Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 1. Chế độ của hệ thống điện: Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện. Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức.
Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau sự cố). Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục. Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thống điện.
Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn). Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến tới chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số của hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi.
Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ khi đó gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện. Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0.
Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột 12 Đại học Bách Khoa Hà Nội ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm mất cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột. Chế độ xác lập tương ứng bị dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc làm thay đổi góc lệch roto. Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau những kích động lớn. Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị cắt ra đột ngột.1 Công suất PT được coi là không đổi.
Công suất điện từ của máy phát phụ R R thuộc vào góc lệch điện áp δ. 13 Đại học Bách Khoa Hà Nội E.sinδ=Pm sinδ (1.1) XH Trong đó XH = X F + XB + X D/2 R R R R R R R R Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ PT của R R tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1). Hệ thống làm việc tại điểm cân bằng a. Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống XH R R tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2).
Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’ 01 (điểm cân R R bằng ổn định tĩnh). Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’01 là chế độ quá độ, diễn ra theo R R R R đặc tính động của hệ thống. Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’01 R R hoặc không, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy phát chuyển từ a → b.
Công suất điện từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh R R lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c. Đến thời điểm góc lệch bằng δ’01 thì tương quan công suất trở nên cân bằng. Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng R R do quán tính. Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là là động năng tích lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm, điểm làm việc tiếp tục chuyển từ c→d.
Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δmax động năng bị R R giải phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng nữa – thời điểm góc lệch cực đại. Sau thời điểm này, không còn động năng mà P(δ)>PT (momen hãm lớn hơn momen R R phát động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d về c. Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b. Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao động của góc lệch δ.
Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ’01 của chế độ xác lập mới. Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường R RP P hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động. Phần diện tích giới hạn giữa dặc tính PT và P(δ). Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượng R R tích lũy trong roto và năng lượng hãm.
Trong khoảng góc lệch δ01 → δ’ 01 là năng R R R R lượng tăng tốc ứng với quá trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’01 R R 14 Đại học Bách Khoa Hà Nội → δ max là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích R R lũy. Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài) đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn. Trong trường hợp này, khi góc lệch δ tăng nó không dừng lại ở trị số δmax trước khi tiến tới điểm δ’ 02. Sau khi vượt qua δ’02 tương quan công R R R R suất lại đổi chiều PT > P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng.
Dễ thấy tương quan P T > R R R R P(δ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy phát. Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, lên trị số rất lớn. Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động. Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong hình 1.
15 Đại học Bách Khoa Hà Nội Hình 1.2 Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát. Trong trường hợp này đặc tính công suất phản kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp U sẽ giao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của sự cố - cắt ít hay nhiều công suất của máy phát. Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống. Chẳng hạn đặc tính công suất phát QF bị giảm xuống quá thấp, không cắt đặc tính Qt.
Trong các trường hợp như R R R R vậy hiển nhiên quá trình quá độ không ổn định vì không có điểm cân bằng. Nói khác đi sự tồn tại chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định động. Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này không hoàn toàn tương đương nhau. Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn định động như sau đối với hệ thống điện Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép) 1.
Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ Khi hệ thống rơi vào 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 làm mất những lượng công suất lớn. - Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ. - Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các phụ tải. Hậu quả kéo theo: - Bảo vệ rơle tác động nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.
- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống. Quá trình phục hồi có thể làm ngừng cung 16 Đại học Bách Khoa Hà Nội cấp điện trong những thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các máy phát. Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định: - Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố. - Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc bình thường với các biến đổi thường xuyên các thông số chế độ.
- Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao thác vận hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng). Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện. Ngoài ra, còn hàng loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo.