Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.61 MB, 115 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
PHẠM THANH HƯNG
CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
PHẠM THANH HƯNG
CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP CHO LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI DÙNG THIẾT BỊ BÙ NGANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Nguyễn Hùng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT
1
2
3
4
5
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Thanh Hưng
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:
Nơi sinh:
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV:
I- Tên đề tài:
Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù ngang
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ thống
điện để cải thiện chấ điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên phần
mềm MATLAB/ SIMULINK.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện chất lượng điện áp
trong chế độ xác lập.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Hùng
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Phạm Thanh Hưng
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Nguyễn Hùng đã tận
tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện
luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
Phạm Thanh Hưng
Tóm tắt
Đề tài "Cải thiện ổn định điện áp cho lưới phân phối dùng thiết bị
bù ngang" đã giải quyết các vấn đề sau:
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào
hệ thống điện để cải thiện ổn định điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC & STATCOM vào hệ thống điện
trên phần mềm MATLAB/ SIMULINK nhằm cải thiện ổn định điện áp.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiệnổn định
điện áp trong chế độ xác lập.
- Nhận xét và đánh giá kết quả.
Abstract
The thesis "Voltage stability improvement for delivery power systems
by
using
parallel
compensators"
has
solved
the
following
issues:
- Review the voltage stability of power systems.
- Review the SVC and STATCOM; and their applications for power
systems to improve voltage stability.
- Research how to use MATLAB/SIMULINK software.
- Simulations for SVC and STATCOM applications to power systems
by using MATLAB/SIMULINK software to improve voltage stability.
- Apply the proposal for the delivery power system of U Minh District
to improve voltage stability in the steady state.
- Comment and evaluate the simulation results.
i
MỤC LỤC
Mục lục....................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ..................................................................................... iii
Danh sách bảng .........................................................................................vi
Chương 1 - Giới thiệu chung ....................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ..........................................................................2
1.3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................2
1.4. Giới hạn đề tài .....................................................................................3
1.5. Điểm mới của luận văn .......................................................................3
1.6. Phạm vi ứng dụng ...............................................................................3
1.7. Bố cục của luận văn .............................................................................3
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện .............4
2.1. Giới thiệu ...........................................................................................4
2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ................................................5
2.3. Tổng quan về ổn định hệ thống điện ....................................................8
2.4. Ổn định điện áp trong hệ thống điện .................................................. 16
Chương 3 - Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện
áp của hệ thống điện .............................................................................. 24
3.1. Bù công suất phản kháng ................................................................... 24
3.2. Thiết bị FACTS ................................................................................ 29
3.3. Thiết bị bù SVC ................................................................................ 30
3.4. Thiết bị bù STATCOM ..................................................................... 47
3.5. Bộ điều khiển công suất trên các thiết bị bán dẫn .............................. 52
3.6. Hệ thống điều khiển STATCOM ....................................................... 62
3.7. Đặc tính bù của STATCOM .............................................................. 64
ii
3.8. Ứng dụng của STATCOM ................................................................ 65
Chương 4 - Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn
định điện áp của hệ thống điện .............................................................. 68
4.1. Giới thiệu phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink ............................. 68
4.2. Mạng điện phân phối Huyện U Minh - Cà Mau ................................. 69
4.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................. 70
4.3.1. Lưới điện hiện hữu với tụ bù được lắp đặt ...................................... 70
4.3.2. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù SVC ................................. 77
4.3.3. Lưới điện với đề xuất lắp đặt thiết bị bù STATCOM ...................... 85
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................ 100
5.1. Kết luận ........................................................................................... 100
5.2. Hướng phát triển tương lai ............................................................... 100
Tài liệu tham khảo ................................................................................ 101
iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sự ổn định của hệ cơ học ............................................................9
Hình 2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện ................................................ 11
Hình 2.3. Hệ thống điện 2 nguồn và 2 đường dây song song .................... 13
Hình 2.4. Đường cong công suất - góc ..................................................... 14
Hình 2.5. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định quá độ (a) và
hệ thống mất ổn định (b) .......................................................................... 15
Hình 2.6. Sự thay đổi góc công suất của hệ thống ổn định dao động bé (a),
hệ thống ổn định dao động (b), hệ thống mất ổn định (c) ......................... 15
Hình 2.7. Đặc tuyến P-V điển hình .......................................................... 23
Hình 2.8. Đặc tuyến Q-V điển hình .......................................................... 23
Hình 3.1. Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản, (b) giản đồ pha,
(c) đường công suất – góc ........................................................................ 25
Hình 3.2. Nguyên lý bù công suất phản kháng ......................................... 26
Hình 3.3. Giản đồ véc-tơ điện áp và dòng điện của bù công suất phản
kháng ....................................................................................................... 27
Hình 3.4. Giản đồ vec-tơ công suất của bù công suất phản kháng ............ 27
Hình 3.5. Sơ đồ tương đương của SVC .................................................... 31
Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý bộ Thyristor ................................................... 31
Hình 3.7. Đồ thị dòng điện tải .................................................................. 32
Hình 3.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR ................................. 34
Hình 3.9. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ....................................... 35
Hình 3.10. Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR ........... 36
Hình 3.11. Dạng sóng của tín hiệu dòng điện của TCR ............................ 37
Hình 3.12. Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt .................... 40
Hình 3.13. Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ................................ 41
Hình 3.14. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC .................................. 42
Hình 3.15. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ............................... 43
iv
Hình 3.16. Hệ thống điều khiển các van trong SVC ................................. 44
Hình 3.17. Đặc tính U-I của SVC ............................................................. 45
Hình 3.18. Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ................ 46
Hình 3.19. Mạch điện tương đương của STATCOM ................................ 48
Hình 3.20. Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................. 49
Hình 3.21. Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM ................................ 49
Hình 3.22. Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................. 51
Hình 3.23. Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ................ 52
Hình 3.24. Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ..................... 52
Hình 3.25. Thiết bị bán dẫn ...................................................................... 53
Hình 3.26. Cấu trúc liên kết của một VSC ba pha haicấp sử dụng IGBT55
Hình 3.27. Hoạt động của PWM .............................................................. 57
Hình 3.28. Chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) “một chân” ........................ 59
Hình 3.29. Sơ đồ mạch lực chỉnh lưu PWM ............................................. 59
Hình 3.30. Sơ đồ thay thế một pha chỉnh lưu PWM ................................. 60
Hình 3.31. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ............................................... 61
Hình 3.32. Giản đồ vectơ chỉnh lưu PWM ............................................... 61
Hình 3.33. Hoạt động của VSC ................................................................ 62
Hình 3.34. Hệ thống điều khiển của STATCOM ...................................... 64
Hình 3.35. Đặc tuyến V – I của STATCOM ............................................ 65
Hình 3.36. Đặc tuyến V – Q của STATCOM ........................................... 66
Hình 4.1. Sơ đồ đơn tuyến lưới điện hiện hữu lắp tụ bù ............................ 70
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng của lưới điện hiện hữu lắp tụ bù ..................... 71
Hình 4.3. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp tụ bù ...................... 73
Hình 4.4. Đường điện áp V (bus B2) trước và sau lắp tụ bù ...................... 74
Hình 4.5. Đường điện áp V (bus B3) trước và sau lắp tụ bù ...................... 74
Hình 4.6. Đường điện áp V (bus B4) trước và sau lắp tụ bù ...................... 75
Hình 4.7. Đường điện áp V (bus B5) trước và sau lắp tụ bù ...................... 76
Hình 4.8. Đường điện áp V (bus B6) trước và sau lắp tụ bù ...................... 76
Hình 4.9. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp SVC .................................................... 77
v
Hình 4.10. Sơ đồ mô phỏng khi lắp SVC .................................................. 78
Hình 4.11. Hệ thống điều khiển của SVC.................................................. 81
Hình 4.12. Đường điện áp V (bus B1) trước và sau lắp SVC..................... 81
Hình 4.13. Đường điện áp V (bus B2) trước và sau lắp SVC..................... 82
Hình 4.14. Đường điện áp V (bus B3) trước và sau lắp SVC..................... 82
Hình 4.15. Đường điện áp V (bus B4) trước và sau lắp SVC..................... 83
Hình 4.16. Đường điện áp V (bus B5) trước và sau lắp SVC..................... 83
Hình 4.17. Đường điện áp V (bus B6) trước và sau lắp SVC..................... 84
Hình 4.18. Sơ đồ đơn tuyến khi lắp STATCOM ....................................... 85
Hình 4.19. Sơ đồ mô phỏng khi lắp STATCOM ....................................... 85
Hình 4.20. Cấu tạo D - STATCOM........................................................... 88
Hình 4.21. Hệ thống điều khiển D – STATCOM ...................................... 89
Hình 4.22. Đường điện áp B1 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 90
Hình 4.23. Đường điện áp B2 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 90
Hình 4.24. Đường điện áp B3 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 91
Hình 4.25. Đường điện áp B4 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 92
Hình 4.26. Đường điện áp B5 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 92
Hình 4.27. Đường điện áp B6 trước và sau lắp đặt STATCOM................. 93
Hình 4.28. Đường điện áp B1 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 94
Hình 4.29. Đường điện áp B2 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 95
Hình 4.30. Đường điện áp B3 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 95
Hình 4.31. Đường điện áp B4 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 96
Hình 4.32. Đường điện áp B5 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 97
Hình 4.33. Đường điện áp B6 lắp TỤ BÙ, SVC, STATCOM ................... 97
1
Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất
trên thế giới do nó cóưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng
năng lượng khác. Hơnnữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản
xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát
triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế
toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối
liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực
hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về công suất.
Ở Việt Nam, trong những năm qua sự hội nhập về kinh tế dẫn đến nhu
cầu điện năng là rất lớn, để đáp ứng nhu cầu về điện năng thì hệ thống điện
cũng ngày càng phát triển về quy mô lẫn công nghệ. Tuy nhiên, sự xuất hiện
nhiều nhà máy thủy điện và nhiệt điện cũng làm cho việc vận hành hệ thống
điện trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định
của hệ thống.
Chúng ta biết rằng hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân
phối có mối quan hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, tồn tại vô số các nhiễu tác
động lên hệ thống.
Khi hệ thống điện mất ổn định, các máy phát làm việc ở trạng thái
không đồng bộ, cần cắt ra ảnh hưởng đến công suất của hệ thống; tần số hệ
thống thay đổi ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ; điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện
tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải,…như vậy hậu quả có thể phải cắt hàng
loạt tổ máy, phụ tải, có thể làm tan rã hệ thống và gây thiệt hại nghiêm trọng
cho nền kinh tế.
Trong chế độ vận hành xác lập, chế độ làm việc cơ bản của hệ thống
điện, hệ thống điện có thể mất ổn định áp do tải biến động hay thay đổi cấu trúc
lưới…, hiện tượng này xảy ra là bình thường và liên tục, tuy nhiên nếu không
2
giải quyết thì các biến động nhỏ đó có thể phát triển thành lớn gây sự cố cho hệ
thống điện, vì vậy cần có biện pháp điều chỉnh, hỗ trợ tương ứng để hạn chế
gây thiệt hại và ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động phụ tải tiêu thụ điện.
Việc nghiên cứu hệ thống điện và lý thuyết ổn định điện áp là cơ sở để
lựa chọn và ứng dụng các thiết bị điện phù hợp để ngăn ngừa các sự cố xảy ra
với hệ thống điện đồng thời nâng cao chất lượng điện năng và vận hành ổn
định lưới điện.
Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau
khi chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa
chọn đề tài “Cải thiện ổn định điện áp cho lưới điện phân phối dùng thiết bị bù
ngang” nhằm nghiên cứu lý thuyết ổn định áp và nghiên cứu ứng dụng thiết bị
FACTS như SVC và STATCOM vào hệ thống điện để nâng cao chất lượng
điện áp mà bao gồm ổn định biên độ điện áp; và giảm các hiện tượng chập
chờn và nhấp nháy trong lưới điện.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định điện áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ
thống điện để cải thiện ổn định điện áp.
- Mô hình mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM vào hệ thống điện trên
phần mềm MATLAB/SIMULINK để cải thiện ổn định điện áp.
- Ứng dụng vào lưới điện phân phối huyện U Minh để cải thiện ổn định điện áp
trong chế độ xác lập.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định áp hệ thống điện.
- Nghiên cứu lý thuyết về SVC và STATCOM và ứng dụng của nó vào hệ
thống điện để cải thiện ổn định điện áp.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK.
3
- Nghiên cứu ứng dụng SVC và STATCOM trên mô hình lưới điện phân phối
huyện U Minh.
- Nhận xét và đánh giá kết quả.
1.4. Giới hạn đề tài
Xét một hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập.
1.5. Điểm mới của luận văn
Ứng dụng SVC và STATCOM vào mạng điện thực cho các khảo sát liên
quan đến ổn định biên độ điện áp và giảm thấp dao động (nhấp nháy) của lưới
điện tại nút đặt SVC và STATCOM. Hệ thống điện được mô phỏng trên phần
mềm MATLAB/SIMULINK.
1.6. Phạm vi ứng dụng
- Ứng dụng cho một lưới điện phân phối bất kỳ.
- Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện.
1.7. Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện
Chương 3: Ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện áp của hệ
thống điện
Chương 4: Mô phỏng ứng dụng SVC và STATCOM để cải thiện ổn định điện
áp của hệ thống điện
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
4
Chương 2
Cơ sở lý thuyết ổn định điện áp của hệ thống điện
2.1. Giới thiệu
Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ
thống nằm trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc
sau các kích động. Hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện
các kích động như tăng tải đột ngột hay thay đổi các điều kiện của mạng lưới
hệ thống. Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng
nhất là có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ
điện áp.
Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là hệ thống điện không
có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng trong mạng. Các thông số
có liên quan đến sụp đổ điện áp là dòng công suất tác dụng, công suất phản
kháng cùng với điện dung, điện kháng của mạng lưới điện.
Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận
hành hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt
hại rất lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Trên thế giới đã ghi nhận được nhiều sự
cố mất điện lớn do sụp đổ điện áp gây ra như tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy
Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày
28/8/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ - Canada ngày 14/8/2003,... Ổn định
điện áp đã được quan tâm, nghiên cứu ởnhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam
cũng đã xảy ra nhiều lần sự cố mất điện trên diện rộng, chẳng hạn như vào các
ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và 04/9/2007.
Do điện là yếu tố then chốt của sản xuất, nhiều nước trên thế giới không
còn tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ mà là đơn vị phút. Vì vậy,
việc phân tích ổn định điện áp ở Việt Nam cần được nghiên cứu nhiều hơn nữa
và có những biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp.
5
2.2. Các chế độ làm việc của hệ thống điện
2.2.1. Các chế độ
Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng
thời gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện. Đặc trưng của chế độ là các
thông số U, I, P, Q, f, δ,... Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là
hàm số của thời gian. Tùy theo sự biến đổi của các thông số chế độ, ta có các
chế độ làm việc của hệ thống điện như sau:
+ Chế độ xác lập: Trong đó các thông số chế độ dao động rất nhỏ xung
quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem các thông số này là hằng số.
Trong chế độ xác lập còn được phân thành:
- Chế độ xác lập bình thường: chế độ làm việc bình thường của hệ thống
điện. Hệ thống điện được thiết kế để làm việc với các chế độ xác lập này. Với
chế độ xác lập bình thường yêu cầu thõa mãn các tiêu chí sau:
Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải
có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần
số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn.
Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất
lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các
hộdùng điện và điều kiện của hệ thống điện.
Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất
lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân
phối điện năng nhỏ nhất.
Đảm bảoan toàn điện: phả đảm bảo an toàn cho người vận hành, người
dùng điện và thiết bịphân phối điện.
- Chế độ xác lập sau sự cố: chếđộ đã được tính trước vì sựcốlà không
thểtránh khỏi trong vận hành hệ thống điện, các chỉtiêu nhưchếđộ xác lập bình
thường nhưng giảm đi.
- Chếđộ sự cố xác lập: yêu cầu không được phép gây hại và duy trì quá
thời hạn cho phép.
+ Chế độ quá độ
Các thông số biến thiên mạnh theo thời gian.
6
- Chế độ quá độ bình thường: xảy ra thường xuyên khi hệ thống điện
chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, yêu cầu kết thúc nhanh
và các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép.
- Chế độ quá độ sự cố: xảy ra khi có sự cố trong hệ thống điện yêu cầu
không gây hại cho hệ thống điện loại trừ nhanh nhất có thể.
2.2.2. Chế độ xác lập bình thường
Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng
(CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải
bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các
phần tử của hệ thống điện.
Pf = Ppt + ∆P = P
(2.1)
Qf = Qpt + ∆Q = Q
(2.2)
Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của hệ thống điện, ảnh
hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy, tần số của hệ thống điện có
thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSTD.
Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của hệ thống
điện. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK.
Trong hệ thống điện các điều kiện cân bằng công suất được đảm bảo
một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các
điều kiện cân bằng công suất được thõa mãn.
Khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên
lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên
theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ
tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản
kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều
chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép.
Điều kiện đủ: CĐXL luôn bị kích động bởi các kích động lớn, nhỏ do sự
biến đổi không ngừng của phụ tải và sự cố các loại.
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục, tác động vào cân bằng công suất tác
dụng trên máy phát điện và cân bằng công suất ở các nút phụ tải, cho nên chế
7
độ xác lập muốn tồn tại phải chịu được các kích động này. Nói cách khác, hệ
thống điện phải có ổn định tĩnh và ổn định điện áp, tức khả năng phục hồi chế
độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.Đây chính là điều kiện đủ để chế độ xác
lập tồn tại.
Nếu muốn tồn tại lâu dài, hệ thống điện phải chịu được các kích động
lớn, nói cách khác, hệ thống điện phải có ổn định động, tức khả năng phục hồi
chế độ xác lập sau khi bị kích động lớn.
Chế độ xác lập được dùng trong thực tế phải thõa mãn điều kiện ổn định
tĩnh và ổn định động.
a. Ổn định tĩnh
Các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi
của thiết bị điều chỉnh,…Các kích động này tác động lên roto của máy phát,
phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị
dao động. CĐXL muốn duy trì được thì phải chịu được các kích động nhỏ này,
có nghĩa là sự cân bằng công suất phải được giữ vững trước các kích động nhỏ,
nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải được khôi phục sau các kích động
nhỏ, trong trường hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh: ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống
điện khôi phục lại chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Như vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một chế độ xác lập tồn tại trong
thực tế.
b. Ổn định động
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng có biên
độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện,
biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch,…Các kích động lớn tác động
làm cho cân bằng công suất Cơ – Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tương ứng bị
dao động rất mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu được các kích động này
mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn định động của hệ thống điện.
8
Ta có định nghĩa ổn định động: Ổn định động là khả năng của hệ thống
điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau
khi bị kích động lớn.
Như vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của hệ thống điện tồn
tại lâu dài [1].
2.3. Tổng quan về ổn định hệ thống điện
2.3.1. Đặc điểm hoạt động của hệ thống điện
Điện năng là sản phẩm không thể dự trữ được mà phụ tải yêu cầu đến
đâu thì hệ thống điện sản xuất đến đó. Công suất của nguồn điện phải luôn luôn
cân bằng với công suất sử dụng của phụ tải. Công suất của phụ tải luôn biến đổi
theothời gian, do đó công suất phát cũng phải biến đổi không ngừng để đáp
ứng. Các thông số chất lượng điện năng biến đổi theo phụ tải do đó phải được
điều chỉnh liên tục.
Các quá trình xảy ra trong hệ thống điện rất nhanh, từ phần trăm giây
đến vài chục giây. Ví dụ sau khi xảy ra ngắn mạch thì trong vòng 0,01 giây
dòng điện ngắn mạch đạt tới đỉnh nguy hiểm. Do đó trong hệ thống điện phải
sử dụng các thiết bị có phản ứng rất nhanh để điều khiển chế độ.
Hệ thống điện chịu tác động của quá trình già hóa thiết bị, quá trình này
gây ra những hỏng hóc ngẫu nhiên, dẫn đến ngừng cung cấp điện. Do đó hệ
thống điện phải được tổ chức bảo dưỡng định kỳ để phục hồi khả năng làm việc
và thay thế thiết bị hết hạn sử dụng.
Hệ thống điện chịu tác động mạnh của môi trường, nhất là môi trường
địa lý có thể gây ra thiếu năng lượng sơ cấp (do khô hạn…), hỏng hóc thiết bị
dẫn đến mất điện (sấm sét, gió bão, lũ lụt, sinh vật gây ngắn mạch…), do đó hệ
thống điện phải có dự phòng khá lớn công suất nguồn và năng lượng sơ cấp,
phải có hệ thống vận hành hoàn hảo, hệ thống tự động chống sự cố để giảm
thấp nhất các thiệt hại.
Hệ thống điện là một khối thống nhất trải rộng khắp đất nước làm cho
việc điều khiển hoạt động và truyền tin rất khó khăn. Do đó để điều khiển tốt
9
hoạt động, hệ thống phải được phân cấp điều khiển và phải được trang bị các
kỹ thuật điều khiển, đo lường và thông tin hoàn hảo.
Hệ thống điện không ngừng phát triển trong không gian và theo thời
gian, do đó đòi hỏi hệ thống vận hành cũng phải phát triển không ngừng về số
lượng và chất lượng để thích ứng.
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử phát, dẫn, phân phối có mối quan
hệ tương tác lẫn nhau rất phức tạp, chịu tác động, ảnh hưởng của nhiều yếu tố
như các đặc điểm đã nêu ở trên, chịu vô số các nhiễu tác động lên hệ thống.
Tuy nhiên hệ thống điện phải đảm bảo được tính ổn định trong quá trình làm
việc.
2.3.2. Ổn định hệ thống điện
Ổn định hệ thống điện là khảnăng hệ thống điện đang làm việc ở trạng
thái vận hành này có thể làm việc ở trạng thái vận hành mới sau khi chịu tác
động của các kích động tự nhiên.
Xét sự ổn định của hệ cơ học sau:
B
A
A
(a)
(b)
Hình 2.1. Sự ổn định của hệ cơ học
Ta thấy rằng hệ thống bánh lăn có hai loại điểm cân bằng hay hai trạng
thái nghỉ, các điểm cân bằng này như sau:
- Điểm cân bằng ổn định A: sau các dao động lớn hay nhỏ banh sẽtrởlại
vị trí ban đầu.
- Điểm cân bằng không ổn định B: tại đó banh sẽbịrời vị trí B nếu chỉcần
một tác động nhẹ.
10
Sự ổn định của banh được định nghĩa nhưlà khảnăng của banh trởlại trạng
thái nghỉlâu dài A (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật) sau các
dao động nhỏhoặc lớn. Hệthống là bền nếu banh trởlại điểm cân bằng ổn định
của nó sau khi bị tác động.
Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn
định sau khi chịu tác động nhiễu.Đây là điều kiện thiết yếu để hệ thống có thể
tồn tại và vận hành. Ở chế độ xác lập để tồn tại cần phải có sự cân bằng công
suất trong hệ (khi đó các thông số của hệ mới giữ không đổi) và đồng thời phải
duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số dưới những kích động ngẫu nhiên
nhỏ (làm các thông số này lệch khỏi các giá trị tại điểm cân bằng). Hoặc do tác
động của những thao tác đóng cắt, hệ thống điện cần phải chuyển từ trạng thái
xác lập này sang trạng thái xác lập khác.
Ổn định hệ thống điện nhằm đáp ứng chất lượng điện năng phục vụ tốt
nhất.
Chất lượng điện năng bao gồm: chất lượng tần số và chất lượng điện áp.
Trong đó, chất lượng tần số được đánh giá bằng:
- Độ lệch tần số so với tần số định mức:
(2.3)
- Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:
(2.4)
Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép:
(2.5)
Trong đó:
- Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của
tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1%. Độ dao động tần số
không được lớn hơn giá trị cho phép.
11
* Điều chỉnh tần số:
Việc điều chỉnh tần số bao gồm 3 giai đoạn như sau.
- Điều chỉnh cấp 1 hay điều chỉnh tốc độ (điều chỉnh sơ cấp), do thiết bị
tự động điều chỉnh tốc độ của máy phát tự động thực hiện, giữ tần số ở giá trị
chấp nhận được.
- Điều chỉnh cấp 2 hay điều chỉnh tần số, do điều độ viên thực hiện hoặc
tự động thực hiện nhờ thiết bị tự động điều chỉnh tần số. Đưa tần số về giá trị
định mức hoặc trong miền độ lệch cho phép tùy thuộc hệ thống điều tần sử
dụng.
- Điều chỉnh cấp 3 nhằm mục đích phân bố lại công suất giữa các nhà
máy điện theo điều kiện kinh tế.
2.3.3. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hình 2.2. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định
góc rotor, tần số và điện áp. Phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình
bày như Hình 2.2.
12
2.3.4. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện
Việc phát và truyền tải công suất tác dụng và công suất phản kháng bị
ràng buộc bởi các giới hạn sau.
a. Giới hạn điện áp
Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động
ở công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so
với điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc và có thể phá hủy
thiết bị.Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không
mong muốn trên đường dây của hệ thống.Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây
nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện
chạy trong hệ thống. Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các
nguồn phát khác là khôngđủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp
sẽ bị giảm.
Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (Phụ thuộc vào tiêu
chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống
thường yêu cầu hỗtrợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp
giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định
theo giới hạn truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp
công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng
yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủđể hỗ trợ điện áp.
b. Giới hạn nhiệt
Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.
Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư
hỏng quá nhiệt. Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các
thiết bị ở mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt, ví dụ có
thể là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả côngsuất tác
dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện.Ngoài ra trong hệ
thống điện, các đường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành
có các giới hạn nhiệt. Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây
