(Luận văn thạc sĩ hcmute) ổn định hệ thống điện cho hệ nhiều máy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.18 MB, 114 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG QUỲNH
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CHO HỆ NHIỀU MÁY
S
K
C
0
0
3
9
5
9
NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
S KC 0 0 3 9 3 2
Tp. Hồ Chí Minh, 2012
Luan van
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG QUỲNH
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CHO HỆ NHIỀU MÁY
NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 1/2013
Luan van
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THỊ PHƯƠNG QUỲNH
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CHO HỆ NHIỀU MÁY
NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 1/2013
Luan van
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN THỊ PHƢƠNG QUỲNH
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 14-12-1985
Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh
Quê quán: TP. Hồ Chí Minh
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 99F, Đƣờng 379, P. Tăng Nhơn Phú A, Quận 9
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng: 0973432949
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ: 09/2004 đến 05/2009
Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ Thuật Điện-Điện Tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Điều khiển lập trình nâng cao, Thiết kế hệ thống
điện, Quản lý dự án.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 03/2009, tại Đại Học Sƣ Phạm Kỹ
Thuật TP Hồ Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn:
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Nơi công tác
Thời gian
Từ 5/2009 đến
nay
Công việc đảm nhiệm
Trƣờng Cao Đẳng Nghề Kỹ Thuật Công
Nghệ TPHCM
i
Luan van
Giảng viên
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
Họ và tên
Nguyễn Thị Phƣơng Quỳnh
ii
Luan van
LỜI CẢM TẠ
Lời đầu tiên, tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tất cả thầy
cô giáo trong Khoa Điện – Điện Tử , Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM
đã truyền đạt cho tác giả những kinh nghiệm và kiến thức thật sự hết sức quý báu
trong thời gian học tập tại trƣờng.
Đặc biệt xin chân thành cám ơn thầy PGS TS. Quyền Huy Ánh, ngƣời đã trực
tiếp hƣớng dẫn tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này.
Xin đƣợc gởi lời cám ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và ngƣời thân, những
ngƣời đã giúp đỡ và động viên tác giả về tinh thần cũng nhƣ vật chất trong suốt thời
gian thực hiện luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn, do thời gian và
kinh nghiệm có hạn nên chắc chắn sẽ khơng tránh đƣợc những thiếu xót, rất mong
đƣợc sự quan tâm đóng góp của thầy cơ và các bạn bè, anh chị để luận văn đƣợc
hoàn chỉnh hơn. Mọi đóng góp về luận văn xin gởi qua địa chỉ email
Xin chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2013
Học viên thực hiện
Nguyễn Thị Phƣơng Quỳnh
iii
Luan van
TÓM TẮT
Hệ thống điện Việt Nam trong những năm qua đã có những bƣớc phát triển
nhảy vọt về cơng suất và quy mô lãnh thổ. Ngành công nghiệp hệ thống điện là một
lĩnh vực có sự thay đổi liên tục và ngày càng trở nên phức tạp hơn khi chúng liên
kết với nhau. Do đó, vấn đề đặt ra là phải đảm bảo sự ổn định cho toàn hệ thống
điện. Chính vì vậy, việc nghiên cứu để tìm ra phƣơng pháp đánh giá ổn định nhanh
và chính xác thực sự trở nên cần thiết đối với hệ thống điện Việt Nam.
Mục đích của đề tài này là khảo sát và đánh giá tính ổn định hệ thống điện
cho hệ nhiều máy phát bằng phƣơng pháp mô phỏng
Để đạt đƣợc mục đích này ngƣời nghiên cứu tiến hành các cơng việc:
- Xây dựng phƣơng pháp đánh giá ổn định hệ thống điện.
- Xây dựng chƣơng trình tính tốn phân bố cơng suất trong hệ thống điện cho
hệ nhiều máy bằng phần mềm Matlab
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng bằng ngơn ngữ lập trình m.file có trong phần
mềm Matlab.
- Mơ phỏng và đánh giá các kết quả đạt đƣợc từ việc đánh giá tính ổn định
trong hệ thống điện 9 nút và 3 máy phát.
