Nghiên cứu ổn định hệ thống điện bằng phương pháp đẳng trị máy phát

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN NGHĨA LINH

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐẲNG TRỊ MÁY PHÁT

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT
Kỹ thuật Điện

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Đức Huy

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CẢM ƠN
 Đầu tiên cho tôi gửi lời cám ơn đến toàn thể các thầy cô trong bộ môn Hệ thống
điện – Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn
thạc sỹ này, đây là một cơ hội tốt để cho tôi được thực hành các kỹ năng đã học
trên giảng đường và cũng giúp tôi ngày càng tự tin vào bản thân mình hơn.
 Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới TS Nguyễn Đức Huy trong suốt thời
gian qua đã không quản ngại khó khăn, nhiệt tình chỉ dạy, giúp đỡ tôi hoàn thành
tốt luận văn thạc sỹ này.
 Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới toàn thể bạn bè, người thân, những
người đã luôn bên cạnh tôi, ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua.

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệu khoa
học trong luận văn được sử dụng của các công trình khác đã nghiên cứu được chú
thích đấy đủ, đúng quy định.

Hà Nội, ngày 17 tháng 03 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Nghĩa Linh

ii


TỪ VIẾT TẮT
 CCT: Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)
 CM: Máy phát thuộc nhóm mất ổn định (Critical Machine)
 COI: Tâm quán tính (Center Of Inertia)
 EAC: Phương pháp cân bằng diện tích (Equal Area Criterion)
 EEAC: Phương pháp cân bằng diện tích mở rộng (Extended Equal Area
Criterion)
 NM: Máy phát không thuộc nhóm mất ổn định (Non Critical Machine)
 OMIB: Hệ thống một máy phát nối với lưới vô cùng lớn (One Machine Infinite
Bus)
 SIME: Phương pháp đẳng trị máy phát (Single Machine Equivalent - SIME)
 T-D: Phương pháp mô phỏng quá trình quá độ (Time – Domain)

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................ii
TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................................iii
MỤC LỤC............................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... viii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ................................................................................... 1
1.1

Đánh giá ổn định quá độ ...................................................................... 1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 2

1.3

Cấu trúc của luận văn........................................................................... 3

CHƯƠNG 2: ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN ....................................... 4
2.1

Định nghĩa ổn định hệ thống điện ........................................................ 4

2.2

Phương trình Công suất – Góc. ............................................................ 7

2.3

Phương trình chuyển động của máy phát điện đồng bộ ........................ 9

2.4

Trạng thái của hệ thống điện trong quá trình sự cố. ............................ 11

2.5

Phương pháp cân bằng diện tích......................................................... 13

2.6

Nghiên cứu ổn định quá độ hệ thống nhiều máy phát ......................... 18

CHƯƠNG 3: ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ ...................................................................... 20
3.1

Mục đích phát triển SIME .................................................................. 20

3.2

Công thức tổng quát của SIME .......................................................... 22
3.2.1 Cơ sở thành lập công thức. ....................................................... 22
3.2.2 Các thông số OMIB................................................................... 23
3.2.3 Cách nhận biết máy phát tới hạn ............................................... 24

3.3

Các điều kiện và hệ số dự trữ ổn định ................................................ 28
3.3.1 Kịch bản tình huống mất ổn định .............................................. 28
3.3.2. Kịch bản tình huống ổn định. ................................................... 29

3.4

Giải thuật tìm thời gian cắt tới hạn CCT. ........................................... 35

iv


CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG LÝ THUYẾT SIME ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ
THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2009 ............................................................. 38
4.1

Tình trạng hệ thống điện Việt Nam năm 2009. ................................... 38
4.1.1 Tình trạng nguồn điện ............................................................... 38
4.1.2 Tình trạng lưới điện Việt Nam ................................................... 42

4.2

Phương pháp thực hiện đánh giá ổn định. .......................................... 44
4.2.1 Phương pháp tìm CCT: ............................................................. 45
4.2.2 Các chương trình sử dụng trong luận văn: ................................ 45

4.3

Kết quả tính toán mô phỏng ............................................................... 45

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ................................................................................... 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 55
PHỤ LỤC A: Các chương trình tính toán ......................................................... 57
PHỤ LỤC B: Mô hình mô phỏng QTQĐ kết hợp phương pháp SIME đối với
mô hình HTĐ 3 máy – chương 3 ......................................................................... 60

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1.

Các dạng ổn định trong hệ thống điện [8]............................................. 6

Hình 2.2.

Mô hình lưới điện một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn. ........... 7

Hình 2.3.

Đồ thị công suất-góc của hệ thống một máy phát nối với thanh cái vô
cùng lớn ............................................................................................... 8

Hình 2.4.

Đồ thị Công suất – góc cho hệ thống 1 máy phát nối với thanh cái vô
cùng lớn (có thể hiện Pm) ................................................................... 10

Hình 2.5.

Sơ đồ một sợi của hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái. .......................... 12

Hình 2.6.

Dao động tốc độ hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái, sự cố ngắn mạch 3
pha tại thanh cái số 4 và được giải trừ bằng cách cắt đường dây 4-7: (a)
Hệ thống ổn định, (b) Hệ thống mất ổn định. ..................................... 13

Hình 2.7.

Sơ đồ một sợi của hệ thống gồm một máy phát nối với lưới vô cùng lớn
.......................................................................................................... 14

Hình 2.8.

Ứng dụng EAC để xác định mức độ ổn định của hệ thống sau khi sự cố
.......................................................................................................... 15

Hình 2.9.

Ứng dụng EAC trong việc tìm góc tới hạn loại bỏ sự cố .................... 16

Hình 3.1.

Sơ đồ một sợi hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái ................................. 25

Hình 3.2.

Tốc độ các máy phát với thời gian sự cố 250ms. ................................ 26

Hình 3.3.

Đồ thị chuyển động các máy phát và OMIB ....................................... 27

Hình 3.4.

Mô phỏng mất ổn định sự cố tại thanh cái số 4 cho hệ thống 3 máy phát,
9 thanh cái (a) đồ thị chuyển động (b) Đồ thị OMIB P-.................... 28

Hình 3.5.

Kịch bản ổn định với sự cố tại thanh cái số 4 của hệ thống 3 máy phát, 9
thanh cái (a) đồ thị chuyển động các máy phát, (b) Đồ thị P- của OMIB.
.......................................................................................................... 30

Hình 3.6.

Kịch bản ổn định với sự cố tại thanh cái số 7 của hệ thống 3 máy phát
công suất và tốc độ của máy đẳng trị OMIB....................................... 31

Hình 3.7.

So sánh đáp ứng P- của hệ thống OMIB khi có và không có hệ thống
kích từ + AVR. ................................................................................. 32

vi


Hình 3.8.

Sơ đồ khối kết hợp mô phỏng QTQĐ và phương pháp SIME............. 34

Hình 3.9.

Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT. .......................................................... 35

Hình 3.10. Giá trị CCT ước lượng và hệ số dự trữ ổn định qua các bước lặp. ...... 36
Hình 4.1

Sơ đồ đánh giá ổn định động HTĐ bằng SIME .................................. 44

Hình 4.2

Góc  máy phát HTĐ VN khi sự cố tại nút Yaly, tc=0,296s, thời gian mô
phỏng sau sự cố 1,2 s. ........................................................................ 46

Hình 4.3

Đồ thị Pe và Pm theo góc  của OMIB, tc=0,296s, thời gian mô phỏng
sau sự cố 1,2s. .................................................................................... 47

Hình 4.4

Góc  máy phát HTĐ VN khi sự cố tại nút Yaly, tc=0,296s, thời gian mô
phỏng sau sự cố 0,6 s. ........................................................................ 47

Hình 4.5

Pe và Pm theo góc , tc=0,296s, thời gian mô phỏng sau sự cố 0,6s. ... 48

Hình 4.6

Góc  máy phát của HTĐ VN khi sự cố tại Yaly, tc=0,297s, thời gian
mô phỏng sau sự cố 1,2 s. .................................................................. 48

Hình 4.7

Pe và Pm theo góc , tc=0,297s, thời gian mô phỏng sau sự cố 1,2s. ... 49

Hình 4.8

Góc  máy phát HTĐ Việt Nam, tc=0,297s, thời gian mô phỏng sau sự
cố 0,6 s. ............................................................................................. 49

Hình 4.9

Pe và Pm theo góc , tc=0,297s, thời gian mô phỏng sau sự cố 0,6s .... 50

Hình 4.10

Góc  máy phát theo HTDD VN, tc=0,214s, thời gian mô phỏng sau sự
cố 1,2 s.( Sự cố tại nhà máy nhiệt điện UBMR1) ............................... 52

Hình 4.11

Đồ thị Pe và Pm theo góc OMIB, tc=0,214s, thời gian mô phỏng sau sự cố
1,2s (Sự cố tại Nhà máy nhiệt điện UBMR1). .................................... 52

Hình 4.12

Góc  các máy phát, tc=0,215s, thời gian mô phỏng sau sự cố 1,2 s (Sự

cố tại Nhà máy nhiệt điện UBMR1) ................................................... 53

Hình 4.13

Đồ thị Pe và Pm theo góc OMIB, tc=0,215s, thời gian mô phỏng sau sự cố
1,2s (Sự cố tại Nhà máy nhiệt điện UBMR1) ..................................... 53

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1: Công suất các nguồn điện hiện có trong HTĐ Việt Nam........................ 38
Bảng 4.2: Tổng hợp khối lượng đường dây của toàn hệ thống ............................... 43
Bảng 4.3: Số lượng và công suất trạm biến áp của toàn hệ thống ........................... 43
Bảng 4.4: Trạng thái ổn định theo thời gian cắt tc (Nhà máy thủy điện Yaly) ......... 46
Bảng 4.5: Trạng thái ổn định theo thời gian cắt tc (Nhà máy nhiệt điện UBMR1)..51

viii


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Một trong những mục tiêu của hệ thống điện dân dụng là cung cấp điện liên tục và
tin cậy tới khách hàng. Độ tin cậy của hệ thống điện phụ thuộc vào khả năng chịu
đựng các sự cố như ngắn mạch hoặc bị mất các phần tử quan trọng như đường dây,
trạm biến áp dẫn đến thay đổi chế độ làm việc. Hệ thống điện Việt Nam trong những
năm qua đã có những bước phát triển nhảy vọt về công suất cũng như quy mô lãnh
thổ, tuy nhiên cũng tương đối dễ bị tổn thương mà điển hình là sự cố mất điện miền
nam Việt Nam diễn ra ngày 22 tháng 5 năm 2013 gây thiệt hại nặng về kinh tế với
hơn 8 triệu khách hàng bị ảnh hưởng là một minh chứng rõ nét. Qua sự cố này cho ta

thấy tầm quan trọng của việc phân tích ổn định và an toàn trong công tác vận hành hệ
thống điện. Bên cạnh đó, để thị trường điện tiến dần đến một thị trường mở và cạnh
tranh thì việc duy trì ổn định hệ thống điện có ý nghĩa rất quan trọng và phải được
đặc biệt quan tâm [2]. Luận văn này tập trung nghiên cứu một khía cạnh cụ thể của
ổn định hệ thống điện: ổn định quá độ góc lệch rô to.
1.1 Đánh giá ổn định quá độ
Việc phát triển các kỹ thuật để đánh giá mất ổn định hệ thống điện đã được nhiều
nhà nghiên cứu quan tâm. Để giám sát ổn định quá độ, một vài phương pháp dựa trên
SIME [4], hàm năng lượng [5]-[6] và phương pháp liên kết các máy phát [7] đã được
đề xuất và một vài phương pháp đã được thử nghiệm sử dụng trong hệ thống điện
thực tế [2].
Để giám sát ổn định quá độ, khả năng lọc và sắp xếp các tình huống có hại liên
quan đến các vấn đề ổn định quá độ được chú ý quan tâm, các sự cố có hại phải được
tách riêng ra khỏi các tình huống vô hại và phải được sắp xếp theo mức độ nghiêm
trọng của chúng. Các phương pháp mô phỏng theo thời gian thông thường nói chung
không thích hợp để thực hiện công việc này do nó không có khả năng tính đủ hệ số
dự trữ ổn định. Nó có thể tính các giới hạn ổn định, như thời gian cắt tới hạn, nhưng
yêu cầu nhiều thời gian để tính toán xử lý số lượng lớn các tình huống sự cố. Các

1


phương pháp này có thể phân loại các sự cố là “ổn định” hoặc “mất ổn định” với thời
gian cắt đã cho nhưng không hiệu quả.
Các phương pháp trực tiếp hoặc lai giữa phương pháp trực tiếp với phương pháp mô
phỏng theo thời gian thích hợp hơn trong việc lọc và sắp xếp các tình huống sự cố.
Một phương pháp lai được đề xuất gần đây có tên gọi Phương pháp đẳng trị máy phát
(Single Machine Equivalent – SIME). SIME cung cấp một phương pháp có hiệu quả
trong việc lọc, sắp xếp và đánh giá các tình huống sự cố liên quan tới các vấn đề ổn
định quá độ. Phương pháp SIME chạy chương trình mô phỏng quá trình quá độ, tổng

hợp đáp ứng của các máy phát trong hệ thống để thu được đáp ứng tương đương của
một máy phát đẳng trị. Mô hình đơn giản này làm cho nó có thể dễ dàng được đánh
giá ổn định quá độ của hệ thống điện thông qua phương pháp cân bằng diện tích
(EAC).
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Khả năng duy trì ổn định của các máy phát điện khi có các kích động lớn xảy ra
là một yêu cầu quan trọng trong quá trình vận hành hệ thống điện. Do hệ thống điện
bao gồm một lượng lớn các máy phát đồng bộ, cần có một thuật toán nhanh chóng và
chính xác để xác định được khả năng ổn định, khi có các sự cố lớn xảy ra. Đề giảm
khối lượng tính toán, phù hợp cho các phân tích thời gian thực, tác giả nghiên cứu
xây dựng mô hình mô phỏng của hệ thống điện, và sử dụng phương pháp đẳng trị của
máy phát để đánh giá ổn định quá độ và chứng minh tính đúng đắn của lý thuyết
SIME khi áp dụng với mô hình máy phát phức tạp, có thiết bị điều chỉnh, và đặc biệt
khi áp dụng trên quy mô lưới lớn (hệ thống điện Việt Nam).
Để đạt được mục đích này người nghiên cứu đã tiến hành các công việc:
-

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/E.

-

Nghiên cứu giải thuật đẳng trị máy phát SIME và thuật toán xác định thời gian
cắt tới hạn CCT.

-

Ứng dụng phương pháp SIME và giải thuật tìm thời gian cắt tới hạn cho một
số mô hình lưới điện mẫu và hệ thống điện Việt Nam.

2

1.3 Cấu trúc của luận văn
Luận văn được bố cục như sau:
 Chương 1: Giới thiệu chung.
 Chương 2: Nghiên cứu ổn định quá độ hệ thống điện.
 Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết đẳng trị máy phát (SIME), và áp dụng phương
pháp SIME và giải thuật tìm thời gian cắt tới hạn cho một số mô hình lưới điện
mẫu.
 Chương 4: Áp dụng lý thuyết SIME đánh giá ổn định động Hệ thống điện
Việt Nam năm 2009
 Chương 5: Kết luận.

3


CHƯƠNG 2: ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN

Như đã thảo luận ở chương 1, việc đánh giá chính xác mức độ ổn định hệ thống
điện là một yêu cầu quan trọng trong quá trình điều khiển, vận hành hệ thống điện.
Mục đích của chương này là đưa ra một phân loại tổng quát về vấn đề ổn định hệ
thống điện nói chung và ổn định quá độ nói riêng. Các mô hình thuật toán và phương
trình chuyển động quay mô tả quá trình động học cơ bản trong bài toán ổn định quá
độ hệ thống điện sẽ được giới thiệu. Tiếp theo, chương 2 trình bày về các phương
pháp đánh giá ổn định quá độ của hệ thống, bao gồm phương pháp trực tiếp hay - mô
phỏng quá trình quá độ và cách tiếp cận gián tiếp – sử dụng phương pháp cân bằng
diện tích.
2.1 Định nghĩa ổn định hệ thống điện
Ổn định hệ thống điện là khả năng hệ thống điện ở chế độ làm việc xác lập ban
đầu khôi phục lại trạng thái hoạt động cân bằng sau khi chịu sự cố [1][8]. Ổn định hệ

thống điện có thể được chia thành 3 trường hợp riêng biệt, bao gồm ổn định điện áp,
ổn định tần số và ổn định góc lệch. Ổn định điện áp xem xét đến khả năng duy trì
điện áp tại tất cả các nút của hệ thống điện trong điều kiện hoạt động bình thường và
sau khi chịu tác động của sự cố. Ổn định tần số là khả năng duy trì tần số trong giới
hạn cho phép, liên quan đến các bài toán về cân bằng công suất tác dụng, xác định
mức độ dự phòng nóng của hệ thống và đặc tính điều tần cấp 1 của các tổ máy phát
điện. Trong luận văn này, vấn đề ổn định điện áp và tần số không được đề cập đến.
Ổn định góc roto của một hệ thống điện là khả năng các máy phát đồng bộ chuyển từ
một điểm hoạt động xác lập này sang một điểm hoạt động xác lập khác mà không bị
mất đồng bộ [9], không cần thiết hệ thống phải trở lại đúng điểm hoạt động ban đầu.

4


Tuy nhiên, điểm hoạt động xác lập này phải không vi phạm các giới hạn của hệ thống.
Nếu vi phạm, các thiết vị điều khiển và rơ le bảo vệ có thể sẽ tác động và làm thay
đổi chế độ làm việc của hệ thống sau sự cố. Góc ổn định rô to phụ thuộc vào khả năng
duy trì hoặc khôi phục trạng thái cân bằng giữa mô men điện từ và mô men cơ của
mỗi máy phát đồng bộ trong hệ thống điện [8]. Mất ổn định góc rô to xảy ra trong
trường hợp góc chuyển động của một số máy phát tăng dẫn đến mất đồng bộ với các
máy phát khác. Hiện tượng này còn được gọi là mất đồng bộ.
Có hai dạng ổn định góc lệch của hệ thống điện, ổn định khi kích động nhỏ và ổn
định quá độ [10]. Các kích động nhỏ xảy ra liên tục trong thời gian và có biên độ nhỏ,
đó là sự biến đổi liên tục công suất trong hệ thống điện do sự đóng cắt phụ tải và sự
làm việc không tốt của các thiết bị điều chỉnh… Các kích động này tác động lên rô
to của máy phát điện, làm mất cân bằng công suất cơ và điện trên trục rô to, do đó
chế độ xác lập tương ứng bị dao động. Chế độ xác lập muốn duy trì được thì phải
chịu được các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ
vững trước các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi
phục sau các kích động nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.

Hiện tượng mất ổn định kích động nhỏ xảy ra dưới dạng các dao động công suất trong
hệ thống điện, hoặc hiện tượng mất ổn định phi chu kỳ [1].
Ổn định quá độ (transient stability) liên quan đến các kích động lớn như biến đổi
đột ngột sơ đồ nối điện, phụ tải và các sự cố như ngắn mạch các loại [3]. Các kích
động lớn tác động làm cho cân bằng công suất cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ
xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các
kích động này mà chế độ xác lập không dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ gọi là khả
năng ổn định quá độ hệ thống điện. Trong luận văn này tập trung chủ yếu vào nghiên

5


cứu ổn định quá độ hệ thống điện. Đặc tính các đáp ứng của hệ thống điện khi chịu
các kích động lớn là sự phân chia góc rô to máy phát, tần số, dòng công suất, điện áp
thanh cái và các biến đổi hệ thống khác. Nếu sự chênh lệch góc pha giữa các máy
phát đồng bộ trong hệ thống duy trì trong giới hạn cho phép thì hệ thống sẽ ổn định.
Nếu không, sẽ dẫn đến hiện tượng mất đồng bộ và hệ thống sẽ mất ổn định. Trong
trường hợp này, dòng điện lớn chạy trong các cuộn dây stator, máy biến áp tăng áp
và đường dây đi từ nhà máy sẽ tăng rất mạnh. Để bảo vệ máy phát khỏi hư hỏng, các
thiết bị bảo vệ sẽ cách ly máy phát ra khỏi hệ thống điện. Điều này tương ứng với
việc cắt một nguồn điện cung cấp cho hệ thống, và có thể tạo nên các sự kiện dây
chuyền tiếp theo như mất ổn định tần số.

Ổn định hệ
thống điện

Ổn định góc
lệch

Ổn định dao

động nhỏ

Ổn định tần số

Ổn định quá
độ

Ngắn hạn

Hình 2.1.

Ngắn hạn

Dài hạn

Ổn định điện
áp

Tác động lớn

Tác động nhỏ

Ngắn hạn

Dài hạn

Các dạng ổn định trong hệ thống điện [8].

6

2.2 Phương trình Công suất – Góc.
Một đặc tính quan trọng ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện là mối liên quan
giữa công suất điện và vị trí góc của các rô to máy phát đồng bộ. Mối quan hệ này là
phi tuyến. Để minh họa điều này, ta có thể xem xét hệ thống điện đơn giản thể hiện
trong hình 2.2. Hệ thống này bao gồm một máy phát nối với một thanh cái vô cùng
lớn thống qua điện kháng X. Thanh cái vô cùng lớn là một nguồn có điện áp và tần
số không đổi. Với lưới điện này này, ta giả thiết công suất cơ của máy phát điện là
không đổi, mạng điện chỉ thuần kháng, không có tổn hao và mô hình máy phát là một
nguồn điện áp không đổi đằng sau một điện kháng quá độ (mô hình bậc 2). Mô hình
dựa trên những giả thuyết này được gọi là mô hình kinh điển [1].

~

Pe
V1 

0

V2 

Generator

Hình 2.2.

Infinite
Bus

Pe

Line

0

Mô hình lưới điện một máy phát nối với hệ thống vô cùng lớn.

Đối với hệ thống ở trên, công suất truyền tải từ máy phát tới thanh cái vô cùng lớn
được tính như sau: [11]
Pe=Pemaxsin

(2.1)

Trong đó Pe là công suất điện được truyền tải, Pemax= (V1.V2)/X và  là góc
lệch giữa rô to và thanh cái hệ thống vô cùng lớn. Mối quan hệ giữa góc  với công
suất tương ứng được thể hiện trong phương trình (2.1). Khi mô hình đơn giản được
sử dụng để mô tả máy phát, công suất biến đổi theo dạng hình sin của góc . Đối với

7


mô hình máy phát chính xác hơn có xét đến ảnh hưởng của bộ tự động điều chỉnh
điện áp (AVR), sự biến đổi của công suất với góc  sẽ sai lệch đáng kể so với dạng
hình sin của mô hình đơn giản. Tuy nhiên, các mô hình máy phát khác nhau đều có
những điểm chung quan trọng về mặt định tính và do đó ta có thể sử dụng mô hình
kinh điển để khảo sát các đặc điểm của quá trình quá độ. Khi góc  bằng không,
không có công suất được truyền tải. Khi góc  tăng công suất truyền tải sẽ tăng, đến
khi đạt giá trị cực đại Pemax. Qua một ngưỡng nhất định, cụ thể là 𝜋/2 với sơ đồ lưới
điện trên hình 2.2, nếu góc  tiếp tục tăng thì công suất truyền tải sẽ giảm. Đây là
công suất lớn nhất có thể được truyền tải từ máy phát tới thanh cái vô cùng lớn ở
trạng thái xác lập.

Pemax

Pe ( )

0





rotor angle,  (Radian)

Hình 2.3.

Đồ thị công suất-góc của hệ thống một máy phát nối với thanh cái vô
cùng lớn

Mối quan hệ được đưa ra trong công thức 2.2 giữa công suất điện truyền tải và góc
rô to được liên kết với phương trình chuyển động của máy phát đồng bộ để tìm được
chuyển động góc của rô to. Phương trình chuyển động này sẽ được thảo luận ở mục
tiếp theo.
8


2.3 Phương trình chuyển động của máy phát điện đồng bộ
Phương trình chuyển động là mối quan hệ toán học cơ bản mô tả rô to của máy
phát đồng bộ chuyển động như thế nào khi có sự cố trong hệ thống điện. Công thức
chung của phương trình chuyển động được đưa ra như sau:
2𝐻 𝑑 2 𝜎

= 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒 = 𝑃𝑎
𝜔𝑠 𝑑𝑡 2

(2.2)

Trong đó H là hằng số quán tính của máy phát đồng bộ,  s là tốc độ góc đồng bộ của
máy phát đơn vị là radian/s và  là góc lệch của rô to, đơn vị là radian. Pm là công
suất cơ trên trục của rô to và Pe là công suất điện phát ra từ máy phát đồng bộ.
Trong phương trình chuyển động của máy phát, đầu vào công suất cơ từ động
cơ chính được coi như hằng số. Đây là một giả thuyết hợp lý khi xem xét ổn định
trong một vài chu kì đầu sau khi xảy ra sự cố bởi vì quán tính lớn của tuabin và hệ
thống điều chỉnh công suất sơ cấp làm cho chúng không kịp thay đổi nhiều. Vì Pm
trong phương trình 2.3 là hằng số nên công suất điện Pe sẽ được xác định bởi sự tăng
tốc, giảm tốc hay duy trì tốc độ đồng bộ. Khi Pe=Pm, máy phát hoạt động ở tốc độ
đồng bộ. Khi Pe thay đổi, sự cân bằng mô men trên trục rô to bị phá vỡ (tạm thời) và
tốc độ rô to sẽ lệch khỏi tốc độ đồng bộ.
Công suất điện truyền từ máy phát tới thanh cái vô cùng lớn được biểu diễn phụ
thuộc vào góc rô to . Khi phương trình công suất-góc (2.1) được thay thế vào phương
trình chuyển động, biến  sẽ xuất hiện cả 2 phía của phương trình chuyển động.
Phương trình này được sử dụng cho một máy phát đồng bộ nối với một thanh cái vô
cùng lớn, nhưng nó cũng đúng trong hệ thống phức tạp có nhiều máy phát đồng bộ.
Trong trường hợp hệ thống có nhiều máy phát, công suất điện của của máy phát đã
cho không những chỉ phụ thuộc vào giá trị góc rô to của bản thân nó mà còn phụ
thuộc vào góc rô to của các máy khác. Khi sử dụng phương pháp số giải phương trình
chuyển động, ta sẽ được nghiệm góc  là một hàm theo thời gian. Đồ thị của nghiệm
9


phương trình này được gọi là đường cong chuyển động của máy phát và việc kiểm
tra các đường cong chuyển động của tất cả máy phát sẽ cho biết máy phát có giữ được

đồng bộ sau sự cố hay không.
Có thể xem xét ổn định quá độ của hệ thống điện đơn giản bằng biểu đồ Hình 2.4
Công suất cơ Pm được giả thiết là không đổi.
Sau khi thế phương trình truyền công suất vào phương trình chuyển động, ta được
phương trình sau:
2𝐻 𝑑 2 𝛿
= 𝑃𝑚 − 𝑃𝑒𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛𝛿
𝜔𝑠 𝑑𝑡 2

(2.3)

Pe

P

m

Pe ()

0

0

 0



rotor angle,  (Radian)

Hình 2.4.

Đồ thị Công suất – góc cho hệ thống 1 máy phát nối với thanh cái vô
cùng lớn (có thể hiện Pm)

Trong hình 2.4, điểm cắt giữa đường cong Pm và Pe, 0, là điểm cân bằng ổn định.
Đối với điểm cân bằng này, vế bên phải của phương trình (2.3) là không, kết quả là
phương trình sau:
𝑃𝑚 = 𝑃𝑒𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛𝛿

(2.4)

Trong trường hợp sự cố, góc rô to sẽ tăng từ 0 lên -0, nếu tốc độ của hệ thống giảm
xuống  =0 trước khi đạt tới điểm -0, máy phát sẽ giữ được đồng bộ và hệ thống sẽ

10


ổn định. Tuy nhiên, nếu góc rô to tiếp tục vượt qua điểm -0, máy phát sẽ mất đồng
bộ và hệ thống sẽ trở nên mất ổn định.
Vì phương trình chuyển động là phi tuyến, việc giải phương trình này là tương
đối khó khăn. Thậm chí trong trường hợp một máy phát nối với lưới vô cùng lớn,
cũng tương đối phức tạp. Trên thực tế, phương pháp tích phân số với sự hỗ trợ của
máy tính và các phần mềm chuyên dụng (PSS/E, MATLAB Simpower) được sử dụng
để giải phương trình chuyển động trên. Để kiểm tra ổn định của hệ thống hai máy
phát hoặc một máy phát đồng bộ nối với thanh cái vô cùng lớn mà không phải giải
phương trình chuyển động, phương pháp đánh giá trực tiếp có thể được sử dụng đó
là phương pháp cân bằng diện tích (EAC) - sẽ được mô tả chi tiết ở phần sau.
2.4 Trạng thái của hệ thống điện trong quá trình sự cố.
Các thiết bị bảo vệ liên tục giám sát hệ thống điện để phát hiện các điều kiện
không bình thường, như là sự cố, có thể gây hư hỏng đến thiết bị hoặc tính toàn vẹn

của hệ thống. Các thiết bị bảo vệ sẽ tác động, như cắt máy cắt, cách ly thiết bị sự cố
và cho phép các phần còn lại của hệ thống tiếp tục làm việc bình thường. Các thiết bị
bảo vệ là một phần quan trọng của bất kì một hệ thống điện nào và phải đưa ra nghiên
cứu khi xem xét ổn định trong quá trình quá độ của hệ thống điện.
Trong điều kiện hoạt động bình thường của hệ thống điện, công suất điện sinh ra,
không tính tổn thất, sẽ bằng với công suất cơ cấp bởi tuabin. Tuy nhiên, trong quá
trình sự cố, như là ngắn mạch, rô to của máy phát đồng bộ sẽ phải chịu một mô men
gia tốc do có sự chênh lệch giữa đầu vào công suất cơ và đầu ra công suất điện bị suy
giảm do sự cố. Hệ thống điện có khả năng hữu hạn hấp thụ năng lượng này và các
thiết bị bảo vệ không loại trừ sự cố này trước thời gian cắt tới hạn (CCT), mô men
hãm tốc không đủ cân bằng với mô men tăng tốc. CCT là thời gian giới hạn mà các
sự cố phải được loại trừ để đảm bảo toàn bộ hệ thống được duy trì ổn định.
Một hệ thống điện có thể duy trì ổn định trong chu kì đầu (first swing stability) nhưng
lại mất ổn định sau chu kì đầu. Dạng mất ổn định này được gọi là mất ổn định nhiều
chu kỳ (multi-swing instability). Trong luận văn này chỉ nghiên cứu trường hợp mất

11


ổn định trong chu kì đầu. Trong phần còn lại của luận văn này, thuật ngữ ổn định quá
độ được sử dụng để chỉ khả ổn định quá độ của hệ thống điện trong chu kì đầu.
Ví dụ một hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái như minh họa trong hình 2.5. Trong
điều kiện hoạt động bình thường, ba máy phát này hoạt động đồng bộ toàn bộ công
suất sinh ra bởi các máy phát, trừ đi tổn thất, bằng với công suất tiêu thụ của tải. Nếu
xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 4-7 gần thanh cái số 4, các đặc tính
hoạt động của hệ thống sẽ thay đổi. Sự cố này có thể gây ra việc dư thừa năng lượng
trong hệ thống. Phần lớn năng lượng dư thừa này sẽ được chuyển thành động năng,
làm cho tốc độ góc rô to của hệ thống máy phát tăng lên.
113 MW
35 MVAR

5

1.02 pu

4

6

G2 2

3 G3

~
183 MW
1.02pu
7 MVAR

~
T2

T3
1.03pu

8
1.01pu

7
0.9956pu
140 MW

50 MVAR
9

95 MW
-11 MVAR

1.03pu

103 MW
30 MVAR
1.03 pu

T1
1
82 MW
27 MVAR

Hình 2.5.

1.04 pu

~

G1

Sơ đồ một sợi của hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái.

Trong hình 2.6(a), với thời gian sự cố 100ms, độ lệch giữa tốc độ rô to máy phát là
nhỏ, và hệ thống là ổn định. Trong hình 2.6(b), tương ứng kết quả mô phỏng khi thời
gian sự cố là 150ms, máy 2 và máy 3 thành 1 nhóm mất đồng bộ với máy phát còn

lại (máy 1). Trong hệ thống điện thực tế, trường hợp này sẽ dẫn đến rơ le mất đồng
bộ cắt các máy phát/đường dây liên lạc, làm tách hệ thống điện lớn thành các khu vực
cô lập.
12


1.035

Tốc độ máy phát (pu)

1.03

1

1.025

2

1.02

3

1.015
1.01
1.005
1
0.995
0

0.5

1

1.5

2
Thời gian (s)

2.5

3

3.5

4

(a) Thời gian sự cố 100 ms
1.25

1

Tốc độ máy phát (pu)

1.2

2

1.15

3

1.1
1.05
1
0.95
0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Thời gian (s)

(b) Thời gian sự cố 150 ms.
Hình 2.6.

Dao động tốc độ hệ thống 3 máy phát, 9 thanh cái, sự cố ngắn mạch 3

pha tại thanh cái số 4 và được giải trừ bằng cách cắt đường dây 4-7: (a) Hệ thống ổn
định, (b) Hệ thống mất ổn định.
2.5 Phương pháp cân bằng diện tích

13


Như đã kết luận ở trên là ngay cả với một hệ thống đơn giản, như hình 2.2 thì
cũng rất khó khăn để giải phương trình dao động. Bằng phương pháp cân bằng diện
tích trên đồ thị, ta có thể sử dụng các phép tính đơn giản hơn để đánh giá ổn định của
hệ thống điện. Phương pháp này có thể sử dụng cho bất kì hệ thống hai máy phát hoặc
một máy phát đồng bộ nối với một thanh cái vô cùng lớn, tất cả các máy phát thuộc
mô hình phát kinh điển.
Phương pháp cân bằng diện tích (EAC) là một phương pháp được sử dụng rộng
rãi, nhằm xác định liệu hệ thống có ổn định hay không sau khi chịu sự cố. Ví dụ, cho
một hệ thống bao gồm một máy phát, thanh cái vô cùng lớn như hình vẽ 2.7 dưới đây.
Line1

~

Infinite
Bus

Pe

Generator

Hình 2.7.

Pe

Line 2
V1



V2

0



0

Sơ đồ một sợi của hệ thống gồm một máy phát nối với lưới vô cùng
lớn

Trong hình 2.7, máy phát cấp điện cho thanh cái vô cùng lớn thông qua hai đường
dây truyền tải chạy song song, bỏ qua điện trở đường dây. Công suất ra của máy phát
bằng với công suất phân phối tại thanh cái vô cùng lớn. Giả sử hệ thống này phải chịu
sự cố ngắn mạch 3 pha tại giữa đường dây truyền tải 1. Trong thời gian sự cố, một
lượng công suất được truyền từ máy phát tới thanh cái vô cùng lớn giảm xuống. Sự
cố này được loại trừ bằng cách ngắt đường dây số 1, công suất truyền tải được tăng
lên so với công suất truyền tải trong thời gian sự cố tuy nhiên vẫn ít hơn so với công
suất truyền tải trước khi sự cố. Đồ thị công suất –góc cho các giai đoạn trước sự cố,
trong khi sự cố và sau sự cố được đưa ra trong hình 2.8.
Ban đầu, công suất gia tốc bằng không, công suất điện đầu ra bằng với công suất
cơ đầu vào. Điểm hoạt động ban đầu được chỉ định bởi góc rô to 1 như hình 2.8. Khi
sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra ở giữa đường dây truyền tải số 1, công suất ra của máy
phát giảm xuống. Tuy nhiên, công suất cơ đầu vào không đổi và máy phát sẽ tăng tốc

cho đến điểm sự cố bị loại trừ 2. Tại thời điểm này, rô to đã tích lũy một năng lượng
14


tăng tốc (A1). Sau khi sự cố bị loại bỏ, công suất điện đầu ra vượt quá công suất cơ
đầu vào và máy phát bắt đầu bị hãm tốc. Khi máy phát bị hãm tốc, góc rô to máy phát
vẫn tăng cho đến góc 3. Góc rô to chỉ giảm khi năng lượng hãm tốc (A2) bằng với
năng lượng tăng tốc (A1). Trong trường hợp này, hệ thống sẽ trở lại hoạt động ổn định
nếu góc lệch 3 không vượt quá giới hạn giá trị góc lớn nhất max. Nếu vượt qua giới
hạn này, tốc độ rô to sẽ tăng và hệ thống sẽ trở nên mất ổn định.

Pe-prefault
Pe-postfault
A2
Pe ( )

0

A3

Pe- fault

A1

1

2

Pm

3

4



rotor angle,  (Radian)

Hình 2.8.

Ứng dụng EAC để xác định mức độ ổn định của hệ thống sau khi sự
cố

Diện tích A1 và A2 được tính như sau:
𝛿2

𝐴1 = ∫ (𝑃𝑚 − 𝑃𝑒−𝑓𝑎𝑢𝑙𝑡𝑒𝑑 )𝑑𝛿

(2.5)

𝛿1

𝛿3

𝐴2 = ∫ (𝑃𝑒−𝑝𝑜𝑠𝑡𝑓𝑎𝑢𝑙𝑡 − 𝑃𝑚 )𝑑𝛿
𝛿2

Theo lý thuyết EAC, độ dự trữ ổn định là lượng thừa của diện tích vùng hãm tốc lớn
nhất có thể so với diện tích vùng tăng tốc trong đồ thị công suất-góc. Trong hình 2.7,
diện tích vùng hãm tốc lớn nhất là tổng của A2 và A3. Hệ số ổn định có thể được xác

định bằng:

=(𝐴2 + 𝐴3 ) − 𝐴1

15

(2.6)


Hệ thống điện là ổn định quá độ nếu diện tích vùng tăng tốc nhỏ hơn diện tích
vùng hãm tốc lớn nhất. Quy tắc sau có thể được sử dụng để xác định liệu hệ thống
điện có ổn định hay không.
Nếu  >0, hệ thống là ổn định
Nếu  <0, hệ thống là mất ổn định
Nếu  =0, hệ thống ổn định tới hạn.
Một ứng dụng khác của EAC là tính thời gian lớn nhất phải xóa bỏ sự cố để hệ
thống vẫn giữ được ổn định. Xét hệ thống một máy phát nối với thanh cái vô cùng
lớn trong hình 2.6 và giả thiết sự cố ở đầu phía máy phát và được loại trừ bằng cách
cắt đường dây số 1. Như đã nói ở trên, nếu góc rô to chuyển động quá max, hệ thống
sẽ trở nên mất ổn định. Tồn tại một góc tới hạn (lớn nhất) để loại trừ sự cố mà vẫn
duy trì ổn định hệ thống, góc này được gọi là góc tới hạn cr, được thể hiện trong hình
2.8. Thời gian tới hạn tương ứng cho việc loại bỏ sự cố được gọi là thời gian cắt tới
hạn, tcr (hay còn gọi là CCT – Critical Clearing Time). Do đó, thời gian cắt tới hạn là
khoảng thời gian lớn nhất từ lúc bắt đầu sự cố đến lúc sự cố bị loại trừ mà dẫn đến hệ
thống điện vẫn ổn định quá độ.
Pmax1 sin 
Pmax3 sin 
Pe ()

A2

A1

0

0

Pmax2 sin 

 cr

Pm

 max



rotor angle,  (Radian)

Hình 2.9.

Ứng dụng EAC trong việc tìm góc tới hạn loại bỏ sự cố

Trong trường hợp cụ thể của hình 2.8, cả góc cắt tới hạn và thời gian cắt tới hạn có
thể được tính như sau. Diện tích vùng A1 là:

16