Điều khiển hệ thống điện: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Điều khiển hệ thống điện" phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm về tính ổn định của hệ thống điện; Sơ lược về ứng dụng các phương pháp toán nghiên cứu ổn định hệ thống điện; Cơ sở tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện và các đặc tính công suất;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Điều khiển hệ thống điện: Phần 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN Pgs. Pts LÃ VĂN ÚT PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC’ VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2000
6.6C2.11 41 -899- 11/11/99 KHKT-99
Lời nói đẩu Đã từ lâu tác giả của cuốn sách này mong muốn có được một tài liệu về ổn định hệ thống điện (HTĐ) với nội dung cơ bản và nâng cao, dùng làm sách giáo khoa cho sinh viên ngành điện các trường đại học, đồng thời có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các kỳ sư, các chuyên gia thiết kế vận hành hệ thống điện. Mong muốn này xuất phát từ chỗ các bài giảng về ổn định HTĐ trong nhà trường, do khuôn khổ số tiết học có hạn chỉ có thể trình bầy hết sức sơ lược. Trong khi đó nội dung của lĩnh vực này rất phong phú phức tạp, muốn ứng dụng được để giải quyết các bài toán thực tế cần phải đi sâu nghiên cứu thêm rất nhiều. Các tài liệu tham khảo (chù yếu của nước ngoài) lại quá tản mạn, rất khó sử dụng nếu chưa được trang bị đầy đủ kiêh thức cơ bản. về phương pháp luận phân tích ổn định HTĐ, tồn tại các trường phái lý thuyết khác nhau, phát triển liên tục qua các thời kỳ, cần phải chọn lọc khi áp dụng. Trong bối cảnh như vây một tài liệu bao hàm các nội dung cơ bản nhưng tổng quan và tương đối đầy đủ về phương pháp phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện sẽ giúp ích nhiều cho người đọc. Mặt khác, sự phát triển nhảy vọt về công suất và quy mồ lãnh thổ của hệ thống điện Việt Nam trong những năm qua đã làm tăng yêu cầu cấp thiết phải đi sâu nghiên cứu đặc tính ổn định. Các nội dung thiết kế vận hành đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc Trung Nam đã gắn liền với những tính toán phân tích có tính chất quyết định về phương diện ổn định hệ thống. Sự xuất hiện trong tương lai những nhà máy điện lớn (Thúy điện Sơn La, Trung tâm nhiệt điện Phú Mỹ ...) nối vào HTĐ bằng lưới 500 kv, dự án liên kết hệ thông điện Việt Nam với các nước trong khu vực đang đòi hỏi phải nghiên cứu sâu sắc tỉ mỉ hơn về phương diện ổn định hệ thống điện phức tạp. Cuốn sách này cũng nhằm đáp ứng phần nào yêu cẩu ứng dụng thực tế Sách được dùng làm tài liệu tham khảo chính cho môn học " Phân tích và điều khiển quá trình quá độ để đảm bảo ổn định HTĐ" đối với hệ Cao học ngành hệ thòng điện. Các nội dung nâng cao chủ yếu được đưa vào các chương về phương pháp phân tích ổn định HTĐ theo mô hình chi tiết, xét đến cấu trúc các bộ tự động điều chinh điều khiển, phương pháp điều khiển tô'ì ưu quá trình quá độ để đảm bảo ổn định. 3
Do xuất bản lần đầu một cuốn sách về một lĩnh vực phong phú và phức tạp, nên không tránh khổi còn nhiêu khiếm khuyết. Tác giả chân thành cảm ơn những nhân xét góp ý về nội dung cuốn sách để hoàn thiện hơn trong lần xuất bản sau. Thư từ góp ý xin gửi về cho tác giả tại Bộ môn Hệ Thống Điên, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, tel (04) 8692009, Email: lavanut@mail.hut.edu.vn. Tác giả 4
