(Luận văn thạc sĩ) đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới

Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa sự ổn định của hệ thống DFIG dựa trênviệc điều chỉnh các thông số trong hệ thống, phương pháp cơ bản nhất được sử dụngphổ biến trong thực tế là sử dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN ĐỒNG

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG

LƯỢNG GIÓ HÒA LƯỚI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201

SKC006575

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CHUYÊN ĐỀ THẠC SĨ

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG

LƯỢNG GIÓ HÒA LƯỚI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ HỌC VIÊN: 1920605 HỌC VIÊN: CAO VĂN ĐỒNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2019

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Ấp 4, xã Tam An, huyện Long Thành, tỉnh

Đồng Nai

1 Đại học:

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố

Hồ Chí Minh

Ngành học: Điện Công Nghiệp

HỌC:

Nam

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, các tính toán kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2020

Người cam đoan

Cao Văn Đồng

LỜI CẢM ƠN

Kết quả của sự thành công luôn gắn liền với những sự dạy dỗ của các Thầy Cô,

sự ủng hộ và động viên từ gia đình, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay giántiếp của người khác Trong thời gian từ khi bắt đầu đi học đến nay, em đã nhận đượcrất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè.Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô TrườngĐại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt là sự quan tâm giúp đỡ của Cô hướngdẫn TS Nguyễn Thị Mi Sa đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạtvốn kiến thức quý báu cho em thực hiện đề tài nghiên cứu này

Bước đầu đi vào tìm hiểu về lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức của em cònnhiều hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điềuchắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Cô hướng dẫncùng quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em ngày được hoàn thiệnhơn

TP HCM, tháng 04 năm 2020

Học viên thực hiện

Cao Văn Đồng

TÓM TẮT

Sản xuất điện năng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong lĩnh vực xã hội vàcông nghiệp hóa Việc phát năng lượng ngày càng tăng lên để đáp ứng cho sự pháttriển của các ngành công nghiệp và tải tiêu thụ các hộ gia đình Ngoài sản xuất điện từnăng lượng không tái tạo còn có sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điệnnăng hòa vào lưới điện hiện có Hiện nay máy phát điện nguồn kép (DFIG) sử dụngghép nối với tua bin gió được sử dụng do các tính năng ưu điểm của nó

Khi sử dụng hệ thống phát điện bằng năng lượng tái tạo tích hợp vào hệ thốngđiện, một trong những yêu cầu cơ bản là khả năng ôn định của hệ thống phát điện Để

hệ thống DFIG hoạt động ổn định khi các sự cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợpnhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển ở nhiều khâu trong hệ thốngmáy phát DFIG như điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơron (Neural)

Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa sự ổn định của hệ thống DFIG dựa trênviệc điều chỉnh các thông số trong hệ thống, phương pháp cơ bản nhất được sử dụngphổ biến trong thực tế là sử dụng các bộ ổn định PI để duy trì sự ổn định cho hệ thống.Trong phạm vi luận văn sẽ tiến hành áp dụng thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờthích nghi (ANFIS) vào khối điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) để duy trì giá trị điện

áp DC trong các khối điều khiển của DFIG

Energy production plays a very important role in society and industrialization.The demand of energy in industries and civils is increasing day by day Besides pro-ducing electricity from fossil fuels also use renewable energy sources to produce elec-tricity intergrating to present system Doubly fed induction generator (DFIG) is used bymany advantages

When integrating renewable generator systems into the electricity system, one

of the basic requirements is the stability of DFIG system To maintain DFIG systemstable when incident faults occurred, it is common to use a combination of methods tointervene in the control algorithm in the various stages of DFIG generator system as PIcontroller, fuzzy controller (fuzzy control), controls the type of neuron (Neural)

There have been many methods to optimize the stability of the system based onthe adjustment DFIG parameters in the system, the common basic method is the use ofthe PI controller algorithm In the thesis, the author will use the system control algo-rithm called Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) applying to the gridside controller (GSC) to maintain the value of the DC link voltage in DFIG controllers

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH 3

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Lý do chọn đề tài 5

1.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài 7

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 8

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 8

1.5 Phương pháp nghiên cứu 8

1.6 Giới hạn của đề tài 8

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 8

1.8 Các nội dung nghiên cứu 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 10

2.1 Các khái niệm cơ bản 10

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 10

2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ 12

2.1.3 Phân loại ổn định HTĐ 15

2.2 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 16

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng 16

2.2.2 Phương pháp dao động bé 18

2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động 19

Chương 3 MÔ PHỎNG TOÁN HỌC HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU 31

3.1 Cấu hình hệ thống nghiên cứu 31

3.2 Mô hình hóa máy phát điện gió DFIG 31

3.2.1 Cấu hình của máy phát điện gió DFIG 31

1

3.2.2 Mô hình tốc độ gió 32

3.2.3 Mô hình tua bin gió: 34

3.2.4 Mô hình miêu tả mối quan hệ về khối lượng, độ đàn hồi giữa máy phát và tua bin: 35 3.2.5 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 36

3.2.6 Mô hình bộ nghịch lưu xung đối: 37

3.2.7 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía máy phát: 38

3.2.8 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía lưới: 40

3.2.9 Bộ điều khiển góc cánh quạt 42

Chương 4 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS CHO DFIG 44

4.1 Mô hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển PI 44

4.2 Huấn luyện mạng ANFIS 44

4.2.1 Mô hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS bằng MATLAB 46 4.2.2 Khởi tạo bộ điều khiển ANFIS thay thế bộ điều khiển PI sử dụng MATLAB47 Chương 5 MÔ PHỎNG TRONG MIỀN THỜI GIAN 50

5.1 Kết quả mô phỏng khi thay đổi công suất đầu vào của máy phát SG1 50

5.2 Kết quả mô phỏng khi xãy ra sự cố ngắn mạch ở đường dây 5-8 trong 5 chu kỳ.52 5.3 Kết quả mô phỏng khi xãy ra sự cố ngắn mạch ở đường dây 5-8 trong 5 chu kỳ.54 Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 61

6.1 Kết luận 61

6.2 Hướng phát triển đề tài 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương 17

Hình 2.2: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (tô đậm) 17

Hình 2.3: Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn 20

Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển 20

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch 21

Hình 2.6: Đồ thị đặc tính công suất 22

Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch 23

Hình 2.8: Mối quan hệ góc – công suất 23

Hình 2.9: Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ 24

Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy ra tại F (a) và mạch tương đương (b) 27

Hình 2.11: Minh họa hiện tượng ổn định động 28

Hình 3.1: Hệ thống khảo sát 3 máy phát 9 nút sau khi thêm máy phát DFIG 31

Hình 3.2: Sơ đồ đơn tuyến của DFIG gió được dẫn động bởi một VSWT thông qua GB 32

Hình 3.3: Mô hình hai khối theo thứ tự giảm đã đơn giản hóa của bộ dẫn động tua bin gió (Wind turbine) WT 35

Hình 3.4: Mạch điện tương đương theo trục dq của DFIG 36

Hình 3.5: Mô hình của bộ nghịch lưu xung đối 37

Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển RSC 40

Hình 3.7: Hệ quy chiếu định hướng từ thông stator 40

Hình 3.8: Sơ đồ khối của bộ điều khiển GSC 41

Hình 3.9: Hệ quy chiếu hướng điện áp stator 42

Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển góc cánh quạt 43

3

Hình 4.1: Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển PI 44

Hình 4.2: Hình dạng của hàm liên thuộc 46

Hình 4.3: Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS 46

Hình 4.4: Lưu đồ khởi tạo bộ điều khiển ANFIS 48

Hình 4.5: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ANFIS 48

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng khi thay đổi công suất đầu vào của máy phát SG1 51

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng khi ngắn mạch trên đường dây 5-8 53

Hình 5.3: Tốc độ gió thay đổi 55

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng khi tốc độ gió thay đổi 59

Chương 1 TỔNG QUAN1.1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển xãhội, đồng thời cũng là yếu tố duy trì sự sống trên trái đất Trong tương lai, nếu chúng ta

sử dụng không hợp lý các nguồn năng lượng có sẳn trong tự nhiên thì chúng sẽ bị cạnkiệt Vì thế việc nghiên cứu, tìm hiểu về nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nănglượng điện gió nói riêng là vô cùng cần thiết trong giai đoạn hiện nay Bên cạnh đó,việc tiếp cận để tận dụng nguồn năng lượng gió không chỉ góp phần cung ứng kịp thờinhu cầu năng lượng của xã hội mà còn giúp giảm thiểu việc ô nhiễm môi trường

