Ổn định điện áp trên lưới điện truyền tải 500 220 KV khu vực miền tây hệ thống điện việt nam bằng thiết bị FACTS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI
500-220 KV KHU VỰC MIỀN TÂY – HỆ THỐNG
ĐIỆN VIỆT NAM BẰNG THIẾT BỊ FACTS

MÃ SỐ: T2019-46TĐ

SKC 0 0 6 9 3 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN
TẢI 500-220 KV KHU VỰC MIỀN TÂY – HỆ
THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM BẰNG THIẾT BỊ FACTS
Mã số: T2019-46TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

TP. HCM, 12/2019


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN
TẢI 500-220 KV KHU VỰC MIỀN TÂY –HỆ THỐNG
ĐIỆN VIỆT NAM BẰNG THIẾT BỊ FACTS

Mã số: T2019-46TĐ

Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Nhân Bổn

TP. HCM, 12/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN
TẢI 500-220 KV KHU VỰC MIỀN TÂY –HỆ
THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM BẰNG THIẾT BỊ FACTS

Mã số: T2019-46TĐ


MỤC LỤC
Trang
Mục lục.....................................................................................................................
Danh mục hình vẽ………………………………………………………… ...............
Thơng tin kết quả nghiên cứu…………………………………………………. .......
MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề………………….………………………………………………… .... 1
Mục tiêu ………………..……………………………………….……………. .... 2
Phạm vi nghiên cứu………………..……………………………………..…… .. 2
Phương pháp nghiên cứu….………………………………………………… …3
Ý nghĩa thực tiễn………….…………………………………………… ............. 4
Nội dung nghiên cứu………………………………………………………..... .. .4
Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT & THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC
1.1 Tổng quan về ổn định hệ thống điện ……………………………………… 4
1.2 Ổn định góc rơto ………………… ............................................................. 6
1.3 Ổn định tần số ……………………………...................................................6
1.4 Ổn định điện áp ……………………………………….…............................6
1.5 Sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định hệ thống điện ………….28
1.6 Khái niệm cơ bản và cấu tạo về SVC ………………………….…............29
1.7 Ứng dụng SVC …………………………….................................................31
Chương 2: GIẢI PHÁP SỬ DỤNG ĐƯỜNG CONG PV ĐỂ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ
LẮP ĐẶT SVC TRONG HỆ THỐNG VÀ XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẶT SVC
CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 220KV KHU VỰC MIỀN TÂY NAM BỘ
2.1 Đường cong PV ……………………………………..…………………….36
2.2 Phân tích đường cong PV..……………………………..…... ..… ..… ..…39
2.3 Cơ sở thuật tốn của phương pháp phân tích trào lưu cơng suất

liên tục để xác định điểm sụp đổ điện áp ……..… …..……..……..……..40
2.4 Các bước thực hiện xác định vị trí lắp đặt SVC…..……..……..……..….. 41
2.5 Lưu đồ xác định vị trí SVC..……………………………..…... ..… .… .…43
2.6 Xác định vị trí lắp đặt SVC cho hệ thống điện 220kv
khu vực miền Tây Nam Bộ..……………………………..…... ..… .… .…44
Chương 3: KẾT LUẬN
4.1. Những kết quả đạt được:………………... …...…...…...…...…...….......… 57
4.2. Những hạn chế và hướng phát triển của đề tài ...…...…...…......…......….57
4.3. Khuyến nghị …...…...…...…...…...…...…......….….….…......….........….. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO…................................................................................58


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Tp. HCM, ngày

tháng 12 năm 2019

THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thơng tin chung:
- Tên đề tài: Ổn định điện áp trên lưới điện truyền tải 500-220 kv khu vực miền Tây –
hệ thống điện Việt Nam bằng thiết bị FACTS
- Mã số: T2019-46TĐ

- Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Nhân Bổn
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Thời gian thực hiện: từ 10/01/2019 đến 20/12/2019
2. Mục tiêu:
Xây dựng giải pháp sử dụng đường cong công suất tác dụng và điện áp (PV); đường
cong công suất phản kháng và điện áp (QV) để xác định vị trí lắp đặt SVC phù hợp trong
hệ thống điện.
3. Tính mới và sáng tạo:
Xác định được vị trí tối ưu của thiết bị FACTS nói chung và SVC nói riêng trên lưới
điện truyền tải 220kV khu vực Tây Nam bộ.
1. Kết quả nghiên cứu:
Kết quả nghiên cứu, đánh giá thực tế qua lưới điện 220kV miền Tây Nam bộ năm
2020 rất có ý nghĩa cho việc ứng dụng vào thực tiễn, có thể sử dụng làm cơ sở để triển
khai cho hệ thống điện cao áp 220kV/500kV ở các khu vực khác còn lại tại Việt Nam
trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng ổn định hệ thống điện.
2. Sản phẩm:
-

Bài báo đăng tạp chí GDKHKT

6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
- Kết quả nghiên cứu được đăng ở các tạp chí chuyên ngành, phục vụ cho nghiên cứu
lắp đặt SVC trên lưới điện 220-500kV.
Trưởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Key Project title: IMPROVING VOLTAGE STABILITY ON 220 KV ELECTRICAL
NETWORK OF THE VIETNAM SOUTHWEST REGION
Code number: T2019-46TĐ
Implementing institution: Hochiminh city University of Technonoly and Education
Duration: from 12th February 2019 to 31th November 2019
2. Objective(s):
Find the optimum location for the reactive power compensation equipment SVC. However, the
analysis will ignore the economic factors that focus only on technical factors. Studying and
calculating using the grid diagram of the South West region and the data expected to 2020. The
results of calculating and analyzing PV characteristics are investigated through specialized
software PSS/E 33.
3. Creativeness and innovativeness:
Find the optimum location for the reactive power compensation equipment SVC in 220-500
KV electrical network of the Vietnam Southwest Region
4. Research results:
The results of the research and practical evaluation through the 220-500 KV power grid in the
Southwest region are very meaningful for practical application for improving the Vietnam power
system stability in the future.
5. Products:
A paper on Journal of Technical Education Science.
6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
Results are published on specialized Engineering Journal , served a research of stability by
installing FACTS in the Vietnam Power System.


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Tiếng Việt:
CSPK

Công suất phản kháng

NĐ

Nhiệt điện

HTĐ

Hệ thống điện

CSPK

Công suất phản kháng

Tiếng Anh:
AC
Alternating Current
DC

Direct Current

VSF

Voltage Sensitivity Factor

FACTS

Flexible AC Transmission Systems

TCR

Thyristor Controlled Reactor

TSR

Thyristor Switched Reactor

FC

Fixed Capacitor

TSC

Thyristor Switched Capacitor

TCSC

Thyristor Controlled Series Capacitor

SVC

Static Var Compensator

STATCOM Static Synchronous Compensator
SSSC

Static Synchronous Series Compensator

OPF

Optimal Power Flow

UPFC

Unified Power Flow Controller

VSI

Voltage Source Inverter

VSC

Voltage Source Converter

GTO

Gate Turn-Off Thyristor

VSF

Voltage Sensitivity Factor

CPF

Continuation Power Flow

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Phân loại ổn định hệ thống điện ........................................................... 5
Hình 1.2: Sơ đồ bifurcation và việc rẽ nhánh ...................................................... 14
Hình 1.3: Đồ thị bifurcation của hàm f(x,)=-x2................................................. 16
Hình 1.4: Mơ tả phương pháp trào lưu cơng suất liên tục. .................................... 22
Hình 1.5: Sơ đồ bộ bù tĩnh SVC ........................................................................... 30
Hình 1.6: Đặc tính V-A của bộ SVC .................................................................... 30
Hình 1.7: Mạch tương đương của SVC ................................................................ 30
Hình 1.8: Hệ thống gồm hai máy với thiết bị bù lý tưởng tại điểm giữa.............32
Hình 1.9: Quan hệ của P và Q theo  (a); Đồ thị pha (b) ...................................... 32
Hình 1.10: a) Sự thay đổi giới hạn điện áp ổn định của mạng hình tia và hệ số công suất của tải.
b) Bù SVC để mở rộng điện áp, nâng cao ổn định............. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..33

Hình 1.11: Dạng sóng minh hoạ dao động tắt dần của góc rơto máy phát trường hợp có
và khơng có SVC......................................................................................... ... ... ..34
Hình 1.12: Dạng sóng minh hoạ dao động tắt dần của cơng suất đường dây máy phát
trường hợp có và khơng có SVC..............................................................................35
Hình 1.13: Sự thay đổi ngõ ra của SVC .............................................. ..... 35
Hình 2.1. Mơ hình hai nút .................................................................................... 36
Hình 2.2. Đường cong PV của hệ thống hai nút ................................................... 37
Hình 2.3. Đường cong PV với hệ số cosφ tương ứng ........................................... 38
Hình 2.4. Phân tích đường cong PV ..................................................................... 39
Hình 2.5. Lưu đồ xác định vị trí SVC ................................................................... 43
Hình 2.7: Sơ đồ lưới điện 220kV-500kV khu vực miền Tây Nam Bộ ....................44
Hình 2.8: Đặc tính đường cong PV (tại 8 nút) ...................................................... 47
Hình 2.9: Đặc tính đường cong PV (tại 8 nút tiếp theo) .........................................48

Hình 2.10: Đặc tính đường cong PV (tại 9 nút tiếp theo)............................... ....... 49


Hình 2.11: Biểu đồ điện áp (pu) tại điểm tới hạn
của 25 nút khảo sát vị trí lắp đặt SVC................................................. 51
Hình 2.12: Biểu đồ cơng suất huy động sau khi đặt SVC ..................................... 53
Hình 2.13: Biểu đồ độ dự trữ hệ thống sau khi đặt SVC ....................................... 55
Hình 2.14: Biểu đồ điện áp tại 25 vị trí sau khi đặt SVC ở Long Xuyên ............... 56
Hình 2.15: Biểu đồ điện áp trướcvà sau khi lắp đặt SVC ...................................... 57


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Các vị trí khảo sát đặt SVC trên lưới 220kV .........................................45
Bảng 2.2: Điện áp (pu) tại điểm tới hạn - “mũi” 1706,25 MW ở 25 nút khảo sát vị trí lắp
đặt SVC.......................................................................................................... .... .... .50
Bảng 2.3: Bảng dữ liệu công suất huy động sau khi đặt SVC ............................... ....55
Bảng 2.4: Bảng dữ liệu độ dự trữ hệ thống sau khi đặt SVC ................................. ....56
Bảng 2.5: Bảng dữ liệu điện áp tại 25 vị trí sau khi đặt SVC ở Long Xuyên ........57


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Điện áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện
năng. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp trên tất cả các nút trong hệ thống
ở trong một giới hạn cho phép. Hệ thống điện sẽ mất ổn định khi tăng tải đột ngột
hay thay đổi các thông số trong hệ thống. Các trường họp này sẽ làm cho quá trình
giảm điện áp xảy ra và nặng nhất là có thể gây ra sụp đổ điện áp.
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current
Transmission Systems - FACTS) là sự kết hợp của các thiết bị điện tử cơng suất tốc
độ cao, nó có thể gia tăng sự vận hành của hệ thống qua việc phân phối hoặc hấp
thụ công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng và ổn định hệ thống. FACTS có
thể lắp đặt trên hệ thống ở mọi vị trí theo kiểu kết nối nối tiếp, hoặc song song (nối
tiếp Shunt) hoặc cả hai. Các thiết bị thiết bị FACTS như: Máy bù tĩnh (SVC), máy
bù đồng bộ tĩnh (STATCOM), bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor
(TCSC), máy bù dọc đồng bộ tĩnh (SSSC ), bộ điều khiển trào lưu công suất hợp
nhất (UPFC),...Thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc
pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp góp phần quan trọng trong việc
nâng cao độ ổn định hệ thống. Và hiện tượng mất ổn định hệ thống có thể được loại
trừ hoặc ít nhất là giảm xuống mức thấp nhất nếu hệ thống điện có sự hỗ trợ của các
thiết bị điện tử công suất được gọi là FACTS. Sử dụng các thiết bị điều khiển
FACTS trong hệ thống truyền tải điện không những làm gia tăng độ ổn định hệ
thống điện hiện có mà cịn giúp cho hệ thống điện vận hành linh hoạt hơn.
Hiện nay, ứng dụng thiết bị FACTS vào hệ thống điện được nhiều nhà khoa
học nghiên cứu và nhiều nước trên thế giới quan tâm áp dụng, đặc biệt là máy bù
tĩnh - SVC đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải.
Trong nghiên cứu ứng dụng SVC để nâng cao khả năng tải của đường dây,
xác định được vị trí tối ưu của thiết bị FACTS khi các mức bù dọc tại giữa đường

1

ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

dây thay đổi, tại mỗi vị trí tối ưu luận văn này có tính tốn các giá trị điện áp, góc
điện áp tại các khu vực nhưng chưa đánh giá ổn định điện áp [1].
Tác giả [2] đề xuất cách phân tích ổn định điện áp lưới điện 220kV khu vực
Miền Trung bằng cách sử dụng đường đặc tuyến PV và QV trong phần mềm chuyên
dụng PowerWorld Simulator 13. Qua đó đề xuất giải pháp nâng cao ổn định điện
áp lưới điện khu vực với thiết bị bù SVC thuộc hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hoạt FACTS. Tuy nhiên tác giả chỉ ứng dụng phần mềm PowerWorld
Simulator 13 để phân tích.
Tác giả [3] chỉ phân tích ổn định điện áp hệ thống điện Anbani, phân tích
đường cong PV, QV trên phần mềm NEPLAN.
Tác giả [4] sử dụng phần mềm PSS/E để phân tích PV trên lưới điện 50 nút.
Tuy nhiên tác giả chỉ phân tích ổn định điện áp.
Tác giả [5] chỉ nghiên cứu ổn định điện áp thông qua việc phân tích PV có
trong các phần mềm PSSE, PSLF, PSAT, PowerWorld, VSAT trên hệ thống điện
IEEE 300 nút và sau đó đặt thiết bị bù Var tại nút có điện áp thấp.
Mục đích cơ bản nhất của SVC thường được sử dụng là để điều khiển điện
áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống. Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng
nhanh, thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ
có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thơng thường. Ngồi ra, thiết bị SVC
cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ
và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.
Vấn đề ổn định hệ thống điện và ảnh hưởng bất lợi của việc mất ổn định đến
toàn bộ hệ thống điện là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học, các tổ chức, các
quốc gia trong nước cũng như quốc tế đều quan tâm và nghiên cứu. Trong đó, việc
lắp đặt thiết bị SVC để nâng cao khả năng ổn định cho các phần tử trong hệ thống

điện, nhất là nâng cao khả năng ổn định hệ thống và tăng biên độ dự trữ công suất
tải, giảm tổn thất cơng suất trên tồn hệ thống là một việc hết sức quan trọng nhằm
hạn chế sự mất ổn định trong hệ thống điện.
Ứng dụng thiết bị SVC là để hướng đến ổn định hệ thống điện. Tuy nhiên

2


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

xác định vị trí lắp đặt thiết bị SVC phù hợp trong hệ thống và giải pháp để thực hiện
đó là vấn đề cần quan tâm.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Xây dựng giải pháp sử dụng đường cong công suất tác dụng và điện áp (PV);

đường cong công suất phản kháng và điện áp (QV) để xác định vị trí lắp đặt
SVC phù hợp trong hệ thống điện.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Lý thuyết về ổn định hệ thống điện, cụ thể là ổn định điện áp.
- Thiết bị bù tĩnh - SVC, cụ thể là về khái quát, cấu tạo, nguyên lý hoạt động
và ứng dụng SVC trong hệ thống điện.
- Phương pháp tối ưu hóa trào lưu cơng suất (Optimal Power Flow - OPF).
- Phương pháp phân tích trào lưu cơng suất liên tục để tìm điểm sụp đổ điện
áp, biên độ ổn định điện áp.
- Lý thuyết về phương pháp phân tích đường cong quan hệ giữa công suất tác
dụng và điện áp (đường cong PV), đường cong công suất phản kháng và điện áp

(QV).
- Hệ thống lưới điện 220kV miền Tây Nam bộ năm 2020 và phần mềm
chun dụng PSS/E 33.4.0 trong mơ phỏng, tính tốn, phân tích và đánh giá.
- Xác định vị trí tối ưu để lắp đặt SVC trong hệ thống lưới điện 220kV miền
Tây Nam bộ.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Ổn định hệ thống điện.
- Ứng dụng thiết bị bù tĩnh SVC.
- Phương pháp phân tích đường cong PV để đánh giá ổn định hệ thống điện.
- Xây dựng giải pháp sử dụng đường cong PV xác định, phân tích và đánh
giá vị trí lắp đặt SVC phù hợp trong hệ thống điện 220kV miền Tây Nam bộ năm
2020.

3


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu, đánh giá thực tế qua lưới điện 220kV miền Tây Nam bộ
năm 2020 rất có ý nghĩa cho việc ứng dụng vào thực tiễn, có thể sử dụng làm cơ sở
để triển khai cho hệ thống điện cao áp 220kV/500kV ở các khu vực khác còn lại tại
Việt Nam trong tương lai nhằm nâng cao chất lượng ổn định hệ thống điện.
Đóng góp giải pháp và góp phần trong phát triển nghiên cứu khoa học ở lĩnh
vực ổn định hệ thống điện.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp và phân tích.
- Mơ hình hóa và mơ phỏng trên PSS/E 33.4.0.

1.6. Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Cơ sở lý thuyết & thiết bị bù tĩnh svc.
Chương 2: Giải pháp sử dụng đường cong pv để xác định vị trí lắp đặt svc
trong hệ thống và xác định vị trí lắp đặt svc cho hệ thống điện 220kv khu vực
miền Tây Nam Bộ
Chương 3: Kết luận

4


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT& THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC
1.1. Tổng quan về ổn định hệ thống điện
Sự ổn định hệ thống điện đó là tính chất hoặc khả năng của một hệ thống để
duy trì trạng thái hoạt động cân bằng dưới điều kiện hoạt động bình thường và sẽ
đạt được một trạng thái cân bằng chấp nhận được sau khi chịu một nhiễu loạn. Sự
cân bằng phụ thuộc vào điều kiện vận hành ban đầu và mức độ nhiễu loạn.
Mất ổn định điện áp là hiện tượng tụt giảm điện áp liên tục hoặc quá trình
điện áp tăng cao liên tục khi cố gắng phục hồi công suất phụ tải vượt quá giới hạn
khả năng của hệ thống nguồn phát điện và lưới truyền tải.
Sụp đổ điện áp là một quá trình xảy ra bởi một chuỗi các sự kiện đi kèm sự
mất ổn định điện áp dẫn đến mất điện lớn, diện rộng hoặc điện áp giảm thấp bất
thường tại vùng quan trọng của hệ thống.
Sự phân loại các ổn định của hệ thống điện được trình bày cơ bản ở Hình 1.1.
Ổn định hệ thống

Ổn định góc

Ổn định góc Dao động bé

Ổn định tần số

Ổn định điện áp

Ổn định điện áp Dao động lớn

Ổn định quá độ

Thời gian ngắn

Thời gian ngắn
nn
Thời gian ngắn

Thời gian dài

Hình 1.1: Phân loại ổn định hệ thống điện

5

Ổn định điện ápDao động bé

Thời gian dài

ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

1.2. Ổn định góc rơto
Ổn định góc rơto đề cập đến khả năng các máy phát trong cùng một hệ thống
liên kết vẫn duy trì được đồng bộ sau khi chịu tác động của một dao động nhiễu
loạn. Sự ổn định này là điều kiện cân bằng giữa hai lực đối nhau là công suất cơ đầu
vào và công suất điện ở đầu ra của mỗi máy điện đồng bộ trong hệ thống điện. Mất
ổn định có thể là kết quả xuất hiện bởi các góc lệch rơto của một số các máy phát
hoặc một nhóm máy phát khơng đồng bộ với một số các máy phát khác.
1.3. Ổn định tần số
Ổn định tần số là khả năng của hệ thống điện giữ được tần số ổn định sau khi
hệ thống điện có một nhiễu loạn lớn do mất cân bằng đủ lớn giữa nguồn phát và phụ
tải.
Mất ổn định có thể là kết quả do tần số của hệ thống điện bị dao động dẫn
đến việc cắt điện các tổ máy phát hoặc các phụ tải.
1.4. Ổn định điện áp
Ổn định điện áp của hệ thống điện là khả năng của một hệ thống điện khôi
phục lại điện áp ban đầu hay lân cận ban đầu khi chịu các kích động nhỏ tại phụ tải.
Ổn định điện áp về bản chất là một trạng thái động và bị tác động bởi việc kiểm sốt
điện áp và các đặc tính của tải dưới dạng biến thiên.
Ổn định điện áp tĩnh (static voltage stability) là khả năng của hệ thống điện
có thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi
có các kích động nhỏ đến hệ thống như sự biến thiên liên tục công suất phụ tải. Các
kích động nhỏ này xảy ra liên tục nên ổn định tĩnh gắn liền với chế độ xác lập của
hệ thống điện. Chỉ tiêu của ổn định tĩnh là sau khi có kích động nhỏ tới hệ thống thì
điện áp tại mọi thanh cái nhận điện cùng tăng hoặc cùng giảm tương ứng với công
suất phản kháng cấp vào thanh cái đó. Cụ thể hơn, hệ thống có ổn định tĩnh nếu
và ngược lại

thì hệ thống khơng đạt chỉ tiêu ổn định tĩnh.

Ổn định động (dynamic voltage stability) là khả năng của hệ thống điện có
thể giữ điện áp của các nút trong giới hạn cho phép so với điện áp định mức khi có
các kích động lớn đến hệ thống như sự cố mất máy phát, đường dây công suất lớn...

6


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Chỉ tiêu của ổn định động là sau khi có kích động lớn tới hệ thống là điện áp tại tất
cả các thanh cái nhận điện đều nằm trong giới hạn cho phép so với điện áp định
mức.
Giả sử một hệ thống điện đang ở trạng thái ổn định. Khi có thay đổi nào đó
trong hệ thống điện thì hệ thống sẽ xuất hiện quá trình dao động, nếu dao động lớn
thì hệ thống điện có thể rời khỏi trạng thái cân bằng lúc trước và xuất hiện quá trình
quá độ để thiết lập lại trạng thái ổn định mới với điểm vận hành ổn định mới, nếu sự
thay đổi là liên tục (ví dụ như phụ tải tăng dần) thì q trình thiết lập phải xác định
được điểm vận hành ổn định mới vì điểm này ln thay đổi. Đây chính là mục tiêu
mong muốn khi vận hành hệ thống điện. Tuy nhiên, hệ thống điện có thể mất ổn
định khi sự thay đổi trong hệ thống dẫn đến khơng có điểm vận hành ổn định nữa.
Vì khơng tồn tại điểm vận hành ổn định mới nên hệ thống sẽ xảy ra một quá trình
quá độ phức tạp. Quá trình này bắt đầu bằng việc điện áp sụt giảm chậm và sau đó
là giảm nhanh do có các thay đổi khác xảy ra theo trong hệ thống. Điều này dẫn đến
sự sụt giảm điện áp liên tục và hệ thống điện bị tan rã.
1.4.1. Các phương pháp đánh giá sự ổn định điện áp của hệ thống điện

Đánh giá ổn định của các hệ thống có hai phương pháp đánh giá [6]:
- Phương pháp trực tiếp (direct method): phương pháp này xác định ổn định
động mà không cần giải quyết các phương trình vi phân . Nó dựa trên cơ sở được
gọi là hàm năng lượng. Phương pháp hàm năng lượng được xem là trường hợp đặc
biệt của phương pháp Lyapunov tổng quát hơn. Hiện nay phương pháp này đã được
nghiên cứu rất đầy đủ. Tuy nhiên nó vẫn cịn giới hạn bởi mơ hình hố và kỹ thuật
tính tốn khơng tin cậy đặc biệt trong vùng lân cận điểm mất ổn định đối với hệ
thống nhiều máy. Phương pháp này có ưu điểm là tính tốn nhanh, thuận tiện cho
bài tính trực tuyến.
- Phương pháp gián tiếp (indirect method): phương pháp này dựa trên các
phương trình mơ hình hố các phần tử trong hệ thống bằng các phương trình vi
phân. Dĩ nhiên do tính phi tuyến nên khơng có phương pháp giải trực tiếp mà phải
giải bằng các phương pháp số và lặp hoặc tuyến tính hố lân cận điểm ổn định.

7


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Phương pháp này có ưu điểm là các phần tử trong hệ thống có thể mơ tả chính xác
theo như nó có thể (có bộ điều khiển kích từ, điều tốc, các hoạt động bộ bảo vệ v.v)
.Tuy nhiên nó cần nhiều thời gian để tính tốn. Do đó nó sẽ được ưu tiên trong các
nghiên cứu qui hoạch hoặc phân tích sự cố.
Đối với giới hạn của đề tài này, phương pháp gián tiếp được sử dụng để xem
xét sử dụng thiết bị bù nâng cao ổn định điện áp của hệ thống.
1.4.1.1. Mơ hình hệ thống điện - Khơng gian trạng thái
Theo [7], trạng thái của một hệ thống động như hệ thống điện, có thể mơ tả
bởi tập n phương trình vi phân bậc nhất phi tuyến có dạng sau:

xɺ i  f i ( x 1 , x 2 ,...x n ; u 1 , u 2 ,...u r ; t )

(1.1)

Trong đó:
- n: là số biến của hệ thống.
- r : số biến điều khiển.
hệ phương trình trên viết lại dưới dạng ma trận như sau:

xɺ  f i ( x , u , t )

(1.2)

Trong đó:
T
- x  ( x 1 , x 2 ,.....x n ) là véc tơ trạng thái của hệ thống
T
- u  (u 1 , u 2 ,.....u r ) là véc tơ đầu vào (biến điều khiển) của hệ thống

- f  (f1 , f 2 ,.....f n )

T

Trong trường hợp đạo hàm của các biến trạng thái không là một hàm explicit
thì hệ thống gọi là hệ thống autonomous. Khi đó phương trình trên có thể viết đơn
giản lại là:

xɺ  f i ( x , u )

(2.3)

Ngồi ra đơi khi ta quan tâm một số biến đầu ra quan hệ đại số với các biến
trạng thái và biến điều khiển có thể diển tả dưới dạng:

y  g(x, u )

(2.4)

Trong đó:

8


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

T
- y  ( y1 , y 2 ,.....y m ) là véc tơ biến đầu ra (output) của hệ thống.
T
- g  (g1 , g 2 ,.....g m )

Cụ thể như sau, với hệ thống máy điện đồng bộ và bộ kích từ dạng IEEE-loại
1 các phương trình mơ tả hệ thống có thể viết nhau:
Các phương trình vi phân về kích từ và điều tốc:

d i
 i  s
dt

(2.5)
'

'

'

'

di TMi [E qi  X di I di ]I qi [E di  X qi I qi ]I di Di (i  s )




dt
Mi
Mi
Mi
Mi
dE 'qi
dt



E'qi
T ' d 0i

[X di  X 'di ]I di ] E 'fdi



T' doi
T'doi

(2.6)

(2.7)

I qi
dE 'di
E'
  di 
(X qi  X' qi )
dt
T' q 0i T' qoi

(2.8)

dE 'fdi
K  S E (E fdi )
V
  Ei
E fdi  Ri
dt
TEi
TEi

(2.9)

dVRi

V
K
K K
K
  Ri  Ai R fi  Ai Fi E fdi  Ai (Vrefi  Vi )
dt
TAi TAi
TAi TFi
TAi

(2.10)

dR Fi
R
K Fi
  Fi 
E fdi
dt
TFi (TFi ) 2

(2.11)

Các phương trình đại số stator:

E 'di  Vi sin(  i   i )  R si I di  X 'qi I qi  0

E 'qi  Vi cos(  i   i )  R si I qi  X 'di I di  0
Các phương trình hệ thống:

9

(2.12)
(2.13)


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

n

I di Vi sin( i  i )  I qi Vi cos( i  i )  PLi (Vi )   Vi Vk Yik cos(i   k   ik )  0
k 1

(1.14)
n

I di Vi cos( i  i )  I qi Vi sin( i  i )  Q Li (Vi )   Vi Vk Yik sin(i   k   ik )  0
k 1

(1.15)
n

PLi (Vi )   Vi Vk Yik cos(i   k   ik )  0
k 1

(1.16)

n

Q Li (Vi )   Vi Vk Yik sin(i   k   ik )  0
k 1

(1.17)

1.4.1.2. Điểm cân bằng (Equibibrium or singular points)
Điểm cân bằng là điểm mà tại đó tất cả các đạo hàm xɺ 1 , xɺ 2 ,.......xɺ n là đồng
thời bằng không. Hệ thống được xem là dừng bởi vì tất cả các biến bằng hằng số và
không thay đổi theo thời gian. Điểm cân thoả mãn điều kiện :

f i (x 0 , u)  0

(1.18)

Nếu phương trình f i (i  1, 2....n ) là tuyến tính , thì hệ thống gọi là hệ thống
tuyến tính và sẽ chỉ có một điểm cân bằng duy nhất. Ngược lại, đối với hệ thống phi
tuyến , thì thường có nhiều hơn một điểm cân bằng. Các điểm cân bằng là các đặc
trưng chính của cách cư xử của một hệ thống động mà nghiên cứu nó có thể rút ra
các tính chất ổn định của hệ thống.
Từ các quan sát các điểm cân bằng có thể rút ra ba trạng thái ổn định:
- Ổn định cục bộ: hệ thống ổn định cục bộ là hệ thống sẽ trở về trạng thái ổn
định ban đầu sau một biến động nhỏ
- Ổn định giới hạn: là ổn định của hệ thống trong một miền giới hạn.
- Ổn định toàn cục : là ổn định của hệ thống trên tồn bộ khơng gian trạng
thái.
Đối với ổn định cục bộ , do chỉ xét các biến đổi quanh điểm cân bằng, nên có
thể tuyến tính các phương trình trạng thái quanh điểm cân bằng thuận tiện cho việc

10

ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

đánh giá nghiên cứu phản ứng của hệ thống.
1.4.1.3. Tuyến tính hố mơ hình hệ thống
Cho xo là véc tơ trạng thái cân bằng và uo là véctơ đầu vào tương ứng với
trạng thái cân bằng mà một dao động nhỏ sẽ được nghiên cứu. Bởi vì xo và uo là
trạng thái cân bằng nên nó thoả mãn phương trình sau:

xɺ o  f ( x o , u o )  0

(1.19)

Cho một dao động nhỏ ở trạng thái trên

x  x o  x u  u o  u

(1.20)

Trạng thái mới của hệ thống sẽ thoả mãn :

xɺ  xɺ o  xɺ  f (( x o  xɺ ), (u o  uɺ ))

(1.21)

Do các dao động được xem là nhỏ , nên hàm phi tuyến f(x,u) có thể diển tả
theo khai triển Taylor.

xɺ i  xɺ io  xɺ i  f i (( x o  xɺ ), (u o  uɺ ))

 f i (x o , u o ) 

f i
f
f
f
x i  .... i x n  i u i  .... i u r
x i
x n
u i
u r
(1.22)

Vì xɺ io  f i ( x o , u o ) , nên:

xɺ i 

f i
f
f
f
x i  .... i x n  i u i  .... i u r
x i
x n
u i
u r

(1.23)

với i=1,2,…n.
Với cách tương tự , ta cũng có :

y i 

g i
g
g
g
x i  .... i x n  i u i  .... i u r
x i
x n
u i
u r

(1.24)

với j=1,2..m
Từ đó có thể viết tổng quát như sau:
 xɺ  A  x  B  u

(1.25)

11


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

y  C x  D u
(1.26)
trong đó

 f1
 x
 1
A   ...
 f n
 x 1


 g1
 x
 1
C   ...
 g n
 x 1


f1 
 f1
 u
x n 

 1
... ...  B   ...
f n 
 f n

...
 u 1
x n 


...

g1 
 g 1

 u
x n

 1
... ...  D   ...
g m 
 g n
...
 u 1
x n 

...

f1 
u r 

... ... 
f n 
...
u r 

...

g 1 
u r 

... ... 
g n 
...
u r 

...

Trong đó :

x : véc tơ trạng thái , bậc n.
y : véc tơ đầu ra, bậc m.
u : véc tơ đầu vào (véctơ điều khiển), bậc r.

A: ma trận trạng thái (ma trận Jacobi) bậc nxn.
B: ma trận điều khiển bậc nxr.
C: ma trận đầu ra mxn.
D: ma trận hồi tiếp mà nó định nghĩa tỉ lệ của các đầu vào ảnh hưởng trực
tiếp đầu ra.
Trong đó ma trận A là ma trận Jacobi của mơ hình động hệ thống. Nó quyết
định tính chất động học cơ bản của hệ thống.
1.4.1.4. Sự rẽ nhánh (Bifurcation)
Lý thuyết về sự rẽ nhánh giả thiết rằng các tham số của hệ thống thay đổi
chậm và tiên đoán một hệ thống điện sẽ trở nên không ổn định như thế nào. Ý chính
ở đây là nghiên cứu hệ thống ở ngưỡng của ổn định. Các giả thiết và lý luận chính ở

12


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

đây như sau:
- Trong lý thuyết về sự rẽ nhánh,các tham số được giả thiết thay đổi là chậm
và mô tả các thay đổi về chất như sự mất ổn định.
- Tại điểm rẽ nhánh kiểu yên ngựa, sự ổn định của điểm cân bằng biến mất
khi tham số thay đổi, và kết quả là gây ra sự sụp đổ của một biến trạng thái nào đó
ví dụ như biên độ điện áp.
- Tại điểm rẽ nhánh Hopf, một điểm cân bằng ổn định sẽ trở nên không ổn
định và dẫn đến dao động ổn định hoặc mất ổn định dao động.
Để nghiên cứu sự rẽ nhánh trong hệ thống điện, thì mơ hình hệ thống được
mơ tả bởi các phương trình mà nó có hai dạng biến: biến trạng thái và biến tham số.
Biến trạng thái của của hệ thống có thể là biên độ và góc pha điện áp các nút, góc và
độ lớn của dịng điện của máy phát v.v.). Tham số là các đại lượng mà nó thay đổi
chậm so với các biến trạng thái của hệ thống nhưng nó có ảnh hưởng thay đổi
phương trình của hệ thống. Đối với bài toán nghiên cứu ổn định điện áp, thường
tham số được chọn là nhu cầu công suất thực ở thanh cái các nút. Điều này cho
phép đánh giá sự thay đổi sự ổn định điện áp khi thay đổi nhu cầu tải.
1.4.1.5. Điểm rẽ nhánh yên ngựa
Một điểm rẽ nhánh kiểu yên ngựa là sự biến mất ổn định của hệ thống khi
tham số được thay đổi dần một cách chậm rãi. Kết quả của sự biến mất là biến trạng
thái sẽ thay đổi một cách nhanh dần cho khi sụp đổ hoàn toàn. Đối với việc nghiên
cứu hệ thống điện, thì biến trạng thái ở đây là điện áp sẽ thay đổi nhanh gây ra việc
sụp đổ điện áp.

Điểm sụp đổ điện áp có thể được xem là kết quả động học của một sự rẽ
nhánh yên ngựa. Ở điểm rẽ nhánh này hệ thống sẽ rời điểm cân bằng rẽ nhánh và di
chuyển dọc theo một hướng đặc biệt.
Trong việc xem xét điểm rẽ nhánh liên quan đến sụp đổ điện áp, các thông số
của hệ thống hầu như tĩnh. Vì lý do này, vấn đề ổn định điện áp liên quan đến điểm
rẽ nhánh được xem là hiện tượng “điện áp tĩnh”. Cũng lưu ý rằng không phải bất cứ
vấn đề sụp đổ điện áp tĩnh đều gây ra bởi sự rẽ nhánh yên ngựa.

13


ĐỀ TÀI CẤP TRƯỜNG T2019-TĐ46

TS. NGUYỄN NHÂN BỔN

Với một hệ thống điện đơn giản gồm một máy phát PV cung cấp cho một tải
PV qua một đường dây truyền tải mơ tả như hình sau:

Hình 1.2: Sơ đồ bifurcation và việc rẽ nhánh
Ở đây biến trạng thái của hệ thống được chọn là x=(V, ) là biên độ và góc
pha của điện áp nút phụ tải. Như vậy ta có quan hệ giữa biến trạng thái trên với
tham số số phụ tải p như hình trên. Đối với phụ tải thấp, rõ ràng ta có hai trạng thái
cân bằng của hệ thống. Khi tăng dần p lên, hai điểm cân bằng này sẽ tiến đến gần
nhau và sau đó sẽ nhập chung lại thành một ở một giá trị p* . Khi tải vượt giá trị p*
thì điểm cân bằng sẽ biến mất. Hình 1.2 được gọi là sơ đồ bifurcation và việc rẽ
nhánh xảy ra ở điểm mũi của đường cong. Trong thực tế, kết qủa trạng thái ở điện
áp cao là ổn định, còn ở điện áp thấp là không ổn định (ở đây ta tạm bỏ qua điểm rẽ
nhánh Hopf mà nó có thể gây khơng ổn định cho một số điểm cân bằng ở điện áp
cao và thấp).
Về mặt tốn học, việc mơ hình hệ thống được thực hiện như sau: kịch bản ở

đây là tải sẽ được tăng rời rạc và một chuỗi các phân tích trào lưu được thực hiện,
để tạo các snapshot của hướng di chuyển của hệ thống. Kỹ thuật snapshot này là
một giải phát dung hồ giữa việc mơ phỏng chi tiết trong miền thời gian và trạng
thái tĩnh. Thuật toán nữa động này cung cấp thông tin cho ta hiểu được cơ cấu mất
ổn định với việc tiến tới thời gian tính tốn tương đối thấp. Kỹ thuật này gần đúng

14