Báo cáo đồ án 2: Tìm hiểu phần mềm PSS/E - ĐH Bách Khoa TPHCM

Tài liệu báo cáo đồ án tìm hiểu phần mềm PSS/E. Hướng dẫn mô phỏng mạng điện, phân tích ổn định động và các phần tử trong hệ thống điện.

• Tác giả: Phạm Đăng Khoa
• Người hướng dẫn: Nguyễn Phúc Khải
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hệ Thống Điện
• Đề tài: Tìm Hiểu Phần Mềm PSS/E: Hướng Dẫn Mô Phỏng Hệ Thống Điện
• Loại tài liệu: Báo Cáo Đồ Án
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về phần mềm PSS E và tầm quan trọng trong mô phỏng hệ thống điện

Phần mềm PSS/E (Power System Simulator for Engineering) là một công cụ mô phỏng hệ thống điện được sử dụng rộng rãi trong ngành điện lực. Với khả năng mô phỏng mạnh mẽ và kết quả trực quan, PSS/E hỗ trợ các kỹ sư phân tích tính ổn định của lưới truyền tải một cách thuận tiện. Phần mềm này cung cấp đầy đủ công cụ để mô phỏng các phần tử trong mạng điện, từ máy phát điện, máy biến áp, đường dây đến các tải. Mô phỏng hệ thống điện bằng PSS/E giúp người dùng hiểu rõ hơn về hành vi động của hệ thống, đặc biệt là trong các tình huống sự cố hoặc nhiễu loạn. Đây là công cụ không thể thiếu trong đào tạo kỹ sư điện và nghiên cứu khoa học.

1.1. Khái niệm cơ bản về PSS E

PSS/E là phần mềm chuyên dụng cho phân tích hệ thống điện, được phát triển bởi Siemens. Nó cho phép người dùng xây dựng mô hình chi tiết của các hệ thống điện phức tạp và thực hiện các phép tính toán ổn định. Giao diện thân thiện và các công cụ tính toán mạnh mẽ làm cho PSS/E trở thành lựa chọn hàng đầu của các nhà điều hành lưới điện và các nhà nghiên cứu.

1.2. Ứng dụng thực tế của PSS E trong ngành điện lực

Trong thực tế, mô phỏng PSS/E được ứng dụng để phân tích ổn định tĩnh, ổn định động, và ổn định quá độ của hệ thống. Các nhà vận hành lưới điện sử dụng PSS/E để dự báo các vấn đề tiềm ẩn, thiết kế các biện pháp bảo vệ hệ thống, và tối ưu hóa vận hành lưới điện an toàn.

II. Các chế độ làm việc và khái niệm ổn định hệ thống điện trong PSS E

Hệ thống điện hoạt động dưới hai chế độ chính: chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ). Chế độ xác lập là trạng thái hệ thống làm việc với các thông số ổn định trong một khoảng thời gian dài, chia thành CĐXL bình thường và CĐXL sau sự cố. Chế độ quá độ là các chế độ trung gian khi hệ thống chuyển từ một trạng thái ổn định sang trạng thái khác, thường xuất hiện sau sự cố hoặc các thao tác đóng cắt. Ổn định hệ thống điện được định nghĩa là khả năng của hệ thống quay trở về trạng thái cân bằng ban đầu sau khi bị tác động bởi các nhiễu loạn. PSS/E cho phép phân tích chi tiết các chế độ này thông qua mô phỏng động.

2.1. Chế độ xác lập và chế độ quá độ

Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ làm việc bình thường của hệ thống với các thông số không thay đổi hoặc có biến động rất nhỏ. Chế độ quá độ (CĐQĐ) là các chế độ trung gian xuất hiện sau sự cố, nơi hệ thống cần phải phục hồi để trở về CĐXL mới. Mô phỏng PSS/E có thể phân tích chi tiết cả hai chế độ này.

2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện

Ổn định hệ thống được chia thành ổn định tĩnh (Static Stability) - khả năng quay lại cân bằng dưới tác động nhỏ, và ổn định động (Dynamic Stability) - khả năng phục hồi dưới tác động lớn. PSS/E hỗ trợ phân tích cả hai loại ổn định này để đảm bảo an toàn vận hành lưới điện.

III. Các mô hình động của phần tử trong hệ thống điện được sử dụng trong PSS E

Mô hình động là biểu diễn toán học của các phần tử hệ thống điện, cho phép mô phỏng hành vi của chúng trong quá trình quá độ. Các phần tử chính bao gồm máy phát điện đồng bộ, hệ thống kích từ, bộ điều tốc (Governor), bộ ổn định PSS (Power System Stabilizer), máy biến áp, đường dây, và tải điện. Mỗi phần tử có mô hình toán riêng được tích hợp sẵn trong PSS/E. Máy phát được mô hình hóa thông qua các phương trình điện áp và phương trình chuyển động của rotor. Hệ thống kích từ giúp điều chỉnh điện áp máy phát nhằm duy trì ổn định. Bộ điều tốc kiểm soát tốc độ tuabin. Mô hình động PSS/E cho phép người dùng chọn các mô hình phù hợp với từng loại thiết bị cụ thể.

3.1. Mô hình máy phát điện đồng bộ

Máy phát điện đồng bộ là thiết bị chính trong hệ thống điện. Mô hình của nó bao gồm phương trình điện áp mô tả quan hệ giữa dòng điện, điện áp và các độc tự cảm, cùng phương trình chuyển động mô tả hành vi của rotor. Sử dụng phép biến đổi dq0, PSS/E chuyển đổi các đại lượng xoay chiều thành đại lượng tĩnh để dễ dàng mô phỏng.

3.2. Hệ thống kích từ bộ điều tốc và bộ ổn định PSS

Hệ thống kích từ điều chỉnh dòng từ trường của máy phát để ổn định điện áp. Bộ điều tốc kiểm soát công suất cơ học của tuabin, do đó ảnh hưởng đến tần số hệ thống. Bộ ổn định PSS (PSS1A, PSS2B, PSS3B) giảm dao động công suất bằng cách tác động đến hệ thống kích từ, nâng cao ổn định động của hệ thống.

IV. Hướng dẫn mô phỏng và cài đặt sự cố trong PSS E

Mô phỏng hệ thống điện trong PSS/E bao gồm các bước chính: xây dựng mô hình mạng điện, nhập thông số các phần tử, khảo sát phân bố công suất (load flow), chuyển thông số để phân tích ổn định động, chuẩn bị thông số động của máy phát, tạo thông số đầu ra mong muốn, thiết lập sự cố, và chạy mô phỏng ổn định động. Các sự cố phổ biến bao gồm đứt đường dây, ngắn mạch, mất một máy phát hoặc tải. Cài đặt sự cố trong PSS/E rất linh hoạt, cho phép người dùng định nghĩa thời gian xảy ra sự cố, loại sự cố, và vị trí sự cố. Kết quả mô phỏng được trình bày dưới dạng đồ thị thời gian cho các đại lượng như góc rotor, tốc độ, điện áp, tần số, giúp người dùng đánh giá tính ổn định của hệ thống sau sự cố.

4.1. Các bước cơ bản để xây dựng mô hình mạng điện trong PSS E

Bước 1: Khởi tạo dự án mới trong PSS/E. Bước 2: Nhập dữ liệu mạng điện (nodes, đường dây, máy phát, tải). Bước 3: Thiết lập thông số cho từng phần tử. Bước 4: Chạy phân bố công suất để kiểm tra tính hợp lệ của mô hình. Bước 5: Chuyển đổi thành mode phân tích ổn định động và nhập thông số động các máy.

4.2. Tạo và chạy mô phỏng sự cố

Sau khi xây dựng mô hình hoàn chỉnh, người dùng tạo sự cố bằng cách chỉ định loại sự cố, vị trí, và thời gian xảy ra. Chạy mô phỏng ổn định động sẽ cho thấy hành vi của hệ thống trong 10-20 giây sau sự cố. Kết quả được hiển thị dưới dạng đồ thị thời gian cho các đại lượng quan trọng, giúp đánh giá xem hệ thống có ổn định hay không.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN Các chế độ làm việc của hệ thống điện Chế độ làm việc của hệ thống điện được chia ra làm hai loại cơ bản: chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ). Chế độ xác lập là chế độ mà ở trạng thái đó hệ thống làm việc với các thông số không thay đổi hoặc chỉ có những nhiễu loạn rất nhỏ xung quanh các trị số xác định trong một khoảng thời gian tương đối ngắn. Chế độ làm việc bình thường và lâu dài của hệ thống điện gọi là CĐXL bình thường. Chế độ mà hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời sau sự cố gọi là CĐXL sau sự cố.

Ở các CĐXL sau sự cố, các thông số ít thay đổi nhưng có thể bị sai lệch khỏi các trị số xác định ban đầu khá nhiều do đó cần phải được khắc phục một cách nhanh chóng. Chế độ quá độ là các chế độ trung gian trong quá trình hệ thống chuyển tiếp từ CĐXL này sang CĐXL khác. CĐQĐ thường xuất hiện sau những sự cố nghiêm trọng hoặc thao tác đóng cắt các phần tử mang công suất lớn của hệ thống. CĐQĐ được gọi là CĐQĐ bình thường nếu sau đó hệ thống tiến đến một CĐXL mới.