Với điều kiện địa lý thiên nhiên của nước ta hơn 2000km bờ biển, có chế độgió mùa quanh năm Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học đã tìm ra đượcnhững vị trí tối ưu để đặt các nhà máy phát điện năng lượng gió với qui mô khá lớn tạiViệt Nam Nghiên cứu của Ngân hàng thế giới đã chỉ ra rằng, Việt Nam là nước cótiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của ViệtNam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6m/s ở độ cao 65m,tương đương với tổng công suất 512GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam đượcxếp hạng có tiềm năng gió rất tốt [1]

Có thể nói, tiềm năng gió của Việt Nam rất lớn, vì thế việc nghiên cứu phát triểnnăng lượng gió là một công việc cần thiết Sự nghiên cứu,triển khai năng lượng gió ở ViệtNam đã đi được những bước đầu tiên Nhưng về cơ bản, sự phát triển năng lượng gió trongnước còn nhỏ lẻ và khá khiêm tốn so với tiềm năng to lớn của Việt Nam

Tuy nhiên, năng lượng gió thì phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện gió, điện cóthể được sản xuất và cung cấp đầy đủ khi gió đủ mạnh Do đó, nguồn điện có được từnăng lượng gió thường không ổn định

5

Sự ổn định hệ thống điện được xem như là một vấn đề quan trọng đối với vậnhành an toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [2] Nhiều sự cố mất điện lớn cónguyên nhân là do sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả sự quan trọng của vấn

đề này [3] Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành vấn đề chiếm ưuthế lớn của hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện đã phát triển tiến hóathông qua một sự phát triển liên tục, từ các liên kết về điện, việc sử dụng các côngnghệ mới, việc điều khiển và vận hành gia tăng trong các điều kiện sự cố, nên có rấtnhiều dạng bất ổn định hệ thống khác nhau đã xuất hiện Ví dụ như, sự ổn định điện

áp, sự ổn định tần số và các dao động ở nhiều khu vực đã trở thành những vấn đề lớnhơn so với trong quá khứ Điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ quantrọng trong vận hành hệ thống điện [4] Nhiều sự cố như là nhiễu loạn bên ngoài hay

mô men cơ học bên trong cũng dễ dàng tác động đến sự ổn định hệ thống

Nguồn năng lượng tái tạo sử dụng phổ biến hiện nay là hệ thống máy phát điệngió với máy phát điện nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) truyềnđộng bằng các tua bin gió trong hệ thống cánh đồng gió (wind farm) [5-7]

Khi sử dụng hệ thống phát điện bằng năng lượng tái tạo tích hợp vào hệ thốngđiện, một trong những yêu cầu cơ bản là khả năng ôn định của hệ thống phát điện Để

hệ thống DFIG hoạt động ổn định khi các sự cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợpnhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển ở nhiều khâu trong hệ thốngmáy phát DFIG như điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơron (Neural) [8] Mỗi giải thuật có những ưu điểm ứng dụng riêng của nó: điều khiển

PI tối ưu cho các hệ tuyến tính, điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm của ngườithiết kế, điều khiển kiểu nơ ron có khả năng “học” từ các dữ liệu đã có Trong nhữngnăm gần đây một trong những nghiên cứu xây dựng các giải thuật kết hợp ưu điểm củacác giải thuật trước đó là giải thuật Hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS – AdaptiveNeural Fuzzy Inference System) để ổn mạch chuyển đối phía lưới (Grid Side Convert-

1.2 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đề tài

Ổn định hệ thống điện liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vậnhành bình thường và khi có nhiễu loạn có thể duy trì ổn định tại mọi thanh cái trên hệthống ở mức chấp nhận tại các nút Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định làkhi có các tác động ngắn mạch, khi có yêu cầu thay đổi tải … hoạt động của hệ thống

sẽ có sự dao động lớn

Các hệ thống điện gió bị ảnh hưởng rất lớn bởi sự thay đổi của tốc độ gió vìlúc đó sẽ sinh ra các dao động Tác giả trong bài báo [9] đã xây dựng hệ thống nghiêncứu các dao động của trang trại gió cũng như nghiên cứu các phương pháp làm giảmthiểu các dao động Tác giả trong bài báo [10] phân tích ổn định tĩnh điện áp tại nútphụ tải dựa trên phân tích độ nhạy V-Q cũng như đưa ra sự khảo sát vị trí kế nối điệngió trên tiêu chí ổn định điện áp

