Đánh giá độ ổn định lưới đo đồng cấp

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot(20)

Similar to Đánh giá ổn định điện áp lưới điện trong hệ thống điện.pdf

Similar to Đánh giá ổn định điện áp lưới điện trong hệ thống điện.pdf(20)

More from Man_Book

More from Man_Book(20)

Recently uploaded

Recently uploaded(20)

Đánh giá ổn định điện áp lưới điện trong hệ thống điện.pdf

• 1. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------- Phạm Thị Hải ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Bách Hà Nội – 2014
• 2. BÌA.....................................................................................................1 LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................5 LỜI CẢM ƠN............................................................................................................6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..............................................................................8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................9 LỜI MỞ ĐẦU..........................................................................................................11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.........................................................................................................................12 1.1 Đặt vấn đề...................................................................................................12 1.2 Tổng quan về ổn định điện áp ....................................................................14 1.2.1 Khái niệm..........................................................................................14 1.2.2 Phân loại ổn định điện áp...............................................................14 1.2.3 Hiện tượng mất ổn định điện áp & sụp đổ điện áp...........................15 1.2.4 Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện..........18 1.2.5 Kết luận và nhận xét.........................................................................20 1.3 Tổng quan về các phương pháp phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện.............................................................................................................20
• 3. phân tích đặc tuyến P-V, Q-V....................................20 1.3.2 Phương pháp xác định khoảng cách nhỏ nhất dẫn đến mất ổn định điện áp trên mặt phẳng công suất...............................................................22 1.3.3 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ (VQ sensitivity analysis) và phân tích trạng thái QV (QV modal analysis) ...........................................24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP QUA ĐẶC TUYẾN PV, QV 28 2.1 Đặc tuyến PV và phân tích ổn định điện áp ...............................................28 2.1.1 Đường đặc tuyến PV.........................................................................28 2.1.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến PV.........................29 2.2 Đặc tuyến QV và phân tích ổn định điện áp...............................................34 2.2.1 Đặc tuyến QV...................................................................................34 2.2.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến QV........................34 2.3 Phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp........................................37 2.3.1 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ ..................................................37 2.3.2 Ứng dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ để xác định giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện.........................................................................42 2.3.3 Phương pháp trào lưu công suất lặp lại (Repeated power flow) ......42 2.3.4 Phương pháp trào lưu công suất liên tục (Continuation power flow) ....................................................................................................................49 2.4 Các chỉ tiêu, hệ số đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống điện..............55
• 4. dự trữ điện áp..........................................................................55 2.4.2 Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống..................................56 2.4.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của nút tải.....................................56 2.5 Kết luận và nhận xét...................................................................................58 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS/E ĐỂ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM THEO PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TUYẾN PV, QV ..................................................59 3.1 Giới thiệu chương trình PSS/E...................................................................59 3.2 Giới thiệu chức năng đường cong PV, QV của phần mềm PSS/E.............59 3.2.1 Ứng dụng đường cong PV, QV đánh giá ổn định điện áp tĩnh ........59 3.2.2 Kỹ thuật vẽ đường cong PV, QV trong phần mềm PSS/E...............60 3.3 Sơ đồ hệ thống điện Việt Nam đến năm 2015 ...........................................60 3.4 Đánh giá ổn định điện áp lưới điện 500kV Việt Nam năm 2015...............64 3.4.1 Đặc tuyến PV của các nút.................................................................64 3.4.2 Đặc tuyến QV của các nút ................................................................68 3.4.3 Kết luận..........................................................................................75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................77
• 5. xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu sử dụng kết quả của người khác. Tác giả Phạm Thị Hải
• 6. suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ, động viên của thầy cô, bạn bè. Tôi xin gửi lời biết ơn chân thành tới PGS.TS Trần Bách, người đã hướng dẫn tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà nội đã giúp đỡ, góp ý để tôi hoàn thiện luận văn. Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp đã trao đổi và giúp đỡ giải quyết những vướng mắc trong quá trình thực hiện.
• 7. KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Nội dung HTĐ Hệ thống điện MBA Máy biến áp MF Máy phát CSPK Công suất phản kháng RBF Trào lưu công suất lặp lại CBF Trào lưu công suất liên tục MTTD Ma trận tổng dẫn CSTD Công suất tác dụng ĐD Đường dây NMĐ Nhà máy điện
• 8. BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Độ dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 ĐD 500kV ........................................65 Bảng 3.2 Độ dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 tổ máy phát........................................67 Bảng 3.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của các nút tải 500kV............................74
• 9. HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 .1 Sự ổn định của một quả banh lăn..............................................................12 Hình 1.2 Mô hình mạng điện đơn giản .....................................................................21 Hình1.3 Không gian (V, P, Q) biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng......................22 Hình 1.4 Kỹ thuật xác định khoảng cách nhỏ nhất đến mất ổn định điện áp ...........24 Hình 2.1 Đặc tuyến PV cơ bản..................................................................................29 Hình 2.2 Đường đặc tuyến PV ứng với hệ cố công suất 1 cos   ............................30 Hình 2.3 Mạng điện đơn giản gồm 2 nút, 2 đường dây truyền tải............................31 Hình 2.4 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 0.8 pu........................................31 Hình 2.5 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 1.2.............................................32 Hình 2.6 Các đường đặc tuyến PV với PR lớn hơn lúc bình thường.........................32 Hình 2.7 Các họ đường đặc tuyến PV ứng với hệ số tải khác nhau..........................33 Hình 2.8 Dạng đường đặc tuyến QV điển hình.........................................................34 Hình 2.9 Sơ đồ điện đơn giản vẽ đường cong QV....................................................35 Hình 2.10 Đồ thị quan hệ QV ...................................................................................36 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán phương pháp Newton-Raphson ...................................45 Hình 2.11 Sơ đồ thuật toán phương pháp Newton-Raphson ....................................47 Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán tính giới hạn ổn định bằng phương pháp RBF .............48 Hình 2.13.Kỹ thuật trào lưu công suất liên tục sử dụng phương pháp dự đoán theo phương tiếp tuyến và hiệu chỉnh theo phương pháp tham số hóa cục bộ..........51 Hình 2.14 Thuật toán trào lưu công suất liên tục......................................................54 Hình 2.15 Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi ...................................58 Hình 3.1 Phân vùng hệ thống điện Việt Nam ...........................................................62 Hình 3.2 Sơ đồ lưới điện Việt Nam đến năm 2015...................................................63 Bảng 3.1 Độ dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 ĐD 500kV .........................................65 Hình 3.3 Đặc tuyễn PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa chế độ cơ bản ......................................................................................................................65 Hình 3.4 Đặc tuyến PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa –............66 chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hiệp Hòa...........................................................................66
• 10. dự trữ CSTD Pdt ở chế độ cắt 1 tổ máy phát........................................67 Hình 3.5 Đặc tuyến PV các nút Sơn La, Thường Tín, Phố Nối, Đức Hòa- chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân.......................................................................67 Hình 3.6 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ cơ sở......................................68 Hình 3.7 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ cơ sở.............................................69 Hình 3.8 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ cơ sở...........................................69 Hình 3.9 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình..70 Hình 3.10 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình.....70 Hình 3.11 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ sự cố ĐD Sơn La-Hòa Bình ....71 Hình 3.12 Đặc tuyến QV nút tải Thường Tín - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân.............................................................................................................71 Hình 3.13 Đặc tuyến QV nút tải Việt Trì - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân.............................................................................................................72 Hình 3.14 Đặc tuyến QV nút tải Thốt Nốt - chế độ sự cố 1 tổ máy phát NMĐ Vĩnh Tân......................................................................................................................72 Bảng 3.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của các nút tải 500kV............................74
• 11. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Ổn định điện áp là một vấn đề đã và đang được nghiên cứu nhiều ở các nước phát triển trên thế giới, nhất là trong cơ chế thị trường điện do tác hại của hiện tượng mất ổn định điện áp là rất lớn, có thể đưa hệ thống điện đến tình trạng sụp đổ điện áp từng phần hoặc hoàn toàn. 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 diện rộng gây thiệt hại lớn về kinh tế, chính trị, xã hội. Với lý do nêu trên, việc đánh giá ổn định điện áp lưới điện là rất cần thiết trong thực tế hiện nay và tương lai, vì vậy em chọn luận văn thạc sĩ với đề tài: “Đánh giá ổn định điện áp lưới điện trong hệ thống điện”. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng đặc tuyến PV, QV để đánh giá lưới điện truyền tải. Để thực hiện nhiệm vụ này mục tiêu là: - Giới thiệu về ổn định điện áp trong hệ thống điện. - Nghiên cứu, phân tích ổn định điện áp theo đặc tuyến PV, QV. - Nghiên cứu sử dụng phần mềm PSS/E để đánh giá ổn định điện áp lưới điện 500kV Việt Nam năm 2015 theo đặc tuyến PV, QV.
• 12. QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1 Đặt vấn đề Hệ thống điện là một hệ thống phi tuyến, vận hành trong điều kiện mà các biến trạng thái của hệ thống như phụ tải, công suất máy phát... thay đổi liên tục. Khi bị nhiễu loạn, sự ổn định của hệ thống phụ thuộc vào các điều kiện vận hành ban đầu cũng như bản chất của sự nhiễu loạn đó. Tính ổn định của một hệ thống điện là một thuộc tính sự vận động của hệ thống xung quanh một trạng thái cân bằng đã được thiết lập, như điều kiện vận hành ban đầu. Để hiểu rõ hơn về trạng thái cân bằng ta xét mô hình quả banh lăn như hình 1.1 Hệ thống banh lăn có 2 loại điểm cân bằng hay 2 trạng thái nghỉ, tương ứng với các trạng thái hệ thống điện mà tại đó banh sẽ không lăn nữa nếu tốc độ v của nó là 0. Các điểm cân bằng này như sau: - Điểm cân bằng ổn định tương ứng với phần đáy của phần hình lõm sep 1.1 và banh khối lượng m sẽ trở lại sau các dao động lớn hay nhỏ. - Hai điểm cân bằng không ổn định uep1 & uep2 tương ứng với phần đỉnh trên cùng của hình 1.1, tại đó banh sẽ bị rời đi xa nếu chỉ cần một xáo động nhẹ. Hình 1 .1 Sự ổn định của một quả banh lăn
• 13. của banh được định nghĩa như là khả năng của banh trở lại trạng thái nghỉ lâu dài (điểm vận hành bình thường trong hệ thống kỹ thuật ) sau các sep dao động nhỏ hoặc lớn. Hệ thống là bền nếu banh trở lại trạng thái ổn định của sep nó sau khi bị đẩy. Trong hệ thống điện có thể tồn tại các nhiễu loạn khác nhau. Các nhiễu loạn nhỏ thường ở dạng phụ tải thay đổi liên tục và hệ thống phải có khả năng vận hành thích ứng với các thay đổi của yêu cầu phụ tải. Đối với các nhiễu loạn lớn như : sự cố do ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố mất điện các máy phát lớn hay mất điện ở một nút quan trọng hệ thống cũng phải có khả năng tiếp tục làm việc sau khi xảy ra sự cố. Sau một kích động tạm thời, nếu hệ thống điện vẫn ổn định, nó sẽ tiến đến một trạng thái vận hành cân bằng. Mặt khác, nếu hệ thống không ổn định, nó sẽ dần rơi vào trạng thái ngừng hoạt động. Điều kiện vận hành không ổn định điện áp có thể mất điện hoặc ngừng cung cấp điện hoàn toàn trong một phạm vi lớn của hệ thống điện. Như vậy ổn định HTĐ là khả năng của một HTĐ ứng với một điều kiện vận hành ban đầu, lấy lại một trạng thái cân bằng sau khi trải qua một nhiễu loạn. Hệ thống điện hiện đại có quá trình biến đổi phức tạp với khả năng đáp ứng yêu cầu tác động bởi nhiều loại thiết bị với các đặc tính và các đáp ứng khác nhau. Phụ thuộc vào sự thay đổi cấu trúc của lưới điện, điều kiện vận hành của hệ thống và các dạng nhiễu loạn, trạng thái cân bằng của hệ thống điện có thể không được duy trì dẫn đến xảy ra hiện tượng mất ổn định dưới các dạng khác nhau như ổn định góc quay rotor, ổn định tần số và ổn định điện áp. Trong luận văn này, tác giả sẽ tập trung trình bày về ổn định điện áp trong hệ thống điện.
