Nghiên cứu ứng dụng tụ bùn dọc có điều khiển để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống điện

BӜ GIÁO DӨC VÀ ĈÀO TҤO
TRѬӠNG ĈҤI HӐC BÁCH KHOA HÀ NӜI
--------------------------------------NguyӉn Ĉӭc Thuұn

NGHIÊN CӬU ӬNG DӨNG TӨ BÙ DӐC CÓ ĈIӄU KHIӆN Ĉӆ NÂNG
CAO KHҦ NĂNG ӘN ĈӎNH CӪA Hӊ THӔNG ĈIӊN
Chuyên ngành : HӋ thӕng ÿiӋn

LUҰN VĂN THҤC SƬ KHOA HӐC
Hӊ THӔNG ĈIӊN

NGѬӠI HѬӞNG DҮN KHOA HӐC :
TS. LÃ MINH KHÁNH

Hà Nӝi – Năm 2010

-3-


Mục lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
Chng 1 Tổng quan về phơng pháp tính toán phân
tích ổn định động trong htđ
1.1. Khái niệm về ổn định động trong hệ thống điện
1.2. Các phơng pháp nghiên cứu ổn định động
1.2.1. Phơng pháp tích phân số

1.2.2. Phơng pháp diện tích
1.2.3. Phơng pháp trực tiếp (phơng pháp thứ hai của Lyapunov)
1.2.4. Phơng pháp diện tích mở rộng (EEAC)
1.3. Vấn đề nâng cao ổn định động
1.4. Kết luận chơng một
Chơng 2 - Giới thiệu về Các thiết bị FACTS và ứng dụng
trong hệ thống điện
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS, phân loại thiết bị FACTS
2.2.1. Các u điểm khi sử dụng thiết bị FACTS
2.2.2. Phân loại thiết bị FACTS
2.3. Một số thiết bị FACTS
2.3.1. Tụ bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)
2.3.2. Tụ bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC)
2.3.3. Tụ bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM)
2.3.4. Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor (TCPAR)
2.3.5. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC)
2.4. Khả năng áp dụng thiết bị FACTS tại Việt Nam
2.5. Kết luận chơng hai
Chơng 3 - Hiệu quả của tcsc trong việc nâng cao ổn
định động cho hệ thống điện
3.1. Cuộn kháng có điều khiển bằng Thyristor (TCR)
3.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và mô hình của TCSC
3.2.1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của TCSC
3.1.2. Cấu trúc và mô hình

-1-

Trang
03

04
06
07
08
10
14
14
17
17
23
25
26
27
29
30
30
31
31
31
34
34
35
36
38
39
41
42
43
43
46

46
49


3.1.3. Tín hiệu điều khiển TCSC
3.2. Thuật toán điều chỉnh TCSC
3.2.1. Điều khiển TCSC theo tín hiệu đóng cắt
3.2.2. Điều khiển TCSC theo tác động tối u
3.2.3. Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là công suất truyền tải
3.2.4. Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là dòng điện trên đờng dây
3.2.5. Hiệu quả điều khiển theo tín hiệu đo là góc lệch
3.3 Kết luận chơng ba
Chơng 4 - nghiên cứu hiệu quả của TCSC với lới điện 7
nút ứng dụng tcsc cho lới điện việt nam
4.1. Hiệu quả nâng cao ổn định của TCSC với lới 7 nút điển hình
4.1.1. Mô phỏng mạng lới điện 7 nút điển hình
4.1.2. Tổng quan về phần mềm PSS/E
4.1.3. ứng dụng chơng trình PSS/E với lới 7 nút điển hình
4.2. ứng dụng TCSC cho lới điện Việt Nam (sơ đồ năm 2010)
4.2.1. Đặt bài toán nghiên cứu cho lới điện Việt Nam
4.2.2. Kết quả tính toán ổn định khi cha có TCSC
4.2.3. Kết quả tính toán ổn định khi có TCSC và tín hiệu điều khiển là dòng
công suất
4.2.4. Kết quả tính toán ổn định khi có TCSC và tín hiệu điều khiển là dòng
điện
4.3. Kết luận chơng bốn
KếT LUậN và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

-2-

51
52
52
54
58
59
60
60
62
62
62
65
69
78
78
80
80
82
83
84
85
86


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan công trình nghiên trên là của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả tính toán là chính xác và trung thực. Công trình này cha đợc
công bố trên các tạp trí khoa học nào.

Nguyễn đức thuận

-4-


Lời cảm ơn
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô tại Đại Học Bách Khoa Hà
Nội, các thầy cô Khoa Điện đã truyền đạt cho em nhứng kiến thức quý báu để em có
thể hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy Lã Minh Khánh đã tận
tình hớng dẫn và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong
suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn những thầy cô trong Trờng Đại Học Điện Lực đã
tạo điều kiện và giúp đỡ trong quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Nguyễn Đức Thuận

-5-


DANH mục các kí hiệu, chữ viết tắt
HTĐ

Hệ thống điện

QTQĐ

Quá trình quá độ

CĐXL

Chế độ xác lập

FACTS

Flexible AC Transmission Systems: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều

linh hoạt
OMIB

One-machine-infinite-bus: Quá trình đẳng trị hoá hệ thống điện phức tạp

thành mô hình đơn giản 1 máy phát nối với 1 nút hệ thống có công suât vô cùng lớn
EEAC

Extend Equal-Area Criterion: Phơng pháp diện tích mở rộng

SVC

Static Var Compensator: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh

UPFC

Unified Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất

GTO

Gate turn off: Các cửa đóng mở

STACOM

Static Compensator: Bộ bù tĩnh

SVG

Static Var Generator: máy phát công suất phản kháng tĩnh

TCR

Thyristor Controlled Reactor: Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor

TSR

Thyristor Switched Reactor: Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor

TSC

Thyristor Controlled Capacitor: Tụ điện điều khiển bằng thyristor

SSSC

Static Synchoronous Series Compensator: Bộ bù dọc đồng bộ tĩnh

IPFC

Interline Power Flow Controller: Bộ điều khiển dòng công suất các đờng

dây

TCPAR

ứng dụng Thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của

đờng dây
TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor: Tụ dọc điều khiển bằng thyristor

VSC

Voltage Source Converter: Bộ chuyển đổi nguồn điện áp

SVS

Synchoronous Voltage Source: Nguồn điện áp đồng bộ

PSS/E

Power System Simulator for Engineering: Chơng trình phân tích, tính

toán hệ thống điện

-6-


Danh môc c¸c b¶ng
B¶ng 4.1. Th«ng sè m¸y ph¸t ®iÖn.................................................................................63
B¶ng 4.2. Th«ng sè c¸c ®iÖn kh¸ng cña m¸y ph¸t…………………………………….63
B¶ng 4.3. Th«ng sè c¸c m¸y biÕn ¸p…………………………………………………..63

B¶ng 4.4. Ph©n bè c«ng suÊt phô t¶i cÊp ®iÖn ¸p m¸y ph¸t trong ngµy………………..64
B¶ng 4.5. Ph©n bè c«ng suÊt phô t¶i trung ¸p trong ngµy……………………………..64
B¶ng 4.6. C¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n C§XL trong PSS/E…………………………….68

-7-


Danh mục các hình vẽ
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản 15
Hình 1.2. Đặc tính công suất của hệ thống đơn giản khi cắt đột ngột 1 mạch đờng
dây..15
Hình 1.3. Hình vẽ minh họa phơng pháp hình thang23
Hình 1.4. Đặc tính công suất trên đờng dây 23
Hình 2.1. Sơ đồ khối của các loại thiết bị FACTS..33
Hình 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC. ..34
Hình 2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC..35
Hình 2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM...37
Hình 2.5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCPAR.38
Hình 2.6. Nguyên lý cấu tạo của UPFC39
Hình 3.1. Cuộn kháng đợc điều khiển bằng Thyristor 44
Hình 3.2. Biến thiên dòng điện trong TCR44
Hình 3.3. Đặc tính điều chỉnh của TCR (a) và biên độ các sóng hài bậc cao (b)..45
Hình 3.4. Cu to c bn ca TCSC..46
Hình 3.5. Đặc tính thay đổi dung kháng của TCSC...49
Hình 3.6. Cấu trúc điều khiển TCSC..50
Hình 3.7. Mô hình kênh điều chỉnh ổn định của TCSC..50
Hình 3.8. Mô hình điều khiển TCSC trong PSS/E..50
Hình 3.9. Sơ đồ HTĐ đơn giản...53
Hỡnh 3.10. Hiu qu tỏc ng úng ct t bự.53
Hình 3.11. Lựa chọn thời điểm tác động tối u..............................................................57

Hình 3.12. Hiệu quả tác động TCSC theo tín hiệu công suất.59
Hình 4.1. Sơ đồ lới điện 7 nút.......................................................................................62

-8-


Hình 4.2. Không gian trạng thái.71
Hình 4.3. Các bớc cơ bản tính toán mô phỏng động72
Hình 4.4. Đặc tính góc lệch của các máy phát và hệ thống khi cha có TCSC...73
Hình 4.5. Sơ đồ lới đang xét khi có TCSC73
Hình 4.6. Đặc tính góc lệch của các máy phát và hệ thống khi có TCSC (tín hiệu điều
khiển là công suất).74
Hình 4.7. Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là công suất..75
Hình 4.8. Dao động góc lệch roto khi cha đặt và khi có đặt TCSC điều chỉnh bằng tín
hiệu công suất (1-Cha đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC)..75
Hình 4.9. Đặc tính góc lệch của các máy phát và hệ thống khi có TCSC (tín hiệu điều
khiển là dòng điện).76
Hình 4.10. Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là dòng điện77
Hình 4.11. Dao động góc lệch roto khi cha đặt và khi có đặt TCSC điều chỉnh bằng
tín hiệu dòng điện (1-Cha đặt TCSC; 2- Có đặt TCSC)77
Hình 4.12. Sơ đồ lới 500 kV khi lắp đặt thêm TCSC79
Hình 4.13. Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông
Hinh, Yaly (Khi cha lắp đặt TCSC)..80
Hình 4.14. Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông
Hinh, Yaly (khi đã lắp đặt TCSC tín hiệu DDK là công suất).81
Hình 4.15. Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là công suất....81
Hình 4.16. Dao động góc lệch máy phát HoàBình, Phả Lại, Trị An, Phú Mỹ, Sông
Hinh, Yaly (khi đã lắp đặt TCSC tín hiệu DDK là dòng điện)82
Hình 4.17. Điện kháng điều chỉnh của TCSC khi tín hiệu điền khiển là dòng điện83

-9-


mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Cùng với quá trình đổi mới và phát triển kinh tế của đất nớc, hệ thống điện
(HTĐ) Việt Nam đang có những bớc phát triển nhảy vọt, cả về quy mô, công suất lẫn
phạm vi lới cung cấp điện.
Từ năm 1994 đờng dây siêu cao áp 500 kV đầu tiên của Việt Nam, Với tổng
chiều dài gần 1500 km đã đợc xây dựng xong và đa vào vận hành, nối liền HTĐ 3
khu vực (Bắc, Trung, Nam) thành một HTĐ hợp nhất.
Việc hình thành HTĐ hợp nhất Bắc Trung Nam đã nâng cao hiệu quả kinh
tế, độ tin cậy vận hành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển nhanh
chóng các nguồn điện đa dạng, công suất lớn, mở rộng phạm vi lới điện trên khắp các
miền của đất nớc. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển nhanh chóng sơ đồ HTĐ Việt
Nam với cấu trúc ngày càng phức tạp, cũng xuất hiện kèm theo nhiều vấn đề kỹ thuật
cần quan tâm giải quyết, trong đó có vấn đề đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy cho
HTĐ hợp nhất.
Theo dự báo và quy hoạch phát triển sơ đồ HTĐ Việt Nam đến năm 2020 thì
mỗi năm về nhu cầu điện năng vẫn liên tục tăng trởng với tốc độ (10 - 15)% mỗi năm.
Nhiều nguồn điện mới cần đợc đa vào với quy mô công suất ngày càng lớn. Lới
điện 500 kV sẽ phát triển hầu nh khắp các miền của đất nớc: từ nhà máy thuỷ điện
Sơn La đến Mũi Cà Mau. Vấn đề điều chỉnh công suất (tác dụng và phản kháng) để
đảm bảo ổn định và chất lợng điện năng trở thành vấn đề phải quan tâm đặc biệt.
Cùng với sự phát triển nhanh chóng về quy mô ở hầu hết các nớc trên thế giới,
nhiều thiết bị và phơng tiện điều khiển mới đã ra đời nhằm đáp ứng nâng cao độ tin
cậy và ổn định trong vận hành của các HTĐ phức tạp, đặc biệt trong hệ thống truyền tải
điện áp cao và siêu cao áp. Đặc biệt là các thiết bị điều khiển nhanh, mềm dẻo áp dụng
cho lới truyền tải điện xoay chiều (FACTS). Các thiết bị này bớc đầu đợc nghiên
cứu áp dụng cho HTĐ Việt Nam.

- 10 -


Đề tài đã chọn nhằm nghiên cứu một phần của vấn đề trên: nghiên cứu ứng
dụng của thiết bị bù dọc có điều khiển để nâng cao khả năng ổn định cho HTĐ
2. Lịch sử nghiên cứu
Đã có rất nhiều tài liệu công bố về các vấn đề liên quan đến hớng nghiên cứu
của đề tài. Các nội cung đang đợc quan tâm nghiên cứu chủ yếu là:
- Nâng cao ổn định động của HTĐ bằng việc sử dụng các thiết bị FACTS (hệ
thống tải điện xoay chiều có khả năng điều chỉnh linh hoạt) [5].
- Nghiên cứu áp dụng các phơng tiện điều chỉnh điều khiển để nâng cao tính ổn
định và làm việc tin cậy của Hệ thống điện [8]
- Nghiên cứu các thuật toán điều khiển hiệu quả QTQĐ để nâng cao ổn định
động cho HTĐ [4].
Tuy nhiên vẫn còn rất nhiều vấn đề cha giải quyết đợc và đang đợc quan tâm
nghiên cứu:
- Lựa chọn vị trí lắp đặt các thiết bị FACTS và thuật toán hiệu quả điều khiển
các thiết bị này để nâng cao ổn định động HTĐ có kết cấu phức tạp.
- Các ứng dụng cụ thế của thiết bị FACTS trong điều kiện HTĐ Việt Nam.
Luận văn lựa chọn hớng nghiên cứu về hiệu quả của FACTS trong cải thiện
QTQĐ khi HTĐ có sự cố và đi sâu nghiên cứu hiệu quả của TCSC.
3. Mục đích nghiên cứu, đối tợng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
Từ hiện trạng và nhiều vấn đề của hệ thống điện Việt Nam cần đợc quan tâm,
có thể thấy vấn đề nghiên cứu ổn định động và điều khiển ổn định là nội dung có ý
nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống điện hiện đại.
Mục đích chính của đề tài là:
- Dựa trên lý thuyết hiện đại về tính toán phân tích ổn định của HTĐ phức tạp,
nghiên cứu mô hình tính toán phân tích ổn định động của HTĐ.

- 11 -


- Nghiên cứu mô hình động của TCSC trong tính toán phân tích QTQĐ. Đánh
giá so sánh hiệu quả của thuật toán cũng nh tín hiệu điều chỉnh TCSC ứng với các
trờng hợp sự cố.
- Nghiên cứu hiệu quả áp dụng TCSC trong việc nâng cao ổn định động sơ đồ
HTĐ Việt Nam tơng ứng với sơ đồ đến năm 2010.
Đối tợng nghiên cứu:
Tính toán phân tích hiệu quả nâng cao ổn định động của thiết bị bù dọc có điều
khiển (TCSC) cho lới điện 7 nút, đánh giá hiệu quả nâng cao ổn định động khi lắp đặt
TCSC vào hệ thống điện Việt Nam sơ đồ năm 2010.
Phạm vi nghiên cứu:
Luận văn so sánh đánh giá các thuật toán điều khiển TCSC và đánh giá hiệu quả
của TCSC khi điều chỉnh theo một số các tín hiệu khác nhau (công suất, dòng điện)
nhằm mục đích giảm dao động công suất khi có sự cố.
Luận văn cũng đánh giá hiệu quả ứng dụng TCSC trong việc nâng cao khả năng
ổn định động cho một lới điện điển hình gồm 7 nút và mở rộng tính toán phân tích cho
hệ thống điện 500kV Việt Nam (sơ đồ năm 2010).
Luận văn bao gồm các nội dung nghiên cứu nh sau:
-

Tổng quan về phơng pháp tính toán phân tích ổn định động HTĐ.

-

Giới thiệu về Các thiết bị FACTS và ứng dụng trong HTĐ.

-

Hiệu quả của TCSC trong việc nâng cao ổn định động cho hệ thống điện.

-

Nghiên cứu hiệu quả của TCSC với lới điện 7 nút và ứng dụng tcsc cho lới
điện Việt Nam

4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Hiệu quả ứng dụng thiết bị FACTS nói chung, và TCSC nói riêng phụ thuộc rất
nhiều vào tín hiệu và thuật toán điều khiển. Luận văn dựa trên cơ sở nghiên cứu tổng

- 12 -


quan về phơng pháp phân tích ổn định động cho HTĐ, cũng nh các nghiên cứu về mô
hình điều khiển thiết bị FACTS, đã so sánh và đánh giá hiệu quả của tín hiệu điều chỉnh
TCSC nhằm mục đích nâng cao ổn định động cho hệ thống điện.
Trong luận văn tác giả đi phân tích hiệu quả của thuật toán điều khiển TCSC theo
tác động đóng cắt và tác động tối u. Phân tích hiệu quả và lựa chọn hai loại tín hiệu
điều khiển liên tục (công suất và dòng điện). Sử dụng chơng trình PSS/E để mô phỏng
và đánh giá kết quả phân tích ổn định động qua đồ thị góc lệch của roto máy phát.
Các kết quả tính toán mô phỏng trên sơ đồ điển hình 7 nút và sơ đồ hệ thống
500kV Việt Nam cho thấy hiệu quả ứng dụng cao của TCSC nhằm giảm dao động công
suất. Tuy nhiên việc lựa chọn tín hiệu điều chỉnh đúng trong mỗi trờng hợp sự cố sẽ
góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng thiết bị.
5. Phơng pháp nghiên cứu
Các nội dung nghiên cứu trong luận văn sử dụng các đánh giá phân tích lý
thuyết điều khiển cũng nh kết quả tính toán ứng dụng mô hình thiết bị FACTS trong
sơ đồ hệ thống điện. Các phơng pháp nghiên cứu đã sử dụng bao gồm:

-

Mô phỏng tác dụng điều khiển của TCSC trong hệ phơng trình QTQĐ nhằm

thể hiện hiệu quả của các thiết bị này trong nâng cao ổn định động trong hệ thống điện
liên kết. Trên cơ sở phân tích mô hình điều khiển của thiết bị, đánh giá và so sánh hiệu
quả điều chỉnh trong từng trờng hợp cụ thể.
-

ứng dụng chơng trình máy tính để tính toán phân tích quá trình quá độ. Sử

dụng các số liệu cụ thể về các đặc trng động của các phần tử trong hệ thống điện, mô
phỏng các phần tử HTĐ với các thông số này trong chơng trình PSS/E. Các đánh giá
chế độ đợc thực hiện trên cơ sở phân tích kết quả tính toán đặc tính công suất, góc
lệch roto máy phát của chơng trình. Nghiên cứu thực hiện đầy đủ trên sơ đồ hệ thống
điện điển hình 7 nút nhằm mục đích minh họa và kiểm tra, cũng nh phát triển mô hình
phù hợp nghiên cứu cho HTĐ 500kV thực tế của Việt Nam.

- 13 -


Chơng I
Tổng quan về phơng pháp tính toán phân tích
ổn định động trong htđ
1.1. Khái niệm về ổn định động trong hệ thống điện
ổn định động đợc hiểu là khả năng hệ thống điện giữ đợc trạng thái làm việc
cân bằng sau những kích động lớn. Các kích động này có thể là sự thay đổi đột ngột về
cấu trúc của mạng lới điện hoặc các sự cố ngẫu nhiên xảy ra trong hệ thống nh các sự
cố ngắn mạch, khi đóng cắt các đờng dây liên kết, đóng cắt các nguồn điện có công
suất lớn... và các tác động do thao tác vận hành làm mất cân bằng công suất trong hệ

thống. Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá vỡ, xuất hiện gia
tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto của máy phát. Quá trình quá độ của hệ thống có
thể ổn định hoặc không ổn định tuỳ thuộc mức độ của các kích động: thời gian tồn tại
sự cố và các tác động giải trừ sự cố.
Điều kiện để một hệ thống có ổn định động là:
- Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố.
- Thông số biến thiên hữu hạn trong QTQĐ và dao động tắt dần về thông số xác
lập mới.
Khác với ổn định tĩnh là khả năng duy trì trạng thái cân bằng của hệ thống dới
tác động của các kích động nhỏ, nghiên cứu ổn định động xem xét các chế độ sự cố.
Trong các chế độ này các dao động công suất phát sinh có liên quan đến dao động góc
lệch roto của các máy phát điện đồng bộ trong hệ thống. Dao động góc lệch roto phụ
thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi cân bằng giữa mômen điện từ và mômen cơ của
mỗi máy phát đồng bộ. Đối với hệ thống nhiều máy phát, nếu góc lệch giữa các máy
phát trong hệ thống vẫn còn trong miền giới hạn, hệ thống duy trì đồng bộ. Thờng thì
sau khi góc lệch tơng đối giữa hai máy phát nào đó vợt quá 180o thì quá trình sau đó
các góc lệch sẽ tăng nhanh. Trạng thái không đồng bộ xảy ra khi dao động góc lệch của

- 14 -


một hoặc vài máy phát lệch xa với các máy phát còn lại trong hệ thống, hay điện áp hệ
thống bị sụp đổ. Sự mất đồng bộ trong hệ thống điện sẽ dẫn đến hậu quả nghiêm trọng
là làm hệ thống điện tan rã.
Quá trình chuyển động có đồng bộ hay không đồng bộ đợc thể hiện rõ thờng
trong vòng 2 - 3 s, có khi chỉ trong vài chu kỳ đầu sau sự cố. Nếu các máy phát mất
đồng bộ từ chu kỳ đầu tiên của QTQĐ, thì xem nh hệ thống đã mất ổn định.
Xét hệ thống điện đơn giản nh hình vẽ sau:

MF

MBA

ĐD

UHT

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản.
P

1
Aht d
Pm

c

a
b

1

Pe

2

Agt

2

3

4

Hình 1.2. Đặc tính công suất của hệ thống đơn giản
khi cắt đột ngột 1 mạch đờng dây
Các đặc trng của quá trình quá độ đợc xem xét khi có kích động lớn: cắt đột
ngột 1 đờng dây. Công suất Tua bin PT đợc coi nh là giữ không đổi, công suất điện
từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp :

- 15 -


P( )=

E.U
. sin =Pm.sin
XH

(1.1)

Trong đó : XH = XF +XB +XD/2
Trong chế độ làm việc bình thờng tồn tại cân bằng công suất cơ - điện, hệ
thống làm việc tại điểm cân bằng a. Khi xảy ra kích động cắt 1 đờng dây, điện kháng
đẳng trị hệ thống XH tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất của máy phát hạ thấp
xuống (đờng 2). Tại thời điểm ban đầu, do rôto có quán tính, góc lệch cha kịp thay
đổi, điểm làm việc tạm thời chuyển từ điểm a xuống điểm b. Khi đó công suất PT >
P( ), xuất hiện gia tốc trong rôto, góc tăng lên. Điểm làm việc chuyển dịch từ b đến
c. Tại thời điểm góc lêch = 2, có sự cân bằng công suất, nhng trong quá trình tăng
tốc Roto đã tích luỹ động năng nên điểm làm việc tiếp tục chuyển dịch từ c đến d theo
quán tính. Nhng khi đó PT < P( ) nên rôto bị hãm tốc. Đến điểm d động năng tích luỹ

đã đợc giải phóng hết, do PT < P( ) nên điểm làm việc chuyển từ d về c. Góc rôto
giảm dần đến thời điểm = 2, do quán tính lại tiếp tục giảm dần về giá trị 0. Cứ nh
vậy ta đợc quá trình dao động góc . Nếu không có yếu tố cản tác động, góc máy
phát sẽ dao động mãi nh trên. Nhng do có mômen cản của ma sát nên quá trình dao
động sẽ tắt dần về điểm cân bằng c, ứng với chế độ xác lập mới. Trờng hợp này chế độ
quá độ diễn ra bình thờng và hệ thống điện ổn định.
Phần diện tích giới hạn giữa đặc tính PT và P( ) sau khi cắt đờng dây (phần
gạch chéo trên hình vẽ) tỉ lệ với năng lợng tích luỹ trong rôto và năng lợng hãm.
Trong khoảng ứng với 1 và 2 là năng lợng ứng với quá trình tích luỹ động năng
trong rôto; giữa 2 và 3 là năng lợng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng năng
lợng đã tích luỹ. Nếu trong trờng hợp điện kháng đờng dây chiếm tỉ trọng lớn trong
điện kháng đẳng trị của hệ thống, đặc tính công suất điện từ sau khi cắt 1 đờng dây hạ
xuống rất thấp. Khi đó quá trình hãm tốc của rôto có thể kéo dài đến 4 , thời điểm mà
công suất điện bắt đầu nhỏ hơn công suất cơ, rôto lại tiếp tục đợc tăng tốc dù động
năng tích luỹ cha đợc giải phóng hết. Từ đó tiếp tục qúa trình tích luỹ động năng lên

- 16 -


trị số rất lớn, góc lệch sẽ vợt quá 2 và tăng vô hạn. Trong trờng hợp này hệ
thống mất ổn định động.
Phân tích trên cho thấy ổn định động của hệ thống điện gắn liền với khả năng giữ
trạng thái làm việc đồng bộ của các máy phát. Tuy nhiên quá trình quá độ khi sự cố của
hệ thống điện lớn có nhiều máy phát đòi hỏi sự đánh giá phân tích phức tạp hơn.
1.2. Các phơng pháp nghiên cứu ổn định cho hệ thống điện phức tạp
Trên thực tế, có rất nhiều phơng pháp tính ổn định động của hệ thống điện. Tuỳ
theo mức độ chính xác yêu cầu và độ phức tạp của các hệ thống khác nhau mà có
phơng pháp tơng ứng. Để tính toán ổn định động cần phải dựa vào hệ phơng trình vi
phân mô tả quá trình quá độ của các máy phát trong hệ thống. Các thông số của
phơnng trình vi phân thay đổi mạnh khi có các kích động lớn xảy ra nên không thể

dùng phơng pháp tuyến tính hóa nh nghiên cứu ổn định tĩnh. Trong quá trình nghiên
cứu ổn định động, hệ thống đợc mô hình hoá dới các dạng khác nhau tuỳ theo
phơng pháp nghiên cứu. Một trong các phơng pháp đợc sử dụng để nghiên cứu ổn
định thông dụng nhất là phơng pháp tích phân số.
Ưu điểm của phơng pháp tích phân số là có thể áp dụng cho mọi mô hình và cấu
trúc khác nhau của hệ thống điện. Phơng pháp này thực hiện tích phân số hệ phơng
trình vi phân mô tả quá trình quá độ, tìm ra dao động góc lệch rôto theo thời gian, và
đa ra kết luận về tính ổn định động của hệ thống. Nhợc điểm của phơng pháp tích
phân số là: khối lợng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, không thuận tiện khi đánh
giá nhanh mức độ ổn định tĩnh của hệ thống điện.
Một phơng pháp đơn giản khác là phơng pháp trực tiếp của Lyapunov. Phơng
pháp này đánh giá tính ổn định của hệ thống bằng cách thiết lập và phân tích hàm
Lyapunov từ miền kích động ban đầu. Cũng có thể sử dụng phơng pháp diện tích để
tiến hành đẳng trị hoá hệ thống về mô hình đơn giản hoá trong 1 vài trờng hợp cụ thể.
1.2.1. Phơng pháp tích phân số

- 17 -


Phơng pháp này thực hiện quá trình tích phân số giải hệ phơng trình vi phân mô
tả quá trình quá độ để đa ra sự biến thiên của các thông số hệ thống theo thời gian t để
đánh giá tính ổn định động của hệ thống. Quá trình giải hệ phơng trình phi tuyến có
dạng tổng quát sau, gặp rất nhiều khó khăn:
dx
= f ( x, t )
dt

Trong đó:
x : véc tơ trạng thái
f(x,t): hàm của biến trạng thái x và thời gian t.

Nhiệm vụ của phơng pháp này là tìm ra biến thiên của x(t) với sơ kiện bài toán
tại thời điểm ban đầu x0 và t0. Để phân tích ổn định động của hệ thống điện sử dụng mô
hình quá trình quá độ với độ chính xác cấp 3, bỏ qua ảnh hởng của các thành phần dao
động tắt dần, ảnh hởng của biến thiên tần số đến mô hình lới. Các hệ phơng trình
mô tả quá trình quá độ của hệ thống bao gồm: phơng trình quá độ điện cơ của máy
phát, phơng trình quá độ điện từ trong cuộn dây rôto, phơng trình qúa độ của bộ điều
chỉnh tốc độ và bộ kích từ.
-

Phơng trình quá độ điện cơ của các máy máy phát trong hệ thống:

TJi d 2 i
.
= PTi PEi
0 dt 2
-

(1.2)

Phơng trình quá độ điện từ trong cuộn dây rôto:
Td 0i =

dEqi'
dt

= Eqei Eqi

(1.3)

- Phơng trình qúa độ của bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh kích từ tuỳ thuộc

vào mô hình thực tế sử dụng nhng có dạng chung là:
PTi= fi (x,x,x,)
Eqei= i (x,x,x,)
Trong qúa trình giải, ở mỗi bớc tích phân, hệ phơng trình cân bằng công suất
cơ điện hoàn toàn tơng tự nh trong chế độ xác lập do bỏ qua ảnh hởng của sự biến

- 18 -


thiên tần số đến mô hình lới. Thay thế các phụ tải dới dạng tổng trở hằng số không
đổi, tiến hành đẳng trị hoá đa hệ thống về sơ đồ đơn giản chỉ bao gồm các nút nguồn.
Khi đó, biểu thức công suất tác dụng và thành phần dòng điện dọc trục theo sức điện
động giả tởng EQ nh sau:
n

PEi = EQi2 yii sin ii + EQi EQj yij sin( i j ij )

(1.4)

j =1
j i

n

I di = EQi yii cos ii EQj yij cos( i j ij )

(1.5)

j =1
j i

Phơng trình biểu diễn quan hệ giữa các sức điện động EQ, Eq, Eq:
EQi = Eqi' ( X qi X di' ) I di

Eqi = EQi

X X qi
X di X di'
Eqi' di
'
X qi X di
X qi X di'

(1.6)
(1.7)

Thay thế biểu thức của Idi vào biểu thức của EQ và sắp xếp lại sẽ đợc phơng trình:
a11EQ1 + a12 EQ1 + ... + a1N EQN = b1Eq' 1
a21EQ1 + a22 EQ1 + ... + a2 N EQN = b2 Eq' 2
...

(1.8)

'
aN 1EQ1 + aN 2 EQ1 + ... + aNN EQN = bN EqN

Trong đó:
aii = bi yii cos ii , aij = yij cos( i j ii )
bi =

1
X qi X di'

Các bớc tính quá trình quá độ theo phơng pháp tích phân số:
+ Từ điều kiện đầu của bài toán tơng ứng với các thông số chế độ xác lập trớc
sự cố xác định các giá trị Eqi' , i cho chế độ sự cố.
+ Giải hệ phơng trình đại số tuyến tính xác định EQi, trong đó các hệ số của
phơng trình đã có sự thay đổi.

- 19 -


+ Giải hệ phơng trình vi phân xác định các giá trị tiếp theo của Eqi' , i . Khi xét
đến ảnh hởng của các bộ điều chỉnh cần phải bổ xung các phơng trình của bộ điều
tốc và bộ kích từ (sự biến thiên PTi, Eqi).
Kết quả cuối cùng ta thu đợc sự biến thiên của các thông số hệ thống theo thời
gian. Dựa vào dao động các góc lệch rôto theo thời gian để phân tích tính ổn định của
hệ thống. Hệ thống đợc coi là ổn định nếu dao động góc không vợt qua 3600 .
Trờng hợp ngợc lại là hệ thống mất ổn định động.
Trên thực tế, có rất nhiều phơng pháp tích phân số đợc sử dụng, có thể chia
thành 2 nhóm chính: Phơng pháp 1 bớc (Euler, Euler- Cosi, Runge -Kutta,) và
phơng pháp nhiều bớc (Milne, Heminge,). Trong đó đợc sử dụng phổ biến nhất là
2 phơng pháp Euler và Runge Kutta.
1. Phơng pháp Euler
Từ

dx
= f ( x, t ) với x =xo tại t = t0
dt

Ta có : x =

dx
.t
dt x= x0

x1 = x0 + x = x0 +

(1.9)
dx
.t
dt x= x0

(1.10)

Lấy gần đúng hai số hạng đầu của dãy Taylo tại x = x0
*

x1 = x0 + t.( x 0 ) +

t 2 ** t 3 ***
x0 +
x 0 + ...
2!
3!

(1.11)

Sau khi xác định đợc x = x1 tơng ứng với t = t1, ta có thể xác định tiếp theo
trạng thái x = x2 tơng ứng t = t1 + t nh sau:

x 2 = x1 +

dx
.t
dt x= x1

(1.12)

- 20 -


Vì phơng pháp giải x ở đạo hàm cấp 1 nên ta gọi phơng pháp bậc 1. Để tăng
độ chính xác, t phải đủ nhỏ. áp dụng phơng pháp này phải chú ý đến việc nâng cấp
của sai số vì một sai số nhỏ bớc trớc có thể cho sai số lớn ở bớc tiếp theo.
2. Phơng pháp Euler cải biên
Phơng pháp Euler trên thờng không chính xác do dùng đạo hàm từ thời điểm
đầu của khoảng chia thời gian. Phơng pháp Euler cải biên khắc phục nhợc điểm trên
bằng đạo hàm điểm trung bình khoảng chia:
-

Bớc dự báo : Dùng phép đạo hàm ở thời điểm đầu của khoảng chia đầu tiên, để dự
báo bớc tiếp theo
x p 1 = x0 +

-

dx
.t
dt x= x0

(1.13)

Bớc hiệu chỉnh: Dùng giá trị dự báo xp1, lấy trung bình của đạo hàm điểm đầu và
điểm dự báo
1 dx
dx
+
).t
x c 1 = x0 + (
2 dt x= x
dt x= x p1
0

(1.14)

Để chính xác hơn, ta có thể thực hiện trung bình đạo hàm tại x = x0 và x = xc1 lần
nữa, sẽ cho ta thêm một bớc hiệu chỉnh, và có thể tiếp tục lặp lại để đợc kết quả
mong muốn.
3. Phơng pháp Runge-Kutta
Phơng pháp này cũng dựa trên khai triển chuỗi Taylor, tuy nhiên không cần xét
đến thành phần đạo hàm bậc cao mà ảnh hởng của nó vẫn đợc tính đến qua một số
ớc lợng của đạo hàm bậc 1. Tuỳ theo độ chính xác tính toán đến các đạo hàm bậc cao
mà chia phơng pháp thành nhiều cấp:
Phơng pháp Runge- Kutta cấp 2:
xn+1 = xn + xn = xn +

k1 + k2
2

- 21 -

(1.15)


k1 = f ( xn , tn )t
k2 = f ( xn + k1 , tn + t )t

Trong đó:

(1.16)

Phơng pháp Runge- Kutta cấp 4:
1
xn+1 = xn + (k1 + 2k2 + 2k3 + k4 )
6

(1.17)

Trong đó:
k1 = f ( xn , tn )t
t
k1
, t n + ) t
2
2
t
k2
k3 = f ( xn + , tn + )t
2
2

k4 = f ( xn + k3 , tn + t )t
k2 = f ( xn +

(1.18)

4. Phơng pháp hình thang
Từ hình 1.2 ta có:

dx
= f ( x, t ) với x =xo tại t = t0
dt

Khi t1 = t0 + t ta có:
t

x1 = x0 + f ( x, ) d

(1.19)

t0

x1 = x0 +

Suy ra :

[

]

t

f (x 0, t 0 )+ f (x1, t1 )
2

x n +1 = x n +

[

(1.20)

]

t
f (x n , t n ) + f (x n +1, t n +1 )
2

(1.21)

Giải phơng trình (1.21) có thể dùng phơng pháp lặp, xấp xỉ đầu x(0)i+1 thì bằng
phơng pháp Euler

x ( 0 ) i +1 = xi + t [ f (xi , t i ) ]
x ( m +1) i +1 = xi +

[

(1.22)

t
f (xi , t i ), f x ( m ) i +1, t i +1
2

(

Quá trình lặp dừng lại khi x ( m ) i +1 x ( m 1) i +1

- 22 -

)]

với m = 0,1,2....

với là giá trị cho trớc


f(x,t)
f(x0,to)

t0

f(x1,t1)

t

t1

t

Hình 1.3. Hình vẽ minh họa phơng pháp hình thang
5. Nhận xét về phơng pháp
Phơng pháp tích phân số có thể sử dụng cho mọi mô hình hệ thống điện.

Nhng trên thực tế áp dụng lại gặp nhiều khó khăn và hạn chế, phải sử dụng nhiều giả
thiết đơn giản hóa.
Phơng pháp tích phân số có nhợc điểm chính là chỉ cho phép nhận đợc lời
giải ứng với một điều kiện đầu cụ thể. Quá trình giải hệ phơng trình vi phân quá độ rất
phức tạp, thiếu chính xác và thời gian tính toán lâu. Không thích hợp cho việc đánh giá
nhanh tính ổn định tĩnh của hệ thống điện. Hạn chế ứng dụng trong tính toán và điều
khiển trực tuyến hệ thống.
1.2.2. Phơng pháp diện tích
Xét lại hệ thống điện đơn giản nh hình 1.1
P

PI

PII
A2

PT
A1

PIII
0

N

max gh

Hình 1.4. Đặc tính công suất trên đờng dây.

- 23 -


Quá trình tính toán ổn định động của hệ thống dựa trên tiêu chuẩn diện tích với
các giả thiết đơn giản hoá sau:
-

Công suất cơ không đổi

-

Không xét các yếu tố làm giảm dao động nh mô men cản ma sát, ảnh hởng
của bộ kích từ.

-

Máy phát có mô hình đơn giản hay cổ điển.
Phơng pháp diện tích đánh giá sự ổn định của hệ thống thông qua sự biến thiên

của góc lệch rôto: Nếu sau kích động góc lệch đạt giá trị cực đại rồi dao động tắt dần
quanh điểm cân bằng sau sự cố (công suất cơ PT bằng công suất điện Pe) với góc lệch
lớn hơn thì hệ thống là ổn định. Bản chất của phơng pháp là không cần giải hệ phơng
trình vi phân quá độ mà căn cứ diện tích tăng tốc và diện tích hãm tốc tơng ứng với
quá trình tích luỹ và giải phóng năng lợng của rôto bị gia tốc khi có kích động xảy ra.
Hệ thống đợc xem xét ổn định động khi xảy ra ngắn mạch trên một trong hai
đờng dây kép và sau sự cố đờng dây bị sự cố đợc cắt ra. Khi cấu trúc lới thay đổi,
trên hình 1.4 thấy đờng đặc tính công suất thay đổi từ đờng 1 (đặc tính trớc sự cố)
xuống đờng 3 (chế độ sự cố) và đờng 2 (chế độ sau sự cố). Giả sử công suất cơ không

thay đổi PT trong suốt quá trình tính toán. Năng lợng của rôto trong quá trình tăng tốc
tỉ lệ với diện tích giới hạn bởi đờng đặc tính cơ và đặc tính điện trong quá trình sự cố
P2 ( ) (phần gạch dọc A1). Năng lợng hãm tốc tỉ lệ với diện tích giới hạn A2 bởi đờng

đặc tính công suất sau sự cố P3 ( ) và công suất cơ PT. ổn định hệ thống điện đợc đánh
giá thông qua hệ số dự trữ ổn định:
= A2 A1 hoặc =

A2 A1
A1

(1.23)

Khi đó hệ thống ổn định khi > 0 và mất ổn định khi < 0 . Trờng hợp = 0
tơng ứng với danh giới ổn định, diện tích tăng tốc bằng diện tích hãm tốc. Trong thực
tế vận hành hệ thống điện, thờng quan tâm đến vùng ổn định theo thông số, ví dụ nh:
miền có thể làm việc đợc của công suất tác dụng phát truyền tải trên đờng dây. Bất
phơng trình > 0 giúp tìm đợc miền ổn định của hệ thống.

- 24 -


Tiêu chuẩn diện tích có thể tìm ra góc cắt giới hạn gh , từ đó tìm ra thời gian cắt
giới hạn tcgh từ đờng cong biến thiên (t ) phục vụ cho việc chỉnh định thiết bị bảo vệ
rơle. Phơng pháp diện tích có u điểm là đơn giản, dễ dàng thực hiện, thời gian tính
toán nhanh, cho phép nghiên cứu tìm ra miền ổn định, tìm ra góc cắt giới hạn, tính độ
dự trữ ổn định.
Hạn chế của phơng pháp là không thể sử dụng với sơ đồ hệ thống điện phức
tạp, nhng vẫn có thể vận dụng thuận tiện sau khi đã tiến hành biến đổi đẳng trị đơn
giản hóa sơ đồ hệ thống về dạng đơn giản với độ chính xác có thể chấp nhận đợc.

1.2.3. Phơng pháp trực tiếp (phơng pháp thứ hai của Lyapunov)
Phơng pháp trực tiếp nghiên cứu ổn định nói chung của hệ thống thông qua
việc thiết lập một hàm -V mới dựa trên cấu trúc hệ phơng trình vi phân quá trình qua
độ (kích động là độ lệch ban đầu so với điểm cân bằng). Hàm V cần đảm bảo có
những tính chất nhất định, từ đó có thể phán đoán tính ổn định của hệ thống. Các tính
chất đó là:
Hệ thống có ổn định nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần
theo thời gian là một hàm không đổi dấu, ngợc dấu với hàm V hoặc là một hàm đồng
nhất bằng 0 trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống.
Hệ thống có ổn định tiệm cận nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo
hàm toàn phần cũng có dấu xác định nhng ngợc dấu với hàm V trong suốt thời gian
chuyển động của hệ thống.
Về nguyên tắc, phơng pháp trực tiếp của Lyapunov rất hiệu quả, khẳng định
đợc chắc chắn sự ổn định của hệ thống nếu tìm đợc hàm -V với các tính chất cần
thiết nh trên, có thể nghiên cứu đợc ổn định của hệ thống với kích động bất kì. Tuy
nhiên, việc áp dụng gặp nhiều khó khăn và hạn chế, nhất là đối với hệ thống điện vì
việc thiết lập hàm không theo qui tắc chặt chẽ. Với hàng loạt hệ thống có cấu trúc riêng
ngời ta đa ra qui tắc thiết lập hàm và hàm V bao giờ cũng thiết lập đợc nhng các
tính chất đảm bảo cho hệ thống ổn định có thể có hoặc không tuỳ thuộc vào độ lệch ban

- 25 -