PHƯƠNG PHÁP MÁY PHÁT ĐẲNG TRỊ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

PHƯƠNG PHÁP MÁY PHÁT ĐẲNG TRỊ ĐÁNH GIÁ ỔN
ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
SINGLE MACHINE EQUIVALENT METHOD FOR ASSESSING
THE TRANSIENT STABILITY OF POWER SYSTEMS
HẠ ĐÌNH TRÚC
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo trình bày phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động của hệ thống điện (HTĐ).
Phương pháp kết hợp được ưu điểm của cả hai phương pháp tính toán trực tiếp và mô phỏng theo thời
gian được đề xuất vào những năm gần đây. Kết quả áp dụng tính toán cho hệ thống điện gồm 3 máy phát
và 9 trạm biến áp, xét trong các trường hợp sự cố khác nhau cho thấy phương pháp này cung cấp những
thông tin hữu ích và cần thiết về việc phân tích, đánh giá ổn định động của hệ thống điện cho người thiết
kế và vận hành hệ thống.
ABSTRACT
This paper presents an investigation into the single machine equivalent (SIME) regarded as a viable
method for both offline and online transient stability assessment. This method takes the advantage of both
time simulation and direct methods, which have been proposed recently. The approach is illustrated on a
three-machine test system with nine transformer stations. The results from different contingencies show
that the SIME provides system operators and analyzers with useful and important information concerning
the analysis and assessment of the transient stability of power systems.
1. Đặt vấn đề
Đánh giá ổn định động của hệ thống điện là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất
trong quá trình thiết kế và vận hành HTĐ. Năm 1920, ổn định động của HTĐ lần đầu tiên được
chú ý đến như là một trong những nhiệm vụ quan trọng của việc thiết kế và vận hành khi các
HTĐ nhỏ được nối kết với nhau thành một hệ thống lớn [1]. Qua hơn 50 năm, với nhiều công
trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới cùng với sự phát triển của công nghệ
bán dẫn và công nghệ thông tin, lý thuyết cũng như những công cụ phân tích và đánh giá ổn
định động của HTĐ đã cơ bản hình thành. Tuy vậy, từ năm 1990 do yêu cầu điện năng tăng
vượt bậc, nhiều HTĐ lớn liên kết các HTĐ giữa các vùng của một quốc gia hoặc giữa nhiều
quốc gia như HTĐ 500 KV Việt Nam, HTĐ Bắc Mỹ đã hình thành. Việc đánh giá ổn định
động cho những HTĐ phức tạp này là một trong những vấn đề nan giải, đặc biệt khi xét hệ

thống vận hành trong thời gian thực. Các phương pháp đánh giá ổn định động đã được đề xuất
trước đó như phương pháp mô phỏng theo thời gian hay phương pháp hàm năng lượng đều xuất
hiện những nhược điểm nhất định. Thực tế cho thấy việc áp dụng các kết quả tính toán, phân
tích và đánh giá ổn định động của HTĐ bằng 2 phương pháp trên vào vận hành các HTĐ lớn đã
dẫn đến mất điện của cả khu vực rộng lớn, ví dụ như mất điện vùng đông bắc của nước Mỹ vào
năm 1965 [1] và hầu hết cả khu vực Bắc Mỹ vào ngày 14 tháng 8 năm 2003 [2]. Phương pháp
mô phỏng theo thời gian có thể cho kết quả chính xác tuy nhiên thời gian tính toán khá lâu nên
không thể áp dụng đánh giá ổn định theo thời gian thực. Trong khi đó phương pháp hàm năng
lượng có thể cho kết quả tính toán nhanh nhưng độ chính xác không cao do những vấn đề liên
quan đến mô hình hóa HTĐ [1] [3] [4]. Để có thể tận dụng ưu điểm của cả 2 phương pháp mô
phỏng theo thời gian và phương pháp tính trực tiếp, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc hình
thành nên một phương pháp hổn hợp (hybrid method) để đánh giá ổn định động của HTĐ.
Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] được xem là một phương pháp kết hợp có khả năng
ứng dụng vào thực tế để đánh giá nhanh độ ổn định động của HTĐ trong quá trình thiết kế và
vận hành.
2. Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5]
2.1. Tinh thần của phương pháp
SIME được phát triển từ phương pháp tính trực tiếp, đó là phương pháp tiêu chuẩn diện
tích mở rộng (Extended Equal – Area Criterion (EEAC)) [6] và phương pháp mô phỏng theo
thời gian. Một cách tổng quát, phương pháp này xác định khả năng mất đồng bộ của các máy
phát trong HTĐ nhờ vào việc quan sát quá trình chia tách các máy phát trong HTĐ thành hai
nhóm riêng biệt khi có các tác nhân kích thích như sự cố ngắn mạch. Hai nhóm máy phát này
sau đó được thay thế bằng hai máy phát đẳng trị và cuối cùng được thay thế bằng một máy phát
đẳng trị nối vào một HTĐ có công suất vô cùng lớn. Điểm khác biệt cơ bản giửa SIME và
EEAC là phương pháp SIME tính toán đường đặc tính công suất của máy phát đẳng trị nối vào
HTĐ công suất vô cùng lớn dựa trên những số liệu lấy từ chương trình mô phỏng theo thời gian
giải hệ phương trình vi phân từ (1-1) đến (1-4)- mô hình hóa toán học của các thiết bị trong
HTĐ như các máy phát, động cơ, và mạng điện.
kskk
k

dt
d
ωωω
δ
∆=−=
(1-1)
)(
1
kkekmk
k
k
DPP
Mdt
d
ω
ω
∆−−=
∆
(1-2)
)sin(
'
'
Vkk
dk
kk
ek
X
VE
P
δδ

−=
(1-3)
)41(
2
1
21
21
2212221
111211
2
1
−









































=





















n
i
nnninn
iniiii
n
ni
n
i
V
V
V
V
YYYY
YYYY
YYYY
YYYY
I

I
I
I










Giá trị của góc lệch roto của 2 máy phát đẳng trị cũng như một máy phát đẳng trị nối vào
HTĐ công suất vô cùng lớn
NC
δδ
,
và
)(t
δ
đạt được từ việc giải các phương trình (1-5)
đến (1-13) với giá trị góc lệch roto của các máy phát trong HTĐ được tính toán từ chương trình
mô phỏng theo thời gian.
∑
∈
=
Ck
kC
MM

∑
∈
=
Nj
jN
MM
(1-5)
NC
NC
MM
MM
M
+
=
(1-6)
C
Ck
kk
C
M
M
∑
∈
=
δ
δ
N
Nj
jj
N

M
M
∑
∈
=
δ
δ
(1-7)
C
Ck
kk
C
M
tM
t
∑
∈
=
)(
)(
ω
ω
N
Nj
jj
N
M
tM
t
∑

∈
=
)(
)(
ω
ω
(1-8)












+=
∑
∑
∈
∈
N
Nj
mj
C
Ck
mk

m
M
tP
M
tP
MtP
)(
)(
)(
(1-9)












+=
∑
∑
∈
∈
N
Nj
ej

C
Ck
ek
e
M
tP
M
tP
MtP
)(
)(
)(
(1-10)
NC
t
δδδ
−=
)(
(1-11)
)()()( ttt
NC
ωωω
−=
(1-12)
)()()( tPtPtP
ema
−=
(1-13)
Trong đó: C ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả năng mất ổn định
N ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả năng ổn định cao

)(t
δ
và
)(t
ω
là giá trị của góc lệch và tốc độ của roto của máy phát đẳng
trị nối vào HTĐ công suất vô cùng lớn.
2.2. Sơ đồ thuật toán
Dựa vào các phương trình (1-1) đến (1-13), thuật toán tổng quát cho việc đánh giá ổn
định động của HTĐ bằng phương pháp SIME được hình thành như sơ đồ hình 1.1.
Hình 1.1. Thuật toán đánh giá ổn định động của HTĐ bằng SIME
2
min
.
max
.
.
ωω
ω
+
>
k
Tác nhân kích thích
(ngắn mạch 3 pha)
Trạng thái vận hành của HTĐ
Tính toán δ
k
, ω
k
,

Phân bố tối ưu công suất
Đúng
Sai
Dữ liệu của HTĐ

Máy phát đẳng trị có khả năng mất
ổn định
δ
CM
, ω
CM
,
Máy phát đẳng trị có khả năng ổn
định động cao
δ
NM
, ω
NM
,
Hệ thống 1 máy phát đẳng trị δ
eq
, ω
eq
,

Xác định S
tt
(A
acc
)

Đúng
P
a
> 0
Sai
Xác định S
gt
(A
dec
)
Đúng
S
tt
< S
gt
0
180<
eq
δ
Sai
Hệ thống không ổn định
Xác định
Kết thúc
Sai
Hệ thống ổn định
Xác định
Kết thúc
Hệ thống hoàn toàn mất
ổn định
Đúng

Sai
t
i
< t
cl
Bắt đầu
Đúng