CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Ổn định điện áp (ÔĐĐA) không phải là vấn đề mới của ngành công nghiệp điện năng nhưng vẫn nhận được rất nhiều sự quan tâm, nghiên cứu trong nhiều thập kỷ trở lại đây. Các vấn đề liên quan đến điện áp thường xảy ra trong các hệ thống điện yếu và những đường dây dài do sự tăng cao của nhu cầu phụ tải. Nhiều công trình nghiên cứu đã và đang trình bày về sự quan trọng của ÔĐĐA, một vài trường hợp mất ÔĐĐA dẫn đến hệ thống điện lớn bị sụp đổ xảy ra trên thế giới cho thấy hậu quả rất nghiêm trọng của loại sự cố này. Các hệ thống điện (HTĐ) lớn ngày nay thường phải vận hành ở những chế độ nặng nề, nên vấn đề đảm bảo ÔĐĐA 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 hoặc khi xảy ra sự cố 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: - Có rất nhiều định nghĩa về ổn định điện áp của các nhà khoa học và các tổ chức nghiên cứu trên thế giới.
Nhưng tựu chung lại các định nghĩa đều cho rằng ổn định điện áp là khả năng hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải. - Đối với mỗi hệ thống điện của mỗi quốc gia khác nhau việc duy trì điện áp ở mức chấp nhận được sẽ khác nhau dựa vào quy định và kinh nghiệm vận hành của từng quốc gia. Ổn định điện áp tĩnh (Static voltage stability): - Ổn định điện áp tĩnh là khả năng hệ thống có thể kiểm soát được điện áp tại các nút nếu có các kích động lớn như sự biến thiên (tăng thêm) của hệ thống phụ tải. Tình trạng HVTH: VƯƠNG HOÀNG THANH 3 LUẬN VĂN THẠC SĨ ổn định này được xác định thông qua đặc tính phụ tải, điều khiển liên tục hay rời rạc trong các khoảng thời gian ngắn.
Trạng thái ổn định ban đầu khi hệ thống vận hành là yếu tố chính góp phần làm cho hệ thống mất ổn định khi có các kích động bé. Vì thế, phương pháp phân tích tĩnh có tác dụng xác định giới hạn ổn định, các yếu tố ảnh hưởng đến mất ổn định hệ thống trong trạng thái vận hành ban đầu. - Tiêu chuẩn đánh giá ổn định điện áp tĩnh là tại điều kiện vận hành ban đầu của các nút trong hệ thống, biên độ điện áp nút tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào chính nút đó tăng lên. Hệ thống là không ổn định nếu biên độ điện áp nút giảm đi khi tăng công suất phản kháng bơm vào nút.
Nói cách khác, hệ thống ổn định tĩnh nếu độ nhạy >0 là dương tại tất cả các nút và không ổn định nếu độ nhạy < 0 là âm tại nút bất kỳ trong hệ thống. 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. 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 ổn định với điểm vận hành ổn định cũ 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 thay đổi liên tục) 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. HVTH: VƯƠNG HOÀNG THANH 4 LUẬN VĂN THẠC SĨ Quá trình mất ÔĐĐA được chia thành 3 giai đoạn tùy vào mức độ nghiêm trọng mà diễn ra trong vòng từ vài giây đến vài phút như sau: a.
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 – Ví dụ: SVC, HVDC), quá trình này diễn ra trong vài giây; b. Các thiết bị đóng cắt như các đầu phân áp của MBA điều áp dưới tải và các bộ giới hạn kích từ tác động trong vài chục giây; c. Quá trình khôi phục phụ tải diễn ra trong vài phút; Khi phân tích ÔĐĐA, giai đoạn (1) được gọi là giai đoạn quá độ, giai đoạn (2) và (3) được gọi là giai đoạn dài hạn.1 mô tả hiện tượng ÔĐĐA theo các giai đoạn ở trên: Máy phát, bộ điều chỉnh, SVC, Các thay đổi nhanh – HVDC, động cơ cảm ứng,… thời gian ngắn Tự khôi phục các phụ tải, AGC, đầu phân áp, 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 ÔĐĐA thường xảy ra với các HTĐ nặng tải (HTĐ phải vận hành 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. Từ đó ta có thể thấy, hiện tượng này tuy chỉ liên quan đến một khu vực trong hệ thống nhưng hậu quả của nó làm ảnh hưởng đến toàn bộ 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 HVTH: VƯƠNG HOÀNG THANH 5 LUẬN VĂN THẠC SĨ đoạn 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 do giới hạn về phát và truyền tải CSPK. Các giới hạn về 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 dẫn đến giảm công suất truyền tải. Các nguyên nhân gây mất ổn định điện áp 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 của mất ổn định điện áp Mất ÔĐĐA gây tác động trực tiếp đến các phụ tải. Với các nhà máy công nghiệp, mất ÔĐĐA 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 ÔĐĐA còn gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống xã hội, các vấn đề sinh hoạt, giao thông không đảm bảo, làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện sinh hoạt,… 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 trên thế giới và tại Việt Nam: HVTH: VƯƠNG HOÀNG THANH 6 LUẬN VĂN THẠC SĨ Sự cố mất điện trên diện rộng tại Mỹ ngày 9/11/1965: do nhân viên bảo trì đặt mức điện áp ngắt cầu chì trên hệ thống truyền tải đường dây 230kV quá thấp, lại đúng vào thời tiết lạnh, nhu cầu điện sưởi lên cao dẫn đến cầu chì bị ngắt làm mất điện toàn lộ đường dây này. Điện năng được khai thác từ nhà máy thủy điện thác Niagra dồn về các lộ đường dây khác lớn làm quá tải hệ thống dẫn đến sụp đổ điện áp gây mất điện trên diện rộng.
Các vùng bị ảnh hưởng kéo dài từ bang Connecticut, Massachusetts, New Hampshire, Rhode Island, Vermont, New York và New Jersey ở Mỹ sang bang Ontario ở Canada với 30 triệu người dân bị mất điện. Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp: Từ 7 giờ đến 8 giờ phụ tải tăng nhanh đến 4600MW vượt mức bình thường là 1600MW, trong lúc HTĐ đang phải nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh. Điều này khiến điện áp giảm mạnh trong khoảng thời gian từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các MBA trên lưới cao áp (EHV/HV). Sau đó khiến điện áp trên lưới truyền tải giảm từ 400kV xuống còn khoảng 342kV-374kV, dòng tăng lên khiến bảo vệ quá dòng tác động cắt thêm một số đường dây quan trọng.
Tổng hợp các yếu tố trên dẫn đến sự cố (tan rã HTĐ) mất điện trên diện rộng. Hậu quả là tổng năng lượng không truyền tải được là 100GW, lượng tải bị cắt là 29GW và thiệt hại dự tính khoảng 200-300 triệu USD.