CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Ổn định điện áp (OĐĐA) là vấn đề nghiên cứu đang được quan tâm trong các thập kỷ gần đây. Nhiều công trình nghiên cứu đã trình bày về đặc điểm và hậu quả nghiêm trọng của sự cố mất OĐĐA. Các hệ thống điện lớn (HTĐ) ngày nay thường phải vận hành ở những chế độ nặng nề, nên vấn đề đảm bảo OĐĐA và các biện pháp kỹ thuật cải thiện điện áp và điều chỉnh điện áp là rất cần thiết. Nếu không có các tác động điều khiển hợp lý thì khi phụ tải tăng liên tục, hệ thống có thể mất ổn định.
Khái niệm chung về ổn định điện áp Ổn định của HTĐ là khả năng của một HTĐ duy trì được trạng thái cân bằng ở chế độ xác lập và có thể thiết lập lại trạng thái cân bằng mới khi có kích động nào đó đến hệ thống. Ổn định điện áp của HTĐ là khả năng của một HTĐ khôi phục lại điện áp ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại phụ tải. OĐĐA về bản chất là một trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm soát điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên. Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability) là khả năng của HTĐ có thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất phụ tải.
Các kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với chế độ xác lập của HTĐ. Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng với công suất phản kháng (CSPK) cấp vào thanh cái đó. Cụ dU dU thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh nếu > 0 và ngược lại nếu < 0 thì hệ dQ dQ thống không đạt chỉ tiêu ổn định tĩnh. 12 Ổn định động (dynamic voltage stability) là khả năng của HTĐ có thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có các kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn.
Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức.[1],[2] Giả sử một HTĐ đang ở trạng thái ổn định. Khi có thay đổi nào đó trong HTĐ thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động. Nếu dao động lớn thì HTĐ có thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình quá độ để thiết lập lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới. Nếu sự thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì quá trình thiết lập phải xác định được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này luôn thay đổi.
Đây chính là mục tiêu mong muốn khi vận hành HTĐ. Tuy nhiên, HTĐ có thể mất ổn định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn đến không có điểm vận hành ổn định nữa. Vì không tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình quá độ phức tạp. Quá trình này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó là giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống.
Điều này dẫn đến sự sụt giảm điện áp liên tục và HTĐ bị tan rã. Quá trình mất OĐĐA được chia thành 3 giai đoạn diễn ra từ vài giây cho tới vài phút như sau: 1. Các quá trình quá độ điện cơ (ví dụ như các máy phát điện, các bộ điều chỉnh, các động cơ cảm ứng và các thiết bị điện tử công suất – như SVC, HVDC) trong vài giây; 2. Các thiết bị đóng cắt như các đầu phân áp của các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây; 3.
Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút. 13 Khi phân tích OĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai đoạn (2) và (3) là giai đoạn dài hạn.1 mô tả hiện tượng OĐĐA theo các giai đoạn vừa đề cập ở trên. Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC, Các thay đổi nhanh - HVDC, động cơ cảm ứng… thời gian ngắn Tự khôi phục phụ tải, AGC, đầu phân áp, các bộ giới hạn kích từ… Các thay đổi chậm - thời gian dài Khôi phục tải Hình 1.1: Các giai đoạn SĐĐA theo thời gian Mất OĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận hành ở gần điểm giới hạn tải), hoặc HTĐ có sự cố (ví dụ như sự cố mất đường dây), hoặc HTĐ thiếu hụt CSPK. Hiện tượng này liên quan tới nhiều phần tử trong hệ thống và thông số của các phần tử đó.
Dễ nhận thấy, tuy hiện tượng này thường liên quan đến một khu vực nào đó trong hệ thống nhưng hậu quả của nó lại ảnh hưởng đến cả hệ thống. Như đã nói ở trên, SĐĐA được phân loại theo giai đoạn quá độ hoặc trong giai đoạn dài hạn. Tuy nhiên, SĐĐA trong giai đoạn dài hạn có thể bao gồm các hậu quả từ giai đoan quá độ; ví dụ SĐĐA diễn ra chậm trong vài phút có thể kết thúc nếu có sự SĐĐA nhanh xảy ra trong giai đoạn quá độ. Nguyên nhân gây ra mất ổn định điện áp Bản chất vật lý của hiện tượng SĐĐA chính là yêu cầu CSPK của phụ tải không được đáp ứng đủ do giới hạn về phát và truyền tải CSPK.
Các giới 14 hạn về phát CSPK bao gồm giới hạn của máy phát, giới hạn công suất của SVC và sự sụt giảm CSPK của các tụ ở điện áp thấp. Các giới hạn về truyền tải CSPK là tổn thất CSPK lớn trên các đường dây nặng tải, hoặc có sự cố đường dây đẫn đến giảm công suất truyền tải. Các nguyên nhân gây mất OĐĐA bao gồm: Công suất truyền tải trên các đường dây quá lớn; Điện áp tại nguồn phát quá thấp; Khoảng cách giữa các nhà máy điện và phụ tải quá xa; Dung lượng bù CSPK không đủ; Phối hợp kém giữa các thiết bị bảo vệ. Hậu quả mất ổn định điện áp Mất OĐĐA gây tác động trực tiếp đến các phụ tải.