Mô hình các tuabin gió dựa trên DFIG cho các nghiên cứu về ổn định hệ thốngđiện đã được trình bày trong [11] để năng lượng gió có thể được sử dụng ổn định vàhiệu quả hơn

Các tác giả trong [12] báo cáo các chức năng giảm dao động của DFIG trong

hệ thống điện Mô hình DFIG tích hợp vào hệ thống điện được thiết lập và các phươngpháp thiết kế bộ điều khiển giảm dao động của DFIG cũng được đưa ra Bài báonghiên cứu cả hai trường hợp hệ thống điện một máy và hệ thống điện nhiều máy

Đối với việc sử dụng máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) kết hợp với các thiết

bị FACTS đã giúp làm giảm các dao động xảy ra nhưng thời gian để hệ thống trở vềtrạng thái ổn định ban đầu không ngắn [13]

TRong luận văn này, tác giả thiết kế bộ điều khiển ANFIS để giảm giao động

hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió, cụ thể bộ giảm dao động ANFIS trên máyphát điện cảm ứng kép (DFIG) để giúp hệ thống trở về trạng thái ổn định nhanh nhất

7

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Việt Nam

của tua bin gió DFIG

phát được tích hợp vào

mờ thích nghi (ANFIS)

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió

Phạm vi nghiên cứu

Thiết kế bộ điều khiển ANFIS cho máy phát điện gió nguồn kép DFIG để ổn định

hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió bằng phần mềm Matlab-Simulink

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn,sách, từ các bài báo, báo cáo và từ internet Chọn lọc tài liệu liên quan, phương phápphân tích tài liệu, phân tích đánh giá kết quả

1.6 Giới hạn của đề tài

Thiết kế bộ điều khiển ANFIS cho máy phát điện gió nguồn kép DFIG để ổnđịnh hệ thống điện 3 máy 9 bus có tích hợp năng lượng gió, chưa xét trên hệ thốngđiện thực tế

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

một trong những hệ thống tất yếu của tương lai Từ đó đề xuất phương pháp tối ưutrong việc thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống

1.8 Các nội dung nghiên cứu

Chương 1: Chương mở đầu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điệnChương 3: Mô hình toán học hệ thống nghiên cứu

Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển ANFIS cho DFIG

Chương 5: Mô phỏng trong miền thời gian

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

9

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

2.1 Các khái niệm cơ bản

2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ

2.1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ)

HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện

Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:

dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện

như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện

Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này đượcxác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng vànhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến

áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số của cácphần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ

Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộcvào dòng công suất, tần số như là X, Y, độ từ hoá trong phần lớn các bài toán thực

tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính Nếu tính đến sự biến đổicủa các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạngphi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bãohoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định

2.1.1.2 Chế độ của HTĐ

Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạngthái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó.

Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ tại mọithời điểm của HTĐ Đây là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông

số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc Các thông số chế độ xác định hoàntoàn trạng thái làm việc của HTĐ

Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mốiquan hệ này có dạng phi tuyến.Ví dụ : P = U2/R

Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:

xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số

Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biếntheo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luônluôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng

CĐXL được chia thành:

chế độ ngắn mạch duy trì

CĐXL bình thường khác

2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ

11

 Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải cóchất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằmtrong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.

đảm bảo Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiệncủa HTĐ

điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏnhất

điện và thiết bị phân phối điện

Các yêu cầu CĐXL bình thường trên giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trongmột thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc

là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này về CĐXL bình thường

giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch

điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ

2.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ

2.1.2.1 Cân bằng công suất

Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng(CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằngcông suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử [3]

QF = Qpt + P = QGiữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:

S2 = P2 + Q2 (2.3) Cho nên, các điều kiện cân bằngcông suất (2.1) và (2.2) không thể xét một cách

độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng

Tuy vậy, trong thực tế việc tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng cóthể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởngđến nhau Đó là:

đến điện áp không đáng kể Như vậy, tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằngCSTD

xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK

Trong khi vận hành HTĐ, các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) đượcđảm bảo một cách tự nhiên Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho cácđiều kiện cân bằng công suất được thoả mãn

Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó, ta tăng CSTD của nguồn lênthì lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theocho tới khi cân bằng với công suất của nguồn Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPKthì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác cũng sẽgiảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK Tất nhiên, sự điều chỉnh này chỉ thựchiện được trong phạm vi cho phép

Các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) và (2.3) là các cơ sở xuất phát

để tính toán các chế độ của HTĐ Từ các điều kiện ấy, ta tính được các thông số củachế độ U, I, P, Q

Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau:

13

- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max

giới hạn cho phép: Ucpmin ≤ U ≤ Ucpmax

Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng

Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống,tần số luôn có giá trị chung Do đó, việc đảm bảo tần số dễ thực hiện, chỉ cần điềuchỉnh công suất tại một nhà máy nào đó Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chấtcục bộ thừa chỗ này thì thiếu chỗ khác Việc điều chỉnh CSPK phức tạp, không thểthực hiện chung cho toàn bộ hệ thống

Trong HTĐ, máy phát điện (MP) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệthống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MP đóng vai trò quan trọngquyết định sự tồn tại của CĐXL Đây là sự cân bằng cơ - điện, nghĩa là sự cân bằnggiữa công suất cơ học của tua bin PTB và công suất điện PMP do MP phát ra: PTB = PMP Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sựmất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều lập tức tác động lên MP và gây ra sựmất cân bằng cơ - điện ở đây

Đối với CSPK, sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện, sự cân bằng công suấtđiện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT

2.1.2.2 Khái niệm ổn định HTĐ

Trong hệ thống điện luôn tồn tại vô số kích động (nhiễu) tác động lên hệ thống Hệthống phải đảm bảo được tính ổn định khi chịu các kích động này Ổn định hệ thốngđiện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu các kích động

mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ

Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn.

trong khi hệ thống vận hành do sự thay đổi công suất phụ tải

Các kích động lớn có thể được hiểu như:

Trong các dạng kích động nói trên, ngắn mạch là nguy hiểm hơn cả, vì vậy ổnđịnh động của HTĐ được xét cho trường hợp xảy ra ngắn mạch

Các loại ngắn mạch gồm có: 1 pha chạm đất; hai pha; hai pha chạm đất; ba pha.Thống kê cho thấy rằng 70 - 90% tổng số ngắn mạch là ngắn mạch một pha chạm đất, 5

- 15% ngắn mạch hai pha các loại, còn ngắn mạch ba pha chỉ xảy ra có 5 - 10% Tuy ítxảy ra nhưng ngắn mạch ba pha nguy hiểm hơn cả vì nó làm cho mối liên hệ giữa nhàmáy và phụ tải, giữa các nhà máy điện với nhau hoàn toàn gián đoạn, độ giảm côngsuất đạt giá trị cực đại làm cho MP dao động mạnh Sau ngắn mạch ba pha là ngắnmạch hai pha chạm đất

Ổn định động của HTĐ được tính với ngắn mạch 3 pha, 2 pha chạm đất và 1pha Một điều cần nhắc lại và nhấn mạnh là khi xét quá trình quá độ cơ - điện xảy ravới các kích động lớn, chừng nào mà HTĐ vẫn chưa mất ổn định thì tốc độ góc thayđổi rất nhỏ và thực tế vẫn xem như tốc độ góc bằng tốc độ đồng bộ

Các kích động nhỏ tác động lên roto của máy phát, phá hoại sự cân bằng côngsuất ban đầu làm cho CĐXL tương ứng bị dao động CĐXL muốn duy trì thì phải chịuđược các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được khôi phụcsau các kích động nhỏ, trong trường hợp này ta nói hệ có ổn định tĩnh.

Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện để một CĐXL tồn tại trong thực tế

Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại lâu dài

2.2 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

2.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng

Một hệ ở chế độ xác lập khi có sự cân bằng giữa năng lượng phát và nănglượng tiêu thụ Mỗi chế độ xác lập sẽ tương thích với các thông số xác định trạng thái

hệ Nếu có nhiễu (kích động) làm các thông số này thay đổi theo hướng khuếch đại thì

hệ sẽ không ổn định Điều này xảy ra khi năng lượng phát lớn hơn năng lượng tiêu tán.Tiêu chuẩn năng lượng về ổn định hệ được mô tả qua bất đẳng thức sau:

ΔWW ΔWΠ

Với: – gia số thông số

W – năng lượng dư và W = WF - 

Wt WF , Wt – số gia năng lượng phát và tiêu tán

Xét hệ thống điện trên hình 2.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu:

(2.4)

ΔWP -ΔWP(δ)T

Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương

Tham số trạng thái ở đây là góc , năng lượng phát là công suất cơ PT ( công suất

tuabin) còn năng lượng tiêu tán chính là công suất máy phát đổ về hệ thống Do chấp

nhận giả thiết công suất PT không đổi nên biểu thức trên được viết lại [4]:

Hình 2.2: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (tô đậm)

Giả sử lúc đầu hệ thống ở chế độ xác lập (điểm a) tương ứng góc a Do kích

động nào đó a tăng lên một lượng thì do P > PT nên rôto bị hãm lại, hệ quả là góc 

quay về vị trí a Ngược lại, khi  giảm thì do P < PT nên rôto sẽ tăng tốc và kết quả là

góc  về lại vị trí a Vậy điểm a là điểm cân bằng và ổn định

17

Tại điểm b, giả sử góc  tăng lên tới trị b +  thì do P < PT nên rôto sẽ tăng

tốc và kết quả là góc   tiếp tục tăng lên Như vậy điểm b là điểm cân bằng nhưng

không ổn định

Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc c tăng tới c + , khi đó do P

< PT nên góc  tiếp tục tăng Còn nếu c giả sử giảm đi một lượng , do P > PT nên

góc

 sẽ tăng và quay về trị c Như vậy điểm c là điểm giới hạn ổn định.

∂δ δ=δo

không có tự động điều chỉnh kích từ

Góc tương ứng với điểm c cho thấy công suất cơ sẽ cắt công suất điện tại một

điểm duy nhất và do vậy với hệ thống đã cho thì không thể nâng công suất cơ lên được

nữa vì sẽ không tồn tại chế độ làm việc của hệ Công suất điện tại điểm c là: Pgh = Pmax

Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ

góc 0pp/2/2)

2.2.2 Phương pháp dao động bé

Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau [3]:

ẋ =f(x 1 , x 2 ,…, x n , u 1 , u 2 ,…, u r ,t)

Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)

Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao, ta có :

hay viết dưới dạng ma trận: ∆ẋ =A∆x + B∆u

Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các giá trị của tham số khi

không có lời giải tầm thường cho phương trình: A = 

Trong đó:

18

A là ma trận n x n (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)

Tìm trị riêng của A =  theo phương trình: (A - I)  = 0

Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0

Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng m nghiệm  = 1, 2,

…,n gọi là những trị riêng của A

Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:

tương ứng với mất ổn định không chu kỳ

thái dao dộng Nếu nghiệm có phần thực dương sẽ cho ra mất ổn định dao động

2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

2.2.3.1 Phương pháp diện tích

Xét hệ thống điện gồm một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn qua hai đườngdây truyền tải Như đã trình bày ở trên, thanh cái vô cùng lớn đại diện cho một nguồnđiện áp có biên độ và tần số không đổi

Chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động bằngcách phân tích đáp ứng hệ thống với các kích động lớn, sử dụng mô hình đơn giản Bỏqua điện trở của các phần tử Hệ thống tương ứng được biểu diễn trên hình 2.3, môhình tương đương (hình 2.4a) và dạng rút gọn của mô hình hệ thống (hình 2.4b) Điện

áp sau điện kháng quá độ (X’d) là E’ Góc rotor  là góc sớm pha của E’ so với EB.Khi hệ thống bị kích động, biên độ của E’ không đổi so với lúc trước khi bị sự cố và thay đổi khi tốc độ rotor máy phát lệch khỏi tốc độ đồng bộ 0

1

Hình 2.3: Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn

X E

Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển.

Toàn bộ quá trình quá độ cơ điện xảy ra khi ngắn mạch gồm 3 giai đoạn, trước

khi ngắn mạch, trong khi ngắn mạch và sau khi ngắn mạch Để có thể khảo sát ổn định

động ta phải xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng

Công suất điện ngõ ra máy phát là:

' EB

max=

20

Bởi vì chúng ta bỏ qua điện trở stator nên Pe đại diện cho công suất khe hởkhông khí hay công suất đầu cực.

Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch sử dụng để tính chế độ ban đầu Khibiết công suất tải P, Q, EB ta phải tính E’, 0 (góc giữa E’ và EB) và CSTD do máyphát phát ở chế độ ban đầu P0

a) E

Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch

Trong sơ đồ thay thế tương đương, tại điểm ngắn mạch F có thêm điện

kháng ngắn mạch XF (bỏ qua điện trở) phụ thuộc vào dạng ngắn mạch

Để có thể tính được đường đặc tính công suất, phải biến đổi sơ đồ 2.5 b về dạng rút gọn là sơ đồ 2.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác

21

Khi ngắn mạch 3 pha XF= 0 do đó X’T = ∞ khi đó PII = 0, như vậy có nghĩa là khi

ngắn mạch 3 pha công suất điện phát ra bằng 0, liên lạc giữa máy phát và thanh cái

nhận điện bị cắt đứt hoàn toàn Trên đồ thị ta thấy khi ngắn mạch 3 pha thực ra PII sẽ

không bằng 0 mà còn có giá trị rất nhỏ, đó là tổn thất CSTD do điện trở của stator máy

phát, máy biến áp và đường dây từ máy phát đến chỗ ngắn mạch Khi ngắn mạch 2 pha

chạm đất, sự liên lạc có song rất kém nên đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn

so với ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất (hình 2.5)

Hình 2.6: Đồ thị đặc tính công suất

So sánh PII và PI ta thấy PImax > PIImax vì XT < X’T

Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống,

đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 2.7)

X’d

E

Xtr X1 t

Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch.

Đường đặc tính công suất:

'.E

biểu diễn bởi điểm a trên đường cong và góc rotor tương ứng là a

Hình 2.8: Mối quan hệ góc – công suất.

Mối quan hệ góc – công suất được thể hiện trên đường cong 2 ở hình 2.8 Công suất

23

Trong thời gian bị sự cố, góc   thay đổi nhưng độ biến thiên tốc độ (r =d/dt) rất nhỏ so với tốc độ đồng bộ 0 Do đó thực tế tốc độ máy phát coi như bằng

bằng công suất đầu cực máy phát (pu) Vì vậy chúng ta sử dụng momen và công suấtthay đổi qua lại cho nhau khi đề cập đến phương trình chuyển động rotor

= công suất cơ (pu)

= công suất điện cực đại (pu)

24

Với hệ thống đang làm việc ổn định với hai đường dây truyền tải, chúng ta sẽtìm hiểu chế độ quá độ của hệ thống bằng cách tăng công suất cơ đột ngột từ giá trị banđầu Pm0 tới Pm1 (hình 2.9a) Do quán tính của rotor nên góc rotor không thể thay đổimột cách tức thời từ giá trị ban đầu 0 tới 1 ứng với điểm cân bằng mới là b mà tại đó

Pe = Pm1 Lúc này công suất cơ lớn hơn công suất điện Momen tăng tốc sẽ làm cho

ro-tor tăng tốc từ điểm làm việc ban đầu là a tới điểm cân bằng mới b, trượt theo đường

lệch giữa Pm1 và Pe ở một thời điểm bất kỳ được gọi là công suất tăng tốc

Khi tiến tới điểm b, công suất tăng tốc bằng 0, nhưng tốc độ rotor vẫn cao hơn tốc

độ đồng bộ 0 Do đó góc rotor tiếp tục tăng Đối với các giá trị của  lớn hơn 1, Pecao hơn Pm1 và vì thế rotor giảm tốc Khi góc rotor đạt giá trị cực đại m tại điểm c, tốc

độ rotor bằng tốc độ đồng bộ 0 nhưng Pe > Pm1 nên rotor tiếp tục giảm tốc độ xuốngdưới 0, điểm làm việc trượt theo đường cong Pe -  từ c đến b rồi sau đó tới a Góc

rotor dao động không xác định xung quanh góc cân bằng mới với biên độ không đổinhư trên đồ thị thời gian của  ở hình 2.9b

Theo phân tích ở trên, chúng ta bỏ qua tất cả điện trở và các nguồn dập tắt, sửdụng mô hình máy phát cổ điển Vì thế rotor vẫn dao động sau nhiễu loạn Thực tế, cónhiều nguồn dập tắt tích cực bao gồm sự thay đổi từ thông kích từ và các cuộn cảm ro-tor Do đó nếu xét hệ thống với ổn định tín hiệu nhỏ thì dao động sẽ bị dập tắt

2.2.3.2 Tiêu chuẩn cân bằng diện tích

Đối với mô hình hệ thống trên, không nhất thiết phải giải phương trình chuyểnđộng để xác định góc rotor tăng không xác định hay dao động xung quanh vị trí cânbằng Chúng ta có thể sử dụng đồ thị góc – công suất ở hình 2.9 để biết được góc tớihạn m và giới hạn ổn định Mặc dù phương pháp này không thể áp dụng cho hệ nhiềumáy với mô hình chi tiết về máy đồng bộ nhưng nó giúp chúng ta hiểu được các yếu tố

cơ bản ảnh hưởng đến ổn định động của một hệ thống bất kỳ [4]

Mối quan hệ giữa góc rotor và công suất tăng tốc:

Độ biến thiên tốc độ d/dt ban đầu bằng 0 Khi có nhiễu loạn nó sẽ thay

đổi.Trong điều kiện vận hành ổn định, độ biến thiên góc  phải được giới hạn, nó tiến

đến một giá trị cực đại và sau đó đổi chiều Như vậy để đạt được sự ổn định độ biến

thiên tốc độ d/dt phải bằng 0 ở một thời điểm nào đó sau nhiễu loạn Do đó ta có tiêu

chuẩn ổn định như sau:

δ

m ω

0(Pm-Pe)dδ =0

∫

δo H

Trong đó 0 là góc rotor ban đầu và m là góc tới hạn Trong hình 2.9 để thỏa

mãn tiêu chuẩn ổn định theo phương trình (2.10) thì diện tích A1 phải bằng diện tích

A2 Động năng tích lũy bởi rotor trong quá trình tăng tốc khi  thay đổi từ 0 đến 1

Năng lượng tích lũy là:

26

Bỏ qua các tổn hao, năng lượng tích lũy bằng với năng lượng được giải phóng, vìvậy diện tích A1 bằng diện tích A2 Đây là điều cơ bản của tiêu chuẩn cân bằng diệntích Nó giúp chúng ta có thể xác định được biên độ dao động của  và vì vậy xác định

sự ổn định của hệ thống

nhất cho phép đối với hệ thống trên Sự ổn định được duy trì chỉ khi diện tích A2 ít nhấtphải bằng diện tích A1 Nếu A1> A2 thì m>L và hệ thống sẽ mất ổn định.Đó là vì khi

>L thì Pm1> Pe và momen sẽ có xu hướng tăng tốc

Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu đáp ứng của hệ thống đối với sự cố ngắn mạchtrên đường dây truyền tải, đây là một dạng sự cố mà chúng ta thường xét đến khinghiên cứu ổn định động

Xét đáp ứng của hệ thống đối với một sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra tại vị trí Ftrên đường dây truyền tải số 2 Mạch tương đương tương ứng, giả thiết theo mô hìnhmáy phát cổ điển Sự cố được xóa sau khi mở máy cắt ở hai đầu của đường dây 2, thờigian xóa sự cố phụ thuộc vào thời gian tác động của rơ le và máy cắt

F F

E B Ð0

CCT 2

E’Ð

Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy ra tại F (a) và mạch tương đương (b)

Nếu vị trí sự cố F ở đầu đường dây (thanh cái HT) thì công suất truyền tải đếnthanh cái vô cùng lớn sẽ bằng 0 Dòng ngắn mạch từ máy phát sẽ chảy qua điện khángthuần đến vị trí sự cố Vì vậy, chỉ có công suất phản kháng chảy còn công suất tác dụng

Pe và momen điện tương ứng Te ở khe hở không khí đều bằng 0 trong thời gian bị sự