Nghiên cứu một số bài toán về giới hạn truyền tải và giới hạn ổn định tĩnh hệ thống điện

-

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

ĐỖ THÀNH CHUNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ GIỚI HẠN
TRUYỀN TẢI VÀ GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TĨNH
HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Hà Nội - Năm 2015


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

ĐỖ THÀNH CHUNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ GIỚI HẠN
TRUYỀN TẢI VÀ GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH TĨNH
HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Phan Đăng Khải

Hà Nội - Năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Phan Đăng Khải.
Các kết quả tính toán nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
công bố trong bất kì một bản luận văn nghiên cứu nào khác.

Hà Nội, tháng 10 năm 2015
Học viên

Đỗ Thành Chung


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS. Phan Đăng Khải đã động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình để tôi có thể
hoàn thành được luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn quý thầy, cô giáo công tác tại Viện đào tạo Sau đại học,
đặc biệt là quý thầy, cô giáo công tác tại Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên
cứu thực hiện luận văn.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình
và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập
và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả

Đỗ Thành Chung


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các bảng
Danh mục các hình
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN ..............................3
1.1. Vài nét về đặc điểm phát triển phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống
điện. ..........................................................................................................................3
1.2. Khái niệm về ổn định và độ dự trữ ổn định tĩnh. ..............................................5
1.2.1. Khái niệm ổn định ......................................................................................5
1.2.2. Độ dự trữ ổn định tĩnh ................................................................................8
1.3. Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng ..............................9
1.4. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của hệ thống
điện.........................................................................................................................12
1.5. Các cấu trúc điển hình của hệ thống điện .......................................................13
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN .......17
2.1. Ổn định của hệ thống điện đơn giản nhất .......................................................17
2.1.1. Phân tích ổn định theo tiêu chuẩn năng lượng .........................................18
2.1.2. Phân tích ổn định theo phương pháp dao động bé ...................................21
2.2. Ổn định của hệ thống đơn giản nhận công suất ..............................................24
2.3. Ổn định tĩnh của hai máy phát có liên kết mạnh. ...........................................32
2.3.1. Mô hình phụ tải bằng tổng trở cố định .....................................................32
2.3.2. Mô hình phụ tải phi tuyến (thay đổi theo đặc tính tĩnh)...........................35
2.3.3. phân tích ổn định tĩnh của hệ thống điện 2 máy phát bằng phương

pháp dao động bé (phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov) ......................37
2.3.4. Các tiêu chuẩn thực dụng nghiên cứu ổn định tĩnh ..................................41


2.4. Ổn định tĩnh của hệ thống điện có cấu trúc phức tạp .....................................50
2.4.1. Phương pháp dao động bé (ổn định theo Lyapunov) ...............................50
2.4.2. Áp dụng tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov) ................53
2.4.3. Các tiêu chuẩn thực dụng (Markovits) .....................................................53
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CONUS NGHIÊN CỨU MỘT SỐ
BÀI TOÁN VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁCH GIẢI .......57
3.1. Giới thiệu chung về phần mềm Conus ...........................................................57
3.2. Tính toán phân tích ổn định tĩnh trong Conus. ...............................................59
3.2.1. Đánh giá ổn định tĩnh của hệ thống điện phức tạp theo tiêu chuẩn
mất ổn định phi chu kỳ .......................................................................................59
3.2.2. Xác định chế độ vận hành giới hạn theo điều kiện ổn định tĩnh ..............60
3.2.3. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện phức tạp..........61
3.3. Xây dựng đường đặc tính công suất và giải một số bài toán ổn định tĩnh
hệ thống điện. .........................................................................................................63
3.3.1. Xây dựng đường đặc tính công suất .........................................................63
3.3.2. Một số ví dụ đơn giản đánh giá tính ổn định tĩnh HTĐ ...........................65
3.3.3. Tính Độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống điện Việt Nam bằng Conus ...77
KẾT LUẬN ...............................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1: Phương pháp phù hợp khi phân tích ổn định ............................................15

DANH MỤC CÁC HÌNH
TT
Tên hình
Trang
Hình 1.1a. Hệ thống điện đơn giản .............................................................................7
Hình 1.2b. Đường đặc tính góc ...................................................................................8
Hình 1.2. Hệ thống điện và đặc tuyến QF(U) ..............................................................8
Hình 2.1. Sơ đồ HTĐ đơn giản .................................................................................17
Hình 2.2. Đường đặc tính công suất..........................................................................18
Hình 2.3. Đồ thị vector và sơ đồ thay thế .................................................................20
Hình 2.4. Đặc tuyến công suất của máy phát điện cực lồi ........................................20
Hình 2.5. Đặc tuyến công suất xét đến ảnh hưởng của điện trở ...............................21
Hình 2.6. Biến thiên  (t ) .......................................................................................24
Hình 2.7. HTĐ đơn giản nhận công suất ..................................................................24
Hình 2.8. Đường công suất góc của HTĐ nhận công suất ........................................25
Hình 2.9. Tương quan cân bằng công suất ................................................................27
Hình 2.10. Đường cong giới hạn miền ổn định ........................................................29
Hình 2.11. Bù tĩnh tại nút tải .....................................................................................30
Hình 2.12. Đặc tuyến QF(U) khi bù tĩnh ...................................................................31
Hình 2.13. Mô hình phụ tải là tổng trở cố định.........................................................32
Hình 2.14. Đặc tuyến công suất góc của hệ hai máy phát ........................................33
Hình 2.15. Đường giới hạn công suất phát ...............................................................34
Hình 2.16. Giới hạn miền ổn định .............................................................................35
Hình 2.17. HTĐ đơn giản..........................................................................................36
Hình 2.18. Miền ổn định theo Lyapunov và tiêu chuẩn thực dụng...........................38

Hình 2.19. Ổn định theo Gidanov .............................................................................44
Hình 2.20. Mô hình HTĐ đẳng trị hình tia ...............................................................54


Hình 3.1. Sơ đồ thay thế ............................................................................................63
Hình 3.2. Sơ đồ tương đương ....................................................................................63
Hình 3.3. Ảnh hưởng của cos 0 tới Kdt ....................................................................69
Hình 3.4. Ảnh hưởng của X’d tới Kdt ........................................................................69
Hình 3.5. Ảnh hưởng của chiều dài đường dây L tới Kdt..........................................70
Hình 3.6. Ảnh hưởng của sự phân chia dây dẫn trong một pha tới Kdt ....................70


MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài
Trong những năm qua, với sự phát triển nhảy vọt về công suất và quy mô lãnh
thổ của hệ thống điện Việt Nam đã làm tăng nhu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu
các đặc tính ổn định của hệ thống điện. Trong tương lai với sự xuất hiện của một số
nhà máy điện có công suất vừa và nhỏ nối vào hệ thống điện, điều này đòi hỏi phải
nghiên cứu kỹ lưỡng hơn về phương diện ổn định hệ thống điện phức tạp.
Một hệ thống điện không ổn định sẽ dẫn đến nhiều hậu quả như:
- Các máy phát làm việc không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất lượng công suất lớn.
- Tần số hệ thống bị thay đổi ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ.
- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải…
Chính vì vậy, yêu cầu đặc biệt quan trọng đối với một hệ thống điện lớn là sự
làm việc ổn định trong quá trình vận hành. Bởi vậy việc sử dụng các công cụ hiện
đại, trên cơ sở lý thuyết chặt chẽ để nghiên cứu các đặc trưng ổn định của HTĐ
phức tạp và các biện pháp nâng cao ổn định là rất cần thiết.
Mục đích nghiên cứu của luận văn: Nghiên cứu một số bài toán về giới hạn
truyền tải và giới hạn ổn định tĩnh hệ thống điện để từ đó tìm ra và kết luận được hệ
thống điện đó có mang tính ổn định tĩnh hay không.

2. Nội dung của luận văn
Với mục tiêu trên, luận văn thực hiện theo bố cục nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về ổn định hệ thống điện.
Chương 2: Phân tích tính ổn định tĩnh của hệ thống điện.
Chương 3: Ứng dụng phần mềm conus nghiên cứu một số bài toán về ổn
định tĩnh của hệ thống điện và cách giải.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Một số sơ đồ hệ thống điện đơn giản và Hệ thống điện Việt Nam năm 2005.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận văn góp phần đánh giá sự ổn định của HTĐ
Việt Nam, xác định được giới hạn truyền tải công suất tối đa của HTĐ 500kV trong

1


năm 2005 theo điều kiện ổn định tĩnh, trên kết quả đó lập phương thức vận hành để
đảm bảo vận hành HTĐ an toàn, ổn định và kinh tế, đồng thời có định hướng để
quy hoạch xây dựng các nhà máy điện phù hợp đối với sự phát triển của HTĐ.
Qua đây tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống
điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến thầy giáo TS. Phan Đăng Khải – người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp
tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này. Đồng thời xin gửi lời cảm ơn các anh
chị, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian tác giả
thực hiện luận văn. Vì trình độ và thời gian có hạn nên bản luận văn không tránh
khỏi những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các
thầy cô cùng các đồng nghiệp bạn bè.
Xin trân trọng cảm ơn!

2

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Vài nét về đặc điểm phát triển phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống điện.
Theo GS.TS. Lã Văn Út (2011), lý thuyết và phương pháp nghiên cứu hệ
thống điện đã có một lịch sử phát triển tương đối dài, có thể tính từ những năm 20
của thế kỷ XX. Năm 1928 Nhà bác học Mỹ R.Park lần đầu tiên đặt nền móng
nghiên cứu ổn định hệ thống điện dựa trên cơ sở thiết lập phương trình vi phân quá
trình quá độ điện cơ của cá máy điện đồng bộ trong hệ tọa độ quay. Gần như đồng
thời với Park, một loạt các công trình công bố độc lập của A.A. Goriev (Nga) trong
những năm 1930 - 1935 về mô hình quá trình quá độ trong các máy điện quay đã
làm phát triển lý thuyết nghiên cứu ổn định của hệ thống điện thêm một bước (sau
này hệ phương trình được gọi tên là Park- Goriev). Mô hình quá trình quá độ của hệ
thống điện trong hệ tọa độ quay đã làm đơn giản đáng kể hệ phương trình vi phân
mô tả trạng thái quá độ của hệ thống điện. Dựa trên cơ sở đó các phương pháp toán
về ổn định hệ thống (nói chung) đã được nghiên cứu cho một hệ thống điện.
Trước hết phải kể đến phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng
(còn gọi là tiêu chuẩn năng lượng). Một phần ý tưởng của phương pháp đã thể hiện
trong các phần khái niệm đã nêu trên. Phương pháp khá đơn giản, nhận được kết
quả đúng và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên các phương pháp khác
sau đó chỉ ra rằng, khái niệm ổn định theo ý nghĩa cân bằng năng lượng là không
đầy đủ, không phát hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao động quán tính.
Hơn nữa phương pháp cân bằng năng lượng không có cơ sở chặt chẽ về phương
pháp để áp dụng đối với hệ thống điện phức tạp.
Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý
nói chung của A. M. Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc
biệt là phương pháp dao động bé. Chính Goriev trong các công trình của mình đã
chỉ ra các cách nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo Lyapunov (các hệ thống đơn
giản). P.S. Gidanov đã có những nghiên cứu khá sâu sắc phương pháp dao động bé

3


đối với ổn định hệ thống điện đơn giản cũng như phức tạp. Ông đã chứng minh
được rằng sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của số hạng tự do phương trình đặc trưng
của hệ phương trình vi phân quá trình quá độ có thể phát hiện được hầu hết các
trương hợp mất ổn định hệ thống điện (còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ).
Dựa trên tiêu chuẩn này cách tính toán phân tích ổn định tĩnh cho hệ thống điện
phức tạp dạng chung đã được xây dựng. (Vẫn được áp dụng phổ biến hiện nay trong
các chương trình phân tích hệ thống). Tiêu chuẩn còn đặc biệt tiện lợi khi tìm các
thông số giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh. Dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ổn
định phi chu kỳ I. M. Markovits cũng đã chứng minh bản chất của tiêu chuẩn cân
bằng năng lượng: chúng chính là các trường hợp riêng đảm bảo ổn định phi chu kỳ.
Nhờ các tiêu chuẩn riêng này (còn được gọi là tiêu chuẩn thực dụng) có thể đánh
giá nhanh được mức độ ổn định của các hệ thống điện cụ thể đang vận hành. Vấn đề
là ở chổ, trong những điều kiện cụ thể luôn tồn tại một hay một vài tiêu chuẩn (dạng
đạo hàm dP/d  , dQ/dU, dE/dU…) dễ bị vi phạm nhất. Trong vận hành nếu quan sát
thấy những tiêu chuẩn này còn ở xa giới hạn thì hệ thống làm việc có độ tin cậy ổn
định cao. Trong trường hợp ngược lại cần phải có các biện pháp xử lý.
Hạn chế chủ yếu của tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (bao hàm cả các tiêu
chuẩn năng lượng) là không áp dụng được khi xét đến hiệu quả của các thiết bị tự
động điều chỉnh, điều khiển. Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần số trang
bị trong các máy phát, phát bù đồng bộ có cấu trúc phức tạp, làm việc có quán tính,
không thể bỏ qua hiện tượng mất ổn định dạng chu kỳ (dao động). Để phân tích ổn
định hệ thống điện có điều chỉnh cần dựa trên các tiêu chuẩn đầy đủ, xét đến mọi hệ
số của phương trình đặc trưng (các tiêu chuẩn đại số, tiêu chuẩn tần số…). Hàng
loạt các công trình của các nhà bác học Nga sau đó (đặc biệt từ sau năm 1950) đã đi
sâu nghiên cứu ổn định hệ thống theo hướng này. Kết quả nghiên cứu của các
chuyên gia Xô-Viết đã dẫn đến việc đề xuất thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác
động mạnh của các máy phát, cho phép nâng cao đáng kể giới hạn ổn định tĩnh của

hệ thống. Tồn tại những nguyên tắc cơ bản để tổng hợp cấu trúc thiết bị tự động
điều chỉnh kích từ đảm bảo chất lượng điều chỉnh điện áp rất cao trong khi vẫn

4


được tính ổn định, không dao động của các khâu quán tính. Một số tác giả phương
Tây cũng đi theo hướng nghiên cứu này và đề xuất những cấu trúc cụ thể của các bộ
ổn định hệ thống (PSS - Power System Stanbilizer).
Nhược điểm chủ yếu của việc nghiên cứu ổn định hệ thống điện theo mô
hình đầy đủ là ở tính phức tạp về phương pháp và khó khăn khi tính toán. Chính vì
vậy, đối với hệ thống điện phức tạp có điều chỉnh người ta cũng tìm tòi áp dụng
những phương pháp khác nhau không dựa trực tiếp vào phân tích phương trình đặc
trưng (còn gọi là các phương trình chất lượng), chẳng hạn phương pháp thứ hai (còn
gọi là phương pháp trực tiếp) của Lyapunov, phương pháp hàm năng lượng… Tuy
nhiên, hiệu quả ứng dụng của các phương pháp này cho đến nay vẫn còn rất hạn chế.
Bên cạnh các bài toán phân tích, bài toán điều khiển (tổng hợp) quá trình quá
độ để nâng cao ổn định hệ thống điện cũng được nghiên cứu. các thiết bị tự động
điều chỉnh điện áp tác động mạnh (trường phái Nga) và các bộ ổn định hệ thống
(PSS) của tác giả phương Tây là những ví dụ về điều khiển nâng cao giới hạn ổn
định tĩnh. Điều khiển quá trình quá độ điện cơ khi xảy ra các kích động lớn thông
qua các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần số, các thiết bị tự động chống sự
cố làm việc thông minh… đang là những đề tài được quan tâm nhiều trong lĩnh vực
nghiên cứu ổn định hệ thống điện. (Trích tài liệu giáo trình Phân tích và điều khiển
ổn định hệ thống điện)
1.2. Khái niệm về ổn định và độ dự trữ ổn định tĩnh.
1.2.1. Khái niệm ổn định
Các chế độ làm việc của hệ thống điện được chia ra làm hai loại chính: chế
độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó thông số của hệ
thống không thay đổi, hoặc trong khoản thời gian tương đối ngắn, chỉ biến đổi nhỏ

xung quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống
điện thuộc về chế độ xác lập (chế độ xác lập còn gọi là chế độ bình thường). Chế độ
sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác
lập (còn gọi là chế độ 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 chóng

5


khắc phục.
Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra chế độ quá độ trong hệ thống 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 tác đóng cắt các phần tử đang
mang công suất (những kích động lớn). Chế độ quá độ được gọi là chế độ quá độ
bình thường nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số
hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về 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 đó được
gọi là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết là
phải đảm bảo cho các chế độ quá độ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang
chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể là tạm thời, chế độ xác lập mới là
chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện.
Từ khái niệm về các chế độ của hệ thống điện có thể thấy rằng điều kiện tồn
tại chế độ xác lập gắn liền với sự tồn tại của điểm cân bằng công suất. Bởi chỉ khi
đó thông số hệ thống mới giữ được không đổi (nói riêng các máy phát có thể duy trì
tốc độ quay đồng bộ). Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần (chưa đủ)
của chế độ xác lập. Thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông
số khỏi điểm cân bằng (tuy rất nhỏ), chẳng hạn những thay đổi thường xuyên của
công suất phụ tải. chính trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch
nhỏ của các thông số, nghĩa là đảm bảo sự tồn tại của chế độ xác lập. khả năng này

phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống: tính ổn định tĩnh.
Để có khái niệm rõ hơn về tính ổn định tĩnh, hãy trở lại xem xét trạng thái
cân bằng công suất máy phát. Hình 1.1 b vẽ đặc tính công suất điện từ của máy phát
và đặc tính công suất của tua bin đối với hệ thống điện đơn giản trên hình 1.1 a.
Công suất tua bin được coi là không đổi, còn công suất máy phát có dạng:

P( ) 

EU
sin   Pm sin 
XH

(1-1)

Trong đó XH = XF + XB + XD/2

6


Tồn tại 2 điểm cân bằng a và b ứng với các trị số góc lệch  01 và  2 :

 01  arcsin( PT / Pm ); 02  1800  sin( PT / Pm )

(1-2)

Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên CĐXL. Thật vậy, giả
thiết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc  khỏi giá trị  01 một lượng
  0 (sau đó kích động triệt tiêu). Khi đó theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới

công suất điện từ (hãm) P( ) lớn hơn công suất cơ (phát động) PT, do đó máy phát

quay chậm lại, góc lệch  giảm đi, trở về giá trị  01 . Khi   0 hiện tượng diễn ra
theo tương quan ngược lại PT  P( ) , máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch 
tăng, cũng trở về  01 . Điểm a như vậy được coi là có tính chất cân bằng bền, hay nói
khác đi có tính ổn định tĩnh.
Xét điểm cân bằng b với giả thiết   0 , tương quan công suất sau kích
động sẽ là PT  P( ) , làm góc  tiếp tục tăng lên, xa dần trị số  02 . Nếu   0 ,
tương quan công suất ngược lại làm giảm góc  , nhưng cũng làm lệch xa hơn trạng
thái cân bằng. Như vậy tại điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một kích động nhỏ (sau
đó kích động triệt tiêu) thông số hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị số
ban đầu. Vì thế điểm cân bằng b bị coi là không ổn định. Với ý nghĩa trên, ổn định
tĩnh còn được gọi là ổn định với kích động bé hay ổn định điểm cân bằng.

Hình 1.1a. Hệ thống điện đơn giản

7


Hình 1.2b. Đường đặc tính góc
Nếu xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng ta cũng có
tính chất tương tự. Chẳng hạn xét HTĐ hình 1.2a. Nút tải được cung cấp từ những
nguồn phát xa. Đặc tính công suất nhận được từ các đường dây về đến nút U có dạng:

Qi (U )  U 2 / X Di  (UEi / X Di ) cos  i

(1-3)

Điện áp U phụ thuộc tương quan cân bằng công suất phản kháng.
Tổng công suất phát QF(U) = ∑Qi(U) cân bằng với công suất Qt tại các điểm c
và d như trên hình 1.2b, ứng với các điện áp U01 và U02. Nếu giữ được cân bằng công
suất, điện áp nút U sẽ không đổi, còn nếu QF > Qt điện áp nút tăng lên, khi QF < Qt

điện áp nút U giảm xuống (thể hiện đặc tính vật lý của nút tải chứa các động cơ).
Phân tích tương tự như trường hợp công suất tác dụng của máy phát dễ thấy được chỉ
có điểm cân bằng d là ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu
nhiên điện áp U sẽ xa dần trị số U01 nghĩa là điểm cân bằng c không ổn định.

a)

b)

Hình 1.2. Hệ thống điện và đặc tuyến QF(U)
1.2.2. Độ dự trữ ổn định tĩnh
Hiện nay ngày càng xuất hiện nhiều nhà máy thủy điện, nhiệt điện, công suất
lớn ở xa trung tâm tiêu thụ điện và được nối lại với nhau nhờ những đường dây tải
điện đi xa cao áp (hoặc siêu cao áp) thành những hệ thống điện lớn. Trong trường hợp
này một trong những vấn đề quan trọng của hệ thống điện là tính làm việc ổn định.
Trong những hệ thống điện lớn những sự cố làm ngừng cung cấp điện một
cách nghiêm trọng, phân chia hệ thống thành những phần riêng rẽ thường do mất ổn

8


định gây nên.
Hệ thống điện có tính ổn định cao, nghĩa là lúc bình thường nhu cầu điện
năng của phụ tải được cung cấp một cách chắc chắn, chất lượng điện (giá trị tần số
và điện áp) luôn duy trì trong phạm vi cho phép. Ngoài ra khi xảy ra những đột biến
về chế độ làm việc (đóng cắt đường dây, máy biến áp mang tải…) hoặc khi xảy ra
sự cố (ngắn mạch các loại), những dao động phải tắt dần về hệ thống đến được
trạng thái xác lập với những thông số ổn định. Như vậy tính làm việc ổn định của hệ
thống được đặc trưng về tốc độ đồng bộ tốc độ quay của các roto máy phát điện và
động cơ trong hệ thống.

Từ hình 1.1b ta thấy rằng hệ thống muốn có tính ổn định tĩnh thì phải làm
việc ở những điểm về phía nửa tăng của đường đặc tính công suất P = P(  ). Như
vậy khi   900 thì hệ thống làm việc ổn định tĩnh,  = 900 là giới hạn về ổn định
tĩnh, khi đó công suất truyền tải đi được xác định theo biểu thức:

Pmax 

EU
X HT

(1-4)

Độ dự trữ ổn định tĩnh Kt% của hệ thống điện được xác định theo công thức:

Kt % 

Pmax  P0
P0

(1-5)

Trong thực tế hệ thống làm việc ổn định thường Kt % có giá trị khoảng
20- 30%.
Đối với hệ thống điện đơn giản, nghiên cứu ổn định tĩnh ở bước sơ bộ được
quy về việc xây dựng đường đặc tính công suất của nhà máy truyền đi P = P(  ) và
xác định giá trị Pmax sau đó căn cứ vào giá trị công suất truyền đi trong trạng thái
làm việc cực đại P0 để xác định độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống Kt%. Như vậy
việc xây dựng đường đặc tính là một bước quan trọng.
1.3. Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn năng lượng
Hoạt động của một hệ thống vật lý bất kỳ đều có thể mô tả như một quá trình

trao đổi năng lượng giữa nguồn phát và nơi tiêu thụ. CĐXL tương ứng với quá trình

9


dừng diễn ra khi năng lượng nguồn phát và năng lượng tiêu thụ cân bằng. Thông số
trạng thái hệ thống ở CĐXL là hoàn toàn xác định (nếu không xét đến những kích
động ngẫu nhiên), khi đó quá trình trao đổi năng lượng sẽ không thay đổi. Ngược
lại, khi có những kích động làm lệch thông số, sẽ diễn ra biến động cả năng lượng
nguồn và năng lượng tiêu thụ.
Khái niệm ổn định cổ điển cho rằng: nếu biến động làm cho năng lượng phát
của nguồn lớn hơn năng lượng tiêu thụ tính theo hướng lệch xa thêm thông số thì hệ
thống không ổn định. Đó là vì năng lượng thừa làm hệ thống chuyển động không
ngừng về một hướng dẫn đến thông số lệch vô hạn khỏi trị số ban đầu. Trường hợp
ngược lại hệ thống nhanh chóng trở về vị trí cân bằng với thế năng nhỏ nhất - hệ
thống sẽ ổn định. Về toán học có thể mô tả điều kiện ổn định hệ thống theo tiêu
chuẩn năng lượng như sau:
Trạng thái cân bằng của hệ thống ổn định nếu: ∆W/∆∏ <0
Trong đó ∆W = ∆WF - ∆Wt là hiệu các số gia năng lượng của nguồn và tải;
∆∏ là số gia thông số trạng thái
Xét với những khoảng thời gian ngắn, tương quan sẽ ứng với các số gia công
suất, đồng thời biểu thức còn có thể viết ở dạng vi phân: d∆P/d∏ <0
Ở đây, ∆P = ∆PF - ∆Pt = (PF - PF0) - (Pt - Pt0)
Do ở vị trí cân bằng ban đầu PF0 = Pt0, nên có thể tính ∆P = PF - Pt
Đối với hệ thống điện, các quan hệ đặc tính công suất WF(∏) và Wt(∏) là
các quan hệ của P, Q với các thông số trạng thái  và U (gọi là các đặc tính công
suất). Đối với các nút nguồn hệ thống dùng tiêu chuẩn d∆P/d  , các nút tải dùng
tiêu chuẩn dQ/dU.
Để minh họa cách ứng dụng tiêu chuẩn năng lượng ta xét lại các sơ đồ HTĐ
đơn giản hình 1.1. Tính ổn định của HTĐ hình 1.1 đặc trưng bởi trạng thái cân bằng

công suất máy phát và sự biến thiên của góc lệch  . Theo tiêu chuẩn năng lượng hệ
thống sẽ ổn định nếu:
P PT  P( )

0



(1-6)

10


Ở đây, nút phân tích là máy phát nên công suất nguồn được hiểu là công suất
cơ của tuabun (không đổi), còn công suất tiêu thụ là công suất điện nhận về hệ
thống. Vì ∆PT = 0 nên theo tiêu chuẩn có thể viết lại ở dạng:


P( )
dP
 0 hay
0

d

Với P ( )  Pm sin  ta nhận được kết quả trùng với phân tích trong phần 1.1.
Thật vậy, với điểm a góc  <900 nên dP / d  Pm cos   0 hệ thống ổn định, còn
điểm b ứng với  >900 nên dP / d   0 , hệ thống không ổn định. Trạng thái giới hạn,
ứng với dP  d   0 ,  =900
Xét HTĐ có tải

Tiêu chuẩn năng lượng có thể viết theo lượng không cân bằng công suất
phản kháng và biến thiên điện áp nút tải:

Q
dQ
 0 hay
 0 , trong đó
U
dU

Q  QF  Qt

Xét với đặc tính công suất tải Qt = const ta có:
dQ
d
U 2 EU
2U E cos 

(

cos  )  

dU dU
X
X
X
X

(1-7)

Dựa vào dạng đường cong đặc tính công suất như trên hình 1.3 có thể kết
luận được: tại U02 (điểm d) ổn định vì có dQ/dU < 0, tại U01 (điểm c) không ổn định
vì có dQ/dU > 0.
Việc nghiên cứu ổn định của hệ thống vật lý nói chung và HTĐ nói riêng
theo tiêu chuẩn năng lượng tỏ ra đơn giản, hiệu quả, nhận được kết quả đúng và dễ
áp dụng trong nhiều trường hợp, tuy nhiên do khái niệm ổn định cổ điển và tiêu
chuẩn năng lượng không xét đến yếu tố quán tính và động năng chuyển động của hệ
thống nên không phát hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao động quán tính.
Ngoài ra phương pháp cân bằng năng lượng không có cơ sở chặt chẽ về phương
pháp để áp dụng đối với HTĐ phức tạp.
11


1.4. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của hệ thống điện
Khi hệ thống rơi vào trạng thái 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, mất
những lượng công suất lớn.
- Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.
- Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải.
Hậu quả kéo theo:
- Bảo vệ rơle tác động nhằm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.
- Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn
đến tan rã hệ thống. quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện trong những thời
gian dài vì cần khôi phục lại dần hoạt động đồng bộ các máy phát. Trong những
năm 70 của thế kỷ XX đã từng xảy ra liên tiếp những sự cố lớn do mất ổn định hệ
thống (Mỹ, Pháp, Đức..). Một ví dụ là sự cố do mất ổn định hệ thống điện tại Mỹ
tháng 7-1977 đã làm mất điện thành phố New York 10 triệu dân trong hàng chục
giờ liền. Hệ thống bị tan rã, khôi phục lại hoàn toàn phải sau 24 giờ. Sự cố mất ổn

định hệ thống điện Pháp tháng 12-1978 dẫn đến tách hệ thống làm 5 phần, cắt 65 tổ
máy phát lớn và làm ngừng cung cấp điện ở nhiều khu vực quan trọng.
Do hậu quả rất nghiêm trọng trong sự cố mất ổn định, khi thiết kế vận hành
hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu về tính ổn định:
1) Hệ thống cần có ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường
và sau sự cố.
2) Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc
bình thường với những biến động thường xuyên các thông số chế độ.
3) Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác 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

12


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 qua trình quá độ diễn ra
đủ ngắn…
1.5. Các cấu trúc điển hình của hệ thống điện
Trên quan điểm phân tích ổn định người ta chia ra hai loại chính: hệ thống
điện có cấu trúc đơn giản và hệ thống điện có cấu trúc phức tạp. Hệ thống điện được
coi là có cấu trúc đơn giản nếu sau các phép biến đổi đẳng trị có thể đưa được về
các dạng điển hình gồm 1 đến 2 máy phát. Hệ thống điện được coi là có cấu trúc
phức tạp nếu phải mô tả bằng sơ đồ có từ 3 máy phát trở lên.
Có 4 cấu trúc điển hình cho HTĐ đơn giản:
Cấu trúc I, máy phát điện (có phụ tải đầu cực) phát công suất qua đường dây
lên hệ thống công suất vô cùng lớn (thanh góp điện áp không đổi). Thực tế, đây là

trường hợp nghiên cứu ổn định của HTĐ (hoặc nhà máy điện) có công suất thừa phát
vào một hệ thống khác có công suất lớn qua các đường dây tải điện tương đối dài.

Cấu trúc II, máy phát điện nối với hệ thống công suất vô cùng lớn qua đường
dây. Máy phát không đủ công suất cung cấp cho phụ tải đầu cực, phải nhận thêm
công suất từ hệ thống về. Thực tế, đây là trường hợp nghiên cứu ổn định của hệ
thống nhỏ thiếu công suất có liên kết với hệ thống khác.

Cấu trúc III, hai máy phát có phụ tải đầu cực, nối với nhau qua đường dây.
Công suất hai máy phát tương đương, nhưng do tương quan phụ tải địa phương
không cân bằng một lượng công suất khá lớn truyền theo đường dây về một hướng.
Sơ đồ này đặc trưng cho phân tích ổn định của hệ thống hợp nhất (2 hệ thống) có
liên kết mạnh.
13


Cấu trúc IV, hai máy phát có công suất tương đương nối với nhau qua đường
dây, nhưng chỉ truyền tải công suất nhỏ. Sơ đồ trong trường hợp này tương ứng với
các hệ thống điện hợp nhất có liên hệ yếu.

Các hệ thống điện có cấu trúc phức tạp (từ 3 máy trở lên) có thể phân loại
thành: sơ đồ xâu chuỗi, sơ đồ hình tia, sơ đồ mạch vòng, sơ đồ hỗn hợp như các
hình vẽ sau:

Việc phân loại cấu trúc HTĐ khi phân tích ổn định có những ý nghĩa nhất
định về phương pháp. Mỗi cấu trúc hệ thống có những đặc trưng rất riêng về
phương diện ổn định. Sẽ rất có lợi nếu nhận dạng và đẳng trị được hệ thống về một
trong các dạng điển hình. Đối các các hệ thống điện đơn giản, thường có rất nhiều
phương pháp phân tích đánh giá ổn định, có thể đưa ra được những kết luận theo
nhiều khía cạnh khác nhau, áp dụng rất thuận tiện trong thiết kế, vận hành. Thực tế,

có rất nhiều trường hợp phân tích ổn định HTĐ có thể đưa sơ đồ về các dạng đơn
giản điển hình sau những phép biến đổi đẳng trị. Khi đó các tính toán phân tích trở
14


nên hết sức dễ dàng. Về định lượng có thể áp dụng các công thức, đường cong
chuẩn để xác định, còn về mặt định tính có thể đưa ra ngay hàng loạt những đặc
điểm quan trọng cần lưu ý.
Ngoài ra, việc phân loại cấu trúc hệ thống kết hợp với phân loại mô hình còn
cho phép định hướng phương pháp nghiên cứu. Bảng 1.1 thể hiện các trường hợp
khác nhau, cần lựa chọn phương pháp phù hợp khi phân tích ổn định.
Bảng 1.1: Phương pháp phù hợp khi phân tích ổn định
Mô hình
Đơn giản hóa

Cấu trúc
HTĐ
Đơn giản

Tiêu chuẩn năng lượng. Các Phương pháp xấp xỉ bậc
tiêu chuẩn thực dụng.
Tiêu chuẩn mất ổn định phi

Phức tạp

Đầy đủ

chu kỳ. Các tiêu chuẩn thực
dụng.

nhất Lyapunov.
Phương pháp xấp xỉ bậc
nhất Lyapunov.

1. Với sơ đồ HTĐ đơn giản, quan tâm đến giới hạn truyền tải và dự trữ ổn
định (giả thiết các thiết bị điều chỉnh làm việc tốt): áp dụng tiêu chuẩn năng lượng
hoặc các tiêu chuẩn thực dụng thiết lập trên cơ sở khảo sát đặc tính công suất.
2. Sơ đồ HTĐ đơn giản, quan tâm đến cấu trúc và hoạt động của các thiết bị
tự động điều chỉnh: cần áp dụng phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov. Thông
thường bài toán được đặt ra trong trường hợp này là lựa chọn cấu trúc TĐK hoặc
chỉnh định các hệ số đặt cho các thiết bị này.
3. Hệ thống điện phức tạp đang vận hành, quan tâm đến mức độ ổn định và
các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến tính ổn định: áp dụng phù hợp nhất là tiêu
chuẩn mất ổn định phi chu kỳ. Trong trường hợp này các phương tiện điều chỉnh tự
động được giả thiết đang làm việc tốt. Các tiêu chuẩn thực dụng cũng thường được
thiết lập và áp dụng khảo sát cho những tình huống giả thiết khác nhau.
Khảo sát và chỉnh định các phương tiện ĐCTĐ trong HTĐ phức tạp. Đây là

15


trường hợp phức tạp nhất trong bài toán phân tích ổn định. Phương pháp cần áp
dụng là phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov. Về lý thuyết, cần mô tả chi tiết
cho mọi phương tiện điều chỉnh điều khiển trong hệ PTVP của QTQĐ. Tuy nhiên,
có thể xét gần đúng: mô tả chi tiết cho thiết bị tự động điều chỉnh đang được quan
tâm, các thiết bị còn lại mô tả theo mô hình đơn giản hóa. Lần lượt khảo sát chi tiết
cho từng thiết bị ĐCTĐ nếu HTĐ có nhiều thiết bị cần được xem xét.

16

CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH TÍNH ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. Ổn định của hệ thống điện đơn giản nhất
Sơ đồ đơn giản nhất với bài toán ổn định có thể coi là sơ đồ hình 2.1a. Hệ
thống bao gồm một máy phát điện đồng bộ, phát công suất lên thanh góp hệ thống
có công suất không đổi U (qua máy biến áp, đường dây).

Hình 1.1. Sơ đồ HTĐ đơn giản
Tương ứng với mô hình đơn giản có thể biểu diễn gần đúng máy phát bằng
sức điện động cố định EF sau điện kháng XF (chẳng hạn E’d sau X’q). Bỏ qua các
điện trở, có thể đẳng trị bằng sơ đồ bằng một điện kháng tổng X như trên hình 2.1c.
Đồng thời để đơn giản khi viết, ký hiệu sức điện động bằng chữ E. Trước khi phân
tích ổn định cần xác định các điểm cân bằng và phương trình chuyển động quá độ
của hệ thống.
Trong trường hợp này, phương trình chuyển động quá độ hệ thống điện có
dạng:

TJ d 2
d
 kD
 PT  P( )
2
w 0 dt
dt

(2.1)

Với:

P ( ) 

EU
sin   Pm sin 
XH

Trong đó:

PT - công suất cơ của tua bin, được coi là không đổi.
P(  ) - công suất tác dụng của máy phát.

17