Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
MỤC LỤC

MỤC LỤC ..................................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................4
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................5
TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................11
M.1 Lý do chọn đề tài............................................................................................11
M.2 Lịch sử nghiên cứu .........................................................................................11
M.3 Mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu .....................................................12
M.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .......................................................13
M.5 Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................13
M.6 Nội dung luận văn ..........................................................................................13
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN
ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ................................................................14
1.1 Khái niệm chung ............................................................................................14
1.2 Mô hình các phần tử trong hệ thống điện dùng đánh giá ổn định động ........16
1.2.1 Cấu trúc chung mô hình hệ thống điện ....................................................16
1.2.2 Mô hình máy phát, hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ, hệ
thống điều chỉnh tốc độ quay tuabin. .................................................................17
1.2.3 Mô hình lưới điện, phụ tải và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải24
1.2.4 Mô hình tổng thể hệ thống điện ...............................................................27
1.3 Các phương pháp tính toán ổn định động ......................................................27
1


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
1.3.1 Phương pháp tích phân số ........................................................................28

1.3.2 Phương pháp cân bằng diện tích ..............................................................29
1.3.3 Phương pháp trực tiếp ..............................................................................34
1.4 Nghiên cứu ổn định động của hệ thống nhiều máy phát ...............................36
Chƣơng 2 – NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TÌM THỜI GIAN CẮT TỚI
HẠN VÀ ỨNG DỤNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CHO HTĐ MẪU .........37
2.1 Một số phương pháp tính thời gian cắt tới hạn CCT .....................................37
2.2 Đánh giá ổn định động dựa trên kết quả phân tích ........................................40
2.3 Ứng dụng chương trình tính CCT đánh giá ổn định động cho HTĐ mẫu .....43
2.3.1 Giới thiệu hệ thống điện IEEE 9 nút và 39 nút ........................................43
2.3.2 Các bước thực hiện ...................................................................................44
2.3.3 Các chương trình sử dụng trong luận văn ................................................45
2.3.4 Kết quả tính toán mô phỏng chi tiết .........................................................45
2.3.5 Đánh giá ảnh hưởng các thông số chế độ xác lập đến thời gian cắt tới hạn.....57
2.4 Nhận xét .........................................................................................................59
Chƣơng 3 - ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHÂN TẠO ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH
QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN .................................................................................60
3.1 Tổng quan về mạng nơron nhân tạo và mạng lan truyền thẳng MLP ...........60
3.1.1 Cấu trúc mạng MLP .................................................................................61
3.1.2 Quá trình học của mạng MLP ..................................................................63
3.2 Ứng dụng mạng nơron trong đánh giá ổn định động của HTĐ .....................66
3.3 Kết quả tính toán với lưới 3 máy 9 nút ..........................................................68
3.3.1 Đầu vào Pg ................................................................................................69
3.3.2 Đầu vào Pg-Qg ..........................................................................................70
2


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
3.3.3 Đầu vào U và θ .........................................................................................71
3.4 Kết quả tính toán với lưới 10 máy 39 nút ......................................................73
3.4.1 Đầu vào Pg ...............................................................................................73

3.4.2 Đầu vào Pg và Qg ......................................................................................76
3.4.3 Đầu vào U và θ .........................................................................................79
KẾT LUẬN ..............................................................................................................83
PHỤ LỤC 1 ..............................................................................................................84
PHỤ LỤC 2 ..............................................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................103

3


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

LỜI CẢM ƠN
 Đầu tiên cho tôi gửi lời cám ơn đến toàn thể các thầy cô giáo trong bộ môn
Hệ thống điện – Đại học ách khoa Hà Nội đ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận
văn thạc s này, đây là một cơ hội tốt để cho tôi được thực hành các k năng đ học
trên giảng đường và c ng giúp tôi ngày càng tự tin vào bản thân mình hơn.
 Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới TS Ngu n Đức Hu trong suốt
thời gian qua đ nhiệt tình chỉ dạy, giúp đ tôi hoàn thành tốt luận văn thạc s này.
 Tôi c ng xin gửi lời cám ơn sâu sắc tới toàn thể bạn b , người thân, nh ng
người đ luôn bên cạnh tôi, ủng hộ tôi trong suốt thời gian qua.
 Do thời gian có hạn, chắc chắn luận văn không tránh khỏi nh ng thiếu sót.
Em kính mong các thầy cô chỉ bảo, đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện, tiếp
tục nghiên cứu và phát triển đề tài.

4


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nh ng vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
nh ng 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 đ nghiên cứu được
chú thích đấy đủ, đúng quy định.

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Tác giả luận văn

5


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
TỪ VIẾT TẮT
 ANN: Mạng nơron nhân tạo (Artifical Neural Networks)
 AVR: Tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator)
 CCT: Thời gian cắt tới hạn (Critical Clearing Time)
 COA: Tâm góc (Center Of Angle)
 COI: Tâm quán tính Center Of Inertia)
 E C: Phương pháp cân bằng diện tích Equal Area Criterion)
 FACTS: Hệ thống truyền tải điện linh hoạt (Flexible Alternating Current
Transmission System)
 HVDC: Truyền tải điện cao áp một chiều (High Voltage Direct Current)
 HTĐ: Hệ thống điện
 MAPE: Sai số trung bình phần trăm tuyệt đối (Mean Absolute Percent Error)
 PSS: Bộ ổn định hệ thống nguồn (Power System Stabilizer)

 SIME: Mô hình đẳng trị một máy phát (Single Machine Equivalent)
 SVC: Tụ bù tĩnh Static VAR Compensator)
 TĐK: Tự động điều chỉnh kích từ
 UPFC: Hệ thống điều chỉnh dòng công suất (Unified Power Flow Controller)

6


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
ảng 2.1 – Thông số d liệu nút hệ thống điện IEEE 9 nút
ảng 2.2 – Thông số d liệu nút hệ thống điện IEEE 39 nút
ảng 2.3 – CCT khi các máy phát sự cố với lưới IEEE 9 nút
ảng 2.4 – CCT khi các máy phát sự cố với lưới IEEE 39 nút
ảng 2.5 – Khảo sát CCT máy phát 2 khi thay đổi thông số chế độ xác lập
ảng 3.1 – Thông số chi tiết số liệu huấn luyện cho mạng nơ ron
ảng 3.2 – Sai số huấn luyện khi máy 2 sự cố, lưới 3 máy 9 nút
ảng 3.3 – Sai số huấn luyện khi các máy sự cố, lưới 10 máy 39 nút

7


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 – Đánh giá ổn định động của hệ thống điện
Hình 1.2 – Dao động góc lệch tuyệt đối a), tương đối (b)
Hình 1.3 – Chuyển động rotor máy phát
Hình 1.4 – Mô hình máy phát đẳng trị trong hệ tọa độ vuông góc
Hình 1.5 – Mô hình hệ thống kích từ và TĐK
Hình 1.6 – Mô hình một máy phát nối với lưới vô cùng lớn

Hình 1.7 – Đồ thị công suất - góc
Hình 1.8 – Đồ thị công suất - góc
Hình 1.9 – Nguyên lý ổn định của quả bóng trượt không ma sát
Hình 2.1 – Sơ đồ mô tả qui trình tìm CCT.
Hình 2.2 – Sơ đồ khối tính CCT
Hình 2.3 – Giải thuật phát hiện mất ổn định động
Hình 2.4 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố
Hình 2.5 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố
Hình 2.6 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 2 sự cố
Hình 2.7 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố
Hình 2.8 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố
Hình 2.9 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 3 sự cố
Hình 2.10 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 1 sự cố
Hình 2.11 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 1sự cố
Hình 2.12 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 1 sự cố
Hình 2.13 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố
Hình 2.14 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố
Hình 2.15 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 6 sự cố
Hình 2.16 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố
Hình 2.17 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố
Hình 2.18 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 7 sự cố
8


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
Hình 2.19 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố
Hình 2.20 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố
Hình 2.21 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 8 sự cố
Hình 2.22 – Quan hệ gi a góc rotor máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố
Hình 2.23 – Quan hệ gi a tốc độ rotor máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố

Hình 2.24 – Quan hệ gi a điện áp máy phát và thời gian khi máy 9 sự cố
Hình 3.1 – Mô hình mạng MLP một lớp ẩn
Hình 3.2 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào Pg, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.3 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào Pg, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.4 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào Pg-Qg, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.5 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào Pg-Qg, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.6 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 2 sự cố đầu vào U-θ, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.7 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 2 sự cố đầu vào U-θ, lưới IEEE 9 nút
Hình 3.8 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.9 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.10 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.11 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.12 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.13 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào Pg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.14 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.15 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.16 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.17 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.18 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.19 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào Pg-Qg lưới IEEE 39 nút
Hình 3.20 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 6 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút
Hình 3.21 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 6 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút
Hình 3.22 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 7 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút
Hình 3.23 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 7 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút
9


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
Hình 3.24 – CCT xấp xỉ và mô phỏng, máy 8 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút
Hình 3.25 – Phân bố sai số xấp xỉ %), máy 8 sự cố, đầu vào U-θ lưới IEEE 39 nút

10


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
MỞ ĐẦU

M.1 Lý do chọn đề tài
Một trong nh ng mục tiêu của hệ thống điện 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. Các hệ thống điện hiện nay đ có nh ng
bước phát triển nhảy vọt về công suất c ng như quy mô l nh thổ. Tuy nhiên, chúng
c ng tương đối dễ bị sự cố. Đơn cử như 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 r 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.

ên

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. Luận văn này tập trung nghiên cứu một khía cạnh cụ thể của ổn định hệ thống
điện: ổn định quá độ góc lệch rotor và ứng dụng mạng nơron nhân tạo xấp xỉ hóa
thời gian cắt tới hạn để đánh giá ổn định động của hệ thống.
M.2 Lịch sử nghiên cứu
Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ổn định hệ thống điện đ có một lịch
sử phát triển hệ thống tương đối dài, có thể tính từ nh ng năm 20 của thế kỷ XX.
Năm 1928 nhà bác học M R.Park đề xuất cơ sở thiết lập hệ phương trình vi phân
quá trình quá độ điện cơ của máy phát điên đồng bộ trong hệ tọa độ quay. Gần như

đồng thời với Park, các công trình công bố độc lập của A.A Goriev (Nga) trong
nh ng năm 1930 – 1935 về mô hình quá trình quá độ trong các máy điện quay đ
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 đ làm đơn giản đáng kể hệ phương trình vi phân

11


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
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) đ được nghiên cứu áp dụng cho hệ thống điện [3].
Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý
nói chung của

. M. Lyapunov được phát triển và áp dụng cho hệ thống điện, đặc

biệt là phương pháp dao động bé. Nhà khoa học Gidanov đ có nh ng nghiên cứu
khá sâu sắc phương pháp dao động bé đối với ổn định hệ thống điện đơn giản c ng
như phức tạp. Ông đ 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 trường hợp mất ổn định hệ thống điện (còn gọi là
tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ) [3].
Nhìn chung, các quá trình động học trong hệ thống điện là rất đa dạng và
phức tạp. Để phục vụ cho việc xây dựng mô hình nghiên cứu phù hợp, các quá
trình ổn định cần được phân loại dựa trên thời gian, cơ chế gây mất ổn định, .., từ đó
đưa ra mô hình nghiên cứu phù hợp. Cách phân loại hiện nay của Việt Nam [2] và
thế giới [5] đ chia các quá trình ổn định thành: ổn định góc lệch, ổn định điện áp và
ổn định tần số. Bài toán mô phỏng đánh giá ổn định góc lệch là chủ đề của luận văn
này.

M.3 Mục đích, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
 Mục đích nghiên cứu:
- Nghiên cứu phương pháp đánh giá ổn định động dựa trên mô phỏng quá
trình quá độ của hệ thống điện.
- Mô phỏng và đánh giá mức độ ổn định của hệ thống điện mẫu. Tìm ra
phương pháp đánh giá, phân loại chế độ làm việc của hệ thống điện dựa trên mức
độ ổn định.
 Đối tƣợng nghiên cứu: Các phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định
động hệ thống điện, phương pháp tính thời gian cắt tới hạn CCT. Ứng dụng mạng
nơron nhân tạo đánh giá ổn định động.
 Phạm vi nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu đánh giá mức độ ổn định của các
hệ thống điện mẫu là IEEE 9 nút và IEEE 39 nút.
12


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
M.4 Ý nghĩa khoa học và thực ti n của đề tài
Để đảm bảo sự vận hành liên tục và tin cậy của các hệ thống điện, việc đánh
giá khả năng duy trì ổn định của hệ thống với các kích động lớn và nhỏ là rất cần
thiết. Việc đánh giá được mức độ ổn định của hệ thống điện cho phép người vận
hành có nh ng điều chỉnh phù hợp trong quá trình vận hành c ng như quy hoạch
nhằm nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện.
M.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng và đánh giá mức độ ổn định của các
hệ thống điện mẫu.
M.6 Nội dung luận văn
Luận văn có bố cục gồm các chương sau:
 Mở đầu: Trình bày tổng quan về lý do chọn đề tài; lịch sử nghiên cứu; mục
đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa
của đề tài.

 Chƣơng 1: Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu ổn định động
 Chƣơng 2: Nghiên cứu phương pháp tìm thời gian cắt tới hạn CCT và ứng
dụng đánh giá ổn định động cho hệ thống điện mẫu.
 Chƣơng 3: Ứng dụng mạng nơron nhân tạo đánh giá ổn định quá độ hệ
thống điện.
 Kết luận: Đánh giá tổng kết các vấn đề đ nghiên cứu và các kết quả thu
được.

13


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN
ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1

Khái niệm chung
Ngoài nh ng kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ

thống điện còn có nh ng kích động lớn diễn ra đột ngột làm mất cân bằng công
suất, phá hoại tính ổn định hệ thống. Nh ng kích động như thế phải kể đến các sự
cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, thao tác cắt máy biến áp cung
cấp đang có phụ tải đưa ra sửa ch a… Do có sự thay đổi đột ngột các dòng công
suất phân bố trong lưới, công suất các máy phát c ng thay đổi đột ngột, thậm chí
giảm xuống đến 0 (khi ngắn mạch 3 pha trên đường dây nối với máy phát hệ thống).
Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị phá v , xuất hiện gia tốc
làm thay đổi mạnh góc lệch rotor. Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc
không ổn định phụ thuộc mức độ của các kích động. Tính ổn định hệ thống trong
trường hợp này gọi là ổn định động [3]. Như vậy, ổn định động của hệ thống là khả

năng của hệ thống duy trì chế độ quay đồng bộ các máy phát sau những kích động
lớn. Ổn định động của hệ thống điện phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau [3]:
- Phụ tải của hệ thống
- Công suất phát của các tổ máy trong thời gian tồn tại sự cố
- Thời gian giải trừ sự cố
- Điện kháng của hệ thống truyền tải sau sự cố
- Điện kháng của máy phát. Điện kháng máy phát càng thấp thì công
suất đỉnh càng tăng và góc lệch rotor ban đầu càng nhỏ.
- Quán tính của tổ máy. Quán tính càng lớn thì tốc độ thay đổi góc lệch
rotor ban đầu càng nhỏ, động năng tạo ra trong thời gian gian tồn tại sự
cố càng nhỏ.
- Sức điện động máy phát.
Điều kiện để hệ thống có ổn định động là:

14


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
i) Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau
sự cố)
ii) Thông số biến thiên trong quá trình quá độ h u hạn và tắt dần về
thông số chế độ xác lập mới.
Như vậy sự tồn tại của chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần nhưng chưa
đủ cho tính ổn định động của hệ thống. Chính điều kiện (ii) dẫn đến yêu cầu phải áp
dụng các phương pháp phân tích ổn định động.
Quá trình chuyển động các máy phát có đồng bộ hay không đồng bộ thường
được thể hiện rõ trong vòng 2 – 3 giây, có khi chỉ trong vài chu kỳ đầu sau sự cố.
Thực tế cho thấy rằng thường nếu các máy phát mất đồng bộ từ chu kỳ đầu tiên của
quá trình quá độ, thì xem như hệ thống đ mất ổn định.

Hình 1.1 – Đánh giá ổn định động của hệ thống điện
Đối với hệ thống điện đơn giản (máy phát nối với thanh cái điện áp không
đổi) ổn định động được giải thích bằng khả năng cân bằng được động năng do kích
động sinh ra với công hãm xuất hiện trong phản ứng hệ thống. Khi đó góc lệch δ
không vượt quá giá trị δmax, thường có trị số là 1800. Khi mất ổn định động, góc dao
động bắt đầu quá trình tăng trưởng vô hạn thường ngay sau chu kỳ đầu [3].
Đối với HTĐ nhiều máy phát, dao động rotor của các máy phát được thể hiện
bởi sự biến thiên góc lệch δi(t) theo thời gian so với trục quay đồng bộ máy phát
(hình 1.2a). Tuy nhiên, để đánh giá ổn định động trong hệ thống nhiều máy phát,
15


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
cần phải xác định biến thiên góc lệch tương đối gi a các máy phát với nhau hoặc so
với góc lệch trung bình của hệ thống (hình 1.2b). Dựa trên nguyên tắc, hệ thống ổn
định khi tất cả các góc lệch tương đối dao động trong phạm vi h u hạn. Đối với
HTĐ phức tạp, nếu chỉ tính được góc lệch tương đối trong một khoảng thời gian xác
định thì không thể kết luận được về tính h u hạn của phạm vi dao động góc lệch
của cả quá trình quá độ.

Hình 1.2 – Dao động góc lệch tuyệt đối a), tương đối (b)
Quan sát thực tế cho thấy rằng HTĐ sẽ ổn định động nếu dao động các góc
lệch h u hạn trong phạm vi khoảng 10 giây đầu. Ngoài ra, tính ổn định còn được
phán đoán theo cả xu hướng biến thiên dao động tắt dần hay dao động mạnh dần
theo thời gian).
1.2

Mô hình các phần tử trong hệ thống điện dùng đánh giá ổn định động

1.2.1 Cấu trúc chung mô hình hệ thống điện

Để nghiên cứu ổn định động hệ thống điện, việc xây dựng mô hình động theo
cấu trúc hệ thống là rất cần thiết. Cấu trúc chung của mô hình động hệ thống điện
khi phân tích ổn định bao gồm các thành phần chính sau:
 Mô hình các máy phát điện:
- Phương trình chuyển động quay rotor máy phát
- Hệ phương trình quá trình quá độ điện từ trong các cuộn dây máy phát
 Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ
 Mô hình tuabin và thiết bị thiết bị tự động điều khiển tốc độ quay tuabin
16


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
 Mô hình lưới điện và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện linh
hoạt (FACTS).
Trên cơ sở phân tích cấu trúc của các phần tử, quan hệ thông số với các phần
tử liên kết và diễn biến các quá trình bên trong của mỗi phần tử có thể thiết lập được
mô hình chung mô tả quá trình quá độ của cả hệ thống. Tính đầy đủ và phù hợp của
mô hình có ảnh hưởng quyết định đến kết quả phân tích, đánh giá ổn định hệ thống.
1.2.2 Mô hình máy phát, hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ, hệ
thống điều chỉnh tốc độ quay tuabin.
 Mô hình máy phát
 Phƣơng trình chu ển động quay rotor máy phát
Chuyển động quay rotor máy phát điện đồng bộ trong trường hợp chung có
thể viết như sau:
d2
J. 2  Tm  Te
dt

(1.1)

Trong đó:
J

: Mômen quán tính của tổ tuabin - máy phát

Tm

: Mômen cơ của tuabin, N.m

Te

: Mômen điện của máy phát, N.m

γ

: Góc quay của rotor máy phát

Góc quay γ là góc gi a trục gắn liền với rotor và một trục đứng yên (gắn với
stator). Trong quá trình quá độ tính từ thời điểm t=0, γ t) là một hàm của thời gian
và tăng dần vì rotor quay theo một chiều. Thông thường người ta quan tâm đến
chuyển động tương đối của rotor so với một trục quay đồng bộ. Trục quay đồng bộ
là trục quay với tốc độ không đổi ωs bằng tốc độ quay rotor ở chế độ định mức. Nếu
coi ở thời điểm t= 0 trục tính toán trên rotor và trục đồng bộ trùng nhau thì góc lệch
tương đối được tính là:
   ( t )  s .t

(1.2)

17

Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

Từ (1.2), ta có:

d
d
 s 
dt
dt

(1.3)

Hình 1.3 - Chuyển động rotor máy phát
Đặt tốc độ góc của rotor là ωr, ta có:
r 

d
dt

(1.4)

Phương trình 1.3) được viết lại như sau:
 r  s 

d
dt

Dễ thấy rằng tốc độ góc của rotor bằng tốc độ đồng bộ khi

(1.5)
d
0
dt

Nhân hai vế của phương trình 1.1) với ωr ta có:
J.r .

d 2
 Pm  Pe
dt 2

(1.6)

Với Pm, Pe tương ứng là công suất cơ, công suất điện [MW]
Đặt H là hằng số quán tính có trị số bằng động năng tương đối định mức của
rotor khi quay với tốc độ đồng bộ
J.s2
H
2.SCB

(1.7)

Thay (1.7) vào (1.6), ta có:

18


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

2.H.

SCB
d 2
.

.
 Pm  Pe
r
s2
dt 2

(1.8)

Ở chế độ xác lập, tốc độ góc của máy phát bằng tốc độ đồng bộ, do đó có thể
thay ωs= ωr. Khi đó ta có:
SCB d 2 
2.H.
.
 Pm  Pe
s dt 2

(1.9)

Nếu sử dụng hằng số quán tính TJ, xác định bởi công thức:

TJ  2.H.

SCB
s

(1.10)

Thì ta nhận được phương trình chuyển động trong hệ đơn vị có tên như sau:
d 2
TJ . 2  Pm  Pe
dt

(1.11)

Nếu kể đến lực cản ma sát hoặc mômen cản điện từ tỉ lệ với tốc độ quay, cần
phải thêm vào phương trình thành phần tỉ lệ với tốc độ biến thiên góc lệch δ.

d 2
d
TJ . 2  k D .  Pm  Pe
dt
dt

(1.12)

Hệ số cản kD có dấu dương tương đương với thêm mômen âm (mômen cản)
nằm bên vế phải.
 Phƣơng trình vi phân mô tả quá trình quá độ điện từ trong cuộn dây
máy phát
Hệ phương trình quá trình quá độ điện từ trong các cuộn dây (rotor và stator)
máy phát được mô tả trong hệ tọa độ quay Park – Goriev. Mô hình máy phát đẳng
trị được mô tả như trên hình 1.4.

19

Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

Hình 1.4 - Mô hình máy phát đẳng trị trong hệ tọa độ vuông góc
Các cuộn dây stator được quy đổi về rotor gồm hai cuộn dây vuông góc nhau
quay cùng tốc độ với rotor. Dòng điện trong mỗi cuộn dây tương ứng là id, iq. Do
không có chuyển động quay tương đối nên các hệ số tự cảm và hỗ cảm là hằng số.
Hệ phương trình Park – Gorev mô tả quá trình quá độ trong các cuộn dây của máy
phát đồng bộ như sau.
Đối với các cuộn dây stator:
d d

e

  q .r  R a .i d
d

dt

d q

  d .r  R a .i q
e q 
dt

d 0

e


  q .r  R a .i 0
0

dt


(1.13)

d fd

e

 R fd .i d
fd

dt

d kd

 R kd .i kd
0 
dt

d kq

0

 R kq .i kq

dt



(1.14)

Đối với cuộn kích từ:

Với:

20


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

3 '

 d  (L  M  2 .L ).i d  M f .i f  M D .i D

  (L  M  3 .L' ).i  M .i
q
q q
 q
2
  (L  2.M ).i
0
 0

3
 f  L f .i f  2 .M f .i d  M fD .i D

  L .i  3 .M .i  M .i

D D
D d
fD f
 D
2

 Q  L Q .i Q  3 .M Q .i q

2

(1.15)

Trong đó:
+ Ψd, Ψq, Ψ0, Ψf, ΨD, id, iq, i0, if, iD, iQ là các từ thông móc vòng và dòng
điện trong các cuộn dây stator, cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc trục và
ngang trục.
+ L, L’, M, M’ là các hệ số tự cảm, hỗ cảm của các cuộn dây stator. Các
hệ số có thể xem là hằng số nếu bỏ qua bão hòa từ.
+ Lf là hệ số tự cảm cuộn dây kích từ.
+ LD, LQ là các hệ số tự cảm của cuộn cản dọc trục và ngang trục.
+ Mf, MD, MQ là các hệ số hỗ cảm của cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc
trục và ngang trục của cuộn dây stator.
+ MfD là hỗ cảm của cuộn dây kích từ và cuộn cản dọc trục.
+ Rf, RD, RQ, Ra là điện trở các dây quấn trên rotor và dây quấn stator.
+ ef’ là điện áp kích từ.
+ ed, eq là thành phần điện áp dọc trục và ngang trục stator máy phát.
+ e là điện áp đầu cực máy phát.
Hệ phương trình quá trình quá độ trên mô tả chi tiết trạng thái điện từ của
máy phát điện quay. Quan hệ của các phương trình quá trình quá độ điện từ với hệ
phương trình chuyển động tương đối rotor các máy phát được tính theo biểu thức:

Te   q .i d   d .i q

21

(1.16)


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
Phương trình chứa các đại lượng đầu cực các máy phát ed, eq, id, iq có quan hệ
chặt chẽ với hệ phương trình lưới.
Công suất điện đầu ra của stator được tính theo biểu thức sau:
3
Pe  .(e d .i d  e q .i q  2.e 0 .i 0 )
2

(1.17)

 Mô hình hệ thống kích từ và tự động điều chỉnh kích từ
Sức điện động Eq trong mô hình máy phát tỉ lệ với dòng điện kích từ chạy
trong cuộn dây rotor của máy phát. Vì vậy cần mô tả đầy đủ hoạt động của hệ thống
kích từ và tác động của thiết bị tự động điều chỉnh kích từ TĐK).
Trường hợp mô tả đơn giản nhất hệ thống kích từ và cuộn dây rotor của máy
phát được mô tả như nh ng khâu tuyến tính cấp 1. Quán tính của cuộn dây rotor
chính là hằng số thời gian Td’ của cuộn dây. Hằng số quán tính của hệ thống kích từ
phụ thuộc vào loại máy kích thích. Phương trình vi phân tương ứng của các khâu
trên có thể được viết như sau:
- Đối với cuộn dây rotor:

E qe  E q  Td' .p.E 'q

Eq  EQ.

Xd  Xq
X d  X 'd
 E 'q .
'
Xq  Xd
X q  X 'd

(1.18)
(1.19)

Eq’: Sức điện động do từ thông tổng móc vòng qua cuộn dây rotor
sinh ra.
- Đối với hệ thống kích từ:

E qe 

1
.U Kt
1  p.Te

(1.20)

𝛥UKt: Điện áp điều chỉnh do bộ phận tự động điều chỉnh kích từ tạo
ra tác động vào hệ thống kích từ.

22

Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện

Hình 1.5 – Mô hình hệ thống kích từ và TĐK
Phức tạp và đa dạng hơn cả là hàm truyền của thiết bị TĐK. Nói chung TĐK
được cấu tạo bao gồm kênh điều chỉnh theo độ lệch điện áp (với hệ số khuếch đại
âm) để gi điện áp cho đầu cực máy phát và một số kênh với hàm truyền tuyến tính
được cấu tạo và chỉnh theo mục đích nâng cao ổn định. Các kênh này tạo ra các tín
hiệu điều chỉnh tỉ lệ với với tốc độ biến thiên của các thông số đo như trong các
TĐK tác động mạnh của các nước thuộc Liên Xô c ) hay theo độ lệch tần số 𝛥ω và
công suất 𝛥P (trong kênh PSS của hệ thống tự động điều chỉnh kích từ AVR của các
máy phát Âu – M ).
 Mô hình tuabin và hệ thống điều khiển tốc độ quay tuabin
Công suất cơ của tổ máy Pm được truyền trực tiếp từ công suất dòng hơi hoặc
dòng nước có áp lực đưa vào cửa điều chỉnh. Tuy nhiên, do quán tính giãn nở hơi
c ng như quán tính chuyển động của dòng nước mà sự thay đổi công suất chậm sau
độ mở μ của cửa điều chỉnh. Như vậy trong trường hợp đơn giản nhất tuabin c ng
có thể được mô tả như một khâu quán tính. Với các cấu tạo khác nhau của tuabin,
hàm truyền của khâu này cần được mô tả phức tạp hơn.

23


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
Thiết bị điều tốc thường bao gồm các bộ phận chính là bộ biến đổi (tạo ra độ
dịch chuyển 𝛥X theo độ lệch tốc độ quay 𝛥ω) và cơ cấu chấp hành đóng mở xupap
điều chỉnh cửa hơi hoặc của nước). Hằng số thời gian quán tính của các cơ cấu trên
có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng điều chỉnh và quá trình quá độ. Máy phát tuabin
hơi và tuabin nước có mô hình và các hằng số quán tính tuabin và thiết bị điều tốc
khác nhau nhiều nên cần phải lựa chọn k .
1.2.3 Mô hình lƣới điện, phụ tải và các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải

 Mô hình lƣới điện
Quá trình quá độ liên quan đến lưới truyền tải diễn ra rất nhanh, các quá trình
này gần như chấm dứt chỉ sau một khoảng thời gian rất ngắn. Vì vậy, trong khi xem
xét quá trình quá độ điện từ có thể coi như lưới điện đi từ trạng thái xác lập này
sang trạng thái xác lập khác. Tần số cơ bản của hệ thống (50Hz hoặc 60Hz) có thể
coi như các vi quá trình và chỉ biến đổi trong đường bao điều biên của dòng và áp
mới cần xem xét đối với quá trình quá độ. Trạng thái của lưới điện được mô tả dưới
dạng hệ phương trình cân bằng công suất nút. Giả thiết biết rõ tổng dẫn riêng và
tổng dẫn tương hỗ các nút, ta có hệ phương trình trạng thái như sau:

U 2 .y . sin   n U .U . sin(      )  P
 i j
ii
i
j
ij
i
 i ii
j1

n
 2
U
.
y
.
cos


U i .U j . cos(i   j   ij )  Q i


 i ii
ii
j1

i  1, n



(1.21)

U i  U d2  U q2

(1.22)

Ud
Uq

(1.23)

i  arctan

Trong đó:
Ui

: modul của điện áp nút i

θi

: góc pha của điện áp nút i

yii

: tổng dẫn riêng của nút i
24


Nghiên cứu phương pháp mô phỏng và đánh giá ổn định động hệ thống điện
yij

: tổng dẫn tương hỗ gi a nút i và nút j.

Với nút đầu cực máy phát, với một số giả thiết tương ứng ta có:

E Qi .U i

. sin(  i  i )  PEI
Pi 
X
q


2
Q  E Qi  E Qi .U i . cos(   )  Q
i
i
EI
 i X
Xq
q


E qi  E Qi .

X di  X qi
X di  X 'di
 E 'qi .
'
X qi  X di
X qi  X di

(1.24)

(1.25)

Trong đó:
+ Eqi, Eqi’, EQi tương ứng là các sức điện động đồng bộ, sức điện
động quá độ và giả tưởng của máy phát thứ i.
+ θ là góc lệch pha gi a sức điện động Eq của máy phát và điện áp
đầu cực.
Như vậy, quan hệ gi a chế độ máy phát và thông số trạng thái lưới điện được
thiết lập thông qua công suất và điện áp nút đầu cực máy phát.
 Mô hình phụ tải
Với các nút tải Pi và Qi xác định theo đặc tính tắc động của thiết bị dùng điện.
Một mô hình phụ tải động hỗn hợp là một vấn đề rất khó trong hệ thống điện lớn và
không có mô hình nào phản ánh đúng đặc trưng của tất cả các loại phụ tải, mức độ
chi tiết c ng như tính chính xác. Trong nghiên cứu ổn định nhất là ổn định đồng bộ,
hay trong giai đoạn đầu của quá trình quá độ đến khoảng 10s sau sự cố) hay nếu
điểm ngắn mạch không ở gần nút tải người ta thường cho phép thay thế bằng đặc
tính tĩnh. Mô hình có thể chấp nhận được nhất là mô tình công suất tác dụng theo
dòng điện không đổi và mô hình công suất phản kháng theo điện dẫn không đổi.

Các nút trung gian có giá trị Pi= 0 và Qi= 0.
Phụ tải tĩnh được mô hình hóa như một phần của hệ phương trình tuyến tính
mô tả lưới điện. Các phụ tải với tổng trở không đổi được thay thế bằng cách đưa
vào ma trận điện dẫn nút. Các phụ tải phi tuyến được mô hình hóa bằng các hàm m
hoặc hàm đa thức của biên độ và tần số điện áp nút. Kết quả cuối cùng là phụ tải phi
25