Nâng cao ổn định góc rotor máy phát bằng thiết bị svc đồ án tốt nghiệp khoa công nghệ điện

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC
ROTOR MÁY PHÁT BẰNG THIẾT BỊ SVC

SINH VIÊN : TRẦN QUANG MINH
MSSV

: 14069851

LỚP

: DHDI10D

GVHD

: TS. DƢƠNG THANH LONG

TP. HCM, NĂM 2018


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ GÓC
ROTOR MÁY PHÁT BẰNG THIẾT BỊ SVC

SINH VIÊN : TRẦN QUANG MINH
MSSV

: 14069851

LỚP

: DHDI10D

GVHD

: TS. DƢƠNG THANH LONG

TP. HCM, NĂM 2018


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP:
1. Họ và tên sinh viên:
Trần Quang Minh

2. Tên đề tài
Nâng cao ổn định quá độ góc rotor máy phát bằng thiết bị SVC
3. Nội dung
- Trình bày khái niệm về ổn định quá độ hệ thống điện, các yếu tố ảnh hƣởng
đến sự ổn định của hệ thống điện
- Sử dụng phần mềm PSS/E để mô phỏng dạng sóng
- Từ đó đƣa ra một trong những giải pháp tăng tính ổn định của hệ thống điện
làsử dụng thiết bị SVC
4. Kết quả
Trình bày tóm tắt kết quả đạt đƣợc
Giảng viên hƣớng dẫn

Tp. HCM, ngày 08 tháng 6 năm 2018
Sinh viên

2


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN:
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------3


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

MỤC LỤC:

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: ..................................................2
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: .............................................3
MỤC LỤC: ...........................................................................................................4
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ: ...........................................................................7
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................9
1.1.

Khái quát: ............................................................................................. 9

1.2.

Mục tiêu của đề tài: ............................................................................10

1.3.

Giới hạn của đề tài:.............................................................................11

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT: ...............................................12
2.1.

Tổng quan lý thuyết:...........................................................................12

2.1.1. Phân bố công suất trên đƣờng dây ngắn: .......................................12
2.1.2. Giới hạn công suất truyền tải trên đƣờng dây khơng có tổn thất: ..14
2.1.3. Bù công suất phản kháng giúp tăng khả năng truyền tải công suất
tác dụng:

........................................................................................................16

2.2.

Các dạng ổn định của hệ thống điện: .................................................18

2.3.

Ổn định góc rotor: ..............................................................................18

2.4.

Một số yếu tố ảnh hƣởng đến q trình q độ: .................................21

2.5.

Các phƣơng pháp tốn nghiên cứu ổn định hệ thống điện: ................21

2.5.1. Phƣơng pháp diện tích: ..................................................................21
2.5.2. Phƣơng pháp tích phân số: ............................................................. 27
2.5.3. Phƣơng pháp phân tích ổn định trực tiếp theo đƣờng cong theo
đƣờng cong quá trình quá độ của Lyapunov: ........................................................28

4


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E ........................................30

3.1.

Phần mềm PSS/e: ...............................................................................30

3.1.1. Giới thiệu chung về phần mềm PSS/E: ..........................................30
3.1.2. Tính tốn mơ phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E: ............32
3.1.3. Chạy bài tốn phân bố cơng suất: ..................................................32
CHƢƠNG 4: THIẾT BỊ SVC ............................................................................37
4.1.

Các thành phần của SVC: ...................................................................37

4.1.1. Thyristor switch capacitor: ............................................................. 38
4.1.2. Thyristor switch reactor: ................................................................ 40
4.1.3. Thyristor controlled reactor: .......................................................... 41
4.2.

Cấu trúc thƣờng gặp của bộ SVC: ......................................................43

4.3.

Chức năng điều khiển và việc mô phỏng: ..........................................43

4.3.1. Chế độ xác lập: ...............................................................................44
4.3.2. Chế độ quá độ: ...............................................................................44
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................. 47
5.1.

Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự ổn định của hệ thống:.......................... 47

5.1.1. Thời gian thiết bị bảo vệ tác động: .................................................47
5.1.2. Tự đóng lại đƣờng dây: ..................................................................49
5.1.3. Sự nặng tải của hệ thống trƣớc khi xảy ra sự cố: ........................... 52
5.2.

Khi có thiết bị SVC: ...........................................................................54

CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ ĐẶT RA TRONG TƢƠNG
LAI.................................................................................................................................58
6.1.

Kết luận .............................................................................................. 58

6.2.

