ổn ĐỊNH điện áp trong hệ thống điện

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

TS. NGUYỄN ĐĂNG TOẢN
Khoa Hệ Thống Điện
Đại học Điện Lực

1


Các câu hỏi










Thế nào là ổn định điện áp
Phân biệt giữa ổn định góc (tính chất đồng bộ hóa)?
Các loại mất ổn định điện áp, và khoảng thời gian?
Vai trò của việc truyền tải công suất tác dụng và phản kháng
như thế nào?
Hiện tượng động hay tĩnh (static or dynamic)?
Các yếu tố ảnh hưởng
Ví dụ mô phỏng sự sụp đổ điện áp
Các biện pháp đối phó?

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

2


1.1 Thế nào là ổn định điện áp




Ổn định điện áp liên quan đến sự ổn định của tải (load
stability)
Theo địnhnghĩa của IEEE/CIGRE




Ổn định điện áp:Là khả năng một htd vẫn còn duy trì được mô
dun điện áp của các nút trong một khoảng giới hạn cho phép sau
khi trải qua các kích động.

Một tải nối với HTĐ qua một đường dây đơn, liên quan trực
tiếp đến ổn định điện áp
Tải



Ổn định góc liên quan đến sự đồng bộ của MPĐ

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

3


1.1 Thế nào là ổn định điện áp


So sánh giữa ổn định góc rô to và ổn định điện áp






Khoảng thời gian xảy ra mất ổn định điện áp





Nghiên cứu ổn định góc MPĐ là nghiên cứu khả năng
dẫn đến mất đồng bộ của các MPĐ dựa trên phương
trình chuyển động của MPĐ
Nghiên cứu ổn định điện áp liên quan đến sự sụp đổ
điện áp trong khi giả thiết các MPĐ vẫn giữ ở trạng
thái đồng bộ
Ngắn hạn

Dài hạn

Thông thường bắt đầu từ một vùng tải, sau đó lan rộng ra, có
thể dẫn đến mất điện trên diện rộng
10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

4


10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

5


1. 2 Cơ chế xảy ra mất ổn định điện áp


Một phần của HTĐ đang mang tải nặng, và tiếp theo đó là
một số đường dây/MPĐ bị cắt ra:











Điện áp bị suy giảm
Các phụ tải “nhạy” với sự thay đổi điện áp sẽ giảm giá trị, và
HTĐ được ổn định trở lại
Nếu các đường dây bị mất ra do ngắn mạch, sẽ làm cho các
Động cơ điện giảm tốc độ và cần nhiều công suất phản kháng,
và có thể dẫn đến hiện tượng tự dừng

Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp sẽ cố gắng khôi phục
lại giá trị phụ tải ở giá trị điện áp bình thường
Việc khôi phục lại phụ tải lại càng làm cho HTĐ bị quá tải hơn,
và dẫn đến điện áp mất ổn định và sụp đổ
Có thể nói ổn định điện áp liên hệ chặt chẽ với sự ổn định của
tải, có thể nói là sự cân bằng giữa tải và khả năng dự trữ của
nguồn
10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

6


1. 2 Cơ chế xảy ra mất ổn định điện áp
thời tiết

Cắt quá tải

Mất ổn định
góc
Dao động

Nặng
Tải

P
Q

Sự
mất đồng bộ

Line

G

Cắt MPTĐ,đ/dây

thiếu Q

Tan rã HTĐ

Sự cố
Nguy hiểm

Mất ổn định
Tần số

G

Max Q

Quá tải
G
line

V? V thấp

Max tap
V giảm
Tổn thất
Q

đ/d dài

G

Load

Mất ổn định
Điện áp
10/29/15

V

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

Sụp đổ điện áp

Q?

HTĐ

Mất đồng bộ

G
line

P

7


1.3 Ổn định điện áp trong khoảng ngắn hạn


Khoảng thời gian ngắn hạn liên quan đến các động cơ điện,
đặc biệt là các tải điều hòa, bơm nhiệt…









NM làm giảm tốc độ của các ĐCĐ của điều hòa, yêu
cầu dòng điện lớn để mở máy các ĐCĐ này.
Các ĐCĐ có thể bị dừng, làm giảm quá trình phục hồi

điện áp nhanh sau khi NM bị loại trừ
Các động cơ máy nén khí chỉ bị cắt sau vài giây quá
nhiệt sau khi bị dừng
Sự mất ổn định điện áp diễn ra sau vài giây
Nhắc lại đặc tính động cơ điện,

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

8


1.3 Ổn định điện áp trong khoảng ngắn hạn


Mô men của ĐCĐ tỉ lệ với bình phương của điện áp



Đặc tính Moomen-Tốc độ cho động cơ công suất 5 mã lực, 1
pha, động cơ máy nén khí của điều hòa không khí

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

9

1.3 Ổn định điện áp trong khoảng ngắn hạn


Ổn định điện áp ngắn hạn: Vùng Phoenix



Điện áp giảm còn 58.4V trong khoảng thời gian 15.8s dưới
ngưỡng
10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

10


1.3 Ổn định điện áp trong khoảng ngắn hạn


Lượng công suất phản kháng tăng vọt

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

11


1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn


Sự mất ổn định điện áp trong khoảng thời gian dài chủ yếu
liên quan đến sự vận hành của các thiết bị điều khiển như:
ULTC, OEL




Các thiết bị này cố gắng phôi phục lại điện áp của các
tải nhạy điện áp
Thời gian thường từ vài chục giây đến, vài chục phút

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

12


1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn


Mất ổn định điện áp trong khoảng thời gian dài còn có nguyên
nhân từ các loại tải không phụ thuộc điện áp như là các phụ
tải nhiệt





Nếu không có sự mô tả chi tiết các mô hình tải, mà chỉ
thay thế bằng S=P+JQ thì sẽ cần thêm công suất
phản kháng khi điện áp thấp
Khoảng thời gian cỡ vài chục phút

Sự khôi phục tải có thể dẫn đến sự quá tải công suất phản
kháng của các máy phát điện.


Các thiết bị giới hạn kích từ sẽ tác động để đưa dòng
điện kích từ về giá trị định mức

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

13


1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn










Sự cố tan rã htđ Sweden/Denmark 23/92003
Trong HTĐ Sweden, 2 đ/d 400kV và 4 tổ máy của NMĐ hạt
nhân bị cắt ra cho mục đích bảo dưỡng
Lúc 12h30, mất một tổ máy 1200MW tại miền nam Sweden
Lúc 12h35, sự cố tại thanh góp kép tại một TBA tại miền nam
Sweden làm mất 2 tổ máy của nhà máy điện hạt nhân khác,
mất 900MW
Sảy ra sụp đổ điện áp sau 97s sau đó
Mất điện vùng nam Sweden và đông Denmark
4700MW tải bị cắt ở Sweden và 1850MW bị cắt ở Denmark

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

14


1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

15


1.4 Ổn định điện áp trong khoảng dài hạn

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

16


1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản


Xét HTĐ đơn giản có sơ đồ thay thế 1 pha như hình vẽ:

Z = R + jX ⇒ Y = G − jB (B > 0)


S = P + jQ12

R=0, Z=jX, => Y=1/Z
12 = -jB12

Nút 1
V1

+

V2

Nút 2
I

Z=R+jX

V2

V1

_

_
10/29/15

+

S12

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

SD=-S12

17


1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản


Khai triển ta có

P12 =| V1 |2 G − | V1 || V2 | G cos(δ1 − δ 2 )+ | V1 || V2 | B sin(δ1 − δ 2 )
Q12 =| V1 |2 B− | V1 || V2 | B cos(δ1 − δ 2 )− | V1 || V2 | G sin(δ1 − δ 2 )


Giả sử đường dây là không tổn thất, R=0 hay G=0

P12 =| V1 || V2 | B sin(δ1 − δ 2 )
Q12 =| V1 |2 B− | V1 || V2 | B cos(δ1 − δ 2 )

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

18


1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản


Giả sử rằng: δ12=δ1-δ2≈0, thì sinδ12 ≈ δ12 , cosδ12 ≈ 1

P12 =| V1 || V2 | B(δ12 )

Q12 =| V1 | B( | V1 | − | V2 |)




C/s tác dụng P phụ thuộc góc công suất δ12 và,c/s tác dụng
chạy từ nơi góc lớn về nơi góc nhỏ
C/s phản kháng Q phụ thuộc vào mô đun điện áp và chạy từ
nơi có điện áp cao về nơi có điện áp thấp

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

19


1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản



Người ta mong muốn giảm Q truyền tải vì
Tổn thất cs tác dụng/phản kháng trên đường dây:

∆P = I 2 R và ∆Q = I 2 X







Ta có:

2
2
P
+
jQ
P
−

jQ
P
+
Q




I 2 = I.I* = 
  *  =
2

V
V
V




Do đó tổn thất là:

P 2 + Q2
P2 + Q2
∆P =
R và ∆Q =
X
2
2thất Q
=> Giảm Q sẽ giảm
tổn

thất
P,
và
tổn
V
V
=>Giữ V cao sẽ giảm tổn thất, nâng cao ổn định điện áp

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

20


1.5 Ổn định điện áp trong HTĐ đơn giản


Thực tế đường dây được vận hành khá gần điện áp danh
định ±(5-10)% ở mọi điểm trên đường dây, do đó sẽ rất khó
để truyền tải Q vì đường dây nhìn chung là tiêu thụ Q. Ngoài
ra người ta không muốn truyền tải nhiều Q trên đường dây vì
các lý do sau:








Cho dù đường dây không tổn thất (R=0) thì vẫn có tổn
thất Q=> rất khó để truyền tải Q đi xa
Giảm Q truyền tải trên đường dây sẽ giảm tổn thất P
Giảm Q truyền tải trên đường dây cũng giảm tổn thất
Q( tiết kiệm chi phí đầu tư)
Vấn đề ổn định điện áp
Gây ra quá điện áp tạm thời khi mà mất tải đột ngột
10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

21


1.6 Đường cong PV và VQ/QV


Ở phía tải: ta có SD=PD+jQD=-(P12+ jQ12)

PD = −P21 = − | V1 || V2 | B sin(δ 2 − δ1 )
=| V1 || V2 | B sin(δ1 − δ 2 )
Q D = −Q 21 = − | V2 |2 B+ | V1 || V2 | B cos(δ 2 − δ1 )


Đặt: δ12=δ1-δ2

= − | V2 |2 B+ | V1 || V2 | B cos(δ1 − δ 2 )

PD =| V1 || V2 | B sin δ12

Q D = − | V2 |2 B+ | V1 || V2 | B cos δ12

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

22


1.6 Đường cong PV và VQ/QV


Gọi ϕ là góc công suất là góc lệch pha giữa V2 và I

ϕ = ∠V2 − ∠I



Với ϕ >0 là I chậm sau V, ϕ <0 là I vượt trước V

Công suất tải được tính như sau

SD = V2 I* =| V2 || I | e jϕ
=| V2 || I | (cos ϕ + j sin ϕ)



sin ϕ
=| V2 || I | cos ϕ(1 + j
)

cos ϕ
Đặt β=tanϕ ta có:= PD (1 + j tan ϕ)
SD = PD + jQ D = PD (1 + jβ)
10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

23


1.6 Đường cong PV và VQ/QV


Do đó, ta có các phương trình sau:

PD =| V1 || V2 | B sin δ12
Q D = − | V2 |2 B+ | V1 || V2 | B cos δ12

SD = PD + jQ D = PD (1 + jβ)


Nếu biểu diễn theo PD và QD ta có:

Q D = PDβ = − | V2 |2 B+ | V1 || V2 | B cos δ12

PD =| V1 || V2 | B sin δ12

PDβ+ | V2 |2 B =| V1 || V2 | B cos δ12

Bình phương hai vế của P, Q ta có

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

24


1.6 Đường cong PV và VQ/QV
2

PD + (PDβ+ | V2 |2 B) 2 =| V1 |2 | V2 |2 B2 (sin 2 δ12 + cos 2 δ12 )
2

⇒ PD + (PDβ+ | V2 |2 B) 2 =| V1 |2 | V2 |2 B2


Rút gọn ta có:

(| V | )

2 2

2



2

[

]

PD
 2PDβ
2
2
+
− | V1 |  | V2 | + 2 1 + β 2 = 0
B
 B


Đây là phương trình bậc 2 của |V2|2 do đó có nghiệm là:

2
4

|
V
|
β
P
|
V
|
PD  PD
2
2 
1

D
1
| V2 | =
−
± 
−  + β | V1 | 
2
B
BB

 4

10/29/15

NGUYÊN ĐĂNG TOẢN

25