Nghiên cứu xây dựng thuật toán tính toán ổn định quá độ của hệ thống điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (955.62 KB, 76 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN VĂN CHIẾN
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN
ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Chuyên ngành mạng và hệ thống điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TSKH Trần Kỳ Phúc
Hà Nội – 2011
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng em. Các số liệu
trong luận văn này là hoàn toàn chính xác và trung thực
Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2011
Nguyễn Văn Chiến
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Việt
HTĐ
: Hệ thống điện
QTQĐ : Quá trình quá độ
CĐXL : Chế độ xác lập
TĐK
: Tự động điều khiển kích từ
SĐĐ
: Suất điện động
Tiếng Anh
FACTS : Flexible AC Transmission Systems
IEEE
: Institute of Electrical and Electronics Engineers
PSS
: Power System Stabilyzer
DSA
: Dynamic Security Assessment
TSA
: Transient Security Assessment
VSA
: Voltage Security Assessment
TS
: Training Simulator
MS
: Market Simulator
SIME
: SIngle Machine Equivalent
OMIB
: One-Machine Infinite Bus
CT
: Clearing times
FSU
: First-Swing Unstable
FSS
: First-Swing Stable
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................................4
1. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN HIỆN ĐẠI VÀ CÁC YÊU CẦU LIÊN QUAN ĐẾN
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN. .....................................................................................4
2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIÊT NAM VÀ CÁC VẤN ĐỀ TÍNH TOÁN
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG.........................................................................................................4
3. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ..............................6
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................................................................7
5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG ...................................................................................................................7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN
ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ................................................................................................8
1.1 ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .........................................................................8
1.2. C ÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CUẢ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG ..............................11
1.2.1.
Phương trình vi phân mô tả chuyển động quá độ roto của các máy phát điện đồng bộ.11
1.2.2.
Hệ phương trình vi phân QTQĐ điện từ trong máy phát điện. ...................................... 14
1.2.3.
Hệ phương trình cân bằng công suất lưới ..................................................................... 16
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG. ...............................18
1.3.1.Phương pháp Ơle .................................................................................................................. 18
1.3.2.Phương pháp Ơle biến thể .................................................................................................... 19
1.3.3. Phương pháp Runge - Kutta (R - K).................................................................................... 20
4. VẤN ĐỀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HTĐ .......................................................................................21
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..................................................................................................................22
CHƯƠNG II XÂY DỰNG CẤU HÌNH CHUNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ
THỐNG ĐIỆN.......................................................................................................................................23
2.1. TỔNG QUAN .............................................................................................................................23
2.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................................... 23
2.1.2. Các bước xây dựng hệ thống DSA ....................................................................................... 24
1
2.1.3. Cấu trúc bài toán đánh giá ổn định HTĐ ............................................................................ 25
2.1.4. Công cụ tính toán đánh giá ổn định HTĐ............................................................................ 26
2.1.5. Hạ tầng thông tin - đo lường phục vụ đánh giá ổn định HTĐ ............................................. 27
2.2. XÂY DỰNG CẤU HÌNH CHUNG HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ GIÁM SÁT ỔN ĐỊNH
ĐỘNG DSA TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM .................................................................28
2.2.1. Nhiệm vụ và phương pháp giải quyết................................................................................... 28
2.2.1.1. Nhiệm vụ và tính năng yêu cầu hệ thống DSA ............................................................. 28
2.2.1.2. Phương pháp giải quyết bài toán của hệ thống DSA..................................................... 29
2.2.2. Thiết kế định hướng hệ thống DSA trong hệ thống điện Việt Nam ...................................... 30
2.2.3. Cấu hình phần cứng hệ thống đánh giá ổn định động ......................................................... 31
2.2.4. Cấu hình phần mềm ............................................................................................................. 32
2.2.4.1. Mô tả bản chất của phần mềm DSA.............................................................................. 32
2.2.4.2. Các thành phần chính của hệ thống DSA ..................................................................... 33
2.2.4.3. Cấu hình phần mềm hệ thống DSA ............................................................................... 34
2.2.4.4. Thu thập dữ liệu ............................................................................................................ 35
2.2.4.5. Ví dụ biểu đồ thuật toán vận hành online hệ thống DSA .............................................. 37
2.2.4.6. Vận hành off-line hệ thống DSA.................................................................................... 38
2.2.4.7 Các phần mềm chức năng ứng dụng hệ thống DSA....................................................... 39
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2..................................................................................................................41
CHƯƠNG III THUẬT TOÁN MÔ HÌNH ĐẲNG TRỊ MỘT MÁY PHÁT TRONG TÍNH TOÁN
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN-PHƯƠNG PHÁP SIME .............................42
3.1. PHƯƠNG PHÁP SIME.............................................................................................................42
3.1.1. Phân loại các tổ máy thành 2 nhóm Critical và non-Critical .............................................. 43
3.1.2. Xác định các thông số của 2 nhóm máy phát....................................................................... 45
3.1.3. Xác định các thông số của máy phát đẳng trị tương đương. ............................................... 47
3.1.4. Đánh giá khả năng ổn định của hệ thống dựa vào đặc tính của OMIB............................... 49
3.1.4.1. Điều kiện không ổn định ............................................................................................... 50
2
3.1.4.2 Xác định các thông số:
t u , ωu , δ u .............................................................................. 52
3.1.4.3. Điều kiện ổn định .......................................................................................................... 54
3.1.4.4. Xác định các thông số: δ r , t r ........................................................................................ 56
3.2. THUẬT TOÁN TÍNH-TOÁN ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN THEO
PHƯƠNG PHÁP SIME…................................................................................................................57
3.3. ÁP DỤNG THUẬT TOÁN XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐÁNH GIÁ PHÂN TÍCH ỔN
ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN....................................................................................................58
3.3.1. Sự cố ngừng hoạt động đường dây 100-200. ....................................................................... 60
3.3.1.1. thời gian giải trừ sự cố là CT=0.5s............................................................................... 60
3.3.1.2. thời gian giải trừ sự cố là CT=0.7s............................................................................... 62
3.3.2. Sự cố ngắn mạch tại bus 100 đồng thời một máy phát ngừng hoạt động. ........................... 64
3.3.2.1 thời gian giải trừ sự cố là CT=0.5s................................................................................ 64
3.3.2.2. thời gian giải trừ sự cố là CT=0.3s............................................................................... 66
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3..................................................................................................................69
CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG PHẦN MỀM XÂY DỰNG TỪ THUẬT TOÁN PHƯƠNG PHÁP SIME
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM NĂM 2015................................................70
4.1. SỰ CỐ NGẮN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY 500kV HOÀ BÌNH-SƠN LA........................71
4.1.1. phương pháp kinh điển......................................................................................................... 71
4.1.2. phương pháp SIME .............................................................................................................. 71
4.2. SỰ CỐ NGẮN MẠCH TRÊN THANH CÁI 500kV CỦA THUỶ ĐIỆN SƠN LA. .............74
4.2.1. phương pháp kinh điển......................................................................................................... 74
4.2.2. phương pháp SIME .............................................................................................................. 75
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4..................................................................................................................77
3
MỞ ĐẦU
1. ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN HIỆN ĐẠI VÀ CÁC YÊU CẦU LIÊN
QUAN ĐẾN ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN.
Cùng với sự phát triển của đời sống xã hội hệ thống điện của mỗi quốc gia có
quy mô công suất ngày càng lớn, cấu trúc lưới ngày càng phức tạp. Hầu như không còn
tồn tại các hệ thống điện khu vực hoạt động độc lập với một vài nhà máy điện. Đặc
điểm này đã làm thay đổi cơ bản về chất của các hệ thống điện hiện đại: mang các đặc
trưng của hệ thống lớn phức tạp [23]. Hệ thống điện Việt Nam sau khi được hợp nhất
bằng đường dây siêu cao áp 500 KV Bắc – Trung – Nam cũng đã trở thành HTĐ hợp
nhất liên kết một số lượng lớn nguồn và phụ tải ở cả 3 miền. Nhiều bài toán thiết kế và
vận hành HTĐ trước đây nay đòi hỏi phải được xem xét lại với sự thay đổi cơ bản cả
về mô hình cũng như nội dung các phương pháp giải. Chẳng hạn tính đa dạng chủng
loại của các nguồn (thủy điện; nhiệt điện than; dầu; nhiệt điện khí chu trình hỗn hợp…)
trong HTĐ đòi hỏi giải bài toán vận hành kinh tế hệ thống theo mô hình tổng quát. Các
đường dây dài điện áp siêu cao bị giới hạn công suất truyển tải theo điều kiện ổn định
tĩnh cũng làm phức tạp thêm đáng kể về thuật toán giải (cần xét đến các ràng buộc về
giới hạn công suất trao đổi giữa các khu vực) … Đặc biệt, các bài toán đánh giá về độ
tin cậy, phân tích tính ổn định hệ thống sẽ cần phải có phương pháp phân tích đánh giá
thích hợp (nhanh-chính xác) trong các tài liệu trước đây [24].Trong khi đó các yêu cầu
đảm bảo về tính ổn định, độ tin cậy làm việc hệ thống lại đòi hỏi ngày càng cao hơn.
Những thay đổi này làm phức tạp thêm nhiều cho các bài toán phân tích và điều khiển
hệ thống điện.
2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VIÊT NAM VÀ CÁC VẤN ĐỀ
TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG.
