Chương 1: Tổng quan Chương 2: Lý thuyết ổn định hệ thống điện Chương 3: Bộ ổn định hệ thống điện Chương 4: Điều khiển ổn định hệ thống điện với phương pháp điều khiển thích nghi Chương 5: Kết luận -4- CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác động lên hệ thống. Hệ thống phải đảm bảo được tính ổn định khi có tác động của những nhiễu này. [1] 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 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. [2] Theo cách truyền thống, vấn đề ổn định là phải duy trì hệ thống hoạt động ở một điểm vận hành đồng bộ.
Điều kiện để hệ thống điện hoạt động ổn định là tất cả các máy phát đồng bộ ở trạng thái đồng bộ với nhau. Các trạng thái của hệ thống điện khi nhiễu loạn quá độ, gồm nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ. Nhiễu loạn nhỏ như phụ tải thay đổi liên tục và hệ thống tự điều chỉnh theo các thông số trên. Hệ thống điện có thể phải hoạt động đúng theo các thay đổi trên và cung cấp công suất đầy đủ cho số lượng lớn phụ tải đó.
Đáp ứng của hệ thống điện tới nhiễu loạn kéo theo nhiều thiết bị tác động. Điện áp khác nhau sẽ làm kích thích bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát tác động , tốc độ của máy phát khác nhau sẽ kích thích bộ điều chỉnh tốc độ động cơ sơ cấp… Các nhiễu lớn xảy ra trong hệ thống: ngắn mạch, tăng/giảm tải đột ngột, tải lớn vào hệ thống, mất/giảm kích từ các máy có công suất lớn hoặc mất/giảm công suất cơ của máy phát đều làm cho hệ thống dao động, trải qua quá trình dao động hệ thống có thể tiến tới trạng thái xác lập mới hoặc có thể làm cho dao động ngày càng lớn, gây ra mất ổn định hệ thống .2 PHÂN LOẠI: Ổn định hệ thống điện được chia làm 2 loại: [2] 2.1 Ổn định tĩnh Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ (nhiễu nhỏ) phục hồi được chế độ ban đầu. Bao hàm sự biến thiên nhỏ và chậm của những điểm vận hành. Nghiên cứu ổn định tĩnh thường được thực hiện bởi các chương trình tính toán phân bố công suất, đảm bảo góc pha điện áp trên đường dây không quá lớn, điện áp tại các nút gần với điện áp định mức, máy phát, máy biến áp, đường dây truyền tải và các thiết bị khác không bị quá tải.
Máy phát Máy biến áp XD U ~ Hình 2.1: Sơ đồ một hệ thống điện đơn giản P P(δ) Pe Pm a b P0 0 δ01 δ02 Hình 2.2: Đặc tính công suất của máy phát và đặc tính công suất cơ của Tuabin -6- Để có khái niệm rõ hơn về tính chất ổn định tĩnh, xét trạng thái cân bằng công suất của một máy phát trong 1 hệ thống điện đơn giản như hình 2.1, tương ứng với đặc tính công suất điện từ của máy phát và đặc tính công suất cơ của Tua-bin hình 2.2 Trong đó: công cơ của Tua-bin được coi là không đổi và công suất điện từ của máy phát có thể được suất biểu diễn dưới dạng: EU P sin Pe sin (2.1) XH XD XH XF XB (2.2) 2 Trong đó: XH: điện kháng tổng tương đương của hệ thống XF: là điện kháng tương đương của máy phát XB: là điện kháng tương đương của máy biến áp XD: là điện kháng tương đương của một đường dây đơn Hình 2.2 tồn tại 2 điểm cân bằng a và b tương ứng với các góc lệch 01 và 02 Trong đó: P 01 arcsin m (2.4) Pe -7- Với: Pm: là công suất cơ của máy phát Pe: là công suất điện từ của máy phát Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập. Thật vậy, giả thuyết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc khỏi giá trị 01 một lượng 0 sau đó kích động triệt tiêu. Khi đó, theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới, công suất điện từ P lớn hơn công suất cơ Pm, do đó máy phát quay chậm lại, góc lệch giảm đi, trở về giá trị 01. Khi 0 hiện tượng diễn ra theo tương quan ngược lại Pm< P(δ), máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch tăng, cũng trở về 01.
Như vậy, điểm a được coi như là điểm có tính chất cân bằng hay nói khác đi, điểm a là điểm có tính chất ổn định tĩnh. Xét điểm cân bằng b với giả thiết 0 , tương quan công suất sau kích động sẽ là Pm P , làm góc tiếp tục tăng lên, xa dần trị số 02. Nếu 0 tương quan công suất ngược lại làm giảm góc , nhưng cũng làm lệch xa hơn trạng thái cân bằng. Như vậy, tại điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một kích động nhỏ, sau đó kích động triệt tiêu, thông số của hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị số ban đầu.
Vì thế, điểm cân bằng b bị coi là điểm cân bằng không ổn định. Cũng vì những ý nghĩa trên ổn định tĩnh còn gọi là ổn định với kích động bé hay ổn định điểm cân bằng. Nếu xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng ta cũng có tính chất tương tự. Chẳng hạn, xét một hệ thống điện như hình 2.
Nút phụ tải được cung cấp từ những nguồn phát. Đặc tính công suất phản kháng nhận được từ các đường dây về đến nút U có dạng: U 2 UEi Qi U cos i (2.5) X Di X Di -8- Trong đó: Qi (U): là đặc tính công suất phản kháng theo điện áp U của máy phát thứ i U: là điện áp nút phụ tải XDi: là điện kháng tương đương của đường dây nối từ nút máy phát đến nút phụ tải Ei Ei i : là điện áp nút máy phát thứ i Điện áp nút U phụ thuộc vào tương quan cân bằng công suất phản kháng. Tổng công suất phát QF (U) = Qi U cân bằng với công suất tải Qt tại các điểm c và d như hình 2.4, tương ứng với các điện áp U01 và U02. Nếu giữ được cân bằng công suất, điện áp nút U sẽ không đổi, còn nếu QF Qt điện áp nút U sẽ tăng lên, khi QF Qt điện áp nút U sẽ giảm xuống.
Phân tích tương tự như trường hợp công suất tác dụng của máy phát, dễ thấy được chỉ có điểm cân bằng d là điểm cân bằng ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu nhiên điện áp U sẽ xa dần trị số điện áp U01, điều này cũng có nghĩa là điểm cân bằng c là điểm cân bằng không ổn định.3: Sơ đồ HTĐ xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng -9- Q 1 2 Qt d c 3 QF 0 U01 U02 U Hình 2.4: Đặc tính Q - U Đặc điểm của điều kiện làm việc của hệ thống điện là sự xuất hiện thường xuyên những tác động nhỏ không chu kỳ và chính những tác động này làm cho các thông số của hệ biến đổi nhưng rất chậm và không có chu kỳ nên có thể coi là hệ thống ổn định. Nguyên nhân mất ổn định tĩnh: - Khi thay đổi chế độ làm việc của hệ thống, có thể tiến đến giới hạn của điều kiện ổn định tĩnh và được gọi là sự tiến dần đến mất ổn định của hệ thống. Trong nhiều trường hợp, quá trình tiến dần là quá trình tăng công suất tác dụng và công suất phản kháng của các phụ tải hệ thống.
Lúc này góc lệch rotor của một số máy phát đối với bộ phận còn lại của hệ thống sẽ tăng lên. Nếu nguồn dự trữ công suất phản kháng trong hệ thống chưa sử dụng hết thì có thể duy trì được mức điện áp bình thường. Ngược lại, khi không còn dự trữ công suất phản kháng thì trong quá trình tiến dần này, điện áp sẽ giảm xuống làm tăng khả năng mất ổn định tĩnh. Như vậy trị số dự trữ ổn định tĩnh có thể được kiểm tra bằng trị số các góc lệch rotor máy phát điện.
- Trong thực tế khả năng mất ổn định xảy ra khi phụ tải trong hệ huống tăng lên lúc sự cố xảy ra hoặc do đóng cắt các động cơ đã cắt ra vì ngắn mạch. - 10 - - Để tránh mất ổn định tĩnh, ở chế độ làm việc bình thường, góc lệch rotor của các máy phát phải được hạn chế trong giới hạn nhất định và điện áp ở các nút chủ yếu trong hệ thống không được giảm thấp hơn mức độ quy định. Do đó lúc điều chỉnh chế độ làm việc của hệ thống xuất hiện những vấn đề sau: + Quy định góc lệch giới hạn rotor máy phát chính là giới hạn công suất truyền tải. + Quy định điện áp giới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh ở các nút chủ yếu.
Hậu quả: - Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống: + Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất lượng công suất lớn. + Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng tới các hộ tiêu thụ. + Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải. + Hiện tương sụp đổ điện áp có thể khiến cho tan rã hệ thống nếu không có.
+ Các hành động can thiệp kịp thời hoặc phải tính toán các kịch bản đối phó trước. Các biện pháp ổn định tĩnh của hệ thống điện: - Dùng bộ tự động điều chỉnh kích từ. - Hạn chế góc lệch roto. - Sai thải phụ tải theo tần số.
- Dự trữ công suất tác dụng và phản kháng. - 11 - Ổn định hệ thống điện Ổn định góc Ổn định tần Ổn định rotor số điện áp Ổn định tín Ổn định Nhiễu lớn Nhiễu nhỏ hiệu nhỏ quá độ Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Dài hạn Hình 2.