Tài liệu Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị facts

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- HUỲNH TẤN PHÁT XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TÍN HIỆU BÉ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ THIẾT BỊ FACTS Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605251 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 05 năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG –HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Chữ ký:…..... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................... (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. .............................................................. 2. .............................................................. 3. .............................................................. 4. .............................................................. 5. .............................................................. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Huỳnh Tấn Phát. MSHV:12820134 Ngày, tháng, năm sinh: 02/11/1989. Nơi sinh: Huyện Tam Bình – Vĩnh Long. Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Mã số : 605251 I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng chương trình phân tích ổn đỊnh tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:Nghiên cứu về một số thiết bị FACTS. Xây dựng mô hình các phần tử của hệ thống điện phục vụ cho mục đích nghiên cứu ổn định tín hiệu bé. Xây dựng các ma trận đặc trưng và xác định các giá trị riêng. Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện sử dụng phần mềm Matlab III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/05/2015 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: Tiến sĩ Nguyễn Văn Liêm. Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Sau gần 10 tháng thực hiện Luận án tốt nghiệp “ Xây dựng chƣơng trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS ” đã phần nào hoàn thành, ngoài sự cố gắng của bản thân em đã nhận được sự khích lệ rất nhiều từ phía Nhà trường, Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Lời đầu tiên em muốn nói là em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS. Nguyễn Văn Liêm Khoa điện- điện tử trường ĐH Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Dù rất bận rộn với công việc nhưng Thầy vẫn luôn dành nhiều thời gian để hướng dẫn em hoàn thiện luận án này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong khoa Điện– Điện tử trường ĐH Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh cũng như các thầy cô trong trường đã giảng dạy, giúp đỡ em trong 2 năm học vừa qua. Chính các Thầy cô đã xây dựng cho chúng em những kiến thức nền tảng và những kiến thức chuyện môn để có thể hoàn thiện luận án này cũng như công việc của mình sau này. Xin chân thành cảm ơn các Anh Chị, bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và nhà máy điện khoá 2012 (đào tạo tại trường Đại Học Cần Thơ) đã giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong cuộc sống. Em xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, tháng 05 năm 2015 Huỳnh Tấn Phát Abstract The integration of Vietnam’s economy in recent years has resulted in increasing demand of electricity, with the establishment of many plants leading to various load centers.Therefore, in operation of power system will occur transient stability and small signal stability. So, power system stability problem has been analysised. The negative impacts of instability on power system are matters of concern for scientists as well as for domestic and international organizations. For this reason, the providing stability ability for elements of power system, especially, providing rotor angle stability, is of paramount importance in the determination of instability of power system. This thesis presents the application of FACTS device to provide rotor angle stability of generator and some measures and solutions for the reduction of negative impacts of these fields will also be discussed. TÓM TẮT Ở Việt Nam, trong những năm qua, sự hội nhập về kinh tế dẫn tới nhu cầu điện năng là rất lớn, xuất hiện nhiều nhà máy điện để đáp ứng nhu cầu của phụ tải, nên trong quá trình vận hành sẽ xuất hiện nhiễu loạn nhỏ và quá trình quá độ gây lên mất đồng bộ cho các máy phát điện. Vậy vấn đề về ổn định hệ thống điện cần được xem xét. Ảnh hưởng bất lợi của việc mất ổn định đến toàn bộ hệ thống điện là vấn đề đã và đang được các nhà khoa học, các tổ chức trong nước cũng như quốc tế quan tâm nghiên cứu. Trong đó, việc nâng cao khả năng ổn định cho các phần tử trong hệ thống điện đặc biệt là nâng cao khả năng ổn định góc rotor máy phát điện là một việc hết sức quan trọng nhằm hạn chế sự mất ổn định cho hệ thống. Trong luận văn này trình bày một ứng dụng của thiết bị FACTS để nâng cao khả năng ổn định góc rotor máy phát điện từ đó rút ra kết luận cũng như biện pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng bất lợi của các nhiễu loạn cũng như quá trình quá độ khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện. LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do em thực hiện. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1.Lý do chọn đề tài ................................................................................................................. 1 2.Mục tiêu của nghiên cứu ..................................................................................................... 1 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................................ 2 4.Các nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 3 1.1 Tổng quan các vấn đề có liên quan................................................................................... 3 1.2 Tóm lược các bài báo liên quan ........................................................................................ 3 CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH TÍN HIỆU BÉ .............................. 8 2.1. Lịch sử hình thành của bài toán ....................................................................................... 8 2.2. Các hạn chế trước đây ..................................................................................................... 9 2.3. Cơ sở phát triển của bài toán ......................................................................................... 10 2.4. Thành lập bài toán ......................................................................................................... 14 2.4.1. Tính những giá trị riêng .................................................................................................. 14 2.4.2. Tính những vecto riêng................................................................................................... 15 CHƯƠNG 3:MÔ HÌNH CỔ ĐIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................ 16 3.1. Tổng quan ...................................................................................................................... 16 3.2. Các mô hình cổ điển ...................................................................................................... 16 3.2.1. Máy phát điện ................................................................................................................. 16 3.2.2 Ảnh hưởng của máy điện đồng bộ có cuộn dây kích thích ............................................. 20 3.2.3 Ảnh hưởng của bộ kích từ ............................................................................................... 32 3.2.4 Ma trận trạng thái hệ thống bao gồm PSS ....................................................................... 35 3.2.5 Ổn định tín hiệu bé của hệ thống nhiều máy điện ........................................................... 37 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH THIẾT BỊ FACTS CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................ 46 4.1 Tổng quan về công nghệ sử dụng FACTS ..................................................................... 46 4.2 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor (SVC – STATIC VAR COMPENSATOR).47 4.2.1. Cấu tạo và nguyên lý SVC ............................................................................................. 47 4.2.2. Chức năng và ưu điểm của SVC..................................................................................... 48 4.2.3. Đặc tính làm việc của SVC............................................................................................. 48 4.2.4. Mô hình SVC .................................................................................................................. 49 4.3. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor (TCSC -THYRISTOR CONTROLLED SERIES CAPACITOR). ....................................................................................................... 51 4.3.1. Nguyên lý cấu tạo ........................................................................................................... 51 4.3.2.Các chức năng chính của TCSC ...................................................................................... 52 4.3.3. Mô hình TCSC ............................................................................................................... 52 4.4 Mô hình tuyến tính hóa của thiết bị FACTS .................................................................. 53 4.4.1 Mô hình tuyến tính hóa của SVC .................................................................................... 53 4.4.2 Tuyến tính mô hình TCSC .............................................................................................. 54 4.5. NHẬN XÉT ................................................................................................................... 55 CHƯƠNG 5: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH TÍN HIỆU BÉ 57 5.1 Khảo sát ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện đơn giản có xét đến mức độ chi tiết khác nhau của máy phát ................................................................................................................ 57 5.1.1 Mô tả hệ thống ................................................................................................................. 57 5.1.2 Sử dụng mô hình cổ điển của máy phát........................................................................... 58 5.1.3 Xét ảnh hưởng của quá trình quá độ trong cuộn dây kích thích ...................................... 62 5.1.4 Xét ảnh hưởng của hệ thống kích từ ................................................................................ 70 5.1.5 Xét ảnh hởng của bộ PSS ................................................................................................ 78 5.2 Khảo sát ổn định tín hiệu bé của hệ thống có thiết bị FACTS ....................................... 87 5.2.1 Mô tả hệ thống điện ......................................................................................................... 88 5.2.2 Hệ thống không có TCSC................................................................................................ 88 5.2.3 Hệ thống có TCSC........................................................................................................... 98 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN .................................................................................................... 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 113 PHỤ LỤC .............................................................................................................................. 116 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Những điểm kỳ dị tương xứng với những cặp giá trị riêng ............................. 14 Hình 3.1: Mô hình cổ điển của máy phát điện ......................................................................... 16 Hình 3.2:Sơ đồ khối của một máy điện mô hình cổ điển nối với nút vô hạn .......................... 19 Hình 3.3: Góc rotor và hệ trục d-q ........................................................................................... 20 Hình 3.4 Mô hình mạch tương liên quan đến thông móc vòng và dòng điện.......................... 22 Hình 3.5: Mô hình mạng tương đương .................................................................................... 24 Hình 3.6: Những phần tử phi tuyến và từ thông móc vòng qua khe hở không khí của mạch điện tương đương ............................................................................................................................. 28 Hình 3.7 : Sơ đồ khối đại diện với hằng số Efd ........................................................................ 30 Hình 3.8: Hệ thống kích từ với AVR ....................................................................................... 33 Hình 3.9: Hệ thống kích từ với AVR và PSS .......................................................................... 35 Hình 3.10: Câu trúc của mô hình hệ thống điện hoàn chỉnh ................................................... 39 Hình 3.11: Phép biến đổi hệ quy chiếu .................................................................................... 40 Hình 3.12: Tổng dẫn song song nối đất ................................................................................... 42 Hình 3.13: Thành phần R và I của dòng điện tải ..................................................................... 43 Hình 4.1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của SVC ................................................................. 47 Hình 4.2: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ............................................... 49 Hình 4.3 : Sơ đồ khối điều khiển SVC .................................................................................... 50 Hình 4.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC ............................................................. 52 Hình 4.5: Sơ đồ khối điều khiển của TCSC ............................................................................ 53 Hình 5.1: Mô hình hệ thống mô phỏng ................................................................................... 57 Hình 5.2 : Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian ............... 61 Hình 5.3: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian ...................................................... 62 Hình 5.4: Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian ................ 69 Hình 5.5: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian ...................................................... 69 Hình 5.6: Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian ................ 77 Hình 5.7: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian ...................................................... 77 Hình 5.8: Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian ................ 86 Hình 5.9: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian ...................................................... 86 Hình 5.10: Mô hình hệ thống có kết nối với TCSC ................................................................. 88 Hình 5.11: Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian .............. 97 Hình 5.12: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian .................................................... 97 Hình 5.13: Đồ thị biễu diễn thời gian đáp ứng của độ lệch góc rotor theo thời gian ............ 110 Hình 5.14: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian .................................................. 110 Hình 5.15: Thời gian đáp ứng của góc rotor theo thời gian khi có và không có TCSC ........ 111 Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS LỜI MỞ ĐẦU 1.Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ ngày càng cao, điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong tất cả các ngành kinh tế, sự phát triển của nhu cầu tiêu thụ điện năng đánh giá sự phát triển của xã hội và nâng cao đời sống của một khu vực, một quốc gia. Do đó, hệ thống điện cũng ngày càng phát triển cả về quy mô lẫn công nghệ. Ngày nay đã hình thành nhiều hệ thống điện lớn trong phạm vi quốc gia hoặc liên quốc gia, xuất hiện nhiều nhà máy điện làm nhiệm vụ đáp ứng công suất cho phụ tải điện. Trong những năm qua, cùng với sự phát triển về kinh tế, nhu cầu điện năng của Việt Nam là rất lớn, xuất hiện nhiều nhà máy nhiệt điện và nhà máy thủy điện làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp hơn đặc biệt là vấn đề về đồng bộ cũng như tính ổn định của hệ thống. Một số rối loạn nhỏ có thể gây ra biến động về tần số, tải và điện áp trên hệ thống điện, vì vậy, sự mất ổn định tín hiệu nhỏ là một trong những yếu tố chính hạn chế khả năng truyền tải giữa các hệ thống điện có thể dẫn đến tan ra hệ thống điện. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh (SVC), thiết bị bù dọc (TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng. Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé có dùng thiết bị FACTS có tầm quan trọng rất lớn. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện. 2.Mục tiêu của nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: + Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện. HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 1 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS + Nghiên cứu tìm hiểu vai trò các thiết bị FACTS trong việc điều khiển hệ thống điện + Làm cơ sở cho việc thiết kế điều khiển phối hợp nhằm nâng cao ổn định tín hiệu bé 3. Phạm vi nghiên cứu + Phân tích ổn định tín hiệu bé + Nghiên cứu về công nghệ FACTS, cấu tạo nguyên lý làm việc và vai trò của một số thiết bị FACTS ( SVC, TCSC) 4.Các nội dung nghiên cứu + Xây dựng mô hình của các phần tử của hệ thống điện phục vụ cho mục đích nghiên cứu ổn định tín hiệu bé + Tuyến tính hóa phương trình vi phân đại số để mô tả chê độ làm việc của hệ thống điện. + Xây dựng ma trận đặc trưng và xác định các giá trị riêng. + Xác định các vectơ riêng tính đáp ứng trong miền thời gian của HTĐ khi chịu tác động của nhiễu nhỏ + Xây dựng chương trình sử dụng phần mềm Matlab HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 2 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan các vấn đề có liên quan Phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trong hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với hệ thống điện hoạt động an toàn kể từ những năm 1920 Nhiều sự cố mất điện lớn đã xảy ra bởi sự mất ổn định hệ thống điện. Sự không ổn định tạm thời chiếm tỷ trọng lớn trên hầu hết các hệ thống điện, và đã là trọng tâm của nhiều sự chú ý trong ngành công nghiệp liên quan đến ổn định hệ thống. Điều này đã tạo ra một nhu cầu lớn về nghiên cứu phân tích ảnh hưởng ổn định tín hiệu nhỏ để có một sự hiểu biết rõ ràng về các loại bất ổn khác nhau là điều cần thiết cho việc thiết kế và vận hành hệ thống điện tốt hơn đang là vấn đề cấp thiết.Thuật toán và chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện đã được nghiên cứu và xây dựng từ lâu. Tuy nhiên phần mềm có tính chất thương mại đòi hỏi phải có kinh phí để mua. Gần đây với sự ứng dụng của các thiết bị FACTS trong các hệ thống điện việc nghiên cứu và xây dựng thuật toán, chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé được quan tâm [1], [2], [3] 1.2 Tóm lƣợc các bài báo liên quan [1] X. D. Liu, Meixber. IEEE, S. Z. Xu, Z. D. Li, and H. D. Chiang, Fellow, IEEE “A New Methodology for Small-signal Stability Analysis of FACTS System” Bài viết này đưa ra một phương pháp mới để phân tích sự ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống điện với các thiết bị FACTS. Cơ sở phân tích của phương pháp là lý thuyết bản đồ Poincare và kỹ thuật phép lấy vi phân tự động cung cấp một phương pháp hiệu quả để dễ dàng mở rộng các phần mềm mô phỏng trong miền thời gian để có hàm phân tích giá trị riêng. Định thức Jacobian của các hệ thống phi tuyến trong thời gian khác nhau là số lượng tính thông qua phép vi phân tự động với độ chính xác cao, phương pháp tiếp cận này có thể giải các hệ thống quy mô lớn với các thiết bị điện tử công suất và nó được dùng để mô hình toàn bộ hệ thống. [2] Seung-Cheol Lee, Student Member, IEEE Jin-yi Kim, Student Member, IEEE, Jong-Hoon Lee, Student Member, IEEE Jung-Wook Lim, Student HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 3 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS Member, IEEE. Seung-11 Moon, Member, IEEE “Hybrid Linearization of a Power System with FACTS Devices for a Small Signal stability Study” Bài viết này đưa ra một phương pháp tuyến tính hóa một hệ thống điện với thiết bị FACTS ( Một thiết bị linh hoạt trong hệ thống truyền tải) Mô hình hệ thống điện được tuyến tính cung cấp kiến thức hữu ích, đó là cần thiết cho việc nghiên cứu sự ổn định tín hiệu nhỏ và thiết kế kiểm soát, nó tính toán nhiều hơn cho hệ thống điện lớn với nhiều thiết bị FACTS. Việc xác định trị số của hệ thống tuyến tính bằng cách sử dụng dữ liệu số đầu vào-đầu ra là rất linh hoạt. Trong bài báo này, một phương pháp đại số tuyến tính và kỹ thuật tuyến tính số được kết hợp được trình bày. Trong khi cả hai hệ thống điện và các thiết bị FACTS được tuyến tính riêng bằng cách sử dụng phương pháp đại số, các điều kiện tương tác giữa các hệ thống điện và các thiết bị FACTS được xác định bởi việc áp dụng kỹ thuật tối ưu hóa bậc hai. Đề xuất kỹ thuật tuyến tính hóa được kiểm tra trên hệ thống WSCC trong đó một TCSC (Thyristorkiểm soát (Tụ) được cài đặt. Sự phân tích giá trị riêng lẫn những kết quả mô phỏng trong miền thời gian xác minh rằng các phương pháp đề xuất có hiệu quả để xác định các mô hình tuyến tính của hệ thống điện với các thiết bị FACTS. [3] Yousin Tang, A. P. Sakis Meliopoulos Fellow “Power System Small Signal Stability Analysis with FACTS Elements” FACTS (hệ thống truyền dẫn AC linh hoạt) Những phần tử bao gồm những thiết bị chuyển mạch điện tử tần số thấp mà dẫn đến điện áp và những dạng sóng không sin. Phương pháp dựa trên giả định các dạng sóng hình sin không chính xác cho hệ thống với các phần tử FACTS, trong khi các phương pháp lấy trung bình làm việc tốt cho các hệ thống chuyển mạch tần số cao nhưng ít chính xác cho các hệ thống chuyển mạch với tần số thấp. Bài viết này trình bày một phương pháp chính xác hơn cho việc phân tích ổn định tín hiệu nhỏ của hệ thống với các phần tử FACTS và các phần tử phi tuyến. Phương pháp này bao gồm: (a) FACTS và mô hình thiết bị phi tuyến. (b) Phân tích trạng thái ổn định tuần hoàn hệ thống (c) Phân tích hệ thống giá trị riêng. HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 4 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS Phương pháp được so sánh với phương pháp lấy trung bình [4] IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions “Definition and Classification of Power System Stability” Vấn đề xác định và phân loại sự ổn định hệ thống điện đã được giải quyết bởi một số bài báo cáo của diễn đàn toàn c ầu ngành Công nghi ệp điê ̣n . (CIGRE) và IEEE Task Force trước đây. Những nỗ lực trước đó, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu, kinh nghiệm và sự hiểu biết của ngành công nghiệp hiện nay. Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và không phân loại tất cả các trường hợp bất ổn thực tế. Báo cáo này giải quyết các vấn đề định nghĩa ổn định và phân loại chúng trong hệ thống điện từ một quan điểm cơ bản và kiểm tra chặt chẽ các nhánh thực tế.. Báo cáo nhằm mục đích xác định sự ổn định hệ thống điện chính xác hơn, cung cấp một cách có hệ thống phân loại của nó, và thảo luận về mối liên hệ đến các vấn đề liên quan như độ tin cậy và an ninh hệ thống điện. [5] Xu Zheng Feng Zhouyan “A Novel Unified Approach For Analysis of SmallSignal Stability of Power Systems” Phân tích ổn định tín hiệu nhỏ thường là trong phạm vi tần số và bằng phương pháp phân tích giá trị riêng. Bài viết này đề xuất một phương pháp mới để phân tích sự ổn định tín hiệu nhỏ trong phạm vi thời gian, bao gồm cả dao động thấp tần số (LFO) và dao động đồng bộ (SSO). Đặc tính phương pháp phân tích giá trị riêng của ổn định tín hiệu nhỏ được xem xét và so sánh với các phương pháp hệ số mô-men phức hợp. Nó chỉ ra rằng các phương pháp hệ số mô-men phức hợp có điểm mạnh duy nhất khi sử dụng để phân tích các vấn đề về SSO là nguyên nhân được gây ra bởi HVDC hoặc các phần tử FACTS, phương pháp này được thực hiện bằng cách mô phỏng trong miền thời gian. Các khái niệm về tổng dẫn cơ được giới thiệu để phân tích các vấn đề LFO, và thực hiện nó bằng cách mô phỏng trong miền thời gian được thành lập vào bài báo. [6] Xiaoqing HAN, Nannan TIAN,Zhijing ZHENG “Small Signal Stability Analysis on Power System Considering Load Characteristics” Xem xét các vấn đề phổ biến của sự ổn định tín hiệu nhỏ trên hệ thống điện, đe dọa nghiêm trọng đến các hoạt động an toàn của hệ thống điện, sự khác biệt giữa kết quả tính toán và thực tế trong phân tích ổn định bằng cách chọn mô hình tải phù hợp, HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 5 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS do đó, ảnh hưởng của đặc tính tải về phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trên hệ thống điện đã trở thành một chủ đề nghiên cứu. Trong bài báo này, các khái niệm và phương pháp phân tích ổn định tín hiệu nhỏ được trình bày trước tiên, và do tầm quan trọng của việc phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trên các mô hình tải của hệ thống điện , hai loại mô hình tải được giới thiệu. Lấy một hệ thống điện đơn giản như đối tượng nghiên cứu, những ảnh hưởng của các đặc tính tải khác nhau và sự biến thiên một số thông số tải của động cơ cảm ứng theo chế độ hoạt động khác nhau được nghiên cứu. [7] Xu Zheng Feng Zhouyan “A Novel Unified Approach For Analysis of SmallSignal Stability of Power Systems” Phân tích ổn định tín hiệu nhỏ thường là trong phạm vi tần số và bằng phương pháp phân tích giá trị riêng. Bài viết này đề xuất một phương pháp mới để phân tích sự ổn định tín hiệu nhỏ trong phạm vi thời gian, bao gồm cả dao động thấp tần số (LFO) và dao động đồng bộ (SSO). Đặc tính phương pháp phân tích giá trị riêng của ổn định tín hiệu nhỏ được xem xét và so sánh với các phương pháp hệ số mô-men phức hợp. Nó chỉ ra rằng các phương pháp hệ số mô-men phức hợp có điểm mạnh duy nhất khi sử dụng để phân tích các vấn đề về SSO là nguyên nhân được gây ra bởi HVDC hoặc các phần tử FACTS, phương pháp này được thực hiện bằng cách mô phỏng trong miền thời gian. Các khái niệm về tổng dẫn cơ được giới thiệu để phân tích các vấn đề LFO, và thực hiện nó bằng cách mô phỏng trong miền thời gian được thành lập vào bài báo. [8]IEEE/CIGRE Joint Task Force on Stability Terms and Definitions “Definition and Classification of Power System Stability” Vấn đề xác định và phân loại sự ổn định hệ thống điện đã được giải quyết bởi một số bài báo cáo của diễn đàn toàn c ầu ngành Công nghi ệp điê ̣n . (CIGRE) và IEEE Task Force trước đây. Những nỗ lực trước đó, không hoàn toàn phản ánh nhu cầu, kinh nghiệm và sự hiểu biết của ngành công nghiệp hiện nay. Đặc biệt, các định nghĩa không chính xác và không phân loại tất cả các trường hợp bất ổn thực tế. Báo cáo này giải quyết các vấn đề định nghĩa ổn định và phân loại chúng trong hệ thống điện từ một quan điểm cơ bản và kiểm tra chặt chẽ các nhánh thực tế.. Báo cáo nhằm mục đích xác định sự ổn định hệ thống điện chính xác hơn, cung cấp một cách HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 6 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS có hệ thống phân loại của nó, và thảo luận về mối liên hệ đến các vấn đề liên quan như độ tin cậy và an ninh hệ thống điện. [9] Xiaoqing HAN, Nannan TIAN,Zhijing ZHENG “Small Signal Stability Analysis on Power System Considering Load Characteristics” Xem xét các vấn đề phổ biến của sự ổn định tín hiệu nhỏ trên hệ thống điện, đe dọa nghiêm trọng đến các hoạt động an toàn của hệ thống điện, sự khác biệt giữa kết quả tính toán và thực tế trong phân tích ổn định bằng cách chọn mô hình tải phù hợp, do đó, ảnh hưởng của đặc tính tải về phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trên hệ thống điện đã trở thành một chủ đề nghiên cứu. Trong bài báo này, các khái niệm và phương pháp phân tích ổn định tín hiệu nhỏ được trình bày trước tiên, và do tầm quan trọng của việc phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trên các mô hình tải của hệ thống điện, hai loại mô hình tải được giới thiệu. Lấy một hệ thống điện đơn giản như đối tượng nghiên cứu, những ảnh hưởng của các đặc tính tải khác nhau và sự biến thiên một số thông số tải của động cơ cảm ứng theo chế độ hoạt động khác nhau được nghiên cứu. [10] Mohammed Osman Hassan, S. J. Cheng, Senior Member, IEEE, Zakaria Anwar Zakaria“Steady-State Modeling of SVC and TCSC forPower Flow Analysis” Trong bài báo này của mô hình Thyristor bù tĩnh (SVC) và Thyristor kiểm soát dòng bù (TCSC) trạng thái ổn định cho các nghiên cứu dòng dòng công suất đã được đại diện và thảo luận chi tiết. Mô hình góc cho SVC đã được đề xuất để kiểm soát điện áp mà tại đó nó được kết nối. Mô hình cho TCSC được sử dụng để kiểm soát dòng công suất thực của được cài đặt. Để xác nhận tính hiệu quả của các mô hình đề xuất phương pháp thuật toán Newton-Raphson đã được phát triển để giải quyết phương trình dòng công suất trong sự hiện diện của SVC và TCSC. HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 7 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH TÍN HIỆU BÉ 2.1 Lịch sử hình thành của bài toán: Phân tích ổn định tín hiệu nhỏ trong hệ thống điện đã được công nhận là một vấn đề quan trọng đối với hoạt động an toàn của hệ thống điện kể từ những năm 1920 [4] . Nhiều sự cố mất điện lớn đã xảy ra bởi sự mất ổn định trong hệ thống điện. Sự bất ổn định thoáng qua chiếm tỷ trọng lớn trên hầu hết các hệ thống điện và có thể dẫn tới tan rã hệ thống điện, nó đã và đang là trọng tâm của nhiều sự chú ý trong ngành công nghiệp liên quan đến ổn định hệ thống. Điều này đã tạo ra một nhu cầu lớn về nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng ổn định tín hiệu nhỏ để có một sự hiểu biết rõ ràng hơn về các loại bất ổn khác nhau, và điều đó là rất cần thiết cho việc thiết kế và vận hành hệ thống điện tốt hơn . Trong bài toán phân tích ổn định tín hiệu nhỏ sử dụng phương pháp phân tích giá trị riêng với các bước thông thường là [4] : + Đầu tiên, phát triễn mô hình toán học tuyến tính của hệ thống điện. + Thành lập các ma trận đặc trưng + Giải quyết các giá trị riêng và các vectơ riêng của hệ thống tuyến tính + Cuối cùng là dựa vào các giá trị riêng để kết luận về tính ổn định của hệ thống. Phương pháp này đã gần như trở thành một phương pháp tiêu chuẩn. Thuật toán và chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện đã được nghiên cứu và xây dựng từ lâu. Tuy nhiên phần mềm có tính chất thương mại đòi hỏi phải có kinh phí để mua. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, các thiết bị bù điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh (SVC), thiết bị bù dọc (TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng. Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 8 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé có dùng thiết bị FACTS có tầm quan trọng rất lớn. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện. 2. 2 Các hạn chế trƣớc đây: Trong vấn đề phân tích ổn định tín hiệu bé với dao động tần số thấp (LFO) bằng cách sử dụng phương pháp phân tích giá trị riêng bỏ qua quá trình quá độ điện từ và trở kháng trong cuộn dây stator máy phát điện ở tần số đồng bộ, tính hợp lý của giả định được kiểm tra từ hai điểm [5]: + Hằng số thời gian nạp và xả của cuộn cảm và tụ điện trong mạng điện là nhỏ so với chu kỳ dao động của LFO vì vậy quá trình chuyển tiếp trong mạng có thể được bỏ qua. + Tần số của LFO thường là trong khoảng 0.1-1Hz cho dao động trong khu vực và 1-3Hz cho dao động địa phương. Dãy tần số được xem xét trong khoảng f 0= 0.1 ~ 3 Hz với f0 là tần số đồng bộ. Tuy nhiên, các giả định trên có thể không được chấp nhận trong vấn đề phân tích dao động đồng bộ (SSO) bằng cách sử dụng phương pháp phân tích giá trị riêng. Lý do là: + Các tần số của SSO là cao hơn nhiều so với LFO, vì vậy chu kỳ dao động của nó là ít hơn nhiều so với các LFO. Do đó, quá trình chuyển tiếp điện trong mạng không thể bỏ qua, do đó mạng sẽ được mô tả bằng phương trình vi phân. + Giá trị của dãi tần số trong mạng được xem xét là f 0 = fsub với fsub là tần số của dao động đồng bộ, nói cách khác dãy tần số được xem xét trong mạng là từ 0 ~ 2f 0 Trong nghiên cứu vấn đề dao động đồng bộ (SSO) do HVDC hoặc FACTS, các mô hình toán học cho HVDC và FACTS trở thành một thách thức lớn đối với phương pháp phân tích giá trị riêng của việc phân tích ổn tín hiệu nhỏ. Các mô hình trạng thái bán ổn định chỉ là một mô hình trung bình cho các thành phần cơ bản. Để các thành phần cơ bản trong mô hình trung bình này có thể được chấp nhận vì tần số chuyển đổi HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 9 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm Luận văn: Xây dựng chương trình phân tích ổn định tín hiệu bé của hệ thống điện có thiết bị FACTS tương đối cao trong các thiết bị HVDC và FACTS trong dao động đồng bộ, dãy tần số có thể được chấp nhận trong khoảng 0 ~ 2f0 , điều này có nghĩa là mô hình toán học nên có giá trị trong phạm vi tần số 0-2f0 nhưng trong thực tế các mô hình trạng thái gần như ổn định của HVDC và FACTS là tại fo 2.3 Cơ sở phát triển của bài toán Quá trình quá độ của HTĐ có các thiết bị FACTS khi chịu tác động của nhiễu có thể được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đại số [6]:  x  f ( x, u ) y  g ( x, u ) . (2.1) Trong đó: x là vecto biến trạng thái của hệ thống u là vecto biến trạng thái đầu vào của hệ thống y là vecto biến trạng thái đầu ra của hệ thống f là vecto hàm mô tả đặc tính động của hệ thống g là hàm mô tả mối quan hệ giữa các biến dòng điện và điện áp của hệ thống kể cả các thiết bị FACTS Trong phân tích ổn định tín hiệu nhỏ hệ (2.1) được tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc:  x  x   u (2.2) y  C x  D u HVTH: Huỳnh Tấn Phát MSHV:12820138 Trang 10 GVHD: TS. Nguyễn Văn Liêm