Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng của tcsc trong việc ngăn chặn mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------------------------- ĐÀM ANH TUỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Thái Nguyên - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đàm Anh Tuệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng Toản trƣờng Đại học Điện lực Hà Nội. Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010 Đàm Anh Tuệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trƣờng, sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên, cũng nhƣ sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Trong luận văn này, chúng tôi dùng phƣơng pháp hệ số phần dƣ để lựa chọn tối ƣu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Kết quả đƣợc thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC. Các nội dung chính của luận văn: Tính cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. Các từ khoá: Tan rã hệ thống điện, ổn định với nhiễu loạn nhỏ, hệ số phần dư, TCSC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2 TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................3 MỤC LỤC ..................................................................................................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................6 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................7 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................8 Chương I GIỚI THIỆU CHUNG ..........................................................................10 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................... 10 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN ...................................................................... 12 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ………………………………………………………………………...12 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS……………………………………………………………..13 1.3 CẤU TRÖC CỦA LUẬN VĂN ............................................................................................ 14 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN .............................................................................................. 14 Chương II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ .................................................15 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY .................................. 15 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới………………………..15 2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện……………………………….27 2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện…………………………………………..30 2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện………………………………………………...33 2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ .................................................................................... 33 2.2.1 Định nghĩa………………………………………………………………………33 2.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ………………...35 2.2.3 Phƣơng pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ………………………..42 2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN ........................ 43 2.4 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 46 Chương III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN DO NHIỄU LOẠN NHỎ ................................................................47 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 3.1 THIẾT BỊ TCSC .................................................................................................................... 47 3.1.1 Giới thiệu chung………………………………………………………………...47 3.1.2 Các lợi ích của việc dùng TCSC………………………………………………..47 3.1.3 Mô hình TCSC………………………………………………………………….49 3.1.4 Phạm vi ứng dụng của TCSC trong thực tế…………………………………….54 3.2 TÌM HIỂU PHẦN MỀM PSS/E ............................................................................................ 56 3.2.1 Giới thiệu chung………………………………………………………………...56 3.2.2 Giới thiệu tổng quan về chƣơng trình PSS/E…………………………………...57 3.2.3 Các thủ tục cơ bản khi tính toán trào lƣu công suất…………………………….59 3.2.4 Tính toán tối ƣu trào lƣu công suất……………………………………………..62 3.2.5 Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E……………………...73 3.3 KẾT LUẬN ............................................................................................................................ 77 Chương IV KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG ..................................78 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM................................................. 78 4.1.1 Tình trạng vận hành hiện tại của hệ thống điện Việt Nam……………………..78 4.1.2 Quy hoạch phát triển năng lƣợng trong giai đoạn 2006-2010-2015……………88 4.2 CÁC TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG KHI CHƢA CÓ TCSC................................................... 102 4.3 DÙNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN DƢ ĐỂ LỰA CHỌN ĐIỂM ĐẶT TCSC ....................... 105 4.4 CÁC MÔ PHỎNG KHI CÓ TCSC ...................................................................................... 108 4.4.1 Các giá trị riêng………………………………………………………………..108 4.4.2 Dao động điện với tín hiệu đầu vào khác nhau………………………………..109 4.5 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 113 Chương V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................115 5.1 KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 115 5.1.1 Nghiên cứu các sự cố………………………………………………………….115 5.1.2 Nghiên cứu về TCSC trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ……………115 5.2 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................... 116 Tài liệu tham khảo ................................................................................................117 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987 ....................................................... 17 Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996 ........................ 20 Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 ................ 20 Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20] ............................ 21 Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) ....................................... 24 Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trƣớc và sau khi 3h 25 phút 33 giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE ..................................................................... 25 Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trƣớc và sau khi tan rã [17] ............................................... 27 Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ .............................................. 30 Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ ................................................................................. 32 Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ ........................................................................ 33 Hình vẽ II-11: Công suất trên đƣờng dây liên lạc California-Oregon trong quá trình sảy ra sự cố tan rã lƣới điện ngày 10/8 /1996 [20].................................................................................................... 34 Hình vẽ II-12: Hàm truyền đạt ......................................................................................................... 40 Hình vẽ III-1: Mô hình TCSC cơ bản .............................................................................................. 49 Hình vẽ III-2: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở  ..................................................... 51 Hình vẽ III-3: Một TCSC điển hình ................................................................................................. 52 Hình vẽ III-4: Các nguyên lý vận hành cơ bản của TCSC ............................................................... 53 Hình vẽ III-5: TCSC lắp đặt trong HTĐ Brazil ............................................................................... 56 Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối của PSS/E ............................................................................................... 59 Hình vẽ IV-1: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 ..................................................................... 79 Hình vẽ IV-2: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa mƣa. .............................................. 103 Hình vẽ IV-3: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa khô. ............................................... 104 Hình vẽ IV-4: Điểm đặt TCSC trên đƣờng dây 500kV lộ đơn của EVN2010............................... 107 Hình vẽ IV-5: Các giá trị riêng của hệ thống khi đặt TCSC trên đƣờng dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng . 108 Hình vẽ IV-6: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào P ................................................................... 110 Hình vẽ IV-7: Dòng công suất với tín hiệu đầu vào I .................................................................... 111 Hình vẽ IV-8: Dòng công suất trên đƣờng dây Hà Tĩnh - Đà Nẵng với tín hiệu đầu vào P, I ....... 111 Hình vẽ IV-9: Công suất phát của nhà máy HÕA BÌNH và HÀM THUẬN ................................. 112 Hình vẽ IV-10: Góc rotor của nhà máy điện Hoà Bình, Hàm Thuận, Phú Mỹ .............................. 113 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng III-1: Danh sách các TCSC đã đƣợc lắp đặt ........................................................................... 54 Bảng IV-1: Điện năng tiêu thụ của Việt Nam từ 1995 - 2005 ......................................................... 78 Bảng IV-2: Gia tăng nhu cầu phụ tải hàng năm từ 1995 - 2005 ...................................................... 78 Bảng IV-3: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 .......................................................................... 79 Bảng IV-4: Các nhà máy điện hiện có ............................................................................................. 80 Bảng IV-5: Tổng điện năng sản xuất trong giai đoạn 2000 - 2005 .................................................. 82 Bảng IV-6: Tổng nhu cầu điện năng ................................................................................................ 83 Bảng IV-7: Tóm tắt về đƣờng dây và các trạm biến áp ................................................................... 84 Bảng IV-8: Điện năng và công suất ở các trạm biến áp 500kV ....................................................... 85 Bảng IV-9: Các sự cố trên đƣờng dây 500kV .................................................................................. 86 Bảng IV-10: Nhu cầu điện năng trong giai đoạn 2006-2010-2020 .................................................. 88 Bảng IV-11: Tổng hợp nhu cầu điện năng của các miền ................................................................. 89 Bảng IV-12: Các nhà máy điện đƣợc đƣa vào vận hành đến năm 2015 .......................................... 90 Bảng IV-13: Danh sách đƣờng dây 500kV hiện có và đã đƣợc quy hoạch ..................................... 98 Bảng IV-14: Danh sách trạm biến áp 500kV hiện có .................................................................... 100 Bảng IV-15: Hệ số phần dƣ của HTĐ trong mùa mƣa .................................................................. 105 Bảng IV-16: Hệ số phần dƣ của HTĐ trong mùa khô ................................................................... 106 8 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Conseil International des Grands Réseaux Électriques CIGRE or : International Council on Large Electric systems (Hiệp hội các hệ thống điện lớn) E.ON Netz EPRI ESM FACTS HTĐ HVDC IEEE MAM MPĐ PMU PSS PSS/E A Transmission System Operator in Germany (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) Electric Power Research Institute (Viện nghiên cứu điện lực Mỹ) Energy System Management (Hệ thống quản lý năng lƣợng) Flexible AC Transmission System (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) Hệ thống điện High Voltage Direct Current (Đƣờng dây tải điện một chiều) Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ) Modifier Arnoldi method (Phƣơng pháp Arnoldi hiệu chỉnh) Máy phát điện Phasor Measurement Unit (Hệ thống đo góc pha) Power System Stabilizer (Bộ ổn định công suất) Power System Simulation Engineering (Mô phỏng hệ thống điện) Power Technology Inc. PTI (Công ty phần mềm Inc - Mỹ) 9 RTCA Real Time Contingency Analysis (Hệ thống đánh giá sự cố ngẫu nhiên thời gian thực) A transmission system operator in Germany - RWE RWE TSO Transportnetz Strom (Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức) SE SMA SSR SSS SVC TCSC TenneT ULTC WAMS WAPC State Estimator (Hệ thống đánh giá trạng thái) Seclective Modal Analysis (Phân tích mô hình lựa chọn) Sybsynchronous Resonance (Cộng hƣởng tần số thấp) Small Signal Stability (Ổn định với nhiễu loạn nhỏ) Static Var Compensator (Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh) Thyristor Controller Series Compensator (Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor) The transmission system operator in Netherlands (Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan) Under Load Tap Changer (Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dƣới tải) Wide Area Measurement Systems (Hệ thống đo lƣờng trên diện rộng) Wide Area Protection and Control (Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng) 10 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Một HTĐ thƣờng phân chia làm ba phần chính: Phần phát điện - hay phần nguồn điện - bao gồm các nhà máy phát điện nhƣ: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại phát điện khác… Phần truyền tải, đây cũng có thể đƣợc coi là hệ thống xƣơng sống của một HTĐ bao gồm các đƣờng dây cao áp, và máy biến áp truyền tải. Phần phân phối, nơi điện áp đƣợc hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải khác nhau. Để đảm bảo chế độ vận hành bình thƣờng thì HTĐ cần thỏa mãn các điều kiện về an ninh, tin cậy cung cấp điện, đảm bảo chất lƣợng điện năng, và yêu cầu về kinh tế. Tuy nhiên, các HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn: Thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải: Đặc biệt là với một nƣớc đang phát triển nhanh nhƣ Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng (15 20)% mỗi năm đang đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nƣớc nói chung: đó là làm sao phải đáp ứng đƣợc nhu cầu phụ tải. Vấn đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên nhƣ than đá, dầu mỏ, khí đốt, và cả nguồn thủy điện. Không chỉ riêng Việt Nam và cả thế giới đều nhận thức đƣợc rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng lƣợng sơ cấp, và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế. Ở đây chúng ta cần hiểu rằng nguồn thủy điện đã cạn kiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã đƣợc phát hiện và khai thác gần hết. Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc gia. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện ở nƣớc ta vẫn còn nhiều khó khăn, do vấn đề về công 11 nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu tƣ lớn. Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lƣợng tái tạo trên bình diện cả nƣớc. Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này góp phần giảm thiểu gánh nặng cho nghành điện trên phƣơng diện đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lƣợng tái tạo sẵn có. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và phân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ. Một vấn đề nữa mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trƣờng do các nhà máy điện gây ra. Do đó chúng ta cần phải xem xét kỹ lƣỡng vấn đề này khi quyết định đầu tƣ xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện lớn. Vấn đề thứ năm đó là xu hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện. Nó làm thay đổi hoàn toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn toàn mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh điện. Và đặc biệt là xu hƣớng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ ngày càng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản lý, vận hành, điều khiển giám sát. Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn về ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Mặc dù sự cố tan rã HTĐ đã trở thành mối lo ngại hàng thập kỷ qua, tuy nó ít khi xảy ra và các sự cố trong HTĐ là không giống nhau nhƣng hậu quả mà nó gây ra là rất lớn không những về kinh tế mà còn về an ninh năng lƣợng. Ví dụ nhƣ sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 8 năm 2003, tổng lƣợng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ. Ở sự cố tại Ý tháng 9 năm 2003, tổng lƣợng tải bị cắt là 27 GW, và tổng thiệt hại vào khoảng 50 tỉ đô la. Một sự cố khác là sự sụp đổ tần số ở các nƣớc Tây âu năm 2006 cũng làm khoảng 15 triệu ngƣời bị ảnh hƣởng, và rất nhiều các sự cố khác… trong 12 đó có một sự cố có liên quan trực tiếp đến hiện tƣợng mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Chính vì vậy mà việc nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ là một nhu cầu cấp thiết đối với HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng. Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung vào đề xuất các phƣơng án, nghiên cứu, và nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Ngày nay việc ứng dụng các công nghệ mới đặc biệt là các thiết bị bù linh hoạt FACTS (Flexible AC Transmission System) đã chứng tỏ tác dụng trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Chính vì vậy mà trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu về ổn định với nhiễu loạn nhỏ, phƣơng pháp nghiên cứu và đặc biệt là ứng dụng của một loại FACTS điển hình là TCSC trong việc nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC là một phần tử cơ bản của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS có khả năng thay đổi nhanh, liên tục điện kháng bù dọc. Thiết bị này cho phép chúng ta vận hành HTĐ một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thƣờng hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng. Việc nghiên cứu thành công luận án sẽ giúp ích cho ngành điện lực, trong tính toán thiết kế, vận hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng cao ổn định điện áp, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. 1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nào bởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dƣới góc độ kinh tế và an ninh năng lƣợng. Do đó vấn đề này đã đƣợc quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua. Một sự cố tan rã HTĐ thƣờng là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, và là một hiện tƣợng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời. Trong đó việc mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính. 13 Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ. Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ đƣợc tóm tắt ngắn gọn. Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành đề xuất các phƣơng án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ. 1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS Sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ đã đƣợc xem nhƣ là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Khi phân tích sự cố này, có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến sự dao động công suất, các cách thức dao động khác nhau, nhƣ là: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ (KT), mô hình phụ tải, cấu trúc HTĐ cũng nhƣ các loại sự cố khác nhau. Tuy nhiên các sự cố có thể coi nhƣ là đủ nhỏ, không phá vỡ trạng thái làm việc của HTĐ ngay lập tức, do đó hệ phƣơng trình mô tả HTĐ có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc ban đầu. Phƣơng pháp sử dụng giá trị riêng, hệ số tham gia, hệ số phần dƣ đƣợc sử dụng chủ yếu để nghiên cứu, đánh giá hiện tƣợng ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ, chúng tả phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản - hay thêm các mô men cản khi có dao động công suất nhƣ: các thiết bị ổn định công suất ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh (Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị TCSC đã đƣợc chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Trong thực tế, HTĐ thƣờng là rộng lớn, với nhiều đƣờng dây liên lạc trong khi số lƣợng các thiết bị điều khiển thì thƣờng hạn chế về số lƣợng vì lý do kinh tế và kỹ thuật, do đó một vấn đề đặt ra là phải tối ƣu hóa điểm đặt các thiết bị này để nâng cao ổn định do nhiễu loạn nhỏ. 14 Trong luận văn này, chúng tôi dùng phƣơng pháp hệ số phần dƣ để lựa chọn tối ƣu điểm đặt của thiết bị TCSC với mục tiêu nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Kết quả đƣợc thực hiện với HTĐ Việt Nam đã chứng minh những hiệu quả của việc đặt thiết bị bù TCSC. 1.3 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn đƣợc trình bày nhƣ sau: Tính cấp thiết của đề tài đƣợc trình bày trong chƣơng I của luận văn. Chƣơng II của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định nghĩa, cũng nhƣ là phƣơng pháp nghiên cứu ổn định nhiễu với loạn nhỏ đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Chƣơng III, giới thiệu về thiết bị TCSC dùng để nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ. Các kết quả mô phỏng với HTĐ Việt Nam đƣợc trình bày trong chƣơng IV của luận văn. Chƣơng V là các kết luận chủ yếu và các kiến nghị. 1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN Bản luận văn chỉ thảo luận phƣơng pháp dùng hệ phần dƣ để lựa chọn điểm đặt cho các thiết bị TCSC. Kết quả chỉ đƣợc áp dụng cho HTĐ Việt Nam. Việc lựa chọn tối ƣu bộ thông số của thiết bị TCSC đòi hỏi nhiều công sức, và phụ thuộc vào nhiều yếu tố, cũng nhƣ cấu hình của mỗi HTĐ cụ thế. Trong luận văn này, tác giả chọn thông số của thiết bị TCSC theo bộ thông số điển hình trong các tài liệu tham khảo. 15 CHƢƠNG II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Nhật Bản, Tây Âu…. Trong phần này, một số các sự cố điển hình đƣợc thảo luận tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19]:  Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp. Lúc đó HTĐ Pháp đang nhập khẩu điện năng từ các nƣớc bên cạnh. Phụ tải tăng lên từ khoảng 7 giờ đến 8 giờ là 4600 MW. So với ngày hôm trƣớc thì nhu cầu phụ tải tăng lên là 1600 MW. Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dƣới tải của các MBA trên lƣới cao áp (EHV/HV). Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút, thì điện áp của các nút trên lƣới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trong khoảng từ 342 kV đến 374 kV. Trong khi đó một số đƣờng dây đã bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và xảy ra sụp đổ điện áp sau đó. Trong quá trình khôi phục lại HTĐ đã xảy ra một sự cố sụp đổ điện áp khác. Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt, với tổng năng lƣợng không truyền tải phân phối đƣợc là 100 GWh. Hậu quả về tiền đƣợc dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla. Nguyên nhân chính là sự mất ổn định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3]. 16  Sự cố tan rã HTĐ ngày 04/08/1982 tại Bỉ: Bắt đầu bằng việc dừng một tổ máy có công suất 700 MW trong quá trình thí nghiệm nghiệm thu sau bảo dƣỡng. Sau khoảng 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã tác động để giảm lƣợng công suất phản kháng phát ra. Ba đến bốn phút sau sự cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất phản kháng” của máy phát điện. Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của một số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82 pu (đơn vị tƣơng đối). Vào lúc 4 phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ điện áp do mất ổn định điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3].  Sự cố tan rã HTĐ ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hƣ hỏng một bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đƣờng dây 400 kV. Khoảng 8 giây sau, một đƣờng dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng. Điện áp của HTĐ bị giảm thấp làm cho các máy biến áp với bộ điều áp dƣới tải tác động, càng làm cho điện áp trên hệ thống các đƣờng dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng cao trong các đƣờng dây từ phía Bắc đến phía Nam. Khoảng 55 giây sau sự cố ở trong trạm biến áp, một đƣờng dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thụy Điển bị tách thành hai phần, Bắc và Nam. Các hiện tƣợng sụp đổ tần số và điện áp xảy ra trong HTĐ. Hệ thống sa thải phụ tải đã không có hiệu quả trong việc cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ. Các tổ máy hạt nhân trong khu vực HTĐ chia rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở kháng thấp dẫn đến sự cố tan rã hoàn toàn HTĐ. Tổng lƣợng tải bị cắt ra vào khoảng 11400 MW. Nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp trong khoảng thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3].  Sự cố tan rã HTĐ tại Florida - Mỹ ngày 17 tháng 5 năm 1985: Một sự cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đƣờng dây 500 kV đang mang tải nhẹ dẫn đến sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây. Lƣợng tải bị mất khoảng 4292 MW. Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian quá độ [2], [3]. 17  Sự cố tan rã HTĐ Tokyo - Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn bộ thủ đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lƣợng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt độ tăng cao. Sau thời gian buổi trƣa, lƣợng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút (tƣơng đƣơng với 400 MW/1 phút). Mặc dù, các tụ bù đã đƣợc đóng hết, nhƣng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500 kV. Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống truyền tải và xa thải 8000 MW. Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn. Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của các thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp [1], [2], [3].  Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền Tây nƣớc Pháp: trong khoảng 50 phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến điện áp trong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trong vòng 7 phút sau đó, trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động. Tuy nhiên thì điện áp vẫn đƣợc giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ 0.5 pu đến 0.8 pu). Trong khoảng thời gian 6 phút, điện áp giảm thấp đã phải cắt một lƣợng tải là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ. Nguyên nhân chính là do sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3]. Hình vẽ II-1 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp đổ đối với HTĐ Pháp Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987 18  Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn an ninh cho phép, lƣợng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn, chính vì vậy mà ở vùng miền Nam của Phần Lan chỉ có 3 tổ máy nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400 kV. Sự cố mất một tổ máy 735 MW đồng thời với việc bảo dƣỡng định kỳ một đƣờng dây 400 kV đã làm giảm lƣợng công suất phản kháng truyền tải dẫn đến điện áp trên lƣới 400 kV giảm xuống còn 344 kV. Điện áp đã đƣợc khôi phục bằng cách khởi động các nhà máy điện dùng tuabin khí và sa thải một lƣợng phụ tải [3].  Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền tây nƣớc Mỹ (Western Systems Coordination Council - WSCC) ngày 2 tháng 7 năm 1996: Bắt đầu ở trong vùng Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây: Hệ thống đang ở chế độ nặng tải và nhiệt độ trong vùng miền Nam Idaho và Utah khá cao, khoảng 38°C. Lƣợng công suất truyền tải từ vùng Pacific về California khá cao cụ thể nhƣ sau: o Đƣờng dây liên lạc AC: 4300 MW (giới hạn là 4800 MW). o Đƣờng dây liên lạc DC: 2800 MW ( giới hạn là 3100 MW). o Sau đó có một sự cố ngắn mạch một pha trên đƣờng dây 345 kV từ nhà máy điện 200 MW Jim Bridger trong vùng Wyoming đến Udaho do phóng điện từ đƣờng dây vào cây trong hành lang tuyến. Sự cố này dẫn đến việc cắt một đƣờng dây mạch kép khác do sự tác động sai của bảo vệ rơ le. Việc cắt 2 trong bốn tổ máy của nhà máy điện Jim Bridger theo tiêu chuẩn ổn định lẽ ra sẽ làm ổn định lại HTĐ. Tuy nhiên việc sự cố cắt đƣờng dây 220 kV trong miền Đông Oregon đã làm điện áp giảm thấp trong vùng miền Nam Idaho, và sự suy giảm dần dần trong vùng trung tâm Oregon. Khoảng 24 giây sau, một đƣờng dây 220 kV khá dài khác từ vùng miền Tây Montana đến miền Nam của Idaho bị cắt ra do vùng ba của bảo vệ khoảng cách, điều này làm cho một đƣờng dây kép 161 kV khác bị cắt ra sau đó dẫn đến việc suy giảm khá nhanh điện áp trong vùng Idaho và Oregon. Khoảng 3