Những kết quả mà đề tài đạt đƣợc đó là:
- Phƣơng pháp đánh giá tính ổn định hệ thống điện
- Công cụ đánh giá ổn định hệ thống 9 nút và 3 máy phát
Có thể kết luận rằng, phƣơng pháp và cơng cụ đánh giá tính ổn định hệ thống
điện cho hệ nhiều máy bằng phƣơng pháp mơ phỏng đã góp phần vào việc nghiên
cứu tìm ra một phƣơng pháp đánh giá chính xác, nhanh chóng và trực quan để có
thể ứng dụng vào thực tiễn đối với hệ thống điện Việt Nam.
iv
Luan van
ABSTRACT
Vietnam's power system in recent years has seen dramatic development in
power and territorial size. Industrial power system is a field with constantly
changing and becoming more complex as they relate to each other. Therefore, the
problem posed is to ensure the stability of the entire electrical system. Therefore,
the research to find methods to evaluate stability quickly and accurately becomes
really necessary for Vietnam's power system.
The purpose of thesis is set up the method and tools to evaluate the dynamic
stability of power system by simulation.
To get this objective, the researcher have to carry out following steps:
-
Set up the method to evaluate the dynamic stability of power system.
-
Set up the calculated equations to distribute the power of power system
with many generators by Matlab software.
-
Set up the simulation model by programming language m.file in Matlab
software.
-
Simulation and accessing the result from 9 bus, 3 generators.
The result of thesis reached:
-
The new method to evaluate dynamic stability of power system.
-
Tools to evaluate the dynamic stability of 9 bus, 3 generators system.
It could be said that the algorithm and tools to evaluate the dynamic stability
of power system through simulation method is contributed to find the method which
has accurately, quickly and visually. This new method is able to apply in the power
system in Vietnam.
v
Luan van
MỤC LỤC
Trang tựa
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học .............................................................................................. i
Lời cam đoan ................................................................................................. ii
Lời cảm tạ ..................................................................................................... iii
Tóm tắt .......................................................................................................... iv
Abstract………………………………………………………….…………….v
Mục lục ......................................................................................................... vi
Danh sách các hình........................................................................................ ix
Danh sách các bảng ...................................................................................... xii
Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu ............................................................. 1
1.1.1 Kết quả nghiên cứu trong nƣớc ........................................................ 4
1.1.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc ........................................................ 4
1.2 Mục đích của đề tài ................................................................................... 5
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài ....................................................... 5
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài ......................................................................... 5
1.3.2 Giới hạn đề tài.................................................................................. 5
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................... 5
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Các chế độ hệ thống điện…………………………………………………..6
2.2 Các khái niệm về ổn định trong hệ thống điện………………………….....6
2.2.1 Ổn định tĩnh trong hệ thống điện…………………………………...7
2.2.2 Ổn định động trong hệ thống điện ..................................................11
2.3 Sơ lƣợc về ứng dụng các phƣơng pháp toán học nghiên cứu ổn định trong hệ
thống điện………………………………………………………………….......13
vi
Luan van
2.3.1 Phƣơng pháp phân tích và đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn năng
lƣợng …………………………………………………….…………..14
2.3.2 Phƣơng pháp phân tích và đánh giá ổn định theo Lyapunov ……....16
2.3.2.1 Phƣơng pháp trực tiếp (hay còn gọi là phƣơng pháp thứ hai
của Lyapunov)…… ………………………………………………...20
2.3.2.2 Phƣơng pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov (hay còn gọi là
phƣơng pháp thứ nhất của Lyapunov)…………………....…………22
2.4 Hậu quả của sự mất ổn định và các yêu cầu đảm bảo ổn định cho hệ thống
điện ……………………………..…………………………………………30
2.5 Kết luận ………………………..…………………………………………..31
Chƣơng 3: MƠ HÌNH TỐN
3.1 Các giả thuyết…………………..…………………………………………..33
3.2 Giải thuật phân tích và đánh giá ổn định hệ nhiều máy bằng phƣơng pháp
mô phỏng………………...…………………………………………………….34
3.2.1 Phƣơng pháp phân bố công suất bằng phép lặp Gauss – Seidel…....36
3.2.2 Phƣơng pháp phân bố công suất bằng phép lặp Newton – Grapson
..........................................................................................................................40
3.3 Thời gian cắt tới hạn..................................................................................50
3.4 Kết luận ....................................................................................................51
Chƣơng 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN
4.1 Cơng suất điện của mỗi máy phát……………………….………................52
4.1.1 Cơng suất điện của mỗi máy phát ngay tại thời điểm xảy ra sự
cố………………………………………………………………….………...52
4.1.2 Công suất điện của mỗi máy phát tại thời điểm sau khi sự cố xảy
ra……………………………………………………………….……...........53
4.2 Trạng thái của các máy phát………………………….……………………53
4.2.1 Trạng thái của các máy phát tại thời điểm sự cố xảy
ra………………………………………………………………….....53
vii
Luan van
4.2.2 Trạng
thái
của
các
máy
phát
sau
khi
sự
cố
xảy
ra………………………………………………………………….....56
4.2.3 Trạng thái của các máy phát trong toàn bộ q trình khi có sự cố xảy
ra…………………………………………………….…………........57
4.3 Kết luận.....................................................................................................57
Chƣơng 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
5.1 Hệ thống điện 3 máy – 9 nút………………………………………………58
5.1.1 Tính tốn thơng số đầu vào bằng phƣơng pháp giải tích……..……...60
5.1.2 Khảo sát và đánh giá ổn định hệ thống điện 3 máy – 9 nút………….63
Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
6.1 Tổng kết ……………………..……………………………………………83
6.2 Những mặt còn tồn tại và hƣớng phát triển cho đề tài……………………84
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
viii
Luan van
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 2.1: Sơ đồ một hệ thống điện đơn giản ........................................................... 7
Hình 2.2: Đặc tính cơng suất điện từ của máy phát và đặc tính cơng suất cơ của
tuabin ..................................................................................................................... 7
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điện xét nút phụ tải và tƣơng quan cân bằng công suất
phản kháng ............................................................................................................ 10
Hình 2.4: Đặc tính Q _ V ...................................................................................... 11
Hình 2.5: Hệ thống ổn định động. ......................................................................... 12
Hình 2.6: Hệ thống mất ổn định động ................................................................... 12
Hình 2.7: Ổn định dao động bé theo Lyapunov ..................................................... 18
Hình 2.8: Tiêu chuẩn ổn định Mikhailov ............................................................... 28
Hình 2.9a: Quỹ đạo ổn định của hệ thống ............................................................. 30
Hình 2.9 b, c: Quỹ đạo khơng ổn định của hệ thống .............................................. 30
Hình 3.1: Lƣu đồ giải thuật phân tích ổn định hệ nhiều máy ................................. 35
Hình 3.2: Sơ đồ thay thế hình ........................................................................... 39
Hình 3.3: Sơ đồ thay thế tƣơng đƣơng hệ thống điện 3 nút.................................... 40
Hình 3.4: Sơ đồ thay thế hệ thống điện nhiều máy ................................................ 46
Hình 3.5: Lƣu đồ thuật toán xác định thời gian cắt tới hạn .................................... 51
Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điện 9 nút – 3 máy ........................................................ 58
Hình 5.2: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tc = 0.1s) ............................................................................................................... 64
Hình 5.3: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tc = 0.16s) ............................................................................................................. 64
Hình 5.4: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tc = 0.17s) ............................................................................................................. 65
Hình 5.5: Vị trí góc pha của từng máy .................................................................. 65
ix
Luan van
Hình 5.6: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tc = 0.1s) .............................. 66
Hình 5.7: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tc = 0.16s) ............................ 66
Hình 5.8: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tc = 0.17s) ............................ 67
Hình 5.9: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 10%) ........................................................................................................ 69
Hình 5.10: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 10%) ......................................... 69
Hình 5.11: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 10%) ..................... 70
Hình 5.12: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 20%) ........................................................................................................ 70
Hình 5.13: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 20%) ......................................... 71
Hình 5.14: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 20%) ..................... 71
Hình 5.15: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 30%) ........................................................................................................ 72
Hình 5.16: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 30%) ......................................... 72
Hình 5.17: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 30%) ..................... 73
Hình 5.18: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 40%) ........................................................................................................ 73
Hình 5.19: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 40%) ......................................... 74
Hình 5.20: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 40%) ..................... 74
Hình 5.21: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 50%) ........................................................................................................ 75
Hình 5.22: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 50%) ......................................... 75
Hình 5.23: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 50%) ..................... 76
Hình 5.24: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 60%) ........................................................................................................ 76
Hình 5.25: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 60%) ......................................... 77
Hình 5.26: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 60%) ..................... 77
Hình 5.27: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 70%) ........................................................................................................ 78
x
Luan van
Hình 5.28: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 70%) ......................................... 78
Hình 5.29: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 70%) ..................... 79
Hình 5.30: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 80%) ........................................................................................................ 79
Hình 5.31: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 80%) ......................................... 80
Hình 5.32: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 80%) ..................... 80
Hình 5.33: Góc lệch pha giữa máy phát 2 và máy phát 3 so với máy phát chuẩn
(tăng tải 90%) ........................................................................................................ 81
Hình 5.34: Vị trí góc pha của từng máy (tăng tải 90%) ......................................... 81
Hình 5.35: Mối quan hệ giữa vận tốc góc w21 và w31 (tăng tải 90%) ..................... 82
xi
Luan van
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 5.1: Dữ liệu nút ............................................................................................ 59
Bảng 5.2: Dữ liệu đƣờng dây và biến áp................................................................ 60
Bảng 5.3: Dữ liệu máy phát ................................................................................... 60
Bảng 5.4: Bảng kết quả phân bố công suất bằng phƣơng pháp lặp Newton –
Raphson ................................................................................................................ 61
Bảng 5.5: Ma trận tổng dẫn nút đƣợc rút gọn trƣớc sự cố………………………...62
Bảng 5.6: Thông số điện áp tại đầu cực các máy phát…..………………………...62
Bảng 5.7: Ma trận tổng dẫn ngay khi có sự cố và sau sự cố (sự cố xảy ra gần nút số
7 và đoạn đƣờng dây đƣợc cắt ra là đoạn 5 – 7)………………………...................63
Bảng 5.8: Bảng tăng tải 10% cho 3 nút 5, nút 6 và nút 8 ....................................... 68
xii
Luan van
Chƣơng 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Lịch sử phát minh và sử dụng điện năng được đánh dấu bằng những sự kiện
rất đáng ghi nhớ.
Năm 1883, phát minh ra hệ thống điện xoay chiều 3 pha.
Năm 1884, tại Pháp lần đầu tiên điện năng đã được tải đi xa bằng dòng điện
xoay chiều
Năm 1885, được đánh dấu bằng việc phát minh ra máy biến áp điện lực
Năm 1891, lần đầu tiên đường dây tải điện 3 pha được vận hành thử nghiệm
ở khoảng cách 175km.
Từ đó lịch sử phát triển điện năng gắn liền với lịch sử hình thành và phát triển
hệ thống điện xoay chiều 3 pha công suất lớn: khoảng cách truyền tải điện ngày
càng tăng, công suất đơn vị các tổ máy phát điện đồng bộ 3 pha ngày càng lớn, số tổ
máy phát làm việc song song trong hệ thống ngày càng nhiều. Chính những đặc
điểm cuối cùng này đã dẫn đến yêu cầu phát triển lý thuyết ổn định hệ thống điện.
Năm 1928, nhà bác học người Mỹ R. Park lần đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu
ổn định hệ thống điện dựa trên cơ sở thiết lập hệ phương trình vi phân quá trình quá
độ điện cơ của các máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ quay. Gần như đồng thời với
Park, một loạt các công trình được cơng bố độc lập của nhà bác học người Nga A.A.
Goriev trong những năm 1930 – 1935 về mơ hình q trình q độ trong các máy
điện quay đã làm phát triển lý thuyết nghiên cứu ổn định của hệ thống điện thêm
một bước, sau này hệ phương trình đó được gọi tên là Park – Goriev. Mơ hình quá
trình quá độ của hệ thống điện trong hệ tọa độ quay đã làm đơn giản đáng kể hệ
phương trình vi phân mơ tả trạng thái q độ của hệ thống điện. Dựa trên cơ sở đó
1
Luan van
các phương pháp tốn về ổn định hệ thống nói chung đã được nghiên cứu áp dụng
cho hệ thống điện.
Trước hết phải kể đến các phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng
lượng, còn gọi là tiêu chuẩn năng lượng. Phương pháp khá đơn giản, nhận được kết
quả đúng và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên, các phương pháp khác
sau đó đã chỉ ra rằng, khái niệm ổn định theo ý nghĩa cân bằng năng lượng là không
đầy đủ, không chỉ phát hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao động quán
tính. Hơn nữa, phương pháp cân bằng năng lượng khơng có cơ sở chặt chẽ và
phương pháp để áp dụng đối với hệ thống điện phức tạp.
Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý nói
chung của A. M. Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc biệt
là phương pháp dao động bé. Chính Goriev trong các cơng trình của mình đã chỉ ra
các cách nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo Lyapunov, đặc biệt là các hệ thống
điện đơn giản, cũng như phức tạp. Ông đã chứng minh được rằng sử dụng tiêu
chuẩn dấu dương của số hạng tự do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi
phân q trình q độ có thể phát hiện được hầu hết các trường hợp mất ổn định hệ
thống điện, còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ. Dựa trên tiêu chuẩn này những
cách tính tốn phân tích ổn định cho hệ thống điện phức tạp dạng chung đã được
xây dựng và vẫn được áp dụng phổ biến hiện nay trong các chương trình phân tích
hệ thống điện. Tiêu chuẩn cịn đặc biệt tiện lợi khi tìm các thơng số giới hạn chế độ
theo điều kiện ổn định. Dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ I. M.
Markovits cũng đã chứng minh bản chất của các tiêu chuẩn năng lượng, chúng
chính là các trường hợp riêng đảm bảo ổn định phi chu kỳ. Nhờ các tiêu chuẩn riêng
này có thể đánh giá nhanh được mức độ ổn định của các hệ thống điện cụ thể đang
vận hành. Vấn đề là ở chỗ, trong những điều kiện cụ thể luôn tồn tại một hay một
vài tiêu chuẩn (dạng đạo hàm
dP dQ dE
'
'
.... ) dễ bị vi phạm nhất. Trong vận hành
d dU dU
2
Luan van
nếu quan sát thấy những tiêu chuẩn này còn ở xa giới hạn thì hệ thống làm việc có
độ tin cậy ổn định cao. Trong trường hợp ngược lại cần phải có các biện pháp xử lý.
Hạn chế chủ yếu của tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ, bao hàm cả tiêu chuẩn năng
lượng, là không áp dụng được khi xét đến các hiệu quả của các thiết bị tự động điều
chỉnh, điều khiển. Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần số được trang bị
trong các máy phát, máy bù đồng bộ có cấu trúc phức tạp, làm việc có qn tính,
khơng thể bỏ qua hiện tượng mất ổn định dạng chu kỳ. Để phân tích ổn định hệ
thống điện có điều chỉnh cần dựa trên các tiêu chuẩn đầy đủ, xét đến mọi hệ số của
phương trình đặc trưng (các tiêu chuẩn đại số, tiêu chuẩn tần số….) Hàng loạt các
cơng trình của các nhà bác học người Nga sau đó, đặc biệt từ sau năm 1950, đã đi
sâu nghiên cứu ổn định hệ thống theo hướng này. Kết quả nghiên cứu của các
chuyên gia Nga đã dẫn đến việc đề xuất các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác
động mạnh của các máy phát, cho phép nâng cao đáng kể giới hạn ổn định hệ thống.
Tồn tại những nguyên tắc cơ bản để tổng hợp cấu trúc thiết bị tự động điều chỉnh
kích từ đảm bảo chất lượng điện áp rất cao trong khi vẫn giữ được tính ổn định,
khơng dao động của các khâu quán tính. Một số tác giả phương tây cũng đi theo
hướng nghiên cứu này và đề xuất những cấu trúc cụ thể của các bộ ổn định hệ
thống.
Nhược điểm chủ yếu của việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo mơ hình
đầy đủ là ở tính phức tạp có điều chỉnh, người ta cũng tìm tịi áp dụng những
phương pháp khác nhau không dựa trực tiếp vào việc phân tích phương trình đặc
trưng, chẳng hạn phương pháp thứ hai, còn gọi là phương pháp trực tiếp của
Lyapunov, phương pháp hàm năng lượng…. Tuy nhiên, hiệu quả ứng dụng của các
phương pháp này cho đến nay vẫn cịn rất hạn chế.
Bên cạnh các bài tốn phân tích, các bài tốn điều khiển tổng hợp q trình q
độ để nâng cao ổn định hệ thống điện cũng được nghiên cứu. Các thiết bị tự động
điều chỉnh điện áp tác động mạnh và các bộ ổn định hệ thống của rất nhiều tác giả là
những ví dụ về điều khiển nâng cao giới hạn ổn định. Điều khiển quá trình quá độ
3
Luan van
điện cơ khi xảy ra các kích động lớn thơng qua các thiết bị tự động điều chỉnh điện
áp và tần số, các thiết bị tự động chống sự cố làm việc thông minh…. Đang là
những đề tài được quan tâm nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu ổn định hệ thống.
1.1.1 Kết quả nghiên cứu trong nƣớc
Trong điều kiện thực tế tại Việt Nam, sự phát triển nhảy vọt về công suất và quy
mô lãnh thổ của hệ thống điện Việt Nam trong những năm qua đã làm tăng yêu cầu
cấp thiết phải đi nghiên cứu sâu về đặc tính ổn định của hệ thống. Các nội dung
thiết kế, vận hành đường dây siêu cao áp 500kV Bắc Trung Nam đã gắn liền với
những tính tốn phân tích có tính chất quyết định về phương diện ổn định hệ thống.
Sự xuất hiện của những nhà máy điện lớn (Thủy điện Sơn La, Trung tâm nhiệt điện
Phú Mỹ…) nối vào hệ thống điện bằng lưới 500kV, dự án liên kết hệ thống điện
Việt Nam với các nước trong khu vực cũng đang đòi hỏi phải nghiên cứu sâu sắc, tỉ
mỉ hơn về phương diện ổn định hệ thống điện phức tạp. Có rất nhiều cơng trình
nghiên cứu đi trình bày những tính tốn, phân tích ảnh hưởng của các cụm nguồn
phát cơng suất lớn phía Nam đến khả năng ổn định động của hệ thống điện Việt
Nam sau các sự cố ngắn mạch bằng phương pháp tích phân số. Từ kết quả tính tốn
đề xuất các giải pháp vận hành và cải tạo lưới nhằm nâng cao khả năng ổn định
động cho hệ thống điện Việt Nam. Hay một số công trình nghiên cứu trình bày một
số kết quả tính tốn đánh giá các ảnh hưởng của nhà máy thủy điện A Vương đến
các chế độ làm việc của hệ thống điện Việt Nam.
1.1.2 Kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc
Bên cạnh những kết quả nghiên cứu ở trên, việc tối ưu hóa và ứng dụng những
giải thuật hiện đại như trí tuệ nhân tạo ANN, giải thuật logic mờ hay kết hợp cả trí
tuệ nhân tạo và logic mờ vào việc phân tích đánh giá tính ổn định của hệ thống. Bên
cạnh đó, cũng có rất nhiều nghiên cứu khác như nghiên cứu nâng cao chất lượng
điều khiển hệ điện cơ dùng mạng nơron. Hay là ứng dụng logic mờ, các hệ chuyên
gia, ứng dụng mạng nơron trong phân tích, quy hoạch, chẩn đoán và đánh giá hệ
thống năng lượng.
4
Luan van
1.2 Mục đích của đề tài
Luận văn đi nghiên cứu và khảo sát tính ổn định của hệ thống điện và thời
gian cắt ngắn nhất để hệ thống ổn định đối với hệ nhiều máy khi xảy ra sự cố tại
một nút nào đó.
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài
Mô hình tốn phân tích và đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy phát
Xây dựng phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy bằng
phương pháp mô phỏng.
Xây dựng công cụ đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy bằng phương
pháp mô phỏng.
1.3.2 Giới hạn đề tài
Luận văn vẫn còn tồn tại một số vấn đề và nếu có thời gian sẽ triển khai trong
thời gian tới đó là:
Thực hiện phân tích với nhiều dạng sự cố được giả lập (các dạng ngắn mạch
bất đối xứng, ngắn mạch đường dây…)
Tiến hành xây dựng mơ hình đánh giá ổn định một hệ thống điện thực tế ở
Việt Nam.
Tiến hành nghiên cứu tính ổn định hệ thống điện bằng các giải thuật hiện đại
như sử dụng giải thuật nơron hay logic mờ…
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều máy.
Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình m.file trong phần mềm Matlab
Nghiên cứu và ứng dụng phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điện nhiều
máy bằng phần mềm Matlab.
5
Luan van
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Các chế độ hệ thống điện.
Các chế độ làm việc của hệ thống điện 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 thơng số của hệ thống khơng thay đổi
hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh
các trị số định mức. Chế độ là việc bình thường và lâu dài của hệ thống điện thuộc
về chế độ xác lập, mà còn được gọi là chế độ xác lập bình thường. Chế độ sau sự cố
hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà còn
được gọi là chế độ xác lập sau sự cố.
Chế độ quá độ: là 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 tác đóng
cắt các phần tử đang mang cơng suất mà thường được gọi là các kích động lớn. Chế
độ quá độ được gọi là chế độ q độ bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập
mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời
gian lại trở về 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 vơ hạn
hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ đó được gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với
mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các chế độ q độ diễn ra
bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ
có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản của hệ thống điện.
2.2 Các khái niệm về ổn định trong hệ thống điện
Từ các khái niệm về các chế độ làm việc của hệ thống điện có thể thấy rằng
điều kiện tồn tại chế độ xác lập gắn liền với sự tồn tại điểm cân bằng cơng suất. Bởi
chỉ khi đó thơng số hệ thống mới giữ được không đổi. Tuy nhiên, trạng thái cân
6
Luan van
bằng chỉ là điều kiện cần của chế độ xác lập. Thực tế, ln tồn tại các kích động
ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng tuy rất nhỏ. Chẳng hạn như
những thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải. Chính trong điều kiện này hệ
thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thơng số, nghĩa là đảm bảo tồn tại
chế độ xác lập. Khả năng này phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống, đó là
tính chất ổn định tĩnh. Nhưng nếu các kích động ngẫu nhiên làm lệch mạnh các
thơng số hệ thống khỏi điểm cân bằng thì để có thể vẫn phải duy trì được trạng thái
ổn định thì địi hỏi hệ thống phải phụ thuộc vào một tính chất khác nữa của hệ
thống, đó là tính chất ổn định động.
2.1.1. Ổn định tĩnh trong hệ thống điện.
Ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi
được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu (trong trường hợp kích động
khơng được loại trừ)
F
B
XD
U
~
Hình 2.1: Sơ đồ một hệ thống điện đơn giản
P
P(δ)
Pe
Pm
a
b
δ01
δ02
P0
0
Hình 2.2: Đặc tính cơng suất điện từ của máy phát và đặc tính cơng suất cơ của
tuabin
7
Luan van
Để có khái niệm rõ hơn về tính chất ổn đĩnh tĩnh, xét trạng thái cân bằng
công suất của một máy phát trong một hệ thống điện đơn giản như hình 2.1, tương
ứng với đặc tính cơng suất điện từ của máy phát và đặc tính cơng suất cơ của tuabin
hình 2.2
Trong đó: cơng suất cơ của tuabin được coi là không đổi và công suất điện từ
của máy phát có thể được biểu diễn dưới dạng như sau:
P
EU
sin Pe sin
XH
(2.1)
Trong đó:
XH XF XB
XD
: là điện kháng tổng tương đương của hệ thống (2.2)
2
Trong đó:
XF: là điện kháng tương đương của máy phát
XB: là điện kháng tương đương của máy biến áp
XD: là điện kháng tương đương của một đường dây đơn
Hình 2.2 tồn tại 2 điểm cân bằng a và b tương ứng với các góc lệch 01 và 02
Trong đó:
Pm
Pe
01 arcsin
(2.3)
Pm
Pe
02 180 arcsin
(2.4)
Pm: là công suất cơ của máy phát
Pe: là biên độ công suất điện từ của máy phát
8
Luan van
Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập. Thật
vậy, giả thuyết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc khỏi giá trị 01
một lượng 0 sau đó kích động triệt tiêu. Khi đó, theo các đặc tính cơng suất, ở
vị trí mới cơng suất điện từ P lớn hơn công suất cơ Pm, do đó máy phát quay
chậm lại, góc lệch giảm đi, trở về giá trị 01 . Khi 0 hiện tượng diễn ra theo
tương quan ngược lại Pm< P , máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch tăng,
cũng trở về 01 . Như vậy, điểm a được coi như là điểm có tính chất cân bằng hay
nói khác đi, điểm a là điểm có tính chất ổn định tĩnh.
Xét điểm cân bằng b với giả thiết 0 , tương quan cơng suất sau kích
động sẽ là Pm P , làm góc tiếp tục tăng lên, xa dần trị số 02 . Nếu 0
tương quan cơng suất ngược lại làm giảm góc , nhưng cũng làm lệch xa hơn trạng
thái cân bằng. Như vậy, tại điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một kích động nhỏ, sau
đó kích động triệt tiêu, thông số của hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị
số ban đầu. Vì thế, điểm cân bằng b bị coi là điểm cân bằng không ổn định. Cũng vì
những ý nghĩa trên ổn định tĩnh cịn gọi là ổn định với kích động bé hay ổn định
điểm cân bằng.
Nếu xét nút phụ tải và tương quan cân bằng cơng suất phản kháng ta cũng có
tính chất tương tự. Chẳng hạn, xét một hệ thống điện như hình 2.3. Nút phụ tải được
cung cấp từ những nguồn phát. Đặc tính cơng suất phản kháng nhận được từ các
đường dây về đến nút U có dạng:
U 2 UEi
Qi U
cos i
X Di X Di
(2.5)
Trong đó:
Qi (U): là đặc tính công suất phản kháng theo điện áp U của máy phát thứ i
U: là điện áp nút phụ tải
9
Luan van
XDi: là điện kháng tương đương của đường dây nối từ nút máy phát đến nút phụ tải
Ei Ei i : là điện áp nút máy phát thứ i
Điện áp nút U phụ thuộc vào tương quan cân bằng công suất phản kháng
Tổng công suất phát QF (U) =
Q U cân bằng với công suất tải Qt tại các điểm c
i
và d như hình 2.4, tương ứng với các điện áp U01 và U02. Nếu giữ được cân bằng
công suất, điện áp nút U sẽ không đổi, còn nếu QF Qt điện áp nút U sẽ tăng lên,
khi QF Qt điện áp nút U sẽ giảm xuống. Phân tích tương tự như trường hợp cơng
suất tác dụng củamáy phát, dễ thấy được chỉ có điểm cân bằng d là điểm cân bằng
ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu nhiên điện áp U sẽ xa
dần trị số điện áp U01, điều này cũng có nghĩa là điểm cân bằng c là điểm cân bằng
khơng ổn định.
E3
E2
~
~
Q3
~
Q2
E1
Q1
Qt
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống điện xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất
phản kháng
10
Luan van