Hệ thống 500kV gồm đường dây truyền tải dài gần 1500 km và các trạm biến áp
Hòa Bình, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, Phú Lâm đã liên kết hệ thống điện Việt Nam
thành một hệ thống hợp nhất từ năm 1994. Hệ thống 500kV đã làm thay đổi đáng kể về
4
mặt cấu trúc hệ thống điện Việt Nam [1], [3]. Bên cạnh những ưu việt của hệ thống lớn
như tạo điều kiện hỗ trợ công suất tác dụng giữa các khu vực, nâng cao hiệu quả vận
hành kinh tế đảm bảo độ tin cậy về cung cấp điện và chất lượng điện năng đến hộ tiêu
thụ; hệ thống điện Việt Nam ngày càng trở nên hết sức phức tạp về mặt cấu trúc, đa
dạng về công nghệ phát điện và quy mô công suất nguồn, đặc biệt bao gồm những tổ
máy có công suất lớn. Ngoài ra tính phức tạp của sơ đồ lưới xác suất xảy ra sự cố lớn
từ các đường dây dài 500kV đã ảnh hưởng nhiều đến tính chất chung và ổn định của hệ
thống điện.
Nhận rõ vai trò quan trọng của vấn đề này ngay từ giai đoạn thiết kế đường dây
siêu cao áp 500kV nhiều cơ quan thiết kế và tư vấn trong và ngoài nước đã tiến hành
tính toán phân tích các đặc trưng ổn định của hệ thống điện hợp nhất Việt Nam. Ngoài
các tính toán của các chuyên gia Việt Nam, các nghiên cứu của tư vấn Nippon Koei
(Nhật Bản), PPI/SECVI (Úc) về ổn định quá độ của HTĐ Việt Nam sau khi liên kết
đường dây 500kV đã đưa ra được những kết quả quan trọng, giúp lựa chọn hợp lý các
phương án kết dây và lắp đặt hệ thống các thiết bị bù. Tuy nhiên các tính toán đều được
thực hiện dựa trên các mô hình có những mức độ đơn giản hóa hệ thống nhất định.
Hơn nữa, từ sau khi đường dây được đưa vào vận hành đến nay cấu trúc hệ
thống điện Việt Nam đã thay đổi nhiều cả về quy mô công suất nguồn cũng như sơ đồ
lưới điện, ảnh hưởng nhiều đến tính chất ổn định của hệ thống điện. QTQĐ sau sự cố
của hệ thống nhiều tổ máy lớn như nước ta hiện nay diễn ra hết sức phức tạp. Trong
thực tế vận hành, đã có hiện tượng của nhiều sự cố mà sau đó dẫn đến hệ thống bị tan
rã, nguyên nhân chắc chắn có liên quan nhiều đến vấn đề mất ổn định hệ thống.
Mặt khác theo tổng sơ đồ phát triển của HTĐ Việt Nam (đến năm 2015) lưới
500kV của Việt Nam sẽ tăng trưởng trên một phạm vi rất rộng: Từ nhà máy thủy điện
Sơn La đến Cà Mau với tổng chiều dài lên tới trên 5000km. Nhiều nhà máy điện lớn sẽ
đưa vào vận hành như Sơn La, Nhơn Trạch, Ô Môn…
5
Những đặc điểm vừa nêu đã thể hiện một yêu cầu cấp thiết phải có những
nghiên cứu cụ thể hơn về các vấn đề ổn định hệ thống, đặc biệt những nghiên cứu để
đưa ra phương pháp phân tích đánh giá các đặc trưng động của hệ thống điện phức tạp
tương ứng với sơ đồ HTĐ của Việt Nam phát triển trong tương lai. Có thể nói, cho đến
nay những tính toán nghiên cứu về những nội dung này còn rất hạn chế, thiếu những
nghiên cứu sâu về ổn định động hệ thống tương ứng với các thông số và sơ đồ đặc
trưng của HTĐ Việt Nam.
3. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
Từ hiện trạng và nhiều vấn đề của hệ thống điện Việt Nam cần được quan tâm
như đã phân tích ở trên có thể thấy vấn đề nghiên cứu ổn định động và nâng cao ổn
định là nội dung có ý nghĩa hết sức quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống điện
hiện đại (tốc độ tínhtoán- trực tuyến-nhanh- khả năng tin cậy cao)
Đề tài nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán tính toán ổn
định quá độ của hệ thống điện” được lựa chọn xuất phát từ mong muốn được đóng
góp một phần nhỏ bé trong hướng nghiên cứu nói trên.
Mục đích chính của luận án là:
-
Dựa trên lý thuyết hiện đại về tính toán phân tích ổn định động của HTĐ phức
tạp, nghiên cứu đặc điểm cụ thể các trang thiết bị và sơ đồ đầy đủ của HTĐ Việt
Nam xây dựng thuật đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện khi có sự cố theo
phương pháp SIME.
-
Áp dụng thuật toán trên với các sơ đồ cụ thể của HTĐ Việt Nam các giai đoạn,
đánh giá mức độ ổn định của hệ thống tương ứng với những tình huống sự cố
điển hình phổ biến diễn ra trong hệ thống.
6
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài đi theo hướng nghiên cứu là:
-
Ứng dụng các phương tiện phần mềm kết hợp máy tính hiệu năng cao để xác
định các thông số của bài toán phân tích ổn định động của thống điện, bước đầu
đánh giá phân tích một số đặc trưng động của hệ thống điện Việt Nam. Dự kiến
sử dụng kết hợp chương trình tính toán phân tích hệ thống PSS/E-29.
-
Dựa trên các tài liệu tham khảo trong nước và nước ngoài về tính toán, phân tích
ổn định động của hệ thống điện, từng bước xây dựng thuật đánh giá ổn định
theo phương pháp mô hình đẳng trị một máy phát. Sau đó, trên cơ sở thuật toán
xây dựng phần mềm để ứng dụng trong thực tế.
-
Áp dụng phần mềm này với mô hình hệ thống điện đơn giản, từ đó hoàn thiện
phần mềm để có thể áp dụng cho các sơ đồ cụ thể của toàn bộ hệ thống điện
Việt Nam 2015.
5. LĨNH VỰC ÁP DỤNG
Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế của HTĐ Việt Nam, do đó
các kết quả có ý nghĩa thực tiễn, có thể áp dụng cho các giai đoạn quy hoạch, thiết
kế và vận hành hệ thống.
Nơi ứng dụng: Các viện nghiên cứu quy hoạch phát triển HTĐ, Trung tâm
Điều độ HTĐ quốc gia, Các công ty tư vấn thiết kế xây dựng điện.
7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH
TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1.
ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Ổn định động hay ổn định quá độ (Transient Stability) của hệ thống điện (HTĐ)
là ổn định của hệ thống sau những kích động lớn. Các kích động này là các sự cố ngẫu
nhiên như sự cố ngắn mạch cắt các đường dây liên kết, cắt đột ngột các máy biến áp,
các máy phát công suất lớn… và các tác động do thao tác vận hành làm mất cân bằng
công suất trong hệ thống. Khi đó trạng thái cân bằng mômen quay trong máy phát bị
phá vỡ, xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto của máy phát. Quá trình quá
độ (QTQĐ) của hệ thống đáp ứng và điều chỉnh lại sự thay đổi trạng thái cân bằng này
(hay hấp thụ động năng hệ thống [10]) diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định tùy
thuộc mức độ của các kích động: thời gian tồn tại sự cố và các tác động giải trừ sự cố
(ngắn mạch) [23].
Điều kiện để hệ thống có ổn định động đó là:
-
Tồn tại điểm cân bằng ổn định tĩnh sau sự cố (ứng với CĐXL sau sự cố)
-
Thông số biến thiên hữu hạn trong QTQĐ và dao động tắt dần về thông số xác
lập mới
Như vậy sự tồn tại của CĐXL sau sự cố là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho tính
ổn định động của hệ thống. Chính điều kiện 2 dẫn đến yêu cầu phải áp dụng các
phương pháp phân tích ổn định động của hệ thống điện.
8
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
a)
b)
Hình 1.1. Đánh giá ổn định động của hệ thống điện
Đối với HTĐ 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 (hình 1.1.a). Khi đó góc lệch dao động
không vượt quá 180 [2]. Khi mất ổn định động góc dao động tăng trưởng vô hạn ngay
sau chu kỳ đầu (hình 1.1b).
Đối với HTĐ nhiều máy phát, dao động roto của các máy phát được thể hiện là
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, cần phải xác
định biến thiên góc lệch tương đối giữa các máy phát với nhau hoặc so với góc lệch
trung bình của hệ thống [2] ( hình 1.2b). Hệ thống ổn định khi tất cả các góc lệch tương
đối dao động trong phạm vi hữu hạn. Về lý thuyết, đối với HTĐ phức tạp nếu chỉ tính
toán được góc lệch tương đối trong một khoảng thời gian xác định thì không thể kết
luận được về tính hữu hạn của phạm vi dao động góc lệch của cả QTQĐ. Tuy nhiên,
các nghiên cứu ứng dụng cho thấy HTĐ sẽ ổn định động nếu dao động hữu hạn trong
9
phạm vi 10s đầu [8]. Ngoài ra tính ổn định còn được phán đoán theo cả xu hướng biến
thiên (dao động tắt dần hay mạnh dần theo thời gian).
δ
δ
δ31
δ1
δ2
δ3
δ12
δ23
t
t
a)
b)
Hình 1.2 . Dao động góc lệch roto (a) tuyệt đối, (b) tương đối.
Nghiên cứu tính toán phân tích ổn định hệ thống điện, đặc biệt quan tâm đến các
kích động làm hệ thống mất ổn định. Ngoài ra, diễn biến QTQĐ của hệ thống điện
nhiều máy khi mất ổn định rất phức tạp, thể hiện qua nhiều dạng khác nhau. Nghiên
cứu đặc điểm mất ổn định của hệ thống phức tạp sẽ cho ta rút ra được tính chất chung
và khả năng duy trì đồng bộ tương đối của các máy phát, từ đó có những tác động điều
khiển hiệu quả tương thích, nhằm duy trì hệ thống tái đồng bộ.
Ổn định góc lệch các máy phát không những chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc các
máy phát điện đồng bộ mà còn ảnh hưởng bởi cấu trúc lưới điện. Thông số các đường
dây liên kết, trị số công suất truyền tải, đặc biệt đối với các đường dây dài, ảnh hưởng
lớn đến diễn biến QTQĐ khi sự cố. Ảnh hưởng của sự cố ngắn mạch trên các đường
dây truyền tải dài đến độ ổn định nhiều lúc mạnh hơn cả ngắn mạch tại máy phát [10].
Do vậy yêu cầu về ổn định của hệ thống có cấu trúc phức tạp cao hơn và bài toán ổn
định có vai trò quan trọng hơn.
10
Để đưa ra phương pháp đánh giá ổn định động của hệ thống điện nhanh và chính
xác, thì ta cần chú ý đến các phương trình và hệ phương trình cơ bản sau [2]:
- Hệ phương trình cân bằng công suất lưới
-
Phương trình chuyển động quay roto máy phát
-
Hệ phương trình QTQĐ điện từ trong các cuộn dây máy phát
Khi trong hệ thống có sự cố các thông số trong phương trình và hệ phương trình sẽ
thay đổi, căn cứ vào sự thay đổi của các thông số đó ta có thể đánh giá được hệ thống
có ổn định hay không.
1.2.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CUẢ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG
1.2.1. Phương trình vi phân mô tả chuyển động quá độ roto của các máy phát
điện đồng bộ.
Phương trình chuyển động quay roto của máy phát điện đồng bộ được thiết lập
trên cơ sở định luật 2 Newton (viết cho vật thể quay):
d2 y
J 2 =MT - ME
dt
(1.1)
Trong đó:
MT, ME là các mô men quay của tuabin và máy phát
J là mômen quán tính của roto tuabin - máy phát, phụ thuộc vào cấu tạo và khối
lượng phần quay.
γ là góc quay tuyệt đối của roto máy phát, là góc giữa trục dọc gắn liền với roto và
một trục đứng yên (gắn với stato).
11
ω
δn
δ
δ12
ω0
γ
δ2
δ1
a)
b)
Hình 1.4. Chuyển động roto của máy phát
Khi nghiên cứu QTQĐ trong HTĐ phương trình thường được biến đổi về dạng
thuận tiện hơn qua một số phép biến đổi sau:
a. Tính với góc lệch tương đối.
Góc quay tuyệt đối γ thường biến thiên rất nhanh theo thời gian (ngay cả trong
chế độ xác lập) không tiện cho phân tích các diễn biến quá độ. Người ta thường biến
đổi phương trình viết theo góc lệch tương đối δ giữa trục dọc roto với một trục quay
quy ước, cùng chiều với roto theo tốc độ đồng bộ Ω0.
d 2 y d 2δ
Theo hình 1.4a: γ(t) = Ω0.t + δ(t) nên 2 = 2
dt
dt
b. Sử dụng hằng số quán tính H ( hay TJ ) thay cho mô men quán tính J.
Hằng số quán tính H có trị số bằng động năng tương đối định mức của roto khi
quay với tốc độ đồng bộ:
JΩ02
H=
2.SCB
, MWS / MVA. (hoặc được viết bằng sec)
12
Trong đó: SCB là lượng cơ bản chọn cho công suất. Ω0 có thể tính theo số vòng
quay định mức n (vòng /phút) của máy phát:
Ω0 =
2πn
,1/ sec.
60
Hằng số quán tính TJ = 2H, thường được tính với đơn vị sec nhưng thực chất
cũng đã tính trong hệ đơn vị tương đối của SCB ( MVA).
.
c. Tính gần đúng mômen theo công suất.
MT = Ω.PT ≈ Ω.PT ;
ME = Ω.PE≈ Ω0.PE ;
Thực tế, biến thiên của góc lệch tương đối dδ/dt nhỏ hơn rất nhiều so với biến
thiên góc lệch tuyệt đối, nên có thể coi Ω = Ω0 + dδ/dt ≈ Ω0.
d. Tính theo góc độ điện.
Với máy phát có p đôi cực, khi roto quay 1 vòng các đại lượng điện đã biến
thiên p chu kỳ, nghĩa là tần số điện ω = pΩ.
Với các biến đổi trên, phương trình (1.1) có thể viết lại ở dạng sau:
Tj
2
dδ
SCB 2 = PT – PE
ϖ0
dt
(1.2a)
Trong đó: PT - công suất cơ và PE – công suất điện, tính bằng MW.
Khi tính PT và PE trong hệ tương đối cơ bản SCB (cùng với TJ) ta có:
Tj d 2δ
= PT - PE
ϖ 0 dt 2
(1.2b)
Nếu xét đến các tổn hao (ma sát chuyển động và tổn hao trong các cuộn dây
cản) phương trình còn có thêm thành phần tỉ lệ với tốc độ biến thiên góc lệch δ:
Tj d 2δ
dδ
= PT - PE (1.3)
2 + KD .
dt
ϖ 0 dt
13
Dạng (1.3) được sử dụng phổ biến trong các chương trình tính toán QTQĐ
điện cơ của HTĐ.
1.2.2. Hệ phương trình vi phân QTQĐ điện từ trong máy phát điện.
Hệ phương trình QTQĐ điện từ trong các cuộn dây (roto và stato) máy phát
được mô tả trong hệ tọa độ quay do Park và Gorev đề xuất như trên hình 1.5.
id
ud
A
iq q
i
Q
uq
uf
iD
C
B
Hình 1.5. Biểu diễn các thông số máy phát trong hệ tọa độ vuông góc
Các cuộn dây stato được quy đổi về roto gồm hai cuộn dây vuông góc nhau
quay cùng tốc độ với roto. 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 Gorev - Park (G-P) mô tả QTQĐ trong các cuộn dây của máy phát đồng bộ như
sau:
14
dψ d
⎧
=
−
−
− ωψ q
U
Ri
d
d
⎪
dt
⎪
⎪ U = −Ri − dψ q + ωψ
q
d
⎪ p
dt
⎪
⎪ U = −Ri − dψ 0
0
⎪ 0
dt
⎨
⎪ U = −Ri − dψ f
f
⎪ f
dt
⎪
dψ
⎪0 = R Di D + D
dt
⎪
⎪
dψ Q
⎪0 = R Qi Q +
dt
⎩
(1.4a)
3 '
⎧
⎪ψ d = (L + M + 2 L)i d + M f i f + M Di D
⎪
'
⎪ψ = (L + M − 3 L)i
q + M qi q
⎪ q
2
⎪ψ = (L − 2M)i
0
⎪⎪ 0
⎨
3
⎪ψ f = Lf i f + 2 M f i d + M fDi D
⎪
⎪ψ = L i + 3 M i + M i
D D
D d
fD f
⎪ D
2
⎪
⎪ψ Q = L Q i Q + 3 M Q i q
⎪⎩
2
(1.4b)
Trong đó: Ψd , Ψq ,Ψ0 , Ψf , ΨD , ΨQ, id , iq , i0 , if , iD, iQ là các từ thông móc
vòng và dòng điện trong các cuộn dây stato, 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 stato. Các hệ số có
thể xem là hằng số nếu bỏ qua bão hòa từ.
15
Lf là hệ số tự cảm cuộn dây kích từ, LD, LQ tương ứng là các hệ số tự cảm của
cuộn cản dọc trục và ngang trục.
Mf, MD, MQ là hệ số hỗ cảm của cuộn dây kích từ, cuộn cản dọc trục và ngang
trục đối với cuộn dây stato. MfD là hỗ cảm của cuộn dây kích từ và cuộn cản dọc trục.
Rf, RD, RQ, R là điện trở các cuộn dây trên roto và dây quấn stato.
Uf: điện áp kích từ. Ud, Uq: các thành phần điện áp dọc trục và ngang trục stato
máy phát. U: điện áp đầu cực máy phát
Hệ phương trình QTQĐ (G-P) trên mô tả chi tiết trạng thái điện từ của máy
phát điện quay. Quan hệ của các phương trình QTQĐ điện từ với hệ phương trình
chuyển động tương đối roto các máy phát là biểu thức:
ME = Ψqid – Ψdiq (hệ đơn vị tương đối)
(1.5)
Phương trình chứa các đại lượng đầu cực của các máy phát Ud, Uq, id, iq, có
quan hệ chặt chẽ với hệ phương trình lưới.
1.2.3. Hệ phương trình cân bằng công suất lưới
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 tương hỗ các nút, hệ phương trình sẽ viết
được như sau ( cho mỗi thời điểm của QTQĐ):
n
⎧ 2
U
y
sin
Ui U j sin(θi − θ j − α ij ) = Pi
α
+
∑
ii
⎪ i ii
j=1
⎪
j≠i
⎪
n
⎪ 2
⎨ Ui yii cosαii − ∑ Ui U jcos(θi − θ j − αij ) = Qi
j=1
⎪
j≠i
⎪
⎪i = 1,2,3...n
⎪
⎩
(1.6)
Trong đó: Ui,θi – là môdun và góc pha của điện áp nút i;
Ui=
Ud2 + Uq2 ;
θi= arctg(
Ud
)
Uq
(1.7)
16
Yii = yii ∠ αii - 90°: tổng dẫn riêng của nút i ;
Yii = yij ∠ αij - 90°: tổng dẫn tương hỗ giữa nút i và nút j.
Với nút đầu cực máy phát:
E Qi U i
⎧
⎪Pi = X sin(δi − θi ) = PEi
q
⎪
⎨
2
⎪Q = E Qi − E Qi U i cos(δ − θ ) = Q
i
i
Ei
⎪ i Xq
Xq
⎩
Eqi= EQi
(1.8)
X − X qi
X di − X 'di
− E 'qi di
X qi − X 'di
X qi − X di
(1.9)
Trong đó: Eqi, E’qi, EQi - tương ứng là các sđđ đồng bộ, sđđ quá độ và giả tưởng
của máy phát thứ i [2]. Ký hiệu θ tương ứng với góc lệch pha giữa sđđ Eq của máy phát
và điện áp đầu cực. Sức điện động EQ chỉ có ý nghĩa tính toán, sđđ Eq tỉ lệ với dòng
kích từ còn E’q tỉ lệ với từ thông tổng móc vòng trong cuộn dây roto máy phát. Quá
trình quá độ điện từ trong cuộn dây roto xác định quan hệ giữa các sđđ này (phương
trình (1.9)).
Với các nút tải Pi và Qi xác định theo đặc tính 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 tất cả các loại phụ tải, mức độ chi tiết cũng
như tính chính xác. Trong nghiên cứu ổn định nhất là ổn định đồng bộ, hay trong giai
đoạn đầu của QTQĐ (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. Theo báo cáo nghiên
cứu IEEE về nghiên cứu ổn định trong chu kỳ đầu của QTQĐ; mô hình có thể chấp
nhận được nhất là mô hình công suất tác dụng theo dòng điện không đổi (constant
current) và mô hình công suất phản kháng theo điện dẫn không đổi (constant
admittance).
Các nút trung gian có giá trị số Pi = 0 và Qi = 0.
17
Như vậy quan hệ giữa 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.
1.3.
CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH ĐỘNG.
Để giải hệ phương trình vi phân của hệ thống điện, phương pháp tích phân số
thường được sử dụng phổ biến và hiệu quả [2], [4].
Hiện nay có nhiều phương pháp tích phân số tính toán được hệ phương trình
QTQĐ hệ thống điện như phương pháp Euler, Euler - Cosi, Runge - Kutta, hay Adam Sterne. Trong đó phương pháp một bước Euler và Runge - Kutta được sử dụng phổ
biến, có thể cho ta xác định điểm tiếp theo của QTQĐ khi biết được thông số của một
điểm trước đó. Ngoài ra còn có những phương pháp xác định điểm tiếp theo bằng
nhiều điểm trước đó, hay còn gọi là phương pháp nhiều bước.
Cho hệ phương trình vi phân có dạng: dx/dt=f(x, t) với x = x0 tại t = t 0
Trong đó: x là véc tơ trạng thái của n biến phụ thuộc, t là biến độc lập (thời gian).
1.3.1.Phương pháp Ơle
Từ
dx
= f (x, t) với x=x0 tại t=t0
dt
Ta có:
∆x =
dx
dt
.∆t
x =x0
x 1 = x 0 + ∆x = x 0 +
dx
dt
.∆t
x =x0
Lấy gần đúng hai số hạng đầu của dãy Taylo tại x=x0
18
g
x1 = x 0 + ∆t(x 0 ) +
∆t 2 gg ∆t 3 ggg
x0 +
x 0 + ...
2!
3!
Sau khi xác định được x=x1 tương ứng với t=t1, ta có thể xác định tiếp theo trạng thái
x=x2 tương ứng t=t1+∆t như sau:
x 2 = x1 +
dx
dt
.∆t
x = x1
Vì phương pháp giải x ở đạo hàm cấp 1 nên ta gọi là phương pháp bậc 1.
Để tăng độ chính xác, ∆t phải đủ nhỏ. Áp dụng phương pháp này phải chú ý đến vệc
nâng cấp của sai số vì một sai số nhỏ bước trước có thể cho sai số lớn ở bước tiếp theo.
1.3.2.Phương pháp Ơle biến thể
Phương pháp Ơle trên thường không chính xác do dùng đạo hàm từ thời điểm
đầu của khoảng chia thời gian. Phuơng pháp Ơle biến thể khắc phục nhược điểm trên
bằng đạo hàm điểm trung bình khoảng chia:
-
Bước dự báo: dùng phép đạo hàm ở thời điểm đầu của khoảng chia đầu tiên, để
dự báo bước tiếp theo
x1p = x 0 +
dx
dt
∆t
x=x0
-Bước hiệu chỉnh dùng giá trị dự báo x1p, lấy trung bình của đạo hàm điểm đầu
và điểm dự báo
1 ⎛ dx
x1c = x 0 + ⎜
2 ⎜⎝ dt
19
+
x=x0
⎞
dx
⎟⎟ ∆t
dt x =x1p ⎠
Để chính xác hơn, ta có thể thực hiện trung bình đạo hàm tại x = x0 và x=xc1 lần
nữa, sẽ cho ta thêm một bước hiệu chỉnh, và có thể tiếp tục lặp lại để được kết quả
mong muốn.
Phương pháp Ơle biến thể là phương pháp đơn giản nhất của phương pháp dự
báo - hiệu chỉnh (Predictor – Corrector P – C). Một trong những phương pháp (P – C)
là phương pháp Adams – Blashforth, phương pháp Milne, phương pháp Hamming
1.3.3. Phương pháp Runge - Kutta (R - K)
- Phương pháp R-K bậc 2
Từ
dx
= f (x, t) với x=x0 tại t=∆t+t0 ta có:
dt
x1 = x 0 + ∆x = x 0 +
k1 + k 2
2
Trong đó: k1 = f (x 0 , t 0 ) ∆t;k 2 = f (x 0 + k1 , t 0 + ∆t) ∆t
Hay x n +1 = x n +
k1 + k 2
2
Trong đó k1 = f (x n , t n ) ∆t;k 2 = f (x n + k n , t n + ∆t)∆t
- Phương pháp R-K bậc 4
1
x n +1 = x n + (k1 + 2k 2 + 2k 3 + k 4 )
6
Trong đó:
k1 = f (x n , t n )∆t;k 2 = f (x n +
k 3 = f (x n +
k1
∆t
, t n + ) ∆t
2
2
k2
∆t
, t n + )∆t;k 4 = f (x n + k 3 , t n + ∆t)∆t
2
2
Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến để nghiên cứu ổn định động
hệ thống điện. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại
20
mô hình và cấu trúc hệ thống điện. Tuy nhiên tích phân số cũng có những nhược điểm
cơ bản:
-
Đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, thời gian tính toán lâu, có thể làm mất hiệu
quả ứng dụng trong các bài toán điều khiển nhanh.
-
Độ chính xác thấp khi tính quá trình quá độ trong thời gian dài.
Để xác định miền ổn định một thông số chế độ nào đó, tích phân số nhiều lần hệ
phương trình với các giá trị khác nhau của thông số này. Như vậy đối với hệ thống có
cấu trúc phức tạp có hàng loạt thông số biến động (vị trí ngắn mạch, thời gian tồn tại
ngắn mạch, P,V trên đường dây và thanh cái), việc xác định miền ổn định động trong
không gian các thông số chế độ là rất khó khăn. Trong khi đó, nếu không xác định
trước miền ổn định thì mỗi lần có kích động lớn, cần phải tích phân lại phương trình vi
phân theo các thông số cụ thể để phán đoán ổn định, thời gian tính toán kéo dài, không
đáp ứng yêu cầu tác động nhanh của HTĐ.
4. VẤN ĐỀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HTĐ
Nâng cao ổn định là mục tiêu của quá trình đánh giá ổn định hệ thống điện, đảm
bảo hệ thống điện thỏa mãn các điều kiện đạt các sau [9]:
-
Giữ được QTQĐ của hệ thống điện ổn định trong các tình huống sự cố nặng nề.
-
Dao động quá trình quá độ giảm nhanh đến chế độ xác lập
-
Dao động thông số chế độ hệ thống (góc lệch, điện áp, tần số, công suất…)
trong phạm vi cho phép.
Như vậy trước sự phát triển nhanh và mạnh của hệ thống điện Việt Nam thì
nhằm đảm sự ổn định của hệ thống điện cần có phương pháp đánh giá ổn định của hệ
thống một cách nhanh và có ít sai số là rất quan trọng, nó liện quan trực tiếp đến quá
trình thiết kế-vận hành hệ thống điện và sự phát triển của một quốc gia.
21
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Tổng quan về phương pháp và các tài liệu nghiên cứu phân tích ổn định động
của hệ thống điện đã cho thay đổi đáng kể về quan điểm và phương pháp nghiên cứu
về lĩnh vực này:
1. Hệ thống điện Việt Nam có quy mô ngày càng lớn (về công suất và phạm vi
lưới điện) và càng phức tạp (số lượng nhà máy, phụ tải, lộ đường dây ngày càng
nhiều) những vấn đề liên quan đến ổn định quá trình quá độ (ổn định động)
ngày càng có ý nghĩa quan trọng hơn trong công tác thiết kế và vận hành. Do đó
cần phải có những nghiên cứu sâu sắc về ổn định động nhằm mục đích:
+ Xác định được khả năng ổn định của HTĐ khi có sự cố
+ Có biện pháp nâng cao ổn định của HTĐ.
2. Có nhiều phương pháp đánh giá ổn định động trong HTĐ nhưng các phương
pháp đó đều có đặc điểm là:
+ Phức tạp
+ Khối lượng tính toán lớn nên cần nhiều thời gian sử lý số liệu đầu vào.
Nhưng với sự phát triển nhanh và ngày càng quan trọng của HTĐ thì cần phải
có phương pháp đánh giá ổn định nhanh mà vẫn đảm bảo chính xác.
22
