Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu ứng dụng Statcom để cải thiện ổn định quá độ hệ thống điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.26 MB, 92 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
CAO THỊ XUÂN THÙY
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ CẢI
THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
CAO THỊ XUÂN THÙY
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG STATCOM ĐỂ CẢI
THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2016
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ 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 2016
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)
Họ và tên
TT
Chức danh Hội đồng
1
TS.Huỳnh Châu Duy
Chủ tịch
2
TS.Trần Vinh Tịnh
Phản biện 1
3
PGS.TS Trương Việt Anh
Phản biện 2
4
TS.Võ Hoàng Duy
5
TS.Đặng Xuân Kiên
Uỷ 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 ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Cao Thị xuân Thùy
Giới tính: Nữ
Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1979
Nơi sinh: TP.HCM
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV: 1441830050
I- Tên đề tài:
Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định quá độ hệ thống điện
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Giới thiệu về đề tài nghiên cứu .
- Nghiên cứu tổng quan về ổn định động.
- Nghiên cứu ứng dụng STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản
kháng và nâng cao ổn định điện áp.
- Sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng đáp ứng động của STATCOM vào
hệ thống điện để điều khiển điện áp và cải thiện đáp ứng quá độ.
- Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển.
III- Ngày giao nhiệm vụ
: Tháng 12/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 06/2016
V- Cán bộ hƣớng dẫn
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
: TS. Nguyễn Hùng
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “Nghiên cứu ứng dụng
STATCOM để cải thiện ổn định q độ hệ thống điện” là cơng trình nghiên cứu của
riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Hùng.
Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, có nguồn
trích dẫn và chưa được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu khác.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
ii
LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành cuốn luận văn này, tơi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
nhất đối với TS. Nguyễn Hùng, người Thầy đã hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hướng
dẫn và cung cấp cho tơi những tài liệu vơ cùng q giá trong q trình thực hiện
luận văn.
Xin chân thành cảm ơn tập thể các Thầy Cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt tri
thức giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trường Đại Học
Công Nghệ TP.HCM.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau
đại học và khoa Điện - Điện tử Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM đã giúp đỡ,
tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong q trình học tập và làm luận văn cao học tại
trường.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học ngành “Kỹ thuật điện”
đã đóng góp ý kiến cho tơi trong q trình thực hiện luận văn này.
Trong quá trình làm báo cáo do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực
tiễn cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, tơi rất mong nhận được
ý kiến đóng góp từ Thầy, Cô để tôi học thêm được nhiều kinh nghiệm và được hồn
thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Học viên
iii
TÓM TẮT
Luận văn “Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định q độ hệ
thống điện”thiết kế mơ hình mơ phỏng của hệ thống điện, trong đó đi sâu về phân
tích ổn định quá độ hệ thống điện . Nghiên cứu các thiết bị FACTS trong đó đi sâu
vào nghiên cứu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản, mơ hình mạch động lực,
mạch điều khiển của STATCOM.
Nghiên cứu xây dựng mơ hình mạch điều khiển của bộ STATCOM để điều
khiển dòng và đi sâu nghiên cứu ảnh hưởng của bộ STATCOM trong việc đáp ứng
động vào hệ thống điện.
Luận văn đã sử dụng phần mềm Matlab để xây dựng mơ hình mơ phỏng ở
chế độ bình thường, chế độ sự cố ngắn mạch khi ứng dụng bộ STATCOM vào hệ
thống điện 500 kV Phú Mỹ - Nhà Bè – Phú Lâm, quan sát và đánh giá khả năng ổn
định điện áp của hệ thống điện do thiết bị STATCOM mang lại.
Luận văn cũng hy vọng sẽ cung cấp một cơng cụ mơ phỏng hữu ích với phần
mềm thông dụng Matlab/Smulink cho các nhà nghiên cứu, các kỹ sư, sinh viên...
trong việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị STATCOM để điều chỉnh điện áp và bù
công suất phản kháng cho hệ thống điện ở chế độ làm việc bình thường và chế độ
sự cố ngắn mạch , từ đó có thể đánh giá hiệu quả thiết thực trong việc nâng cao ổn
định điện áp và bù công suất phản kháng cho hệ thống điện do thiết bị STATCOM
mang lại
iv
ABSTRACT
The thesis “Applied research of STATCOM to improve stability of transient
power system” designs simulation model of the power system, in which analyses
deeply the stability of transient power system. The aims to study the FACTS
devices, in which studies deeply the structure and basic operating principles,
dynamic circuit model, control circuitsof STATCOM.
Research to model the control circuits of STATCOM to control the current
and study in depth the impact of STATCOM in dynamic response to the electrical
system.
The thesis used Matlab softwar to build simulation model in normal mode
and short_circuited mode when applied STATCOM into 500 kV power system.
Southern STATCOM consists of three nodes, thesis observes and evaluates voltage
stability of power system thanks to STATCOM devices.
Thesis hopes to provide a useful simulation tool with common software such
as Matlab/ Simulink for researchers, engineers, students... In the research and
application of STATCOM device to adjust the voltage
and reactive power
compensation for power systems in normal mode and short-circuit problem mode,
which can assess the practical effects in improving the stability of the voltage and
reactive power compensation resistance to electrical systems with STATCOM
device.
v
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ....................................................................................................................ii
Tóm tắt .........................................................................................................................iii
Abstract ........................................................................................................................ iv
Mục lục ......................................................................................................................... v
Danh mục các biểu đồ, đồ thị, hình ảnh .....................................................................vii
Danh mục các từ viết tắt .............................................................................................. xi
Chƣơng 1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu ........................................................... 01
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................ 01
1.2. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 02
1.3. Mục tiêu của đề tài .......................................................................................... 02
1.4. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 03
1.5. Phương pháp nghiên cứu đề tài ....................................................................... 03
Chƣơng 2.
.................................................................. 04
............................................................... 04
....................................................... 07
............................................. 12
2.4.
................................... 13
2.5.
...................... 16
2.6.
................................................... 23
Chƣơng 3.
............................................. 30
3.1.
..................................................................................... 30
3.2.
................................................................... 32
3.3.
................................................................................ 33
3.4.
...................................................................................... 34
3.5.
........................................................................ 36
3.6. Phạm vi sử dụng của STATCOM so với tụ bù, SVC, máy bù đồng bộ ....... 43
Chƣơng 4. Mô
4.1 T
............................................................. 46
....................................................................... 46
vi
4.2.
Chƣơng 5. Kết luận
.......................................................... 47
.......................................... 76
5.1. Kết luận ........................................................................................................... 76
5.2. Hướng
................................................................. 76
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 77
vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Nội dung
Trang
Hình2.1.
........................................................ 05
–
Hình
.............................. 06
Hình2.3.
.............................................................................................. 08
Hình2.4.
.......................................................................... 09
Hình2.5.
........................ 10
Hình2.6.
............................................ 11
Hình2.7.
........................... 12
Hình2.8.
...................................... 13
Hình2.9.
....................................................................... 14
Hình2.10.
tatcom ....................................................... 14
Hình2.11.
.............................................................. 15
Hình2.12.
................................................. 16
Hình
..................................... 16
Hình2.14.
......................................................................................... 17
Hình2.15.
bap ha 2 cấp sử dụng IGBT.................... 18
Hình2.16.
................................................................................. 20
Hình2.17.
nghịch lưu PWM ................................................................... 21
Hình2.18.
................................................ 21
Hình2.19. Giản đồ vectơ
............................................................... 22
Hình2.20.
...................................................................... 22
Hình2.21.
......................................................................................... 23
Hình2.22.
................................................................................. 24
Hình2.23.
................................................................................. 25
Hình2.24.
................................................................................. 26
Hình2.25.
................................................................................... 27
Hình
....................................................................... 27
Hình2.27. Hệ thống truyền tải điện có bù song song ................................................ 28
Hình2.28. Hệ thống truyền tải điện có bù nối tiếp..................................................... 29
viii
Hình3.1.
......................................................... 31
Hình3.
k
............................................................... 32
Hình3.3.
–
......................................................................... 33
Hình3.4.
–
....................................................................... 34
Hình3.5.
............................................ 35
Hình3.6.
.............................................................. 36
Hình3.7.
........................................................... 38
Hình3.8.
............................................................... 38
Hình3.9.
..................................................................................... 40
, mặt trời ........................................ 40
Hình3.10.
Hình3.11. Ăc qui dự trữ năng lượng .......................................................................... 41
Hình3.12. Thiết kế ESS .............................................................................................. 42
Hình3.13. Hình ảnh thực tế ESS ................................................................................ 43
Hình3.14. Mơ hình thực tế ESS ................................................................................. 42
Hình4.1.
lắp đặt Statcom ................................................................ 47
Hình4.2.
điều khiển Statcom ......................................................... 49
4.3.
Simulink hệ thống điện 3 nút............................................................ 49
4
4.5. Sơ
.............................................................................. 50
.................................................................. 50
....................................................................... 51
nh
..................................................................................... 51
4.8. S
4.9.
4.
4.11. Sơ
.......................................... 51
......................................................................................... 52
............................................................................. 53
.................................................................. 53
4.12. S
..................................................................... 53
4.13. T
.......................................................... 54
4.14.
4.15. Đ thị
4.16.
phản
của STSTCOM ......... 54
................................... 55
.................. 55
ix
4.17.
a Statcom khi droop = 0 ............. 56
nh
....................................... 56
4.19. Tạo sự cố ngắn mạch pha A ...................................................................... 57
4.20.
.......................................... 57
4.21.
.................... 58
4.22. Tạo ngắn mạch 2 pha chạm đất................................................................. 58
............................ 59
4.24.
.......................................... 60
4.25.
...... 60
4.26.
ng Statcom ...................... 61
4.27. Tạo ngắn mạch 3 pha ................................................................................ 62
4.28. Đ thị
................................... 62
thị
...... 63
4.29.
4.30.
................ 64
đường dây 500kV Phú Mỹ-Phú Lâm
4.31.
có sử dụng STATCOM .............................................................................................. 65
4.32. Thơ
4.33. C
STATCOM ........................................................ 66
g
..................................... 67
điện
4.34. C
p
............................... 67
.................................................................. 68
ui về trạm 500kV ................................................. 68
4.37. T
................................ 69
500kV
–
....................................... 69
500kV
–
.................................... 70
ng điện
4.41.
4.42.
–
–
...... 70
...................... 71
công suất đường dây
.................................................................................................... 71
4.43.
STATCOM .......... 72
–
–
...................................................................................................... 72
x
4.45. Tạo sự cố ngắn mạch 3 pha ....................................................................... 73
4.46.
........................................................ 73
h4.47.
.................. 74
4.48.
................ 74
xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STATCOM (Static Synchronous Compensator): bộ bù đồng bộ tĩnh SSSC (Static
Synchronous Series Compensator): dãy bù đồng bộ tĩnh FACTS (Flexible
Alternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải điện xoay chiều.
SVC (Static Var Compensator): bộ bù cơng suất phản kháng
PLL (Phase Locked Loop): vịng khóa pha
VSC (Voltage Source Converter): bộ chuyển đổi nguồn áp
AC (Alternating Current): dòng điện xoay chiều
DC (Direct Current): dòng điện một chiều
HVDC (High Voltage Direct Current): dòng điện một chiều điện áp cao HT: Hệ
Thống HTĐ: Hệ Thống Điện.
GTO: Gate-TurnOff Thyristor
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
PWM: ( Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung
MBA: Máy Biến Áp
TCR: Thyristor-Controlled Reactor
TSC: Thyristor-Switched Capacitor
TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) : Bộ bù bằng tụ nối tiếp
CSTD: Công Suất Tác Dụng
CSPK: Công Suất Phản Kháng
1
Chƣơng 1
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, có rất nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS, đặc
biệt là sử dụng các thiết bị phát nguồn công suất phản kháng cho hệ thống lưới điện
nhằm đảm bảo ổn định điện áp cho hệ thống. Tuy nhiên, việc đánh giá, lựa chọn
thiết bị phát công suất nào hợp lý, cũng như dung lượng bù tối ưu trong phân tích ở
chế độ xác lập, quá độ là chưa được quan tâm sâu sắc.
Thực tế hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay
chiều. Đây là hệ thống điện phức tạp bao gồm các máy phát đồng bộ, đường dây
truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và các phụ tải…., được chia thành ba khâu
chính: Sản xuất, truyền tải và phân phối.
Muốn cho hệ thống điện xoay chiều hoạt động, chúng ta cần phải đáp ứng các yêu
cầu cơ bản sau:
Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ.
Điện áp vận hành nằm trong giới hạn cho phép
Tần số vận hành nằm trong giới hạn cho phép
Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường khơng q tải.
Các phụ tải phải được cung cấp nguồn điện đầy đủ.
Trong hệ thống điện công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào
tổng trở đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của
đường dây, những đại lượng này giới hạn cơng suất truyền tải trên đường dây. Vì
vậy, khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc
tăng công suất phản kháng ở phía phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang ( mắc song
song), tụ điện bù dọc ( mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo
chiều dài đường dây.
Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt
Nam đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công
suất phản kháng. Tuy nhiên các thiết bị bù đó chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về
phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất
phản kháng. Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS như:
2
STATCOM hay SVC đã đáp ứng được yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng
như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc. Luận văn
này nghiên cứu về những vấn đề trên nhằm đưa ra việc ứng dụng lắp đặt thiết bị
STATCOM thích hợp cho hệ thống điện và việc tính tốn bù công suất phản kháng
tập trung chủ yếu vào các khu vực có mật độ tải dày đặc và có thể gia tăng đột biến
trong các chế độ làm việc khác nhau.
Xuất phát từ những thực tế trên, chúng tôi tiến hành thực hiện luận văn:
“Nghiên cứu ứng dụng STATCOM để cải thiện ổn định quá độ hệ thống điện” là
cần thiết áp dụng vào vận hành hệ thống truyền tải điện Việt Nam nhằm nâng cao
ổn định điện áp, bù công suất phản kháng và nâng cao khả năng truyền tải cho hệ
thống điện Việt Nam.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Bộ bù công suất phản kháng là một phần thiết yếu trong một hệ thống điện
để giảm thiểu tổn thất truyền tải điện năng, tối đa hóa khả năng truyền tải điện năng,
duy trì điện áp ở phạm vi chấp nhận được. Nếu điện áp dọc theo các đường dây
truyền tải giảm có thể gây ra nhiều tác hại cho người tiêu dùng. Nếu quá điện áp
duy trì hoặc áp thấp có thể gây ra hư hỏng hoặc thiết bị sử dụng không hiệu quả.
Mặt khác, sự quá áp hoặc thấp áp so với điện áp vận hành cho phép, dẫn đến hệ số
công suất không đạt yêu cầu, mạch khơng cân bằng. Vì vậy, để tránh những vấn đề
này, việc kiểm soát điện áp là rất quan trọng để đảm bảo rằng điện áp đầu nhận nằm
trong phạm vi chấp nhận được.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan về q trình thu và phát cơng suất phản kháng của
STATCOM nâng cao ổn định áp trên lưới điện truyền tải.
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng lưới điện truyền tải Phú Mỹ - Phú Lâm và thiết bị bù
công suất phản kháng STATCOM bằng phần mềm Matlab/Simulink.
- Phân tích, tính tốn các chế độ vận hành khi không sử dụng và khi sử dụng thiết bị
bù STATCOM để nâng cao độ ổn định áp của đường dây 500kV Phú Mỹ - Nhà BèPhú Lâm khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Từ đó xem xét khả năng ứng dụng vào lưới
truyền tải 500kV Việt Nam.
3
1.4 Nội dung nghiên cứu
- Giới thiệu đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về ổn định động.
- Nghiên cứu ứng dụng STATCOM vào hệ thống điện để bù công suất phản
kháng và nâng cao ổn định điện áp.
- Sử dụng Matlab/Simulink để mô phỏng đáp ứng động của STATCOM vào
hệ thống điện 500kV Phú Mỹ-Nhà Bè-Phú Lâm khi xảy ra các dạng sự cố ngắn
mạch.
- Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển đề tài.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài
- Phương pháp luận: Thu thập và đọc hiểu các tài liệu liên quan từ cán bộ
hướng dẫn, sách, các bài báo, phiên dịch các tài liệu viết bằng tiếng Anh trên
phương tiện truyền thông mạng internet. Sau đó phân tích và tổng hơp các tài liệu
dựa trên cơ sở của luận văn.
- Phương pháp nghiên cứu:
o Nghiên cứu nguyên lý làm việc và điều khiển thiết bị STATCOM.
o Nghiên cứu giải quyết vấn đề ngắn mạch trong hệ thống điện.
o Nghiên cứu phần mềm Matlab/Simulink.
o Dùng phần mềm Matlab/Simulink mô phỏng đáp ứng động của STATCOM
vào đường dây 500kV Phú Mỹ- Phú Lâm có 3 nút ở các chế độ khác nhau: Chế độ
bình thường, chế độ ngắn mạch.
4
Chƣơng 2
TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG
Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. Đường dây truyền
tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ
thống điện. Các đường dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hướng đi mong
muốn theo sự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất
mong muốn. Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có
nhiều cấu trúc mạch vịng, trái với hệ thống truyền tải điện trước đây có nhiều cấu
trúc hình tia, cung cấp cơng suất từ máy phát đến phụ tải xác đinh.
Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố
cơng suất song song hoặc mạch vịng. Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệ
thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đường dây bị quá
tải dưới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp.
Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát cơng suất điện. Nó
là u cầu cơ bản để phát hết cơng suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ
thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của
các thay đổi nhiễu động, nhiễu có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột ngột sự
cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống và hậu quả của
việc hư hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu
và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫu nhiên trở
thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyền tải.
Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề
đã được đặt vấn đề trước đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ
tải được giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố cơng suất trên các đường dây và
các giới hạn ổn định của hệ thống điện. Trong chương này chúng ta quan tâm đến
các vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm
đến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định
2.1. Ổn định điện áp trong hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc
rotor, điện áp và tần số. Q trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình
bày trong sơ đồ sau:
5
Hình2.1. Phân loại ổn định trong hệ thống điện
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tại
tất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu từ điều kiện
vận hành trước đó. Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi trạng
thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệ thống
điện. Ổn định điện áp được phân thành hai dạng dựa theo thời gian mô phỏng: Ổn
định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động. Phân tích ổn định điện áp tĩnh liên quan
đến việc giải các phương trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so với nghiên cứu
ổn định điện áp động.
Sự mất ổn định xuất hiện dưới dạng thường thấy là điện áp tăng lên hoặc
giảm xuống của một số các thanh cái. Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là hệ
thống bảo vệ Relay sẽ tác động cắt điện một số phụ tải trong khu vực, hoặc cắt
đường dây truyền tải điện hoặc các phần tử khác mà điều này có thể dẫn đến mất ổn
định đồng bộ của một số máy phát điện trong hệ thống. Trong luận văn này tác giả
quan tâm đến việc ổn định điện áp của hệ thống điện và mô phỏng ổn định điện áp
của hệ thống điện khi có các thiết bị điều khiển FACTS (STATCOM) bằng phần
mềm Matlab/Simulink. Ổn định điện áp đuợc phân thành bốn dạng: Ổn định điện áp
nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu bé, ổn định điện áp trong ngắn hạn và ổn định
điện áp trong dài hạn. Tóm tắt ngắn gọn các loại ổn định điện áp nhu sau:
Ổn định điện áp nhiễu lớn: Khả năng của hệ thống điện để duy trì ổn định
điện áp ngay sau khi các nhiễu lớn xảy ra nhu các sự cố hệ thống, ngắt máy phát
6
điện, hoặc ngắn mạch. Khả năng này đuợc xác định bởi đặc tính của hệ thống và
phụ tải và ảnh huởng của cả hệ thống điều khiển và bảo vệ. Nghiên cứu ổn định này
quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây đến 10 phút.
Ổn định điện áp nhiễu bé: Khả năng của hệ thống để duy trì ổn định điện áp
khi hệ thống xảy ra các dao động bé nhu việc gia tăng sự thay đổi trong hệ thống
phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh huởng bởi đặc tính của phụ tải, việc điều khiển
liên tục và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho trước.
Ổn định điện áp trong ngắn hạn: Liên quan đến tác động của các thành phần
phụ tải thay đổi nhanh như Motor cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị điện
tử và các bộ chuyển đổi HVDC. Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây.
Ổn định điện áp trong dài hạn: Liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm
hơn như máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máy
phát điện có bộ hạn dịng. Thời gian quá độ có thể đuợc mở rộng một vài phút và
dài hơn nữa. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của
hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống. Việc cải thiện
khả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị là một biện
pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện áp. Đặc tính P-V
cho thấy điện áp ở thanh cái đầu cuối tỷ lệ nghịch với cơng suất truyền tải được
minh họa trong hình2.2 bên dưới.
Hình2.2. Các đường cong P-V khơng có bù, có bù song song.
Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm. Cuối cùng,
điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã được
7
đem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải cơng suất tác dụng thì sẽ dẫn
đến giảm biên độ điện áp rất nhanh. Trước khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rất
lớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng. Chỉ bằng cách bảo vệ
hệ thống khỏi bị sụp đổ điện áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hổ
trợ công suất phản kháng trước khi hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp. Các thiết bị
FACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổn
định điện áp.
2.2. Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện
Để tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành có các giới hạn truyền tải công
suất. Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng và
phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này được chia thành 3 dạng: giới hạn
nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định.
2.2.1. 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 mức
điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng. Nghiêm trọng
hơn nữa là có thể phá hủy thiết bị. Dịng 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
ngun nhân chính gây nên tổn thất cơng suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay
khi có dịng điện chạy trong hệ thống. Nếu cơng suất phát ra từ các máy phát điện
hoặc các nguồn phát khác là không đủ 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 hổ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp.
Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hổ trợ thường được xác định theo giới hạn
truyền tải cơng suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng
truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống khơng đáp ứng u cầu dự trữ công suất
phản kháng đủ để hổ trợ điện áp.
8
2.2.2. Giới hạn nhiệt
Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.
Ngay khi cơng suất truyền tải gia tăng, biên độ dịng 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. Việc hư hỏng này có thể
là cuộn dây Stator hoặc cuộn dây Rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng
và phản kháng đều tác động đến biên độ dịng điện. Ngồi 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 trên không làm cho
cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng.
Không giống thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là khơng khí làm mát
lượng nhiệt năng phát ra. Các thiết bị này được hạn chế dịng điện để chúng mang
tải một cách an tồn. Đối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi
thọ của thiết bị do giảm cách điện. Hầu hết các thiết bị có thể được quá tải cho
phép. Điều quan trọng là quá tải bao nhiêu và quá tải bao lâu.
2.2.3. Giới hạn ổn định
Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận
hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân
bằng sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống điện
được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ
vận hành. Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong
hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau.
Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song
song với nhau như hình 2.3.
Hình2.3. Hệ thống điện
Công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc
. Khi
xảy ra sự cố trên đường dây 1-2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 cắt ra, điểm ngắn mạch
9
được cô lập. Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm 1 với góc ban đầu
0
thì
xảy ra ngắn mạch, đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột do
tổng trở của đường dây tăng lên, góc
=
0
, hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự cố
tại điểm máy cắt cắt nhanh. Tại điểm 3 do công suất P điện lớn hơn công suất cơ
PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm 5
xác lập một trạng thái ổn định mới với góc
SS
. Nếu tại điểm 4 máy phát không
được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa thì làm cho mất ổn định đồng bộ.
Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích S tt phải nhỏ hơn
phần diện tích hãm tốc S ht . Phân tích góc ổn định cơng suất hệ thống điện là nghiên
cứu đặc tính động của hệ thống điện. Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị
của dịng cơng suất, điện áp, góc, và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của
những nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ. Ổn định góc cơng suất là đuợc chia thành hai dạng:
Ổn định quá độ và ổn định giao động bé.
Hình2.4. Đường cong cơng suất góc
2.2.3.1. Ổn định quá độ
Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng
bộ khi chịu tác động của các nhiễu lớn. Nó được xác định bằng cách hệ thống đáp
ứng được các nhiễu lớn. Hệ thống đuợc gọi là ổn định quá độ nếu nó có thể vượt
10
qua được nhiễu ban đầu và trở lại ổn định, ngược lại hệ thống là khơng ổn định nếu
nó khơng thể vượt qua đuợc.
Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu lớn, giá trị góc
hệ thống bắt đầu tăng nhưng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ
thống ổn định quá độ. Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc Rotor
máy phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độ
lớn của nhiễu. Để minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống hình 2.5. Hình
này thể hiện góc lệch của hai hệ thống: ổn định quá độ và không ổn định, sau một
nhiễu lớn xảy ra.
Hình2.5. Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định
(b).
Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợi
cho ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhà
máy ở xa hầu như dễ bị mất ổn định quá độ. Phương pháp để phân tích giới hạn quá
độ là nghiên cứu sự thay đổi góc Rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nối
đến hệ thống sau khi hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn. Kỹ thuật sử dụng
phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống.
2.2.3.2. Ổn định dao động bé
Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của của hệ thống
điện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là
đặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu hệ thống điện. Nhiễu điện áp,
tần số, góc và dịng cơng suất có thể được kích thích bởi nhiều sự kiện khác nhau.
