Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song

..

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

NGUYỄN THỊ THU HIỀN

Đề tài: Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của Hệ
thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song.

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Thị Nguyệt Hạnh

Hà Nội – Năm 2011


Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính
ổn định động của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song
song” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung trong luận văn có tham

khảo, sử dụng các tài liệu, thơng tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và các
trang web theo danh mục tài liệu của luận văn. Các số liệu, kết quả trình bày trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào trước
đây.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Thu Hiền

1


Đại học Bách Khoa Hà Nội

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và hồn thiện luận văn này, tơi đã nhận được
sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, đồng nghiệp và các
bạn. Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tơi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân
thành tới:
Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, Bộ môn Hệ thống điện trường
Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi trong q
trình học tập và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với cơ giáo TS. Nguyễn Thị
Nguyệt Hạnh, người đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo tơi trong suốt q trình thực
hiện và hồn thành luận văn này.
Mặc dù đã có sự cố gắng, nhưng vì thời gian và trình độ cịn hạn chế nên
bản luận văn không thể tránh khỏi nhưng thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự
góp ý chân thành của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để có thể bổ
sung và hồn thiện hơn trong quá trình nghiên cứu vấn đề này.
Hà Nội, ngày 26 tháng 3 năm 2011
Tác giả

Nguyễn Thị Thu Hiền

2


Đại học Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................... 10
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN .................................... 12
T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

1.1. Chế độ của hệ thống điện:........................................................................... 12
1.2. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ .............. 16
T
0
3

T
0
3

T

0
3

T
0
3

1.3. Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ ................................................ 18
T
0
3

T
0
3

1.3.1. Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh ..................... 18
1.3.2. Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thống qua .............................. 19
T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

1.3.3. Điều Chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp ................................................ 20
1.3.4. Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện
...................................................................................................................... 22
1.4. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động ................................................ 23
1.4.1. Phương pháp tích phân số................................................................... 25
1.4.2. Phương pháp diện tích ........................................................................ 27
Kết luận:............................................................................................................ 29
Chương 2
T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0

3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

T
0

3

THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ
THỒNG ĐIỆN GỒM HAI NHÀ MÁY ĐIỆN LÀM VIỆC SONG SONG ............ 30
2.1. Tổng quan .................................................................................................. 30
2.2. Cơ sở lý thuyết của thuật toán..................................................................... 31
2.3. Thuật toán .................................................................................................. 34
2.3.1. Phương pháp nghiên cứu thuật toán:.................................................... 35
2.3.2. Sơ đồ thuật toán điều khiển ................... Error! Bookmark not defined.
2.3.3. Các thông số sơ đồ: ............................................................................. 39
2.3.4. Nguyên lý điều khiển: ......................................................................... 39
Kết luận:............................................................................................................ 40
Chương 3
GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN
MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS /E............................................................... 42
3.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 42
3.2. Giới thiệu chương trình PSS /E .................................................................. 43
3.3. Mơ phỏng các phần tử chính trong hệ thống điện........................................ 44
T
0
3

T
0
3

30T

T
0

3

T
0
3

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0

3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

30T

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

T
0
3

3


Đại học Bách Khoa Hà Nội

3.3.1. Nút ...................................................................................................... 44
3.3.2. Nhánh.................................................................................................. 46
3.3.3 Máy biến áp ......................................................................................... 47
T
0
3

30T

T
0
3

30T

T
0
3

30T

3.4. Các bước tính tốn mơ phỏng động HTĐ sử dụng chương trình PSS/E ...... 48
T
0
3

T
0
3

3.4.1. Tính chế độ xác lập ............................................................................. 49
T
0
3

T
0
3

3.4.2. Số liệu động. ....................................................................................... 49
3.4.3 Chạy chương trình mơ phỏng ............................................................... 50
3.4.4 Phân tích ổn định động ......................................................................... 52
T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

Kết luận:............................................................................................................ 53
Chương 4
T
0
3

30T

T
0
3

30T

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐIỆN ĐỂ TĂNG TÍNH
T
0

3

ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN GỒM HAI NHÀ MÁY ĐIỆN LÀM
VIỆC SONG SONG SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E .................................. 54
4.1.Thông số hệ thống điện ............................................................................... 54
T
0
3

T
0
3

30T

4.1.1. Sơ đồ hệ thống điện: ............................................................................ 54
4.1.2. Sơ đồ rút gọn: ..................................................................................... 57
4.2. Chế độ xác lập ............................................................................................ 58
4.3.Tính tốn ổn định động ................................................................................ 60
4.3.1. Mơ hình và số liệu tính tốn ổn định động trong PSS/E ....................... 60
T
0
3

T
0
3

T
0

3

30T

T
0
3

30T

T
0
3

30T

T
0
3

T
0
3

4.3.2. Quá trình quá độ khi khơng áp dụng thuật tốn điều khiển máy cắt điện.
...................................................................................................................... 62
4.3.3. Kết quả tính tốn khi sử dụng thuật toán điều khiển máy cắt điện. ....... 69
Kết luận:............................................................................................................ 95
KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................ 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 97

PHỤ LỤC.............................................................................................................. 98
T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

T
0
3

30T

T
0
3

30T

T

0
3

T
0
3

30T

30T

4


Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

TT

Chữ viết tắt

Ý nghĩa của cụm từ viết tắt

1

MBA

Máy biến áp

2

HTĐ

Hệ thống điện

3

CĐXL

Chế độ xác lập

4

QTQĐ

Quá trình quá độ

5

TĐK

Tự động điều chỉnh kích từ

6

TĐT

Tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin

7

COI

Center of inertia

8

PSS/E

Power System Simulation / Engineering

5


Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Tên bảng

TT

Trang

1

Bảng 4.1 Thông số máy phát

54

2

Bảng 4.2 Thông số máy biến áp

55

3

Bảng 4.3 Thông số đường dây

55

4

Bảng 4.4 Thông số tải

56

5

Bảng 4.5 Kết quả tính tốn tại nút 2

57

6

Bảng 4.6 Kết quả tính tốn tại nút 3

58

7

Bảng 4.7 Kết quả tính tốn tại nút máy phát hệ thống 1

58

8

Bảng 4.8 Kết quả tính tốn tại nút máy phát hệ thống 2

58

9

Bảng 4.9 Dữ liệu máy phát thủy điện

60

10

Bảng 4.10 Tự động kích từ máy phát thủy điện

60

11

Bảng 4.11 Điều tốc máy phát thủy điện

60

12

Bảng 4.12 Thông số máy phát tuabin hơi

59

13

Bảng 4.13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện

60

14

Bảng 4.14 Điều tốc máy phát nhiệt điện

61

6


Đại học Bách Khoa Hà Nội

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

TT

Tên hình

Trang

1

Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai nhà máy điện con

31

2

Hình 2.2. Đồ thị góc lệch δ giữa các vecto điện áp hai hệ thống

31

3

Hình 2.3. Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ

32

4

Hình 2.4. Đặc tính cơng cuất tác dụng theo góc δ

32

5

Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song
song được liên kết bởi 2 lộ đường dây

33

6

Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (P T) và góc (δ) của hệ
thống

35

7

Hình 3.1. Mơ phỏng nút trong chương trình PSS/E

43

8

Hình 3.2. Mơ phỏng nút phụ tải trong chương trình PSS/E

44

9

Hình 3.3. Mơ phỏng nút máy phát trong chương trình PSS/E

44

10

Hình 3.4. Mơ phỏng nhánh trong chương trình PSS/E

45

11

Hình 3.5. Mơ phỏng đường dây trong chương trình PSS/E

45

12

Hình 3.6 Mô phỏng máy biến áp hai cuộn dây trong chương trình
PSS/E

46

13

Hình 3.7. Mơ phỏng máy biến áp ba cuộn dây trong chương trình
PSS/E

47

14

Hình 3.8. Sơ đồ tính tốn các bước khơng gian trạng thái

51

15

Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống điện

53

16

Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điện rút gọn

56

17

Hình 4.3 Sơ đồ thay thế hệ thống điện

57

18

Hình 4.4 Đường đặc tính công suất trên hai đường dây sau khi
cắt D 1 (t nm =0,25s)

62

R

R

R

R

R

7

R


Đại học Bách Khoa Hà Nội

19

Hình 4.5 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D 1
(t nm =0,25s)
R

R

63

R

R

20

Hình 4.6 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D 1 (t nm =0,25s)

64

21

Hình 4.7 Đặc tính cơng suất truyền tải trên hai đường dây sau khi
cắt D 1 (t nm =0,32s)

65

Hình 4.8 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D 1
(t nm =0,32s)

66

R

R

22

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

23

Hình 4.9 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D 1 (t nm =0,32s)

67

24

Hình 4.10 Thời điểm cơng suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
(t nm =0,25s)

69

Hình 4.11 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,44s
(t nm =0,25s)

70

26

Hình 4.12 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,44s (t nm =0,25s)

71

27

Hình 4.13 Đặc tính cơng suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D 2 (t nm =0,25s)

73

Hình 4.14 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D 2 bị cắt ra khỏi hệ
thống (t nm =0,25s)

74

Hình 4.15 Đường đặc tính cơng suất sau khi đóng trở lại đường
dây D 2 (t nm =0,25s)

75

Hình 4.16 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D 2 (t nm =0,25s)

76

Hình 4.17 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D 2
(t nm =0,25s)

77

R

R

25

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

31

R

R

R

R

30

R

R

R

29

R

R

R

28

R

R

R

R

R

R

R

R

32

Hình 4.18 Điện áp tại nút 2 tại thời điểm t=1,9s (t nm =0,25s)

78

33

Hình 4.19 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
(t nm =0,32s)

79

Hình 4.20 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,4s
(t nm =0,25s)

80

Hình 4.21 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,4s (t nm =0,32s)

81

R

R

34

R

35

R

R

R

R

8

R


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 4.22 Đặc tính cơng suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D 2 (t nm =0,32s)

82

Hình 4.23 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D 2 bị cắt ra khỏi hệ
thống (t nm =0,25s)

83

Hình 3.24 Đường đặc tính cơng suất sau khi đóng trở lại đường
dây D 2 lần 1 (t nm =0,32s)

84

Hình 4.25 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D 2 lần 1 (t nm =0,32s)

85

Hình 4.26 Thời điểm cơng suất trên đường dây liên lạc đi qua 0
sau khi đóng trở lại đường dây D 2 (t nm =0,32s)

86

Hình 4.27 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,97s
(t nm =0,32s)

88

42

Hình 4.28 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,97s (t nm =0,25s)

88

43

Hình 4.29 Đặc tính cơng suất truyền tải trên hai đường dây khi
cắt D 2 lần 2 (t nm =0,32s)

89

Hình 4.30 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D 2 bị cắt ra khỏi hệ
thống lần 2 (t nm =0,32s)

90

Hình 4.31 Đường đặc tính cơng suất sau khi đóng trở lại đường
dây D 2 lần 2 (t nm =0,32s)

91

Hình 4.32 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại
đường dây D 2 lần 2 (t nm =0,32s)

92

Hình 4.33 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D 2
lần 2 (t nm =0,32s)

93

36

R

37

R

R

R

R

R

38

R

39

R

R

R

40

R

R

R

R

R

41

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

47

R

R

R

46

R

R

R

45

R

R

R

44

R

R

R

R

R

R

R

R

R

9

R


Đại học Bách Khoa Hà Nội

PHẦN MỞ ĐẦU
Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên
thế giới do có ưu điểm quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng
khác. Hơn nữa điện năng là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, truyền tải và
sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự lớn
mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế tồn cầu hóa nền kinh tế, hệ thống

điện cũng đã, đang và sẽ hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi
quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành các hệ thống điện hợp nhất có
quy mơ lớn.
Mang đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống điện lớn, hệ thống điện Việt
Nam với trục đường dây siêu cao áp 500kV nối liền các trung tâm phụ tải với các
nhà máy có cơng suất lớn là tiền đề thuận lợi cho việc mở rộng phạm vi lưới, phát
triển nhiều loại nguồn điện để đáp ứng được nhu cầu điện khí hóa đất nước. Tuy
nhiên hệ thống điện càng lớn sẽ càng phức tạp trong việc nghiên cứu quy hoạch xây
dựng và vận hành. Ngồi những kích động nhỏ thường xun có tính chất ngẫu
nhiên, trong hệ thống điện cịn có các kích động lớn diễn ra đột ngột như các sự cố
ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây khiến mất cân bằng công suất ảnh
hưởng đến ổn định tồn hệ thống, có thể gây hậu quả nặng nề. Nên cần có các
phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện và các biên pháp nhằm ổn định và tái
đồng bộ hệ thống điện.
Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và
vận hành hệ thống điện. Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không
đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện
cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện. Chính vì vậy đã
xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác
định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển cơng
suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ
tải. Nếu như các biện pháp trên khơng đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không
đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết bị tự động sẽ chia hệ thống

10


Đại học Bách Khoa Hà Nội

điện ra làm các hệ thống con riêng biệt khơng đồng bộ. Điều này hồn tồn khơng

được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít cơng suất đặt dự trữ để
thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ
thống điện sau khi đường dây này bị cắt.
Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ
ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật tốn điều khiển chế độ khơng
đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái
lập đồng bộ hệ thống.
Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ
không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển
đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên lạc nối các hệ thống nhằm
nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện và nghiên cứu tính hiệu quả của thuật
toán này áp dụng cho hệ thống điện đơn giản.
Với các lý do và mục đích trên, bản luận văn có nội dung chính như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về ổn định hệ thống điện và các phương pháp nâng
cao ổn định động hệ thống điện
Chương 2: Trình bày thuật tốn điều khiển máy cắt để tăng tính ổn định hệ thống
điện.
Chương 3: Giới thiệu phần mềm PSS/E
Chương 4: Nghiên cứu thuật toán điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định
động của hệ thống điện gồm hai nhà máy điện làm việc song song sử
dụng chương trình PSS/E.

11


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1. Chế độ của hệ thống điện:

Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm
việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là
chế độ của hệ thống điện.
Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính:
chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thơng số của
hệ thống khơng thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên
nhỏ xung quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ
thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ
thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau
sự cố). Ở các chế độ xác lập sau sự cố thơng số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi
trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục.
Ngồi chế độ xác lập cịn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thống điện. Đó
là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế
độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang
cơng suất (những kích động lớn). Chế độ quá độ được gọi là chế độ q độ bình
thường nếu nó tiến tới chế độ xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số của
hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp
theo ít thay đổi. Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến
thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vơ hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ khi đó gọi
là chế độ quá độ sự cố. Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải
đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế
độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ
cơ bản làm việc của hệ thống điện.
Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng cơng suất các máy phát chạy với tốc
độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0. Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột
12


Đại học Bách Khoa Hà Nội

ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá
lớn làm mất cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột. Chế độ xác lập tương
ứng bị dao động mạnh, khi đó cơng suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì,
trong khi cơng suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo
chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện
gia tốc làm thay đổi góc lệch roto.
Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định
động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau những kích
động lớn. Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị
cắt ra đột ngột.

Hình 1.1
Cơng suất P T được coi là không đổi. Công suất điện từ của máy phát phụ
R

R

thuộc vào góc lệch điện áp δ.

13


Đại học Bách Khoa Hà Nội

P(δ) =

E.U
.sinδ=Pm sinδ
XH

Trong đó X H = X F + X B + X D/2
R

R

R

R

R

R

R

(1.1)

R

Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ P T của
R

R

tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1). Hệ thống làm việc tại
điểm cân bằng a. Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống X H
R

R

tăng lên đột ngột làm cho đặc tính cơng suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2).
Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’ 01 (điểm cân
R

R

bằng ổn định tĩnh). Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’ 01 là chế độ quá độ, diễn ra theo
R

R

R

R

đặc tính động của hệ thống. Q trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’ 01
R

R

hoặc khơng, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu,
do qn tính của roto máy phát, góc lệch δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của
máy phát chuyển từ a → b. Công suất điện từ P T > P(δ) làm máy phát quay nhanh
R

R

lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c. Đến thời điểm góc lệch bằng
δ’ 01 thì tương quan cơng suất trở nên cân bằng. Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng
R

R

do qn tính. Thực chất của q trình chuyển động quán tính này là là động năng
tích lũy trong roto được chuyển thành công thắng momen hãm, điểm làm việc tiếp
tục chuyển từ c→d. Đến điểm d ứng với thời điểm góc lệch bằng δ max động năng bị
R

R

giải phóng hồn tồn, góc lệch δ khơng tăng nữa – thời điểm góc lệch cực đại. Sau
thời điểm này, khơng còn động năng mà P(δ)>P T (momen hãm lớn hơn momen
R

R

phát động), do đó roto quay chậm lại góc δ giảm, điểm làm việc lúc này chuyển từ d
về c. Khi đến c do quán tính lại tiếp tục đến b. Cứ như vậy ta nhận được quá trình
dao động của góc lệch δ. Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm
cân bằng δ’ 01 của chế độ xác lập mới. Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường
R

RP

P

hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động. Phần diện tích giới hạn giữa
dặc tính P T và P(δ). Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượng
R

R

tích lũy trong roto và năng lượng hãm. Trong khoảng góc lệch δ 01 → δ’ 01 là năng
R

R

R

R

lượng tăng tốc ứng với q trình tích lũy động năng của roto và giữa góc lệch δ’ 01
R

14

R


Đại học Bách Khoa Hà Nội

→ δ max là năng lượng hãm tốc ứng với q trình giải phóng động năng roto đã tích
R

R

lũy.
Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường
dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài)
đặc tính cơng suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn. Trong trường hợp này, khi

góc lệch δ tăng nó khơng dừng lại ở trị số δmax trước khi tiến tới điểm δ’ 02 . Đó là vì
R

R

R

R

cơng hãm (tỷ lệ với phần diện tích giới hạn đường cong 2 nằm trên đường đặc tính
cơng suất tuabin P T ) nhỏ hơn động năng tích lũy trước đó của động năng máy phát
R

R

(tỷ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới P T). Sau khi vượt qua δ’ 02 tương quan công
R

R

R

R

suất lại đổi chiều P T > P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng. Dễ thấy tương quan P T >
R

R

R

R

P(δ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay
máy phát. Hơn thế nữa q trình tiếp tục tích lũy động năng vào roto, lên trị số rất
lớn. Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vơ hạn và hệ thống mất ổn định
động.
Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong
hình 1.2.

15


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.2
Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát. Trong trường hợp này đặc
tính cơng suất phản kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp
U sẽ giao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến tới 0 phụ thuộc vào tính
nặng nề của sự cố - cắt ít hay nhiều cơng suất của máy phát.
Từ các ví dụ trên cũng nhận thấy rằng sau những biến động sự cố có thể
khơng tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hệ thống. Chẳng hạn đặc tính cơng suất
phát Q F bị giảm xuống q thấp, khơng cắt đặc tính Q t . Trong các trường hợp như
R

R

R

R

vậy hiển nhiên quá trình quá độ khơng ổn định vì khơng có điểm cân bằng. Nói
khác đi sự tồn tại chế độ xác lập sau sự cố là điều kiện cần để hệ thống có ổn định
động.
Có nhiều khái niệm về ổn định động được sử dụng và các khái niệm này
khơng hồn tồn tương đương nhau. Người ta thường sử dụng định nghĩa về ổn
định động như sau đối với hệ thống điện
Ổn định động là khả năng của hệ thống sau nhưng kích động lớn phục hồi
được chế độ ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vận hành cho phép)

1.2. Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ
Khi hệ thống rơi vào mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có
tính chất hệ thống:
-

Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra làm
mất những lượng công suất lớn.

-

Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.

-

Điện áp bị giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các phụ
tải.

Hậu quả kéo theo:
-

Bảo vệ rơle tác động nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc.

-

Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải khu vực lớn, có thể dẫn
đến trạng thái tan rã hệ thống. Q trình phục hồi có thể làm ngừng cung

16


Đại học Bách Khoa Hà Nội

cấp điện trong những thời gian dài vì cần khơi phục dần lại hoạt động
đồng bộ các máy phát.
Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành
hệ thống điện cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định:
-

Hệ thống cần ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và
sau sự cố.

-

Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để hệ thống điện có thể làm việc
bình thường với các biến đổi thường xuyên các thông số chế độ.

-

Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao thác vận
hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động

có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp
thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử khơng quan trọng).

Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiểu để duy trì quá trình sản
xuất và truyền tải điện năng đối với hệ thống điện. Ngồi ra, cịn hàng loạt những
chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo. Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa
dao động thơng số trong q trình q độ, thời gian tồn tại quá trình quá dộ diễn ra
đủ ngắn.

17


Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.3. Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ
1.3.1. Cắt ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ tác động nhanh

Hình 1.3

Hình 1.4

Cắt nhanh ngắn mạch là biện pháp hiệu quả và được áp dụng phổ biến để cải
thiện ổn định động hệ thống. Hiệu quả của phương pháp này dễ dàng giải thích bởi
việc làm giảm được thời gian gia tốc cho roto các máy phát. Khi đó, đồng thời với
việc làm giảm diện tích gia tốc cịn có thể làm tăng diện tích hãm tốc. Như vậy cắt
nhanh ngắn mạch làm tăng được khả năng truyền tải công suất trên đường dây theo
giới hạn ổn định động
Bằng phương pháp diện tích cũng có thể xây dựng quan hệ giữa giới hạn ổn
định động với thời gian tồn tại ngắn mạch. Kết quả cho thấy giới hạn công suất
truyền tải giảm khá nhanh theo thời gian tồn tại ngắn mạch (hình 1.4). Đối với hệ

thống phức tạp không thể sử dụng được phương pháp diện tích để phân tích như
trên vì q trình quá độ sau ngắn mạch diễn ra phức tạp hơn. Tuy nhiên, dễ nhận
thấy rằng, khi thời gian tồn tại ngắn mạch giảm thì năng lượng tồn phần gây ra bởi
kích động cũng giảm, hạn chế chuyển mạch quá độ dẫn đến mất ổn định động. Đó
cũng là cơ sở để kết luận định tính nói chung cho hiệu quả các thiết bị bảo vệ cắt
nhanh ngắn mạch về phương diện nâng cao tính ổn định động hệ thống.

18


Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.3.2. Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thống qua

Hình 1.5

Hình 1.6

Thiết bị tự động đóng trở lại đường dây bị cắt ra do ngắn mạch thường được
áp dụng khá rộng rãi do xác xuất xảy ra ngắn mạch thoáng qua tương đối lớn.
Chẳng hạn, đường dây bị ngắn mạch do phóng điện sét sẽ khơng cịn sự cố sau khi
cắt nhanh ra khỏi nguồn một thời gian ngắn (đủ để hồ quang bị dập tắt). Sau đó nếu
đường dây được đóng trở lại nó sẽ làm việc bình thường. Ngồi ý nghĩa tăng cường
độ tin cậy cung cấp điện, việc thực hiện đóng lại đường dây (1 lần hay nhiều lần),
nếu thành công cịn có ý nghĩa nâng cao ổn định động. Trên hình 1.5 và 1.6 minh
họa hiệu quả đóng trở lại đường dây thành cơng theo phương pháp diện tích.
Nếu hệ thống liên kết bằng một đường dây, sau đó đóng lặp lại thành cơng
hệ thống vẫn có khả năng giữ ổn định động (Hình 1.5). Với hệ thống được liên bằng
đường dây kép, nếu đóng lại thành cơng khả năng giữ ổn định sẽ nhiều hơn vì diện
tích hãm được tăng cường (Hình 1.6). Khi thực hiện đóng lại theo từng pha (chỉ cắt

pha bị ngắn mạch) và đóng lại, nếu đóng lặp lại thành cơng (ngắn mạch thống qua)
hiệu quả còn lớn hơn nhiều.

19


Đại học Bách Khoa Hà Nội

1.3.3. Điều chỉnh kích từ và động cơ sơ cấp
Điều chỉnh kích từ máy phát có hiệu quả rõ rệt đối với ổn định tĩnh, đặc biệt
khi áp dụng hệ thống kích từ nhanh với TĐK tác động mạnh. Tuy nhiên khi diễn ra
quá trình quá độ đối với kích động lớn TĐK rất ít tác dụng. Vấn đề ở chỗ TĐK
được cấu tạo trên cơ sở mơ hình tuyến tính (xuất phát từ hệ phương trình vi phân đã
tuyến tính hóa) cịn q trình quá độ diễn ra với kích động lớn lại rất phi tuyến.
Cũng vậy, cơ cấu tự động điều chỉnh tần số của tuabin vốn có tại các tổ máy, được
thiết kế không theo yêu cầu nâng cao ổn định động. Hiệu quả nâng cao ổn định
động chỉ có thể có được khi điều khiển kích từ và động cơ sơ cấp bằng quy luật
riêng. Về ngun tắc ln có thể chọn được các quy luật điều khiển với tác động tối
ưu.
Ví dụ khi điều khiển tuabin bằng một xung tác động vào động cơ sơ cấp
nhằm nâng cao ổn định động hệ thống trong tình huống sự cố ngắn mạch. Diện tích
gia tốc có thể giảm được nếu có thể giảm nhanh công suất tuabin đến trị số cân
bằng. Muốn vậy ta tạo ra một xung với biên độ cực đại theo chiều làm giảm độ mở
của cửa hơi ngay khi xảy ra ngắn mạch. Quán tính của động cơ sơ cấp và qn tính
giãn nở hơi làm cơng suất tuabin chỉ gảm được từ từ theo quy luật hàm mũ. Hình
1.7 thể hiện hiệu quả của tác động xét theo phương pháp diện tích.

20

Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.7
Trong trường hợp đang xét hệ thống sẽ bị mất ổn định nếu không điều khiển
hạ thấp cơng suất tuabin. Khi có điều khiển khơng những diện tích hãm tăng lên mà
diện tích gia tốc cũng giảm đi một lượng. Hệ thống giữ được ổn định với góc cắt
ngắn mạch δN khá lớn. Tuy nhiên góc lệch δ bị giao động mạnh, bởi quá trình trở về
R

R

R

R

cơng suất điện lớn hơn đáng kể so với công suất tuabin. Dễ thấy rằng nếu xung điều
khiển bị kéo dài dao động diễn ra sẽ lớn hơn nhiều so với khi lựa chọn thích hợp.
Hơn nữa, yếu tố qn tính chuyển động của xu-pap đóng mở cửa hơi có ảnh hưởng
tương đối nhiều đối với hiệu quả điều khiển. Nếu qn tính q lớn sẽ khơng cịn
tác dụng nữa. Việc giảm cơng suất tuabin nước có thêm khó khăn khác là xung
động sẽ rất mạnh khi khép đột ngột cửa nhận nước. Để giải quyết khó khăn này
người ta đã nghiên cứu kiểu cấu tạo riêng cửa nhận nước giành cho mục đích nêu
trên. Một buồng chân khơng được khóa kín nối liên thơng với hệ thống ống dẫn
nước vào. Khi có tín hiệu điều khiển, cửa van được mở đột ngột, nước từ đường dẫn

21


Đại học Bách Khoa Hà Nội

chính dồn vào bình chân không, cắt lượng nước chảy vào tuabin. Sau sự cố trạng
thái chân khơng của bình lại được khơi phục sẵn sàng chờ lần sự cố tiếp theo.
Về nguyên lý, thực hiện kích thích cường hành (điều khiển trực tiếp điện áp
kích từ) với chiều dài thời gian thích hợp cũng có thể tạo ra hiệu quả làm tăng
momen hãm tương tự điều khiển cửa hơi (hoặc nước). Tuy nhiên, quán tính điện từ
của cuộn roto khá lớn nên hiệu quả không cao (do momen điện từ thay đổi chậm).
1.3.4. Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện
Các đường dây điện áp siêu cao thường được bù thơng số. Mục đích chủ yếu
của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải và san bằng điện áp phân bố
dọc đường dây. Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh tăng lên do bù dọc
làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện kháng đường dây). Một cách gián tiếp giới
hạn ổn định động cũng được tăng do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Tuy nhiên, ổn định động hệ thống cịn có thể cải thiện đáng kể nếu đặt thiết bị bù có
điều khiển. Đặc điểm quan trọng của các thiết bị bù cấu tạo với thyristor là có tác
động điều khiển (làm thay đổi điện kháng) gần như tức thời, do đó hiệu quả điều
khiển rất cao. Kháng bù ngang có điều khiển thường được dùng nguồn cung cấp
công suất phản kháng điều chỉnh nhanh cho mục đích ổn định điện áp, nâng cao ổn
định tĩnh, cịn thiết bị bù dọc có điều khiển thường dùng vào mục đích giảm dao
động cơng suất và nâng cao ổn định động. Hình 1.8 minh họa hiệu quả nâng cao
giới hạn ổn định động và giảm biên độ dao động góc lệch (cũng có nghĩa là giảm
dao động cơng suất) giữa hai hệ thống liên kết đường dây dài có tụ bù dọc và bù
ngang tại điểm giữa.
Sau khi cắt đoạn đường dây bị ngắn mạch, nếu không điều khiển dung lượng
bù điện dẫn liên kết hệ thống có trị số y 0 . Khả năng tăng cường điện dẫn lên y max
R

R

R

R

hoặc giảm xuống y min có thể thực hiện bằng cách điều khiển tụ bù dọc. Dễ nhận
R

R

thấy, thời điểm đóng cắt thay đổi dung lượng bù có ý nghĩa hết sức quan trọng. Tác
động sai sẽ rất ít hiệu quả, thậm chí có thể làm tăng thêm dao động dẫn đến làm mất
ổn định hệ thống.

22


Đại học Bách Khoa Hà Nội

Hình 1.8

1.4. Các phương pháp nghiên cứu ổn định động
Việc tính tốn kiểm tra điều kiện ổn định động là hết sức cần thiết cho việc
xây dựng và vận hành an toàn lưới điện, đặc biệt là giải quyết bài toán thời gian
thực, đánh giá ổn định nhanh và chính xác để phục vụ thao thác điều khiển. Có
nhiều phương pháp phân tích ổn định động, chúng được nghiên cứu và ứng dụng
với nhiều kiểu hệ thống khác nhau. Để tính tốn ổn định động cần dựa vào hệ

23


Đại học Bách Khoa Hà Nội

phương trình vi phân mơ tả q trình q độ, do đó có các mơ hình khác nhau mơ tả
hệ thống: mơ hình đơn giản bỏ qua ảnh hưởng quá trình quá độ bên trong các bộ tự
động điều chỉnh và mơ hình đầy đủ xét đến cấu trúc cụ thể của các thiết bị này. Mỗi
trường hợp có thể áp dụng các phương pháp phân tích riêng để phân tích tính ổn
định động. Việc lựa chọn hợp lý phương pháp nghiên cứu sẽ cho phép đánh giá
đúng và đơn giản nhất các đặc trưng của quá trình quá độ. Khác với ổn định tĩnh,
các phương trình vi phân ban đầu khơng có khả năng tuyến tính hóa. Đó là vì các
kích động lớn q trình q độ diễn ra có các thơng số thay đổi mạnh, trên phạm vi
rộng của các đặc tính phi tuyến. Nếu coi đặc tính trong phạm vi này là đoạn thẳng
sẽ mắc sai số đáng kể.
Nghiên cứu ổn định động hệ thống điện theo hệ phương trình vi phân phi
tuyến là rất khó khăn. Về nguyên tắc có thể ứng dụng phương pháp trực tiếp của
Lyapunov để kết luận tính ổn định theo miền kích động ban đầu. Miền này có thể
tính được dựa trên các yếu tố sự cố (ví dụ sự cố, thời gian tồn tại ngắn mạch ….).
Tuy nhiên có rất nhiều khó khăn trong cách thiết lập và phân tích hàm Lyapunov
theo phương trình q trình q độ của hệ thống điện. Đó cũng là lý do chủ yếu hạn
chế các ứng dụng thực tế của phương pháp này.
Phương pháp tích phân số được áp dụng phổ biến hơn cả để nghiên cứu ổn
định động hệ thống điện. Theo các thuật toán khác nhau, thực hiện tích phân số hệ
phương trình vi phân phi tuyến q trình q độ có thể xác định được đường cong
biến thiên góc lệch δ, trên cơ sở đó đánh giá được ổn định động. Ưu điểm cơ bản
của phương pháp này là tính vạn năng đối với các loại mơ hình và cấu trúc hệ thống
điện. Tuy nhiên, phương pháp tích phân số cũng có những nhược điểm rất cơ bản:
-

Địi hỏi khối lượng tính tốn lớn, thời gian tính tốn lâu, hạn chế mất hiệu
quả ứng dụng trong các bài tốn điều khiển nhanh.

-

Độ chính xác thấp khi tính q trình q độ trong thời gian dài.

-

Khó phân tích kết quả.

Đối với các hệ thống điện đơn giản xét theo mơ hình đơn giản hóa q trình
q độ phương pháp diện tích tỏ ra rất thuận tiện và hiệu quả. Trong phạm vi có thể

24