Đặt vấn đề Nhờ thực hiện chủ trương đổi mới của Đảng, nền kinh tế Việt Nam từ năm 1985 đến nay đã tăng trưởng với tốc độ bình quân 7%/năm. Nhiều khu công nghiệp lớn, khu kinh tế mở và khu dân cư mới được hình thành, để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện tăng nhanh theo tốc độ tăng trưởng của phụ tải, Nhà nước đã huy động một nguồn vốn lớn để đầu tư phát triển Hệ thống điện. Ngày 27/5/1994 đã đóng điện đưa đường dây 500kV vào vận hành kết nối HTĐ ba miền thành HTĐ hợp nhất Bắc-Trung-Nam, tạo điều kiện để khai thác một cách hiệu quả các nguồn điện hiện có truyền tải và cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Trong những năm qua HTĐ Việt Nam liên tục phát triển, đến nay lưới điện 500kV có tổng chiều dài là 3466km và 11 trạm biến áp với tổng công suất là 6600MVA.
Hiệu quả do các HTĐ hợp nhất mang lại là rất lớn, tuy nhiên trên các HTĐ hợp nhất có các đường dây siêu cao áp đã xuất hiện nhiều vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải quyết trong thiết kế cũng như vận hành. Một trong những vấn đề đó là lượng công suất phản kháng do các đường dây siêu cao áp sinh ra rất lớn tỉ lệ với bình phương điện áp, đã gây ảnh hưởng đến khả năng tải của đường dây, tác động đến chế độ làm việc của máy phát và phân bố điện áp trong các mạng điện áp thấp, đặc biệt là tác động đến ổn định điện áp trong HTĐ. Để giải quyết vấn đề nầy thường lắp đặt các tụ bù dọc và kháng bù ngang trên các đường dây truyền tải, trong HTĐ Việt Nam trên các đoạn đường dây 500kV có khoảng cách lớn, ở hai đầu được lắp đặt tụ bù dọc với mức độ bù là 60% và kháng điện bù ngang với mức độ bù là 70%. Tuy nhiên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải thường thay đổi rất lớn, cho nên ở chế độ tải nặng điện áp các nút giảm xuống đáng kể và dễ dàng đẩy HTĐ rơi vào trạng thái mất ổn định.
Đối với HTĐ Việt Nam hiện nay công suất truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, công suất trên đường dây 500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1600MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường ở mức thấp vào khoảng 475kV ở giới hạn thấp nhất của điện áp vận hành bình thường và có thời điểm điện áp xuống đến 455kV. Do đó việc nghiên cứu đánh giá ổn định và tìm các giải pháp để nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ Việt Nam là rất cần HVTH: Nguyễn Kha Ly Trang 4 Chương II: Ổn định điện áp HTĐ GVHD: TS.Trương Việt Anh thiết. Thực tế vận hành trong thời gian qua HTĐ Việt Nam đã có những sự cố liên quan đến mất ổn định điện áp dẫn đến mất điện trên diện rộng xảy ra vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và ngày 04/9/2007 .Các hiện tượng tan rã lưới trên diện rộng (black-out) cũng đã xảy ra đối với nhiều HTĐ trên Thế giới như: tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày 28/8/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ-Canada ngày 14/8/2003…, tất cả các trường hợp trên đều liên quan đến mất ổn định điện áp. Hiện nay nước ta đang và sẽ rơi vào tình trạng thiếu nguồn điện trong khi phụ tải tăng nhanh, do đó các đường dây truyền tải sẽ làm việc ở công suất giới hạn cho phép và điện áp tại các nút sẽ có nguy cơ sụt giảm mạnh xuống dưới mức cho phép và có thể tiến đến mức giới hạn về ổn định điện áp.
Mặt khác, nước ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành thị trường điện lực ở khâu phát điện và sẽ tiến tới thị trường bán buôn và sau đó là thị trường bán lẽ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra. Khi đó phương thức điều độ vận hành hệ thống điện sẽ phức tạp hơn nhiều và công suất truyền tải trong lưới điện sẽ phụ thuộc không chỉ vào công suất phát của nhà máy điện, công suất tiêu thụ của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cả giá bán điện của các nhà máy, các hợp đồng song phương… nên việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện càng được đặc biệt quan tâm. Phân tích những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây 2. Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới: Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu… Sự cố tan rã HTĐ tại Florida – Mỹ ngày 17/05/1985: Một sự cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500kV đang mang tải nhẹ dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây.