Những vấn đề đặt ra trong tƣơng lai...................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO: .................................................................................60
PHỤ LỤC: ..........................................................................................................61
5


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

LỜI CẢM ƠN: ....................................................................................................67

6

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ:
Hình 1.1: Hệ thống điện 14 nút của IEEE .......................................................... 10
Hình 2.1: Sơ đồ đơn tuyến của mơ hình đƣờng dây ngắn ..................................12
Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến đƣờng dây khơng có tổn thất ...................................14
Hình 2.3: Hệ thống điện đơn giản gồm nguồn áp lý tƣởng, đƣờng dây truyển tải
và tải .............................................................................................................................. 16
Hình 2.4: Hệ thống điện đƣợc mơ hình hóa bằng mơ hình π và một tụ điện mắc
song song với tải ............................................................................................................17
Hình 2.5: Các dạng ổn định của hệ thống .......................................................... 18
Hình 2.6: Diện tích tăng tốc và hãm tốc khi có ổn định .....................................22
Hình 2.7: Diện tích tăng tốc và hãm tốc trƣờng hợp giới hạn ổn định ...............23
Hình 2.8: Stt > Sht max trƣờng hợp mất ổn định ....................................................24
Hình 2.9: Sơ đồ khảo sát ảnh hƣởng của thời gian cắt ngắn mạch của máy cắt 2
.......................................................................................................................................24
Hình 2.10: Ngắn mạch 3 pha đầu đƣờng dây 2 ..................................................25
Hình 2.11: Sơ đồ đơn tuyến 2 đƣờng dây vận hành song song .......................... 26
Hình 2.12: Cắt một đƣờng dây trong 2 đƣờng dây vận hành song song ............26
Hình 3.1: Sơ đồ khối của PSS/E .........................................................................32
Hình 3.2: Giao diện của trang bus data .............................................................. 34
Hình 3.3: Giao diện của trang branch data .........................................................34
Hình 3.4: Giao diện của trang load data ............................................................. 35
Hình 4.1: Cấu trúc các thành phần phổ biến của SVC .......................................38
Hình 4.2: Cấu trúc cơ bản của TSC ....................................................................40
Hình 4.3: Đƣờng đặc tính V – I của TSC với 3 dải bù .......................................40
Hình 4.4: Dịng điện chạy qua TCR với các góc kích tƣơng ứng ......................42

Hình 4.5: Đƣờng đặc tính V – I của TCR........................................................... 42
Hình 4.6: SVC đƣợc mơ phỏng nhƣ một tụ điện mắc song song .......................44
Hình 4.7: Sơ đồ khối của mơ hình SVC “Basic model 1” của IEEE .................45

7


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Hình 4.8: Sơ đồ khối của mơ hình bộ điều áp “Basic model 1” của IEEE ........45
Hình 4.9: Sơ đồ khối của SVC theo mơ hình CSSCST trong thƣ viện PSS/E ...45
Hình 5.1: Góc rotor máy phát tại nút 2 so với máy phát tại nút 1 ......................47
Hình 5.2: Góc rotor máy phát tại nút 3 so với máy phát tại nút 1 ......................48
Hình 5.3: Góc rotor máy phát tại nút 6 so với máy phát tại nút 1 ......................48
Hình 5.4: Góc rotor máy phát tại nút 8 so với máy phát tại nút 1 ......................49
Hình 5.5: Góc rotor máy phát tại nút 2 so với máy phát tại nút 1 ......................50
Hình 5.6: Góc rotor máy phát tại nút 3 so với máy phát tại nút 1 ......................50
Hình 5.7: Góc rotor máy phát tại nút 6 so với máy phát tại nút 1 ......................51
Hình 5.8: Góc rotor máy phát tại nút 8 so với máy phát tại nút 1 ......................51
Hình 5.9: Góc rotor máy phát tại nút 2 so với máy phát tại nút 1 ......................52
Hình 5.10: Góc rotor máy phát tại nút 3 so với máy phát tại nút 1 ....................53
Hình 5.11: Góc rotor máy phát tại nút 6 so với máy phát tại nút 1 ....................53
Hình 5.12: Góc rotor máy phát tại nút 8 so với máy phát tại nút 1 ....................54
Hình 5.13: Góc rotor máy phát tại nút 2 so với máy phát tại nút 1 ....................55
Hình 5.14: Góc rotor máy phát tại nút 3 so với máy phát tại nút 1 ....................55
Hình 5.15: Góc rotor máy phát tại nút 6 so với máy phát tại nút 1 ....................56
Hình 5.16: Góc rotor máy phát tại nút 8 so với máy phát tại nút 1 ....................56

8


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Khái quát:
Ổn định hệ thống là mối quan tâm hàng đầu khi trong việc thiết kế và vận hành

hệ điện. Trong những thập kỉ qua đã xảy ra nhiều sự cố mất điện ở những hệ thống
điện lớn. Ví dụ nhƣ:
•

Sự cố mất điện ở nam Thụy Điển và đơng Đan Mạch vào 3/2013

•

Sự cố mất điện ở Mỹ và Canada vào năm 2003

•

Sự cố mất điện ở Ý vào 9/2003

•

Sự cố mất điện ở Ấn Độ vào 7/2012

Những sự kiện trên đã cho thấy vấn đề ổn định hệ thống điện vẫn cần rất nhiều
sự quan tâm và nghiên cứu. Và một trong những vấn đề trong ổn định hệ thống điện là
ổn định góc rotor sẽ đƣợc nghiên cứu và trình bày trong đồ án này. Vì nhu cầu tải ngày
càng gia tăng đã gây áp lực lên hệ thống điện. Trƣớc kia, vấn đề này có thể khắc phục
bằng cách thêm các tổ máy phát vào lƣới hoặc xây dựng thêm các đƣờng dây truyền
tải.
Hiện nay sẽ khó khăn trong việc tìm ra phƣơng án thích hợp để xây dựng thêm
đƣờng dây truyền tải. Nhƣ vậy vấn đề đặt ra là phải vận hành lƣới điện hiện có hiệu
quả hơn và vận hành lƣới điện gần với giới hạn của nó. Đồ án cũng sẽ giới thiệu một
giải pháp nhằm tăng giới hạn ổn định cho hệ thống điện bằng cách thêm vào lƣới
những bộ điều khiển, điển hình là bộ SVC trong họ thiết bị FACTS.
Hệ thống điện hiện đại rất phức tạp, bao gồm hàng ngàn máy phát, đƣờng dây
truyền tải và máy biến áp. Trong đồ án sẽ nghiên cứu về hệ thống điện chuẩn IEEE 14
nút nhƣ hình 1.1.

9


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Hình 1.1: Hệ thống điện 14 nút của IEEE

Hệ thống điện 14 nút là một phần của hệ thống điện ở Mỹ vào tháng 2 năm
1962. Hệ thống bao gồm 14 nút, 5 máy phát và 11 tải. Đặc biệt hệ thống điện 14 nút
khơng có giới hạn đƣờng dây. So sánh với hệ thống điện này hệ thống điện những năm
1990, hệ thống 14 nút có điện áp điện áp thấp hơn.
Nội dung chính của đồ án này sẽ trình bày khái niệm về ổn định góc rotor, các

yếu tố ảnh hƣởng đến ổn định góc rotor và sự ảnh hƣởng của thiết bị SVC vào việc ổn
định hệ thống điện.
1.2.

Mục tiêu của đề tài:
Đề tài này đƣợc hƣớng đến trả lời những câu hỏi sau:
•

Khái niệm ổn định góc rotor là gì ?

•

Những yếu tố ảnh hƣởng đến việc ổn định góc rotor.

•

Liệu thiết bị SVC có thể tăng tính ổn định động cho hệ thống điện cũng nhƣ
tăng khả năng truyền tải cho lƣới điện.

10


Khóa luận tốt nghiệp

•

SVTH: Trần Quang Minh

Những lợi ích đạt đƣợc khi tính ổn định cũng nhƣ khả năng truyền tải của
lƣới điện đƣợc gia tăng.

1.3.

Giới hạn của đề tài:
Để thu hẹp phạm vi của đề tài này thì các giới hạn cần phải đƣợc xem xét. Các

giới hạn của đề tài bao gồm:
•

Các mơ phỏng sẽ đƣợc hiện bởi phần mềm PSS/E Xplore 34 free version.
Điều này có nghĩa phần mềm chỉ mơ phỏng đƣợc bài tốn phân bố công suất
tối đa 50 nút và số biến cho file DYR cũng bị giới hạn

•

Mơ phỏng động cho máy phát, kích từ và SVC chỉ dựa trên những mơ hình
có sẵn trong PSS/E

11


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT:
2.1.

Tổng quan lý thuyết:
Chƣơng này sẽ khái quát một số lý thuyết cơ bản trong hệ thống điện, lý giải

dịng cơng suất đi nhƣ thế nào và làm cách nào để nâng cao khả năng truyền tải của
đƣờng dây. Và những lý thuyết trên sẽ đƣợc giải thích thơng qua các ví dụ đơn giản.
Những ví dụ này sẽ làm rõ những nguyên lý cơ bản và trở thành lý thuyết nền tảng cho
đồ án này.
2.1.1. Phân bố công suất trên đƣờng dây ngắn:
Mục này sẽ làm rõ làm sao để xác định dịng cơng suất trên đƣờng dây ngắn. Ta
sẽ mô phỏng đƣờng dây nhƣ là một trở kháng nối giữa 2 nút. Cách mô phỏng này đƣợc
áp dụng đối với đƣờng dây có chiều dài dƣới 80 km.

Hình 2.1: Sơ đồ đơn tuyến của mơ hình đƣờng dây ngắn

Nút đầu phát đƣợc xem nhƣ là một nguồn áp

và nút đầu nhận là nguồn áp

.

Hai nút đƣợc liên kết bởi đƣờng dây, đƣợc mơ hình hóa bằng một trở kháng . Bây
giờ ta có cơng suất phức đƣợc bơm lên đƣờng dây là:
(

)

Có thể viết lại nhƣ sau:

Với

là độ lớn của

. Tách phần thực và phần ảo ra ta đƣợc công suất tác

dụng và công suất phản kháng đƣợc bơm lên đƣờng dây:

12


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Tƣơng ứng ta có công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút đầu nhận
là:

Đối với đƣờng dây truyển tải cao áp và siêu cao áp, thành phần điện kháng X
thƣờng lớn hơn rất nhiều so với thành phần điện trở R. Vì thế nếu bỏ qua thành phần
điện trở, ta có phƣơng trình sau:

Từ phƣơng trình trên, ta thấy chiều của dịng cơng suất tác dụng đƣợc xác định
dựa vào góc
góc

và

. Hầu nhƣ mọi trƣờng hợp, dịng cơng suất tác dụng đổ về nút có

thấp.
Nếu ta giả sử điện áp nút đầu phát và điện áp nút đầu nhận cùng pha với nhau

[

và bỏ qua thành phần điện trở, từ phƣơng trình suy

,

ra:

Từ phƣơng trình và phƣơng trình, ta thấy rằng dịng cơng suất phản kháng phụ
thuộc vào biên độ điện áp của các nút. Công suất phản kháng sẽ truyền từ nút có biên
độ điện áp cao tới nút có biên độ điện áp thấp. Vậy ta rút ra kết luận:
 Cơng suất tác dụng và góc điện áp có mối quan hệ chặt chẽ với nhau
 Công suất phản kháng và biên độ điện áp có mối quan hệ chặt chẽ với
nhau
Bây giờ ta hãy xét tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ
thống điện. Tổn thất trên đƣờng dây đƣợc mơ hình hóa bởi trở kháng Z đƣợc tính nhƣ
sau:

13


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Trong đó ta có thể viết lại:
(

)(

)

Thế vào, ta có:

Từ cơng thức và, ta thấy có thể giảm tồn thất cơng suất bằng cách truyền tải
điện năng đi xa ở cấp điện áp càng cao càng tốt. Ta cũng có thể nhận thấy tổn thất tỉ lệ
thuận với

có bao gồm thành phần cơng suất phản kháng .

2.1.2. Giới hạn công suất truyền tải trên đƣờng dây khơng có tổn thất:

Hình 2.2: Sơ đồ đơn tuyến đƣờng dây khơng có tổn thất

Trong ví dụ này, ta xét một hệ thơng đơn giản nhƣ hình gồm một nguồn áp lý
tƣởng

cấp nguồn cho một phụ tải có điện áp

thông qua đƣờng

dây truyền tải chỉ xét thành phần điện kháng và bỏ qua thành phần điện trở. Giả sử hệ
thống đang hoạt động ở trạng thái cân bằng. Điện áp tại phụ tải đƣợc xác định:

Công suất biểu kiến tiêu thụ bởi tải:

Tách phần thực và phần ảo ta có:

Khử

ở, ta có:

14


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Ta có 2 nghiệm của phƣơng trình là:
√
Để 2 nghiệm là nghiệm thật:
Rút gọn hệ phƣơng trình ta có:
Ta có thể viết lại:
(

)

Nếu ta giả sử rằng chỉ có cơng suất phản kháng đƣợc truyền trên đƣờng dây
( =0) thì giới hạn truyền tải công suất phản kháng trên đƣờng dây là:

Tƣơng tự giả sử đƣờng dây chỉ truyền tải công suất tác dụng ( =0) thì giới hạn
cơng suất tác dụng truyền tải trên đƣờng dây là:

Trong hệ thống điện, trƣờng hợp công suất tối đa đƣợc truyền đi đƣợc định
nghĩa là công suất ngắn mạch. Cơng suất ngắn mạch đƣợc tính tốn dựa vào cấp điện
áp và trở kháng của hệ thống. Trƣờng hợp công suất truyền tải đạt tối đa chỉ xảy ra khi
có sự cố và khơng xuất hiện khi hệ thống hoạt động bình thƣờng. Trong ví dụ trên,
cơng suất ngắn mạch tại nút tải là:

Ta có thể nhận thấy giới hạn công suất tác dụng bằng một phần 2 công suất

ngắn mạch, trong khi giới hạn công suất phản kháng bằng một phần tƣ công suất ngắn
mạch. Do đó ta kết luận khơng dễ để truyền tải lƣợng lớn công suất phản kháng lên
đƣờng dây so với công suất tác dụng. Nguyên nhân là vì bản chất vật lý của hệ thống
điện và ví dụ trên cũng chứng minh sự cần thiết của việc thêm các nguồn cung cấp
công suất phản kháng khác vào lƣới. Nếu công suất phản kháng đƣợc cung cấp ở gần
tải hoặc ngay tại tải thì sẽ giảm đƣợc gánh nặng cho hệ thống điện
15


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

2.1.3. Bù cơng suất phản kháng giúp tăng khả năng truyền tải công suất
tác dụng:
Nhƣ ở mục (2.1.2), ta thấy sự khó khăn trong việc truyền tải công suất phản
kháng. Mục (2.1.1) cũng chỉ ra rằng truyền tải công suất phản kháng làm tăng sự tổn
thất trong hệ thống. Vì thế, ta mong muốn rằng nguồn cung cấp công suất phản kháng
đặt càng gần nguồn càng tốt. Việc thêm các nguồn cung cấp công suất phản kháng vào
hệ thống cũng giúp tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng.
Một cách để thêm nguồn cung cấp công suất phản kháng vào hệ thống là lắp đặt
tụ bù ngang. Một tụ bù ngang cung cấp lƣợng cơng suất phản kháng là:
Trong đó

là điện nạp của tụ và V là điện áp đặt lên tụ

Để mô tả làm cách nào tụ bù ngang có thể làm tăng khả năng truyền tải công
suất tác dụng, ta cùng xét ví dụ sau. Ta xét một hệ thống điện đơn giản nhƣ hình:

Hình 2.3: Hệ thống điện đơn giản gồm nguồn áp lý tƣởng, đƣờng dây truyển tải và tải

Trong hệ thống trên, tải

đƣợc cấp điện bởi nguồn áp , thơng qua đƣờng dây

truyền tải đƣợc mơ hình hóa bởi một trở kháng . Dòng điện đi trên đƣờng dây là:

Ta có cơng suất tác dụng cấp cho tải:

Ta giả sử tải có hệ số cơng suất là

ta có:

Thế vào ta đƣợc:

Và công suất tác dụng cáp cho tải:
16


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Nếu ta chỉ xét đến điện kháng đƣờng dây và bỏ qua điện trở đƣờng dây (
ta có thể tính đƣợc cơng suất tác dụng tốt đa có thể truyền tải với
Nếu ta nối tải

)

khơng thay đổi.

vào ta đƣợc:

Ta sẽ có đƣợc cơng suất tác dụng tối đa đƣợc truyền tải trên đƣờng dây với
không thay đổi.
Thế vào, ta đƣợc giới hạn truyền tải công suất tác dụng:

Điện áp tƣơng ứng tại tải là:
√ √
Trong những ví dụ trên, ta mơ hình hóa đƣờng dây bởi một trở kháng . Bây
giờ hãy mở rộng mơ hình hóa đƣờng dây bằng “mơ hình ᴨ” và gắn thêm điện nạp.

Hình 2.4: Hệ thống điện đƣợc mơ hình hóa bằng mơ hình π và một tụ điện mắc song song với tải

Trong hình, điện náp
là điện nạp của tụ điện.

mơ phỏng điện dung hình thành bởi dây dẩn với đất và
và

là công suất tác dụng và công suất phản kháng cung

cấp cho tải.
Ta có điện áp Thevenin và tổng trở Thevenin:

Thế vào, ta có:

17

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

√ √

√ √

So sánh và, ta thấy đƣợc công suất tác dụng đƣợc truyền đi và điện áp tăng với
cùng

. Thêm các nguồn cung cấp công suất phản kháng cũng sẽ làm tăng giới hạn

cơng suất tác dụng. Tuy nhiên nó cũng làm tăng điện áp tại tải. Sự quá áp có thể gây ra
các vấn đề (ví dụ nhƣ gây hƣ hỏng thiết bị, cách điện, …) nên cần phải đƣợc giám sát
chặt chẽ và cần đƣợc xét đến trong quá trình thiết kế và vận hành lƣới điện.
2.2.

Các dạng ổn định của hệ thống điện:

Hình 2.5: Các dạng ổn định của hệ thống

Có nhiều ngun nhân gây mất ổn định, thậm chí gây ra tình trạng tan rã hệ
thống điện, và ổn định góc rotor là mối quan tâm hàng đầu trong việc nghiên cứu ổn
định hệ thống điện. Vì vậy nội dung đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về vấn đề này.
2.3.

Ổn định góc rotor:

18

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Ổn định góc rotor là khả năng mà các máy phát đƣợc kết nối vào hệ thống điện
vần giữ đƣợc sự đồng bộ hóa sau khi xuất hiện những nhiễu loạn xảy ra trong hệ thống.
Và nó phụ thuộc vào khả năng duy trì (hoặc phục hồi) sự cân bằng giữa momen cơ và
momen điện của mỗi máy phát trong hệ thống. Sƣ mất ổn định có thể làm tăng sự dao
động của góc rotor máy phát và khiến các máy phát này mất sự đồng bộ hóa với các
máy phát khác.
Ở trạng thái xác lập, có sự cân bằng giữa momen cơ (đầu vào) và momen điện
(đầu ra), và tốc độ quay của các máy phát đƣợc xem nhƣ không đổi. Nhƣng khi hệ
thống điện xuất hiện các xung nhiễu, thì sự cân bằng bị phá vỡ, dẫn đến sự tăng tốc
hoặc giảm tốc của rotor máy phát. Nếu một máy phát quay nhanh hơn máy phát khác,
góc rotor tƣơng đối của máy phát quay nhanh hơn đối máy phát quay chậm hơn sẽ có
xu hƣớng tăng. Và sự chênh lệch góc rotor 2 máy phát này dẫn đến sự “dịch chuyển”
tải từ máy phát có tốc độ thấp sang máy phát có tốc độ cao. Điều này dẫn đến sự chênh
lệch tốc độ và góc rotor giữa hai máy phát sẽ giảm dần. Mối quan hệ cơng suất - góc
rotor là phi tuyến. Khi quá giới hạn xác định, góc rotor tƣơng đối giữa hai máy phát
tăng dẫn tới việc công suất điện truyền đi giảm dẫn tới hệ quả là góc rotor tƣơng đối
càng tăng. Và sự mất ổn định sẽ xảy ra nếu hệ thống khơng có khả năng tiêu hao phần
động năng sinh ra do sự chênh lệch tốc độ của các rotor máy phát. Sự mất mất đồng bộ
có thể xảy ra giữa một máy phát với các máy phát còn lại, hoặc giữa các tổ máy phát.
Sự thay đổi của momen điện từ của máy phát trong q trình dao động có thể
đƣợc giải quyết thơng qua 2 thành phần:
 Thành phần momen đồng bộ
 Thành phần momen cản
Sự ổn định của hệ thống điện tùy thuộc vào 2 thành phần kể trên. Nếu momen

đồng bộ không đủ sẽ dẫn sự mất ổn định không chu kỳ, trong khi đó nếu thiếu hụt
momen cản sẽ dẫn đến sự mất ổn định có chu kì.
Để thuận tiện cho việc phân tích có đƣợc cái nhìn sâu hơn vào bản chất của sự
ổn định. ổn đinh góc rotor đƣợc chia thành 2 hƣớng nghiên cứu:
 Ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ: quan tâm tới khả năng hệ thống điện
có thể duy trì đƣợc sự đồng bộ dƣới sự tác động của các nhiễu nhỏ. Khi
nhiễu đƣợc xem là nhỏ thì hệ thống đƣợc xem nhƣ là tuyến tính
19


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

o Ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ phụ thuộc cào trạng thái làm
việc ban đầu của hệ thống. Sự mất ổn định sẽ có 2 dạng:
 Góc rotor tăng và dao động khơng có chu kỳ do sự thiếu
hụt của momen đồng bộ
 Góc rotor dao động có chu kì với biên độ ngày càng tăng
do sự thiếu hụt momen cản
o Với hệ thống điện ngày nay, ổn định góc rotor khi có nhiễu nhỏ
thƣờng liên quan đến sự thiếu hụt momen cản. Tình trạng góc
rotor dao động khơng có chu kỳ đã gần nhƣ đƣợc khắc phục bằng
những bộ điều áp của máy phát; tuy nhiên tình trạng này vẫn có
thể xảy ra khi các máy phát với kích từ khơng đổi đƣợc vận hành
dƣới sự điều tiết của các bộ giới hạn kích từ
o Vấn đề ổn định góc rotor khi có nhiều nhỏ có thể mang tính “địa
phƣơng” hoặc “toàn cầu”. Vấn đề “địa phƣơng” liên quan đến
một phần nhỏ của hệ thống, và thƣờng liên quan tới sự dao động
góc rotor của các máy phát trong một nhà máy với các máy phát

khác trong hệ thống. Lúc này sự ổn định tùy thuộc vào hệ thống
truyền tải, các bộ điều khiển kích từ máy phát và đầu ra của nhà
máy
o Vấn đề “toàn cầu” thƣờng gây ra bởi sự liên quan giữa các tổ máy
lớn và có hiệu ứng lan truyền. Chúng liên quan tới sự dao động
của góc rotor tƣơng đối giữa tổ máy phát này các tổ máy phát ỏ
khu vực khác. Các đƣờng đặc tuyến rất phức tạp và rất khác so
với khi chỉ xảy ra với tính chất “địa phƣơng”
o Với ổn định góc rotor tín hiệu nhỏ sẽ tập trung vào khoảng thời
gian 10-20s sau khi xảy ra nhiễu
 Ổn định góc rotor khi có nhiễu lớn hay ổn định quá độ góc rotor, quan
tâm đến khả năng hệ thống duy trì đƣợc sự đồng bộ khi có các nhiễu lớn
xảy ra trong hệ thống, ví dụ nhƣ ngắn mạch trên đƣờng dây truyền tải.
Các nhiễu này sẽ làm cho góc rotor biến động đáng kể và lúc này hệ
thống khơng cịn đƣợc xem nhƣ là tuyến tính nữa
20


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

o Ổn định quá độ góc rotor phụ thuộc vào cả tình trạng làm việc của
hệ thống trƣớc sự cố và độ nghiêm trọng của sự cố. Sự mất ổn
định thƣờng gây ra dạng sóng khơng có chu kỳ do sự thiếu hụt
momen đồng bộ, biểu hiện trong chu kỹ dao động đầu tiên. Tuy
nhiên trong hệ thống điện lớn, sự mất ổn định động không phải
lúc nào cũng xảy ra trong chu kỹ dao động đầu tiên; thay vào đó
sự mất đồng bộ xảy ra do sự hiện tƣợng chồng chất. Đây là kết
quả của tính chất phi tuyến của hệ thống

o Với ổn định quá độ góc rotor sẽ tập trung vào khoảng thời gian 35s sau khi xảy ra sự cố và có thể lên đến 15-20s đối với những hệ
thống lớn
2.4.

Một số yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình quá độ:
- Tình trạng làm việc của hệ thống trƣớc khi xảy ra sự cố
- Thời gian các thiết bị bảo vệ tác động loại trừ sự cố ra khỏi hệ thống điện
- Các thông số của máy phát (nhƣ điện kháng quá độ, hằng số quán tính, …)
- Điện kháng đẳng trị của hệ thống sau khi xảy ra sự cố
- Hệ thống kích từ của máy phát

2.5.

Các phƣơng pháp toán nghiên cứu ổn định hệ thống điện:
Trong phần trên, khi đƣa ra khái niệm về ổn định tín hiệu nhỏ (ổn định tĩnh)

đƣợc mơ tả nhƣ một tính chất của trạng thái cân bằng. Trạng thái cân bằng ổn định
tĩnh nếu ở đó hệ thống có khả năng duy trì độ lệch nhỏ của các thơng số dƣới tác động
của các xung nhiễu bé. Còn ổn định động gắn liền với những kích động lớn làm mất
cân bằng cơng suất đáng kể. Quá trình quá độ diễn ra đối với một kích động lớn cụ thể
nào đó đƣợc coi là ổn định nếu quá trình dao động tắt dần đến một trạng thái xác lập
mới. Hệ thống điện lúc đó đƣợc coi là có tính ổn định động. Các khái niệm tƣơng tự về
ổn định đối với các hệ thống vật lý nói chung cũng đã đƣợc nghiên cứu từ rất sớm.
Tồn tại những định nghĩa theo toán học và các tiêu chuẩn đáng giá sự ổn định của hệ
thống điện. Hãy sơ lƣợc một vài tiêu chuẩn đã đƣợc vận dụng để nghiên cứu ổn định
của hệ thống điện.
2.5.1. Phƣơng pháp diện tích:
Xét một hệ thống điện đơn giản với phƣơng trình chuyển động rotor:
21

Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Với Pa đƣợc gọi là cơng suất tăng tốc
Nhân hai vế phƣơng trình trên với 2(d𝛅/dt) và lấy tính phân sẽ cho ra:
∫
Hệ thống sẽ ổn định nếu tại một thời điểm nào đó có d𝛅/dt = 0 và mất ổn định
nếu d𝛅/dt > 0 trong một khoảng thời gian đủ lớn.
Nhƣ vậy hai điều kiện sau là tƣơng đƣơng:
∫

Hệ thống ổn định nếu diện tích dƣới Pa giảm tới 0 tại một giá trị nào đó của 𝛅
(hay diện tích tăng tốc phải bằng diện tích hãm tốc) nghĩa là phần diện tích dƣơng
bằng phần diện tích âm.
Sau đây sẽ khảo sát một vài áp dụng của tiêu chuẩn diện tích
2.5.1.1.

Tăng cơng suất cơ đột ngột trên máy phát:

Xét công suất cơ tăng đột ngột từ PT0 tới PT1 nhƣ hình

Hình 2.6: Diện tích tăng tốc và hãm tốc khi có ổn định

22


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Hình 2.7: Diện tích tăng tốc và hãm tốc trƣờng hợp giới hạn ổn định

Tại điểm a do PT1 – P > 0 nên rotor tăng tốc và tốc độ ω lớn hơn tốc độ đồng bộ.
Tại thời điểm b tuy có sự cân bằng công suất, tuy nhiên do ω > ω0 nên góc tiếp tục
tăng. Sau điểm b thì Pa < 0 và bắt đầu quá trình hãm tốc. Tại c khi tồn bộ động năng
tích lũy trong q trình tăng tốc đã tiêu tán hết thì tốc độ bằng đồng bộ: Saa’b = Sbcc’.
Do tại c khơng có sự cân bằng công suất nên máy phát lại giảm tốc (Δω < 0), hay góc
rotor bắt đầu giảm. Sau một vài dao động, do ma sát, góc sẽ đạt giá trị 𝛅b và máy phát
làm việc ở điểm cân bằng mới là điểm b.
Nếu tăng cơng suất cơ tói giá trị PT2 sao cho Stt = Shtmax (tức Sbef nhƣ trên hình :
thì tại f, do diện tích tăng tốc Stt bằng với diện tích hãm tốc Sht (Sbef) nên ω = ω0 và do
đó có sự cân bằng cơng suất nên điểm f sẽ là điểm làm việc mới. Tuy nhiên f là điểm
làm việc khơng ổn định. Chỉ cần có nhiễu nhỏ tác động là 𝛅 sẽ thay đổi và không quay
về giá trị băn đầu là 𝛅f. Trƣờng hợp này gọi là hệ thống đang làm việc trên ranh giới
ổn định.

23


Khóa luận tốt nghiệp

SVTH: Trần Quang Minh

Hình 2.8: Stt > Sht max trƣờng hợp mất ổn định

Nếu trên hình ký hiệu Sbcf là diện tích hãm tốc lớn nhất có thể Shtmax thì khi Stt
< Shtmax sẽ có ổn định. Ở trƣờng hợp tƣơng ứng với hình ta có: Stt = Shtmax.
Nếu giả sử công suất cơ tăng tới PT3 sao cho: Stt > Shtmax, khi đó tại f, do năng

lƣợng tích lũy trong q trình tăng tốc vẫn chƣa tiêu tán hết nên ω0 vẫn lớn hơn ω , khi
đó P < PT3 nên rotor tiếp tục tăng tốc và hệ mất ổn định
Vậy điều kiện ổn định là:
Stt = Sht
2.5.1.2.

Ảnh hƣởng thời gian cắt ngắn mạch:

Xét hệ thống điện nhƣ hình:

Hình 2.9: Sơ đồ khảo sát ảnh hƣởng của thời gian cắt ngắn mạch của máy cắt 2

Giả sử trƣớc khi xảy ra ngắn mạch ba pha thì đƣờng dây 2 đang ở tình trạng
khơng tải và đƣờng đặc tính cơng suất - góc nhƣ trên hình. Ngắn mạch ba pha xảy ra ở
đầu đƣờng dây 2 nên có thể coi cơng suất điện giảm tới giá trị 0 (điểm b trên hình) và
rotor bắt đầu tăng tốc. Tại c, máy cắt tác động cắt ngắn mạch và tại điểm d đƣờng đặc
24