Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
..................................

Trần Văn Thắng

Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn
định động của Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị nguyệt Hạnh

HÀ NỘI – 2010


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của tôi. Các kết quả tính toán của
luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ 1 văn bản luận
văn nào khác.

Hà Nội, tháng 10 năm 2010.
Tác giả luận văn

Trần Văn Thắng

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo bộ môn Hệ Thống

Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tậm tình giảng dạy và dạy và
giúp đỡ tôi trong quá trình rèn luyện và học tập tại trường.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với cô giáo TS. Nguyễn Thị
Nguyệt Hạnh, người đã tân tình hướng dẫn và chỉ bảo tôi trong suốt quá trình
thực hiện và hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã có sự cố gắng, nhưng vì thời gian và trình độ còn hạn chế
nên bản luận văn không thể tránh khỏi nhưng thiếu sót. Tác giả rất mong
nhận được sự góp ý chân thành của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng
nghiệp để có thể bổ sung và hoàn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu vấn
đề này.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả

Trần Văn Thắng

2


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU.......................................................................................................10
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN .....................................12
1.1. Chế độ của hệ thống điện:..............................................................................12
1.2. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ...............16
1.3. Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ..................................................17
1.3.1. Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh .................... 17
1.3.2. Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua ............................ 18
1.3.3. Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp .............................................. 19
1.3.4. Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện

................................................................................................................. 21
1.4. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động ..................................................22
1.4.1. Phương pháp tích phân số ................................................................ 24
1.4.2. Phương pháp diện tích ..................................................................... 26
Kết luận:................................................................................................................28
Chương 2
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐỂ NÂNG CAO
ỔN ĐỊNH HỆ THỒNG ĐIỆN ..................................................................................29
2.1. Tổng quan ......................................................................................................29
2.2. Cơ sở lý thuyết của thuật toán. ......................................................................30
2.3. Thuật toán ......................................................................................................33
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu thuật toán: ................................................. 34
2.3.2. Sơ đồ thuật toán điều khiển .............................................................. 36
2.3.3. Các thông số sơ đồ: .......................................................................... 38
2.3.4. Nguyên lý điều khiển: ...................................................................... 38
Kết luận:................................................................................................................39
Chương 3
GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS /E .................................................................40
3.1. Giới thiệu chung ............................................................................................40
3.2. Giới thiệu chương trình PSS /E.....................................................................41

3


3.3. Mô phỏng các phần tử chính trong hệ thống điện .........................................42
3.3.1. Nút .................................................................................................. 42
3.3.2. Nhánh.............................................................................................. 44
3.3.3 Máy biến áp ...................................................................................... 45

3.4. Các bước tính toán mô phỏng động HTĐ sử dụng chương trình PSS/E.......46
3.4.1. Tính chế độ xác lập .......................................................................... 47
3.4.2. Số liệu động. .................................................................................... 47
3.4.3 Chạy chương trình mô phỏng ............................................................ 49
3.4.4 Phân tích ổn định động ...................................................................... 50
Kết luận:................................................................................................................51
Chương 4
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO
TÍNH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E..........52
4.1.Thông số hệ thống điện...................................................................................52
4.1.1. Sơ đồ hệ thống điện: ........................................................................ 52
4.1.2. Sơ đồ rút gọn: ................................................................................. 55
4.2. Chế độ xác lập................................................................................................56
4.3.Tính toán ổn định động...................................................................................58
4.3.1. Mô hình và số liệu tính toán ổn định động trong PSS/E ..................... 58
4.3.2. Quá trình quá độ khi không áp dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện.

................................................................................................................. 60
4.3.3. Kết quả tính toán khi sử dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện. ...... 67
Kết luận:................................................................................................................93
KẾT LUẬN CHUNG................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................95

PHỤ LỤC........................................................................................................ 96

4


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TT

Chữ viết tắt

Ý nghĩa của cụm từ viết tắt

1

MBA

Máy biến áp

2

HTĐ

Hệ thống điện

3

CĐXL

Chế độ xác lập

4

QTQĐ

Quá trình quá độ

5

TĐK

Tự động điều chỉnh kích từ

6

TĐT

Tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin

7

COI

Trung tâm dao động điện

8

PSS/E

Power System Simulation / Engineering

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

TT

Tên bảng

Trang

1

Bảng 4.1 Thông số máy phát

53

2

Bảng 4.2 Thông số máy biến áp

54

3

Bảng 4.3 Thông số đường dây

54

4

Bảng 4.4 Thông số tải

55

5

Bảng 4.5 Kết quả tính toán tại nút 2

56

6

Bảng 4.6 Kết quả tính toán tại nút 3

57

7

Bảng 4.7 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 1

57

8

Bảng 4.8 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 2

57

9

Bảng 4.9 Dữ liệu máy phát thủy điện

59

10

Bảng 4.10 Tự động kích từ máy phát thủy điện

59

11

Bảng 4.11 Điều tốc máy phát thủy điện

59

12

Bảng 4.12 Thông số máy phát tuabin hơi

59

13

Bảng 4.13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện

59

14

Bảng 4.14 Điều tốc máy phát nhiệt điện

60

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT

Tên hình

Trang

1

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con

31

2

Hình 2.2 Đồ thị góc lệch δ giữa các vecto điện áp hai hệ thống

31

3

Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ

32

4

Hình 2.4 Đặc tính công cuất tác dụng theo góc δ

32

5

Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song
song được liên kết bởi 2 lộ đường dây

33

6

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (PT) và góc (δ) của hệ
thống

35

7

Hình 3.1 Mô phỏng nút trong chương trình PSS/E

42

8

Hình 3.2 Mô phỏng nút phụ tải trong chương trình PSS/E

43

9

Hình 3.3 Mô phỏng nút máy phát trong chương trình PSS/E

43

10

Hình 3.4 Mô phỏng nhánh trong chương trình PSS/E

44

11

Hình 3.5 Mô phỏng đường dây trong chương trình PSS/E

44

12

Hình 3.6 Mô phỏng máy biến áp hai cuộn dây trong chương trình
PSS/E

45

13

Hình 3.7 Mô phỏng máy biến áp ba cuộn dây trong chương trình
PSS/E

46

14

Hình 3.8 Sơ đồ tính toán các bước không gian trạng thái

50

15

Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điện

52

16

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điện rút gọn

55

17

Hình 4.3 Sơ đồ thay thế hệ thống điện

56

18

Hình 4.4 Đường đặc tính công suất trên hai đường dây sau khi
cắt D1 (tnm=0,25s)

61

7


19

Hình 4.5 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1 (tnm=0,25s)

62

20

Hình 4.6 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,25s)

63

21

Hình 4.7 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây sau khi
cắt D1 (tnm=0,32s)

64

22

Hình 4.8 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1
(tnm=0,32s)

65

23

Hình 4.9 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,32s)

66

24

Hình 4.10 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
(tnm=0,25s)

68

25

Hình 4.11 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,44s
(tnm=0,25s)

69

26

Hình 4.12 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,44s (tnm=0,25s)

70

27

Hình 4.13 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D2 (tnm=0,25s)

72

28

Hình 4.14 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ
thống (tnm=0,25s)

73

29

Hình 4.15 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường
dây D2 (tnm=0,25s)

74

30

Hình 4.16 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D2 (tnm=0,25s)

75

31

Hình 4.17 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D2
(tnm=0,25s)

76

32

Hình 4.18 Điện áp tại nút 2 tại thời điểm t=1,9s (tnm=0,25s)

77

33

Hình 4.19 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
(tnm=0,32s)

78

34

Hình 4.20 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,4s
(tnm=0,25s)

79

35

Hình 4.21 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,4s (tnm=0,32s)

80

8

36

Hình 4.22 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D2 (tnm=0,32s)

81

37

Hình 4.23 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ
thống (tnm=0,25s)

82

38

Hình 3.24 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường
dây D2 lần 1 (tnm=0,32s)

83

39

Hình 4.25 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D2 lần 1 (tnm=0,32s)

84

40

Hình 4.26 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
sau khi đóng trở lại đường dây D2 (tnm=0,32s)

85

41

Hình 4.27 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,97s
(tnm=0,32s)

86

42

Hình 4.28 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,97s (tnm=0,25s)

87

43

Hình 4.29 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D2 lần 2 (tnm=0,32s)

88

44

Hình 4.30 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ

thống lần 2 (tnm=0,32s)

89

45

Hình 4.31 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường
dây D2 lần 2 (tnm=0,32s)

90

46

Hình 4.32 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D2 lần 2 (tnm=0,32s)

91

47

Hình 4.33 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần
2 (tnm=0,32s)

92

9


PHẦN MỞ ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên

thế giới do có ưu điểm quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng
khác. Hơn nữa điện năng là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, truyền tải và
sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự lớn
mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hóa nền kinh tế, hệ thống
điện cũng đã, đang và sẽ hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi
quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành các hệ thống điện hợp nhất có
quy mô lớn.
Mang đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống điện lớn, hệ thống điện Việt
Nam với trục đường dây siêu cao áp 500kV nối liền các trung tâm phụ tải với các
nhà máy có công suất lớn là tiền đề thuận lợi cho việc mở rộng phạm vi lưới, phát
triển nhiều loại nguồn điện để đáp ứng được nhu cầu điện khí hóa đất nước. Tuy
nhiên hệ thống điện càng lớn sẽ càng phức tạp trong việc nghiên cứu quy hoạch xây
dựng và vận hành. Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu
nhiên, trong hệ thống điện còn có các kích động lớn diễn ra đột ngột như các sự cố
ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây khiến mất cân bằng công suất ảnh
hưởng đến ổn định toàn hệ thống, có thể gây hậu quả nặng nề. Nên cần có các
phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện và các biên pháp nhằm ổn định và tái
đồng bộ hệ thống điện.
Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và
vận hành hệ thống điện. Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không
đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện
cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện. Chính vì vậy đã
xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác
định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công
suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ
tải. Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không
đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết bị tự động sẽ chia hệ thống

10

điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ. Điều này hoàn toàn không
được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để
thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ
thống điện sau khi đường dây này bị cắt.
Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ
ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không
đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái
lập đồng bộ hệ thống.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ
không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển
đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên lạc nối các hệ thống nhằm
nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện và nghiên cứu tính hiệu quả của thuật
toán này áp dụng cho hệ thống điện đơn giản.
Với các lý do và mục đích trên, bản luận văn có nội dung chính như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về ổn định hệ thống điện và các phương pháp nâng
cao ổn định động hệ thống điện
Chương 2: Trình bày thuật toán điều khiển máy cắt để tăng tính ổn định hệ thống
điện.
Chương 3: Giới thiệu phần mềm PSS/E
Chương 4: Sử dụng phần mềm PSS/E để chứng minh thuật toán thông qua việc tính
toán mô phỏng trên một hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống con
được nối với nhau bằng hai đường dây liên lạc.

11


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Chế độ của hệ thống điện:

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm
việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là
chế độ của hệ thống điện.
Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính:
chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của
hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên
nhỏ xum quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ
thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ
thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau
sự cố). Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi
trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chống khắc phục.
Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thông điện. Đó
là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế
độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang
công suất (những kích động lớn). Chế dộ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình
thường nếu nó tiến tới chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số của
hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp
theo ít thay đổi. Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến
thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ khi khi đó
gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải
đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế
độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ
cơ bản làm việc của hệ thống điện.
Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc
độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0. Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột
12


ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá
lớn làm cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột. Chế độ xác lập tương ứng bị

dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi
công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển
động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc
làm thay đổi góc lệch roto.
Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định
động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau nhưng kích
động lớn. Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị
cắt ra đột ngột.

Hình 1.1
Công suất PT được coi là không đổi. Công suất điện từ của máy phát phụ
thuộc vào góc lệch điện áp δ.

13


P(δ) =

E.U
.sinδ=Pm sinδ
XH

(1.1)

Trong đó XH = XF + XB + XD/2
Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ PT của
tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1). Hệ thống làm việc tại
điểm cân bằng a. Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống XH
tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2).
Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’01 (điểm cân bằng

ổn định tĩnh). Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’01 là chế độ quá độ, diễn ra theo đặc
tính động của hệ thống. Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’01 hoặc
không, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu, do
quán tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy
phát chuyển từ a → b. Công suất điện từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên,
góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c. Đến thời điểm góc lệch bằng δ’01
thì tương quan công suất trở nên cân bằng. Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng do
quán tính. Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là là động năng tích
lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm, điểm làm việc tiếp tục
chuyển từ c→d. Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δmax động năng bị giải
phóng hoàn toàn, góc lệch δ không tăng nữa – thời điểm góc lệch cực đại. Sau thời
điểm này, không còn động năng mà P(δ)>PT (momen hãm lớn hơn momen phát
động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d về
c. Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b. Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao
động của góc lệch δ. Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân
bằng δ’01 của chế độ xác lập mới. Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường hợp
này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động. Phần diện tích giới hạn giữa dặc
tính PT và P(δ). Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượng tích
lũy trong roto và năng lượng hãm. Trong khoảng góc lệch δ01 → δ’01 là năng lượng
tăng tốc ứng với quá trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’01 → δmax
là năng lượng hãm tốc ứng với quá trình giải phóng động năng roto đã tích lũy.

14


Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường
dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài)
đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn. trong trường hợp này, khi góc
lệch δ tăng nó không dừng lại ở trị số δmax trước khi tiến tới điểm δ’02. Đó là vì công
hãm (tỷ lệ với phần diện tích giới hạn đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công

suất tuabin PT) nhỏ hơn động năng tích lũy trước đó của động năng máy phát (tỷ lệ
với diện tích gạch chéo nằm dưới PT). Sau khi vượt qua δ’02 tương quan công suất
lại đổi chiều PT> P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng. Dễ thấy tương quan PT> P(δ)
sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy
phát. Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, lên trị số rất lớn.
Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động.
Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong
hình 1.2.

Hình 1.2
Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát. Trong trường hợp này đặc
tính công suất phả kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp

15


U sẽ giao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính
nặng nề của sự cố - cắt ít hay nhiều công suất của máy phát.
Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể
không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống. Chẳng hạn đặc tính công suất
phát QF bị giảm xuống quá thấp, không cắt đặc tính Qt. Trong các trường hợp như
vậy hiển nhiên quá trình quá độ không ổn định vì không có điểm cân bằng. Nói
khác đi sự tồn tại chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định
động.
Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này
không hoàn toàn tương đương nhau. Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn
định động như sau đối với hệ thống điện
Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi
được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

1.2. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ
Khi hệ thống rơi vào mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có
tính chất hệ thống:
-

Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra làm
mất những lượng công suất lớn.

-

Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.

-

Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các phụ
tải.

Hậu quả kéo theo:
-

Bảo vệ rơle tác dộng nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.

-

Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn
đến trạng thái tan rã hệ thống. Quá trình phục hồi có thể làm ngừng cung
cấp điện trong nhũng thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động
đồng bộ các máy phát.

Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành

hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:

16


-

Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và
sau sự cố.

-

Cần có độ dữ trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc
bình thường với các biến đổi thường xuyên các thông số chế độ.

-

Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao thác vận
hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động
có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp
thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng).

Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản
xuất và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện. Ngoài ra, còn hàng loạt những
chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo. Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa
dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại quá trình quá dộ diễn ra
đủ ngắn.

1.3. Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ
1.3.1. Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh

Hình 1.3

Hình 1.4

Cắt nhanh ngắn mạch là biện pháp hiệu quả và được áp dụng phổ biến để cải
thiện ổn định động hệ thống. Hiệu quả của phương pháp này dễ dàng giải thích bởi

17


việc làm giảm được thời gian gia tốc cho roto các máy phát. Khi đó, đồng thời với
việc làm giảm diện tích gia tốc còn có thể làm tăng diện tích hãm tốc. Như vậy cắt
nhanh ngắn mạch làm tăng được khả năng chuyên tải công suất trên đường dây theo
giới hạn ổn định động
Bằng phương pháp diện tích cũng có thể xây dựng quan hệ giữa giới hạn ổn
định động với thời gian tồn tại ngắn mạch. Kết quả cho thấy giới hạn công suất
truyền tải giảm khá nhanh theo thời gian tồn tại ngắn mạch (hình 1.4). Đối với hệ
thống phức tạp không thể sử dụng được phương pháp diện tích để phân tích như
trên vì quá trình quá độ sau ngắn mạch diễn ra phức tạp hơn. Tuy nhiên, dễ nhận
thấy rằng, khi thời gian tồn tại ngắn mạch giảm thì năng lượng toàn phần gây ra bởi
kích động cũng giảm, hạn chế chuyển mạch quá độ dẫn đến mất ổn định động. Đó
cũng là cơ sở để kết luận định tính nói chung cho hiệu quả các thiết bị bảo vệ cắt
nhanh ngắn mạch về phương diện nâng cao tính ổn định động hệ thống.
1.3.2. Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua

Hình 1.5

Hình 1.6

Thiết bị tự động đóng trở lại đường dây bị cắt ra do ngắn mạch đường được
áp dụng khá rộng rãi do xác xuất xảy ra ngắn mạch thoáng qua tương đối lớn.
Chẳng hạn, đường dây bị ngắn mạch do phóng điện sét sẽ không còn sự cố sau khi

18


cắt nhanh ra khỏi nguồn một thời gian ngắn (đủ để hồ quang bị dập tắt). Sau đó nếu
đường dây được đóng trở lại nó sẽ làm việc bình thường. Ngoài ý nghĩa tăng cường
độ tin cậy cung cấp điện, việc thực hiện dóng lại đường dây (1 lần hay nhiều lần),
nếu thành công còn có ý nghĩa nang cao ổn định động. Trên hình 1.5 và 1.6 minh
họa hiệu quả đóng trở lại đường dây thành công theo phương pháp diện tích.
Nếu hệ thống liên kết bằng một đường dây, sau đó đóng lặp lại thành công
hệ thống vẫn có khẳ năng giữ ổn định động (Hình 1.5). Với hệ thống được liên bằng
đường dây kép, nếu đóng lại thành công khẳ năng giữ ổn định sẽ nhiều hơn vì diện
tích hãm được tăng cường (Hình 1.6). Khi thực hiện đóng lại theo từng pha (chỉ cắt
pha bị ngắn mạch) và đóng lại, nếu đóng lặp lại thành công (ngắn mạch thoáng qua)
hiệu quả còn lớn hơn nhiều.
1.3.3. Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp
Điều chỉnh kích từ máy phát có hiệu quả rõ rệt đối với ổn định tĩnh, đặc biệt
khi áp dụng hệ thống kích từ nhanh với TĐK tác động mạnh. Tuy nhiên khi diễn ra
quá trình quá độ đối với kích động lớn TĐK rất ít tác dụng. Vấn đề ở chỗ TĐK
được cấu tạo trên cơ sở mô hình tuyến tính (xuất phát từ hệ phương trình vi phân đã
tuyến tính hóa) còn quá trình quá độ diễn ra với kích động lớn lại rất phi tuyến.
Cũng vậy, cơ cấu tự động điều chỉnh tần số của tuabin vốn có tại các tổ máy, được
thiết kế không theo yêu cầu nâng cao ổn định động. Hiệu quả nâng cao ổn định
động chỉ có thể có được khi điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp bằng quy luật
riêng. Về nguyên tắc luôn có thể chọn được các quy luật điều khiển với tác động tối
ưu.
Ví dụ khi điều khiển tuabin bằng một xung tác động vào động cơ sơ cấp

nhằm nâng cao ổn định động hệ thống trong tình huống sự cố ngắn mạch. Diện tích
gia tốc có thể giảm được nếu có thể giảm nhanh công suất tuabin đến trị số cân
bằng. Muốn vậy ta tạo ra một xung với biên độ cực đại theo chiều làm giảm độ mở
của hơi ngay khi xảy ra ngắn mạch. Quán tính của động cơ sơ cấp và quán tính giãn
nở hơi làm công suất tuabin chỉ gảm dược từ từ theo quy luật hàm mũ. Hình 1.7 thể
hiện hiệu quả của tác động xét theo phương pháp diện tích.

19


Hình 1.7
Trong trường hợp đang xét hệ thống sẽ bị mất ổn định nếu không điều khiển
hạ thấp công suất tuabin. Khi có điều khiển không những diện tích hãm tăng lên mà
diện tích gia tốc cũng giảm đi một lượng. Hệ thống giữ được ổn định với góc cắt
ngắn mạch δN khá lớn. Tuy nhiên góc lệch δ bị giao động mạnh, bởi quá trình trở về
công suất điện lớn hơn đáng kể so với công suất tuabin. Dễ thấy rằng nếu xung điều
khiển bị kéo dài dao động diễn ra sẽ lớn hơn nhiều so với khi lựa chọn thích hợp.
Hơn nữa, yếu tố quán tính chuyển động của xu-pap đóng mở cửa hơi có ảnh hưởng
tương đối nhiều đối với hiệu quả điều khiển. Nếu quán tính quá lớn sẽ không còn
tác dụng nữa. Việc giảm công suất tuabin nước có thêm khó khăn khác là xung
động sẽ rất mạnh khi khép đột ngột cửa nhận nước. Để giải quyết khó khăn này
người ta đã nghiên cứu kiểu cấu tạo riêng cửa nhận nước giành cho mục đích nêu
trên. Một buồng chân không được khóa kín nối liên thông với hệ thống ống dẫn
nước vào. Khi có tín hiệu điều khiển, cửa van được mở đột ngột, nước từ đường dẫn

20


chính dồn vào bình chân không, cắt lượng nước chảy vào tuabin. Sau sự cố trạng
thái chân không của bình lại được khôi phục sẵn sàng chờ lần sự cố tiếp theo.

Về nguyên lý, thực hiện kích thích cường hành (điều khiển trực tiếp điện áp
kích từ) với chiều dài thời gian thích hợp cũng có thể tạo ra hiệu quả làm tăng
momen hãm tương tự điều khiển cửa hơi (hoặc nước). Tuy nhiên, quán tính điện từ
của cuộn roto khá lớn nên hiệu quả không cao (do momen điện từ thay đổi chậm).
1.3.4. Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện
Các đường dây điện áp siêu cao thường được bù thông số. Mục đích chủ yếu
của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố
dọc đường dây. Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh tăng lên do bù dọc
làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng đường dây). Một cách gián tiếp giới
hạn ổn định động cũng được tăng do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Tuy nhiên, ổn định động hệ thống còn có thể cải thiện đáng kể nếu đặt thiết bị bù có
điều khiển. Đặc điểm quan trọng của các thiết bị bù cấu tạo với thyristor là có tác
động điều khiển (làm thay đổi điện kháng) gần như tức thời, do đó hiệu quả điều
khiển rất cao. Kháng bù ngang có điều khiển thường được dùng nguồn cung cấp
công suất phản kháng điều chỉnh nhanh cho mục đích ổn định điện áp, nâng cao ổn
định tĩnh, còn thiết bị bù dọc có điều khiển thường dùng vào mục đích giảm dao
động công suất và nâng cao ổn định động. Hình 1.8 minh họa hiệu quả nâng cao
giới hạn ổn định động và giảm biên độ dao động góc lệch (cũng có nghĩa là giảm
dao động công suất) giữa hai hệ thống liên kết đường dây dài có tụ bù dọc và bù
ngang tại điểm giữa.
Sau khi cắt đoạn đường dây bị ngắn mạch, nếu không điều khiển dung lượng
bù điện dẫn liên kết hệ thống có trị số y0. Khả năng tăng cường điện dẫn lên ymax
hoặc giảm xuống ymin có thể thực hiện bằng cách điều khiển tụ bù dọc. Dễ nhận
thấy, thời điểm đóng cắt thay đổi dung lượng bù có ý nghĩa hết sức quan trọng. Tác
động sai sẽ rất ít hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng thêm dao động dẫn đến làm mất
ổn định hệ thống.

21

Hình 1.8

1.4. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động
Việc tính toán kiểm tra điều kiện ổn định động là hết sức cần thiết cho việc
xây dựng và vận hành an toàn lưới điện, đặc biệt là giải quyết bài toán thời gian
thực, đánh giá ổn định nhanh và chính xác để phục vụ thao thác điều khiển. Có
nhiều phương pháp phân tích ổn định động, chúng được nghiên cứu và ứng dụng
với nhiều kiểu hệ thống khác nhau. Để tính toán ổn định động cần dựa vào hệ

22


phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ, do đó có các mô hình khác nhau mô tả
hệ thống: mô hình đơn giản bỏ qua ảnh hưởng quá trình quá độ bên trong các bộ tự
động điều chỉnh và mô hình đầy đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này. Mỗi
trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích tính ổn
định động. Việc lựa chọn hợp lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá
đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ. Khác với ổn định tĩnh,
các phương trình vi phân ban đầu không có khẳ năng tuyến tính hóa. Đó là vì các
kích động lớn quá trình quá độ diễn ra có các thông số thay đổi mạnh, trên phạm vi
rộng của các đặc tính phi tuyến. Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là đoạn thẳng
sẽ mắc sai số đáng kể.
Nghiên cứu ổn định động hệ thống điện theo hệ phương trình vi phân phi
tuyến là rất khó khăn. Về nguyên tắc có thể ứng dụng phương pháp trực tiếp của
Lyapunov để kết luận tính ổn định theo miền kích động ban đầu. Miền này có thể
tính được dựa trên các yếu tố sự cố (ví dụ sự cố, thời gian tồn tại ngắn mạch ….).
Tuy nhiên có rất nhiều khó khăn trong cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov
theo phương trình quá trình quá độ của hệ thống điện. Đó cũng là lý do chủ yếu hạn
chế các ứng dụng thực tế của phương pháp này.
Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn cả để nghiên cứu ổn

định động hệ thống điện. Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ
phương trình vi phân phi tuyến quá trình quá độ có thể xác định được đường cong
biến thiên góc lệch δ, trên cơ sở đó đánh giá được ổn định động. Ưu điểm cơ bản
của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại mô hình và cấu trúc hệ thống
điện. Tuy nhiên, phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm rất cơ bản:
-

Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, hạn chế mất hiệu
quả ứng dụng trong các bài toán điều khiển nhanh.

-

Độ chính xác thấp khi tính quá trình quá độ trong thời gian dài.

-

Khó phân tích kết quả.

Đối với các hệ thống điện đơn giản xét theo mô hình đơn giản hóa quá trình
quá độ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả. Trong phạm vi có thể

23


(với các phép biến đổi đẳng trị đơn giản hóa sơ đồ) người ta thường sử dụng tối đa
ưu điểm của phương pháp này.
1.4.1. Phương pháp tích phân số
Với mô hình đơn giản (coi E’q = const) phương trình vi phân quá trình quá
độ diễn ra trong hệ thống đang xét, kể từ thời điểm một đường dây cắt ra có dạng
sau:

E 'q U
TJ d 2 δ
= P0 sinδ
ω0 dt 2
X åII

(1-2)

Trong đó P0 là công suất tác dụng của máy phá coi như không đổi (bằng
công suất cơ của tuabin). Để áp dụng các chương trình tính toán thường cần đưa
phương trình về dạng chuẩn của bài toán Cô-si:
dδ
= s
dt

(1-3)

Eq'
ds ω0
=
(P0 - II sinδ )
X∑
dt
TJ

(1-4)

Các điều kiện đầu của chương trình:
δ(0) = δ0I = arcsin(P0/PmI)
s(0) = 0

suy ra từ điều kiện cụ thể của hệ thống tại t = 0 sau khi cắt đường dây.
Kết quả tính toán nhận được bằng phương pháp tích phân số sẽ là các trị số
của góc lệch δ(t) ở những thời điểm khác nhau (đồng thời cũng có các giá trị của độ
lệch tần số s(t) biến thiên theo thời gian). Có thể biểu diễn kết quả dưới dạng đường
cong hoặc bảng số để phân tích. Nếu tính toán thời gian đủ dài mà ở mọi thời điểm
đều có δ(t) < 2π ta nói quá trình quá độ ổn định. Cũng có thể bằng trực giác, dựa
váo dạng đường cong δ(t) để kết luận về đặc trưng ổn định của hệ thống (dao động
tắt dần hay tăng trưởng vô hạn).
Trong ví dụ trên mỗi lần tính toán ta nhận được một đường cong duy nhất
của góc lệch δ (và 1 đường cong dao động tần số góc s = ω – ω0 nếu quan tâm). Tuy
nhiên cũng có thể tiến hành tính toán nhiều lần để quan sát đặc trưng ổn định của hệ

24