Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình .............................................................................................. v
Danh sách bảng............................................................................................. vi
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................ 1
1.1.2. Mục đích của đề tài.............................................................................. 1
1.1.3. Nhiệm vụ của đề tài ............................................................................. 1
1.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 2
1.3. Tính cần thiết của đề tài ......................................................................... 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ................................................................ 4
1.5. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ........................ 4
1.6. Bố cục của luận văn................................................................................ 9
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết sụp đổ điện áp trong hệ thống điện .......... 10
2.1. Hệ thống điện ....................................................................................... 10
2.1.1. Khái niệm về hệ thống điện ............................................................... 10
2.1.2. Khái niệm về ổn định hệ thống điện.................................................. 10
2.1.3. Khái niệm về ổn định điện áp ............................................................ 11
2.1.3.1. Ổn định điện áp khi có dao động nhỏ ............................................. 12
2.1.3.2. Ổn định điện áp khi có dao động lớn ............................................. 12
2.1.4. Các chế độ làm việc của hệ thống điện ............................................. 12
2.1.5. Phân loại ổn định hệ thống điện ........................................................ 13
2.2. Sụp đổ điện áp trong hệ thống điện ...................................................... 13
2.3. Nguyên nhân sụp đổ điện áp trong hệ thống điện ................................ 21
2.4. Các phương pháp khắc phục sụp đổ điện áp ........................................ 23
iii


2.4.1. Giai đoạn quy hoạch và thiết kế ........................................................ 23

2.4.2. Cơng tác bảo trì ................................................................................. 23
2.4.3. Các vấn đề liên quan đến vận hành hệ thống điện ............................ 24
2.4.4. Giám sát sự cố ................................................................................... 24
Chương 3 - Dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện ........................ 26
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 26
3.2. Phương pháp độ nhạy V - Q ................................................................. 26
3.3. Phương pháp trị riêng của ma trận Jacobian ........................................ 27
3.4. Phương pháp hệ số tham gia................................................................. 29
3.5. Phương pháp vector riêng của ma trận Jacobian .................................. 30
3.6. Phân bố công suất trong hệ thống điện................................................. 32
3.6.1. Thành lập mơ hình mạng điện và tìm ma trận tổng dẫn .................... 32
3.6.2. Phân bố công suất .............................................................................. 37
Chương 4 - Mô phỏng dự báo sụp đổ điện áp......................................... 43
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 43
4.2. Mô phỏng dự báo sụp đổ điện áp sử dụng vector riêng của ma trận
Jacobian ....................................................................................................... 43
4.2.1. Hệ thống điện 2 nút ........................................................................... 43
4.2.2. Hệ thống điện 4 nút ........................................................................... 44
4.3. Mô phỏng dự báo sụp đổ điện áp sử dụng trị riêng của ma trận
Jacobian ....................................................................................................... 47
4.4. Kết luận ................................................................................................ 56
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................. 57

Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 58

iv


TÓM TẮT
Nghiên cứu sụp đổ điện áp là một trong những bài tốn quan trọng trong

q trình nghiên cứu hệ thống điện. Luận văn này giới thiệu một phương pháp
xác định khoảng cách ngắn nhất kmin dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ
thống điện dựa trên cơ sở xác định véc tơ η từ ma trận Jacobian của bài tốn
phân bố cơng suất để làm cơ sở và định hướng trong vận hành. Kết quả thu
được từ các ứng dụng cho thấy khoảng cách kmin. Mặc dù, đây chỉ là khoảng
cách cục bộ nhưng có ý nghĩa quan trọng trong việc vận hành hệ thống điện.
Nếu vận hành theo hướng véc tơ η dẫn đến kmin thì đó là hướng xấu nhất và
nhanh nhất dẫn đến mất ổn định điện áp. Chính vì vậy mà trong luận văn này
chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định điện áp, phương pháp nghiên cứu và
đặc biệt là phân tích các kết quả mô phỏng, các kinh nghiệm nhằm đưa ra biện
pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp.

i


ABSTRACT
Voltage collapse research is a significant problem in the electrical
system studies. This thesis introduces a method of determining the kmin shortest
distance to voltage instability in power system based on the determination of 
vectors from the Jacobian matrix of the power distribution problem as a basis
for substance load and operational orientation. Results obtained from the
application example shows the distance kmin only local distance but significant
in the operation of the power system, if operated under the direction vector 
led to kmin, it is worst and fastest lead to voltage instability. Therefore, in this
subject we focus on voltage stability, research methods and especially the
simulation results, the experience to provide measures to prevent voltage
collapse.

ii

DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1. Điện áp tại các nút của hệ thống điện 9 nút .................................. 5
Hình 1.2. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện 9 nút ....................... 5
Hình 1.3. Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút ....................... 6
Hình 1.4. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút ........... 6
Hình 1.5. Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút ....................... 7
Hình 1.6. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút ........... 7
Hình 2.1. Đường cong V – Q ...................................................................... 11
Hình 2.2. Phân loại ổn định trong hệ thống điện......................................... 13
Hình 3.1. Hệ thống điện 4 nút ..................................................................... 36
Hình 3.2. Nút tiêu biểu của hệ thống điện ................................................... 37
Hình 4.1. Hệ thống điện 2 nút ..................................................................... 43
Hình 4.2. Hệ thống điện 4 nút ..................................................................... 44
Hình 4.3. Hệ thống điện IEEE 14 nút.......................................................... 47
Hình 4.4. Biểu đồ điện áp các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút ............. 52
Hình 4.5. Hệ số tham gia Pki của các nút vào trạng thái gần tới hạn của hệ
thống điện IEEE 14 nút .............................................................................. 53
Hình 4.6. Đường cong Q-V của nút số 14 của hệ thống điện IEEE 14 nút 55
Hình 4.7. Đường cong Q-V của nút số 10 của hệ thống điện IEEE 14 nút 56

v


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4.1. Các thơng số tìm được qua 5 bước lặp........................................ 44
Bảng 4.2. Các thơng số tìm được qua 7 bước lặp........................................ 46
Bảng 4.3. Dữ liệu nút của hệ thống điện IEEE 14 nút ................................ 47
Bảng 4.4. Dữ liệu đường dây của hệ thống điện IEEE 14 nút .................... 49
Bảng 4.5. Phân bố công suất tại mỗi nút của hệ thống điện IEEE 14 nút ... 50

Bảng 4.6. Phân bố công suất trên đường dây của hệ thống điện IEEE 14 nút
..................................................................................................................... 50
Bảng 4.7. Trị riêng của hệ thống điện IEEE 14 nút .................................... 52
Bảng 4.8. Điện áp và công suất phản kháng tới hạn xác định từ đồ thị Q-V ..
..................................................................................................................... 54
Bảng 4.9. Điện áp và công suất phản kháng thu được khi vẽ đường cong
Q-V cho nút 14 ............................................................................................ 54
Bảng 4.10. Điện áp và công suất phản kháng thu được khi vẽ đường cong
Q-V cho nút 10 .......................................................................................... 55

vi


Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Đặt vấn đề
1.1.1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện là một trong những cơng
việc hết sức cần thiết trong q trình phân tích ổn định điện áp, đặc biệt là đối
với hệ thống điện phức tạp như Việt Nam khi phải đối mặt với tình trạng q
tải liên tục trong mùa khơ. Khi điện áp tại các nút trong hệ thống điện giảm
dưới mức cho phép sẽ làm cho hệ thống điện hoạt động không ổn định và
nguyên nhân gây giảm điện áp tại các nút theo như đề tài nghiên cứu là sự thay
đổi tải, nếu có sự biến đổi lớn phụ tải trong hệ thống điện gây ra những tác
động không mong muốn như sau:
+ Điện áp, tần số tại các nút trong hệ thống điện giảm xuống thấp quá
mức không thể duy trì trạng thái làm việc bình thường.
+ Hệ thống điện bị tan rã hoàn toàn, các rơ le điện áp thấp sẽ tự động sa
thải phụ tải, máy phát bị cắt khỏi lưới và ngừng làm việc.
Từ những lý do trên, sự cần thiết để tìm một khoảng cách ngắn nhất kmin

dẫn đến mất ổn định điện áp, hỗ trợ việc vận hành, theo dõi được tình trạng
nguy hiểm gây bất lợi cho hệ thống điện.
1.1.2. Mục đích của đề tài
Xác định khoảng cách ngắn nhất kmin dẫn đến mất ổn định điện áp (mất
ổn định điện áp sẽ dẫn đến sụp đổ điện áp) để làm cơ sở định hướng vận hành
hệ thống điện an toàn.
1.1.3. Nhiệm vụ của đề tài
+ Nghiên cứu tìm hiểu về phép phân tích modal để xác định giá trị riêng,
véc tơ riêng của ma trận Jacobian giản lược của hệ thống.

1


+ Ứng dụng để xác định khoảng cách ngắn nhất dẫn đến mất ổn định
điện áp trong hệ thống điện.
1.2. Phương pháp nghiên cứu
+ Phân tích tài liệu: sử dụng phương pháp phân tích vận dụng giá trị
riêng, véc tơ riêng của ma trận Jacobian để xác định khoảng cách ngắn nhất
dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
+ Mơ phỏng tính tốn: sử dụng phần mềm Matlab trong việc xử lý số
liệu và biểu diễn các kết quả tính tốn.
+ Dữ liệu mơ phỏng tính tốn: sử dụng số liệu phụ tải điện trong mơ hình hệ
thống điện cho trước.
1.3. Tính cần thiết của đề tài
Hệ thống điện đóng vai trị quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của
mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền
kinh tế quốc dân. Một hệ thống điện thường phân chia thành ba phần chính:
+ Phần phát điện hay nguồn điện: bao gồm các nhà máy phát điện như:
nhiệt điện than, nhiệt điện khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và
một số loại phát điện khác...

