mở đầu Chương 2: Cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điện Chương 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 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 2.1 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: - Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện. - Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ 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 được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều 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 các phần 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 thuộc vào 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 đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định.2 Chế độ của HTĐ 10 Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái 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 mọi thời 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 hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ. Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến.
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại: - Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ mà các thông số của nó dao động rất nhỏ 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 biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. CĐXL được chia thành: + CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. + CĐXL sau khi đã loại trừ sự cố.
+ Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì. - Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi nhiều. Chế độ quá độ gồm có: + Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác. + Chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra sau sự cố.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ CĐXL bình thường có các yêu cầu.
11 Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ. Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất.
Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện. CĐXL sau sự cố có các yêu cầu. Các yêu cầu CĐXL bình thường trên giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một 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. Chế độ quá độ (CĐQĐ) có các yêu cầu.
Chấm dứt nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố. Trong thời gian quá độ, các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch. Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ.2 Khái niệm về ổn định HTĐ 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 bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử [3].2) Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ: S2 = P2 + Q2 (2.3) Cho nên, các điều kiện cân bằng công suất (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 có thể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là: Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy, tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD. Sự biến đổi CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ.
Như vậy có thể 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 (2.2) được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều 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 lên thì lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn.
Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác cũng sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên, sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép. Các điều kiện cân bằng công suất (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 của chế 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. - Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong 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 điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thì thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh CSPK phức tạp, không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống.
Trong HTĐ, máy phát điện (MP) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MP đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của CĐXL. Đây là sự cân bằng cơ - điện, nghĩa là sự cân bằng giữa 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 sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều lập tức tác động lên MP và gây ra sự mất 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 suất điện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT. Khái niệm ổn định HTĐ Trong hệ thống điện luôn tồn tại vô số kích động (nhiễu) tác động lên hệ thống. Hệ thống phải đảm bảo được tính ổn định khi chịu các kích động này. Ổn định hệ thống điện 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.
14 Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn. Kích động nhỏ (nhiễu nhỏ) là những tác động xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ trong khi hệ thống vận hành do sự thay đổi công suất phụ tải. Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với kích động nhỏ nhưng có biên độ khá lớn.