Với các nhà máy công nghiệp, mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các động cơ, máy móc và chất lượng sản xuất. Tuổi thọ của các thiết bị và các khâu an toàn trong công nghiệp cũng không đảm bảo. Mất OĐĐA còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề về sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ các thiết bị điện sinh hoạt. Sụp đổ điện áp (SĐĐA) là trường hợp sự cố nặng nề trong HTĐ.
SĐĐA thường xảy ra khi hệ thống chịu các kích động lớn như mất máy phát, mất đường dây công suất lớn… Khi đó, điện áp tại các nút giảm dưới mức cho phép rất nhanh. Các biện pháp giữ OĐĐA đã đạt đến giới hạn hoặc không đủ linh hoạt dẫn đến điện áp các nút càng giảm thấp theo chuỗi liên tiếp trong hệ thống trong thời gian rất ngắn. Hậu quả của SĐĐA là phụ tải bị sa thải hàng loạt trên diện rộng, hệ thống bị tan rã. Dưới đây là một số sự cố SĐĐA đã xảy ra trên thế giới: Sự cố ở Nam Florida, Mỹ ngày 17/05/1985: do không dự báo chính xác yêu cầu công suất của phụ tải, các biện pháp ngăn chặn mất OĐĐA không hiệu quả nên các máy cắt đã cắt 3 đường dây 500 kV khỏi hệ thống 15 làm điện áp trong hệ thống sụt giảm mạnh, công suất tác dụng cấp cho phụ tải thiếu.
Các rơle sa thải phụ tải tần số thấp không làm việc do điện áp quá thấp. SĐĐA xảy ra khiến một khu vực phụ tải rộng lớn khoảng 4300 MW bị mất điện. Sự cố ở Thụy Điển ngày 27/12/1983: sự cố một máy cắt khiến trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV từ trạm này bị cắt khỏi hệ thống. Khoảng 8 giây sau một đường dây 220 kV làm việc quá tải tiếp tục bị cắt ra.
Trong khi đó, các máy biến áp (MBA) điều áp dưới tải liên tục chuyển nấc để phục hồi điện áp tải làm cho điện áp trên lưới truyền tải giảm mạnh hơn, dòng điện tăng cao trên đường dây chính cấp điện từ phía Bắc tới phía Nam nơi có sự cố. Gần một phút sau, một đường dây 400 kV khác quá tải và bị cắt khỏi hệ thống. Cả tần số và điện áp của hệ thống bị suy giảm theo chuỗi. Các biện pháp sa thải phụ tải dưới tần số và điện áp không giúp hệ thống tránh khỏi tan rã.
Ước tính phụ tải rộng lớn phía Nam Thụy Điển bị mất điện lên tới 11400 MW. Sự cố tại Tokyo, Nhật Bản ngày 23/07/1987: khí hậu quá nóng dẫn tới phụ tải tăng bất thường với cường độ 400MW/phút. Điện áp trên đường dây 500 kV giảm chỉ còn khoảng 460 kV mặc dù toàn bộ các tụ bù dọc đường dây đã được đóng vào hệ thống. Vài phút sau, điện áp của đường dây 500 kV chỉ còn 370 kV và SĐĐA bắt đầu xảy ra.
Khu vực phụ tải bị mất điện ước tính khoảng 8170 MW. Sự cố tại Pháp, 19/12/1978: tại thời điểm đó Pháp đang nhận điện từ HTĐ nước ngoài cấp vào. Nhu cầu phụ tải tăng nhanh đột ngột gấp 1,5 lần thường lệ. Sau vài phút, điện áp giảm nhanh.
Các máy biến áp điều áp dưới tải ở lưới cao áp bị khóa lại. Điện áp trên đường dây 400 kV phía Tây nước này nằm trong khoảng 342 – 374 kV. Sau khi một đường dây chính 400kV quá tải và bị cắt ra khỏi hệ thống thì SĐĐA diễn ra. Phải sau vài giờ đồng 16 hồ toàn bộ hệ thống mới được khôi phục.
Ước tính phụ tải bị mất điện lên tới 29 GW. Tổn thất về mặt kinh tế là rất lớn. Như vậy, SĐĐA là một vấn đề thực tế và hậu quả của nó là rất lớn mà nguyên nhân của các sự cố là vì rất nhiều lý do. Vấn đề đảm bảo giá trị điện áp cho phép Một vấn đề liên quan tới OĐĐA là điện áp cho phép.
Điện áp cho phép là một giá trị nằm trong khoảng lân cận giá trị định mức. Ví dụ điện áp hệ thống truyền tải thường chỉ được phép thay đổi trong phạm vi 5% điện áp định mức. Do đó, đảm bảo điện áp trong phạm vi cho phép khi có thay đổi trong hệ thống là rất quan trọng.