Luận văn thạc sĩ: Đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy - Trần Thị Hồng Lan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá ổn định hệ nhiều máy, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Trần Thị Hồng Lan
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Misa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Đánh giá ổn định hệ nhiều máy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về đánh giá ổn định hệ nhiều máy

Đánh giá ổn định hệ nhiều máy là quá trình phân tích khả năng duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện khi chịu các nhiễu loạn khác nhau. Với sự phát triển của lưới điện hiện đại, hệ thống điện ngày càng phức tạp với nhiều máy phát đồng bộ kết nối với nhau. Ổn định quá độ là vấn đề quan trọng trong vận hành hệ thống, đòi hỏi phải đánh giá khả năng chịu đựng trước các sự cố. Việc duy trì chất lượng điện năng trong những tình huống này là yêu cầu thiết yếu. Các phương pháp phân tích ổn định khác nhau đã được phát triển, từ miền thời gian đến miền tần số. Luận văn này tập trung vào một phương pháp chính xác dùng để phân tích ổn định cho hệ thống điện với từng máy riêng lẻ thay vì chuyển đổi thành máy tương đương.

1.1. Định nghĩa ổn định quá độ

Ổn định quá độ là khả năng của hệ thống điện duy trì đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn như sự cố ngắn mạch hay mất tải đột ngột. Ổn định động liên quan đến các dao động nhỏ trong hoạt động thường xuyên. Việc giải các phương trình vi phân mô tả chuyển động của máy phát đồng bộ giúp nhận biết các điều kiện ổn định hay bất ổn định của hệ thống sau sự cố.

1.2. Tầm quan trọng của đánh giá ổn định

Sự gia tăng các sự cố trên lưới điện yêu cầu đánh giá ổn định ngày càng cấp thiết. Hệ thống điện nhiều máy cần được kiểm tra khả năng phục hồi trạng thái ổn định sau các nhiễu loạn. Phương pháp đánh giá hiệu quả có thể được áp dụng vào thực tiễn vận hành, đặc biệt cho hệ thống điện ở Việt Nam.

II. Phương pháp đánh giá ổn định tĩnh và động

Có hai loại phương pháp chính để đánh giá ổn định hệ thống điện: ổn định tĩnh và ổn định động. Phương pháp ổn định tĩnh giải quyết các vấn đề liên quan đến các nhiễu loạn nhỏ và dựa trên phân tích tuyến tính hóa của hệ thống xung quanh điểm hoạt động. Phương pháp ổn định động xử lý nhiễu loạn lớn và sử dụng giải phương trình vi phân phi tuyến để mô phỏng hành vi của hệ thống. Mô hình toán học của máy phát đồng bộ phải xét đến ảnh hưởng của cuộn kích từ, cuộn cản và bộ kích từ PSS. Những tiêu chuẩn này giúp kỹ sư nhận diện điều kiện ổn định của hệ thống một cách chính xác.

2.1. Tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh

Ổn định tĩnh được đánh giá thông qua phân tích eigenvalue và ma trận Jacobian của hệ thống. Các tiêu chuẩn ổn định tĩnh xác định những điều kiện hoạt động có thể duy trì trạng thái ổn định. Phương pháp này thích hợp cho phân tích những nhiễu loạn nhỏ và các biến động bình thường trong hệ thống điện.

2.2. Tiêu chuẩn đánh giá ổn định động

Ổn định động được đánh giá bằng cách giải phương trình vi phân của máy phát đồng bộ trong miền thời gian. Phương pháp này xem xét ảnh hưởng của cuộn cản, kích từ và các thiết bị điều chỉnh. Việc mô phỏng hệ thống hai vùng bốn máy Kundur chứng minh tính hiệu quả của phương pháp này trong thực tiễn.

III. Ứng dụng đánh giá ổn định cho hệ một máy và nhiều máy

Luận văn nghiên cứu đánh giá ổn định cho hai trường hợp chính: hệ thống gồm một máy phát đồng bộ kết nối thanh cái vô cùng lớn và hệ thống nhiều máy phức tạp như hai vùng bốn máy. Đối với hệ một máy, việc xây dựng mô hình toán học chính xác là bước quan trọng đầu tiên. Hệ thống hai vùng bốn máy Kundur được chọn vì các chế độ của nó rất gần với các hệ thống điển hình trong thực tế vận hành. Mô hình toán học hệ nhiều máy bao gồm các phương trình điều tiết tốc độ, công suất cơ học và các thông số điện của từng máy phát đồng bộ. Các kết quả phân tích ổn định từ những trường hợp này có thể được mở rộng để áp dụng cho hệ thống điện bất kỳ.

3.1. Phân tích ổn định hệ một máy

Hệ thống một máy phát đồng bộ với thanh cái vô cùng lớn là mô hình cơ bản để hiểu rõ cơ chế ổn định. Việc đánh giá ổn định tĩnh và ổn định động cho hệ thống này cung cấp nền tảng lý thuyết vững chắc. Các phương pháp phân tích áp dụng cho hệ một máy sau đó được mở rộng cho hệ nhiều máy.

3.2. Phân tích ổn định hệ nhiều máy Kundur

Hệ thống hai vùng bốn máy Kundur bao gồm hai vùng điện lực với các máy phát đồng bộ khác nhau. Mô hình toán học của hệ này phức tạp hơn nhưng phản ánh được đặc điểm điển hình của lưới điện thực. Kết quả phân tích ổn định chứng minh hiệu quả của phương pháp đề xuất cho các hệ thống điện trong thực tiễn vận hành.

IV. Hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Phương pháp đánh giá ổn định hệ nhiều máy được trình bày trong luận văn có tiềm năng ứng dụng cao trong lĩnh vực vận hành hệ thống điện. Các kỹ thuật phân tích này có thể được áp dụng vào hệ thống điện ở Việt Nam để nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng. Với sự phát triển của lưới điện thông minh và tăng cường tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, đánh giá ổn định động trở nên ngày càng quan trọng. Những mặt còn tồn tại trong nghiên cứu hiện tại mở ra hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc mở rộng phương pháp cho hệ thống điện phức tạp hơn và tích hợp các công nghệ điều khiển hiện đại. Công cụ phân tích ổn định được phát triển có thể hỗ trợ các kỹ sư điện trong việc đánh giá điều kiện ổn định của hệ thống trước khi xảy ra sự cố.

4.1. Ứng dụng trong vận hành hệ thống điện thực tế

Phương pháp đánh giá ổn định được phát triển có thể được triển khai trong các trung tâm điều độ của hệ thống điện để đánh giá khả năng chịu tải và xác định những điều kiện ổn định. Các kỹ thuật phân tích giúp tối ưu hóa vận hành và giảm rủi ro sự cố điện trên lưới.

4.2. Phát triển tương lai của đánh giá ổn định

Những hướng phát triển tương lai bao gồm mở rộng phương pháp cho các hệ thống điện với nguồn năng lượng tái tạo và tích hợp điều khiển thích ứng. Nghiên cứu tiếp theo có thể cải thiện độ chính xác và tốc độ tính toán của các phương pháp phân tích ổn định.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ HỒNG LAN ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ NHIỀU MÁY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 7 3 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ HỒNG LAN ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ NHIỀU MÁY NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ MISA Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 / 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả 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, ngày tháng năm 201 Học viên Trần Thị Hồng Lan iii LỜI CẢM TẠ Trong quá trình học tập ở trường, tôi đã nhận được sự giúp đỡ chân tình từ nhiều phía để có được kết quả như ngày hôm nay. Do đó tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô bộ môn, những người đã trang bị cho tôi những kiến thức chuyên ngành rất hữu ích. Tôi xin cảm ơn lãnh đạo trường, lãnh đạo khoa, thầy chủ nhiệm ngành đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa học này.

Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các anh chị em học viên trong lớp đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong thời gian học tập. Đặc biệt tôi xin cảm ơn Cô – TS. Nguyễn Thị Misa, người đã trực tiếp hướng dẫn để tôi hoàn thành cuốn luận văn này. Cô đã rất tận tình giảng giải những điều tôi thắc mắc để từ đó tôi có cơ sở đọc hiểu được các tài liệu liên quan đến lĩnh vực mà mình nghiên cứu.

Do đó một lần nữa tôi xin được gửi đến Cô lời cảm ơn sâu sắc nhất. Cuối cùng tôi kính chúc Cô và mọi người có được nhiều niềm vui, dồi dào sức khoẻ và thành công trong cuộc sống. iv TÓM TẮT Việc phân tích ổn định quá độ trong thời gian gần đây đã trở thành một vấn đề quan trọng trong việc vận hành hệ thống điện do sự gia tăng các sự cố trên lưới. Điều này đòi hỏi sự đánh giá về khả năng chịu đựng của hệ thống điện trước các nhiễu loạn mà vẫn duy trì được chất lượng điện năng.

Nhiều kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để phân tích ổn định quá độ trong hệ thống điện, đặc biệt cho hệ thống điện nhiều máy phát. Các phương pháp này bao gồm phương pháp miền thời gian – tần số. Tuy nhiên đa số các phương pháp phải biến đổi từ hệ nhiều máy về một máy tương đương nối với thanh cái vô cùng lớn. Luận văn này giới thiệu một phương pháp mới được xem là một thuật toán chính xác dùng để phân tích ổn định cho hệ thống điện với từng máy riêng lẻ.

Đây là công cụ nhận biết các điều kiện ổn định hay bất ổn định của hệ thống điện sau sự cố bằng việc giải các phương trình vi phân. Phương pháp này được trình bày thông qua hệ thống điện hai vùng bốn máy của Kundur. Mặc dù đây là hệ thống điện đơn giản nhưng các chế độ của nó rất gần với các hệ thống điển hình trong thực tế vận hành. Trong luận văn này, người viết đã thực hiện các công việc chính như sau: - Xây dựng mô hình toán học của máy phát đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của cuộn kích từ, cuộn cản và bộ kích từ PSS.

- Đánh giá ổn định cho hệ thống gồm một máy phát đồng bộ kết nối thanh cái vô cùng lớn. - Đánh giá ổn định cho hệ thống hai vùng bốn máy của Kundur Kết quả đánh giá ổn định đã chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đề xuất. Phương pháp này có thể được áp dụng vào thực tiễn để đánh giá ổn định cho một hệ nhiều máy bất kỳ cũng như hệ thống điện ở Việt Nam. v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Cảm tạ iv Tóm tắt v Mục lục vii Danh sách các chữ viết tắt ix Danh sách các hình x Danh sách các bảng xii Chƣơng 1.

Tổng quan về hướng nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu 1 trong và ngoài nước 1. Mục đích nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 5 1. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài 5 1. Phương pháp nghiên cứu 6 Chƣơng 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 7 2. Các khái niệm cơ bản 7 2. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 13 2. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động 17 Chƣơng 3.

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ MỘT MÁY 24 3. Tổng quan về hệ thống gồm một máy phát đồng bộ kết nối 24 thanh cái vô cùng lớn dùng trong nghiên cứu ổn định 3. Khảo sát mô hình toán học của hệ thống gồm một máy phát đồng bộ 25 vii kết nối thanh cái vô cùng lớn dùng trong nghiên cứu ổn định 3. Đánh giá ổn định tĩnh hệ thống gồm một máy phát đồng bộ kết nối 30 thanh cái vô cùng lớn 3.

Đánh giá ổn định động hệ thống gồm một máy phát đồng bộ kết nối 47 thanh cái vô cùng lớn Chƣơng 4. ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ NHIỀU MÁY 60 4. Tổng quan về hệ thống điện nhiều máy ( hai vùng bốn máy ) 60 dùng trong nghiên cứu ổn định 4. Mô hình toán học hệ thống điện nhiều máy ( hai vùng bốn máy ) 61 dùng trong nghiên cứu ổn định 4.

Đánh giá ổn định tĩnh hệ nhiều máy 68 4. Đánh giá ổn định động hệ nhiều máy 78 Chƣơng 5. Những mặt còn tồn tại và hướng phát triển trong tương lai 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 90 viii CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC. Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ ngày càng cao, điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong tất cả các ngành kinh tế, sự phát triển của nhu cầu tiêu thụ điện năng đánh giá sự phát triển của xã hội và nâng cao đời sống của một khu vực, một quốc gia.

Do đó, hệ thống điện cũng ngày càng phát triển cả về quy mô lẫn công nghệ. Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống điện lớn trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc gia, xuất hiện nhiều nhà máy điện làm nhiệm vụ đáp ứng công suất cho phụ tải điện. Chính điều này làm cho việc ổn định hệ thống trở nên phức tạp do sự trao đổi công suất và dao động của các nhà máy ảnh hưởng qua lại với nhau khi chúng được liên kết với nhau. Ở Việt Nam, trong những năm qua, sự hội nhập về kinh tế dẫn tới nhu cầu điện năng gia tăng đáng kể.

Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển với việc xây dựng các nhà máy và đường dây truyền tải mới làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp hơn. Nguyên nhân chính là sự tác động qua lại giữa các nhà máy điện khác nhau và những dao động của các máy phát giữa miền Bắc và Nam Trong tất cả các hiện tượng phức tạp trên hệ thống điện, ổn định hệ thống điện được xem là vấn đề phức tạp nhất để có thể hiểu được và phân tích một cách thấu đáo. Hệ thống điện trong thế kỷ 21 sẽ còn đặt ra nhiều thách thức thậm chí còn khó khăn hơn bởi chúng buộc phải vận hành gần hơn với giới hạn ổn định của chúng. Đánh giá ổn định hệ thống điện là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học, các tổ chức trong nước và quốc tế quan tâm nghiên cứu từ rất lâu bởi tầm quan trọng của 1 nó.

Nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ cung cấp những thông tin liên quan tới khả năng mất đồng bộ của hệ thống điện trong thời gian nhiễu loạn quan trọng do những nguyên nhân khác nhau như mất đột ngột nguồn phát, cắt đường dây mang tải, sự thay đổi phụ tải lớn hoặc các sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải,. Đặc biệt vấn đề nghiên cứu này cung cấp những thay đổi về điện áp, dòng điện, công suất, tốc độ và môment của các máy trong hệ thống điện cũng như là sự thay đổi về công suất của hệ thống trong khoảng thời gian ngay tức khắc sau sự nhiễu loạn [9]. Nếu hệ thống mất đồng bộ trong thời gian dài sẽ dẫn đến tan rã hệ thống, gây thiệt hại rất lớn cho nền kinh tế [1]. Do đó độ ổn định của hệ thống điện là yếu tố quan trọng trong việc vạch phương thức vận hành.

Và khi thiết kế hệ thống điện điều quan trọng là phải đánh giá được tính ổn định của hệ thống ở bất kỳ sự nhiễu loạn nào [9]. Vì thế việc nghiên cứu ổn định của hệ thống để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và tin cậy từ đó giúp tìm giải pháp nâng khả năng ổn định của hệ thống là yêu cầu mang tính cấp thiết hiện nay. Xuất phát từ yêu cầu này người viết đã lựa chọn đề tài “ Đánh giá ổn định hệ nhiều máy”. Mô hình hệ nhiều máy trong đề tài được nghiên cứu trên cơ sở hệ bốn máy của tác giả Kundur, được xem như một mô hình hệ thống điện chuẩn.

Kundur là một tác giả nổi tiếng thế giới không chỉ về những hiểu biết lý thuyết mà còn những kinh nghiệm thực tế của ông trong lĩnh vực ổn định hệ thống điện [10].1 Một số kết quả nghiên cứu trong nƣớc. Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển với việc xây dựng các các trạm biến áp 500KV, 220KV, các đường dây truyền tải và các nhà máy mới làm cho việc ổn định của hệ thống trở nên phức tạp. Nguyên nhân chính là sự tác động qua lại giữa các nhà máy điện khác nhau và những dao động của các máy phát giữa miền Bắc và Nam. Do đó việc nghiên cứu ổn định của hệ thống để đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và tin cậy cũng như tìm giải pháp nâng cao khả năng ổn định của hệ thống là việc làm cấp thiết hiện nay được nhiều những người làm việc trong lĩnh vực 2 khoa học kỹ thuật quan tâm nghiên cứu.

Sau đây là một số công trình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực ổn định của hệ thống điện nhiều máy. - Huynh Chau Duy, Huynh Quang Minh and Ho Dac Loc. Transient stability analysis of a multi machine power system. Internet: http://pdfoiopx.