Mô-men xoắn đầu vào:

(2.30) Mô-men xoắn đầu ra:

(2.31) Mô-men xoắn ma sát:

(2.32) Mô-men xoắn tăng tốc:

Phương trình mô tả:

(2.34)

2.5.5 Phương trình chuyển động của H.P [1] [2]

Mô-men xoắn đầu vào:

(2.35) Mô-men xoắn đầu ra:

(2.36) Mô-men xoắn ma sát:

(2.37) Mô-men xoắn tăng tốc:

(2.38) Phương trình mô tả:

(2.39)

2.5.6 Mô hình phi tuyến mô tả trục máy phát [1] [2]

Kết hợp các phương trình trên, chúng ta có phương trình dưới dạng ma trận (2.1):

d

d d

2 2

3 3

4 4

5 5

D H

D H

D H

D H

từ mô hình chính xác của máy phát điện, mô hình mô tả quá trình động học trên trục của máy phát, và mô hình mô tả quá trình quá độ trên lưới điện

Mô hình phía điện được kết hợp với mô hình phía cơ học tạo thành phương trình trạng thái dưới dạng ma trận Dạng phương trình này có thể được giải bằng các phương pháp số và từ đó giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu về hiện tượng SSR Trong các phần mềm được xây dựng để mô phỏng quá trình quá độ cơ-điện trong hệ thống điện, ATP/EMTP là phần mềm được sử dụng rộng rãi, nhất là trong các phòng nghiên cứu tại các trường đại học Ưu điểm nổi bật của ATP/EMTP là giao diện thông minh, đơn giản và dễ sử dụng Ngoài ra phần mềm này có phiên bản cực mạnh, miễn phí với mã nguồn mở, rất phù hợp cho các trường đại học

3.2 Giới thiệu phần mềm ATP/EMTP

ATP/EMTP là một chương trình mô phỏng hệ thống điện được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Phần mềm này được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ những năm 1970 với sự tài trợ của công ty điện lực Bonneville Power Administration (BPA), cho đến năm 1984 EMTP đã chính thức thương mại hóa bởi hiệp hội phát triển EMTP và Viện Nghiên cứu Năng lượng điện tại Palo Alto, California

ATP/EMTP cho phép tính toán các quá trình xác lập cũng như quá trình quá

độ trong hệ thống điện, mô hình hóa hệ thống và các phần tử phi tuyến khác nhau ATP/EMTP là một trong những công cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả Phần mềm này được sử dụng rộng rãi trong các tính toán xung đóng cắt và xung sét, cho nghiên cứu về cách điện, các mô hình bảo vệ rơ le, sóng hài và chất lượng điện năng, các mô phỏng hê thống truyền tải linh hoạt và hệ thống điện một chiều

Thông thường các bài toán sau đây trong hệ thống điện có thể được giải quyết nhờ chương trình ATP/EMTP:

 Quá điện áp phục hồi

Ngoài ra ATP/EMTP còn có khả năng chuyển các kết quả ở miền thời gian

về miền tần số và phân tích hệ thống nhiều pha ở chế độ xác lập

Thêm một ưu điểm là ATP/EMTP có phiên bản mở giành cho các trường đại học, phù hợp với các bài toán nghiên cứu cơ bản Chính vì những lý do đã nêu trên, tác giả đã lựa chọn phần mềm này nhằm sử dụng cho việc mô phỏng hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR

3.3 Nghiên cứu hệ thống chuẩn thứ nhất “Fist Benchmark” của IEEE[4] [8]

Sơ đồ hệ thống điển hình để nghiên cứu hiện tượng SSR “fist benchmark” được hiệp hội IEEE đưa ra như trong hình 3.1

Các thông số được tìm thấy trong tài liệu [4] [8] Các đặc tính của máy phát điện, máy biến áp và đường dây được đưa ra trong các phần sau

INFINITE BUS

R = 02l

R = 50O XC

Hình 3.1 Mô hình fisrt benchmark

3.3.1 Mô hình các phần tử của hệ thống mô phỏng:

Mạng lưới nghiên cứu bao gồm sáu thiết bị chính:

3.3.1.1 Máy phát điện xoay chiều G

Các thông số của máy phát bao gồm:

Hằng số xoắn không

đổi

giá trị (p.ucouple/rad)

Hình 3.2 Đầu vào cửa sổ dữ liệu máy phát điện

RMVA : Dung lượng của máy, MVA

GLINE : Kích từ của máy, A

Trong trường hợp này, điện áp danh định của máy phát điện là 26 KV, biên

độ điện áp pha của máy phát điện là :

√

√

3.3.1.2 Máy biến áp

Máy phát điện được nối với một máy biến áp tăng áp có đặc điểm: