Nghiên cứu thuật toán xác định điểm sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM NGỌC TUẤN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH ĐIỂM SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành : Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. TRƯƠNG NGỌC MINH

Hà Nội – 2011


LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo Bộ môn HTĐ trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn TS. Trương Ngọc
Minh đã tận tình hướng dẫn giúp tác giả hoàn thành bản luận văn này.
Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các anh các chị, bạn bè đồng
nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả thực hiện luận
văn.
Vì thời gian có hạn, bản luận văn không thể tránh khỏi các thiếu sót, tác giả rất
mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tôi. Các kết quả tính toán trong
luận văn hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố ở bất kì bản luận văn
nào khác.
Hà nội, tháng 9 năm 2011
Tác giả luận văn

Phạm Ngọc Tuấn

2


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA………………………………………………..…………………….1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... 5
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................. 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................ 7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 10
1.

Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 10

2.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.............. 10

3.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP ............................................... 11
1.1 Ổn định điện áp .............................................................................................. 11
1.1.1 Khái niệm chung......................................................................................... 11
1.1.2 Phân loại ổn định điện áp ........................................................................... 11
1.1.3 Mất ổn định điện áp .................................................................................... 13
1.2 Các phương pháp phân tích đánh giá mất ổn định điện áp ................................ 16
1.2.1 Phương pháp dòng công suất liên tục (CPF) ............................................. 16
1.2.2 Phương pháp thiết lập cân bằng trực tiếp: ................................................. 17
1.2.3 Phương pháp tính trị riêng ma trận Jacobian ............................................ 18
1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp ............................................................ 19
1.4 Kết luận .............................................................................................................. 24
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP ........................................................ 24
2.1 Mô hình hóa các phần tử trong HTĐ ................................................................. 25
2.2 Hệ phương trình tính toán trào lưu công suất .................................................... 42
2.3 Thuật toán Newton-Raphson .............................................................................. 46
2.3.1 Cơ sở toán học............................................................................................. 46
2.3.2 Hệ phương trình phi tuyến .......................................................................... 47

3


2.3.3 Áp dụng thuật toán Newton-Raphson tính chế độ xác lập .......................... 49
CHƯƠNG 3: CHỈ SỐ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN .................. 58
3.1 Hệ thống đơn giản .............................................................................................. 58
3.2 Hệ thống phức tạp bất kỳ ................................................................................... 62

3.3 Ví dụ minh họa ................................................................................................... 67
CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG CHỈ SỐ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP.......................... 68
4.1 Chương trình tính toán ....................................................................................... 68
4.2 Sơ đồ lưới điện 5 nút .......................................................................................... 70
4.2 Mô phỏng trên hệ thống IEEE-14 ...................................................................... 73
4.2.1 Thông số sơ đồ lưới điện IEEE 14 .............................................................. 73
4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng của SVC ..................................................................... 77
4.2.2.1 Điện áp các nút khi chưa đặt SVC ......................................................... 78
4.2.2.2 Đặt SVC tại nút số 14 ............................................................................. 79
4.2.2.3 Đặt SVC tại nút số 13 ............................................................................. 80
4.2.2.4 Đặt SVC tại nút số 9 (nút đã có sử dụng 1 tụ bù) .................................. 81
4.2.2.5 Đặt SVC tại nút số 14 và thay đổi công suất tải nút 9 ........................... 82
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN............................................................................................ 84
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 85

4


DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
SVC

Static VAR compensator – Thiết bị bù tĩnh linh hoạt

FACTS

Nhóm các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

CSTD

Công suất tác dụng

CSPK

CSPK

HTĐ

HTĐ

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Kết quả mô phỏng iS với lưới điện đơn giản.

54

Bảng 4.2 Thông số nhánh hệ thống 5 nút.

57

Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng khi lắp SVC vào nút Lake (nút số 3)

58

Bảng 4.4 Kết quả tính toán trảo lưu công suất 5 nút có ảnh hưởng SVC.

59

Bảng 4.5 Thông số lưới IEEE14

60

Bảng 4.6 Thông số nhánh lưới IEEE14

62

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng khi lắp đặt SVC tại nút 14 với k = 1,2

63

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ thuật toán CPF

16

Hình 1.2 Sơ đồ tìm điểm cân bằng

17

Hình 1.3 Đường cong Q-V

17

Hình 1.4 Cấu tạo chung của SVC

19

Hình 2.1 Mô hình nhánh chuẩn nối giữa nút i và j

20

Hình 2.2 Sơ đồ nhánh chuẩn

22

Hình 2.2 Sơ đồ nhánh chuẩn

23

Hình 2.4. Đường dây trên không điện áp 66 kV ≤ U ≤ 330 kV

23

Hình 2.5 Đường dây siêu cao áp

24

Hình2.6 Mô hình theo thông số mạng 4 cực

24

Hình 2.7 Mô hình Máy biến áp 2 cuộn dây

26

Hình 2.8 Mô hình Máy biến áp 3 cuộn dây

27

Hình 2.9 Mô hình phụ tải

30

Hình 2.10 Mô phỏng SVC kiểu tương đương

31

Hình 2.11: Mô phỏng SVC theo dung dẫn.

33

Hình 2.12 SVC hoạt động trong giới hạn và ngoài giới hạn

33

Hình 2.13 Mô hình đơn giản của SVC - dung dẫn Bsvc .

34

Hình2.14 Mô hình SVC kết hợp máy biến áp và góc mở.

34

7

Hình 2.15 Công suất tại nút i bất kỳ.

37

Hình 2.16 Minh họa hình học của thuật toán Newton-Raphson

39

Hình 2.17 Sơ đồ khối thuật toán Newton-Raphson

45

Hình 2.18 Sơ đồ thuật toán kiểm tra nút PV

46

Hình 2.19 Sơ đồ khối thuật toán lặp tính toán dung lượng bù của SVC:

47

Hình 3.1 HTĐ đơn giản

48

Hình 3.2 Đường cong P-V

50

Hình 3.3 Sơ đồ thuật toán xác định iS của hệ thống

54

Hình 3.4 Sơ đồ HTĐ đơn giản ( ví dụ mô phỏng)

55

Hình 4.1 Giao diện chính của chương trình tại sheets “ Base”.

56

Hình 4.2 Giao diện nhập số liệu các nút

57

Hình 4.3 Giao diện nhập số liệu các nhánh

57

Hình 4.4 Giao diện chương trình với hệ thống 5 nút.

59

Hình 4.5 Kết quả trào lưu công suất lưới 5 nút có ảnh hưởng SVC

60

Hình 4.6 Sơ đồ lưới IEEE 14

61

Hình 4.7 Giao diện chương trình với lưới IEEE14

63

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng khi lắp đặt SVC tại nút 14 với k = 1,2

64

Hình 4.8 Đồ thị điện áp nút 9,13,14 và chỉ số iS hệ thống.

65

Hình 4.9 Đồ thị so sánh tại nút số 14

66

Hình 4.10 Đồ thị so sánh tại nút số 13

67

8


Hình 4.11 Đồ thị so sánh tại nút số 9

68

Hình 4.12 Đồ thị biểu diễn điện áp nút 9, 14 trong trường hợp tăng tải cục bộ. 69

9


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, với tốc độ phát triển của nền kinh tế quốc dân thì nhu cầu sử dụng
điện năng ngày càng tăng. HTĐ liên tục được mở rộng về quy mô và thay đổi về
cấu trúc theo các quy hoạch dài hạn. Với những HTĐ lớn đường dây dài thì khả
năng xảy ra sự cố ngày càng lớn. Nếu vận hành hệ thống không linh hoạt sẽ dẫn
đến mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền
kinh tế quốc dân. Do đó, việc phân tích, đánh giá các nguy cơ sụp đổ điện áp
trong HTĐ là rất quan trọng.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp xác định điểm sụp đổ điện áp và
trên cơ sở đó ứng dụng thiết bị bù tĩnh SVC – Static VAR compensator để nâng
cao ổn định điện áp của hệ thống.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn xây dựng một phương pháp tính toán nhanh giới hạn mất ổn định
điện áp dựa trên kết quả tính trào lưu công suất và định luật Kirchoff. Phương
pháp này cho phép xác định các chế độ vận hành tại thời điểm bất kỳ và các khu
vực, các nút bất kỳ có nguy cơ mất ổn định điện áp, giới hạn ổn định và có thể sử
dụng để phân tích các nguyên nhân chính gây mất ổn định điện áp.

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

1.1 Ổn định điện áp

1.1.1 Khái niệm chung
Ổn định hệ thống điện (HTĐ) là khả năng duy trì trạng thái cân bằng ở điều
kiện vận hành bình thường và có thể thiết lập trạng thái cân bằng mới trong giới
hạn cho phép khi có kích động ảnh hưởng đến hệ thống. Các nghiên cứu về ổn
định của HTĐ thực chất là các bài toán xét đến hai vấn đề điện áp và tần số của
HTĐ.
Các chế độ làm việc của HTĐ thường được chia ra làm hai loại: chế độ xác
lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số hệ thống
không thay đổi hoặc biến thiên nhỏ xung quanh giá trị định mức trong những
khoảng thời gian tương đối ngắn. Chế độ quá độ là các chế độ trung gian chuyển
từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Yêu cầu chung để đảm bảo HTĐ
ổn định là quá trình quá độ phải diễn ra bình thường và nhanh chóng chuyển sang
chế độ xác lập mới vì HTĐ chỉ làm việc lâu dài ở một chế độ xác lập nào đó.
1.1.2 Phân loại ổn định điện áp
Ổn định điện áp được chia thành hai dạng: ổn định tĩnh và ổn định động.
Ổn định tĩnh là khả năng của HTĐ có thể đảm bảo điện áp của các nút trong hệ
thống trong phạm vi cho phép khi xảy ra các kích động nhỏ như sự biến thiên liên
tục của công suất phía phụ tải hệ thống… Dạng ổn định này được đặc trưng bởi
đặc tính của phụ tải, các tác động điều khiển liên tiếp hoặc rời rạc trong một
khoảng thời gian xác định.
Việc phân tích ổn định tĩnh rất quan trọng trong các nghiên cứu chế độ làm
việc thường xuyên của HTĐ. các kích động bé không ngừng xảy ra nên ổn định
tĩnh gắn liền với chế độ xác lập của hệ thống. Vì vậy, các phương pháp phân tích

11


tĩnh có thể dùng để xác định giới hạn ổn định hoặc độ dự trữ ổn định của HTĐ
cũng như nghiên cứu phạm vi chế độ vận hành của hệ thống, đặc biệt là các chế
độ trước sự cố. Các thông số được xác định bằng cách giải hệ phương trình vi

phân đại số của hệ thống.
Ổn định động là khả năng của HTĐ có thể điều chỉnh điện áp của các nút
trong hệ thống trong giới hạn cho phép khi xảy ra các kích động lớn như sự cố hệ
thống mất máy phát hoặc đường dây. Ổn định động đặc trưng bởi đặc tính phụ tải
và sự tương tác điều khiển liên tiếp và rời rạc các phần tử trong hệ thống. Ổn định
động diễn ra rất phức tạp do các thông số chế độ biến thiên rất đột ngột. Do đó, để
nghiên cứu ổn định động cần sử dụng thêm phương pháp phân tích phi tuyến
HTĐ trong một khoảng thời gian đủ dài (vài giây đến hàng chục phút) để hiểu rõ
diễn biến của các thành phần trong hệ thống như tương tác của máy biến áp điều
áp dưới tải và các thiết bị giới hạn dòng điện máy phát.
Chỉ tiêu ổn định động của hệ thống là sau khi hệ thống chịu một kích động lớn
và các tác động điều khiển thì điện áp tại tất cả các thanh cái nhận điện trong hệ
thống đều nằm trong giới hạn cho phép. Theo Glavitch ổn định điện áp có thể
chia thành ổn định điện áp ngắn hạn và ổn định điện áp dài hạn.
Ổn định điện áp ngắn hạn được quan tâm khi có kích động lớn xảy ra trong
hkoảng thời gian từ 0 đến vài giây. Các phần tử liên quan tới ổn định điện áp
thoáng qua thường là động cơ cảm ứng, bộ điều tốc của máy phát, SVC, hoạt
động của rơ le bảo vệ…
Ổn định điện áp dài hạn đặc trưng bởi một kích động lớn xảy ra và kéo theo
đó là các biến động của phụ tải bởi ảnh hưởng của kích động đó ( như tự phục hồi
phụ tải bởi máy biến áp phân phối điều áp dưới tải…). Các phần từ liên quan đến
ổn định điện áp dài hạn thường là các máy biến áp điều áp dưới tải, bộ phận tự
động điều chỉnh kích từ, vận hành của người điều khiển…

12


1.1.3 Mất ổn định điện áp
Mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp là các hiện tượng được nhắc đến rất
nhiều trong HTĐ. Mất ổn định điện áp ảnh hưởng đến các chỉ tiêu chất lượng của

HTĐ và đặc biệt nghiêm trọng có thể dẫn tới sụp đổ điện áp trên diện rộng và tan
rã hệ thống. Để có biện pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp cần phân tích chính xác và
đầy đủ các nguyên nhân gây mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp.
Nguyên nhân mất ổn định điện áp: là do sự mất cân bằng giữa CSPK cung
cấp và CSPK tiêu thụ tại các nút phụ tải điện. Nếu dư thừa CSPK sẽ làm điện áp
tăng cao hơn định mức và ngược lại nếu thiếu CSPK thì điện áp sẽ rơi xuống dưới
điện áp định mức. Mất ổn định điện áp gây ảnh hưởng trực tiếp đến các phụ tải
trong hệ thống. Với các nhà máy công nghiệp thì mất ổn định điện áp ảnh hưởng
tới các động cơ làm ảnh hưởng tới chất lượng sản xuất, tuổi thọ thiết bị và các
khâu an toàn trong cong nghiệp cũng bị ảnh hưởng. Với các thiết bị điện sinh hoạt
và chiếu sáng công cộng, mất ổn định điện áp gây ảnh hưởng to lớn tới đời sống
xã hội, các vấn đề sinh hoạt, giao thông không đảm bảo làm giảm tuổi tho các
thiết bị này.
Sụp đổ điện áp: là trường hợp sự cố nặng nề của mất ổn định điện áp. Hậu
quả của sụp đổ điện áp là việc sa thải phụ tải hàng loạt trên diện rộng và có thể
gây tan rã toàn bộ hệ thống. Sụp đổ điện áp có thể xảy ra ở một khu vực hoặc có
thể lan rộng khắp hệ thống.
Tổng quát hóa có thể xây dựng một số sự cố sụp đổ điện áp diễn ra như sau:
• Hệ thống đang vận hành bình thường thì mất một nguồn cấp lớn dẫn đến tình
trạng làm việc trong chế độ sự cố. Hoặc một đường dây cao áp hoăc siêu cao áp bị
quá tải làm CSPK sụt giảm nghiêm trọng.

13


• Đường dây cao hoặc siêu cao áp quá tải sẽ làm các đường dây lân cận khác
cũng qua tải theo do đó tăng mạnh tổn thất CSPK trên đường dây gây áp lực về
CSPK lên toàn hệ thống.
Việc điều khiển kích từ của máy phát điện khi sụp đổ điện áp là rất quan trọng.
Tải tăng làm cho dòng truyền tải tăng và máy kích từ cũng phải tăng công suất để

cho điện áp đầu cuối không đổi. Nhưng khi hệ thống kích đã đạt giá trị giới hạn
nhưng dòng công suất truyền tải vẫn tăng mạnh thì điện áp bắt đầu giảm nhanh.
Điện áp đầu cực máy phát giảm làm cho điện áp các nút khác (xa máy phát) cũng
giảm theo và kết quả là sụp đổ điện áp. Thực tế, vấn đề này còn phức tạp hơn, khi
quá trình sụp đổ điện áp diễn ra nhanh nếu hệ thống kích từ máy phát không thay
đổi kịp theo sự thay đổi của phụ tải thì có thể dẫn đến sụp đổ điện áp ngay cả khi
hệ thống kích chưa làm việc ở chế độ giới hạn.
Hậu quả: Các sự cố sụp đổ điện áp của HTĐ Việt Nam cũng như trên thế giới
trong các năm qua đều gây ra thiệt hại nặng nề về kinh tế xã hội:
Sự cố tại Việt Nam, giai đoạn 1980 – 1990 : sự cố liên tục xảy ra tại các nhà
máy điện lớn như thủy điện Hòa Bình, nhiệt điện Phả Lại … tại nhà máy nhiệt
điện Phả lại 1, công suất thiết kế 440 MW gồm 4 tổ máy khi bắt đầu đi vào vận
hành khai thác liên tục gặp sự cố, lúc này lượng công suất của Phả Lại chiểm tỷ
trọng lớn trong hệ thống, việc mất 1 tổ máy cũng gây ra hiện tượng rã lưới hệ
thống gây mất điện trên diện rộng. Trong thiết kế vận hành, các kỹ sư cũng đưa ra
các biện pháp “Tách lưới giữ tự dùng” cho nhà máy để khắc phục sự cố.
Sự cố tại Nam Florida ngày 17/05/1985, : sự cố cháy tại nguồn phát đã cắt 3
đường dây 500kV đang làm việc ra khỏi hệ thống, điện áp trong hệ thống sụt giảm
đồng thời với thiếu công suất tác dụng. Điện áp giảm thấp làm rơle của bộ phận sa
thải phụ tải dưới tần số không làm việc. Dẫn đến sụp đổ điện áp gây mất điện
trong thời gian ngắn, ước tính công suất của phụ tải bị mất điện khoảng 4300MW.
Sự cố tại miền tây nước Pháp ngày 12/01/187: sự cố tại nhà máy nhiệt điện

14


Cordemais đã cắt dần 4 tổ máy trong vài chục phút. Điện áp giảm làm 9 tổ máy
lân cận khác phải cắt ra. Tổng công suất mất khoảng 9000MW, điện áp sau đó
được khôi phục nhưng ở mức rất thấp (0,5-0,8 p.u).
Ngày 23/07/1987, Tokyo Nhật Bản: do khí hậu nóng bức dẫn tới sự tăng bất

thường nhu cầu phụ tải, cường độ tăng rất cao 400MW/ phút. Điện áp trên đường
dây giảm nhanh chóng, mặc dù tất cả các tụ bù dọc đã được đóng vào hệ thống.
vài phút sau điện áp sụp đổ, các nghiên cứu sau này cho thấy do sử dụng điều hòa
nhiệt độ đã tiêu thụ lượng CSPK (CSPK) quá lớn.Việc HTĐ mất ổn định, rã lưới
gây mất điện trên diện rộng sẽ làm ảnhhưởng tới mọi mặt của kinh tế xã hội và
gây thiệt hại rất lớn về kinh tế.
Qua các sự cố sụp đổ điện áp nói trên chúng ta có thể rút ra được những đặc
điểm của quá trình mất ổn định điện áp dẫn tới sụp đổ điện áp.
• Có rất nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến sụp đổ điện áp: có thể là biến
động tự nhiên của công suất phụ tải ở các thời điểm khác nhau, có thể là mất một
máy phát lớn hay một đường dây đang làm việc đầy tải.
• Sụp đổ điện áp thường biểu hiện qua sự giảm áp chậm dần trong hệ thống. Nó
là một quá trình bao gồm nhiều hoạt động và tương tác giữa các thành phần, bộ
điều khiển trong hệ thống như các rơ le bảo vệ, máy cắt hay thao tác của điều độ
viên… Thời gian của sụp độ điện áp trường hợp này có thể vài phút.
Tuy nhiên có nhiều trường hợp sụp đổ điện áp chỉ xảy ra sau khoảng thời gian vài
giây. Quá trình này gây ra bởi các thiết bị có yêu cầu rất lớn về CSPK như các
động cơ không đồng bộ công suất lớn hay các bộ chỉnh lưu một chiều công suất
lớn. Khi đó
• Sụp đổ điện áp chịu ảnh hưởng rất nhiều từ các điều kiện vận hành và đặc
điểm của hệ thống.
• Khoảng cách quá xa giữa nguồn phát và phụ tải

15


• Hoạt động của các máy biến áp điều áp dưới tải trong điều kiện điện áp thấp.
• Các phụ tải có đặc tính yêu cầu CSPK lớn
• Sự phối hợp giữa các hệ thống điều khiển và bảo vệ chưa tốt.
• Khả năng bù CSPK trong hệ thống yếu.

1.2 Các phương pháp phân tích đánh giá mất ổn định điện áp
Khi nghiên cứu về ổn định điện áp của HTĐ, người ta quan tâm đến các vấn đề:
1. Giới hạn mất ổn định điện áp?
2. Vị trí các nút có nguy cơ mất ổn định điện áp?
3. Các nguyên nhân gây mất ổn định điện áp?
4. Biện pháp khắc phục ngăn ngừa sụp đổ điện áp?
Hiện nay, có nhiều phương pháp phân tích và đánh giá ổn định điện áp của HTĐ
đang được áp dụng như : phương pháp dòng công suất liên tục trong tài liệu tham
khảo [2], phương pháp giới hạn CSPK [4], hay phương pháp ước lượng xấp xỉ
như phương pháp [7], phương pháp sử dụng đường cong Q-V, phương pháp độ
nhạy…
1.2.1 Phương pháp dòng công suất liên tục (CPF)
Phương pháp này được trình bày chi tiết ở tài liệu [2]. Phương pháp này xác
định điểm sụp đổ điện áp bằng cách giải phương trình định thức của ma trận
Jacobian.Từ một điểm vận hành đã biết xây dựng vetor tiếp tuyến để xác định
nghiệm tiếp theo tương ưng với sự tăng tham số tải λ . Người ta thường sử dụng
những bước đủ nhỏ để dòng công suất ở mỗi bước hội tụ nhanh chóng. Những
ước lượng này được hiệu chỉnh sau đó sử dụng thuật toán tương tự như NewtonRaphson . Các bước chính của thuật toán như hình vẽ dưới đây.

16


Hình 1.1 Sơ đồ thuật toán CPF
Thuật toán dòng công suất liên tục xác định chính xác điểm sụp đổ điện áp và
nút yếu nhất trong hệ thống. Tuy nhiên thời gian tính toán của phương pháp này
tương đối lâu với các HTĐ phức tạp ( nhiều nút ). Để khắc phục điều này các tác
giả phương pháp [1] sử dụng phương pháp vector tiếp tuyến tại bước dự báo của
thuật toán dòng công suất liên tục khi hệ thống có sự thay đổi về phụ tải, giá trị
riêng xảy ra tại điểm sụp đổ điện áp, phương pháp này được trình bày trong tài
liệu số [4].

1.2.2 Phương pháp thiết lập cân bằng trực tiếp:
Phương pháp này được trình bày trong tài liệu [11]. Không giống như phương
pháp truyền thống, phương pháp này giải trực tiếp các phương trình vi phân và đại
số (ở trạng thái ổn định ) để xác định điểm cân bằng. Kết hợp với việc tham số
hóa liên tục, phương pháp này có thể xác định giới hạn sụp đổ điện áp.
Với phương pháp này người ta có thể mở rộng khả năng áp dụng phương pháp
dòng công suất liên tục. Tính liên tục ở đây là trực tiếp xác định điểm cân bằng
của hệ thống theo một chương trình đã được định sẵn và được tham số hóa bởi ξ ,
sau đó vạch ra từ nút cơ sở tới nút mà tại đó sụp đổ điện áp cùng với điểm giới
hạn ổn định xảy ra.

17


Hình 1.2 Phương pháp xác định điểm cân bằng.
Phương pháp này có thời gian tính toán nhanh hơn so với phương pháp dòng
công suất liên tục và cho biết nhiều thông tin tại điểm sụp đổ điện áp. Nhược điểm
của phương pháp này là điểm khảo sát ban đầu càng gần điểm sụp đổ điện áp và
một khó khăn nữa là phải giải hệ phương trình để hiệu chỉnh cho bước lặp tiếp
theo, việc hiệu chỉnh này sẽ rất tốn thời gian nếu hệ thống nhiều nút.
1.2.3 Phương pháp tính trị riêng ma trận Jacobian
Phương pháp phân tích trị riêng chủ yếu dựa trên cơ sở của ma từ bài toán
phân bố công suất. Phương trình ma trận phân chia của bài toán phân bố công
suất:
⎡ ∆P ⎤ ⎡ J11
⎢
⎥=⎢
⎣ ∆Q ⎦ ⎣ J 21

J12 ⎤ ⎡ ∆θ ⎤

J 22 ⎥⎦ ⎢⎣ ∆V ⎥⎦

Phương pháp này dự báo điểm sụp đổ điện áp dựa trên cơ sở phân tích các trị
riêng của ma trận Jacobian.. Từ các vector riêng bên phải JR và trái JL của ma trận
Jacobian người ta xác định được vị trí các nút có khả năng gây ra sụp đổ điện áp,
sử dụng phương pháp đường cong Q-V xác định được định lượng MVAr đến
điểm mất ổn định điện áp. Tất cả các phân tích này sẽ giúp cho người vận hành hệ
thống dự báo được các giới hạn cực đại và đề xuất phương án khác phục đối với
các nút có giới hạn điện áp thấp nhất trước khi hệ thống bị sụp đổ.

18


Một hệ thống là ổn định điện áp nếu các trị riêng của JR đều dương. Trong
trường hợp này, nếu ma trận Jacobian có ít nhất 1 trị riêng âm thì hệ thống được
xem là không ổn định và nếu có ít nhất 1 trị riêng bằng 0 thì hệ thống đang ở giới
hạn ổn định.

Hình 1.3 Đường cong Q-V
Phương pháp này phải sử dụng phương trình dòng công suất tính ma trận
Jacobin nên khối lượng tính toán là khá lớn đặc biệt là với hệ thống nhiều nút.
Mặt khác phương pháp này chỉ đánh giá được hệ thống có ổn định hay không chứ
không xác định giới hạn ổn định điện áp.
1.3 Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp
1.3.1 Các biện pháp vận hành
a) Giới hạn ổn định
Hệ thống vận hành với một giới hạn ổn định điện áp cho phép bằng cách xây
dựng kế hoạch sử dụng cho các nguồn CSPK phù hợp. Nếu sự cố sụp đổ điện áp
không thể ngăn chặn bằng các nguồn CSPK và các thiết bị điều chỉnh điện áp hiện
có trong hệ thống, thi công suất truyền tải phải được giới hạn và các máy phát dự

phòng phải được khởi động.
b) Dự trữ quay

19


Dự trữ CSPK phải được đảm bảo bở các máy phát đang vận hành để duy trì
điện áp trong phạm vi cho phép. Cần chú ý rằng, công suất dự trữ quay phải được
phân bố tại các khu vực có nhu cầu lớn về điều chỉnh điện áp.
c) Người vận hành
Yêu cầu với người vận hành là phải nắm vững các hiện tượng liên quan đến
ổn định điện áp và kịp thời có phương thức vận hành hợp lý như điều chỉnh điện
áp, sa thải phụ tải…
1.3.2 Các biện pháp thiết kế
a) Điều khiển điện áp máy phát
Hiệu quả tác động của bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát AVR
(automatic voltage regulator) là điện áp phía cao của máy biến áp tăng áp sẽ được
điều chỉnh. Trong nhiều trường hợp, biện pháp này rất hiệu quả để đảm bảo ổn
định điện áp.
b) Phối hợp các thiết bị bảo vệ và điều khiển
Một trong các nguyên nhân dẫn đến sụp đổ điện áp là thiếu sự phối hợp giữa
các thiết bị bảo vệ điều khiển. Do vậy, các nghiên cứu mô phỏng về sự phối hợp
cảu các thiết bị bảo vệ trong các tình huống khác nhau của hệ thống là rất cần
thiết.
c) Điều khiển đầu phân áp của máy biến áp
Người ta có thể thay đổi đầu phân áp của máy biến áp để giảm nguy cơ sụp đổ
điện áp. Tuy nhiên, nếu không có ảnh hưởng tích cực tại nơi thay đổi đầu phân áp
của máy biến áp thì biện pháp này không được dung nữa khi điện áp phía nguồn
giảm. Đầu phân áp chỉ được tiếp tục thay đổi khi điện áp phía nguồn hồi phục.

20


d) Sa thải phụ tải
Trong một số trường hợp nguy hiểm người ta phải tiến hành sa thải phụ tải.
Đây là biên pháp rẻ tiền để ngăn chặn hiện tượng sụp đổ điện áp lan rộng. Điều
này đúng nếu xác suất các điều kiện và các tình huống khẩn cấp trong hệ thống
gây mất ổn định điện áp thấp. Tuy nhiên, biện pháp này có thể đem lại những hậu
quả nghiêm trọng. Đặc điểm và vị trí của phụ tải bị sa thải là các yếu tố cần chú ý
khi sử dụng biện pháp này. Quy trình sa thải phụ tải phải phân biệt được các sự
cố, sụp giảm điện áp thoáng qua, và các điều kiện điện áp thấp dẫn tới hiện tượng
sụp đổ điện áp. Tuy nhiên, phương pháp này không nên sử dụng nếu có thể.
e) Sử dụng các thiết bị FACTS
Flexible Alternative Current Transmission Systems (FACTS) là hệ thống điện
truyền tải xoay chiều linh hoạt được phát triển dựa trên các công nghệ tiên tiến
trong lĩnh vực điện tử công suất. Thực chất thiết bị FACTS là sự kết hợp giữa khả
năng đóng cắt nhanh của các thiết bị bán dẫn với các mạch điện áp. Ưu điểm của
các thiết bị này là khả năng điều chỉnh nhanh và hiệu quả các thông số ảnh hưởng
đến vận hành của các hệ thống truyền tải như điện kháng đường dây, điện áp,
dòng điện, góc pha…
Hiện nay thiết bị SVC đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới bởi tính năng
bù linh hoạt và dễ đưa vào thực tế. SVC được sử dụng tại nhiều quốc gia, trong
nhiều mô hình, cấu trúc hệ thống điện khác nhau nhằm nâng cao ổn định của hệ
thống điện.
SVC thường bao gồm 3 phần tử cơ bản: TCR (Thyristor Controll Reactor), TSR
(Thyristor Switched Reactor), TSC (Thyristor Switched Capacitor) như hình 1.4.

21

BA

L/2

C

L/2

TCR

ÐC

L'

L/2

L/2

BU

TSR

TSC

Hình 1.4 Cấu tạo chung của SVC

QL

iQ

iC2

Q C demand
iC3

SW3

SWL

C 3"in"
C 3"out"

SW2

C 2"in"
C 2"out"

V

SW1

Q L demand

i L( α)

C1 "in"
C1 "out"

iC1

Q

Hình 2.11
Hoạt động của SVC được mô tả trên hình 2.11 như sau. Dải công suất dung
kháng đầu ra bị chia thành n khoảng. Ở khoảng đầu tiên đầu ra của bộ phát được
điều chỉnh từ 0 đến Qcmax/n, với Qcmax là tổng công suất của tất cả các TSC cung
cấp. Trong khoảng này, 1 tụ điện đóng vào (bằng cách mở góc đánh lửa của 1 van
thyristor) và đồng thời dòng điện trong TCR được thiết lập bởi góc đánh trễ đánh
lửa phù hợp mà tổng đầu ra của TSC (âm) và đầu ra của TCR (dương) cân bằng

22


với đầu ra của công suất yêu cầu. Ở khoảng thứ 2,3…, n thì công suất đầu ra được
điều chỉnh trong khoảng Qcmax/n, 2Qcmax/n, 3Qcmax/n, 4Qcmax/n,…. (n-1)Qcmax/n tới
Qcmax bằng cách đóng khóa các tụ số 2, 3, 4 …n và dùng TCR để tiêu thụ công
suất phản kháng thừa. Ta có thể thấy là đầu ra dung kháng, Qc thay đổi bậc thang
và công suất đầu ra cảm kháng tương đối nhỏ của TCR, QL để tiêu thụ công suất
phản kháng dư thừa trên tụ.
Như vậy đặc tính làm việc của SVC là mối quan hệ giữa điện kháng hay công
suất phản kháng. Trong phạm vi điều chỉnh được công suất (phạm vi của TCR)
tức là Xmin ≤ XSVC ≤ Xmax thì công suất Q sẽ điều chỉnh được từ Qmin tới Qmax Ở
chế độ làm việc bình thường của HTĐ, SVC làm việc với nhiệm vụ tự động điều
chỉnh để giữ nguyên điện áp nút. Tín hiệu điều khiển là độ lệch điện áp nút được
đo từ BU. Tín hiệu này điều khiển góc mở của các thyristor làm thay đổi trị số của
các thành phần dòng điện đi qua kháng điện, nhờ đó công suất tiêu thụ (phản
kháng) thay đổi. Điện áp tăng tác dụng điều chỉnh dòng điện tăng, CSPK tiêu thụ
lớn hơn, làm hạ thấp điện áp nút. Khi điệp áp bị giảm thấp, dòng điện qua kháng
giảm, SVC giảm công suất tiêu thụ (hoặc phát lên hệ thống khi điện kháng đẳng
trị có tính dung) để tăng giá trị điện áp nút.

Hình 2.12 Đặc tính V-I của SVC

23


1.4 Kết luận
Nội dung chính của luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tính toán
nhanh, phân tích ổn định điện áp của hệ thống điện dựa trên các thông số về trào
lưu công suất và định luật Kirchoff. Phương pháp có thể áp dụng cho hệ thống bất
kỳ, xác định đươc rất nhiều thông tin quanh điểm giới hạn.
Luận văn được bố cục thành 04 chương như sau :
• Chương 1: Giới thiệu chung về ổn định điện áp.
• Chương 2: Tính toán chế độ xác lập trong hệ thống điện.
• Chương 3: Phương pháp đánh giá chỉ số ổn định điện áp HTĐ.
• Chương 4: chương trình phần mềm tính toán, mô phỏng ảnh hưởng của SVC
tới ổn định điện áp của hệ thống điện. Kết quả mô phỏng được tthực hiện với sơ
đồ lưới điện 5 nút và sơ đồ lưới điện IEEE 14.

24