Lượng tải bị mất khoảng 4292 MW. Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ. Sự cố tan rã HTĐ Tokyo – Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn bộ thủ đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lượng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt độ tăng cao. HVTH: Nguyễn Kha Ly Trang 5 Chương II: Ổn định điện áp HTĐ GVHD: TS.Trương Việt Anh Sau thời gian buổi trưa, lượng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút (tương đương với 400 MW/1 phút).
Mặc dù, các tụ bù đã được đóng hết, nhưng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500kV. Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u (đơn vị tương đối) và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống truyền tải và xa thải lượng phụ tải 8000MW. Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn. Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của các thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp.
Các nguyên nhân của sự cố tan ra hệ thống điện. Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều nguyên nhân khác nhau. Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách, mất đường dây, máy phát điện… liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các vùng, khu vực cách ly nhau. Trong luận văn này, chúng tôi tổng kết một số các nguyên nhân chính như sau: - Nguyên nhân đầu tiên bắt đầu từ khâu qui hoạch và thiết kế - Quá trình vận hành HTĐ - Quá trình bảo dưỡng thiết bị - Ngoài ra con nhiều nguyên nhân khách quan khác, như sự hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ, hệ thống quản lý năng lượng (Energy System management - ESM), hệ thống đánh giá trạng thái (state estimator-SE) và hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực (real time contingency analysis-RTCA) đã làm cho các kỹ sư vận hành không thể giám sát và đánh giá tình trạng làm việc cũng như việc đưa ra các biện pháp kịp thời.
Hay hiện tượng thiên nhiên cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng lên bất thường của phụ tải hay hư hỏng thiết bị được xem là những điều kiện bất lợi ban đầu cho HTĐ, là nguyên nhân bắt nguồn các sự cố. Cơ chế xẩy ra sự cố tan rã hệ thống điện Trong phần trước, chúng tôi đã tóm tắt các sự cố tan rã HTĐ xảy ra gần đây trên thế giới, nhưng các cơ chế xảy ra sự cố rất khác nhau từ hệ thống đơn lẻ đến hệ thống liên HVTH: Nguyễn Kha Ly Trang 6 Chương II: Ổn định điện áp HTĐ GVHD: TS.Trương Việt Anh kết. Tuy nhiên tất cả các sự cố trên đều có một quá trình chung đó là HTĐ đi từ trạng thái vận hành bình thường (có thể rất gần với giới hạn an ninh/ ổn định) đến mất ổn định và cuối cùng là chia tách, sụp đổ thành các hệ thống riêng biệt. Cơ chế chung đó chính là sự mất ổn định của HTĐ.
Ổn định điện áp 2.1 Các định nghĩa về ổn định điện áp Khái niệm 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. 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. Ổn định điện áp khi có kích động lớn: là khả năng của HTĐ vẫn còn duy trì được các giá trị điện áp ổn định sau khi có kích động lớn, chẳng hạn như 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, chẳng hạn như động cơ điện, ULTC (bộ chỉnh áp dưới tải của máy biến áp), và bộ hạn chế dòng kích từ của máy phát (OEL- bộ hạn chế trạng thái bị kích thích quá mức).
Ổn định điện áp khi có dao động 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 tăng. Dạng ổn định này chịu tác động bởi các đặc trưng của tải, các điều khiển mang tính chất liên tục, và các điều khiển rời rạc vào một điểm thời gian cho trước. Khái niệm này rất hữu ích khi xác định, vào thời điểm bất kỳ, cách thức mà điện áp trên hệ thống đáp ứng với các thay đổi hệ thống nhỏ. Với các giả thiết thích hợp, các phương trình của hệ thống có thể được tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc để phân tích và do đó cho phép tính toán được thông tin độ nhạy rất hữu ích trong việc nhận dạng các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp.
Tuy nhiên, quá trình tuyến tính hóa này không tính đến các ảnh hưởng phi tuyến, chẳng hạn như MBA với bộ điều áp dưới HVTH: Nguyễn Kha Ly Trang 7 Chương II: Ổn định điện áp HTĐ GVHD: TS.Trương Việt Anh tải, (bước điều chỉnh áp rời rạc, và trễ thời gian. Do đó, việc kết hợp các phân tích tuyến tính và phi tuyến thường được sử dụng để phối hợp với nhau.