Phân tích ổn định hệ thống điện mạng IEEE 9 nút bằng phần mềm ETAP
LỜI CẢM ƠN
LỜI CẢM ƠN
Được sự phân công của bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện – Điện tử trường đại
học Bách Khoa TP. HCM và sự đồng ý của thầy Đặng Tuấn Khanh, em thực hiện đề
tài luận văn tốt nghiệp: “Phân tích ổn định hệ thống điện mạng IEEE 9 nút bằng phần
mềm ETAP”.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường, các thầy cô của
trường, các thầy cô của khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt là quý thầy cô của bộ môn Hệ
thống điện của trường đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình chỉ dạy, đã truyền đạt
cho em những kiến thức quý báu trong suốt thời gian em được học tập tại trường.
Em đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Đặng Tuấn Khanh đã tận tình chỉ dạy,
hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em để hoàn thành đề tài luận văn tốt nghiệp.
Thầy đã tổng hợp những kiến thức cơ bản cũng như những kiến thức nâng cao, bổ
sung vào những khuyết điểm và cung cấp những tài liệu quý báu cho em. Thầy đã
dành rất nhiều thời gian và động viên em trong suốt thời gian qua. Sự hỗ trợ của thầy
đã giúp em rất nhiều để có thể hoàn thành bài tốt nghiệp.
Khi thực hiện bài tốt nghiệp, em đã cố gắng tham khảo các tài liệu nước ngoài
lẫn trong nước, phân tích các kết quả đạt được để đưa ra những kết luận tốt nhất.
Nhưng do tài liệu và thời gian có hạn nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, do đó
em kính mong quý thầy cô có những góp ý cho đề tài tốt nghiệp lần này của em.
Những góp ý của quý thầy cô sẽ là kiến thức cần thiết cho việc học tập cũng như công
việc sau này của em.
Tp. HCM ngày tháng năm 2016
Sinh viên thực hiện: HOÀNG MINH TRIẾT
i
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
TÓM TẮT NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG
- CHƯƠNG 1: Lịch sử phát triển của hệ thống điện, giới thiệu về tình hình hiện tại
của hệ thống và các khái niệm về ổn định hệ thống điện.
- CHƯƠNG 2: Tìm hiểu mô hình, các phương trình mô tả các phần tử của hệ
thống dùng để giải và phân tích ổn định, bao gồm: mô hình máy phát, bộ điều
chỉnh kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định Power system stabilizers.
- CHƯƠNG 3: Các tiêu chuẩn, phương pháp dùng để đánh giá tính ổn định của hệ
thống. Gồm có tiêu chuẩn diện tích, và phương pháp tích phân số.
- CHƯƠNG 4: Giới thiệu tổng quan về phần mềm ETAP, giao diện, các chức năng
và cụ thể là chức năng mô phỏng ổn định động.
- CHƯƠNG 5: Sử dụng mạng IEEE 9 nút để thực hiện mô phỏng và đánh giá các
đáp ứng của hệ thống. Các số liệu của hệ thống gồm đường dây, máy biến áp,
phụ tải, và đặc biệt là số liệu của máy phát, bộ điều chỉnh kích từ, bộ điều tốc và
bộ ổn định PSS khi thực hiện mô phỏng động hệ thống.
- CHƯƠNG 6: Các kịch bản sẽ thực hiện mô phỏng bằng phần mềm ETAP đối với
mạng IEEE 9 nút.
- CHƯƠNG 7: Kết quả của quá trình mô phỏng, đánh giá các đáp ứng của hệ
thống, cụ thể là đáp ứng của góc lệch rotor máy phát để đánh giá tính ổn định của
hệ thống, từ đó đưa ra những kết luận nhằm để duy trình tính ổn định đồng bộ
của hệ thống điện.
ii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. i
TÓM TẮT NỘI DUNG CÁC CHƯƠNG......................................................................ii
MỤC LỤC....................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH..........................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG..................................................................................................xiii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT...........................................................................xiv
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN......................................1
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện........................................................................1
1.2 Các chế độ của hệ thống điện...................................................................................1
1.3 Khái niệm về ổn định...............................................................................................2
1.3.1 Ổn định tĩnh..........................................................................................................2
1.3.2 Ổn định động........................................................................................................3
1.4 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ............................................................................3
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN MÔ TẢ CÁC PHẦN TỬ CỦA
HỆ THỐNG ĐIỆN.......................................................................................................5
2.1 Khái niệm chung......................................................................................................5
2.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ..............................................................................5
2.2.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ........................................................5
2.2.2 Phép biến đổi dq0.................................................................................................9
2.2.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát.......11
2.2.4 Phương trình chuyển động của rotor..................................................................14
2.2.5 Tổng kết về mô hình máy phát điện đồng bộ.......................................................15
2.3 Bộ kích từ..............................................................................................................16
2.3.1 Tổng quan và phân loại......................................................................................16
iii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
2.3.2 Hệ thống kích từ một chiều.................................................................................17
2.3.3 Hệ thống kích từ xoay chiều...............................................................................18
2.3.4 Hệ thống kích từ tĩnh..........................................................................................20
2.3.5 Mô hình toán học của hệ thống kích từ...............................................................20
2.3.6 Một số hệ thống kích từ khác..............................................................................25
2.4 Bộ điều tốc.............................................................................................................26
2.4.1 Giới thiệu và chức năng của bộ điều tốc (Governor).........................................26
2.4.2 Mô hình toán học của bộ điều tốc.......................................................................26
2.4.3 Tìm hiểu hệ số R của bộ điều tốc........................................................................29
2.5 Bộ ổn định PSS (Power system stabilizers)...........................................................31
2.5.1 Khái niệm bộ ổn định PSS (Power system stabilizers)........................................31
2.5.2 Mô hình bộ ổn định PSS1A.................................................................................31
2.6 Phụ tải.................................................................................................................... 33
2.6.1 Khái niệm phụ tải trong hệ thống điện...............................................................33
2.6.2 Mô hình tải tĩnh..................................................................................................34
2.6.3 Mô hình tải động................................................................................................36
2.7 Máy biến áp...........................................................................................................37
2.8 Đường dây truyền tải.............................................................................................40
2.8.1 Đường dây ngắn và trung bình...........................................................................40
2.8.2 Đường dây dài....................................................................................................44
CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG.................46
3.1 Khái niệm chung....................................................................................................46
3.2 Trạng thái của hệ thống khi xảy ra kích động........................................................46
3.3 Tiêu chuẩn diện tích...............................................................................................49
3.4 Phương pháp tích phân số......................................................................................51
iv
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
3.4.1 Phương pháp Euler............................................................................................51
3.4.2 Phương pháp Euler cải tiến................................................................................53
3.4.3 Phương pháp Runge – Kutta..............................................................................54
3.5 Nhược điểm của các phương pháp tích phân số.....................................................54
CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ETAP..............................................56
4.1 Tổng quan về phần mềm ETAP.............................................................................56
4.2 Giao diện của phần mềm ETAP.............................................................................57
4.3 Thanh công cụ của ETAP......................................................................................57
4.4 Phân tích ổn định động bằng ETAP.......................................................................61
4.4.1 Thanh công cụ phân tích ổn định động...............................................................61
4.4.2 Tạo các sự kiện trong phân tích ổn định động....................................................61
4.4.3 Thực hiện mô phỏng và xem kết quả...................................................................66
CHƯƠNG 5: SỬ DỤNG MẠNG IEEE 9 NÚT THỰC HIỆN MÔ PHỎNG ĐỘNG
..................................................................................................................................... 68
5.1 Giới thiệu mạng IEEE 9 nút...................................................................................68
5.2 Thông số tiêu chuẩn của mạng IEEE 9 nút............................................................69
5.2.1 Thông số đường dây...........................................................................................69
5.2.2 Thông số máy biến áp.........................................................................................70
5.2.3 Thông số phụ tải.................................................................................................70
5.3 Mô hình và thông số của mô hình phân tích ổn định động trong ETAP................71
5.3.1 Mô hình các phần tử được sử dụng phân tích ổn định........................................71
5.3.2 Thông số các phần tử được sử dụng để phân tích ổn định..................................75
CHƯƠNG 6: TẠO CÁC KỊCH BẢN KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐỘNG..................81
6.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS...............81
6.2 Khảo sát một số kịch bản các sự cố đối xứng........................................................83
v
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
6.2.1 Kịch bản 1: Sự cố thoáng qua thanh cái số 8.....................................................83
6.2.2 Kịch bản 2: Sự cố thoáng qua thanh cái số 8 có bộ PSS....................................84
6.2.3 Kịch bản 3: Cô lập thanh cái số 8 sau sự cố 3 pha.............................................84
6.2.4 Kịch bản 4: Cô lập thanh cái số 8 sau sự cố 3 pha có bộ PSS............................84
6.2.5 Kịch bản 5 : Sự cố thoáng qua đường dây số 6..................................................84
6.2.6 Kịch bản 6: Sự cố thoáng qua đường dây số 6 có bộ ổn định PSS.....................85
6.2.7 Kịch bản 7: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6..................................................85
6.2.8 Kịch bản 8: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6 có bộ PSS.................................85
6.2.9 Kịch bản 9: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6 sau đóng tự đóng lại................86
6.2.10 Kịch bản 10: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6, tìm thời gian tới hạn...........86
6.2.11 Kịch bản 11: Sự cố 3 pha và cắt đường dây số 6, tìm thời gian tới hạn, cô lập
máy phát bị mất ổn định đồng bộ................................................................................86
6.3 Khảo sát kịch bản sự cố không đối xứng...............................................................86
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG ETAP.......87
7.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS...............87
7.1.1 Đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống đối với sự cố............................................88
7.1.2 Điện áp đầu cực của máy phát đồng bộ đối với sự cố........................................92
7.1.3 Công suất cơ đầu vào của máy phát đối với sự cố..............................................94
7.1.4 Công suất điện từ của máy phát đối với sự cố....................................................95
7.1.5 Tác động của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS tới thời gian tới hạn
của hệ thống................................................................................................................97
7.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố đối xứng.......................................101
7.2.1 Sự cố ba pha thanh cái số 8..............................................................................101
7.2.2 Sự cố ba pha đường dây số 6............................................................................106
vi
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
7.3 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố không đối xứng – sự cố một pha
chạm đất thanh cái số 1..............................................................................................118
KẾT LUẬN...............................................................................................................122
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................124
vii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện..............................................................2
Hình 2.1 Cấu trúc của máy điện đồng bộ.......................................................................5
Hình 2.2 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộ.....................................6
Hình 2.3 Mạch thay thế stator và rotor máy phát.........................................................11
Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống kích từ hoàn chỉnh........................................................16
Hình 2.5 Hệ thống kích từ một chiều...........................................................................18
Hình 2.6 Hệ thống chỉnh lưu cố định...........................................................................19
Hình 2.7 Hệ thống chỉnh lưu động...............................................................................19
Hình 2.8 Hệ thống kích từ tĩnh....................................................................................20
Hình 2.9 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ........................................................20
Hình 2.10 Hệ thống kích từ tĩnh..................................................................................21
Hình 2.11 Đặc tính bão hòa của dòng điện và điện áp.................................................22
Hình 2.12 Quá trình tạo điện áp trên cuộn dây kích từ................................................23
Hình 2.13 Khối hiệu chỉnh và khuếch đại hệ thống.....................................................23
Hình 2.14 Khối tín hiệu hồi tiếp (Washout).................................................................24
Hình 2.15 Hệ thống kích từ DC1A..............................................................................25
Hình 2.16 Hệ thống kích từ AC1A..............................................................................25
Hình 2.17 Hệ thống kích từ ST1A...............................................................................26
Hình 2.18 Bộ điều tốc hơi nước...................................................................................27
Hình 2.19 Khối điều khiển ngõ ra từ sự thay đổi của công suất cơ và tần số...............28
Hình 2.20 Khối turbine của bộ điều tốc.......................................................................29
Hình 2.21 Mô hình toán học của bộ điều tốc hơi nước đơn giản.................................29
Hình 2.22 Đường đặc tính bộ điều tốc.........................................................................29
viii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
Hình 2.23 Đường đặc tính mối quan hệ giữa tải và tốc độ...........................................30
Hình 2.24 Bộ ổn định PSS1A......................................................................................31
Hình 2.25 Bộ PSS1A nếu không có khối Washout......................................................32
Hình 2.26 Mô hình tải tổng hợp...................................................................................37
Hình 2.27 Mô hình máy biến áp lí tưởng.....................................................................37
Hình 2.28 Mô hình máy biến áp có nấc phân áp..........................................................39
Hình 2.29 Mô hình máy biến áp khi quy đổi từ sơ cấp sang thứ cấp...........................39
Hình 2.30 Mô hình hình của máy biến áp................................................................40
Hình 2.31 Mô hình hình của máy biến áp dựa theo thông số Ye ..............................40
Hình 2.32 Mô hình mạng hai cửa của đường dây........................................................41
Hình 2.33 Mô hình hình đối với đường dây trung bình...........................................42
Hình 2.34 Mạch tương đương của đường dây trung bình – ngắn và thông số..............44
Hình 2.35 Mô hình hình của đường dây dài............................................................44
Hình 3.1 Sơ đồ một sợi xét ổn định hệ thống...............................................................46
Hình 3.2 Tương quan thay đổi góc rotor và công suất máy phát..................................47
Hình 3.3 Tiêu chuẩn diện tích ổn định.........................................................................50
Hình 3.4 Biểu diễn đường cong phi tuyến bằng phương pháp tích phân số.................51
Hình 3.5 Nhược điểm của phương pháp Euler.............................................................52
Hình 3.6 Phương pháp Euler cải tiến...........................................................................53
Hình 4.1 Giao diện của phần mềm ETAP....................................................................57
Hình 4.2 Thanh Project Toolbar..................................................................................57
Hình 4.3 Thanh Select ETAP System..........................................................................58
Hình 4.4 Project View.................................................................................................58
Hình 4.5 Thanh Base and Revision Toolbar................................................................59
ix
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
Hình 4.6 Thanh công cụ các chế độ phân tích..............................................................59
Hình 4.7 a) Phân bố công suất b) Phân tích ổn định quá độ c)Phân tích ngắn mạch hệ
thống d) Phân tích sóng hài..........................................................................................60
Hình 4.8 Các phần tử hệ thống....................................................................................60
Hình 4.9 Thanh công cụ phân tích ổn định động.........................................................61
Hình 4.10 Thanh công cụ Study Case..........................................................................62
Hình 4.11 Cửa sổ Edit Study Case...............................................................................62
Hình 4.12 Mục Events của Edit Study Case................................................................63
Hình 4.13 Thêm các sự kiện trong mô phỏng hệ thống...............................................64
Hình 4.14 Cửa sổ tùy chỉnh sự cố................................................................................64
Hình 4.15 Cửa sổ Plot trong Edit Study Case..............................................................65
Hình 4.16 Cửa sổ hiển thị thời gian và sự kiện các mô phỏng động............................66
Hình 4.17 Cửa sổ tùy chỉnh vẽ đồ thị mô phỏng động.................................................66
Hình 4.18 Đồ thị góc công suất của máy phát..............................................................67
Hình 5.1 Sơ đồ một sợi của mạng IEEE 9 nút.............................................................68
Hình 5.2 Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ cực lồi...............................................71
Hình 5.3 Mô hình mô phỏng máy phát đồng bộ cực ẩn...............................................72
Hình 5.4 Mô hình bộ kích từ tĩnh.................................................................................73
Hình 5.5 Mô hình bộ điều tốc máy phát.......................................................................73
Hình 5.6 Mô hình bộ ổn định PSS1A.........................................................................74
Hình 5.7 Thông số của máy phát đồng bộ cực lồi........................................................75
Hình 5.8 Thông số của máy phát đồng bộ cực ẩn........................................................76
Hình 5.9 Thông số của bộ kích từ tĩnh máy phát đồng bộ............................................77
Hình 5.10 Thông số bộ điều tốc máy phát...................................................................78
Hình 5.11 Thông số bộ ổn định PSS1A.......................................................................79
x
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
Hình 6.1 Sự cố 3 pha thoáng qua xảy ra ở nút số 1......................................................81
Hình 6.2 Sự cố 3 pha ở thanh cái số 8..........................................................................83
Hình 6.3 Sự cố 3 pha trên đường dây số 6...................................................................85
Hình 7.1 Hệ thống mất ổn định....................................................................................88
Hình 7.2 Đáp ứng của hệ thống không có kích từ, điều tốc, PSS.................................88
Hình 7.3 Đáp ứng của hệ thống khi có một bộ kích từ ST1.........................................89
Hình 7.4 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều tốc ST.................................................89
Hình 7.5 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ và bộ điều tốc.................................90
Hình 7.6 Đáp ứng của hệ thống khi có bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS..........90
Hình 7.7 So sánh đáp ứng hệ thống khi có và không có bộ kích từ.............................91
Hình 7.8 Đáp ứng hệ thống khi có và không có bộ điều tốc........................................91
Hình 7.9 Đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS...........................92
Hình 7.10 Điện áp đầu cực của máy phát số 2 khi có và không có bộ kích từ.............92
Hình 7.11 Điện áp đầu cực của máy phát số 2 khi có và không có bộ điều tốc............93
Hình 7.12 Điện áp đầu cực máy phát 2 khi có và không có bộ điều tốc, bộ kích từ.....93
Hình 7.13 Điện áp đầu cực máy phát số 2 khi có và không có bộ ổn định PSS...........94
Hình 7.14 Công suất cơ đầu vào của máy phát số 2 đối với sự cố...............................94
Hình 7.15 Công suất cơ đầu vào của máy phát số 2 khi có thêm bộ kích từ................95
Hình 7.16 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có và không có bộ kích từ...........95
Hình 7.17 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có và không có bộ điều tốc.........96
Hình 7.18 Công suất điện từ của máy phát số 2 khi có bộ kích từ và bộ điều tốc........96
Hình 7.19 Đáp ứng của hệ thống sự cố thoáng qua thanh cái số 8.............................101
Hình 7.20 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố 3 pha thoáng qua khi có bộ PSS.......102
Hình 7.21 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS........................102
Hình 7.22 Đáp ứng tần số của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS.............103
xi
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
Hình 7.23 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái số 8 gặp sự cố 3 pha...............104
Hình 7.24 Đáp ứng hệ thống khi cô lập thanh cái số 8 gặp sự cố 3 pha có bộ PSS....105
Hình 7.25 So sánh đáp ứng hệ thống cô lập thanh cái 8 khi có và không có PSS......105
Hình 7.26 Đáp ứng của hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6.................107
Hình 7.27 Đáp ứng hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6 có bộ PSS.......107
Hình 7.28 So sánh đáp ứng hệ thống có và không có PSS sự cố thoáng qua đường dây
số 6............................................................................................................................ 108
Hình 7.29 Đáp ứng hệ thống khi cô lập đường dây số 6 không có bộ PSS................109
Hình 7.30 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có bộ PSS....................109
Hình 7.31 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có và không có bộ
PSS............................................................................................................................ 110
Hình 7.32 Đáp ứng tần số của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS.............110
Hình 7.33 Đáp ứng hệ thống vẫn duy trì được ổn định đồng bộ................................112
Hình 7.34 Đáp ứng hệ thống khi bị mất ổn định đồng bộ..........................................113
Hình 7.35 Tương quan công suất truyền tải và thời gian tồn tại ngắn mạch..............114
Hình 7.36 Đáp ứng hệ thống khi máy phát số 2 mất đồng bộ và bị cô lập.................114
Hình 7.37 Đáp ứng tần số của hai máy phát số 2 và số 3...........................................115
Hình 7.38 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 1s.......................116
Hình 7.39 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 2s.......................116
Hình 7.40 Đáp ứng tần số máy phát khi hệ thống tự đóng lại....................................117
Hình 7.41 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi đã cô lập máy phát số 2.................117
Hình 7.42 Đáp ứng của hệ thống khi có sự cố một pha chạm đất thoáng qua............118
Hình 7.43 Đáp ứng hệ thống sự cố thoáng qua một pha chạm đất có PSS.................119
Hình 7.44 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS đối với sự cố một
pha chạm đất ở thanh cái số 1....................................................................................119
xii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
Hình 7.45 Đáp ứng hệ thống khi xảy ra sự cố một pha chạm đất (sự cố vĩnh viễn)...120
DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1 Các sự cố để mô phỏng ổn định động bằng ETAP.......................................64
Bảng 5.1 Thông số đường dây mạng IEEE 9 nút.........................................................69
Bảng 5.2 Thông số đường dây thứ tự không................................................................70
Bảng 5.3 Thông số thứ tự thuận máy biến áp 3 pha.....................................................70
Bảng 5.4 Thông số thự tự không của máy biến áp 3 pha.............................................70
Bảng 5.5 Thông số phụ tải...........................................................................................70
Bảng 5.6 Thông số mô phỏng động của máy phát đồng bộ cực lồi..............................75
Bảng 5.7 Thông số mô phỏng động của máy phát đồng bộ cực ẩn..............................77
Bảng 5.8 Thông số mô phỏng động của bộ kích từ tĩnh máy phát...............................78
Bảng 5.9 Thông số mô phỏng động bộ điều tốc máy phát đồng bộ.............................79
Bảng 5.10 Thông số mô phỏng động bộ ổn định PSS1A.............................................80
Bảng 7.1 Thời gian tới hạn để hệ thống duy trì ổn định đồng bộ.................................97
xiii
SVTH: HOÀNG MINH TRIẾT
GVHD: Thầy ĐẶNG TUẤN KHANH
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CĐQĐ:
Chế độ quá độ
CĐXL:
Chế độ xác lập
PSS:
Bộ ổn định hệ thống Power system stabilizers
DC:
Dòng điện một chiều
AC:
Dòng điện xoay chiều
xiv
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 1
KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
1 Khái niệm ổn định hệ thống điện
1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện
Lịch sử điện năng đã có những phát minh vượt bậc và nổi trội trong thế kỉ XIX:
phát minh ra hệ thống điện xoay chiều ba pha (1883), tải điện năng đi xa bằng dòng
điện xoay chiều (1884) hay đường dây tải điện ba pha được vận hành thử nghiệm ở
khoảng cách 175 km (1891). Kể từ đó, hệ thống điện xoay chiều ba pha ngày càng
phát triển, khoảng cách truyền tải ngày càng tăng, công suất truyền tải ngày càng lớn.
Lúc này đã xuất hiện các vấn đề cần được giải quyết. Đối với các đường dây truyền tải
sẽ tồn tại các giới hạn công suất truyền tải theo điều kiện ổn định hệ thống, hoặc khi có
các thay đổi trong hệ thống như thay đổi chế độ làm việc của máy phát, xảy ra sự cố
làm thay đổi cấu trúc của hệ thống hay sự cố dẫn đến phân bố lại công suất,… Khi đó
hệ thống sẽ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng dẫn tới các máy phát quay với
các tốc độ khác nhau, hay còn nói cách khác là hệ thống bị mất ổn định đồng bộ. Vì
những lí do này mà dẫn đến yêu cầu phát triển lí thuyết ổn định hệ thống điện.
1.2 Các chế độ của hệ thống điện
Hệ thống điện làm việc ở hai chế độ chính đó là: chế độ xác lập (CĐXL) và chế
độ quá độ (CĐQĐ).
CĐXL là chế độ trong đó các thông số hệ thống không thay đổi, hoặc chỉ thay
đổi xung quanh giá trị xác lập với sai số rất nhỏ trong một khoảng thời gian ngắn. Chế
độ làm việc bình thường và lâu dài của hệ thống là CĐXL. Sau sự cố, hệ thống làm
việc và duy trì ở một chế độ nhất định cũng được gọi là CĐXL.
CĐQĐ là chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác sau khi xảy
ra các tác động. CĐQĐ sau tác động bị biến thiên nhưng sau một thời gian trở về vị trí
ban đầu hoặc có trị số gần định mức được gọi là CĐQĐ bình thường. Ngược lại,
CĐQĐ với thông số biến thiên mạnh nhưng sau đó tăng trưởng vô hạn hay bị giảm dần
về giá trị 0, CĐQĐ đó được gọi là CĐQĐ sự cố.
1
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
1.3 Khái niệm về ổn định
Ổn định hệ thống điện có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của
hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình
thường và đạt đến trạng thái cân bằng với sai số chấp nhận được sau khi chịu các tác
động của nhiễu.
CĐQĐ có thể được gây ra bởi các nhiễu bé hoặc lớn. Nhiễu bé xảy ra thường
xuyên trong hệ thống điện dưới dạng thay đổi công suất của phụ tải, nhiễu lớn là các
sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn,
mất đường dây kết nối của hệ thống,…
Ổn định hệ thống có thể chia làm các loại như sau:
ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
ỔN ĐỊNH GÓC ROTOR
NHIỄU LỚN
NHIỄU BÉ
ỔN ĐỊNH TẦN SỐ
NGẮN HẠN
DÀI HẠN
NGẮN HẠN
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
NHIỄU LỚN
NGẮN HẠN
NHIỄU BÉ
DÀI HẠN
Hình 1.1 Các loại ổn định trong hệ thống điện
1.3.1 Ổn định tĩnh
Ổn định tĩnh (hay còn gọi là ổn định tín hiệu bé) được định nghĩa là khả năng ổn
định của hệ thống dưới sự tác động của các tín hiệu nhiễu bé, sau khi ổn định hệ thống
sẽ hoạt động ở trạng thái ban đầu hoặc trạng thái gần bằng với lúc trước khi xảy ra các
nhiễu loạn.
Ổn định tĩnh khi mất ổn định có hai loại là: mất ổn định phi chu kì (Non –
oscillatory Instability) và mất ổn định dao động (Oscillatory Instability).
2
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu bé còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố
bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và hệ thống kích thích được
sử dụng cho máy phát.
Nhiễu được xem là bé nếu phương trình mô tả đáp ứng của hệ thống có thể tuyến
tính hóa xung quanh điểm làm việc. Các tín hiệu nhiễu bé là những thay đổi của phụ
tải hay máy phát, cụ thể là đóng hoặc cắt phụ tải một cách đột ngột…
Các nguyên nhân gây ra mất ổn định tín hiệu bé có thể được chia làm hai loại:
Góc rotor máy phát tăng dần do thiếu momen đồng bộ.
Góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản.
1.3.2 Ổn định động
Ổn định động (hay còn gọi là ổn định quá độ) được định nghĩa là khả năng ổn
định của hệ thống điện khi chịu tác động của nhiễu quá độ nghiêm trọng. Đáp ứng của
hệ thống liên quan đến sự thay đổi của góc rotor máy phát và chịu ảnh hưởng của mối
quan hệ công suất góc phi tuyến.
Ổn định động hệ thống bao gồm: ổn định ngắn hạn (Transient stability), ổn định
trung hạn (Mid – term stability), ổn định dài hạn (Long – term stability).
Ổn định động thể hiện đặc tính của quá trình quá độ bằng việc chuyển trạng thái
từ điểm cân bằng này sang điểm cân bằng khác. Hệ thống ổn định quá độ nếu có:
Tồn tại điểm cân bằng ổn định sau sự cố (ứng với chế độ xác lập sau sự cố).
Thông số biến thiên của quá trình quá độ hữu hạn và tắt dần về chế độ xác
lập mới.
Nhiễu quá độ nghiêm trọng thường là các sự cố ngắn mạch xảy ra trên đường dây
truyền tải, thanh góp, máy biến áp, hoặc cắt đột ngột máy phát điện, đóng – cắt phụ tải
lớn… Trong các nhiễu nói trên thì ngắn mạch là nhiễu quá độ nghiêm trọng nhất.
1.4 Hậu quả của mất ổn định đồng bộ
Các máy phát làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất
những lượng công suất lớn.
Tần số hệ thống bị thay đổi, ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ.
3
Chương 1: KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ
tải.
Khiến cho bảo vệ relay tác động nhầm, cắt thêm nhiều phần tử đang làm
việc.
Cắt nối tiếp các nguồn, các phụ tải lớn có thể dẫn đến làm tan rã hệ thống.
4
Chương 2: MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 2
MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
2 Các phương trình vi phân mô tả các phần tử của hệ thống điện
2.1 Khái niệm chung
Do trong CĐQĐ có sự mất cân bằng công suất momen quay rotor của các máy
phát, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái của hệ thống. Góc pha và biên độ các
suất điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào quy luật chuyển động cơ học của
các máy điện quay.
Vì vậy để phân tích ổn định, người ta đều dưa trên cơ sở các phương trình vi
phân mô tả sự thay đổi của hệ thống khi xảy ra sự biến thiên của thông số hệ thống,
hay cụ thể hơn là phương trình vi phân mô tả các phần tử quan trọng của hệ thống điện
gồm máy phát, máy biến áp, đường dây,…
2.2 Mô hình máy phát điện đồng bộ
2.2.1 Lí thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ
Máy điện đồng bộ bao gồm 2 phần: phần cảm và phần ứng. Phần cảm đặt ở rotor
và phần ứng đặt ở stator. Cuộn dây ở phần cảm (cuộn kích từ) được cung cấp dòng DC
để tạo ra từ trường quay. Phần ứng gồm 3 cuộn dây đặt lệch nhau 120 độ trong không
gian.
Hình 2.2Hình 2.3 Cấu trúc của máy điện đồng bộ
5
Chương 2: MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Ngoài cuộn dây kích từ, trên rotor còn có cuộn dây cản có tác dụng làm tắt dần
các dao động của máy phát
Mạch thay thế của rotor và stator với giả thiết:
Cuộn dây stator phân bố theo quy luật hình sin dọc theo khe hở giữa stator
và rotor
Rãnh stator không ảnh hưởng đến sự thay đổi của điện cảm rotor theo vị trí
của rotor
Bỏ qua từ trễ
Bỏ qua hiện tượng bão hòa
Hình 2.4 Mạch thay thế stator và rotor máy phát điện đồng bộ
Trong đó :
a, b, c: các cuộn dây stator
f d : Cuộn dây kích từ
k d : Cuộn cản dọc trục
kq
: Cuộn cản ngang trục
k = 1, 2, … n: Là số cuộn cản
: Góc trục d vượt trước trục từ trường cuộn dây pha a, tính bằng rad điện
6
- Xem thêm -