GIÁO TRÌNH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN_CHƯƠNG 2 docx
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (383.71 KB, 37 trang )
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 13 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Chơng 2
ổn định tĩnh của hệ thống điện
Đ2.1 đặc tính công suất
Đờng đặc tính công suất là quan hệ giữa CSTD P và CSPK Q với góc quay tơng
đối của rotor của các MPĐ
i
: i = 1m
P = f
1
(
1
,
2
, ,
m
); Q = f
2
(
1
,
2
, ,
m
) (2.1)
Các đờng đặc tính công suất rất cần thiết để giải hệ phơng trình vi phân chuyển
động của HTĐ khi xét ổn định.
I. Đặc tính công suất của HTĐ đơn giản không kể đến R, C, G của lới điện.
HTĐ đơn giản là HTĐ gồm có MPĐ nối qua đờng dây tải điện đến thanh cái nhận
điện có điện áp U = hs và có tốc độ góc
0
= hs (hình 2.1)
Sơ đồ thay thế của HTĐ gồm toàn điện kháng (hình 2.1). Trong sơ đồ thay thế ngoài
sức điện động
q
E
là sức điện động do từ thông của dòng kích từ sinh ra trong rotor còn có
E' là sức điện động giả tởng đặt sau điện kháng quá độ X'
d
.
Vì có hai loại máy phát đồng bộ, máy cực ẩn và máy cực lồi cho nên các đờng
đặc tính công suất cũng phải xét riêng:
1. Máy phát cực ẩn.
Đặc trng của máy đồng bộ cực ẩn là điện kháng dọc trục và ngang trục bằng
nhau X
d
=
q
X . Đối với loại máy này có thể vẽ sơ đồ vector điện áp pha nh hình 2.2.
Công suất P từ máy phát truyền vào hệ thống đợc tính theo biểu thức:
= cos.IU3P (2.2)
Đồng thời theo đồ thị vector ta có:
=
=
=
=
cos.II
sinUXI3
sin'E'XI3
sinEXI3
a
hFhta
qda
qda
(2.3)
trong đó:
q
E , E', U
F
là điện áp dây.
MP MBA
1
ĐD MBA
2
E
q
E' U
F
U
a
)
44444443444444421444344421
2Bdd1Bhtd
XXXXX
++=
b)
Hình 2.1
X
d
-X'
d
X'
d
X
B1
X
đd
X
B2
4444444434444444421
2Bdd1Bdhtdd
XXX XXXX
+++
=+
=
44444444443444444444421
2Bdd1B
XXX +++
=+=
dhtdd
XXXX
hs
hsU
0
=
=
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 14 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Thay lần lợt Icos theo (2.3) vào (2.2) ta sẽ đợc các quan hệ giữa công suất P
theo các góc , ',
h
các sức điện động
q
E , E', U
F
và các điện kháng tơng ứng:
=
sin
X
UE
P
d
q
EQ
(2.4)
=
sin
d
E
X
UE
P
(2.5)
h
ht
F
UF
X
UU
P = sin
(2.6)
Cần phải chứng minh rằng
các quan hệ (2.4) (2.5) (2.6) chính
là các đờng đặc tính công suất,
điều đó có nghĩa là cần chứng minh
các góc , ',
h
là góc quay tơng
đối của rotor.
Trớc hết hãy xét biểu thức
(2.4) trong đó
q
E là sức điện động
chỉ phụ thuộc vào dòng điện kích
thích chạy trong cuộn dây rotor,
cho nên
q
E
là một vector sức điện
động gắn liền với rotor (hình 2.3).
Trên hình (2.3) sức điện động
q
E đặc trng bằng vector vuông góc với vector từ thông
của rotor. Điều này rất hợp lý vì
q
E vuông góc với vector từ thông của rotor là nguyên
nhân sinh ra nó.
Vectơ điện áp U nh đã giả thiết đợc xem nh
không đổi cả về độ lớn và tốc độ góc, vì vậy nó có thể
xem nh trục tính toán. Nh thế góc giữa sức điện động
E
q
và trục tính toán chính là góc quay tơng đối của
rotor, giá trị của nó xác định duy nhất và hoàn toàn vị trí
không gian của rotor.
Biểu thức (2.4) biểu diễn quan hệ giữa công suất P
và góc quay tơng đối của rotor cho nên nó chính là
đờng đặc tính công suất của MPĐ.
Về độ lớn sức điện động E
q
bằng điện áp trên cực
của MPĐ lúc không tải.
q
E
q
E'
q
U
Fq
U
q
I
q
I
d
U
d
d
Hình 2-2
XI
dd
XI
dd
XI
htd
XI
hta
XI
da
XI
dd
XI
F
U
E
U
I
ht
I
a
E
q
0
U
Hình 2-3
q
d
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 15 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Các góc
h
, ' không xác định hoàn toàn vị trí của rotor, nó phụ thuộc vào chế độ
điện từ của MPĐ cho nên các biểu thức (2.5) (2.6) cũng có thể xem là đờng đặc tính
công suất của MPĐ, song có tính chất gần đúng.
Trong thực tế tính toán đờng đặc tính công suất (2.4) thờng đợc sử dụng trong
trờng hợp MPĐ không có thiết bị tự động điều chỉnh kích thích (TĐK), khi đó
q
E = hs
vì rằng dòng điện trong cuộn dây kích thích không biến đổi.
Khi MPĐ có TĐK thì việc sử dụng (2.4) để tính toán không thuận lợi vì khi đó
q
E biến đổi. Trong trờng hợp ấy các đờng đặc tính công suất (2.5) và (2.6) sễ đợc
sử dụng. Nếu máy phát sử dụng TĐK loại tỷ lệ giữ cho
q
E
= hs thì sẽ dùng (2.5) còn
khi máy phát sử dụng TĐK loại mạnh giữ U
F
= hs thì sẽ dùng (2.6).
Trong trờng hợp cần độ chính xác cao hơn, ta thành lập các đờng đặc tính công
suất theo
q
E
, U
Fq
và góc .
q
E
và U
Fq
là hình chiếu của E' và U trên trục q. Các đờng
đặc tính công suất này đợc thành lập nh sau:
()
(
)
=
== sinsincoscoscoscos UIUIUIP
mà:
=
==
===
d
q
d
d
dq
d
q
X
cosUE
X
UE
IsinI
X
sinU
X
U
IcosI
vì
= sin
d
U và
=
qd
XX
Nên
=
2
XX
XX
2
U
X
UE
P
dd
dd
2
d
q
qE
sinsin
(2-7)
Biến đổi tơng tự ta có:
=
2
XX
X
2
U
X
UU
P
htd
d
2
ht
Fq
UFq
sinsin
(2-8)
Trong các đờng đặc tính công suất trên đây thành phần có sin2 khá nhỏ nên có
thể bỏ qua trong các tính toán gần đúng.
Đối với đờng đặc tính CSPK dễ dàng lập đợc biểu thức:
=
cos
d
q
d
2
q
Eq
X
UE
X
UE
Q
(2-9)
Giá trị của
q
E , E' tính theo điện áp trên cực MPĐ và công suất phát nh sau:
2
F
d
2
F
d
Fq
U
PX
U
QX
UE
+
+=
(2.10a)
2
F
d
2
F
d
F
U
XP
U
XQ
UE
+
+=
(2.10b)
2. MPĐ cực lồi.
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 16 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
MPĐ cực lồi khác với MPĐ cực
ẩn ở chỗ X
d
q
X . Do đó để có thể vẽ
đợc đồ thị vector và sơ đồ thay thế
của máy cực lồi phải đa vào sức điện
động giả tởng
q
E . Đồ thị vector của
máy cực lồi trên hình (2.4).
Từ đồ thị vector có:
(
)
qddqQ
XXI3EE = (2.11)
2
F
d
2
F
q
FQ
U
PX
U
QX
UE
+
+=
(2.12)
Nh vậy đối với máy cực lồi E
có vai trò giống nh
q
E đối với máy
cực ẩn đờng đặc tính công suất tính
theo
q
E là: =
sin
q
Q
EQ
X
UE
P
Vì E
Q
là đại lợng giả tởng nó
biến đổi theo chế độ của HTĐ nên thờng biểu diễn P theo E
q
.
Giống nh với máy cực ẩn:
(
)
=
sinsincoscosUIP
d
d
q
q
q
I
X
UE
I
I
X
U
I
=
=
=
=
cos
sin
sin
cos
Thay hai biểu thức sau vào biểu thức đầu sẽ đợc:
(
)
=
2
XX
XX
2
U
X
UU
P
qd
qd
2
d
q
EQ
sinsin (2.13)
Tơng tự ta có các đờng đặc tính công suất theo E', ,
q
E
, , U
F
,
h
, U
Fq
, :
()
()
)17.2( 2sin
XX
X
2
U
sin
X
UE
P
)16.2( sin
X
UU
P
)15.2( 2sin
XX
XX
2
U
sin
X
UE
P
)14.2( sin
X
UE
P
hq
q
2
h
Fq
UFq
h
h
F
UF
dd
dd
2
d
q
qE
d
E
=
=
=
=
q
E
q
E'
q
U
Fq
U
q
I
q
I
d
U
d
d
Hình 2-4
XI3
dd
XI3
dd
XI3
ht
d
XI3
hta
XI3
da
XI3
dd
XI3
F
U
E
U
I
ht
I
a
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 17 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
So sánh các đờng đặc tính công suất của máy cực
ẩn (2.4) và máy cực lồi (2.13) ta thấy rằng đờng đặc
tính công suất của máy cực lồi có thêm phần thành phần
(
)
2
XX
XX
2
U
qd
qd
2
sin
nhng giá trị của thành phần này
không lớn lắm cho nên trong tính toán gần đúng có thể
thay máy phát cực lồi bằng máy phát cực ẩn (hình 2.5).
3. Công suất cực đại P
max
và công suất giới hạn
gh
P
.
Khảo sát các đờng đặc tính công suất vừa thành lập ta thấy rằng chúng là các
đờng cong úp xuống (bát úp), trong trờng hợp
đơn giản nhất, các đờng (2.4) và (2.14) là các
đờng hình sin (hình 2.6), các đờng đặc tính
công suất này có giá trị cực đại P
max
. Điều đó có
nghĩa là nhà máy điện không thể truyền vào hệ
thống công suất lớn hơn P
max
. Giá trị của P
max
phụ
thuộc vào các cấu trúc của lới điện (thông qua
thành phần X), và vào chế độ của HTĐ (thông qua
thành phần E và U).
Với mỗi cấu trúc và chế độ điện áp, hoàn toàn xác định độ lớn của công suất cực
đại. Trong trờng hợp đơn giản nhất:
X
EU
P =
max
khi
0
90=
Ngoài P
max
, trong HTĐ còn phải tính đến công suất giới hạn
gh
P đó là công suất
lớn nhất mà mỗi phần tử hoặc toàn bộ hệ thống có thể tải đợc. Đối với mỗi phần tử,
gh
P phụ thuộc vào cấu tạo và các hạn chế kỹ thuật nh phát nóng hay độ giảm điện áp
Đối với toàn bộ HTĐ có công suất giới hạn theo điều kiện ổn định, đó chính là công
suất chế độ giới hạn ổn định.
ý nghĩa của P
max
và
gh
P
ổn định hoàn toàn khác nhau, xong về mặt giá trị nó có
thể trùng nhau.
Để kết thúc phần này cần lu ý rằng các đờng đặc tính công suất vừa thành lập
và sẽ thành lập ở các phần tiếp theo chỉ là các đờng đặc tính tĩnh nó chỉ đúng trong
trờng hợp chế độ biến đổi chậm.
4. Công suất không đồng bộ.
Các đặc tính công suất trên đây cho ta công suất đồng bộ trong chế độ xác lập,
khi xảy ra dao động công suất thì ngoài công suất đồng bộ còn suất hiện công suất
không đồng bộ, công suất này tạo ra moment không đồng bộ có tác dụng làm tắt các
dao động trong máy phát. Khi tần số không biến đổi nhiều thì công suất không đồng
bộ tỷ lệ với hệ số trợt S:
SK
t
KP
kdbkdbkdb
=
= (2-18a)
0 90 180
][do
Cực ẩn
Cực lồi
Hình 2-5
0 90 180 ][do
P
P
max
Hình 2-6
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 18 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
trong đó: K
kdb
là hệ số tỷ lệ, S là hệ số trợt,
t
s
0
=
=
(2-18b)
II. Đờng đặc tính công suất của HTĐ đơn giản có kể đến R, C của lới điện
và phụ tải nhánh rẽ
Sơ đồ nối dây và sơ đồ thay thế của HTĐ trên hình 2.7.
Trong trờng hợp
này không thể vẽ đợc
đồ thị vector mà phải
dùng hoàn toàn giải tích
để xây dựng đờng đặc
tính công suất.
Trên sơ đồ thay thế
MPĐ thay thế bằng X
F
và
sức điện động E, giá trị
của chúng đợc lấy tuỳ
theo loại TĐK mà máy phát sử dụng và các giả thiết tính toán nh ở mục I.
Phụ tải nhánh rẽ đợc thay thế bởi tổng trở cố định
pt
Z
:
pt
2
dm
ptpt
pt
S
U
jXRZ
=+=
Gọi R
0
, X
0
, C
0
là điện trở, điện kháng và điện dung của 1 km đờng dây, L là độ
dài đờng dây, thì
dd
Z
và jB/2 đợc tính theo các biểu thức:
LjC
2
LC
2j
2
Lb2
j
2
B
j
2
L.X
j
2
L.R
jXRZ
00
000
00
ptpt
pt
=
==
+=+=
R
0
, X
0
, C
0
là điện trở, điện kháng và điện dung của 1 km đờng dây, L là độ dài
đờng dây, đờng dây ở đây có 2 lộ song song, nếu đờng dây chỉ có 1 lộ
dd
Z
tính theo
công thức trên phải nhân 2 và
2B/
phải chia 2. Có thể tra trực tiếp b
0
trong cẩm nang.
Sơ đồ thay thế của HTĐ có thể biến đổi để đa về dạng tối giản là sơ đồ hình T
(hình 2-8a).
j
B/2
1
jX
jX
F
jX
B1
dd
Z
jX
B2
a)
b) E
pt
S
MP MBA
1
ĐD MBA
2
hs
hsU
0
=
=
2
jX
j
B/2
pt
Z
Hình 2-7
21
I
1
Z
3
Z
2
Z
22
I
U
Hình 2-8
1
I
1
Z
3
Z
2
Z
2
I
U
11
I
1
Z
3
Z
2
Z
12
I
E
a)
1
c)
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 19 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Để tính công suất P và Q trớc hết cần tính dòng điện
1
I
và
2
I
. Các dòng điện
này đợc tính bằng phơng pháp xếp chồng. Cho lần lợt các nguồn
E
và
U
tác động
ta tính đợc các dòng điện thành phần do các nguồn này sinh ra sau đó dòng điện
1
I
,
2
I
sẽ là tổng của các thành phần này trong từng nhánh:
=
=
22122
21111
III
III
(2.19)
Theo sơ đồ hình 2-8 b, c:
/
11
32
32
1
11
Z3
E
ZZ
ZZ
Z
3E
I
=
+
+
=
(2.20a)
12
3
21
21
12
Z3
E
Z
ZZ
ZZ
3/E
I
=
+
=
(2.20b)
Z3
U
ZZ
ZZ
Z
3/U
I
22
31
31
2
22
=
+
+
=
(2.21)
21
3
21
21
21
Z3
U
Z
ZZ
ZZ
3/U
I
=
+
=
(2.22)
trong các biểu thức trên: U đợc chọn làm gốc tính toán;
=
EE
, là góc giữa
Evà U;
1111
11
ZZ =
là tổng trở đầu vào nhìn từ E;
2222
22
ZZ =
là tổng trở đầu vào
nhìn từ U;
1212
2112
ZZZ ==
là tổng trở tơng hỗ giữa E và U.
Thay dòng điện theo (2.20) - (2.22) vào (2.19) ta đợc:
=
=
2212
2
1211
1
Z3
U
Z3
E
I
Z3
U
Z3
E
I
(2.24)
Sau khi có dòng điện, công suất
S
đợc tính nh sau:
1
IE3jQPS
=+= (2.25)
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 20 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Thay
1
I
theo (2.24) vào (2.25) đợc:
)(
12
12
11
11
2
12121111
1211
Z
EU
Z
E
Z
U
Z
E
E
Z
U
Z
E
ES +=
=
=
(2.26)
Trong thực tế tính toán ổn định thờng dùng góc
11
= 90
0
-
11
và
12
= 90
0
-
12
,
đa các góc này vào (2.26) rồi lấy phần thực ta sẽ đợc đờng đặc tính CSTD:
()()
()
12
12
11
11
2
12
0
12
11
0
11
2
Z
EU
Z
E
90
Z
EU
90
Z
E
SP +=+==
sinsincoscosRe
(2.27a)
Và CSPK là phần ảo của
S
:
()
12
12
11
11
2
Z
EU
Z
E
SQ ==
coscosIm
(2.27b)
So sánh với HTĐ đơn giản không kể tới R,C và phụ tải nhánh rẽ đờng đặc tính
công suất có thêm thành phần hằng số
11
11
2
Z
E
sin
và độ lệch góc
12
.
Cũng có thể tính công suất truyền vào thanh cái nhận điện
pt
P và Q
pt
:
22
22
2
12
22
2212
2
2
Z
U
Z
UE
Z
U
Z
E
UIUS +=
==
)(
Từ đây:
)cos(cos
)sin(sin
12
12
22
22
2
2
12
12
22
22
2
2
Z
UE
Z
U
Q
Z
UE
Z
U
P
++=
++=
(2.28)
III. Đặc tính công suất của HTĐ gồm hai nhà máy điện làm việc song song.
Hai nhà máy điện có thể cung cấp điện cho một hay nhiều phụ tải với mạng nối
bất kỳ, sơ đồ đơn giản nhất của HTĐ và sơ đồ thay thế hình T trên hình 2.9.
Sức điện động
21
EE
,
của các máy phát cũng
nh điện kháng của chúng
đợc lấy tuỳ theo loại
TĐK đợc sử dụng và tuỳ
theo các giả thiết tính
toán. Sơ đồ thay thế của
HTĐ cuối cùng có thể quy
đổi về dạng hình T. ở dạng này sơ đồ nối dây của HTĐ gồm hai nhà máy điện cũng
gần giống nh sơ đồ nối dây của HTĐ đơn giản (hình 2.8) chỉ khác ở chỗ là thế vào
pt
S
MP
1
MBA
1
ĐD MBA
2
M
P
2
Hình 2-9
1
I
1
Z
3
Z
2
E
2
I
2
Z
1
E
P
1
, Q
1
P
2
, Q
2
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 21 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
chỗ
U
bây giờ là
2
E
và dòng công suất P
2
,
2
I
đổi dấu. Vì vậy việc xây dựng các
đờng đặc tính công suất P
1
, P
2
, Q
1
, Q
2
có thể sử dụng kết quả của mục 2.1.2.
Ta sẽ có:
)sin(sin
)sin(sin
1212
12
21
22
22
2
2
2
1212
12
21
11
11
2
1
1
Z
EE
Z
E
P
Z
EE
Z
E
P
++=
+=
(2.29)
)cos(cos
)cos(cos
1212
12
21
22
22
2
1
2
1212
12
21
11
11
2
1
1
Z
EE
Z
E
Q
Z
EE
Z
E
Q
+=
=
(2.30)
Từ (2.29) ta thấy rõ rằng, khác với HTĐ đơn giản trong HTĐ gồm hai nhà máy
điện làm việc song song đờng đặc tính công suất P
1
, P
2
không phụ thuộc vào vị trí
tuyệt đối của từng rotor của các MPĐ.
Khái niệm về sự đồng bộ ở đây là sự đồng bộ giữa các MPĐ, vì rằng trong HTĐ
này không còn tồn tại một điểm nào mà ở đó vector điện áp không đổi và quay đồng bộ
với
0
= hs.
Theo hình (2.10) ta có:
2112
=
Công suất của các máy phát sẽ thay đổi nếu
12
thay đổi, chứ không thay đổi theo
1
,
2
. Nếu
1
,
2
thay đổi mà
12
vẫn giữ nguyên thì các giá trị của công suất cũng giữ
nguyên. Đồ thị của P
1
, P
2
theo
12
trên hình 2.11. Ta thấy rằng ứng với mỗi góc
12
tổng
P
1
và P
2
luôn bằng hằng số và bằng
pt
P : P
1
+ P
2
= P
pt
Trong thực tế góc
12
thờng có giá trị dơng cho nên trên hình 2.11 P
max
nằm
bên trái góc 90
0
.
Đ2.2. Đặc tính tĩnh của phụ tải
2.2.1. Phụ tải của HTĐ
Phụ tải của HTĐ là nơi điện năng đợc biến đổi thành các dạng năng lợng khác
phục vụ cho sản suất và đời sống nh cơ năng, nhiệt năng quang năng
Hình 2-10
Trục tính toán
2
E
1
E
12
2
1
0 90 ][do
12
P
P
1max
Hình 2-11
P
2max
P
2
P
1
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 22 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Khi chế độ của HTĐ thay đổi thì trong phụ tải cũng xảy ra các quá trình quá độ.
Các quá trình này thờng không đợc xét riêng cho từng thiết bị dùng điện riêng biệt
mà đợc xét chung cho từng nhóm lớn phụ tải cùng đợc cung cấp điện từ một nút phụ
tải nào đó. Mỗi nút phụ tải nh vậy là một phụ tải tổng hợp bao gồm nhiều loại phụ tải
khác nhau. Trên hình 2.12 là sơ đồ nút phụ tải 110kV bao gồm MBA 110/35/6(10),
đờng dây 35kV, mạng điện phân phối 6 - 10kV, các MBA hạ áp và các thiết bị dùng
điện: động cơ không đồng bộ, tụ điện, ánh sáng, lò điện
Bảng dới đây là các thành phần trung bình của các loại thiết bị dùng điện trong
một nút phụ tải tổng hợp 110kV ở Liên Xô cũ, tính theo 100% công suất.
Tên phụ tải Thành phần (%)
Động cơ không đồng bộ
Động cơ đồng bộ
Chiếu sáng
Chỉnh lu, lò điện và đốt nóng
Tổn thất trong mạng điện
48
10
25
10
7
Các quá trình xảy ra trong nút phụ tải khi chế độ thay đổi có ảnh hởng ngợc trở
lại tới chế độ làm việc của HTĐ, đặc biệt là đến ổn định. Các ảnh hởng này đợc xét
đến thông qua các đờng đặc tính tĩnh của phụ tải tức là quan hệ phụ thuộc giữa công
suất do phụ tải tiêu thụ P, Q và điện áp U đặt trên cực của phụ tải: P = f
1
(U); Q = f
2
(U).
Chỉ khi điện áp có giá trị bằng định mức thì công suất thực dùng của phụ tải mới
bằng công suất thiết kế, khi điện áp khác định mức thì công suất thực dùng khác công
suất thiết kế (hay công suất yêu cầu của phụ tải đối với nguồn điện).
Các quan hệ trên đây sẽ đúng khi chế độ biến đổi chậm theo thời gian, do đó có
danh từ đờng đặc tính tĩnh của HTĐ.
2.2.2. Đờng đặc tính tĩnh của các phụ tải thành phần
Hình 2-12
110-220kV
6-10-22kV
35kV
6-10-22kV
ĐC
đồng
bộ
ĐC
không
đồng
bộ
Tụ
bù
Lò
điện
ĐC
không
đồng
bộ
ánh
sáng
Phụ
tải
khác
X
r
I
2
X
I
Hình 2-13
R
2
/
S
U
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 23 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Trớc khi tìm các đờng đặc tính tĩnh của nút phụ tải tổng hợp, ta hãy xây dựng
các đờng đặc tính tĩnh của các phụ tải thành phần:
a. Phụ tải thắp sáng
CSTD tiêu thụ bởi các đèn nung nóng tỷ lệ với điện áp theo quan hệ:
P = kU
1,6
(2.30)
Đối với đèn ống công suất phụ thuộc rất ít vào điện áp; phụ tải ánh sáng không
tiêu thụ CSPK.
b. Động cơ điện không đồng bộ
Sơ đồ thay thế của động cơ điện không
đồng bộ trên hình (2.13) từ sơ đồ có thể viết
đợc các biểu thức cho CSTD và CSPK:
S
R
S
R
X
U
S
R
IP
2
2
2
2
r
2
2
2
2
.
+
== (2.32)
sr
2
2
2
QQXI
X
U
Q +=+=
(2.33)
0
0
S
= là hệ số trợt của động cơ,
0
là tốc độ đồng bộ, là tốc độ thực của
động cơ.
Khi momen của máy công tác là hằng số thì CSTD của động cơ không đồng bộ là
hằng số không phụ thuộc vào điện áp, quan hệ P = f(U) là đờng nằm ngang (hình 2.14).
Với P = hs, theo (2.32) thì I
2
và S tỷ lệ với nhau do đó mà đờng biểu diễn CSPK
tản Q
s
theo U có dạng nh đờng biểu diễn S theo U còn công suất từ hoá có dạng
parabol, cộng Q
s
và
Q ta đợc Q (hình 2.14).
c. Động cơ điện đồng bộ và máy bù đồng bộ
+ Động cơ đồng bộ:
Đặc tính CSTD của đông cơ đồng bộ là:
= sin
d
q
X
UE
P
(2.34)
trong đó U là điện áp trên cực của động cơ. Động cơ đồng bộ thờng làm việc với
góc = 25 - 30
0
.
Đặc tính CSPK có dạng:
= cos
d
q
d
2
X
UE
X
U
Q
(2.35)
CSPK của động cơ điện không đồng bộ khi P = hs phụ thuộc vào giá trị của X
d
và
q
E , khi
d
2
d
q
X
U
X
UE
>cos
, tức là khi quá kích thích động cơ đồng bộ phát CSPK vào lới.
+ Máy bù đồng bộ:
Máy bù đồng bộ không tiêu thụ CSTD cho nên góc = 0, đặc tính CSPK có dạng:
0 U
gh
1 U
P,Q
Hình 2-14
Q
P
Q
S
Q
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 24 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
d
q
d
2
X
UE
X
U
Q =
(2.36)
Máy bù đồng bộ phát CSPK vào lới khi
d
2
d
q
X
U
X
UE
> , tức là nó luôn làm việc ở
trạng thải quá kích thích
q
E > U. Dáng điệu của Q theo U phụ thuộc vào độ lớn của
q
E
. Khi máy bù đồng bộ phát công suất định mức thì E > 2U. Đờng đặc tính CSPK
của máy bù đồng bộ có dạng nh trên hình 2.15 các đờng 1 và 2.
Trên hình 2.15 có vẽ cả đờng đặc tính công suất của tụ điện tĩnh (đờng 3) so
sánh chúng ta nhận thấy khả năng ổn định điện áp của máy bù đồng bộ cao hơn nhiều
so với tụ điện nhất là ở các giá trị thấp của
q
E .
d. Các thiết bị chỉnh lu và lò điện
Đặc tính công suất của các trạm chỉnh lu thuỷ ngân có dạng nh trên hình
(2.16), đờng 1 và 2.
Các lò điện trở và hồ quang chỉ tiêu thụ CSTD, đặc tính công suất P = f(U) có
dạng giống với đặc tính công suất của ánh sáng.
e. Tụ điện tĩnh
Tụ điện tĩnh là thiết bị bù phát CSPK. Đặc tính công suất Q có dạng:
C
1
X
X
U
Q
C
c
2
== ,
(2-37)
Nh đã nói ở trên khả năng ổn định điện áp của tụ điện kém hơn nhiều so với
máy bù đồng bộ vì đờng đặc tính CSPK có độ dốc lớn hơn nhiều (hình 2.15).
2.2.3. Đờng đặc tính tĩnh của phụ tải tổng hợp
a. Đờng đặc tính tĩnh thực tế của phụ tải tổng hợp
Đờng đặc tính tĩnh thực tế của phụ tải tổng hợp đợc xây dựng bằng cách đo đạc
hoặc tính toán cụ thể cho từng nút phụ tải riêng biệt. Điều này khá phức tạp vì trong hệ
thống có rất nhiều nút, cho nên để giản tiện ngời ta xây dựng các đờng đặc tính mẫu
cho các loại nút phụ tải khác nhau.
Đặc tính tĩnh của phụ tải có dạng nh trên hình 2.17.
0,7 1 U
0
Q
Hình 2-15
3
1 E
q
=1,5
2 E
q
= 2,5
0 1 U
P,Q
1
2 Q
Hình 2-16
1
P
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 25 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Một đặc trng rất quan trọng của phụ tải là đạo hàm của CSTD và CSPK theo
điện áp U ở nút phụ tải:
dU
dQ
dU
dP
,
.
Các đạo hàm này đợc gọi là hiệu ứng điều chỉnh của phụ tải, nó nói nên khả
năng của phụ tải tự giữ ổn định điện áp ở nút của nó. Thật vậy giả sử do một lý do nào
đó điện áp U tăng lên, CSPK do phụ tải tiêu thụ cũng tăng lên theo, do đó công suất
chạy trong mạng cũng tăng lên gây ra tổn thất điện áp phụ thêm, kết qủa là điện áp U
giảm xuống vì: U = E -
U. Trong đó U là điện áp tại nút phụ tải, E là điện áp nguồn
bằng hằng số,
U là tổn thất điện áp trog mạng điện.
Giá trị của hiệu ứng điều chỉnh càng cao thì khả năng tự ổn định điiện áp càng
lớn. Hiệu ứng điều chỉnh của phụ tải tác dụng khi U = U
dm
vào khoảng 0.3 ữ 0.5. ảnh
hởng của phụ tải đến ổn định của HTĐ thông qua các hiệu ứng điều chỉnh.
b. Đặc tính thay thế của phụ tải tổng hợp
Để đơn giản các tính toán mạng điện và HTĐ nhiều khi cho phép thay thế các
phụ tải bằng tổng trở cố định, chỉ khi nào đòi hỏi tính toán thật chính xác mới phải sử
dụng các đặc tính tĩnh thực tế của phụ tải.
Tổng trở thay thế của phụ tải có thể mắc nối tiếp hoặc mắc song song. (hình 2.18)
của phụ tải khi điện áp là định mức, khi U = U
dm
ta có P
0
và Q
0
.
- Trờng hợp mắc song song (hình 2.18.a):
0
2
dm
pt
0
2
dm
pt
Q
U
X
P
U
R == ,
(2.39)
- Trờng hợp mắc nối tiếp (hình 2.18.b):
()
=+=
sincos j
S
U
jXRZ
0
2
dm
ptpt
pt
(2.40)
trong đó: dấu + là CSPK cảm tính; dấu - là CSPK dung tính.
Với các sơ đồ thay thế nh trên đặc tính công suất có dạng (hình 1.18.c):
pt
2
pt
2
X
U
Q
R
U
P == ,
(2.41a)
Hiêụ ứng điều chỉnh của chúng là:
0 1 U
P,Q
P
0
Q
0
Q = K
Q
.U
2
Hình 2-18
U
X
pt
R
pt
X
pt
R
pt
a)
b)
c)
0 1 U
P,Q
1
P
Q
Hình 2-17
P = K
P
.U
2
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 26 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
U
Q2
X
U2
dU
dQ
U
P2
R
U2
dU
dP
pt
pt
==
==
(2.41b)
Khi U = U
dm
và trong hệ đơn vị tơng đối P
0
= 1, Q
0
= 1 thì:
2
dU
dQ
dU
dP
dm
=
=
Nh vậy có nghĩa là nếu U giảm 1% thì P, Q giảm 2%.
Giá trị của điện trở thay thế
pt
R và điện kháng thay thế X
pt
đợc tính toán với
công suất phụ tải khi điện áp là định mức, khi U = U
dm
thì ta có P
0
và Q
0
.
So với hiệu ứng điều chỉnh của các đờng đặc tính tĩnh thực tế của phụ tải, các
giá trị này lớn hơn nhiều nhất là đối với CSTD. Bởi vậy tính chính xác ổn định HTĐ tốt
nhất là sử dụng đờng đặc tính tĩnh thực tế của phụ tải.
Đ2.3. ổn định tĩnh của hệ thống điện đơn giản
2.3.1. Hệ thống điện đơn giản
a. Hệ thống điện đơn giản
Nh trên đã nói HTĐ đơn giản nhất là HTĐ gồm một nhà máy điện nối bằng
đờng dây tải điện tới thanh cái nhận điện áp U = const (hình 2.19).
Trong HTĐ không tồn tại các thanh cái nhận điện điện áp không đổi.
Song thực tế có thể xem điện áp U ở thanh cái nhận điện là hằng số nếu nh công
suất mà nó nhận đợc từ hệ thống còn lại P
ht
từ 8 đến 10 lần. Nh vậy nghĩa là điện áp
U là hằng số đối với sự biến đổi của công suất P.
HTĐ đơn giản là hình ảnh chung của các loại nhà máy điện đặt ra trung tâm phụ
tải, nó đợc nối vào hệ thống (gọi là hệ thống nhận điện) bằng các đờng dây tải điện
dài và công suất của chúng nhỏ hơn nhiều so với tổng công suất của toàn HTĐ. Nói
vắn tắt là hệ thống nhận điện có công suất vô cùng lớn.
b. Các chế độ của HTĐ đơn giản
Chế độ của HTĐ sẽ tồn tại khi công suất
của turbine P
T
cân bằng với công suất điện P.
Trong trờng hợp đơn giản nhất là:
=== sinsin
max
P
X
UE
PP
T
(2.42)
Điều kiện (2.42) đợc biểu diễn trên hình
2.20. P
T
đợc giả thiết là hằng số không thuộc
vào góc. Ta nhận thấy rằng ứng với mỗi giá trị
MP MBA
1
ĐD MBA
2
U=hs
Hình 2-19
P
pt
H
T
P
ht
P
=
ht
S
Miền
không
ổn định
0
a
0
gh
90=
b
P
ddP /
P
T
=P
b
P
max
=
P
gh
a
Miền
ổn định
Hình 2-20
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 27 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
của công suất turbine P
T
có hai điểm bằng công suất ứng với hai giá trị của góc khác
nhau, tức là chế độ có thể tồn tại đựơc về mặt lý thuyết tại hai điểm a và b.
Vấn đề đặt ra là trong hai chế độ có thể tồn tại nh thế thì chế độ nào (ứng với
góc nào) có thể thực hiện đợc trong thực tế, nghĩa là nó có ổn định tĩnh. Ta cần phải
lập ra tiêu chuẩn để xem xét chế độ nào có ổn định tĩnh để thực hiện nó trong vận hành
và chế độ nào không có ổn định tĩnh để tránh.
2.3.2. Tiêu chuẩn ổn định của HTĐ đơn giản
Để xây dựng tiêu chuẩn ổn định tĩnh, ta phải khảo sát phơng trình chuyển động
tơng đối của rotor. Trong phần này ta hãy bỏ qua không xét đến quá trình quá độ điện
từ và quá trình quá độ xảy ra trong TĐK, ảnh hởng của TĐK đến ổn định tĩnh đợc
thể hiện thông qua các giá trị của sức điện động mà nó giữ cho không đổi, ta cũng
không xét đến công suất không đồng bộ.
Ta sử dụng dạng đơn giản nhất của phơng trình chuyển động tơng đối của
rotor, đó là biểu thức (1.22):
PPP
d
t
d
T
T
2
2
j
==
(2.43)
Giả thiết rằng chế độ mà ta xét ổn định có thông số là P
0
và
0
ta hãy phân tích P
thành chuỗi Taylo quanh giá trị này:
+
+
==
2
0
2
2
0
0TT
d
Pd
2
1
d
dP
PPPPP
0
= do đó
+
=
0
Theo điều kiện cân bằng công suất P
0
= P
T
và
với giả thiết rằng các kích động rất nhỏ cho nên độ
lệch góc do nó gây ra rất bé, vì vậy có thể bỏ qua
các số hạng chứa luỹ thừa bậc cao của thì P sẽ
là:
=
d
dP
P
(2.44)
Biểu thức (2.44) có nghĩa là ta đã tuyến tính hoá đoạn đờng đặc tính công suất
quanh điểm P
0
,
0
theo hình 2.21:
==
d
dP
tgP
.
Để tổng quát điểm cần lấy đạo hàm không cần ký hiệu nữa.
Thay (2.44) vào (2.43) ta đợc:
=
=
+
=
d
dP
d
t
d
T
d
t
d
T
d
t
dT
2
2
j
2
0
2
j
2
2
j
)(
0
d
t
d
2
0
2
=
vì hs
0
=
0
0
P
Hình 2-21
P
0
b
P
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 28 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Hay là:
0
d
dP
d
t
dT
2
2
j
=
+
Thay
2
2
2
p
d
t
d
=
và C
d
dP
=
ta đợc:
0CpT
2
j
=+
(2.45)
Phơng trình (2.45) là phơng trình vi phân chuyển động tơng đối đã tuyến tính
hoá hay là phơng trình giao động bé của HTĐ.
Trong phơng trình (2.45) phản ánh sự giao động của các góc quay tơng đối
của rotor quanh vị trí cân bằng tức là chế độ mà ta xét ổn định. Khi chế độ bị kích
động, suất hiện sự dao động về góc của rotor , khảo sát sự biến thiên của theo
thời gian t kể từ khi xảy ra kích động (t
0
= 0) ta có thể kết luận về sự ổn định của HTĐ.
Nghiệm tổng quát của (2.45) là:
tp
2
tp
1
21
ekek +=
Trong đó P
1
và P
2
là nghiệm của phơng trình đặc tính: 0C2pTpD
j
=+=)(
Từ đây:
j
21
T
C
p =
,
Vì T
i
luôn dơng nên P
1.2
phụ thuộc vào dấu của C, ta hãy xét hai trờng hợp có
thể xảy ra:
+ C > 0:
== j
T
C
p
j
21
,
Thay vào nghiệm tổng quát:
)sin(. +=+= tKekek
tp
2
tp
1
21
(2.46)
Từ (2.46) ta thấy có dạng hình sin với chu kỳ T
0
= CT2
j
/ (hình 2.22), nh vậy
nghĩa là khi xảy ra một kích động nhỏ rotor sẽ giao động liên tục và điều hoà quanh vị trí
cân bằng
0.
Nhng trong MPĐ còn có các lực cản, đó là moment cản do công suất không
đồng bộ gây ra làm cho dao động của rotor tắt dần theo đờng 3 trên hình 2.22. Cho nên
trong trờng hợp này có thể xem nh hệ thống có ổn định tĩnh, sau khi xảy ra một kích
động nhỏ góc sẽ dao động quanh trục cân bằng, dao động này tắt dần sau đó góc trở lại
vị trí
0
là vị trí cân bằng công suất ban đầu,
chế độ không bị phá hoại.
Vậy có thể kết luận rằng khi
0
d
dP
C >
=
HTĐ có ổn định tĩnh.
+ C < 0
== j
T
C
p
j
21
,
Thay vào nghiệm tổng quát:
tp
2
tp
1
21
ekek += (2.47)
,
0
0
t
t
1
2
3
Hình 2-22
t
1
ek
t
2
ek
t
Hình 2-23
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 29 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Đồ thị của theo (2.47) trên hình (2.23) nó gồm hai phần, thành phần
t
2
ek
sẽ
tắt dần đến 0 theo t còn thành phần
t
1
ek
sẽ tăng đến vô cùng theo t, kết quả là sẽ
tăng đến vô cùng theo t và nh vậy hệ thống sẽ mất ổn định vì khi xảy ra kích động
nhỏ góc quay tơng đối của rotor sẽ tăng đến vô cùng.
Trong trờng hợp này và tăng lên vô cùng một cách trơn cho nên đây là
dạng mất ổn định tiệm cận của HTĐ.
Từ các khảo sát trên đây rút ra điều kiện ổn định tĩnh của HTĐ là:
0
d
dP
>
(2.48)
Khi dP/d = 0 ta có chế độ giới hạn ổn định tĩnh, với điều kiện này ta tìm đợc
công suất giới hạn P
gh
và góc giới hạn
gh
theo ổn định tĩnh.
Trong trờng hợp đơn giản nhất:
maxghmax
max
P ,cos
sinsin
P900P
P
P
X
UE
P
0
gh
====
==
Ta nhận thấy trong trờng hợp
này công suất giới hạn ổn định trùng
với công suất cực đại của HTĐ. Trở
lại hình 2.20 ở các điểm nằm ở nửa
tăng lên của đờng đặc tính công
suất, với góc < 90
0
thoả mãn điều
kiện (2.48) thì chế độ sẽ ổn định tĩnh,
còn các điểm bên phải góc giới hạn
> 90
0
thì chế độ sẽ không ổn định.
Sự đúng đắn của tiêu chuẩn
(2.48) có thể nhận bằng cách suy
diễn trực quan từ đờng đặc tính công suất (hình 2.24).
Tại điểm a, giả thiết rằng một kích động nhỏ làm cho góc tăng lên một lợng
. Do góc tăng lên công suất điện cũng lên một lợng P, sự tăng lên của công suất
điện trong khi công suất cơ của turbine không đổi khiến cho sự công bằng công suất bị
phá hoại. Công suất điện trở thành lớn hơn công suất cơ một lợng P do đó rotor bị
hãm tốc và kết quả là góc giảm xuống.
Nh thế nghĩa là nếu bị kích động nhỏ mà góc tăng lên thì sự biến đổi năng
lợng nội bộ sẽ làm cho nó giảm xuống giá trị ban đầu
a
. Kết quả sẽ tơng tự nếu góc
giảm xuống một lợng .
Tóm lại là tại điểm a hệ thống có khả năng tự khôi phục chế độ ban đầu, tức là có
ổn định tĩnh.
Thực ra góc sẽ dừng lại tại
a
sau một số dao động tắt dần (hình 2.24) đờng 1.
0
a
0
gh
90=
b
P
Hình 2-24
P
T
=
P
0
b
P
P
max
=P
gh
a
1
2
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 30 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Tại điểm b tình hình ngợc lại điểm a, khi góc tăng lên một lợng thì công
suất điện lại giảm đi một lợng P khiến cho công suất cơ lớn hơn công suất điện, làm
cho rotor bị tăng tốc và góc tăng lên mãi, chế độ ở đây không có ổn định tĩnh (đờng
2 hình 2.24).
2.3.3. Độ dự trữ ổn định
Nếu nh chế độ làm việc của hệ thống có công suất phát là P
0
, thì độ dự trữ ổn
định tĩnh của chế độ đó đợc định nghĩa nh sau:
[]
%
max
100
P
PP
100
P
PP
K
0
0
0
0gh
t
=
=
(2.49)
Thực tế vận hành cho thấy rằng một chế độ muốn thực hiện đợc chẳng những
phải có ổn định tĩnh mà còn phải có một dự trữ ổn định tĩnh nhất định. Theo tiêu chuẩn
Liên Xô cũ một chế độ làm việc đảm bảo nếu nó có độ dự trữ ổn định tĩnh K
t
20%.
Chế độ xác lập xảy ra sau khi HTĐ bị sự cố có thể cho phép làm việc với độ dự
trữ 8% nhng chỉ đợc kéo dài trong thời gian ngắn rồi phải có biện pháp nâng cao.
Độ dự trữ ổn định còn có thể tính theo các thông số khác của chế độ góc , điện áp U.
2.3.4. ảnh hởng của điện kháng của HTĐ đến ổn định tĩnh
Từ biểu thức:
X
UE
P =
max
Ta thấy công suất truyền tải cực đại tỉ lệ nghịch với điện kháng của HTĐ.
Trong các thành phần của X
thì điện kháng của MPĐ có giá trị lớn hơn nhiều so
với điện kháng của các MBA và đờng dây tải điện, nó có thể chiếm đến 2/3 điện
kháng toàn hệ thống. Trên hình 2.25 là sơ đồ thí dụ về tỉ lệ giữa các điện kháng của các
phần tử của HTĐ.
Đờng biểu diễn quan hệ giữa P
max
và X là đờng hyperbol (đờng 1 hình 2.26).
Trong thực tế khi X của hệ thống tăng lên sẽ kéo theo sự tăng lên của E vậy P
max
cũng
sẽ tăng lên một chút (đờng 2 hình 2.26), từ đồ thị ta thấy công suất truyền tải vào hệ
thống phụ thuộc nhiều vào điện kháng của HTĐ trong đó điện kháng của máy phát giữ
vai trò quan trọng. Muốn tăng khả năng tải của HTĐ cần phải giảm X bằng cách giảm
điện kháng của MPĐ.
MBA
1
ĐD 220kV, 200km
M
P
MBA
2
Hình 2-25
Điện kháng
MP MBA
1
ĐD MBA
2
100% 13% 25% 13%
P
max
Hình 2-26
1
2
X
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 31 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Máy phát có điện kháng nhỏ sẽ đắt tiền hơn cho nên chỉ trong các trờng hợp đặc
biệt nh tải điện đi quá xa ngời ta mới chế tạo ra máy phát đặc biệt có điện kháng nhỏ
theo yêu cầu.
Một biện pháp hết sức quan trọng khác để giảm ảnh hởng của điện kháng máy
phát là sử dụng các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ các MPĐ.
2.3.5. ảnh hởng của thiết bị tự động điều chỉnh kích thích (TĐK) đến ổn định tĩnh
ảnh hởng của TĐK đến ổn định tĩnh ở chỗ nó làm thay đổi đờng đặc tính công
suất làm cho công suất cực đại tăng lên rất nhiều.
Ta hãy xét quá trình làm việc của TĐK trên hình vẽ 2.27
Chế độ làm việc ban đầu là P
0
,
0
khi không có dòng điện kích thích
luôn là hằng số, cho nên
q
E
= hs.
Khi đó nếu nh công suất tăng lên
thì điểm làm việc a sẽ trợt theo
đờng đặc tính công suất
Eq
P tức là
đờng 1, đặc tính này có P
gh0
.
Giả thiết rằng MPĐ có trang bị
TĐK loại tỷ lệ giữ cho
q
E
= hs. Khi
công suất tăng lên, để cho
q
E
= hs.
Thì
q
E
cũng phải tăng lên một chút,
do đó mà điểm a không thể trợt
trên đờng đặc tính số 1 mà nó phải đi lên đờng đặc tính công suất số 2 ứng với
q
E đã
thay đổi, ta có điểm b trên đờng 2. Cứ tiếp tục xây dựng nh vậy ta có đờng cong
abcedfg là đờng cong ứng với TĐK loại tỷ lệ.
Từ đồ thị vừa xây dựng ta thấy các đờng đặc tính công suất khi có TĐK có góc
cực đại và công suất cực đại lớn hơn nhiều so với không có TĐK, TĐK loại mạnh tốt
hơn loại tỷ lệ.
Điều đó làm cho góc giới hạn ổn định và công suất giới hạn ổn định đều rất lớn,
các góc vợt qua 90
0
. Nhng trong thực tế vận hành ổn định đợc đảm bảo chắc chắn
với góc 90
0
cho nên công suất giới hạn đợc lấy ứng với công suất này, còn ở ngoài
góc 90
0
hệ thống chỉ có thể làm việc với các thiết bị điều chỉnh đặc biệt, không có vùng
không nhạy vì thế vùng này đợc gọi là vùng ổn định nhân tạo, còn vùng với < 90
0
là
vùng ổn định tự nhiên.
Kết luận trên đây cũng có thể thấy đợc khi khảo sát các đờng đặc tính công
suất
,Eq
P P
E'q
, P
UF
. TĐK loại tỷ lệ cho P
gh
lớn hơn từ 1,3 đến 1,6 so với không có TĐK.
TĐK loại mạnh từ 1,5 đến 1,8 lần. Khi sử dụng TĐK loại mạnh trong điện kháng tổng
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
90
0
a
b
c
d
e
f
III: P
UF
II: P
E'q
I:
P
Eq
P
0
P
Hình 2-27
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 32 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
không còn thành phần điện kháng của máy phát nữa. Nh vậy tức là các thiết bị TĐK
đã có tác dụng bù điện kháng của MPĐ, làm cho ảnh hởng của nó đến ổn định tĩnh
hoặc là giảm bớt hoặc là bị triệt tiêu hoàn toàn (hình 2.28).
2.3.6. Ví dụ
Tính ổn định tĩnh của HTĐ trên hình 2.29.
Thông số của các phần tử đợc cho nh sau:
MPĐ MBA
1
MBA
2
Đờng dây 2 lộ AC 300
P
Fđm
= 240MW
80,cos =
U
Fđm
= 10,5kV
X
d
= 100%
MVA300
cos
P
S
Fdm
Fdm
=
=
S
B1đm
= 300MVA
k
1
= 242/10,5kV
U
N
= 14%
I
0
= 3%
S
B2đm
= 230MVA
k
2
= 220/121kV
U
N
= 14%
I
0
= 3%
L = 230km
km/110.7,2b
km/105,0r
km/42,0x
6
0
0
0
=
=
=
Chế độ làm việc ban đầu: U
0
= 115kV; P
0
= 220MW;
98,0cos
=
1. Tính toán thông số và chế độ.
Chọn S
cs
= 220MVA, U
cs
= 209kV và đờng dây tải điện 220kV làm cơ sở tính
toán, ta tính các tham số quy đổi trong hệ đơn vị tơng đối. Kết quả là:
Máy phát:
982,0
5,10
242
.
209
220
.
300
5,10
.
100
100
k.
U
S
.
S
U
.
100
%X
X
2
2
2
2
1
2
cs
cs
Fdm
2
dmd
F
=
==
Hình 2-28
0 90
0
P
P
gh
=1
0 90
0
P
P
gh
=1,3-1,6
0 90
0
P
P
gh
=1,5-1,8
t
E
E
q
= Hs
E'
q
U
F
t
E
t
E
E
q
= Hs
E'
q
=Hs
U
F
E
q
E'
q
U
F
= Hs
MP MBA
1
ĐD MBA
2
U=hs
Hình 2-29
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 33 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Máy biến áp:
2
2
2
cs
2
cs
2
dm2B
dm2B0
2B
2
2
2
cs
cs
dm2B
2
dm2BN
2B
2
2
2
cs
2
cs
2
dm1B
dm1B0
1B
2
2
2
cs
cs
dm1B
2
dm1BN
1B
10.45,3
220
209
.
220
230
.
100
3
S
U
.
U
S
.
100
%I
B
122,0
209
220
.
230
220
.
100
14
U
S
.
S
U
.
100
%U
X
10.05,3
220
209
.
242
300
.
100
3
S
U
.
U
S
.
100
%I
B
138,0
209
220
.
300
242
.
100
14
U
S
.
S
U
.
100
%U
X
===
===
===
===
Đờng dây:
2466,0
220
209
.10.7,2.230.2
S
U
.LB2B
061,0
209.2
220.230.105,0
U
S
.
2
LR
2
R
243,0
209.2
220.230.42,0
U
S
.
2
LX
2
X
2
6
cs
2
cs
0dd
22
cs
cs0dd
22
cs
cs0dd
===
===
===
Chế độ làm việc ban đầu:
==
==
==
1
121
220
.
209
115
U
2,0tgPQ
1
220
220
P
0
000
0
U
0
phải quy đổi chuyển vị về phía 220 kV.
2. Tĩnh độ dự trữ ổn định khi không xét B
B
, B
dd
và R
dd
Ta có sơ đồ thay thế nh sau (hình 2.30):
Điện kháng tổng:
48611220243013809820X ,,,,,
=
+
+
+
=
Ta phải tính E:
()
[][]
972,1486,1.1486,1.2,01
U
RQXP
U
XQRP
UE
22
2
0
00
2
0
00
0
=++=
+
+
+=
Công suất giới hạn:
331
4861
19721
X
EU
PP
0
gh
,
,
.,
max
====
Trong trờng hợp này công suất phát bằng công suất phụ tải P
F0
=P
0
, do đó độ dự
trữ ổn định tĩnh xác định theo công thức:
%.
,
. 33100
1
1331
100
P
PP
K
0
0gh
t
=
=
=
3. Tính độ dự trữ ổn định khi xét thêm điện trở đờng dây R
đd
jX
B1
Hình 2-30
U
0
=1
P
0
=1
Q
0
=0,2
j
X
B2
j
X
đd
/2
F
jX
jX
B1
Hình 2-31
U
0
=1
P
0
=1
Q
0
=0,2
j
X
B2
j
X
đd
/2
F
jX
jR
đd
/2
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 34 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Sơ đồ hệ thống trên hình 2.31.
Trên sơ đồ ghi các giá trị tuyệt đối của điện trở, điện kháng và dung dẫn.
Từ sơ đồ ta có:
000
0
dd
35126498790
6498748714861j0610Z
0610RR
48611220243013809820X
,,
,,,,
,
,,,,,
==
=+=
==
=
+
++=
Tính E:
0042,2
1
061,0.2,0486.1.1
1
486,1.2,0061.0.1
1
U
RQXP
U
XQRP
UE
22
2
0
00
2
0
00
0
=
+
+
+=
=
+
+
+=
Công suất giới hạn:
34781P
3512347813512
4871
100422
Z
EU
P
00
,
),sin(,),sin(
,
.,
)sin(
max
=
===
Độ dự trữ ổn định là:
[]
%,.
,
,,
. 726100
063441
06344134781
100
P
PP
K
0F
0gh
t
=
=
=
Nhận xét: tính thêm điện trở đờng dây làm cho độ dự trữ ổn định giảm đi nhiều.
4. Tính độ dự trữ ổn định khi xét đến tất cả các thông số
Ta có sơ đồ thay thế trên hình 2.32. Trong đó:
08880j10453
2
6624
jB
2
B
jY
09280j10053
2
6624
jB
2
B
jY
2
2B
dd
2
2
1B
dd
1
,.,
,
,.,
,
=
=
=
=
=
=
a. Tính chế độ làm việc ban đầu: E,
0
, P
F0
(
P
0
do có tổn thất trên
R )
jX
B1
U
0
=1
P
0
=1
Q
0
=0,2
j
X
B2
j
X
đd
/2
F
jX
jR
đd
/2
-
j
B
B1
j
B
đd
/2
1
Y
Hình 2-32
j
B
đd
/2
-
j
B
B2
2
Y
0F
P
E
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 35 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
()
()
()( )
()()
35668,0j11148,1243,0j061,0.06295,0j57111,03122,0j0244,1ZI3UU
06295,0j57111,005252,0j00625,011547,0j57736,0iII
05252,0j00625,0
3
0888,0j.122,0j0244,1
3
YU
i
122,0j0244,1122,0j.11547,0j57736,
01jX.I3UU
11547,0j57736,0
1.3
2,0j1
U
S
I
dd2
21
202
2
2
2
2B
0
0
2
0
0
+=+++=+=
=++=+=
+=
+
==
+=+=+=
=
==
()
05955,0j01911,0
3
0928,0j.35668,0j11148,1
3
YU
i
1
1
1
+=
+
==
()( )
00340,0j55200,005955,0j01911,006295,0j57111,0iII
121
=++=+=
() ()()
138,0982,0j.00340,0j55200,0335668,0j11148,1XXI3UE
1BF
1
1
+++=++=
0
027,50;73588,1E33187,1j11749,1 ==+=
()( )
[
]
06055,100340,0j55200,0.33187,1j11749,1.3ReIE3ReP
1
0F
=+=
=
Ta thấy, khi tính đến dung dẫn của đờng dây thì dòng CSPK trên lới điện sẽ
nhỏ đi, do đó tổn thất CSTD sẽ giảm đi, dẫn đến công suất phát của nhà máy điện sẽ
nhỏ hơn so với không xét đến dung dẫn.
b. Tính Z
11
, Z
12
, Z
22
, và P
max
Sơ đồ thay thế rút gọn của hệ thống là hình 2.33a.
Ta đặt:
===
===
26126,11j
0888,0j
1
Y
1
jX
77586,10j
0928,0j
1
Y
1
jX
2
2
1
1
Ta biến đổi tam giác jX
1
, R
đd
+ jX
đd
, iX
2
thành sao
321
ZZZ
,, thoả mãn:
j
X
F
+
j
X
B1
U
0
j
X
B2
j
X
đd
R
đd
1
Y
Hình 2-33
2
Y
0F
P
E
3
Z
a)
1
Z
2
Z
3
Z
b)
1
Z
2
Z
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 36 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
()
(
)
()
()
56805j015580
2612611j2430j06107758610j
2612611j7758610j
jXjXRjX
jXjX
Z
125470j031870
2612611j2430j06107758610j
2430j06102612611j
jXjXRjX
jXRjX
Z
1200j03050
2612611j2430j06107758610j
2430j06107758610j
jXjXRjX
jXRjX
Z
2dddd1
21
3
2dddd1
dddd2
2
2dddd1
dddd1
1
,,
,,.,
),).(,(
.
,,
,,.,
, ,
.
,,
,,.,
, ,
.
=
++
=
+++
=
+=
++
+
=
+++
+
=
+=
++
+
=
+++
+
=
Sơ đồ thay thế cuối cùng của hệ thống là hình 2.33b, trong đó:
()
56805j015580ZZ
247470j03870125470j0318701220jZjBZ
1401j300501200j030500021jZXXjZ
33
2
2
2
1
1BF
1
,,
,,,,,
,,,,,
=
=
+=++=
+=
+=++=
++=
Ta tính
1211
ZZ
,
:
000
12
0
21
21
2112
000
11
0
32
32
111
2952705879070587338071336961j054630
ZZ
ZZ
ZZZ
6312369879036987400311398781j065370
ZZ
ZZ
ZZ
,,,,,,
.
,,,,,,
.
===+=
+
++=
===+=
+
+=
()
()
()
396081297301098780P
2952297301098780
2952
338071
1735881
6312
400311
735881
Z
EU
Z
E
P
0
00
2
12
12
11
11
2
,,,
,sin,,
,sin
,
.,
,sin
,
,
sinsin
max
=+=
+=
=+=+=
Độ dự trữ ổn định là:
%,.
,
,,
36731100
060551
060551396081
K
t
=
= .
Nhận xét: Tính đến dung dẫn làm cho độ dự trữ ổn định giảm đi so với không tính
đến dung dẫn vì dung dẫn làm cho cos
của nguồn điện tăng lên, làm giảm điện áp của
nguồn điện.
Đ2.4. ổn định tĩnh của HTĐ Gồm 2 nmđ lm việc song song.
2.4.1. Đặc tính công suất
Sơ đồ của HTĐ gồm hai nhà máy điện làm việc song song trên hình 2.34.
Nhà máy điện số 1 và 2 có công suất tơng đơng với nhau, vì vậy điện áp U trên
cực phụ tải không phải là hắng số mà nó biến đổi theo sự biến đổi công suất của các
nhà máy. Nhà máy số 1 là nhà máy cần xét ổn định còn nhà máy số 2 thờng là đẳng
trị của các nhà máy còn lại trong HTĐ.
MP
1
BA
1
ĐD BA
2
hsU
BA
3
MP
2
Hình 2-34
pt
S
P
P
1
P
2
Chơng 2: ổn định tĩnh của Hệ thống điện - 37 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Vì điện áp U hs cho
nên ở đây bắt buộc phải xét
đến sự biến đổi của đặc tính
công suất và sự biến đổi của
phụ tải theo các đờng đặc
tính tĩnh.
Ta hãy xét sự biến đổi
công suất P
1
khi hệ thống
làm việc theo góc
giữa E
1
và U.
Trên hình 2.35, giả
thiết rằng hệ thống đang
làm việc ở chế độ ban đầu,
nhà máy 1 có P
0
và
0
và điểm làm việc là điểm a. Bây giờ công suất điện tăng lên, lẽ
ra nếu U = hs thì điểm làm việc sẽ trợt trên đờng đặc tính công suất 1 nhng do U
giảm đi cho nên điểm làm việc phải chuyển qua đờng đặc tính công suất số 2, điểm b,
tơng ứng với điện áp U đã giảm, cứ nh vậy ta sẽ xây dựng đợc đờng đặc tính công
suất khi xét đến sự thay đổi của U đờng abcd. Từ đờng đặc tính công suất này ta
thấy P
max
và
gh
giảm hơn nhiều so với U = hs (P
max0
và 90
0
). Nếu lấy ở mỗi điểm
a,b,c,d, cặp các giá trị tơng ứng của công suất P và
điện áp U ta sẽ vẽ đợc quan hệ U = f (P) (hình 2.36).
các đờng U = f(P) trên hình 2.36 đợc vẽ ứng với
các đờng đặc tính tĩnh khác nhau của phụ tải, ta thấy
rằng khi hiệu ứng điều chỉnh của phụ tải càng lớn thì
công suất cực đại càng lớn. Nh vậy hiệu ứng điều
chỉnh của phụ tải càng lớn thì ảnh hởng của nó đến
ổn định càng tốt vì nó cho P
max
và
gh
cao.
2.4.2. Tiêu chuẩn ổn định khi thay phụ tải bằng
tổng trở cố định
Thay phụ tải bằng tổng trở cố định là phơng
pháp đơn giản nhất để xét ảnh hởng của phụ tải đến
ổn định HTĐ. Phụ tải đợc thay thế bởi tổng trở tính
theo các biểu thức (2.39) và (2.40).
Sơ đồ thay thế tối giản của hệ thống là sơ đồ
hình T (hình 2.37)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
gh
90
0
a
b
c
d
e
f
U=Hs
P
P
1max0
P
1gh
=P
1max
P
10
Hình 2-35
g
P
10
P
gh1
P
gh2
P
gh3
P
Hình 2-36
U
0
Hình 2-37
1
1
1
E
Q
P
3
Z
1
Z
2
Z
2
2
2
E
Q
P
