Đặt vấn đề: Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống 7 điện ở trong một phạm vi cho phép (tuỳ thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau) ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được, gọi là sụp đổ điện áp.
Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. Giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp mà bài báo này đưa ra là áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System). Với độ nhanh nhạy, chính xác, điều khiển linh hoạt, các thiết bị FACTS sẽ cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất trên hệ thống. Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện: Ðể tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành dưới các giới hạn truyền tải công suất.
Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này được chia thành 3 dạng: giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định.1 Khái niệm về ổn định điện áp: Ổn định điện áp là khả năng của một HTĐ vẫn còn duy trì được giá trị điện áp ổn định ở tất cả các nút trong HTĐ sau khi trải qua một sự cố từ điều kiện vận hành xác lập bình thường ban đầu [7]. Vấn đề về ổn định điện áp còn có thể được chia nhỏ thành các vấn đề nhỏ hơn, tương ứng là ổn định điện áp khi có kích động lớn và khi có dao động nhỏ. Tại khoản 1 Điều 5 Thông tư 25/2016/TT-BCT [8], ổn định hệ thống điện được quy định hệ thống điện truyền tải như sau: Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống điện, với điều kiện vận hành ban đầu xác định, trở lại chế độ vận hành bình 8 thường hoặc chế độ cân bằng xác lập sau khi xảy ra một kích động vật lý trong hệ thống điện làm thay đổi các thông số vận hành của hệ thống điện.
Ổn định hệ thống điện được phân loại như sau: Ổn định quá độ là khả năng của các tổ máy phát điện trong hệ thống điện duy trì được trạng thái vận hành đồng bộ sau khi xảy ra các kích động lớn trong hệ thống điện; Ổn định tín hiệu nhỏ là khả năng của HTĐ vẫn còn duy trì được điện áp ổn định khi chịu các tác động nhỏ chẳng hạn như tải thay đổi theo hướng tăng với mức độ dập tắt các dao động công suất tự nhiên trong giới hạn cho phép. Ổn định động điện áp là khả năng của hệ thống điện vẫn duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động lớn trong hệ thống điện chẳng hạn như có hư hỏng trong HTĐ, mất nguồn phát điện, hoặc các sự cố trên mạch điện. Việc xác định ổn định điện áp khi có kích động lớn cần phải khảo sát đáp ứng phi tuyến của HTĐ trong một khoảng thời gian đủ để thu nhận được hoạt động và tương tác của các thiết bị, như động cơ điện, ULTC (bộ chỉnh áp dưới tải của máy biến áp) và OEL (bộ hạn chế dòng kích từ của máy phát). Ổn định tĩnh điện áp là khả năng của hệ thống điện duy trì điện áp xác lập tại các nút sau khi xảy ra các kích động nhỏ trong hệ thống điện.
Ổn định tần số là khả năng hệ thống điện duy trì được tần số xác lập sau khi xảy ra các kích động làm mất cân bằng công suất giữa nguồn điện và phụ tải điện. Ổn định điện áp ngắn hạn liên quan đến tính chất động của các thành phần tải tác động nhanh như: động cơ cảm ứng, tải điều khiển điện tử và các bộ biến đổi HVDC. Ổn định điện áp dài hạn liên quan đến các thiết bị tác động chậm hơn, chẳng hạn ULTC, tải nhiệt điều khiển tĩnh, và bộ hạn chế dòng kích từ của máy phát (OEL). Thời gian có thể đến vài phút hoặc nhiều hơn và việc mô phỏng trong khoảng thời gian dài cần được sử dụng để phân tích hoạt động động của HTĐ 9 2.
Sự sụp đổ điện áp trong hệ thống điện: Hệ thống điện đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của quốc gia. Do sự phát triển kinh tế nên nhu cầu phụ tải tăng nhanh làm cho hệ thống điện ngày càng trở nên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế và vận hành làm cho hệ thống điện làm việc rất gần về giới hạn ổn định do phụ tải tăng quá nhanh hay do cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như khai thác quá mức nguồn thủy điện cũng như than đá và việc ứng dụng công nghệ mới như điện hạt nhân ở nước ta còn nhiều khó khăn do vấn đề về công nghệ, lo ngại về sự an toàn, vốn đầu tư. Một hệ thống điện gồm thành ba phần chính: Phần phát điện: bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện, thủy điện, nhà máy khí. Phần truyền tải: bao gồm các đường dây cao áp, máy biến áp truyền tải.
Phần phân phối: đây là phần điện áp được hạ thế để cung cấp điện trực tiếp cho các phụ tải và cũng là phần thường xuyên gây mất ổn định trong hệ thống điện. Sự sụp đổ điện áp là quá trình mà qua đó chuỗi các sự cố liên quan đến sự không ổn định điện áp và cuối cùng dẫn đến tan rã HTĐ hoặc điện áp thấp bất thường trong phần lớn khu vực của HTĐ. Khi công suất tải tiêu thụ thay đổi vượt quá khả năng của hệ thống truyền dẫn và hệ thống phát sẽ gây nên hiện tượng quá tải và giới hạn ổn định bị vượt qua sẽ dẫn đến sự mất ổn định điện áp. 1 Một số nguyên nhân gây nên sự cố tan rã HTĐ.
Nhìn chung, các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ từ trạng thái vận hành bình thường hoặc rất gần với giới hạn an ninh/ ổn định chuyển sang mất ổn định và cuối cùng là bị chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt. Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ và có thể được tổng kết như sau: Lúc đầu, HTĐ đang được vận hành ở những điều kiện bất lợi khá gần với giới hạn ổn định như một số tổ máy hay nhà máy điện bị cắt khỏi lưới điện hoặc một số đường dây tải điện do sự cố hay phải bảo dưỡng trong khi đó nhu cầu phụ tải lại đang rất lớn hay tăng lên do những điều kiện bất thường. Hay như, vùng trung tâm phụ tải lại ở xa vùng phát, làm tăng tổn thất truyền tải cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, hoặc công suất dự phòng không đủ. Những điều kiện bất lợi đó làm cho điện áp ở một số nút bị suy giảm.
Những điều kiện bất lợi này có thể phải tiếp tục chịu một hoặc một số sự cố cực kỳ nguy kịch do việc mất thêm thiết bị như mất đường dây, máy phát quan trọng 11 làm phá vỡ tiêu chuẩn an ninh, làm phát sinh các vấn đề ổn định HTĐ như mất ổn định điện áp, tần số hay góc roto dẫn đến làm quá tải các thiết bị còn lại và điện áp giảm thấp tại một số nút gây mất đồng bộ giữa các máy phát điện. Do thiếu các biện pháp ngăn chặn kịp thời của các trung tâm điều độ hệ thống hay do lỗi vận hành của con người, hoặc do tác động sai của thiết bị bảo vệ, hay hư hỏng tiềm ẩn trong các hệ thống giám sát, điều khiển làm cho tình hình trở lên nghiêm trọng hơn. Sự tác động của máy biến áp điều áp dưới tải hay các máy phát đã đạt đến giới hạn công suất tác dụng hay công suất phản kháng, làm cho HTĐ mất khả năng điều khiển điện áp. Làm cho điện áp tiếp tục giảm thấp dẫn đến sụp đổ điện áp và hậu quả nghiêm trọng là hệ thống bị tan rã.
Các máy phát điện bị mất đồng bộ, các hệ thống bảo vệ chống mất đồng bộ tác động cắt các máy phát này ra khỏi HTĐ gây ra mất cân bằng phía máy phát hay phía tải tăng lên mạnh hơn nữa dẫn đến hàng loạt các thiết bị khác cắt khỏi lưới làm sụp đổ hoàn toàn hệ thống. Cơ chế tan ra HTĐ có thể liên quan trực tiếp đến cơ chế mất ổn định điện áp, tần số hay góc roto. 12 Cơ chế tan rã HTĐ được trình bày ở hình dưới đây: Điều kiện thời tiết Một số máy phát, Vùng phụ tải ở xa Công suất tác Tải tăng và điện bất thường hay tải đường dây, tụ bù vùng phát điện, dụng và phản áp thấp ở một số tăng đột ngột bị cắt ra khỏi lưới đường dây truyền tải kháng thiếu dự trữ nút trong HTĐ HỆ THỐNG ĐIỆN Bắt nguồn từ sự cố nguy hiểm: Mất một hay vài đường dây hoặc máy phát quan trọng. Mất ổn định Mất ổn định Mất ổn định điện áp tần số góc rotor Điện áp tại các Gây quá tải ở Vấn đề đồng bộ Thiếu moment nút giảm từ từ các thiết bị khác hóa HTĐ cản dao động Máy phát/bù đạt giới Tăng mạnh tổn thất ULTC đạt đến nấc Cắt các thiết bị quá hạn phát CS phản công suất phản kháng cao nhất tải khác trong HTĐ kháng Sụp đổ điện áp Mất đồng bộ Cắt nhanh các đường dây, máy phát và thiết bị điện trong HTĐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN Hình 2.
2 Cơ chế xảy ra sự cố tan rã hệ thống điện. Từ những trình bày ở trên cho thấy sự sụp đổ điện áp trên hệ thống điện sẽ gây ra những tổn thất nặng nề không chỉ về kinh tế mà quan trọng hơn là an ninh năng lượng của quốc gia.