• 14. về ổn định điện áp 1.2.1 Khái niệm Có nhiều định nghĩa về ổn định điện áp của các nhà khoa học và các tổ chức nghiên cứu trên thế giới. Nói chung các định nghĩa đều cho rằng ổn định điện áp là khả năng hệ thống điện khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải. Đối với mỗi hệ thống điện của mỗi quốc gia khác nhau việc duy trì điện áp ở mức chấp nhận được sẽ khác nhau dựa vào quy định và kinh nghiệm vận hành của từng nước. 1.2.2 Phân loại ổn định điện áp Dựa trên nguyên nhân gây mất ổn định điện áp có thể phân ổn định điện áp thành 2 loại: 1.2.2.1 Ổn định điện áp khi xuất hiện kích động lớn Ổn đinh điện áp khi có kích động lớn đề cập đến khả năng của hệ thống có thể kiểm soát được điện áp sau các kích động bé như sự cố hệ thống, mất một máy phát hoặc 1 mạch ngẫu nhiên. Khả năng này có thể được xác định nhờ đặc tính hệ thống phụ tải và sự tương tác điều khiển và bảo vệ liên tục hay rời rạc. Việc xác định sự ổn định sau các kích động lớn yêu cầu cần phải giải quyết bài toán phi tuyến tính động của hệ thống trong từng khoảng thời gian đủ lớn để thu được tương tác của các phần tử trong hệ thống như OLTC (Bộ điều chỉnh điện áp của máy biến áp) và giới hạn trường điện từ máy phát. Khảo sát khoảng thời gian này có thể từ vài giây đến mười phút. Tiêu chuẩn của ổn định điện áp sau các kích động lớn là khi xuất hiện các kích động lớn thì hệ thống vẫn vận hành duy trì điện áp tại các nút ở trạng thái ổn định mới có thể chấp nhận được.
• 15. điện áp khi xuất hiện kích động bé Ổn định điện áp khi có kích động bé là khả năng hệ thống có thể kiểm soát được điện áp tại các nút nếu có các kích động lớn như sự biến thiên (tăng thêm) của hệ thống phụ tải. Tình trạng ổn định này được xác định thông qua đặc tính phụ tải, điều khiển liên tục hay rời rạc trong các khoảng thời gian ngắn. Trạng thái ổn định ban đầu khi hệ thống vận hành chính là yếu tố chính góp phần làm cho hệ thống mất ổn định khi có các kích động bé. Vì thế phương pháp phân tích tĩnh có tác dụng xác định giới hạn ổn định, các yếu tố ảnh hưởng đến mất ổn định hệ thống trong trạng thái vận hành ban đầu. Tiêu chuẩn đánh giá ổn định điện áp khi có kích động bé là, tại điều kiện vận hành ban đầu của các nút trong hệ thống, biên độ điện áp nút tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào chính nút đó tăng lên. Hệ thống là không ổn định nếu biên độ điện áp nút giảm xuống khi công suất phản kháng bơm vào nút tăng lên. Nói cách khác, hệ thống ổn định nếu độ nhạy 0  dQ dV là dương tại tất cả các nút và không ổn định nếu độ nhạy 0  dQ dV là âm tại nút bất kỳ trong hệ thống. 1.2.3 Hiện tượng mất ổn định điện áp & sụp đổ điện áp 1.2.3.1 Mất ổn định điện áp Mất ổn định điện áp là hiện tượng tụt giảm điện áp liên tục hoặc quá trình tăng cao điện áp 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. Mất ổn định điện áp có thể do các nguyên nhân: a) Truyền tải công suất lớn Một trong những nguyên nhân đầu tiên mất ổn định hệ thống điện là sự truyền tải công suất quá lớn trên các đường dây dài. Trong ổn định điện áp cần chú ý đến vấn đề truyền tải công suất giữa nguồn phát và các phụ tải lớn.
• 16. công suất phụ tải ) Một nguyên nhân khác của sự mất ổn định điện áp là sự cố gắng không thành công của việc điều chỉnh điện áp dưới tải máy biến áp để phục hồi điện áp phụ tải đến giá trị của điểm vận hành trước đó nhằm đảm bảo công suất phụ tải cũng được khôi phục giống như trước khi nhiễu loạn. Phụ tải thông dụng nhất có liên quan đến sự mất ổn định điện áp khi cố gắng khôi phục công suất phụ tải là động cơ điện không đồng bộ. Khi điện áp V giảm xuống 1 cấp thì công suất tác dụng P của phụ tải giảm theo giá trị bình phương của điện áp V. Phần lớn điện áp dừng máy của các động cơ có thể ở điện áp thấp khoảng 0.7 pu, trong khi đó các động cơ mang tải nặng thì điện áp dừng máy có thể lớn hơn. Do vậy việc khôi phục phụ tải là các động cơ này đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống vào thời điểm công suất cực đại. Ví dụ như vào mùa hè nắng nóng, sẽ có rất nhiều thiết bị hoạt động cùng lúc: điều hòa, quạt máy, việc cố gắng khôi phục lại tất cả phụ tải này có thể dẫn tới hiện tượng mất ổn định điện áp. 1.2.3.2 Sụp đổ điện áp Sụp đổ điện áp là 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. Trong hệ thống điện khi có một sự cố ngẫu nhiên cần có nhu cầu tăng thêm công suất phản kháng thì công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn dự phòng công suất phản kháng của các máy phát điện và các thiết bị bù công suất phản kháng. Bình thường thì hệ thống điện có đủ nguồn dự phòng công suất phản kháng và giữ được điện áp ở giá trị cho phép. Tuy nhiên do sự kết hợp của nhiều sự cố và các điều kiện thực tế của hệ thống điện nên nhu cầu tăng thêm nguồn công suất phản kháng không được đáp ứng có thể dẫn đến mất điện đường dây truyền tải hoặc máy phát lớn và gây ra sự cố sụp đổ điện áp. Ở Việt Nam đã từng xảy ra một số sự cố lớn liên quan đến sụp đổ điện áp như là:
• 17. lưới ngày 27/12/2006 Do sự cố nguồn 1 chiều tại trạm 500kV Pleiku, 1 mạch đường dây 500kV Pleiku - Phú Lâm bị tách ra khỏi lưới, dẫn đến 2 mạch đường dây Đà Nẵng - Hà Tĩnh bị tách ra khỏi vận hành do bảo vệ chống dao động công suất tại trạm Đà Nẵng tác động đã gây rã lưới dẫn đến mất điện trên diện rộng. Sự cố ngày 04/09/2007 Khi đang truyền tải với công suất cao và chỉ vận hành với 1 mạch đường dây 500kV Đà Nẵng – Pleiku, bảo vệ chống dao động công suất tại trạm Pleiku tác động làm 1 mạch đường dây 500kV Pleiku – Phú Lâm bị tách ra khỏi lưới dẫn đến mất liên kết hệ thống điện 500kV tại trạm Pleiku. Sự cố ngày 06/06/2008 Vào ngày 06/06/2008 xuất hiện sự cố thoáng qua trên đường dây 500kV mạch 2 Đà Nẵng – Hà Tĩnh, gây quá tải đường dây mạch 1, làm hư hỏng tụ thành phần , gây mất ổn định hệ thống, đường dây 500kV Đà Nẵng- Hà Tĩnh bị loại ra khỏi hệ thống đột ngột và gây ra sự cố rã lưới. Sự cố rã lưới ngày 02/05/2010 Lúc 8h38 mạch 50BF MC 565 (Trạm 500kV Nhà Bè) tác động làm cắt các máy cắt 585, 577, 576 (Trạm 500kV Nhà Bè) làm mất đường dây 500kV liên kết Nhà Bè - Phú Lâm đang mang công suất khoảng 1000MW. Tại Nhà Bè, nhảy các máy cắt MBA AT6, AT7 do bảo vệ nhiệt độ cuộn dây mức cao tác động, toàn bộ phía 500kV Nhà Bè mất điện. 08h44 tại trạm Phú Mỹ nhảy các máy cắt MBA AT2 do rơle quá dòng phía 500kV tác động, nhảy các máy cắt đi NMĐ Phú Mỹ do truyền cắt và liên động. Tại trạm Phú Lâm nhảy MC562, 576 do intertrip từ Nhà Bè. Mạch 500kV 578 Pleiku - Dốc Sỏi - Đà Nẵng nhảy do quá áp.10h38 phút khôi phục lại hệ thống.
• 18. pháp nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện Để nâng cao độ ổn định và phòng ngừa sụp đổ điện áp có thể can thiệp vào biện pháp thiết kế hệ thống điện hoặc phương thức vận hành. Một số phương pháp giúp nâng cao độ ổn định điện áp: 1.2.4.1 Ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Độ dự trữ ổn định điện áp phụ thuộc vào sự lựa chọn phù hợp các thiết bị bù công suất phản kháng. Việc lựa chọn công suất và vị trí lắp đặt thiết bị bù phải dựa vào nghiên cứu cụ thể với những điều kiện nặng nề nhất của hệ thống điện để đảm bảo cho hệ thống điện vận hành một cách hiệu quả. Độ dự trữ ổn định điện áp thường được phân tích dựa vào hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống điện và độ dự trữ công suất phản kháng của các nút đến điểm mất ổn định điện áp. Điều này rất quan trọng để xác định vùng điều khiển điện áp và khu vực giới hạn truyền tải có thể dẫn đến mất ổn định điện áp. 1.2.4.2 Kết hợp điều khiển và bảo vệ Một trong những nguyên nhân sụp đổ điện áp là thiếu sự kết hợp giữa chức năng điều khiển và chức năng bảo vệ hệ thống điện. Do vậy sự kết hợp đúng, hiệu quả giữa chức năng điều khiển và bảo vệ nên được kiểm tra chắc chắn dựa trên các tính toán vận hành. Phương pháp điều khiển phù hợp (tự động hay bằng tay) cần phải xem xét thực hiện tại bất kỳ vị trí nào có thể được trong lưới điện để làm nhẹ bớt điều kiện quá tải trước khi cô lập thiết bị ra khỏi hệ thống. Như vậy để phòng ngừa sụp đổ điện áp, cần thiết phải xây dựng mô hình hệ thống giám sát ổn định điện áp trực tuyến và các sơ đồ điều khiển, bảo vệ đặc biệt phù hợp với các phương thức vận hành của hệ thống điện. 1.2.4.3 Điều khiển bộ điều chỉnh điện áp máy biến áp Việc điều chỉnh nấc phân áp máy biến áp có thể được điều khiển tại chỗ hoặc từ xa, bằng tay hoặc tự động nên việc lựa chọn phương pháp điều khiển điều chỉnh điện áp máy biến áp cũng là một giải pháp giảm rủi ro sụp đổ điện áp. Khi
• 19. nấc phân áp là có lợi, phương pháp điều khiển giảm dần điện áp xuống được thực hiện để điện áp có thể giảm đến mức đặc biệt khi điện áp sơ cấp giảm xuống dưới ngưỡng cho phép. Khi việc điều chỉnh nấc phân áp là có hại, phương pháp đơn giản là khóa mạch điều khiển điều chỉnh nấc phân áp khi độ lớn điện áp nguồn giảm thấp và mở khóa điều chỉnh nấc phân áp khi điện áp phục hồi. 1.2.4.4 Sa thải phụ tải theo điện áp thấp Để ngăn ngừa các tình huống ngoài dự kiến, cần thiết sử dụng các sơ đồ sa thải phụ tải theo điện áp thấp. Sa thải phụ tải là một giải pháp sau cùng để ngăn ngừa sụp đổ điện áp lan rộng. Điều này đặc biệt quan trọng nếu các điều kiện vận hành và sự cố ngẫu nhiên của hệ thống điện dẫn đến mất ổn định điện áp có khả năng xảy ra thấp nhưng khi hậu quả xảy ra sẽ rất nghiêm trọng. Các đặc tính và vị trí của phụ tải bị sa thải cũng có ý nghĩa quan trọng đối với việc đảm bảo ổn định điện áp. Phương thức sa thải phụ tải theo điện áp thấp cần được thiết lập để phân biệt giữa các sự cố, độ dốc của điện áp quá độ và các điều kiện điện áp thấp có thể dẫn đến sụp đổ điện áp. 1.2.4.5 Độ dự trữ ổn định điện áp Hệ thống điện nên được vận hành với độ dự trữ ổn định điện áp thích hợp theo chương trình đã lập phù hợp với nguồn công suất khả dụng của hệ thống điện, các phương thức vận hành và các giới hạn cho phép của điện áp. Nếu độ dự trữ yêu cầu không thể đạt được bằng phương pháp vận hành các nguồn phát công suất tác dụng, công suất phản kháng sẵn hiện có và các giải pháp điều khiển điện áp khác thì cần phải giới hạn truyền tải công suất và khởi động thêm một số máy phát.
• 20. của nhân viên điều độ vận hành hệ thống điện Nhân viên điều độ vận hành hệ thống điện có thể ghi nhận được các dấu hiệu liên quan đến ổn định điện áp và đưa ra các mệnh lệnh khẩn cấp thích hợp như điều khiển điện áp, thay đổi trào lưu truyền tải công suất và phương án cuối cùng là cắt bớt tải. Các phương thức vận hành để ngăn ngừa sụp đổ điện áp cần phải được thiết lập trước. Sự giám sát và phân tích trực tuyến các thông số vận hành là để đánh giá tình trạng vận hành của hệ thống, mức độ ổn định điện áp và đề xuất các phương án điều khiển hợp lý nhằm ngăn ngừa xảy ra mất ổn định điện áp. 1.2.5 Kết luận và nhận xét Ổn định điện áp đề cập đến khả năng của hệ thống điện vẫn giữ được điện áp ổn định tại tất cả các nút sau khi bị kích động. Việc đánh giá tình trạng điện áp của lưới điện là rất cần thiết để xác định được các nút kém ổn định về điện áp, từ đó có phương thức vận hành phù hợp và đề xuất những biện pháp nhằm nâng cao độ dự trữ ổn định điện áp vận hành của khu vực tránh những sự cố nghiêm trọng do điện áp gây ra. 1.3 Tổng quan về các phương pháp phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện 1.3.1 Phương pháp phân tích đặc tuyến P-V, Q-V Mất ổn định điện áp có ảnh hưởng mở rộng đến toàn hệ thống điện vì nó phụ thuộc vào quan hệ giữa công suất tác dụng truyền tải P, công suất phản kháng Q bơm vào nút và điện áp cuối đường dây V. Các quan hệ này đóng vai trò hết sức quan trọng trong phân tích ổn định điện áp và thường được thể hiện dưới dạng các đường đặc tuyến trên đồ thị. Nhờ các đường đặc tuyến này ta sẽ phân tích sự ổn định của hệ thống. Trong phân tích ổn định điện áp ta thường sử dụng hai loại đường cong hay còn gọi là đặc tuyến: đặc tuyến P-V và đặc tuyến Q-V. Đây là 2 phương pháp được sử dụng rộng rãi để xác định giới hạn ổn định tải, yếu tố liên quan chặt chẽ đến ổn định điện áp.
• 21. đường đặc tuyến, ta xét mạng điện đơn giản gồm 2 nút như hình vẽ 1.2 Giả sử 0 ~   R R V V Khi đó ) sin (cos ~    j E E E S S S     (1-1) Trong đó  là góc lệch pha giữa S E ~ và R V ~ Có thể biểu diễn quan hệ S E ~ và R V ~ bằng công thức sau: ) .( . ~ ~ ~ ~ ~ jX R I V Z I V E R LN R S      (1-2) Công suất biểu kiến của điểm tải được biểu diễn                   jX R V E V I V jQ P S R S R R R ~ ~ ~ ^ ~ ~ . . = ) sin . cos ( 2 2 2   S R R S R E V j V E V X R jX R     (1-3) Rút  cos và  sin từ các phương trình trên ta có: Hình 1.2 Mô hình mạng điện đơn giản
• 22. (V, P, Q) biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng 1 cos sin 2 2 2 2 2                        S R S R R E V QR PX E V V QX PR   (1-4) 0 ) ( ) ( ). 2 2 ( 2 2 2 2 4          QX PR QR PX V E QX PR V R S R (1-5) Phương trình (1-5) chính là phương trình biểu diễn quan hệ giữa các đại lượng V, P, Q trên mặt phẳng tọa độ 3 chiều (V, P, Q) như hình 1.3 Từ hình 1.3 ta có thể chiếu các họ đường đặc tuyến đó lên các mặt phẳng tương ứng để nhận được từng loại đường đặc tuyến PV, QV. Đường đặc tuyến C trên hình 1.3 chính là quỹ tích các điểm tới hạn của đường đặc tuyến. Đây là biểu đồ tổng quát mô tả mối liên hệ chung của các đại lượng V, P, Q nhưng trong thực tế ta thường xét riêng từng loại đặc tuyến để phân tích ổn định. Trên cơ sở đó, ta xét từng loại đường đặc tuyến phục vụ cho việc phân tích ổn định điện áp sau này.Chúng ta sẽ tìm hiểu rõ hơn về từng đường đặc tuyến PV, QV áp dụng cho hệ thống điện đơn giản và phức tạp ở chương sau (chương 2). 1.3.2 Phương pháp xác định khoảng cách nhỏ nhất dẫn đến mất ổn định điện áp trên mặt phẳng công suất Bình thường khoảng cách đến mất ổn định điện áp nhỏ nhất được xác định bằng phương pháp tăng tải hệ thống theo một kiểu xác định được lựa chọn là kịch
• 23. nhất có thể xảy ra dựa trên các dữ liệu vận hành và dự báo phụ tải. Phương pháp được trình bày sau đây được mô tả là phương pháp xác định giới hạn ổn định công suất nhỏ nhất. Nội dung phương pháp này là xác định một bộ thông số công suất tác dụng phụ tải và công suất phản kháng phụ tải có thể truyền tải tăng thêm trong hệ thống mà hệ thống vẫn đảm bảo vận hành ổn định khi cho trước điều kiện ban đầu. Hay nói cách khác là xác định khoảng cách nhỏ nhất từ điểm vận hành ban đầu đến điểm giới hạn ổn định điện áp, tương ứng với ma trận Jacôbi trào lưu công suất bị suy biến. Đối với HTĐ bất kỳ đều tồn tại miền ổn định trên mặt phẳng công suất truyền tải P-Q. Các bước chung để xác định khoảng cách nhỏ nhất từ mức tải ban đầu đến đường giới hạn ổn định S của HTĐ gồm các bước sau: Bước 1: Gia tăng tải từ P0, Q0 theo vài hướng cho đến khi có một giá trị riêng của Jacôbi gần bằng 0. Mức tải P1, Q1 tương ứng với điểm này là giới hạn ổn định. Điểm P1, Q1 này xem như nằm trên đường S. Bước 2: Với các điều kiện tại P1, Q1 xác định véc tơ riêng bên trái của ma trận Jacôbi đầy đủ. Véc tơ riêng bên trái chứa các phần tử tác động đến sự gia tăng của phụ tải công suất tác dụng và công suất phản kháng cho mỗi nút. Véc tơ riêng chỉ rõ hướng ngắn nhất dẫn đến duy nhất nghĩa là hướng vuông góc với S. Bước 3: Trở lại trường hợp cơ sở với mức tải là P0, Q0 và tăng tải HTĐ, nhưng lần này theo hướng cho bởi véc tơ riêng được tìm thấy trong bước 2. Khi S được tìm thấy, một véc tơ riêng bên trái mới được tính toán. Bước 4: Trở về lại trường hợp cơ sở với mức tải là P0, Q0 và tăng tải HTĐ theo hướng véc tơ riêng đã cho như trong bước 3. Quá trình này được lặp lại cho đến khi véc tơ riêng được tính toán không thay đổi với mỗi phép lặp mới, như vậy quá trình sẽ hội tụ. Khi quá trình hội tụ, kết quả của phương pháp là xác định được khoảng cách
• 24. nhất (P, Q) từ giá trị ban đầu P0, Q0 đến đường giới hạn ổn định S. 1.3.3 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ (VQ sensitivity analysis) và phân tích trạng thái QV (QV modal analysis) 1.3.3.1 Phương pháp phân tích độ nhạy VQ Trong bài toán tính toán trào lưu công suất theo phương pháp Newton- Raphson, các phương trình tính toán dòng công suất P, Q sẽ có dạng:                        V J J J J Q P QV Q PV P    (1-6) Trong đó: : P  độ lệch công suất tác dụng tại nút Q  : độ lệch công suất phản kháng tại nút :   độ lệch của góc điện áp tại nút : V  độ lệch của độ lớn điện áp tại nút Các phần tử của ma trận Jacobi cho biết độ nhạy giữa sự thay đổi trào lưu công suất và điện áp nút. Ổn định điện áp hệ thống điện bị ảnh hưởng bởi cả 2 Q (pu) P(pu) Hình 1.4 Kỹ thuật xác định khoảng cách nhỏ nhất đến mất ổn định điện áp
• 25. và Q. Tuy vậy tại mỗi điểm làm việc chúng ta giữ P không đổi và đánh giá ổn định điện áp bằng việc xét mối liên hệ tăng lên giữa Q và V. Bằng phép đặt 0   P khi đó phương trình (1-6) tương đương với 2 phương trình sau: V J J PV P       0 (1-7) V J J Q QV Q        (1-8) Từ phương trình (1-7) ta có: V J J PV P     1   (1-9) Thay phương trình (1-9) vào phương trình (1-8) ta có: V J Q R   (1-10) Trong đó:  PV P Q QV R J J J J J 1      (1-11) Và JR được gọi là ma trận Jacobi rút gọn của HTĐ. Từ phương trình (1-10) ta có thể viết: Q J V R    1 (1-12) Ma trận 1  R J là ma trận Jacobi VQ rút gọn. Phần tử đường chéo thứ i của 1  R J là độ nhạy của điện áp đối với công suất phản kháng ( Q V   / ) tại nút i. Độ nhạy VQ tại một nút thể hiện độ dốc của đường cong QV tại điểm làm việc cho trước. Nếu độ nhạy tại một nút có giá trị dương thì biểu thị nút đó đạt được sự ổn định về điện áp. Giá trị độ nhạy càng nhỏ thì nút đó càng ổn định điện áp. Khi ổn định của hệ thống suy giảm, giá trị độ nhạy sẽ tăng lên và tiến tới vô cùng ở điểm giới hạn ổn định điện áp. Ngược lại, nếu giá trị độ nhạy có giá trị âm thì biểu thị nút đó không ổn định điện áp.
• 26. hệ thống ổn định về điện áp tại điểm làm việc cho trước, nếu tại mọi nút trong hệ thống khi được cung cấp thêm một lượng công suất phản kháng thì độ lớn điện áp sẽ tăng lên và ngược lại nếu tồn tại một nút có độ lớn điện áp giảm xuống thì hệ thống sẽ không ổn định. Nói cách khác một hệ thống ổn định về điện áp nếu tất cả các nút có độ nhạy VQ dương và không ổn định khi có ít nhất một nút có độ nhạy VQ âm. 1.3.3.2 Phương pháp phân tích trạng thái (modal) QV Đặc tính ổn định điện áp hệ thống điện có thể được nhận biết bằng sự tính toán các giá trị riêng và véc tơ riêng ma trận Jacobi rút gọn JR được định nghĩa bằng phương trình (1-11). Ta có:     R J (1-13) Trong đó: : ma trận véc- tơ riêng bên phải của JR : ma trận véc tơ riêng bên trái của JR : ma trận giá trị riêng đường chéo của JR Từ phương trình (1-13) ta có:   1 1     R J (1-14) Thay thế vào phương trình ( 1-12) ta có: Q V        1 (1-15) Hoặc Q V i i i i        (1-16) Trong đó i  là véc tơ riêng bên phải của cột thứ i và i  là véc tơ riêng bên trái của hàng thứ i của R J Mỗi giá trị riêng i , véc tơ riêng bên phải i  và véc tơ riêng bên trái i  xác định trạng thái thứ i của đáp ứng QV.
• 27. phương trình (1-15) viết lại Q V        1 (1-17) Ta gọi: V     là véc tơ của sự biến thiên điện áp. Q q    là véc tơ của sự biến thiên công suất phản kháng Vậy phương trình (1-17) trở thành: q 1     (1-18) Sự khác nhau giữa phương trình (1-12) và phương trình (1-18) là 1   là một ma trận đường chéo trong khi đó 1  R J tổng quát không phải là ma trận đường chéo. Từ phương trình (1-18) để xét trạng thái thứ i ta có. i i i q    (1-19) Nếu 0  i  , sự thay đổi của điện áp trạng thái thứ i và công suất phản kháng thứ i cùng hướng với nhau, biểu thị rằng hệ thống ổn định điện áp. Nếu 0  i  , sự thay đổi của điện áp trạng thái thứ i và công suất phản kháng thứ i theo các hướng ngược nhau, biểu thị rằng hệ thống không ổn định điện áp. Như vậy giá trị của i xác định mức độ ổn định của điện áp trạng thái thứ i. Khi 0  i  , điện áp trạng thái thứ i sụp đổ.
• 28. TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP QUA ĐẶC TUYẾN PV, QV 2.1 Đặc tuyến PV và phân tích ổn định điện áp 2.1.1 Đường đặc tuyến PV Như đã đề cập ở chương trước, khi chiếu đường đặc tuyến trong không gian ( V,P,Q) như hình 1.3 xuống mặt phẳng (V,P) ta sẽ thu được đường đặc tuyến PV. Khi phân tích về sự ổn định điện áp thì quan hệ giữa công suất truyền tải P và điện áp cuối đường dây V rất được quan tâm. Áp dụng đường cong P-V là một phương pháp tổng quát để kiểm tra ổn định điện áp. Đường cong P-V hữu ích đối với việc phân tích ổn định điện áp trên các sơ đồ hệ thống điện dạng tia. Phương pháp này cũng được sử dụng cho các hệ thống điện lớn, trong đó P là tổng tải trong một khu vực và V là điện áp tại một nút tiêu biểu. Đại lượng P cũng có thể là công suất truyền dọc theo một đường truyền tải hay là trên đường dây liên kết các hệ thống. Quá trình phân tích của hệ thống điện bao gồm việc giải quyết bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện, từ kết quả của bài toán đó ta thu được sự phân bố công suất tác dụng P trong hệ thống điện và từ đó giám sát tác động . Hình 2.1 là dạng tiêu biểu nhất của đặc tuyến PV. Nó biểu diễn sự thay đổi điện áp tại từng nút được xét như là một hàm của tổng công suất tác dụng truyền đến nó. Ta có thể thấy rằng tại điểm tới hạn của đường đặc tuyến PV, điện áp sẽ giảm rất nhanh khi có sự tăng công suất tác dụng của phụ tải. Bài toán trào lưu công suất sẽ không hội tụ nếu công suất tác dụng vượt quá điểm này, điều này tương ứng với việc hệ thống điện sẽ không ổn định. Như vậy đường đặc tuyến này có thể được sử dụng để xác định điểm làm việc tới hạn của hệ thống để không làm mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp của hệ thống. Từ đó xác định độ dữ trữ ổn định tĩnh của hệ thống. Chi tiết về thuật toán xác định giới hạn ổn định điện áp sẽ được đề cập ở mục sau của chương này.
• 29. ổn định điện áp qua đường đặc tuyến PV Quay trở lại với mạng điện đơn giản như hình 1.2, quan hệ giữa công suất truyền tải từ nút máy phát và điện áp tại 2 nút có thể biểu diễn bởi phương trình sau:  j R R R e I V jQ P   ) ( 4 2 2 1 4 2 2 V X P X P V X P V V R R S R S R        (2-1) Trong đó: PR : công suất tác dụng truyền đến nút phụ tải qua đường dây QR : công suất phản kháng truyền đến nút phụ tải qua đường dây X: điện kháng của đường dây truyền tải. Ở đây ta coi đường dây có điện trở nhỏ nên jX ZLN    tan  Giả sử 1  S V , X = 0.5pu , ta có thể biểu diễn quan hệ giữa VR và PR bằng đường đặc tuyến PV như hình 2.2 ở dưới. Vì đường đặc tuyến PV dựa trên quan hệ đẳng thức bậc hai nên ứng với một giá trị PR ta có 2 giá trị của VR. Tương ứng trên Hình 2.1 Đặc tuyến PV cơ bản
• 30. 2 vị trí: điểm A và điểm B. Trong đó điểm A biểu diễn cho điểm vận hành ổn định của hệ thống và điểm B biểu diễn cho điểm vận hành không ổn định. Như vậy ta cần quan tâm đến điểm A vì đây là điểm vận hành bình thường của hệ thống. Điểm C trên đồ thị chính là điểm tới hạn. Nếu công suất tác dụng truyền tải trên đường dây vượt quá giá trị này thì sẽ gây ra mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp. Như vậy khoảng cách từ điểm A đến điểm C (từ điểm vận hành đến điểm tới hạn) chính là độ dự trữ ổn định điện áp của đường đặc tuyến PV. Độ dự trữ này càng lớn thì nút càng ổn định điện áp, nghĩa là nếu có biến động như tăng tải, mất một đường dây truyền tải,...thì khả năng mất ổn định điện áp sẽ thấp hơn so với nút có độ dự trữ ổn định điện áp thấp. Ta khảo sát trường hợp có sự cố trên đường dây truyền tải thì ảnh hưởng thế nào đến sự ổn định điện áp bằng cách khảo sát các biến đổi của đường đặc tuyến PV trong trường hợp này. Xét mạng điện đơn giản gồm 2 nút với 2 đường dây truyền tải như hình 2.3 ở dưới Hình 2.2 Đường đặc tuyến PV ứng với hệ cố công suất 1 cos  
• 31. đường dây có điện kháng khác nhau (X1= 0.8 pu, X2 = 1.2 pu), vì 2 đường dây song song nên điện kháng tổng bằng 0.48 pu. Như vậy ở chế độ bình thường, đường đặc tuyến PV ứng với mô hình mạng điện này sẽ giống như hình 2.2. Khi có biến động làm mất đi một đường dây truyền tải X1 = 0.8 pu thì đường đặc tuyến PV sẽ biến đổi từ đường đặc tuyến số 1 thành đường đặc tuyến số 2. Còn điểm làm việc ban đầu điểm A sẽ thành điểm B trên đường đặc tuyến số 2. Tại trạng thái này hệ thống vẫn ổn định điện áp, tuy nhiên bây giờ thì độ dự trữ ổn định điện áp đã giảm xuống (khoảng cách từ điểm vận hành tới điểm tới hạn mới đã bé lại). Khi mất đường dây có điện kháng lớn hơn (X= 1.2 pu), đường đặc tuyến PV được mô tả như hình 2.5. Lúc này, ta thấy điểm làm việc biến đổi từ điểm A thành điểm C và tiếp cận với điểm tới hạn rất gần. Tại đây tuy là hệ thống vẫn có thể vận hành nhưng chỉ cần có một biến động nhỏ (như tăng tải) thì sẽ gây nên mất ổn định điện áp. Hình 2.3 Mạng điện đơn giản gồm 2 nút, 2 đường dây truyền tải jX1 jX 2 Hình 2.4 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 0.8 pu
• 32. trên ứng với giá trị PR nhỏ khi hệ thống vận hành bình thường để khi có sự cố mất một đường dây truyền tải thì hệ thống vẫn có thể làm việc được (điểm làm việc mới chưa vượt điểm giới hạn). Tuy nhiên, nếu như điểm làm việc ban đầu có PR lớn hơn thì khi có sự cố bất kỳ đường dây nào cũng sẽ gây mất ổn định điện áp. Điều này có thể minh họa như hình 2.6 Trên hình 2.6, đường đặc tuyến số 1 ứng với lúc làm việc bình thường, đường đặc tuyến số 2 ứng với lúc mất đường dây 0.8 pu, đường đặc tuyến số 3 ứng với lúc mất đường dây 1.2 pu. Như vậy với điểm A làm việc ban đầu của hệ thống thì khi có sự cố mất bất kỳ đường dây nào cũng gây ra mất ổn định điện áp. Hình 2.5 Đường đặc tuyến PV khi mất đường dây 1.2pu Hình 2.6 Các đường đặc tuyến PV với PR lớn hơn lúc bình thường
• 33. tuyến PV ta xét ở trên là với 0 tan     , có nghĩa là ta chưa xét đến ảnh hưởng của hệ số công suất tải. Theo công thức (2-1) thì đường đặc tuyến PV còn phụ thuộc vào hệ số tải khác nhau. Hình 2.7 biểu diễn các họ đường đặc tuyến Như vậy qua khảo quan hệ giữa sự thay đổi điện áp V theo sự thay đổi của công suất tác dụng P cung cấp cho phụ tải ta thấy tồn tại điểm “mũi” của đường cong PV, đây chính là điểm giới hạn ổn định điện áp nút tải hay còn gọi là điểm sụp đổ điện áp ứng với công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải đạt giá trị cực đại. Điện áp giới hạn Vgh chỉ phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải mà không phụ thuộc vào điện kháng của đường dây. Trong khi đó công suất giới hạn Pgh phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải, đồng thời tỉ lệ nghịch với điện kháng đường dây. Hệ số công suất càng bé thì độ dự trữ của công suất tác dụng Pgh sẽ càng giảm. P lớn hơn Pgh thì hệ thống không tồn tại chế độ xác lập (hệ thống mất ổn định). Đây là cơ sở cho phép sử dụng các phần mềm tính toán giải tích mạng điện để xây dựng đường cong PV cho hệ thống điện phức tạp theo phương pháp trào lưu công suất dùng thuật toán Newton-Raphson bằng cách làm nặng dần chế độ (kịch bản tăng dần phụ tải cho đến khi bài toán không hội tụ) để xác định tọa độ điểm giới hạn. Hình 2.7 Các họ đường đặc tuyến PV ứng với hệ số tải khác nhau
• 34. QV và phân tích ổn định điện áp 2.2.1 Đặc tuyến QV Sự ổn định điện áp được quyết định bởi sự thay đổi công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q tác động như thế nào đến điện áp tại các nút. Tầm ảnh hưởng của đặc tính công suất phản kháng của thiết bị nhận cuối ( phụ tải hay thiết bị bù) được biểu diễn rõ ràng trong quan hệ đường đặc tuyến QV. Nó chỉ ra độ nhạy và biến thiên của nút điện áp đối với lượng công suất phản kháng bơm vào hoặc tiêu thụ. Hình 2.8 chỉ ra dạng tiêu biểu của đường đặc tuyến QV. Từ hình 2.8 ta có thể thấy rằng, giới hạn ổn định điện áp chính là tại điểm có đạo hàm dQ/dV = 0. Điểm này còn được định nghĩa là lượng công suất phản kháng nhỏ nhất để vận hành ổn định. Trong điều kiện bình thường, hệ thống vận hành ổn định. Nếu tăng công suất phản kháng Q bơm vào nút thì điện áp nút sẽ tăng lên, tương ứng trên hình là phần bên phải của điểm tới hạn. Còn nếu ngược lại công suất phản kháng bơm vào tăng mà điện áp nút giảm thì đó là trạng thái không ổn định (điểm vận hành ở bên trái điểm tới hạn). 2.2.2 Phân tích ổn định điện áp qua đường đặc tuyến QV Quan hệ giữa công suất phản kháng cung cấp tại nút tải và điện áp tại nút tải có thể được xác định bằng việc nối một máy bù đồng bộ giả tưởng với công suất tác Hình 2.8 Dạng đường đặc tuyến QV điển hình
• 35. và ghi nhận giá trị công suất phản kháng cung cấp theo sự thay đổi của điện áp đầu cực. Khảo sát sơ đồ điện đơn giản 2 nút như hình 2.9, trong đó có 1 nguồn điện công suất vô cùng lớn có điện áp 0  E cấp điện cho phụ tải P+jQ với điện áp V   qua đường dây với trở kháng jX và có 1 máy bù giả tưởng nối tại nút phụ tải với Pg=0, Qc 0 để mô phỏng và phân tích lượng công suất phản kháng bơm vào nút phụ tải. Xét công suất cuối đường dây tại nút phụ tải:       I V Q Q j P S c ) ( ) (  (2-2)          ) ( ) 0 ( ) ( jX V E V S   ) ( ) 0 ( ) ( jX V E V S            X V VE j jX V VE S ) ( ) ( ) ( 2 2             X V VE j X VE S ) cos ( sin 2        sin EV P X     (2-3) 2 os c V EV Q Q c X X      (2-4) Hình 2.9 Sơ đồ điện đơn giản vẽ đường cong QV
• 36. X V V Q c E E E E     (2-5) Như vậy có thể thấy đường cong QV phụ thuộc vào thông số lưới điện và phụ tải.Giả sử phụ tải tác dụng P không đổi ứng với mỗi giá trị điện áp V ta xác định được giá trị  từ phương trình (2-3). Sau đó công suất phản kháng Qc được tính toán từ (2-4). Từ phương trình (2-5) ta có thể vẽ đường cong QV có dạng như hình 2.10 ở dưới Đường cong 1 trên hình 2.10 tương ứng với hệ thống vận hành ở chế độ bình thường. Các điểm O1a và O1b là điểm giao nhau của đường cong 1 với trục điện áp V, tương ứng với chế độ không bù (Qc = 0), trong đó điểm O1a là điểm làm việc bình thường. Đường cong 2 trên hình 2.10 tương ứng với chế độ tải tăng lên hoặc ở chế độ sự cố ngẫu nhiên N-1 trong hệ thống điện. Điểm làm việc bình thường tương ứng với chế độ không bù của đường cong 2 là điểm O2. Các giá trị Q1, Q2 thể hiện trên hình 2.10 là độ dự trữ công suất phản kháng có giá trị bằng với khoảng cách tính từ điểm làm việc cơ sở ( trục V) cho đến điểm xảy ra hiện tượng mất ổn định điện áp (điểm mũi của đường cong QV). Điều này tương ứng với giá trị nhỏ nhất của phụ tải phản kháng gia tăng thêm (hoặc công suất Hình 2.10 Đồ thị quan hệ QV
• 37. giảm xuống) mà ứng với giá trị này sẽ không tồn tại điểm cân bằng. Đường cong 3 trên hình 2.10 tương ứng với chế độ hệ thống không thể tồn tại nếu không có bù công suất phản kháng (giá trị Q3 âm). Từ đường cong QV ta có thể xác định được độ dự trữ công suất phản kháng tại nút tải là khoảng cách từ điểm vận hành cơ sở (điểm giao cắt của đường cong QV nhánh bên phải với trục hoành với chế độ không bù) theo phương thẳng đứng đến điểm cực tiểu của đường cong QV (Qdt ,Vgh) hay còn gọi là điểm giới hạn ổn định điện áp. Như vậy, ổn định điện áp và độ dự trữ công suất phản kháng có tương quan với nhau mạnh mẽ và độ dự trữ này có thể sử dụng như chỉ số hoặc phép đo độ ổn định. Nếu độ dự trữ công suất phản kháng lớn thì biểu thị nút đó đạt được độ dự trữ ổn định điện áp tốt và nếu độ dự trữ công suất phản kháng càng nhỏ thì độ dự trữ ổn định điện áp tại nút đó càng thấp. 2.3 Phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp 2.3.1 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ Theo định nghĩa Lyapunov để đánh giá ổn định hệ thống có 2 phương pháp tính toán hệ thống có ổn định hay không đó là phương pháp trực tiếp và phương pháp xấp xỉ bậc nhất. 2.3.1.1 Phương pháp trực tiếp Nghiên cứu ổn định hệ thống qua việc thiết lập một hàm mới gọi là hàm V dựa trên kích động là độ lệch ban đầu so với điểm cân bằng. Hàm V chứa các biến là thông số trạng thái của hệ thống và cần đảm bảo có những tính chất nhất định. Nhờ các tính chất của hàm V có thể phán đoán được tính ổn định hệ thống cụ thể như sau:
• 38. ổn định nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần theo thời gian dV/dt là hàm không đổi dấu, ngược dấu với hàm V hoặc là một hàm đồng nhất bằng 0 trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống. Hệ thống có ổn định tiệm cận nếu tồn tại hàm V có dấu xác định, đồng thời đạo hàm toàn phần dV/dt cũng có dấu xác định nhưng ngược dấu hàm V trong suốt thời gian chuyển động của hệ thống. Về nguyên tắc phương pháp trực tiếp Lyapunov rất hiệu quả, nó cho phép tìm được hàm V với các tính chất cần thiết như đã nêu trên. Tuy nhiên, việc áp dụng gặp khá nhiều khó khăn và hạn chế, nhất là đối với hệ thống điện có tự động điều chỉnh. Do đó với các hệ thống không ổn định sẽ không kết luận được. 2.3.1.2 Phương pháp xấp xỉ bậc nhất Phương pháp dựa trên giả thiết các kích động vô cùng bé, do đó có thể xấp xỉ hóa phương trình vi phân chuyển động về dạng tuyến tính hệ số hằng. Bản chất của phương pháp này là sự tương đương ổn định giữa hệ phương trình vi phân phi tuyến ban đầu và hệ phương trình vi phân tuyến tính xấp xỉ của nó. Thuật toán cơ bản để đánh giá ổn định tĩnh của hệ thống điện là sử dụng tiêu chuẩn đại số Hurvits để xác định dấu của nghiệm phương trình đặc trưng. Giả thiết sau khi tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân quá trình quá độ, ta nhận được phương trình đặc trưng có dạng: 0 ... ) ( 0 1 1 1 0             m n n m m n n n n p a a p a p a p a p D (2-6) Ma trận Hurvits Hmxn được thiết lập dựa trên các quan hệ số của phương trình (2-6) như sau:
• 39. chéo chính của ma trận H là các hệ số của phương trình đặc trưng (2-6) từ a1 đến an, các hàng của ma trận được điền đầy, lần lượt bởi các hệ số của phương trình đặc trưng với chỉ số toàn chẵn hoặc toàn lẻ và các phần tử còn thiếu trong hàng là số 0. Dựa trên ma trận Hurvits, xác định được các định thức Hurvits từ cấp 1 đến cấp n (tương ứng với các góc trên bên phải ma trận): 1 1 a   2 0 3 1 2 a a a a   3 1 4 2 5 3 1 3 0 0 a a a a a a a   .............. ) det(H n   Tiêu chuẩn Hurvits phát biểu như sau: Hệ thống sẽ ổn định nếu tất cả các hệ số của phương trình đặc trưng và các định thức Hurvits đều mang dấu dương Về bản chất, tiêu chuẩn Hurvits là các điều kiện cho phép kiểm tra dấu của nghiệm phương trình đặc trưng. Nếu tất cả các tiêu chuẩn Hurvits đều thỏa mãn thì mọi nghiệm của phương trình đặc trưng sẽ có phần thực âm. Khi đó hệ thống ổn định tiệm cận.
• 40. thống điện đang ở chế độ làm việc ổn định, khi đó dựa trên tiêu chuẩn Hurvits sẽ có được am > 0, 0   k (với n k n m , 1 ; , 0   ). Từ từ thay đổi các thông số chế độ về hướng làm mất ổn định của hệ thống. Khi hệ thống vẫn còn ổn định thì am, 0   k . Lúc hệ thống chuyển giới hạn từ trạng thái ổn định sang trạng thái mất ổn định thì một bất đẳng thức nào đó sẽ phải đổi dấu, tương ứng với phần thực một nghiệm nào đó của phương trình đặc trưng sẽ đổi dấu từ âm sang dương. Hurvits đã chứng minh được rằng sự đổi dấu đầu tiên xảy ra tương ứng với dấu của định thức Hurvits cấp n. Vì 1 ) det(       n n n a H , nên n  đổi dấu tương đương với n a hoặc 1  n đổi dấu. Giả sử phương trình (2-6) có các nghiệm p1, p2,...pn, trong đó các nghiệm p1, p2,...p2k là nghiệm phức, các nghiệm p2k+1, ...pn là nghiệm thực. Khi đó (2-6) được biểu diễn dưới dạng: 0 ) )...( )( ( ) ( 2 1 0      n p p p p p p a p D (2-8) Dễ dàng tính được số hạng tự do an: an = n n p p p a ... . ) 1 ( 2 1 0  (2-9) Ký hiệu các nghiệm phức của phương trình đặc trưng: , 1 , i i j i j p      ( ) , 1 ( k i  n k k k k n n p p p j j j a a ... ) )...( )( ( ) 1 ( 2 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 0               (2-10) Từ (2-10) có thể thấy an chỉ đổi dấu khi có một nghiệm thực của phương trình đặc trưng đổi dấu. Mặt khác công thức Orlando biểu diễn mối quan hệ giữa 1  n với các nghiệm của phương trình đặc trưng có dạng như sau: ) ( ) 1 ( 1 , 1 0 2 ) 1 ( 1 k n k i k i i n n n n p p a           (2-11)
• 41. pk là các nghiệm phức của phương trình đặc trưng. Theo (2-11) nhận thấy 1  n chỉ đổi dấu khi phần thực của cặp nghiệm phức chuyển sang giá trị dương. Nếu hệ thống mất ổn định theo dạng phi chu kỳ, tức xuất hiện một nghiệm thực dương thì sự đổi dấu sẽ phải xảy ra ở hệ số an của phương trình đặc trưng. Nếu hệ thống mất ổn định theo dạng chu kỳ, tức xuất hiện một nghiệm phức có phần thực dương thì sự đổi dấu sẽ phải xảy ra ở định thức 1  n . Như vậy để xét giới hạn ổn định tĩnh của hệ thống chỉ cần theo dõi dấu của hệ số an và định thức 1  n . Tại thời điểm đầu tiên mà một trong 2 thông số này đổi dấu sẽ nhận được giới hạn ổn định của hệ thống. Việc xét dấu  khá khó khăn bởi nó có biểu thức phức tạp, trong khi việc tính toán và xét dấu an rất đơn giản. Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ đã bỏ qua việc xét dấu 1  n mà chỉ xét dấu an. Về lý thuyết, tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ do Gidanov đề xuất đã bỏ qua việc xét dấu 1  n mà chỉ xét dấu an nên tiêu chuẩn Gidanov chỉ phát hiện được các trường hợp mất ổn định phi chu kỳ và bỏ qua không phát hiện được các trường hợp mất ổn định dạng chu kỳ. Tuy nhiên phân tích hệ thống điện thực tế, Gidanov đã nhận thấy mất ổn định dạng chu kỳ và mất ổn định dạng phi chu kỳ về cơ bản xảy ra do các nguyên nhân khác nhau. Đó là vì từ cấu trúc của hệ phương trình chuyển động quá độ của hệ thống điện có thể phân ra 2 nhóm thông số khác nhau: Nhóm thông số chế độ hệ thống và nhóm thống số các bộ điều chỉnh tự động. Nếu hệ thống mất ổn định bởi nguyên nhân do các thông số hệ thống gây ra thì mất ổn định dạng phi chu kỳ, nếu bởi nguyên nhân do thông số của các bộ tự động điều chỉnh gây ra thì mất ổn định dạng chu kỳ. Như vậy nếu đã giả thiết các bộ điều chỉnh tự động đang làm việc đúng không làm phát sinh dao động và gây mất ổn định thì mất ổn định nói chung xảy ra đối với hệ thống điện luôn ở dạng phi chu kỳ và tiêu chuẩn an > 0 phát hiện
• 42. trường hợp mất ổn định. Như vậy theo Gidanov, hệ thống ổn định khi an > 0 và hệ thống nhận được giới hạn ổn định khi hệ số an đổi dấu. 2.3.2 Ứng dụng tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ để xác định giới hạn ổn định điện áp hệ thống điện. Một trong những ưu điểm nổi bật của tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ là tìm giới hạn ổn định vận hành hệ thống điện. Bên cạnh đó nhiều công trình nghiên cứu về mối quan hệ giữa tính ổn định hệ thống với tính hội tụ lời giải hệ phương trình chế độ xác lập đã chứng minh với cách sắp xếp thích hợp định thức Jacobi của hệ phương trình chế độ xác lập sẽ đồng nhất với số hạng tự do an của phương trình đặc trưng. Như vậy nếu chương trình tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện đã áp dụng thuật toán Newton-Raphson, trong đó luôn được thiết lập ma trận Jacobi thì để đánh giá ổn định trạng thái xác lập của HTĐ ở bước tính cuối cùng khi phép lặp hội tụ, tính định thức ma trận Jacobi và quan sát dấu của định thức có thể biết được hệ thống có ổn định hay không ổn định. Với kịch bản thay đổi thông số chế độ hệ thống cho đến khi đổi dấu định thức ma trận Jacobi (hoặc khi ma trận Jacobi suy biến) trong các phương pháp phân tích đường cong PV, QV sử dụng thuật toán trào lưu công suất Newton-Raphson ta có thể xác định được các thông số chế độ giới hạn và đánh giá mức độ dự trữ ổn định điện áp. 2.3.3 Phương pháp trào lưu công suất lặp lại (Repeated power flow) 2.3.3.1 Phương pháp Newton-Raphson Để giải bài toán giới hạn ổn định điện áp bằng phương pháp trào lưu công suất lặp lại (RBF) cần phải tính chế độ xác lập của lưới điện. Mục này của luận văn trình bày về phương pháp Newton-Raphson để giải tích lưới điện. a) Hệ phương trình cân bằng công suất nút Phương trình chính của chế độ xác lập là hệ phương trình cân bằng công suất nút:
• 43. buộc: Ui min U  i U  i max (2-13) Sij S  ij max (2-14) Với các nút phát: QFj min Q  Fj Q  Fj max (2-15) Trong đó: PiΣ = PFi - Pti: Công suất tác dụng bơm vào nút i nếu > 0 (công suất phát), công suất rút từ nút i nếu <0 (công suất tải) QiΣ = QFi - Qti: Công suất phản kháng bơm vào nút i nếu > 0 (công suất phát), công suất rút từ nút i nếu < 0 (công suất tải) PFi, QFi: Công suất nguồn điện tại nút i Pti, Qti: Công suất phụ tải điện tại nút i 2 2 ij ij ij Q P S   Công suất tải trên đường dây nối 2 nút i và j Ui: Điện áp tại nút i (modun) δij = δi - δj: Góc của điện áp nút i và j (so với trục quy chiếu là nút cân bằng) Gii, Bij: Phần thực và ảo của các thành phần của ma trận tổng dẫn nút Y N: Số nút của lưới điện Chỉ số max và min chỉ giới hạn trên và dưới của các thông số tương ứng.
• 44. nút của lưới điện có 4 thông số: Modun điện áp Ui, góc điện áp δi so với nút quy chiếu, công suất tác dụng, công suất phản kháng. Chỉ có thể cho trước 2 thông số, cần tính 2 thông số còn lại. Lưới điện có 3 loại nút: - Nút PV: Là nút cho trước công suất P và modun điện áp U, tính góc điện áp δ và Q, thường là nút phát. - Nút PQ: Cho trước P và Q, tính modun điện áp U và góc δ thường là nút tải - Nút cân bằng: Cho biết điện áp Ucb và góc δ = 0 là nút quy chiếu, tính P và Q. Có thể có một hoặc nhiều nút cân bằng. Nếu có một nút cân bằng thì công suất tác dụng của nút cân bằng bằng công suất tải của các nút PV, PQ cộng với tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trong lưới điện. Nếu tất cả các máy phát đều tham gia làm nút cân bằng thì sau mỗi bước tính, tổng tổn thất công suất tác dụng được phân chia cho tất cả các máy phát theo tỷ lệ nào đó, ví dụ theo công suất định mức của từng máy phát. Sau mỗi bước công suất tác dụng của nút PV tăng lên bằng công suất phát ban đầu cộng với phần tổn thất được phân chia.
• 45. đồ thuật toán phương pháp Newton-Raphson
• 46. toán trên hình 2.11 Các khối tính toán : 1-Pi, Qi là công suất từ nút i đi vào lưới điện ở bước k tính theo:     i j ij ij ij ij j 1 j ij ij ij ij j 0; P = U G cos sin 0 U G sin cosθ 0 N i N i i U B Q U B             2-Với nút PV, QFj không được cho trước mà tính sau khi đã tính được điện áp các nút, tính theo: QFj = Qj + Qtj, Qj là công suất đi vào lưới điện, QFi là công suất phát ở bước tính k. 3-ΔPi và ΔQi ở bước k tính theo: 0 ) cos sin ( 0 ) sin cos ( 0 1                       ij ij N j ij ij j i i i i i ij N j ij ij ij j i i i i i B G U U Q Q Q Q B G U U P P P P     4-Ma trận Jacobi ở bước k tính theo:                                                         4 3 2 1 J J J J U Q Q U P P J                        ) cos sin ( ) , ( ) cos sin ( ) , ( : 1 1 1 1 ij ij ij ij j i j i n i j j ij ij ij ij m i i i B G U U P j i J B G U U P i i J J                            ) sin cos ( ) , ( ) sin cos ( 2 ) , ( : 2 1 2 2 ij ij ij ij i j i n i j j ij ij ij ij j ii i i i B G U U P j i J B G U G U U P i i J J    
• 47. ΔUi ở bước k tính được bằng cách giải hệ phương trình tuyến tính: ( ) ( ) . ( ) ( ) k k K k k P J Q U                 6-Góc và modun điện áp ở bước k+1 tính theo:                                       1 1 k k k k k k δ δ δ U U U ij k k k i j      2.3.3.2 Cở sở phương pháp trào lưu công suất lặp lại Bản chất của phương pháp trào lưu công suất lặp lại là giải bài toán chế độ xác lập bằng phương pháp Newton-Raphson bằng cách tăng dần phụ tải cho đến khi bài toán không hội tụ để xác định tọa độ điểm giới hạn. Ưu điểm của phương pháp RBF là đơn giản, dễ tính toán và trong phạm vi luận văn này đây là phương pháp phù hợp để xác định giới hạn ổn định điện áp. 2.3.3.3 Thuật toán của phương pháp trào lưu công suất lặp lại Sơ đồ thuật toán phương pháp trào lưu công suất lặp lại được mô tả như hình 2.12. Các bước của thuật toán RBF có thể được mô tả như sau: Bước 1: Chọn trạng thái tính của lưới điện (bình thường hay sự cố), xác định mức độ phụ tải của chế độ cơ sở
• 48. bài toán chế độ xác lập ở phương án cơ sở bằng phương pháp Newton-Raphson. Bước 3: Tính định thức ma trận Jacobi cho phương án cơ sở, nếu det(J) > 0, ghi nhận giới hạn ổn định điện áp. Xử lý kết quả và vẽ đồ thị. Nếu det(J) < 0 thì chuyển sang bước tiếp theo. Bước 4: Tăng công suất tải đang xét lên theo công thức sau: ) 1 ( ) 1 ( i ptoi pti i ptoi pti X Q Q X P P       (2-16) Công suất phát cũng tăng tương ứng, trừ nút cân bằng PGj = PG0j (1 + G  j) (2-17) Ở đây, X là mức độ biến đổi lựa chọn và i là các nút ở một phía của hệ  thống điện; j là các nút ở phía đối diện. Còn các nút ở giữa có thể cho công suất không đổi với P = 0  Tiếp tục tính chế độ xác lập với thông số tải đã tăng như trong bước 2. Lặp lại quá trình cho đến khi bài toán kết thúc. Hình 2.12 Sơ đồ thuật toán tính giới hạn ổn định bằng phương pháp RBF
• 49. trào lưu công suất liên tục (Continuation power flow) 2.3.4.1 Cở sở phương pháp trào lưu công suất liên tục Như đã đề cập ở trên, ma trận Jacobi của các phương trình trào lưu công suất bị suy biến tại điểm giới hạn ổn định điện áp. Trào lưu công suất liên tục hướng về vấn đề hội tụ tại các điểm vận hành gần giới hạn ổn định. Các phương trình trào lưu công suất được viết lại bao gồm tham số thay đổi tải . Khi đó công suất tải và công suất phát tại một nút là một hàm số thay đổi tải . Phương trình cho mỗi nút i là:          0 ) ( ) ( 0 ) ( ) ( Ti Li Gi Ti Li Gi Q Q Q P P P     (2-18) Trong đó:                  n j ij j i ij j i Ti n j ij j i ij j i Ti v y V V Q v y V V P 1 1 ) sin( ) cos(     (2-19) - là tham số thay đổi tải ( max 0    ). Khi 0   , tương ứng với trạng thái vận hành cơ sở và khi max   tương ứng với trạng thái sụp đổ điện áp. - Các chỉ số phụ L (load), G (generation) và T (transmission) lần lượt thể hiện cho phụ tải, máy phát điện và truyền tải điện. - i i V   là điện áp tại nút i ; j j V   là điện áp tại nút j; ij ij v y  là phần tử thứ i, j của ma trận tổng dẫn Y. Để mô phỏng kịch bản thay đổi công suất tải được xác định theo hệ phương trình:        ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( 0 0 Li Li i Li Li i K Q Q K P P       (2-20) Trong đó:
• 50. suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút i ở trường hợp cơ sở KLi: Hệ số xác định tốc độ thay đổi tải tại nút i khi thay đổi. Công suất tác dụng phát PGi tại nút i được xác định như sau: ) 1 ( ) ( 0 Gi Gi Gi K P P     (2-21) Trong đó: PGi0: Công suất tác dụng phát tại nút i trong trường hợp cơ sở KGi: Hệ số xác định tốc độ thay đổi công suất phát khi thay đổi. Mục đích của phương pháp trào lưu công suất liên tục là tìm liên tục các nghiệm của bài toán phân bố công suất theo sự thay đổi công suất tải và phát theo một kịch bản cho trước, cho phép xác định các nghiệm của phương trình trào lưu công suất: 0 ) , , (    V F (2-22) Trong đó:  , V : Véc tơ các biên gồm góc pha và mô đun điện áp tại các nút : Tham số thay đổi tải. Phương pháp trào lưu công suất liên tục sử dụng một quá trình lặp đi lặp lại bao gồm 2 bước: Dự đoán và hiệu chỉnh. Bước dự đoán có thể được tính toán theo phương tiếp tuyến hoặc theo phương cát tuyến. Bước hiệu chỉnh có thể tính toán theo phương pháp tham số hóa cục bộ hoặc theo phương pháp điểm trực giao. Kỹ thuật trào lưu công suất liên tục sử dụng phương pháp dự đoán phương tiếp tuyến và hiệu chỉnh theo phương pháp tham số hóa cục bộ được minh họa như hình dưới (Hình 2.13)
• 51. ban đầu A ở chế độ cơ sở, bước dự đoán ban đầu theo phương tiếp tuyến để tìm thấy điểm B với 1 mức tăng tải. Bước hiệu chỉnh sau đó xác định lời giải chính xác C. Nếu tải ước lượng mới D vượt quá giới hạn tải lớn nhất thì một bước hiệu chỉnh với tải cố định sẽ không hội tụ. Vì thế một bước hiệu chỉnh với tải cố định tại nút kiểm tra được đưa ra để tìm lời giải chính xác E. Khi giới hạn ổn định điện áp gần được xác định, mức gia tăng tải có sự giảm dần trong các bước dự đoán kế tiếp để xác định tải lớn nhất chính xác (G). Điểm G chính là điểm giới hạn ổn định điện áp ứng với phụ tải của HTĐ đạt cực đại hay còn gọi là điểm sụp đổ điện áp. 2.3.4.2 Thuật toán phương pháp trào lưu công suất liên tục Bước 1: Thuật toán bắt đầu từ việc xác định nghiệm ban đầu của phương trình (2-22) ) , , ( 0 0 0   V bằng việc giải bài toán trào lưu công suất ở chế độ cơ sở. Bước 2: Dự đoán theo phương tiếp tuyến Xác định vectơ tiếp tuyến bằng cách lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (2-22) Khi đó ta có:   0 ) , , (           d F dV F d F V F d V Hay: Hình 2.13.Kỹ thuật trào lưu công suất liên tục sử dụng phương pháp dự đoán theo phương tiếp tuyến và hiệu chỉnh theo phương pháp tham số hóa cục bộ
• 52.                d dV d F F F V (2-23) Trong đó vế trái của phương trình (2-23) là ma trận của đạo hàm riêng nhân với véc tơ tiếp tuyến. Ma trận phía trước    F F F V chính là ma trận Jacobi của bài toán trào lưu công suất theo phương pháp Newton-Raphson truyền thống có tăng thêm 1 cột  F còn véc tơ sau chính là vectơ tiếp tuyến đang cần tìm. Như vậy số phương trình không đổi nhưng số biến đã tăng thêm 1 biến là biến . Do đó cần phải có thêm 1 phương trình nữa để bài toán được giải quyết. Đặt              d dV d t , 1   k t Ta có phương trình:                 1 0 t e F F F k V   (2-24) Trong đó ek là véc tơ hàng có kích thước tương ứng với tất cả các phần tử bằng 0 ngoại trừ phần tử th k bằng 1. Để 1   k t để cho véc tơ tiếp tuyến khác 0 và đảm bảo rằng ma trận Jacobi mới (thêm biến ) sẽ bị suy biến ở giá trị giới hạn (điểm G ở hình 2.13). Giá trị +1 hoặc -1 của tk phụ thuộc vào trạng thái th k thay đổi, nếu tăng sẽ lấy giá trị +1 và nếu giảm sẽ lấy giá trị -1. Cách thức lựa chọn k và tk sẽ được trình bày cụ thể ở bước 4. Khi xác định được véc tơ tiếp tuyến từ phương trình (2-24), bước dự đoán tiếp theo được thực hiện:                                           V V V (2-25)
• 53. * thể hiện giá trị dự đoán mới (của bước tiếp theo) và là đại lượng vô hướng chỉ bước tăng. Bước 3: Hiệu chỉnh và tham số hóa bằng phương pháp cục bộ Sau khi dự đoán theo phương tiếp tuyến, cần thiết phải hiệu chỉnh để có nghiệm chính xác. Trong phương pháp tham số hóa cục bộ các phương trình gốc sẽ được tăng thêm 1 phương trình xác định giá trị của 1 trong các biến trạng thái thay đổi. Khi đó phương trình trào lưu công suất được thiết lập lại, nghĩa là chúng ta phải xác định lại các thông số biên độ điện áp V, góc pha điện áp và tham số thay đổi tải . Có thể mô tả bằng phương trình:              V x Để   k x , trong đó  là giá trị tương ứng của thành phần th k của x. Khi đó các phương trình mới được thiết lập.   0 ) (          k x x F (2-26) Sử dụng phương pháp Newton-Raphson để giải phương trình (2-26). Bước 4: Lựa chọn tham số liên tục Lựa chọn giá trị xk và tk theo phương trình (2-27) như ở dưới:   m k k t t t t x ,... , max : 2 1  (2-27) Trong đó: t là véc tơ tiếp tuyến với kích thước tương ứng m=2n1+n2+1 (n1 là số nút PQ, n2 là số nút PV) và chỉ số k ứng với véc tơ tiếp tuyến có giá trị lớn nhất. Bước 5: Nhận biết điểm sụp đổ điện áp Sau khi thực hiện 4 bước trên, vấn đề còn lại là xác định điểm sụp đổ điện áp. Như chúng ta đã biết điểm sụp đổ điện áp là điểm tại đó công suất truyền tải
• 54. nhất và bắt đầu chu trình giảm. Vì lý do tại điểm sụp đổ điện áp thành phần tham số thay đổi tải có giá trị bằng 0. Như vậy có thể tổng kết 5 bước của kỹ thuật trào lưu công suất liên tục để xác định giới hạn ổn định điện áp bằng lưu đồ thuật toán như hình vẽ dưới (Hình 2.14) Sai Tính toán trào lưu công suất chế độ cơ sở Tính véc tơ tiếp tuyến theo phương trình (2-24) Kiểm tra điểm sụp đổ điện áp ( 0   ) Kết thúc Xác định tham số liên tục theo phương trình (2-24) Dự đoán nghiệm tiếp theo theo phương trình (2-25) Hiệu chỉnh nghiệm theo phương trình (2-26) Đúng Hình 2.14 Thuật toán trào lưu công suất liên tục Bắt đầu
• 55. tiêu, hệ số đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống điện 2.4.1 Hệ số dự trữ điện áp Một chỉ tiêu để đánh giá mức độ ổn định điện áp của một nút là sự chênh lệch điện áp giữa điện áp làm việc và điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của HTĐ. Chỉ tiêu này được mô tả bằng hệ số dự trữ điện áp δVmin% được tính như biểu thức (2-14). % 100 . % min min min gh gh lv V V V V    (2-28) Trong đó: Vlv : điện áp nút ở chế độ làm việc bình thường; Vghmin: là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của HTĐ. Trong luận án đã dùng Vghmin để xây dựng hệ số dự trữ điện áp δVmin%, trong khi đó chỉ số độ lệch điện áp thông thường dùng điện áp định mức Vđm. Do Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của HTĐ nên hệ số dự trữ điện áp được dùng để đánh giá chuyên sâu cho mức độ kém ổn định điện áp. Khi δVmin% của một nút giảm thấp dưới ngưỡng quy định cho phép hoặc gần bằng không thì có thể kết luận nút đó kém ổn định điện áp và sẽ bị mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp.Trong cùng một chế độ vận hành, những nút có giá trị δVmin% nhỏ nhất là những nút yếu về phương diện ổn định điện áp. Giá trị điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của HTĐ Vghmin tùy thuộc vào quy định hoặc tiêu chuẩn riêng của từng nước. Theo tiêu chuẩn chế độ vận hành của HTĐ Việt Nam giá trị điện áp cấp 500kV trong giới hạn cho phép với chế độ vận hành bình thường từ 475kV đến 525kV (±5%) và ở chế độ sự cố một phần tử là 450kV đến 550kV (±10%) và giá trị điện áp cấp 220kV trong giới hạn cho phép với chế độ vận hành bình thường từ 209kV đến 242kV (-5% và +10%) và ở chế độ sự cố một phần tử là 198kV đến 242kV (±10%). Vậy điện áp giới hạn thấp nhất cho
• 56. điện áp 500kV của HTĐ Việt Nam là Vghmin = 450kV và ở cấp điện áp 220kV của HTĐ Việt Nam là Vghmin = 198kV. 2.4.2 Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống Hệ số dự trữ CSTD của hệ thống được tính toán phụ thuộc vào tổng CSTD phụ tải trong toàn HTĐ ở chế độ vận hành cơ sở và CSTD phụ tải cực đại toàn HTĐ (tổng CSTD phụ tải của HTĐ) tại điểm giới hạn ổn định điện áp của hệ thống theo phương pháp đường cong PV và được định nghĩa như sau: % 100 . % max pt pt HT dtP P P P K     (2-29) Trong đó: Pmax HT: Tổng CSTD phụ tải của HTĐ tại điểm giới hạn ổn định điện áp (điểm mũi của đường cong PV) PΣpt : Tổng CSTD phụ tải của HTĐ ở chế độ cơ sở. Chế độ cơ sở là chế độ vận hành của HTĐ tại thời điểm hiện đang khảo sát. Hệ số dự trữ CSTD của HTĐ ( KdtP% ) đặc trưng cho mức độ ổn định điện áp chung của toàn HTĐ. Nếu KdtP% có giá trị lớn tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD cao, nếu KdtP% nhỏ tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD thấp và nếu KdtP% ~ 0 thì HTĐ đang vận hành ở chế độ giới hạn CSTD. Đối với HTĐ Việt Nam, hiện tại chưa có quy định về độ dự trữ CSTD của HTĐ do nguồn điện phát triển chậm so với sự tăng trưởng của phụ tải nên phương thức vận hành của HTĐ Việt Nam hiện nay độ dự trữ CSTD của hệ thống được yêu cầu lớn hơn công suất của một tổ máy phát lớn nhất. Tuy nhiên trong một số chế độ vận hành cao điểm, HTĐ Việt Nam vận hành ở chế độ giới hạn (không có dự trữ). 2.4.3 Độ dự trữ công suất phản kháng của nút tải Theo phương pháp phân tích đường cong QV, hiện tượng mất ổn định điện áp bắt đầu xảy ra tại điểm giới hạn vận hành của CSPK tại nút tải (điểm giới hạn ổn
• 57. Như vậy mức độ ổn định điện áp và độ dự trữ CSPK của nút tải có liên quan mật thiết đến nhau nên độ dự trữ CSPK có thể được sử dụng để đánh giá giới hạn ổn định điện áp của nút tải. Đối với phương pháp phân tích đường cong QV truyền thống sử dụng biến điện áp nút thay đổi (hình 2.10). Khi thay đổi Vnút theo kịch bản giảm dần đều từ điểm vận hành ban đầu thì lượng CSPK bù thêm vào nút tải Qc sẽ tăng dần theo và tại điểm đáy của đường cong QV, Qc sẽ đạt giá trị cực đại ứng với giá trị Qgh, Vgh. Khoảng cách giá trị CSPK vuông góc từ điểm vận hành ban đầu (trục hoành) đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qgh được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải. Độ dự trữ CSPK (Qdt) được định nghĩa theo biểu thức (2-30) Qdt = - Qgh (2-30) Đối với phương pháp phân tích đường cong QV sử dụng biến Q thay đổi như hình (2-15) thì khi tăng dần Qpt theo kịch bản tăng đều CSPK Qpt tại nút kiểm tra từ điểm vận hành ban đầu thì Vnút sẽ giảm dần theo và tại điểm giới hạn thì Qpt đạt giá trị cực đại Qmax tại điện áp Vgh. Khoảng cách giá trị CSPK từ điểm vận hành ban đầu ứng với Q0 đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qmax được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải. Như vậy độ dự trữ CSPK được định nghĩa như ở biểu thức ( 2-31) Qdt = Qmax - Q0 (2-31) Như vậy trong cả 2 phương pháp, nếu độ dự trữ CSPK của một nút lớn thì biểu thị nút tải đó đạt được ổn định điện áp và nút tải nào có độ dự trữ CSPK càng lớn thì độ ổn định điện áp càng cao. HTĐ có dự trữ CSPK của tất cả các nút tải đều đạt giá trị dương trong các chế độ vận hành thì HTĐ đảm bảo vận hành ổn định điện áp. Nếu độ dự trữ CSPK của một nút nhỏ thì biểu thị nút tải đó kém ổn định điện áp và nút tải nào có độ dự trữ CSPK nhỏ nhất thì nút tải đó kém ổn định điện áp nhất và dễ bị mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp. Nếu độ dự trữ CSPK có giá trị âm có nghĩa là hệ thống không thể làm việc nếu không có bù CSPK. HTĐ nào có một số nút tải có độ dự trữ CSPK có giá trị âm thì HTĐ đó vận hành kém ổn định điện
• 58. cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi áp và như vậy phải có phương thức vận hành thích hợp hoặc giải pháp bù CSPK để phục hồi. 2.5 Kết luận và nhận xét Việc đánh giá ổn định điện áp là tiến hành phân tích ổn định tĩnh trong hệ thống điện. Sau khi nghiên cứu đặc tuyến PV, QV ta có một số nhận xét sau: + Đặc tuyến PV thể hiện sự biến thiên của điện áp V ở 1 nút cụ thể như là một hàm của công suất tác dụng P tổng cộng cung cấp cho phụ tải. Từ đó xác định giới hạn của điện áp vận hành, xác định các điểm ở trạng thái ổn định điện áp và các điểm ở trạng thái mất ổn định điện áp. + Đặc tuyến QV xác định được độ dự trữ công suất phản kháng là khoảng cách từ điểm vận hành đến điểm mũi của nút ứng với một chế độ vận hành. Nếu độ dự trữ công suất phản kháng lớn thì biểu thị nút đó đạt được độ dự trữ ổn định điện áp tốt và nếu độ dự trữ công suất phản kháng càng nhỏ thì độ ổn định điện áp tại nút đó càng thấp.
• 59. CỨU SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSS/E ĐỂ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM THEO PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TUYẾN PV, QV 3.1 Giới thiệu chương trình PSS/E PSS/E là chương trình tính toán mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa hệ thống điện được phát triển bởi Power Technologies International thuộc Siemens Power Transmission & Distribution, Inc. PSS/E được sử dụng rộng rãi trên thế giới do có các tính năng kỹ thuật cao và khả năng trao đổi dữ liệu với các ứng dụng trong MS Office, AutoCad, Matlab … Ở Việt Nam, PSS/E được sử dụng tại Trung tâm điều độ HTĐ Quốc gia, các trung tâm điều độ khu vực, Viện năng lượng và các công ty tư vấn điện … Chương trình PSS/E bao gồm hệ thống các file chương trình và dữ liệu có cấu trúc để thực hiện các công việc tính toán mô phỏng hệ thống điện: - Tính toán phân bố công suất - Tính toán hệ thống khi xảy ra sự cố - Tính toán các mô hình tương đương - Phân tích ổn định của hệ thống điện 3.2 Giới thiệu chức năng đường cong PV, QV của phần mềm PSS/E 3.2.1 Ứng dụng đường cong PV, QV đánh giá ổn định điện áp tĩnh Phân tích đường cong PV, QV xác định khả năng truyền tải để duy trì ổn định điện áp cho hệ thống điện. Thông qua phân tích đường cong PV, QV ta có thể: - Xác định điểm sụp đổ điện áp của hệ thống điện - Nghiên cứu giới hạn truyền tải công suất tối đa trước khi hệ thống sụp đổ điện áp - Xác định kích thước thiết bị bù để ngăn chặn sụp đổ điện áp