+ Phần truyền tải: đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của
một hệ thống điện bao gồm các đường dây và trạm biến áp.
+ Phần phân phối: nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho
các phụ tải. Đây cũng là phần có nhiều nút nhất trong hệ thống điện với nhiều
loại phụ tải khác nhau.
Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường thì hệ thống điện cần thoả
mãn các điều kiện về an ninh, tin cậy, đảm bảo chất lượng điện năng và yêu cầu
về kinh tế.
Tuy nhiên, các hệ thống điện nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói
riêng đang phải đối mặt với những khó khăn:

2


+ Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải, đặc biệt là với một
nước đang phát triền rất nhanh như Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng 15 20% mỗi năm. Điều này đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả
đất nước nói chung. Đó là làm sao phải đáp ứng được nhu cầu phụ tải.
+ Thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí
đốt và cả nguồn thủy điện. Không chỉ riêng Việt Nam và cả thế giới đều nhận
thức được rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lượng sơ
cấp và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế. Ở đây, chúng ta
cần hiểu rằng nguồn thủy điện cạn kiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã được
phát hiện và khai thác gần hết. Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành
điện của mỗi quốc gia. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện
ở nước ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về cơng nghệ, sự lo ngại về an
toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu tư lớn.
+ Thứ ba là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng
lượng tái tạo.
Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này góp phần giảm thiểu gánh
nặng cho ngành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất,

tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo sẵn có. Cùng với sự
xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và phân phối
làm thay đổi căn bản khái niệm về một hệ thống điện phân phối truyền thống,
làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển hệ thống
điện.
Một vấn đề nữa mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực
về môi trường do các nhà máy điện gây ra. Do đó, cần phải xem xét kỹ lưỡng
vấn đề này khi quyết định đầu tư xây mới những nhà máy nhiệt điện than hay
những đập thủy điện lớn.
+ Thứ tư là xu hướng thị trường hóa ngành điện. Nó làm thay đổi hoàn
toàn khái niệm về một hệ thống điện truyền thống. Trong đó, nguồn và phân
phối hồn tồn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy
điện và kinh doanh điện.
3


Tất cả các vấn đề trên khiến cho các hệ thống điện được vận hành rất
gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các hệ thống điện rất “nhạy cảm”
với các sự cố có thể xảy ra. Có rất nhiều sự cố liên quan trực tiếp đến hiện
tượng sụp đổ điện áp. Chính vì vậy, việc nghiên cứu về ổn định điện áp là một
nhu cầu cấp thiết đối với hệ thống điện nói chung và hệ thống điện Việt Nam
nói riêng. Trong luận văn này, việc nghiên cứu và mô phỏng các yếu tố ảnh
hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện sẽ được thực hiện. Các
kết quả nghiên cứu đạt được của luận văn sẽ giúp ích cho ngành điện, trong
việc tính tốn thiết kế, vận hành và điều khiển hệ thống điện mà sẽ góp phần
nâng cao ổn định điện áp và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.
Như phân tích ở trên, hệ thống điện Việt Nam cũng đang phải đối mặt
với những thách thức kể trên, đặc biệt là do yếu tố lịch sử, địa lý và q trình
phát triển nhanh chóng, khiến hệ thống điện Việt Nam ngày càng trở lên rộng
lớn và phức tạp trong tính tốn, thiết kế vận hành và điều khiển. Từ đó cũng

phát sinh các vấn đề kỹ thuật cần phải được giải quyết, đặc biệt là các nghiên
cứu về ổn định điện áp. Vì vậy, trong luận văn này, các nghiên cứu liên quan
đến việc tìm khoảng cách nhỏ nhất gây nên sự sụp đổ điện áp trong hệ thống
điện được thực hiện để từ đó góp phần nâng cao ổn định điện áp của hệ thống
điện.
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Có rất nhiều phương pháp nghiên cứu về hiện tượng sụp đổ điện áp,
trong luận văn này chỉ thực hiện đề xuất nghiên cứu liên quan đến việc xác
định khoảng cách ngắn nhất dẫn đến mất ổn định điện áp cho hệ thống điện.
1.5. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Năm 2000, tác giả Amer AL - Hinai đã thực hiện nghiên cứu liên quan
đến, “Voltage collapse prediction interconnected power system”. Dựa vào việc
khảo sát trị riêng của ma trận Jacobian đư ợc thành lập từ bài tốn phân bố cơng
suất, tác giả đã đánh giá được hệ thống điện ổn định hoặc mất ổn định hoặc ở
4


trạng thái sắp sụp đổ. Tiếp theo, căn cứ vào các véc tơ riêng bên phải và véc tơ
riêng bên trái, tác giả xác định được vị trí các nút có khả năng gây ra sụp đổ
điện áp trong các hệ thống điện mô phỏng. Các khảo sát được thực hiện lần
lượt cho:
+ Hệ thống điện 9 nút

Hình 1.1. Điện áp tại các nút của hệ thống điện 9 nút

Hình 1.2. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện 9 nút

5

Sau khi phân bố cơng suất, tìm được nút 5 có điện áp thấp nhất, Hình
1.1 và hệ số tham gia cao nhất, Hình 1.2. Do đó, nút thứ 5 là nút có khả năng
dẫn đến sụp đổ điện áp là lớn nhất.

+ Hệ thống IEEE 14 nút

Hình 1.3. Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút

Hình 1.4. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút
6


Sau khi phân bố cơng suất, tìm được nút 14 có điện áp tương đối thấp,
Hình 1.3 và hệ số tham gia cao nhất, Hình 1.4. Do đó, nút thứ 14 là nút có khả
năng dẫn đến sụp đổ điện áp là lớn nhất.
+ Hệ thống điện IEEE 30 nút

Hình 1.5. Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút

Hình 1.6. Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút

7


Sau khi phân bố cơng suất, tìm được nút 30 có điện áp thấp nhất, Hình
1.5 và hệ số tham gia cao nhất, Hình 1.6. Do đó, nút thứ 30 là nút có khả năng
dẫn đến sụp đổ điện áp là lớn nhất.
Năm 2008, tác giả Nguyễn Đăng Toản đã thực hiện nghiên cứu liên
quan đến “ Ngăn chặn sụp đổ điện áp trong hệ thống điện”.
Năm 2009, tác giả Đinh Thành Việt, Ngô Văn Dưỡng, Lê Hữu Hùng và

Ngô Minh Khoa đã thực hiện nghiên cứu “ Xây dựng chương trình vẽ đường
cong P-V và xác định điểm sụp đổ điện áp trong hệ thống điện”. Nghiên cứu
xây dựng toàn bộ đường cong PV bằng giải pháp sử dụng phương pháp phân
bố công suất liên tục gồm 2 bước. Trước tiên dự đoán theo phương cát tuyến và
hiệu chỉnh theo phương pháp giao điểm trực giao, sau đó phân tích đường cong
P-V của các nút để đánh giá ổn định điện áp và xác định điểm sụp đổ điện áp
trong hệ thống điện. Trên cơ sở của thuật toán phân bố công suất liên tục đã đề
xuất, tiến hành xây dựng chương trình vẽ đường cong quan hệ cơng suất – điện
áp P-V và xác định điểm sụp đổ điện áp trong hệ thống điện dựa trên phần
mềm MATLAB. Kết quả chương trình được kiểm tra, cho hệ thống điện mẫu
IEEE 14 nút với các phân tích cụ thể đối với các đường cong P-V thu được.
Năm 2010, tác giả Đặng Hoài Nam đã thực hiện nghiên cứu liên quan
đến, “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong
hệ thống điện”. Nghiên cứu này đã sử dụng chương trình PSS/E để mơ phỏng
các loại sự cố và từ đó đưa ra biện pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp bằng cách sử
dụng rơ le sa thải phụ tải theo điện áp thấp.
Năm 2011, tác giả Trương Trọng Chưởng đã thực hiện nghiên cứu liên
quan đến “ Nghiên cứu các đặc trưng sụp đổ điện áp trong lưới điện có kết nối
nhà máy điện gió”. Nghiên cứu này tập trung vào khảo sát mức độ ổn định của
lưới điện kết nối các nguồn điện gió tại nút kết nối chung (PCC) khi thay đổi
lượng công suất tác dụng và phản kháng của của máy phát điện gió cho tới khi
diễn ra hiện tượng sụp đổ điện áp để xác định các điều kiện làm việc giới hạn.
Năm 2013, các tác giả Hồ Đắc Lộc, Huỳnh Châu Duy và Ngô Cao
Cường đã thực hiện các nghiên cứu liên quan đến, “Dự báo sụp đổ điện áp
8


trong hệ thống điện”. Trên cơ sở phương pháp phân tích trị riêng có thể đánh
giá được trạng thái của hệ thống điện là ổn định, mất ổn định hay sẽ sụp đổ.
Mặt khác, thuật toán cũng cho phép xác định được các nút có khả năng gây ra

sụp đổ điện áp trong hệ thống điện. Chính từ các kết quả này đã giúp cho việc
vận hành hệ thống đạt được hiệu quả tốt hơn và khắc phục được sụp đổ điện áp
xảy ra trong hệ thống điện.
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn là như sau:
+ Chương 1 - Giới thiệu chung. Chương này trình bày tính cần thiết, đặt
vấn đề và phương pháp nghiên cứu,
+ Chương 2 - Cơ sở lý thuyết sụp đổ điện áp trong hệ thống điện.
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về ổn định hệ thống điện, nguyên nhân
sụp đổ điện áp và các vấn đề liên quan đến sụp đổ điện áp.
+ Chương 3 - Dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện. Chương này
trình bày phương pháp luận cho việc thực hiện dự báo sụp đổ điện áp trong hệ
thống điện.
+ Chương 4 - Mô phỏng dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
+ Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai

9


Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP TRONG HỆ
THỐNG ĐIỆN
2.1. Hệ thống điện
2.1.1. Khái niệm về hệ thống điện
Hệ thống điện là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất,
truyền tải và tiêu thụ năng lượng, các phần tử hệ thống điện được chia thành
hai nhóm.
+ Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân
phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây truyền tải điện và các thiết
bị dùng điện.

+ Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái
trong hệ thống điện như điều chỉnh kích từ trong máy phát đồng bộ, điều chỉnh
biến tần, bảo vệ rơle, máy cắt điện.
Mỗi phần tử của hệ thống điện được đặc trưng bởi các thông số, các
thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử.Ví dụ
như tổng trở tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp,hệ số khuếch đại của bộ
phận tự động điều chỉnh kích từ.Các thơng số của các phần tử cũng được gọi là
thông số trong hệ thống điện.
2.1.2. Khái niệm về ổn định hệ thống điện
Trong hệ thống điện, phân chia ổn định hệ thống theo 2 dạng: Ổn định
tĩnh và ổn định động.
+ Ổn định tĩnh: là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục
hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu.
+ Ổn định động: là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục
hồi được trạng thái ban đầu hoặc rất gần với trạng thái ban đầu mà là trạng thái
vận hành cho phép.

10


Bài toán ổn định trong hệ thống điện là một trong những bài toán cần
được quan tâm và nghiên cứu đúng mức để có thể hạn chế trạng thái mất ổn
định trong hệ thống điện đến mức thấp nhất có thể. Bài toán ổn định trong hệ
thống điện là một bài toán lớn bao gồm nhiều bài toán nhỏ, chẳng hạn như là
một bài tốn liên quan đến tính ổn định tĩnh trong hệ thống điện, các bài toán
liên quan đến tính ổn định động trong hệ thống điện hay cụ thể hơn là bài toán
liên quan đến dao động cơng suất trong hệ thống điện cần phải có thiết bị tự
động điều khiển để làm giảm bớt dao động cơng suất, phục hồi hệ thống nhanh
chóng trở về trạng thái làm việc bình thường, góp phần nâng cao hiệu suất
truyền tải điện, nâng cao các tiêu chí đánh giá về ổn định hệ thống.

2.1.3. Khái niệm về ổn định điện áp
Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện duy trì được giá trị
điện áp tại các nút trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình
thường hoặc sau khi có nhiễu (tùy vào tính chất của mỗi nút trong hệ thống
điện mà cho phép điện áp dao động trong những phạm vi khác nhau).
Đường cong V – Q trong việc phân tích ổn định điện áp:

Hình 2.1. Đường cong V – Q
Trên cơ sở kết quả phân bố công suất của một hệ thống điện nào đó, có
thể xây dựng tập hợp các đường cong V - Q cho các nút có điện áp yếu có dạng
như Hình 2.1. Từ các đường cong này, có thể đánh giá được điện áp hệ thống là
ổn định hay gần tới trạng thái sụp đổ. Hình 2.1 cho thấy trục Q biểu diễn cơng
11


suất phản kháng cần được thêm vào hay bớt đi tại một nút nào đó để duy trì
điện áp ổn định ở một mức độ cho phép. Giới hạn công suất phản kháng là
khoảng cách công suất phản kháng từ điểm MVAr vận hành đến đáy của đường
cong, điểm tại đáy của đường cong gọi là điểm tới hạn công suất phản kháng.
Đường cong có thể được sử dụng như là một chỉ tiêu cho việc đánh giá mất ổn
định điện áp. Gần đỉnh của đường cong V - Q độ nhạy rất lớn, giao điểm của
đường giới hạn ổn định và đường cong V - Q là điểm tới hạn ổn định, phần
phía trên đường giới hạn như Hình 2.1 là vùng ổn định, phần phía dưới là vùng
khơng ổn định, hệ thống sẽ hoạt động ổn định hơn nếu điểm vận hành xa với
điểm giới hạn ổn định.
2.1.3.1. Ổn định điện áp khi có dao động nhỏ
Khả năng của hệ thống điện vẫn cịn duy trì được điện áp ổn định khi
chịu tác động nhỏ như phụ tải tăng.
2.1.3.2. Ổn định điện áp khi có dao động lớn
Khả năng của hệ thống điện vẫn cịn duy trì được điện áp ổn định khi

chịu tác động lớn như mất nguồn phát điện, sự cố trên đường dây.
2.1.4. Các chế độ làm việc hệ thống điện
Các chế độ làm việc của hệ thống điện chia làm hai 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 không
thay đổi hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ
quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường và lâu dài của hệ
thống thuộc về chế độ xác lập, mà cịn được gọi là chế độ xác lập bình thường.
Chế độ sau sự cố hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về
chế độ xác lập mà còn được gọi là chế độ xác lập sau sự cố.
+ Chế độ quá độ: là 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
12


tác đóng cắt các phân tử mang cơng suất mà thường được gọi là các kích động
lớn. Chế độ quá độ gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến đến chế độ
xác lập mới. Trong trường hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhưng
sau một thời gian lại trở về 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 trở lại vơ hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ đó được gọi là chế độ quá
độ sự cố.
2.1.5. Phân loại ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc
rotor, điện áp và tần số. Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được
trình bày trong sơ đồ sau:
Ổn định hệ thống
điện

Ổn định tần số

Ổn định góc rotor

Ổn định khi mất
cân bằng nhỏ

Ổn định quá độ

Ngắn hạn
Ngắn hạn

Ổn định điện áp

Ổn định điện áp
khi dao động lớn

Ổn định điện áp
khi dao động nhỏ

Ngắn hạn

Dài hạn

Dài hạn

Hình 2.2. Phân loại ổn định trong hệ thống điện
2.2. Sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong vận
hành hệ thống điện, làm mất điện trên một vùng hay trên cả diện rộng, gây thiệt
hại rất lớn về kinh tế, chính trị và xã hội.

Điện năng là yếu tố then chốt của sản xuất. Nhiều nước trên thế giới
khơng cịn tính tốn thiệt hại do mất điện theo đơn vị giờ, mà là đơn vị phút. Vì
13


vậy, việc phân tích mất ổn định điện áp ở Việt Nam cần được quan tâm nhiều
hơn nữa và có những biện pháp để ngăn ngừa sụp đổ điện áp.
Hệ thống điện đóng vai trị quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của
mỗi quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực của môi trường, sự cạn
kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải làm cho hệ
thống điện ngày càng trở nên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính tốn thiết
kế và vận hành làm cho hệ thống điện làm việc rất gần về giới hạn ổn định.
Một hệ thống điện thường được phân chia thành ba phần chính:
+ Phần phát điện: bao gồm các nhà máy phát điện như nhiệt điện than,
khí.
+ Phần truyền tải: bao gồm các đường dây và trạm biến áp.
+ Phần phân phối: đây là phần điện áp được hạ thấp để cung cấp điện
trực tiếp cho các phụ tải và cũng là phần thường xuyên gây mất ổn định trong
hệ thống điện.
Hệ thống điện Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều khó khăn: Thứ
nhất: sự tăng quá nhanh phụ tải. Thứ hai: Sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên,
điển hình như sự khai thác quá mức nguồn thủy điện cũng như than đá. Thứ ba:
việc ứng dụng công nghệ mới như điện hạt nhân ở nước ta cịn nhiều khó khăn
do vấn đề về công nghệ, lo ngại về sự an toàn, vốn đầu tư. Tất cả các vấn đề
trên đã làm cho hệ thống điện Việt Nam tiến gần đến giới hạn ổn định và rất
nhạy cảm với sự cố xảy ra. Theo các kết quả nghiên cứu, hệ thống điện bị sụp
đổ chủ yếu do mang tải quá nặng hoặc mất ổn định điện áp trong hệ thống.
Một số sự cố cảnh báo tan rã hoặc tan rã hệ thống điện gần đây đã gây ra
những hậu quả nghiêm trọng minh chứng cho điều này. Cụ thể là:
+ Ngày 08/07/2012, trên lưới điện quốc gia Việt Nam, do phụ tải tăng

cao và nhà máy thủy điện lại phát sản lượng thấp đã gây mất điện đến gần 2 giờ
tại các tỉnh miền trung từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi và các tỉnh Đắc Nông,
Đắc Lắc.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 19/12/1978 tại Pháp. Lúc đó, hệ thống
điện Pháp đang nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh. Phụ tải tăng lên từ
14


khoảng 7 giờ đến 8 giờ là 4600 MW. So với ngày hơm trước thì nhu cầu phụ tải
tăng lên là 1600 MW. Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8
giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều
áp dưới tải của các máy biến áp trên lưới cao áp. Trong khoảng từ 8 giờ 20
phút, thì điện áp của các nút trên lưới truyền tải 400 kV đã giảm xuống trong
khoảng từ 342 kV - 374 kV. Trong khi đó, một số đường dây đã bị cắt ra do
bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa và xảy ra sụp đổ điện
áp sau đó. Trong q trình khơi phục lại hệ thống điện đã xảy ra một sự cố sụp
đổ điện áp khác. Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt với tổng năng lượng
không truyền tải phân phối được là 100 GWh. Hậu quả là thiệt hại trong
khoảng 200 - 300 triệu USD. Nguyên nhân chính là sự mất ổn định và sụp đổ
điện áp trong khoảng thời gian 26 phút.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 04/08/1982 tại Bỉ: bắt đầu bằng việc
dừng một tổ máy có cơng suất 700 MW trong q trình thí nghiệm nghiệm thu
sau bảo dưỡng. Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy
khác đã tác động để giảm lượng công suất phản kháng phát ra. Ba đến bốn phút
sau sự cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ giới hạn công suất
phản kháng. Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của một số nhà
máy điện đã giảm xuống 0,82 đvtđ. Vào lúc 4 phút 30 giây, hai máy phát khác
bị cắt ra bởi rơle tổng trở và dẫn đến sự sụp đổ điện áp.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: việc hư
hỏng một bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm

dẫn đến việc ngắt tồn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV. Khoảng 8 giây
sau, một đường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng. Điện áp của hệ thống
điện bị giảm thấp làm cho các máy biến áp với bộ điều áp dưới tải tác động,
càng làm cho điện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và
dòng điện tăng cao trong các đường dây từ phía bắc đến miền nam. Khoảng 55
giây sau sự cố ở trong trạm biến áp, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho hệ
thống điện của Thụy Điển bị tách thành hai phần Bắc và Nam. Các hiện tượng
sụp đổ tần số và điện áp xảy ra trong hệ thống điện. Hệ thống sa thải phụ tải đã
15


khơng có hiệu quả trong việc cứu vãn hệ thống điện khỏi sự cố sụp đổ.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại Florida, Mỹ ngày 17/05/1985: một sự cố
phóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500 kV đang mang tải nhẹ dẫn đến
sụp đổ điện áp và tan rã hồn tồn hệ thống điện trong vịng vài giây. Lượng tải
bị mất khoảng 4292 MW. Nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện là quá
trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện Tokyo, Nhật Bản, ngày 23/07/1987: Tồn
bộ thủ đơ Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lượng tải tiêu thụ do điều hịa
nhiệt độ tăng cao. Sau thời gian buổi trưa, lượng tải tăng lên khoảng 1%/1
phút, tương đương với 400 MW/1 phút. Mặc dù, các tụ bù đã được đóng hết,
nhưng điện áp của hệ thống điện vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải
500kV. Sau khoảng 20 phút, điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 đvtđ
và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống
truyền tải và sa thải lượng phụ tải 8000 MW. Nguyên nhân chính là quá trình
sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại Phần Lan vào tháng 8/1992, hệ thống
điện được vận hành rất gần với giới hạn an ninh cho phép, lượng công suất
nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn. Chính vì vậy, ở vùng miền Nam của Phần Lan
chỉ có 3 tổ máy nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400 kV. Sự cố mất một tổ

máy 735 MW đồng thời với việc bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400 kV đã
làm giảm lượng công suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lưới 400
kV giảm xuống còn 344 kV. Điện áp đã được khôi phục bằng cách khởi động
các nhà máy điện dùng tuabin khí và sa thải một lượng phụ tải.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại các bang miền Tây nước Mỹ (Western
Systems Coordination Council -WSCC) ngày 02/07/1996: bắt đầu ở trong vùng
Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây, hệ thống đang ở chế độ nặng tải
và nhiệt độ trong vùng miền nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 380C. Lượng
công suất truyền tải từ vùng Pacific NW về California khá cao cụ thể như sau:
- Đường dây liên lạc AC: 4300 MW với giới hạn là 4800 MW.
- Đường dây liên lạc DC: 2800 MW với giới hạn là 3100 MW.
16


Sau đó, có một sự cố ngắn mạch một pha trên đường dây 345 kV từ nhà
máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng
điện từ đường dây vào cây trong hành lang tuyến. Sự cố này dẫn đến việc cắt
một đường dây mạch kép khác do sự tác động sai của bảo vệ rơ le. Việc cắt 2
trong bốn tổ máy của nhà máy điện Jim Bridger theo tiêu chuẩn ổn đinh lẽ ra sẽ
làm ổn định lại hệ thống điện. Tuy nhiên, việc sự cố cắt đường dây 220 kV
trong miền đông Oregon đã làm điện áp giảm thấp trong vùng miền nam Idaho,
và sự suy giảm dần dần trong vùng trung tâm Oregon. Khoảng 24 giây sau, một
đường dây 220 kV khá dài khác từ vùng miền tây Montana đến miền nam của
Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách. Điều này làm cho một
đường dây kép 161 kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến việc suy giảm khá nhanh
điện áp trong vùng Idaho và Oregon. Khoảng 3 giây sau, 4 đường dây 220 kV
từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt ra, 2 giây sau, hệ thống truyền tải liên
lạc với vùng Pacific bị cắt ra. Sự tan rã hệ thống điện xảy ra sau khoảng 35 giây
từ sự cố đầu tiên.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại các bang Miền bắc nước Mỹ - Canada

(North American Electricity Reliability Council, NERC - USA) ngày
14/08/2003. Hệ thống điện lúc đó đạng vận hành ở trạng thái mang tải nặng và
rất thiếu công suất phản kháng trong vùng Cleveland, Ohio. Hệ thống đánh giá
trạng thái và phân tích sự cố thời gian thực của vùng Midwest ISO (MISO) đã
khơng hoạt động đúng do có sự cố ẩn bên trong từ khoảng 12 giờ 15 phút đến
16 giờ 04 phút. Điều này đã ngăn cản MISO đưa ra các cảnh báo sớm trong
việc đánh giá trạng thái của hệ thống điện. Tại trung tâm điều khiển hệ thống
điện FE (First Energy control center) đã xảy ra một sự cố hư hỏng phần mềm
máy tính trong hệ thống quản lý năng lượng (Energy Management System
EMS) lúc 14 giờ 14 phút. Những hư hỏng này đã khiến FE không thể đánh giá
đúng được tình trạng làm việc và đưa ra những cảnh báo sớm và biện pháp
phòng ngừa. Sự cố đầu tiên xảy ra trong hệ thống FE, lúc 13 giờ 31 phút, tổ
máy số 5 của nhà máy điện Eastlake bị cắt ra do quá kích thích, và một số
tổ máy khác trong vùng FE và phía bắc của Ohio đang vận hành ở chế độ quá
17


tải về cơng suất phản kháng, trong khi đó tải công suất phản kháng trong khu
vực này tiếp tục tăng cao. Mặc dù các kỹ sư vận hành đã cố gắng khôi phục lại
hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhưng tổ máy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến
đường dây 345 kV trong vùng FE Chamberlin-Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15
giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào cây trong hành lang tuyến mặc dù
lúc đó đường dây này chỉ mang 44% tải định mức. Tiếp theo là đường dây 345
kV Hanna-Juniper đang mang tải 88% cũng bị cắt ra do phóng điện vào cây
trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút. Một đường dây 345 kV khác đang
mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra do phóng điện vào cây lúc 15 giờ
41 phút. Trong khoảng thời gian này, vì hệ thống phần mềm của trung tâm điều
khiển FE và MISO bị hỏng, nên khơng hề có một hành động ngăn chặn nào.
Tiếp sau đó là một loạt các đường dây tải điện trong hệ thống 138 kV bị cắt ra
trong khoảng 15 phút tiếp theo, nhưng vẫn khơng có sự xa thải phụ tải nào. Sự

cố nguy kịch nhất dẫn đến việc mất điều khiển hệ thống điện và mất điện lan
rộng trong vùng Ohio sau khi đường dây 345 kV Sammis-Star 345 kV bị cắt ra
lúc 16 giờ 05 phút 57 giây. Vào khoảng 16 giờ 10 phút 38 giây, do việc mất các
đường dây liên lạc giữa Ohio và Michigan, công suất trao đổi giữa Mỹ và
Canada đã bị thay đổi. Tại thời điểm này, điện áp xung quanh vùng Detroit bị
giảm thấp do các đường dây bị quá tải nặng. Hệ thống điện đã mất ổn định kết
quả là sự mất điện hàng loạt, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đường dây trong
một vùng rộng lớn. Uớc tính khoảng 65000 MW đã bị cắt và phải mất gần 30
giờ để khôi phục lại hệ thống điện.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại Thụy Điển/Đan Mạch, ngày 23/09/2003:
trước khi xảy ra sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạn cho
phép. Tổng lượng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000 MW và không quá
nặng tải. Hai đường dây 400 kV trong vùng sự cố đã được cắt ra để bảo
dưỡng định kỳ, một đường dây khác nối với Đức cũng bị cắt ra cho mục đích
bảo dưỡng. Bắt đầu từ 12 giờ 30 phút, tổ máy 3 của nhà máy điện hạt nhân
Oskarshamn bị sự cố phải giảm công suất từ 1250 MW xuống 800 MW vì sự
cố trong hệ thống bơm cấp nước. Nhân viên nhà máy đã không thể khắc phục
18


được sự cố này và dẫn đến tổ máy 3 bị cắt ra làm mất hoàn toàn 1250 MW. Sự
cố này lẽ ra được coi là bình thường, bởi lượng cơng suất dự phịng nóng và
khả năng mang tải của các đường dây vẫn thỏa mãn tiêu chuẩn an ninh kể trên.
Sau quá trình quá độ bình thường, các hệ thống tự động đã khởi động để lấy
công suất dự phòng từ các nhà máy thủy điện từ Na Uy, Bắc Thụy Điển và
Phần Lan, người ta tin rằng điều này sẽ làm hệ thống điện trở lên ổn định trong
vòng khoảng 1 phút. Tuy nhiên điện áp ở vùng phía nam đã giảm khoảng 5 kV,
tần số ổn định trong giới hạn cho phép là 49,90 Hz. Lượng công suất chạy trên
các đường dây nằm trong giới hạn cho phép, tuy nhiên lượng cơng suất chạy từ
phía Nam - Tây Nam đã tăng lên. Vào lúc 12 giờ 35 phút đã xảy ra một sự cố

thanh góp kép ở trạm 400 kV Horred phía tây Thụy Điển đã làm mất 1,8 GW
từ Nhà máy điện hạt nhân Ringhals, hai đường dây nối Bắc - Nam cũng bị cắt
ra, từ 12 giờ 35 phút đến 12 giờ 37 phút vùng phía đơng đã trở lên q tải dẫn
đến sự sụp đổ điện áp, vùng phía Nam (Nam Thụy Điển và Tây Nam của Đan
Mạch) bị tách rời. Lúc 12 giờ 37 phút, sự thiếu hụt công suất dẫn đến sự sụp đổ
cả tần số và điện áp và dẫn đến tan rã hệ thống điện.
+ Sự cố tan rã hệ thống điện tại Italy, ngày 28/09/2003, vào lúc 3 giờ
sáng, lượng công suất nhập khẩu là 6,9 GW và nhiều hơn 300 MW so với định
mức. Lúc 03 giờ 01 phút 42giây, có một sự cố xảy ra trên được đường dây 380
kV mang tải nặng từ Mettlen -Lavorgo trong hệ thống điện Thụy Sỹ, gần với
biên giới của Italy. Các kỹ sư vận hành đã cố gắng đóng lặp lại được đường dây
một cách tự động và bằng tay nhưng khơng thành cơng do sự sai lệch lớn về
góc pha điện áp giữa hai cực của máy cắt điện. Việc này đã làm đường dây
truyền tải 400 kV Sils - Soazza từ Thụy Sỹ đến Italy bị quá tải 110%. Vào lúc
03h 11 phút, các nhà vận hành hệ thống điện Thụy Sỹ đã yêu cầu giảm lượng
công suất nhập khẩu xuống để giảm lượng quá tải trong hệ thống điện Thụy Sỹ
để đưa hệ thống điện trở lại chế độ vận hành an toàn hơn. Ngay lập tức, một
đường dây 220 kV bên trong lãnh thổ Thụy Sỹ đã bị quá tải và bị cắt ra làm mất
một lượng tải truyền sang Italy là 740 MW. Sau sự cố này, các đường dây nhập
khẩu điện từ các nước khác như Pháp, Thụy Sỹ, Áo, Slovenia đến Italy đã bị
19