MỞ ĐẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 6 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E 2. Tổng quan về ổn định Ổn định hệ thống điện là một đặc tính của hệ thống điện, đặc tính này là sự duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống điện trong điều kiện vận hành bình thường và sự phục hồi về trạng thái cân bằng sau khi xảy ra nhiễu động trong hệ thống. Tầm ổn định của hệ thống điện nằm trong một dải giá trị nhất định, khi hệ thống vận hành ra khỏi tầm này thì sẽ xảy ra các nhiễu động, nếu không xử lý kịp thời, đưa hệ thống về trạng thái xác lập thì sẽ gây ra các dao động trong hệ thống (ví dụ: Các thay đổi của tải hoặc máy phát hay sau các sự cố như ngắn mạch, mất điện….
Khi các dao động này vượt quá phạm vi điều khiển của hệ thống, hệ thống sẽ bị mất ổn định. Theo [2], xét về bản chất ta có thể chia ổn định hệ thống điện thành các dạng sau đây: Ổn định hệ thống điện Power system stability Ổn định góc máy phát Ổn định điện áp Generator angle stability Voltage Stability Ổn định tín Ổn định quá Ổn định thời Ổn định thời Ổn định ĐA Ổn định ĐA hiệu nhỏ độ gian ngắn gian dài nhiễu lớn nhiễu bé Small signal Transient Mid-term Long-term Large Small stability Stability Stability Stability disturbance disturbance Mất ổn định phi MOscilloiary chu kỳ Instability Non- oscillatory Mất ổn định Instability phi chu kỳ cilloiary CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 7 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ Hoặc theo [3] thì ổn định hệ thống điện có thể được phân loại như sau: Ổn định hệ thống điện Power system stability Ổn định góc máy phát Ổn định điện áp Generator angle stability Voltage Stability Ổn định với kích động nhỏ Ổn định với kích động lớn Small signal stability Large disturbance Stability Ổn định tĩnh Mất ổn định phi Ổn định động Mất ổn định có Steady-state chu kỳ dao động Stability Dynamic Non- oscillatory Oscilloiary Stability Instability Instability Ổn định quá độ Ổn định thời gian ngắn Ổn định thời gian dài Transient Stability Mid-term Stability Long-term Stability Tuy 2 cách phân loại trên có khác nhau tuy nhiên có thể thấy việc phân chia dựa theo các yếu tố xem xét như sau: − Bản chất vật lý của việc mất ổn định; − Loại nhiễu động xem xét; − Các thiết bị, quá trình, và thời gian cần thiết cho việc xác định ổn định; − Phương pháp thích hợp nhất để tính toán và dự báo sự ổn định của hệ thống điện. Ổn định góc máy phát Ổn định góc máy phát là khả năng duy trì sự đồng bộ, cân bằng moment của các máy phát đồng bộ.
Khảo sát xem góc máy phát có ngừng dao động và trở về giá trị xác lập mới trong các điều kiện: CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 8 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ − Nhiễu lớn (Ổn định quá độ - do các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch, mất pha, mất tổ máy phát,…) − Nhiễu nhỏ (Tín hiệu nhỏ - các nhiễu nhỏ trong hệ thống như việc khởi động động cơ, quá tải,… có làm cho hệ thống dao động, mất điều khiển hay không) 2. Ổn định theo thời gian dao động Khả năng dao động của tần số và điện áp lớn. Khảo sát xem tần số và điện áp hệ thống điện có nằm trong một dải cho phép trong các điều kiện: − Khoảng thời gian ngắn (tác động của các bộ điều tốc, các dao động thường chậm hoặc nhanh, kéo dài trong khoảng vài phút,…,) − Khoảng thời gian dài (vận hành tua-bin, lò hơi, lò nguyên tử, các dao động diễn ra chậm, tần số hệ thống không thay đổi…) 2.
Ổn định điện áp Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp ổn định trong giới hạn cho phép cùng với việc cân bằng công suất phản kháng. Điện áp của các nút trong hệ thống cao hay thấp là do công suất phản kháng tại các nút đó. Cần khảo sát điện áp tại các nút có nằm trong dải cho phép trong các điều kiện: − Ổn định với nhiễu động lớn (khi xảy ra các nhiễu động lớn, các sự cố ngắn mạch, tác động của các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, dao động của tải,.) − Ổn định với nhiễu động nhỏ (liên quan đến việc xem xét đặc tính tĩnh P/Q-V của hệ thống, biên ổn định, độ dự trữ,.) Nội dung của đề tài sẽ xem xét loại ổn định năng nề trong hệ thống: ổn định khi có các dao động lớn trong hệ thống. Ổn định quá độ trong hệ thống điện 2.
Tổng quan Nghiên cứu ổn định quá độ là nghiên cứu khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu sau khi bị các kích động lớn. Các kích động lớn xảy ra trong hệ thống điện do các nguyên nhân sau: CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 9 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ − Cắt hoặc đóng đột ngột các phụ tải lớn. − Cắt đường dây tải điện hoặc máy biến áp đang mang tải.
− Cắt máy phát điện đang mang tải. − Ngắn mạch các loại. − Mất một lượng lớn công suất các nhà máy điện mặt trời do hiện tượng mây che Trong các dạng kích động nói trên thì ngắn mạch là nguy hiểm hơn cả, vì vậy ổn định quá độ của hệ thống điện được xét cho trường hợp xảy ra ngắn mạch. Các loại ngắn mạch gồm có: − Một pha chạm đất; − Hai pha chạm nhau; − 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 ít xảy ra nhưng ngắn mạch ba pha nguy hiểm hơn cả vì nó làm cho mối liên hệ giữa nhà máy và phụ tải, giữa các nhà máy điện với nhau hoàn toàn gián đoạn, độ giảm công suất đạt giá trị cực đại làm cho các tổ máy phát dao động mạnh. Về bản chất, ổn định quá độ thể hiện đặc tính của quá trình quá độ chuyển trạng thái từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác. Hệ thống ổn định quá độ nếu có: − Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau sự cố).
− Thông số biến thiên quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xác lập mới. Tiêu chuẩn đánh giá ổn định quá độ 2. Đánh giá theo tiêu chuẩn diện tích Theo [5], Giả thiết rằng hệ thống điện đang làm việc bình thường với P0 và δ0 - điểm a (Hình 3) thì xảy ra ngắn mạch. Đường đặc tính công suất thay đổi đột ngột từ PI sang đường PII, rất thấp (điện áp trên điểm ngắn mạch giảm thấp làm công suất của nhà máy điện không truyền vào hệ thống được).
Công suất điện giảm thấp nhưng do CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 10 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ quán tính của rotor góc δ chưa kịp biến đổi mà vẫn giữ giá trị δ0, vì vậy điểm làm việc rơi xuống điểm b trên đường PII. Lúc này công suất tuabin P0 lớn hơn công suất điện và sinh ra công suất thừa dương.1) Công suất thừa ΔP0 gây cho rotor gia tốc ban đầu α0 và làm cho tốc độ tương đối của rotor Δω = ω - ω0 tăng lên (ở thời điểm ban đầu Δω = 0). Góc δ tăng lên và điểm làm việc trượt trên đường đặc tính công suất PII.
Cùng với sự tăng lên của δ, ΔP = P0 – PIImaxsinδ giảm đi, khiến cho gia tốc tương đối α giảm nhưng tốc độ góc tương đối Δω vẫn tăng lên vì P > 0. Đến khi δ = δC, ΔP = 0 và α = 0, tốc độ góc tương đối Δω đạt giá trị cực đại. Do quán tính góc δ tiếp tục tăng lên quá δC, lúc này ΔP đổi dấu, tác động hãm rotor lại, gia tốc α mang dấu âm và Δω giảm dần. Quá trình chuyển động tiếp tục cho đến Δω = 0, góc δ đạt giá trị cực đại (điểm d), lúc đó ΔP đạt giá trị âm lớn nhất, gia tốc a cũng đạt giá trị âm lớn nhất.
Quá trình chuyển động do đó có tính chất ngược lại so với ban đầu, góc δ giảm xuống, Δω tăng dần theo chiều âm, ΔP giảm dần. Quá trình chuyển động tiếp tục nhờ vậy sau một số chu kỳ góc δ sẽ dừng lại tại giá trị δ0 là vị trí cân bằng công suất (Hình 3). CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ PHẦN MỀM PSS/E LUẬN VĂN THẠC SĨ -- 11 -- CBHD: TS. HUỲNH QUỐC VIỆT ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM HVTH: NGUYỄN HOÀNG PHÚ Quá trình vừa diễn tả là quá trình trong đó hệ thống có ổn định quá độ và sau một số dao động sự cân bằng công suất được phục hồi với góc làm việc mới là δC.
Tình hình sẽ khác hẳn nếu như góc δ trong quá trình dao động vượt góc δC’, lúc đó công suất thừa ΔP lại có giá trị dương, rotor lại bị tăng tốc và góc δ sẽ tăng lên vô cùng. Như vậy hệ thống điện chỉ có ổn định quá độ khi nào góc δ nhỏ hơn δC’, là góc giới hạn ổn định của hệ thống điện. Góc δC’ phụ thuộc vào đặc tính công suất ngắn mạch hay sau khi cắt ngắn mạch và công suất ban đầu P0. Điều kiện đảm bảo: δmax < C (*): ' Ta thấy rằng trong suốt quá trình chuyển động của rotor từ góc δ0 đến δC, công suất thừa luôn dương và nó có tác dụng gia tốc, có thể tính được tổng số năng lượng gia δC δC tốc do ΔP sinh ra: A gt = ΔM.2) δ0 δ0 P Trong đó ΔM là moment thừa, M = , trong hệ đơn vị tương đối ω0 = 1 nên 0 ΔM = ΔP = P0 – PII.3) Độ lớn của Agt chính bằng diện tích Fabc cho nên diện tích này cũng được gọi là diện tích gia tốc Fgt (Hình 3), Fgt có giá trị dương.
Từ góc δC đến góc δmax rotor bị hãm tốc, năng lượng hãm tốc này chính bằng diện δ max tích Fcde: A ht = ΔP.