Lúc này, các thông số của hệ thống có thay đổi nhưng sau đó lại trở về trị số gần với định mức và sau đó ít bị dao động. Ngược lại, nếu các thông số hệ thống thay đổi lớn và sau đó tăng đến vô cùng hoặc giảm về 0 thì CĐQĐ khi đó của hệ thống được gọi là CĐQĐ sự cố. Nói tóm lại, yêu cầu quan trọng nhất đối với mọi hệ thống điện là phải đảm bảo sao cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, và nhanh chóng đạt được trạng thái CĐXL mới, bởi vì CĐQĐ chỉ là một quá trình biến đổi trung gian tạm thời còn CĐXL mới là trạng thái làm việc cơ bản của hệ thống điện. 1 Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện 1.1 Giới thiệu về ổn định Ổn định hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với sự an toàn của hoạt động hệ thống từ những năm 1920.

Nhiều sự cố mất điện chủ yếu gây ra bởi sự mất ổn định hệ thống điện đã minh họa cho tầm quan trọng của hiện tượng này. Trong lịch sử, sự mất ổn định quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế trên hầu hết các hệ thống, và đã trở thành tiêu điểm của sự chú ý của ngành công nghiệp liên quan đến sự ổn định hệ thống. Khi các hệ thống điện đã phát triển thông qua sự tăng trưởng liên tục trong các mối liên kết, sử dụng công nghệ mới và điều khiển, các hoạt động tăng lên trong điều kiện căng thẳng cao, những hình thức khác nhau của hệ thống không ổn định đã xuất hiện. Ví dụ, ổn định điện áp, ổn định tần số và ổn định góc rotor đã trở thành mối quan tâm lớn hơn trong quá khứ.

Điều này đã tạo ra một nhu cầu để xem xét các định nghĩa và phân loại ổn định hệ thống điện. Một sự hiểu biết rõ ràng về các loại khác nhau của sự mất ổn định và làm thế nào chúng có mối quan hệ với nhau là điều cần thiết cho việc thiết kế và hoạt động đạt yêu cầu của hệ thống điện. Đồng thời, thống nhất sử dụng thuật ngữ là cần thiết cho việc phát triển thiết kế hệ thống, tiêu chí hoạt động, công cụ phân tích tiêu chuẩn, và thủ tục nghiên cứu. Ổn định hệ thống điện tương tự như ổn định của bất kỳ hệ thống động nào, và có nền tảng toán học cơ bản.

Định nghĩa chính xác của sự ổn định có thể được tìm thấy trong các tài liệu với lý thuyết toán học chặt chẽ của ổn định hệ thống động. Mục đích chính ở đây là để cung cấp một định nghĩa về động lực vật lý của ổn định hệ thống điện mà trong điều kiện rộng rãi phù hợp với các định nghĩa toán học chính xác.2 Khái niệm về ổn định Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến tính hoạt động trong một môi trường thay đổi liên tục, tải và đầu ra của máy phát và các thông số hoạt động quan trọng thay đổi liên tục. Khi phải chịu một nhiễu, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào điều kiện ban đầu cũng như bản chất của nhiễu. 2 Ổn định là điều kiện cân bằng giữa các lực ngược chiều nhau.

Các máy phát đồng bộ duy trì đồng bộ với nhau theo một cơ chế nhất định là thông qua các lực hồi phục, lực này tác động bất cứ khi nào có các lực có khuynh hướng tăng tốc hoặc giảm tốc một hoặc nhiều máy phát so với các máy phát khác trong hệ thống. Ở trạng thái xác lập, có sự cân bằng giữa moment cơ đầu vào và moment điện đầu ra của mỗi máy phát, và do đó tốc độ được duy trì không đổi. Sự ổn định của một hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường. Trong trạng thái cân bằng đó, sự ảnh hưởng của các nhiễu loạn khác nhau tồn tại trong hệ thống có thể tác động đến hệ thống, tuy nhiên hệ thống vẫn duy trì được trạng thái làm việc và đạt đến trạng thái cân bằng mới xung quanh các thông số xác định với một sai số có thể chấp nhận được.

Hệ thống điện thường xuyên phải chịu một loạt các nhiễu bé và lớn, ta gọi đó là trạng thái mà hệ thống đang ở trong CĐQĐ. Nhiễu bé là một trong các tình huống mà công suất của tải thay đổi liên tục, hệ thống phải có khả năng thích nghi với điều kiện thay đổi và hoạt động một cách ổn định. Ngoài ra, cũng có thể tồn tại nhiều nhiễu có tính chất nghiêm trọng, gọi là nhiễu lớn, như một sự cố ngắn mạch trên đường dây; sự cố dẫn đến việc cắt một số lượng lớn máy phát hoặc tải lớn; hoặc mất đường dây nối giữa hai hệ thống con. Một nhiễu lớn có thể dẩn đến những thay đổi về cấu trúc của hệ thống do nó có thể dẫn đến sự cách ly, cô lập các thành phần sự cố.

Tại một trạng thái cân bằng, một hệ thống có thể ổn định đối với một nhiễu tổng thể nhất định và không ổn định đối với những cái khác. Sẽ là phi thực tế và phi kinh tế nếu muốn thiết kế hệ thống ổn định cho mỗi tình huống nhiễu có thể xảy ra. Các thiết kế dự phòng đối với một số tình huống nhiễu nhất định được lực chọn trên cơ sở tình huống đó có một xác suất xảy ra tương đối cao. Do đó, sự ổn định nhiễu lớn luôn đề cập đến một vài kịch bản nhiễu được quy định.3 Phân loại ổn định Có rất nhiều cách phân loại khác nhau về ổn định hệ thống điện dẫn đến việc tồn tại những tên gọi khác nhau.

Ví dụ, nếu phân loại theo thông số thay đổi gây ra mất ổn định 3 hệ thống: ổn định điện áp, ổn định góc rotor máy phát, ổn định tần số; theo tính chất của tác nhân: ổn định với nhiễu lớn, ổn định với nhiễu bé; theo thời gian khảo sát: ổn định ngắn hạn, trung hạn, dài hạn,… Hình 1.1 Phân loại ổn định HTĐ. Tuy nhiên, cách phân chia ra ổn định tĩnh và ổn định động (tương ứng với nhiễu bé và nhiễu lớn) có ý nghĩa quan trọng và được dùng rộng rãi hơn cả do có sự khác biệt cơ bản trong phương pháp nghiên cứu và phân tích.2 Phân loại ổn định HTĐ theo ổn định tĩnh và ổn định động. Chúng ta đã phân loại sự ổn định của hệ thống điện để thuận lợi trong việc xác định nguyên nhân của sự mất ổn định, ứng dụng các công cụ phân tích thích hợp, và phát triển các biện pháp khắc phục trong bất cứ trường hợp nào. Tuy nhiên, bất kỳ sự mất ổn định nào đều có thể xảy ra không hoàn toàn giống như các trường hợp ta đã đề cập.

Điều này rất đúng trong hệ thống công suất lớn và gây ra hậu quả là thiệt hại hệ thống. Tuy nhiên, phân biệt giữa các hình thức mất ổn định khác nhau rất quan trọng, từ đó nắm rõ các nguyên nhân cơ bản để xây dựng và thiết kế các phương thức hoạt động thích hợp. Phân loại ổn định hệ thống điện rất thuận tiện và hiệu quả để giải quyết các vấn đề phức tạp, sự ổn định tổng thể của hệ thống luôn luôn phải được chú ý tới. Nó là yếu tố cần thiết để tìm ra tất cả các khía cạnh của hiện tượng ổn định, và mỗi khía cạnh tìm ra nhiều hơn một quan điểm.

5 GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG Ổn định tĩnh Ổn định tĩnh hay còn gọi là ổn định tín hiệu bé (hoặc nhiễu bé, small-signal stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu bé. Nhiễu được xem là nhiễu bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể được tuyến tính hoá xung quanh điểm làm việc cho mục đích giải tích. Tín hiệu nhiễu bé thường xuyên xảy ra nhất là đóng cắt đột ngột làm thay đổi công suất phụ tải của hệ thống. Mất ổn định tín hiệu bé có hai dạng chính: - Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu moment đồng bộ, dẫn đến mất ổn định dưới dạng không chu kỳ (Non-oscillatory Instability).

- Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu moment cản, , dẫn đến mất ổn định dạng dao động (Oscillatory Instability). Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu bé phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và loại hệ thống kích thích được sử dụng cho máy phát. Ổn định động Ổn định động hay còn gọi là ổn định quá độ (hoặc ổn định tín hiệu lớn, transient stability) là khả năng của hệ thống điện duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu quá độ nghiêm trọng như sự cố trên hệ thống truyền tải, mất máy phát hoặc mất phụ tải lớn. Đáp ứng của hệ thống điện đối với các nhiễu như vậy liên quan đến dao động lớn của góc rotor máy phát, dòng công suất, điện áp nút và các biến hệ thống khác.

Ổn định phụ thuộc vào cả chế độ làm việc ban đầu của hệ thống lẫn mức độ nghiêm trọng của nhiễu.