Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.72 MB, 77 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
TRẦN THỊ TUYẾT NHUNG
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
TRẦN THỊ TUYẾT NHUNG
NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP
CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Hùng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày tháng năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Họ và tên
TT
Chức danh Hội đồng
1
PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
Chủ tịch
2
TS. Nguyễn Minh Tâm
Phản biện 1
3
TS. Đinh Hoàng Bách
Phản biện 2
4
PGS.TS. Trần Thu Hà
Ủy viên
5
PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Ủy viên, thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
PGS.TS. Nguyễn Thanh Phƣơng
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thị Tuyết Nhung
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 12/9/1974
Nơi sinh: Quảng Bình
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV: 1441830034
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu cải thiện chất lƣợng điện áp hệ thống điện.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-
Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
-
Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để
cải thiện chất lượng điện áp.
-
Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
-
Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm
MATLAB/ SIMULINK.
-
Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện Hòa Hưng – Thiện
Thuật.
-
Nhận xét, đánh giá kết quả.
III- Ngày giao nhiệm vụ
: Tháng 12/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 06/2016
V- Cán bộ hƣớng dẫn
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
TS. Nguyễn Hùng
: TS. Nguyễn Hùng
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
PGS.TS. Nguyễn Thanh Phƣơng
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện
Trần Thị Tuyết Nhung
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài
luận văn cao học của mình, có được kết quả này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với
Thầy TS. Nguyễn Hùng, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy trong bộ môn đã trang bị kiến thức
bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên
Trần Thị Tuyết Nhung
iii
TÓM TẮT
Đề tài “Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện” đã giải
quyết các vấn đề sau :
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để
cải thiện chất lượng điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm
MATLAB/ SIMULINK nhằm cải thiện chất lượng điện áp.
- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện Hòa Hưng – Thiện
Thuật.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
iv
ABSTRACT
Thesis “Research to improve the voltage quality in power system” have
resolved the following issues :
- Theoretical study voltage stability in power system.
- STATCOM theoretical research and its application in power systems to
improve voltage quality.
- Research using the software MATLAB / SIMULINK.
- Application simulation model STATCOM in the power system on the
software MATLAB / SIMULINK to improve the voltage quality.
- Applications in real power system 3 buttons, 4 buttons and grid Hoa Hung Thien Thuat.
- Reviews, evaluate the results.
v
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan ...............................................................................................................i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Tóm tắt ...................................................................................................................... iii
Abstract ......................................................................................................................iv
Mục lục ........................................................................................................................ v
Danh mục các từ viết tắt…………………………………………………………..viii
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, hình ảnh .....................................................................ix
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ............................................................................................2
1.3 Phương pháp giải quyết........................................................................................2
1.4 Giới hạn đề tài ......................................................................................................3
1.5 Điểm mới của luận văn ........................................................................................3
1.6 Phạm vi ứng dụng ................................................................................................3
1.7 Bố cục của luận văn .............................................................................................3
1.8 Một số nghiên cứu có liên quan ……………………………………………… 3
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH ÁP ...............................................4
2.1. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ................................................................5
2.1.1. Các chế độ ..................................................................................................5
2.1.2. Chế độ xác lập bình thường........................................................................6
2.2. Tổng quan về ổn định hệ thống điện ....................................................................8
2.2.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện ......................................................8
2.2.2. Ổn định hệ thống điện ................................................................................9
2.2.3. Phân loại ổn định hệ thống điện ...............................................................11
2.2.4. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện.......................................................12
2.3. Ổn định điện áp trong hệ thống điện ..................................................................17
2.3.1. Khái niệm .................................................................................................17
vi
2.3.2. Các tiêu chuẩn ổn định áp ........................................................................17
2.3.3. Nguyên nhân làm mất ổn định điện áp .....................................................19
2.3.4. Phân loại ổn định điện áp .........................................................................19
2.3.5. Điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện ...................................................20
2.3.6. Đánh giá ổn định áp qua đường cong PV, QV .........................................23
CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG STATCOM VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỂ CẢI
THIỆN CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP. .......................................................................25
3.1 Bù công suất phản kháng ....................................................................................25
3.1.1 Công suất phản kháng ...............................................................................25
3.1.2 Nguyên lý bù công suất phản kháng .........................................................25
3.1.3. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng ............................................28
3.2. Thiết bị FACTS (FACTS-Flexible AC Transmission System) .........................30
3.3.Tổng quan về Statcom .........................................................................................31
3.4.Cấu trúc cơ bản ...................................................................................................33
3.5. Nguyên lý hoạt động ..........................................................................................33
3.6. Đặc tính bù của Statcom ....................................................................................36
3.7. Ưu điểm của Statcom .........................................................................................38
CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ .......................................39
4.1. Phần mềm MATLAB/SIMULINK ....................................................................39
4.2. Khảo sát mạng điện 3 nút ...................................................................................40
4.2.1. Sơ đồ đơn tuyến ........................................................................................40
4.2.2. Sơ đồ Simulink .........................................................................................41
4.2.3. Chạy mô phỏng và kết quả .......................................................................48
4.3. Mạng điện 4 bus. ................................................................................................52
4.3.1 Sơ đồ đơn tuyến .........................................................................................52
4.3.2 Sơ đồ Simulink ..........................................................................................52
4.3.3 Chạy mô phỏng và kết quả ........................................................................53
4.4. Mạng điện phân phối tuyến Hòa Hưng – Thiện Thuật. .....................................56
4.4.1 Sơ đồ đơn tuyến .........................................................................................56
vii
4.4.2 Sơ đồ Simulink ..........................................................................................57
4.4.3 Chạy mô phỏng và kết quả ........................................................................58
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ......................................................................................62
5.1 Kết luận ...............................................................................................................62
5.2 Hướng phát triển đề tài........................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................63
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Vref
Reference voltage – giá trị cài đặt điện áp
NM
Nhà máy
TBA
Trạm biến áp
HTĐXC
Hệ thống điện xoay chiều
TCSC
Thyristor controlled series capacitor – Bộ tụ bù mắc nối tiếp
EVN
Tập đoàn Điện lực Việt Nam
ISTA(Iq)
Dòng điện STATCOM
VSTA(Vq)
Điện áp STATCOM
DC
Nguồn một chiều
AC
Nguồn xoay chiều
P
Công suất tác dụng
Q
Công suất phản kháng
f
Tần số
CSPK
Công suất phản kháng
VSC
Voltage Source Converter – bộ nghịch lưu áp
GTO
Thyristor cắt
IGBT
Transistor lưỡng cực
PWM
Pulse Width Modulation - Kỹ thuật điều chế độ rộng xung
SVC
Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng
thyristor
STATCOM
Static Synchronous Compensator
AVR
Bộ điều chỉnh điện áp tự động
FACTS
IEEE
Flexible Alternating Current Transmission System - Hệ thống
truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
Institute of Electrical and Electronic Engineers
ix
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Nội dung
Trang
Hình 2.1 Sự ổn định của hệ cơ học ............................................................................9
Hình 2.2 Phân loại ổn định hệ thống điện. ..............................................................12
Hình 2.3: Hệ thống điện. ..........................................................................................14
Hình 2.4: Đường cong công suất - góc ....................................................................15
Hình 2.5: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ ..........................16
Hình 2.6: Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé .................17
Hình 2.7: Dạng đường cong PV điển hình………………………………… …….23
Hình 2.8 Dạng đường cong QV điển hình ...............................................................24
Hình 3.1: Hệ thống truyền tải điện ............................................................................26
Hình 3.2 : Minh họa nguyên lý bù công suất phản kháng ........................................27
Hình 3.3 : Giản đồ véc tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản kháng ........27
Hình 3.4 : Giản đồ vec tơ công suất của bù công suất phản kháng ..........................28
Hình 3.5: Mạch điện tương đương của STATCOM .................................................32
Hình 3.6: Cấu trúc cơ bản của STATCOM...............................................................33
Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM .................................................34
Hình 3.8 Nguyên lý bù của bộ bù tích cực. ..............................................................35
Hình 3.9: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù .................................36
Hình 3.10: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù………………………36
Hình 3.11: Đặc tuyến V – I của STATCOM ...........................................................37
Hình 3.12: Đặc tuyến V – Q của STATCOM ..........................................................37
Hình 4.1 Sơ đồ đơn tuyến. .......................................................................................41
Hình 4.2 Các khối của Sơ đồ Simulink ....................................................................43
Hình 4.3 Mô hình tải động. ......................................................................................46
Hình 4.4 Cấu tạo D - Statcom. .................................................................................46
Hình 4.5 Hệ thống điều khiển D - Statcom ..............................................................47
x
Hình 4.6 Sơ đồ Simulink mạng điện 3 nút. ..............................................................48
Hình 4.7 Đường công suất tác dụng tại B3(3bus) ....................................................48
Hình 4.8 Đường công suất phản kháng tại B3(3bus) ...............................................49
Hình 4.9 Đường Điện áp tại bus B1(3bus) ..............................................................49
Hình 4.10 Đường Điện áp tại bus B3(3bus) ............................................................50
Hình 4.11 Flicker tại bus B3(3bus) với time 4s .......................................................51
Hình 4.12 Điện áp tại bus B3(3bus) với time 4s ......................................................51
Hình 4.13 Sơ đồ đơn tuyến mạng 4 bus. ..................................................................52
Hình 4.14 Sơ đồ Simulink mạng 4 bus. ...................................................................52
Hình 4.15 Đường công suất tác dụng tại B3(4bus) ..................................................53
Hình 4.16 Đường công suất phản kháng tại B3(4bus) .............................................53
Hình 4.17 Đường Điện áp tại bus B1(4bus) ............................................................54
Hình 4.18 Đường Điện áp tại bus B3(4bus) ............................................................54
Hình 4.19 Điện áp tại bus B3(4bus)với time 4s .......................................................55
Hình 4.20 Flicker tại bus B3 (4bus) với time 4s ......................................................56
Hình 4.21 Sơ đồ đơn tuyến mạng Hòa Hưng đến Thiện Thuật ...............................57
Hình 4.22 Sơ đồ simulink mạng Hòa Hưng đến Thiện Thuật .................................57
Hình 4.23 Đường công suất tác dụng tại B3(Hòa Hưng) ........................................58
Hình 4.24 Đường công suất phản kháng tại B3(Hòa Hưng)....................................58
Hình 4.25 Đường Điện áp tại bus B1(Hòa Hưng) ...................................................59
Hình 4.26 Đường Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng) ...................................................59
Hình 4.27 Điện áp tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s............................................60
Hình 4.28 Flicker tại bus B3(Hòa Hưng) với time 4s .............................................61
1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1 Đặt vấn đề
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế
giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng
năng lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản
xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển
để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu
hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa
các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành
nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất.
Ở Việt Nam, trong những năm qua sự hội nhập về kinh tế dẫn đến nhu cầu
điện năng là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu về điện năng thì hệ thống điện cũng ngày
càng phát triển về quy mô lẫn công nghệ. Tuy nhiên, sự xuất hiện nhiều nhà máy
thủy điện và nhiệt điện cũng làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp
hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống.
Chúng ta biết rằng hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối
có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác động lên
hệ thống.
Khi hệ thống điện mất ổn định, các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng
bộ, cần cắt ra ảnh hưởng đến công suất của hệ thống; tần số hệ thống thay đổi ảnh
hưởng đến hộ tiêu thụ; điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp
tại các nút phụ tải…như vậy hậu quả có thể phải cắt hàng loạt tổ máy, phụ tải, có
thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng cho nền kinh tế.
Trong chế độ vận hành xác lập, chế độ làm việc cơ bản của hệ thống điện, hệ
thống điện có thể mất ổn định áp do tải biến động hay thay đổi cấu trúc lưới…, hiện
tượng này xảy ra là bình thường và liên tục, tuy nhiên nếu không giải quyết thì các
biến động nhỏ đó có thể phát triển thành lớn gây sự cố cho hệ thống điện, vì vậy cần
có biện pháp điều chỉnh, hỗ trợ tương ứng để hạn chế gây thiệt hại và ảnh hưởng
đến chất lượng hoạt động phụ tải tiêu thụ điện.
2
Việc nghiên cứu hệ thống điện và lý thuyết ổn định điện áp là cơ sở để lựa
chọn và ứng dụng các thiết bị điện phù hợp để ngăn ngừa các sự cố xảy ra với hệ
thống điện đồng thời nâng cao chất lượng điện năng và vận hành ổn định lưới điện.
Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi
chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện” nhằm nghiên cứu lý
thuyết ổn định áp và nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM vào hệ thống điện để
nâng cao chất lượng điện áp (ổn định biên độ điện áp và giảm chập chờn, nhấp nháy
lưới điện).
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
Mục tiêu : Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của hệ thống điện.
Nhiệm vụ :
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện
- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để
cải thiện chất lượng điện áp.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng Statcom vào hệ thống điện trên phần mềm
MATLAB/ SIMULINK để cải thiện chất lượng điện áp.
- Ứng dụng vào mạng điện thực tế 3 nút, 4 nút và lưới điện phân phối Hòa
Hưng – Thiện Thuật (trích sơ đồ tuyến dây CMT8, quận 3, thành phố Hồ Chí Minh)
để cải thiện chất lượng điện áp trong chế độ xác lập.
1.3 Phƣơng pháp giải quyết
- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định áp hệ thống điện
- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để
cải thiện chất lượng điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
-Thực nghiệm ứng dụng Statcom trên mô hình lưới điện 3 nút, 4 nút và lưới
điện Hòa Hưng – Thiện Thuật.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
3
1.4 Giới hạn đề tài
Xét hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập.
1.5 Điểm mới của luận văn
Ứng dụng Statcom vào mạng điện thực cho ổn định biên độ điện áp và giảm
thấp dao động (nhấp nháy) của lưới điện tại nút đặt Statcom, hệ thống điện được mô
phỏng trên phần mềm MATLAB/SIMULINK.
1.6 Phạm vi ứng dụng
-
Ứng dụng cho các lưới điện phân phối bất kỳ.
-
Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện.
1.7 Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định áp
Chương 3: Ứng dụng Statcom vào hệ thống điện để cải thiện chất lượng điện áp.
Chương 4: Mô hình mô phỏng và kết quả
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
1.8 Một số nghiên cứu có liên quan
- Enhancement of power quality in distribution system using D-Statcom, 2016.
/>
Nghiên cứu về cải thiện hệ số công suất và sóng hài trong hệ thống điện phân phối.
- Nguyễn Xuân Dũng. Đánh giá ổn định điện áp 220kV khu vực miền trung. Đại
học Đà Nẵng, 2012. Tác giả sử dụng thiết bị SVC để ổn định và mô phỏng trên
phần mềm Powerworld.
- Nguyễn Hải Tâm. Nghiên cứu bộ điều khiển bù công suất phản kháng statcom ổn
định hệ thống điện,2016. Tác giả nghiên cứu hệ thống điện làm việc ở chế độ quá
độ và mô phỏng trên phần mềm Powerworld.
- Nguyễn Hải Thắng. Đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao khả năng ổn định
điện áp cho hệ thống điện 220KV miền Nam Việt Nam. Đại học Đà Nẵng, 2013. Tác
giả sử dụng thiết bị SVC để ổn định và mô phỏng trên phần mềm Conus.
- Nguyễn Văn Trí. Nghiên cứu ứng dụng Statcom trong việc nâng cao ổn định điện
áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió, 2016. Tác giả nghiên cứu hệ
thống điện làm việc ở chế độ quá độ và mô phỏng trên phần mềm Matlab.
4
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH ÁP
Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống
nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau các
kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động
như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của mạng lưới hệ thống. Các thay
đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nhất là có thể rơi vào
tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ điện áp.
Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là hệ thống điện không có
khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong mạng. Các thông số có liên
quan đến sụp đổ điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng cùng với
điện dung, điện kháng của mạng lưới điện.
Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận hành
hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt hại rất
lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Trên thế giới đã ghi nhận được nhiều sự cố mất điện
lớn do sụp đổ điện áp gây ra như tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy Điển và Đông
Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày 28/8/2003, Phần Lan ngày
23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003... Ổn định điện áp đã được quan tâm,
nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam cũng đã xảy ra nhiều lần sự cố
mất điện trên diện rộng, chẳng hạn như vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006,
20/7/2007 và 04/9/2007.
Do điện là yếu tố then chốt của sản xuất, nhiều nước trên thế giới không còn
tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ mà là đơn vị phút. Vì vậy, việc phân
tích ổn định điện áp ở Việt Nam cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa và có những
biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp.
5
2.1. Các chế độ làm việc của hệ thống điện
2.1.1. Các chế độ
Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng thời
gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện. Đặc trưng của chế độ là các thông số
U, I, P, Q, f, δ ... Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là hàm số của thời
gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số chế độ, ta có các chế độ làm việc của hệ
thống điện như sau :
+ Chế độ xác lập : Trong đó các thông số chế độ dao động rất nhỏ xung
quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số.
Trong chế độ xác lập còn được phân thành :
- Chế độ xác lập bình thường : chế độ làm việc bình thường của hệ thống
điện. Hệ thống điện được thiết kế để làm việc với các chế độ xác lập này. Với chế
độ xác lập bình thường yêu cầu thõa mãn các tiêu chí sau :
Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có
chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải
nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
Đảm bảo độ tin cậy : các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng
đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và
điều kiện của hệ thống điện.
Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng
điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện
năng nhỏ nhất.
Đảm bảo an toàn điện: phả đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng
điện và thiết bị phân phối điện.
- Chế độ xác lập sau sự cố : chế độ đã được tính trước vì sự cố là không thể
tránh khỏi trong vận hành hệ thống điện, các chỉ tiêu như chế độ xác lập bình
thường nhưng giảm đi.
- Chế độ sự cố xác lập : yêu cầu không được phép gây hại và duy trì quá thời
hạn cho phép.
6
+ Chế độ quá độ
Các thông số biến thiên mạnh theo thời gian.
- Chế độ quá độ bình thường : xảy ra thường xuyên khi hệ thống điện chuyển
từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, yêu cầu kết thúc nhanh và các thông
số biến đổi trong giới hạn cho phép.
- Chế độ quá độ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện yêu cầu
không gây hại cho hệ thống điện loại trừ nhanh nhất có thể.
2.1.2. Chế độ xác lập bình thƣờng
Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng
(CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải
bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử
của hệ thống điện.
Pf = Ppt + P = P
(2.1)
Qf = Qpt + Q = Q
(2.2)
Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh hưởng
của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số của hệ thống điện có thể xem là
chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD.
Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống điện.
Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK.
Trong hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo một
cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện
cân bằng công suất được thõa mãn.
Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn
lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên
theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ tải
CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng
khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều chỉnh này
chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép.
7
Điều kiện đủ : CĐXL luôn bị kích động bởi các kích động lớn, nhỏ do sự
biến đổi không ngừng của phụ tải và sự cố các loại.
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục, tác động vào cân bằng công suất tác dụng
trên máy phát điện và cân bằng công suất tác dụng trên máy phát điện và cân bằng
công suất ở các nút phụ tải, cho nên chế độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các
kích động này. Nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định tĩnh và ổn định điện
áp, tức khả năng phục hồi chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Đây chính là
điều kiện đủ để chế độ xác lập tồn tại.
Nếu muốn tồn tại lâu dài, hệ thống điện phải chịu được các kích động lớn,
nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định động, tức khả năng phục hồi chế độ
xác lập sau khi bị kích động lớn.
Chế độ xác lập được dùng trong thực tế phải thõa mãn điều kiện ổn định tĩnh
và ổn định động.
Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của
thiết bị điều chỉnh …Các kích động này tác động lên roto của máy phát, phá hoại sự
cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động. CĐXL
muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân
bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân
bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta
nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh : ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện
khôi phục lại chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong thực
tế.
Ổn định động.
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên độ
khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi
của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…Các kích động lớn tác động làm cho cân
8
bằng công suất Cơ – Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị dao động rất
mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này mà CĐXL không
bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.
Ta có định nghĩa ổn định động : ổn định động là khả năng của hệ thống điện
khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích
động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn tại
lâu dài [1].
2.2. Tổng quan về ổn định hệ thống điện
2.2.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện
Điện năng là sản phẩm không thể dự trữ được mà phụ tải yêu cầu đến đâu thì
hệ thống điện sản xuất đến đó. Công suất của nguồn điện phải luôn luôn cân bằng
với công suất sử dụng của phụ tải. Công suất của phụ tải luôn biến đổi theo thời
gian, do đó công suất phát cũng phải biến đổi không ngừng để đáp ứng. Các thông
số chất lượng điện năng biến đổi theo phụ tải do đó phải được điều chỉnh liên tục.
Các quá trình xảy ra trong hệ thống điện rất nhanh, từ phần trăm giây đến vài
chục giây. Ví dụ sau khi xảy ra ngắn mạch thì trong vòng 0,01 giây dòng điện ngắn
mạch đạt tới đỉnh nguy hiểm. Do đó trong hệ thống điện phải sử dụng các thiết bị có
phản ứng rất nhanh để điều khiển chế độ.
Hệ thống điện chịu tác động của quá trình già hóa thiết bị, quá trình này gây
ra những hỏng hóc ngẫu nhiên, dẫn đến ngừng cung cấp điện. Do đó hệ thống điện
phải được tổ chức bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc và thay thế
thiết bị hết hạn sử dụng.
Hệ thống điện chịu tác động mạnh của môi trường, nhất là môi trường địa lý
có thể gây ra thiếu năng lượng sơ cấp (do khô hạn…), hỏng hóc thiết bị dẫn đến mất
điện (sấm sét, gió bão, lũ lụt, sinh vật gây ngắn mạch…), do đó hệ thống điện phải
có dự phòng khá lớn công suất nguồn và năng lượng sơ cấp, phải có hệ thống vận
hành hoàn hảo, hệ thống tự động chống sự cố để giảm thấp nhất các thiệt hại.
9
Hệ thống điện là một khối thống nhất trải rộng khắp đất nước làm cho việc
điều khiển hoạt động và truyền tin rất khó khăn. Do đó để điều khiển tốt hoạt động,
hệ thống phải được phân cấp điều khiển và phải được trang bị các kỹ thuật điều
khiển, đo lường và thông tin hoàn hảo.
Hệ thống điện không ngừng phát triển trong không gian và theo thời gian, do
đó đòi hỏi hệ thống vận hành cũng phải phát triển không ngừng về số lượng và chất
lượng để thích ứng.
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan hệ
tương tác lẫn nhau rất phức tạp, chịu tác động, ảnh hưởng của nhiều yếu tố như các
đặc điểm đã nêu ở trên, chịu vô số các nhiễu tác động lên hệ thống. Tuy nhiên hệ
thống điện phải đảm bảo được tính ổn định trong quá trình làm việc.
2.2.2. Ổn định hệ thống điện
Ổn định hệ thống điện là khả năng hệ thống điện đang làm việc ở trạng thái
vận hành này có thể làm việc ở trạng thái vận hành mới sau khi chịu tác động của
các kích động tự nhiên.
Xét sự ổn định của hệ cơ học sau :
B
A
A
(a)
(b)
Hình 2.1 Sự ổn định của hệ cơ học
10
Ta thấy rằng hệ thống banh lăn có hai loại điểm cân bằng hay hai trạng thái nghỉ,
các điểm cân bằng này như sau:
- Điểm cân bằng ổn định A : sau các dao động lớn hay nhỏ banh sẽ trở lại vị trí ban
đầu.
- Điểm cân bằng không ổn định B : tại đó banh sẽ bị rời vị trí B nếu chỉ cần một tác
động nhẹ.
Sự ổn định của banh được định nghĩa như là khả năng của banh trở lại trạng
thái nghỉ lâu dài A (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật) sau các
dao động nhỏ hoặc lớn. Hệ thống là bền nếu banh trở lại điểm cân bằng ổn định
của nó sau khi bị tác động.
Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định
sau khi chịu tác động nhiễu. Đây là điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể tồn tại và
vận hành. Ở chế độ xác lập để tồn tại cần phải có sự cân bằng công suất trong hệ
(khi đó các thông số của hệ mới giữ không đổi) và đồng thời phải duy trì được độ
lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên nhỏ (làm các thông số
này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng). Hoặc do tác động của những thao tác
đóng cắt, hệ thống điện cần phải chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái
xác lập khác.
Ổn định hệ thống điện nhằm đáp ứng chất lượng điện năng phục vụ tốt nhất.
Chất lượng điện năng bao gồm : chất lượng tần số và chất lượng điện áp.
Chất lượng tần số : được đánh giá bằng
- Độ lệch tần số so với tần số định mức :
(2.3)
- Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép :
(2.4)
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép :
(2.5)
Trong đó :
11
- Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất
của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số
không được lớn hơn giá trị cho phép.
Điều chỉnh tần số : điều chỉnh tần số gồm 3 giai đoạn
- Điều chỉnh cấp 1 hay điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh sơ cấp), do thiết bị tự
động điều chỉnh tốc độ của máy phát tự động thực hiện, giữ tần số ở giá trị chấp
nhận được.
- Điều chỉnh cấp 2 hay điều chỉnh tần số, do điều độ viên thực hiện hoặc tự
động thực hiện nhờ thiết bị tự động điều chỉnh tần số. Đưa tần số về giá trị định
mức hoặc trong miền độ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sử dụng.
- Điều chỉnh cấp 3 nhằm mục đích phân bố lại công suất giữa các nhà máy
điện theo điều kiện kinh tế.
2.2.3. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc
rotor, tần số và điện áp. Phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong
sơ đồ sau :