Chương Ị KHÁI NIỆM VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THốNG ĐIỆN 1,1 Giới hạn truyền tải còng suất của hệ thống điện xoay chiều ba pha Lịch sử phát minh và sử dụng điện năng được đánh dấu bằng những sự kiện rất đáng ghi nhớ, trong đó có việc phát minh ra hệ thống điện xoay chiều 3 pha (1883). Tải điện nàng đrxa bằng dòng điện xoay chiểu lần đầu tiên được thực hiện vào nãm 1884 (Pháp). Sau phát minh máy biến áp điện lực (1885), năm 1891 đường dây tải điện 3 pha lần đầu tiên được vận hành thử nghiệm ở khoảng cách 175 km. Từ đó lịch sử phát ưiển điện năng gắn liền với lịch sử hình thành và phát triển hê thống điện xoay chiều 3 pha công suất lớn: khoảng cách truyền tải điện ngày càng tăng, công suất đơn vị các tổ máy phát điện đổng bộ 3 pha ngày càng lớn, số tổ máy phát làm việc song song trong hê thông ngày càng nhiều. Chính những đặc điểm cuối cùng này đã dản đêh yêu cầu phát triển lý thuyết ổn định hê thống diện (HTĐ). Lúc đầu, việc truyền tải điện đi xa được thưc hiộn trực tiếp theo cấp điện áp máy phát. Công suất truyền tải bị giới hạn bởi các chỉ tiêu tổn thất. Khí khoảng cách truyền tải lớn (từ vài krri), tổn thất công suất và tổn thất điện áp tăng cao, khồng đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Với viêc phát minh máy biến áp diên lực vấn đề đã được giải quyết cơ bản. Đó là vì khi điên áp làm việc của đường dây nâng cao, tổn thất công suất giảm đi đáng kể (theo tỷ lệ bình phương của điên áp). Khi đó công suất truyền tải chỉ còn phụ thuộc giới hạn phát nóng dây dẫn và yêu cầu điều chỉnh điện áp cuối đường dây, Tuy nhiên, khi khoảng cách tải điện tăng lên nhiểu, đặc biệt việc xuất hiện các đ rờng dây tải điện dài liên kết các hệ thống thì tình hình có sự thay đổi: xuất hiện giới hạn công suất theo điều kiện đảm bảo ổn định hệ thống. Hãy xét sơ đổ đường dây liên kết 2 hệ thống như hình 1.1. Giả sử trong mỗi hê thống đêu có các biện pháp điều chỉnh giữ điện ẩp Ư), u2 không đổi. Gọi góc lệch 5
pha giữa U| và U2 là ỗ thì quan hệ giữa công suất truyền tải p trên đường dây với góc lệch ô có dạng I P(S) = (Ư.ƯAd) sin ô trong đó XD ký hiệu điện kháng tổng của đường dây truyền tải, bỏ qua điện trở và điện dung. Hình 1.1 Giới hạn truyền tải công suất tối đa : pm =IWXD Biểu thức của Pm cho thấy, giới hạn tối đa công suất truyền tải phụ thuộc điện kháng đường dây và trị số điện áp các nút - những thông số vốn có của hệ thống điện. Như vậy sự tồn tại công suất truyền tải giới hạn theo biểu thức Pni là một thuộc tính của hệ thống tải điện xoay chiểu 3 pha đối với mọi khoảng cách đường dây. Vấn đề là, trong các điều kiện cụ thể của hệ thông không phải lúc nào giới hạn cũng thể hiện ra là thồng số phải quan tâm. Khi chiều dài đường dây ngắn, điện ấp làm việc tương đối cao, giới hạn loại này chưa cần xét đến do Pm có trị số lớn (vượt xa giới hạn phát nóng và tổn thất điện áp). Với khoảng cách tải điện tương đối xa, XD lớn, giới hạn Pm trở thành quyết định. Trong trường hợp này, khi chế độ làm việc của máy phát thay đổi, hoặc do sự cố dẫn đến phân bố lại công suất, có thể xuất hiện khả nâng công suất truyền tải vượt quá giới hạn Pm. Khi đó HTĐ rơi vào trạng thái không giữ được cân bằng, các máy phát quay theo những tốc độ khác nhau (phụ thuộc tương quan mất cân bằng công suất). Nói cách khác HTĐ mất ổn định đồng bộ. Về ý nghĩa vật lý, trong chế độ làm việc bình thường tổn tại sự cân bẳng giữa công suất cơ PT cùa tua-bin và công suất điện từ P(6) của máy phát. Trạng thái cân bằng đảm bảo cho rôto máy phát chuyển động quay với tốc đô không đổi. Trong giới hạn nhất định ( khi PT < Pm) có thể điều chỉnh công suất phát bằng cách thay đổi PT (tăng giảm lượng hơi hoặc lượng nước đưa vào tua-bin). Khi đó phản ứng cùa hệ thống là thay đổi góc lệch s tương ứng để giữ cân bằng công suất PT = P(Ô). Nếu tăng mãi công suất PT cho đến khi PT > p,n thì phản ứng hộ thống không còn đảm bảo được cân bằng nữa, máy phát quay với tốc độ nhanh dần và rơi vào trạng thái mất đổng bộ. Như vậy đặc tính công suất P(Ô) có ý nghĩa quyết định giới hạn công 6
suất phát và truyền tải của hệ thống theo điêu kiện ổn định. Giới hạn ổn định là một trong những điêu kiện cần để tồn tại chế độ xác lập hệ thống. Cũng cần nói thêm rằng, giới hạn truyền tải tồn tại cả đối với công suất phản kháng. Trong trường hợp đang xét, cồng suất phản kháng truyền tải từ Ưị đến u2 (tính tại điểm nút U]): Q(ô) = Ur/XD - (UjUVXd) cos s Với HTĐ phức tạp, nhiều máy phát (n máy) làm việc song song, coi sức điện động (sđđ) các máy phát không đổi, có thể viết: n pi =E?yii sihitji+^EiEjyijSÌn(ôi -Sj-ctij) Ị=Ị Qi = E?ya cosa„ -jEjEjyjCosiSj -8j -Oijl j*> trong đó Yjj = Yij z otij - 90° là tổng dẫn tương hỗ giữa nút máy phát i và máy phát j. Biểu thức cho phép xác định công suất tác dụng và phản kháng phụ thuộc các góc lộch ỗ (biểu thức đặc tính công suất). Biểu thức cũng cho thấy tồn tại các trị số giới hạn của Pị và Qi- Khi xét đến đặc điểm của các máy phát điên cực lồi, ảnh hưởng của tự động điều chỉnh kích từ làm biến thiên các sđđ Ej, biểu thức đặc tính công suất sẽ phức tạp hơn. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp sự tồn tại giới hạn truyền tải công suất vẫn được thể hiện như một đặc trưng bất biến của hệ thống điện xoay chiều 3 pha. Hơn nữa khi công suất vượt quá các giới hạn này trạng thái làm việc cân bằng và ổn định hệ thống sẽ không còn được đảm bảo. 1.2 Các chế độ của hệ thống điện. Khái niệm về ổn định Các chế độ làm việc của HTĐ được chia ra làm 2 loại chính: chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ). Che độ xác lập là chế độ trong đó cậc thông số hệ thống không thay đổi, hoặc trong những khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức. Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của HTĐ thuộc về CĐXL (còn gọi là CĐXL bình thường). Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về CĐXL (còn gọi là CĐXL sau sự cố), ở các CĐXL sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chóng khắc phục. Ngoài CĐXL còn diễn ra các CĐQĐ trong HTĐ. Đó là các chế độ trung gian chuyển từ CĐXL này sang CĐXL khác. CĐQĐ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất (những kích động lớn). 7
CĐQĐ được gọi là CĐQĐ bình thường nếu nó tiến đêh CĐXL mới. Trong trường hợp này các thông số hộ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi. Ngược lại, có thể diễn ra CĐQĐ với thông sô' hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0. CĐQĐ khi đó được gọi là CĐQĐ sự cố. Nói chung, với mọi HTĐ yêu cầu nhất thiết là phải đảm bảo cho các CĐQĐ diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang CĐXL mới, bởi CĐQĐ chỉ có thể là tạm thời, CĐXL mới là chế độ cơ bản làm việc của HTĐ. Từ khái niệm về các chế độ của HTĐ có thế thấy rằng điều kiên tồn tại CĐXL gắn liền với sự tồn tại điểm cân bằng công $uất. Bởi chỉ khi đó thông số hệ thống mới giữ được không đổi (nói riêng, các máy phát có thể duy trì được tốc độ quay đông bộ). Tuy nhiên, trạng thái cân bằng chỉ là điều kiện cần (chưa đủ) của CĐXL. Thực tế luôn tồn tại những kích động ngẫu nhiên làm lệch thông số khỏi điểm cân bằng (tuy rất nhỏ), chẳng hạn những thay đổi thường xuyên của công suất phụ tải. Chính trong điều kiện này hệ thống vẫn phải duy trì được độ lệch nhỏ của các thông số, nghĩa là đảm bảo tồn tại CĐXL. Khả năng này phụ thuộc vào một tính chất riêng của hệ thống: tính ổn định tĩnh. Để có khái niệm rõ hơn về tính ổn định tĩnh, hãy trở lại xem xét trạng thái cân bằng công suất máy phát. Hình 1.2 b vẽ đăc tính công suất điên từ của máy phát và đặc tính công suất cơ của tua-bin đối với HTĐ đơn giản trên hình 1.2 a. Công suất tua-bin được coi là không đổi, còn công suất máy phát có dạng: EU P(Ô) =-ụ—-sinS - Pm sinô (1-1) trong đó : XH = Xp + Xjj+Xd/2. Tồn tại 2 điểm cân bằng a và b ứng với các trị sô' góc lệch 5ol và So2: Ỗo1 = arcsin (PT/Pm); ỗo2 = 180° - arcsin (PT/Pm) Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên CĐXL. Thật vây, giả thiết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc ô khỏi giá trị Ô01 một lượng A8 > 0 (sau đó kích động ưiột tiêu). Khi đó theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới công suất điện từ (hãm) P(Ô) lớn hơn công suất cơ (phát động) PT, do đó máy phát quay chậm lại, góc lệch 8 giảm đi, trở về giá trị ôot. Khi A8 < 0 hiên tượng diễn ra theo tương quan ngược lại PT > P(ô), máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch 6 tăng, cũng trở vế ôol. Điểm a như vây được coi là có tính chất cân bằng bển, hay nói khác đi có tính ổn định tĩnh. Xét điểm cân bằng b với giả thiết Aô > 0, tương quan công suất sau kích động sẽ là PT > P(8), làm góc 8 tiếp tục tăng lên, xa dần trị sô' ỗo2. Nếu A8 < 0 tương quan công suất ngược lại làm giảm góc 8, nhưng cũng lại làm lệch xa hơn trạng thái cân bằng. Như vậy tại điểm cân bằng h, dù chỉ tồn tại một kích đông nhỏ (sau đó kích 8
động triệt tiêu) thông sô' hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị số ban đầu. Vì thế điểm cân bằng h bị coi là không ổn định. Cũng vì những ý nghĩa trên ổn định tĩnh còn được gọi là ổn định với kích động bé (Small Sign Stability), hay ổn định điểm cân bằng. Hình 1.2 Nếu xét nút phụ tải và tương quan cân bằng công suất phản kháng ta cũng có tính chất tương tự. Chẳng hạn, xét HTĐ hình 1.3. Nút tải được cung cấp từ những nguồn phát xa. Đặc tính công suất phản kháng nhận được từ các đường dây về đến nút u có dạng : Qi(Ư) = - U2/XDi + (UEi/ XDi) cos ô, (1-2) Điện áp nút Ư phụ thuộc tương quan cân bằng công suất phản kháng. Tổng công suất phát Qf(U) = SQi(U) cân bằng với công suất tải Qt tại các điểm c và d như trên hình 1.3 b, ứng vối các điện áp Uol và Uo2- Nếu giữ được cân bằng công suất điện áp nút u sẽ khồng đổi, còn nếu QF > Q, điện áp nút tăng lên, khi QF < Qị điện áp nút u giảm xuống (thể hiện đặc tính vật lý của nút tải, chứa các động cơ). Phân tích tương tự như trường hợp công suất tác dụng của máy phát, dễ thấy được chỉ có điểm cân bằng d là ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu nhiên điện áp u sẽ xa dần trị số UO| nghĩa là điểm cân bằng c không ổn định. 9
Hình 1.3 Để đưa ra khái niệm về Ổn định động hãy xét các đặc trưng quá trình quá độ (QTQĐ) diễn ra trong hệ thống sau những kích động lớn, chẳng hạn với hệ thống điện trên hình 1.2, một trong 2 đường dây đột ngột bị cắt ra. Hình 1.4 10
Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị hệ thống XH tăng lên đột rigột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường cong 2). Điểm cân bằng mà hê thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là S'O1 (điểm cân bằng ổn định tĩnh). Tuy nhiên chuyển từ 80| sang 8’oi là QTQĐ, diễn ra theo đặc tính động của hệ thống. Quá trình có thể chuyển thành CĐXL tại 8'01 hoặc không, phụ thuộc tính chất hệ thống và mức độ kích động. Tại thời điểm đầu, do quán tính của roto máy phát, góc lệch s chưa kịp thay đổi. Công suất điện từ PT > P(8) làm máy phát quay nhanh lên, góc s tăng dần. Đến thời điểm góc lệch bằng Ỗ'O1 thì tương quan công suất trở nên cân bằng. Tuy vậy góc lệch 8 vân tiếp tục tăng do quán tính. Thực chất của quá trình chuyển động quán tính này là động năng tích luỹ trong roto được chuyển hoá thành công thắng momen hãm. Đến thời điểm góc lệch bằng 8max (xem hình 1.4 a) động năng bị giải phóng hoàn toàn, góc lệch 8 không tăng được nữa - thời điểm góc lệch 8 cực đại. Sau thời điểm này, không còn động năng, mà P(8) > PT (mômen hãm lớn hơn 'momen phát động), do đó roto quay chậm lại, góc 8 giảm. Tiếp tục phân tích ta nhận được quá trinh dao động của góc lệch 8. Nếu kể đến mômen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng 8'0| của chế độ xác lập mới. Theo định nghĩa CĐQĐ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động. Cũng với hệ thống trên nhưng xét trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỉ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị hệ thống (khi đường dây dài). Đặc tính công suất sau khi cắt một trong hai đường dây sẽ hạ xuống thấp hơn, như trên hình 1.4 b. Trong trường hợp này khi góc lệch 8 tăng nó không dừng lại ở trị số 8max trước khi đến điểm S'O2. Đó là vì công hãm (tỉ lệ với phần diên tích giới hạn bởi đường cong 2 nằm trên đường đặc tính công suất tuabin PT) nhỏ hơn động năng tích Juỹ trước đó của roto máy phát (tỉ lê với diện tích gạch chéo nằm dưới PT). Sau khi vượt qua 8'02 tương quan công suất lại đổi chiều PT > P(8) nên góc lệch 8 tiếp tục tăng. Dễ thấy tương quan công suất PT > P(8) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số 8 vượt quá 2k, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay của máy phát. Hơn thế nữa quá trình tiếp tục tích luỹ động năng vào roto, lên trị số rất lớn (tỉ lệ với diện tích gạch chéo nằm dưới PT). Động năng này làm góc 8 tăng trưởng vô hạn. Hệ thống mất ổn định động. Có thể xét tương tự cho QTQĐ diễn ra trong HTĐ thuộc sơ đồ hình 1.3 khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát. Trong trường hợp này đặc tính công suất phát phản kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp u sẽ dao động tắt dần về điểm cân bằng mới hoặc tiến đến 0 phụ thuộc vào tính nặng nề của sự cố - cắt nhiều hay ít công suất của máy phát (xem hình 1.3). Từ các ví dụ trên cũng còn nhân thấy rằng sau những biến động sự cố có thể không tồn tại cả điểm cân bằng trạng thái hộ thống. Chẳng hạn đặc tính công suất phát Qf bị giảm xuống quá thấp (đường cong 3 trên hình 1.3), không cắt đặc tính Qt. Trong các trường hợp như vậy hiển nhiên QTQĐ không ổn định vì không có 11
điểrii cân bằng. Nói khác đi sự tồn tại CĐXL sau sự cố là điều kiện cần để hê thống có ổn định động. Người ta thường sử dụng các định nghĩa ổn định như sau đối với HTĐ [1 ]: Ôn định tĩnh là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gẩn với chế độ ban đầu (trong trường hợp kích động không được loại trừ). Ôn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hổi được trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu (trạng thái vân hành cho phép). Cần nói thêm rằng trong các tài liệu nước ngoài (Tây Âu) người ta sử dụng những khái niệm về ổn định không hoàn toàn tương đương với các định nghĩa trên. Ví dụ Steady-state Stability, Small sign Stability tương đương vói ổn định tĩnh, nhưng Transient Stability được hiểu là ổn định QTQĐ ngắn (vài giây) còn Dynamic Stability - ổn định QTQĐ dài. Ôn định đông trong tài liệu này theo cách định nghĩa nêu trên gắn liền với khả năng giữ trạng thái làm việc đồng bộ các máy phát nên còn được gọi là ổn định đổng bộ hệ thôhg. Có khả năng hệ thống trở lại làm việc đổng bô sau một vài chu kỳ mất đồng bộ của máy phát. Khi đó vẫn được coi là hệ thống ổn định động. Đôi khi để phân biệt người ta gọi là ổn định tái hợp (hay ổn định kết quả). 1.3 Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu dảm bảo ổn định của HTĐ Khi hệ thống rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống: Các máy phát làm việc ở trạng thái không đổng bộ, cần phải cắt ra, mất những lượng công suất lớn. Tần sô' hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ. Điên áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải. Hậu quả kéo theo: Bảo vệ rơle tác động nhầm cắt thêm nhiều phần tử đang làm việc. Cắt nối tiếp các nguồn (máy phát), các phụ tải từng khu vực lớn, có thể dẫn đến trạng thái tan rã hệ thống. Quá trình này có thể làm ngừng cung cấp điện, trong những thời gian dài vì cần khôi phục dần lại hoạt động đồng bộ các máy phát. Trong những năm 70 của thế kỷ này (XX) đã từng xẩy ra liên tiếp những sự cố lớn do mất ổn định hệ thống (Mỹ, Pháp, Đức, ...). Một ví dụ là sự cố do mất ổn định HTĐ tại Mỹ tháng 7-1977 đã làm 12
mất điện thành phố Niu-yoc 10 triệu dân trong hàng chục giờ liền. Hệ thống bị tan rã, khôi phục lại được hoàn toàn phải sau 24 giờ. Sự cố mất ổn định HTĐ Pháp tháng 12-1978 dẫn đến tách hệ thống làm 5 phần, cắt 65 tổ máy phát lớn và làm ngừng cung cấp điện ở nhiều khu vực quan trọng. Do hậu quả rất nghiêm trọng của sự cố mất ổn định, khi thiết kế và vận hành HTĐ cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định: 1. Hệ thống cần có ổn định tĩnh trong mọi tình huống vận hành bình thường và sau sự cố. 2. Cần có độ dự trữ ổn định tĩnh cần thiết để HTĐ có thể làm việc bình thường với những biến động thường xuyên các thông số chế độ. 3. Hệ thống cần đảm bảo ổn định động trong mọi tình huống thao tác vân hành và kích động của sự cố. Trong điều kiện sự cố để giữ ổn định động có thể áp dụng các biện pháp điều chỉnh điều khiển (kể cả các biện pháp thay đổi cấu trúc hệ thống, cắt một số ít các phần tử không quan trọng). Các yêu cầu trên chính là những điều kiện tối thiếu để duy trì quá trình sản suất và truyền tải điện năng đối HTĐ. Ngoài ra, còn hàng loạt những chỉ tiêu mang ý nghĩa chất lượng cần đảm bảo. Chẳng hạn giới hạn độ lệch tối đa dao động thông số trong quá trình quá độ, thời gian tồn tại quá trình quá độ diễn ra đủ ngắn ... 1.4 Vài nét về đặc điểm phát triển phương pháp nghiên cứu ổn định HTĐ Lý thuyết và phương pháp nghiên cứu ổn định HTĐ đã có một lịch sử phát .triển tương đối dài, có thể tính từ những năm 20 của thế kỷ này (XX). Năm 1928 nhà bác học Mỹ R.Park lần đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu ổn định HTĐ dừa trên cơ sở thiết lập hệ phương trình vi phân QTQĐ điện cơ của các máy điên đồng bộ trong hệ toạ độ quay. Gần như đồng thời với Park, một loạt các công trình công bố độc lập của A.A. Goriev (Nga) trong những năm 1930 4- .1935 về mô hình QTQĐ trong các máy điện quay đã làm phát triển lý thuyết nghiên cứu ổn định của HTĐ thêm một bước (sau này hệ phương trình được gọi tên là Park-Goriev). Mô hình QTQĐ của HTĐ trong hê toạ độ quay đã làm đơn giản đáng kể hệ phương trình vi phân mô tả trạng thái quá độ của hệ thống điện. Dựa trên cơ sở đó các phương pháp toán về ổn định hệ thống (nói chung) đã được nghiên cứu áp dụng cho HTĐ. Trước hết phải kể đến các phương pháp dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng (còn gọi là tiêu chuẩn năng lượng). Một phần ý tưởng của phương pháp đã được thể hiện trong các phần khái niệm nêu trên. Phương pháp khá đơn giản, nhận được kết quả đúng và dễ áp dụng trong nhiều trường hợp. Tuy nhiên các phương pháp khác sau đó đã chỉ ra rằng, khái niệm ổn định theo ý nghĩa cân bằng năng lượng là không đầy đủ, không phát.hiện được các hiện tượng mất ổn định do dao 13
động quán tính Hơn nữa phương pháp cân bằng năng lượng không có cơ sở chặt chẽ về phương pháp để áp dụng đối với HTĐ phức tạp. Tiếp đến là các phương pháp toán nghiên cứu ổn định đối với các hệ vật lý nói chung của A. M. Lyapunov được phát triển và áp dụng cho HTĐ, đặc biệt là phương pháp dao động bé. Chính GorieV trong các công trình của mình đã chỉ ra các cách nghiên cứu ổn định HTĐ theo Lyapunov (các HTĐ đơn giản), p.s. Gidanov đã có những nghiên cứu khá sâu sắc phương pháp dao động bé đối với ổn định HTĐ đơn giản cũng như phức tạp. Ong đã chứng minh được rằng sử dụng tiêu chuẩn dấu dương của sô' hạng tự do phương trình đặc trưng của hệ phương trình vi phân QTQĐ có thể phát hiên được hầu hết các trường hợp mất ổn định HTĐ (còn gọi là tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ). Dựa trên tiêu chuẩn này những cách tính toán phân tích ổn định tĩnh cho HTĐ phức tạp dạng chung đã được xây dựng. (Vẫn được áp dụng phổ biến hiện nay trong các chương trình phân tích chế độ hệ thống). Tiêu chuẩn còn đặc biệt tiện lợi khi tìm các thông số giới hạn chế độ theo điều kiện ổn định tĩnh. Dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ I. M. Markovíts cũng đã chứng minh bản chất của các tiêu chuẩn cân bằng năng lượng: chúng chính là các trường hợp riêng đảm bảo ổn định phi chu kỳ. Nhờ các tiêu chuẩn riêng này (còn được gọi là các tiêu chuẩn thực dụng) có thể đánh giá nhanh được mức độ ổn định củạ các HTĐ cụ thể đang vận hành. Vấn để là ở chỗ, trong những điều kiện cụ thể luôn tồn tại một hay một vài tiêu chuẩn (dạng đạo hàm dP/d8, dQ/dU, dE/dU...) dễ bị vi phạm nhất. Trong vận hành nếu quan sát thấy những tiêu chuẩn này còn ở xa giới hạn thì hệ thống làm việc có độ tin cậy ổn định cao. Trong trường hợp ngược lại cần phải có các biện pháp xử lý. Hạn chế chủ yếu của tiêu chuẩn ổn định phi chu kỳ (bao hàm cả các tiêu chuẩn năng lượng) là không áp dụng được khi xét đến hiệu quả của các thiết bị tự động điều chỉnh, điều khiển. Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp và tần sô trang bị trong các máy phát, máy bù đồng bộ có cấu trúc phức tạp, làm việc có quán tính, không thể bỏ qua hiện tượng mất ổn định dạng chu kỳ (dao động). Để phân tích ổn định HTĐ có điều chỉnh cần dựa trên các tiêu chuẩn đầy đủ, xét đến mọi hệ số của phương trình đặc trưng (các tiêu chuẩn đại số, tiêu chuẩn tần số...) . Hàng loạt các công trình của các nhà bác học Nga sau đó (đặc biệt từ sau năm 1950) đã .đi sâu nghiên cứu ổn định hệ thống theo hướng này. Kết quả nghiên cứu của các chuyên gia xô-viết đã dẫn đến việc đề xuất thiết bị tự động điều chỉnh kích từ tác đông mạnh của các máy phát, cho phép nâng cao dáng kể giới hạn ổn định tĩnh hệ thống. Tồn tại những nguyên tắc cơ bản để tổng hợp cấu trúc thiết bị tự đông điều chỉnh kích từ đảm bảo chất lượng điều chinh điện áp rất cao trong khi vẫn giữ được tính ổn định, không dao động của các khâu quán tính. Một số tác giả phương Tây cũng đi theo hướng nghiên cứu này và đề xuất những cấu trúc cụ thể của các bộ ổn định hệ thông (PSS - Power System Stabilizer). Nhược điểm chủ yếu của việc nghiên cứu ổn định HTĐ theo mô hình đầy đủ là ở tính phức tạp về phương pháp và khó khăn khi tính toán. Chính vì vậy, đối với HTĐ phức tạp có điều chỉnh người ta cũng tìm tòi áp dụng những phương pháp 14
khác nhau không dựạ trực tiếp vào phân tích phương trình đặc trưng (còn gọi là các phương pháp chất lượng), chẳng hạn phương pháp thứ hai (còn gọi là phương pháp trực tiếp) của Lyapunov, phương pháp hàm năng lượng... Tuy nhiên, hiệu quả ứng dụng của các phương pháp này cho đến nay vẫn còn rất hạn chế. Bên cạnh các bài toán phân tích, bài toán điều khiển (tổng hợp) QTQĐ để nâng cao ổn định HTĐ cũng được nghiên cứu. Các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp tác động mạnh (trường phái Nga) và các bộ ổn định hệ thống (PSS) của các tác giả phương Tây là những ví dụ về điều khiển nâng cao giới hạn ổn định tĩnh. Điều khiển QTQĐ điện cơ khi xảy ra các kích động lớn thông qua các thiết bị tự động điểu chỉnh điên áp và tần số, các thiết bị tự động chống sự cố làm việc thông minh... đang là những đề tài được quan tâm nhiều trong lĩnh vực nghiên cứu ổn định hộ thông. 15
Chương 2 SO LƯỢC VỀ ÚNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TOÁN NGHIÊN cúu ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN Trước khi đi sâu nghiên cứu cụ thể các bài toán về ổn định HTĐ cần nhắc đến một số vấn đề chung trong lý thuyết nghiên cứu ổn định, vấn đề áp dụng và phát triển các phương pháp này đối với HTĐ. Trong phần trên, khi đưa ra khái niệm ban đầu vê tính ổn định cho HIT) đã phân biệt 2 loại: ổn định tĩnh và ổn định động. Ôn định tĩnh được mô tả như một tính chất của trạng thái cân bằng. Trạng thái cân bằng ổn định tĩnh nếu ở đó hệ thống có khả năng duy trì độ lệch nhỏ của các thông số dưới tác động của những kích động ngẫu nhiên, trị số bé. Còn ổn định động gắn liền với những kích động lớn làm mất cân bằng công suất đáng kể. QTQĐ diễn ra đối với một kích động lớn cụ thể nào đó được coi là ổn định nếu tắt dần đến một CĐXL mới. HTĐ khi đó được gọi là có ổn định động. Các khái niệm tương tự về ổn định đối với các hệ thống vật lý nói chung cũng đã được nghiên cứu từ rất sớm. Tổn tại những định nghĩa theo toán học và các tiêu chuẩn đánh giá khác nhau xem hệ thống có ổn định hay không. Hãy xét sơ lược một vài định nghĩa và tiêu chuẩn đã được vận dụng để nghiên cứu ổn định của HTĐ như đã giới thiệu trong chương 1. 2.1 Khái niệm cổ điển về ổn định tĩnh, tiêu chuẩn nănq lượng Trước hết phải kể đến định nghĩa và tiêu chuẩn đánh giá ổn định dựa trên khái niệm cân bằng năng lượng (lý thuyết ổn định cổ điển). Hoạt động của một hệ thống vật lý bất kỳ đểu có thể mô tả như một quá trình trao đổi năng lượng giữa nguổn phát và nơi tiêu thụ. Chê' độ xác lập tương ứng với quá trình dừng, diễn ra khi năng lượng nguồn phát và năng lượng tiêu thụ cân bằng. Thông số trạng thái hệ thống ở CĐXL là hoàn toàn xác định (nếu không xét đến những kích động ngẫu nhiên), khi đó quá trình trao đổi năng lượng sẽ không thay đổi. Ngược lại, khi có những kích động làm lệch thông số, sẽ diễn ra biến động cả năng lượng nguồn và năng lượng 16
tiệu thụ. Khái niêm ổn định cổ điển cho rằng, nếu biến động làm cho nâng lượng phát của nguổn lớn hơn năng lượng tiêu thụ tính theo hướng lệch xa thêm thông số thì hệ thống không ổn định. Đó là vì năng lượng thừa làm hê thống chuyển động không ngừng về một hướng dẫn đến thông sô' lệch vô hạn khỏi trị sô' ban đầu. Trường hợp ngược lại hê thống nhanh chóng trở về vị trí cân bằng với thê' năng nhỏ nhất - hệ thống sẽ ổn định, vế toán học, có thể mô tả điều kiên ổn định hê thống theo tiêu chuẩn năng lượng như sau. Trạng thái cân bằng củà hê thống ổn định nếu: ‘ AW/AII
Với HTĐ trên, hình 1.3.tiêu chuẩn năng lượng có thể viết theo lượng không cân bằng công suất phản kháng và biến thiên diện áp nút tảị: > . ■ - . V. ... . AU du trong đó: AQ = SAQF - AQ(. Dựa vào dạng đường cong đặc tính công suất như trên hình 1.3 có thể kết luận được: điểm d ổn định vì có dQ/dU 0. Xét với đặc tính công suất tải Q( = const, có thể viết biểu thức giải tích của tiêu chuẩn ổn định (xem biểu thức 1.2): dQ d(SQF) 2U' =Ẹ ——cosỗ:
sao cho: khi I - aj I < s thì cũng có I Xj(t) - a, I < e với mọi i và t. Ở đây có thể hiểu - a, là những kích động ban đầu (lệch khỏi vị trí cân bằng). Định nghĩa tuy có tính chất hình thức nhưng ý nghĩa vật lý khá rõ ràng. Một hê thống vật lý được xem là Ổn định nếu dưới tác động củà những kích động ngẫu nhiên nhỏ, thông sô' bị lệch khỏi điểm cân bằng sẽ không tự chuyển động ra xa vô hạn. Hệ thống bị coi là mất ổn định trong trường hợp ngược lại cho dù kích động được giả thiết là nhỏ tuỳ ý. Do cách định nghĩa này, tính ổn định của điểm cân bằng hệ thông theo Lyapunov còn được gọi là ổn định dao động bé. Hình 2.1 Khi kích động lớn hữu hạn tjù hệ thống có thể ổn định hoặc không ổn định (quỹ đạo chuyển động hữu hạn hay ra xa vô hạn) tuỳ Ịhuộc không những vào đặc tính hê thống mà cả vào độ lớn của kích động. Hê thống ổn định với những kích động bé có thể không ổn định với kích động lớn. Cũng có hệ thống ổn định được với cả các kích động có đô lớn bất kỳ. Khi nghiên cứu cấc hệ thống khác nhau khái niệm ổn định theo kích động cũng rất được quan tâm. Ôn định đông HTĐ cũng thuộc vê khái niệm ổn định theo độ lớn của kích động. Chính trong định nghĩa ổn định của Lyapunov nêu trên cũng đã bao hàm cả tính hữu hạn càa kích động. Nếu hê thống ổn định tĩnh thì nó còn có thể ổn định với một tập kích động nào đó I - (Xj I hữu han, ít nhất là trong miến I £i - ơi I < 5. Tập hợp các điểm ứng với giá trị T| = 1- dị í đảm bảo quỹ đạo nằm trong miền £ hữu hạn tạo thạnh môt miền độ lệch cho phép mà hệ thống có ổn định (hình 2.1 b). Đó chính là miến giới hạn ổn định của hệ thống với những kích động lớn. Ôn định động HTĐ có thể được nghiên cứu trên cơ sở khái niệm này của Lyapunov. Hẵy xét lại ví dụ vế ổn định động HTĐ đơn giản trong chương 1. ở CĐXL trước sự òố, máỹ phát làm việc với 2 đường dây, đặc tính công suất: 19