CHƯƠNG 1 ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Đặc điểm của lưới điện truyền tải. Hệ thống truyền tải ngày nay là một mạng phức tạp. Đường dây truyền tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ thống điện. Các đường dây truyền tải điện phân bố công suất theo hướng đi mong muốn theo sự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất như yêu cầu.
Đặc điểm chính của hệ thống truyền tải ngày nay là có nhiều cấu trúc mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải trước đây là có nhiều cấu trúc hình tia, cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải. Việc truyền tải công suất ở trang thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố công suất song song hoặc mạch vòng. Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệ thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến đường dây bị quá tải dưới các vấn đề dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp. Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện.
Nó là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của các thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột ngột cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống điện và hậu quả của việc hư hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu loạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫu nhiên trở thành nhiệm vụ chính của khâu thiết kế và vân hành. Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định của hệ thống.
Trong chương này chúng ta sẽ quan tâm đến các vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm đến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định.2 Cơ sở kiến thức. HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 4 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt Trước khi nghiên cứu về cơ sở của việc điều khiển hệ thống điện và các giới hạn ổn định thì các chỉ số ảnh hưởng đến trào lưu công suất tác dụng và phản kháng trên hệ thống điện cần phải được thảo luận trước tiên. Việc chuyển đổi công suất giữa hai thanh cái liên quan đến các thông số sau: Điện áp thanh cái đầu nhận và đầu phát. Góc công suất giữa hai thanh cái.
Tổng trở nối tiếp giữa đường dây truyền tải giữa hai thanh cái. Chúng ta xem xét một hệ thống đơn giản hình tia thể hiện như hình 1. Đường dây truyền tải giữa thanh cái nhận và thanh cái phát được thể hiện bằng mô hình tương đương và bỏ qua điện trở của đường dây để đơn giản tính toán.1: Mô hình hệ thống hình tia hai thanh cái. Các phương trình mô tả giữa thanh cái phát và thanh cái nhận có dạng như sau: Công suất tại đầu phát : .1) Công suất tác dụng tại đầu nhận: .2) Công suất phản kháng tại đầu phát: .3) Công suất phản kháng tại đầu nhận: .4) HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 5 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt Từ phương trình (1.2) ta thấy rằng công suất tác dụng chuyển tải được xác định bởi điện áp đầu nhận và phát, trở kháng nối tiếp của đường dây và góc lệch pha giữa điện áp đầu nhận và điện áp đầu phát.
Thông thường trong hệ thống điện, góc công suất khác biệt giữa hai thanh cái là nhỏ ( nhỏ hơn 20 độ) phương trình chuyển tải công suất có thể rút gọn như sau [7]: .5) Trong ngắn hạn, công suất tác dụng chuyển đổi giữa hai thanh cái trong hệ thống điện tỷ lệ với góc lệch pha giữa hai thanh cái công suất đầu phát và đầu nhận là bằng nhau và sự tổn thất công suất trong hệ thống được bỏ qua. Phương trình chuyển đổi công suất phản kháng phức tạp hơn phương trình chuyển đổi công suất tác dụng như đã thấy từ phương trình (1. Tuy nhiên, để đơn giản chúng ta bỏ qua công suất điện dung trên đường dây. Như vậy, phương trình công suất phản kháng đơn giản là: .7) công suất phản kháng chuyển đổi giữa hai điểm được xác định bởi biên độ điện áp giữa hai thanh cái, điện kháng nối tiếp của đường dây và góc công suất giữa hai điểm.
Trong chế độ làm việc bình thường góc công suất giữa hai thanh cái nối với nhau thì nhỏ, vì vậy phương trình công suất phản kháng chuyển tải có thể được đơn giản thành: .9) Từ phương trình (1.9) công suất phản kháng chuyển tải giữa hai điểm được xác định bởi biên độ điện áp ở hai thanh cái và điện kháng nối tiếp của đường dây đó. HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 6 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt Từ phương trình (1.9), ở trạng thái tĩnh công suất phản kháng chạy từ nơi thanh cái có điện áp cao đến thanh cái có điện áp thấp. Tóm lại, công suất tác dụng truyền từ nơi có góc công suất cao sang nơi có góc công suất thấp trong khi công suất phản kháng truyền từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp.3 Điều khiển phân bố công suất. Truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể được gia tăng có thể được gia tăng bằng cách điều khiển trở kháng của đường dây và góc lệch pha giữa hai thanh cái.
Trong thực tế phương pháp cơ bản để gia tăng công suất truyền tải bằng cách bù Var nối tiếp, song song và điều chỉnh góc pha. Bù Var nối tiếp, bù Var song song là nguyên lý cơ bản của bù công suất phản kháng. Mục đích của bù công suất phản kháng là thay đổi đặc tính tự nhiên của đường dây truyền tải để làm cho nó có khả năng đáp ứng nhu cầu truyền tải công suất cao hơn đến phụ tải. Nguyên lý bù song song được ứng dụng để duy trì mức điện áp dưới các điều kiện khác nhau của hệ thống.
Bù nối tiếp được ứng dụng để thiết lập nên một đường dây ngắn ảo bằng cách giảm tổng trở tính cảm của đường dây. Điều chỉnh góc pha được ứng dụng để điều khiển góc pha của đường dây. Bằng cách điều khiển tổng trở và góc pha có thể thực hiện được việc điều khiển công suất.4 Giới hạn ổn định của hệ thống. Hệ thống vận hành với các giới hạn truyền tải công suất.
Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này được chia thanh ba dạng: Giới hạn nhiệt, Giới hạn điện áp, Giới hạn ổn định.1Giới hạn nhiệt. Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị trong hệ thống điện. Ngay công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏng quá nhiệt.
Ví dụ trong nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ở chế độ vận HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 7 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt. Cả công suất tác dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện. Ngoài ra trong hệ thống điện, các đường dây truyền tải và các thiết bị liên quan cũng vận hành với các giới hạn nhiệt. Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng.
Không giống như đường dây trên không, cáp ngầm và máy biến áp phải phụ thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là không khí làm mát lượng nhiệt năng phát ra. Các thiết bị này được hạn chế dòng điện để chúng mang tải một cách an toàn. Đối với hai thiết bị này quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do làm giảm cách điện.2 Giới hạn điện áp. Các thiết bị của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở công suất và điện áp định mức.
Phần lớn sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng. Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong muốn. Điện áp rơi là nguyê nhân chính gây nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ thống.
Nếu công suất phát ra từ máy phát điện hoặc nguồn phát không đáp ứng đủ cho phụ tải thì điện áp sẽ giảm. Hệ thống yêu cầu hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định theo giới hạn truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủ để hỗ trợ điện áp.
HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 8 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt 1.3 Giới hạn ổn định. Ổn định hệ thống là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng sau tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định của hệ thống điện được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành. Thông thường ổn định hệ thống là việc duy trì các máy phát đồng bộ hoạt động đồng bộ với nhau.
Ổn định trong hệ thống điện được chia thành hai loại: ổn định góc δ và ổn định điện áp.2 (a) Hệ thống điện (b) Đường cong công suất - góc Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm hai nguồn và hai đường dây song song với nhau. Từ phương trình (1.2), công suất tác dụng truyền tải giữa hai HVTH: Phan Thái Tồn - Trang 9 - Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt thanh cái phụ thuộc vào góc δ. Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1-2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra điểm ngắn mạch bị cô lập. Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm a với góc công suất ban đầu là δ0 thì xảy ra ngắn mạch làm đường cong công suất của hệ thống bị giảm thấp đột ngột do tổng trở của đường dây tăng lên hệ thống bảo vệ rơle cắt ở điểm c.