Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của hệ thống điện

- Trần Văn Thắng Nghiên cứu điều khiển máy cắt điện để tăng tính ổn định động của Hệ thống điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn: TS.
- Tác giả luận văn Trần Văn Thắng 2 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo bộ môn Hệ Thống Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tậm tình giảng dạy và dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình rèn luyện và học tập tại trường.
- Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng 10 năm 2010 Tác giả Trần Văn Thắng 3 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN .
- Chế độ của hệ thống điện .
- Hậu quả sự cố mất ổn định và yêu cầu đảm bảo ổn định của HTĐ .
- Các biện pháp nâng cao ổn định động HTĐ .
- Đóng trở lại đường dây có ngắn mạch thoáng qua.
- Điều khiển dung lượng bù dọc và bù ngang của các đường dây tải điện.
- Các phương pháp nghiên cứu ổn định động .
- 26 Kết luận Chương 2 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ THỒNG ĐIỆN .
- Thuật toán .
- 38 Kết luận Chương 3 GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS /E .
- Mô phỏng các phần tử chính trong hệ thống điện .
- Tính chế độ xác lập.
- 49 3.4.4 Phân tích ổn định động.
- 50 Kết luận Chương 4 NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY CẮT ĐIỆN ĐỂ NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PSS/E Thông số hệ thống điện .
- Sơ đồ hệ thống điện .
- Chế độ xác lập Tính toán ổn định động .
- Mô hình và số liệu tính toán ổn định động trong PSS/E.
- 67 Kết luận KẾT LUẬN CHUNG TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU TT Chữ viết tắt Ý nghĩa của cụm từ viết tắt 1 MBA Máy biến áp 2 HTĐ Hệ thống điện 3 CĐXL Chế độ xác lập 4 QTQĐ Quá trình quá độ 5 TĐK Tự động điều chỉnh kích từ 6 TĐT Tự động điều chỉnh tốc độ quay tuabin 7 COI Trung tâm dao động điện 8 PSS/E Power System Simulation / Engineering 6 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU TT Tên bảng Trang 1 Bảng 4.1 Thông số máy phát 53 2 Bảng 4.2 Thông số máy biến áp 54 3 Bảng 4.3 Thông số đường dây 54 4 Bảng 4.4 Thông số tải 55 5 Bảng 4.5 Kết quả tính toán tại nút 2 56 6 Bảng 4.6 Kết quả tính toán tại nút 3 57 7 Bảng 4.7 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 1 57 8 Bảng 4.8 Kết quả tính toán tại nút máy phát hệ thống 2 57 9 Bảng 4.9 Dữ liệu máy phát thủy điện 59 10 Bảng 4.10 Tự động kích từ máy phát thủy điện 59 11 Bảng 4.11 Điều tốc máy phát thủy điện 59 12 Bảng 4.12 Thông số máy phát tuabin hơi 59 13 Bảng 4.13 Tự động kích từ máy phát nhiệt điện 59 14 Bảng 4.14 Điều tốc máy phát nhiệt điện 60 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Tên hình Trang 1 Hình 2.1 Hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống điện con 31 2 Hình 2.2 Đồ thị góc lệch δ giữa các vecto điện áp hai hệ thống 31 3 Hình 2.3 Đặc tính điện áp trên đường dây truyền tải theo góc δ 32 4 Hình 2.4 Đặc tính công cuất tác dụng theo góc δ 32 5 Hình 2.5 Hệ thống điên đơn giảngồm 2 nhà máy làm việc song song được liên kết bởi 2 lộ đường dây 33 6 Hình 2.6 Mối quan hệ giữa công suất (PT) và góc (δ) của hệ thống 35 7 Hình 3.1 Mô phỏng nút trong chương trình PSS/E 42 8 Hình 3.2 Mô phỏng nút phụ tải trong chương trình PSS/E 43 9 Hình 3.3 Mô phỏng nút máy phát trong chương trình PSS/E 43 10 Hình 3.4 Mô phỏng nhánh trong chương trình PSS/E 44 11 Hình 3.5 Mô phỏng đường dây trong chương trình PSS/E 44 12 Hình 3.6 Mô phỏng máy biến áp hai cuộn dây trong chương trình PSS/E 45 13 Hình 3.7 Mô phỏng máy biến áp ba cuộn dây trong chương trình PSS/E 46 14 Hình 3.8 Sơ đồ tính toán các bước không gian trạng thái 50 15 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống điện 52 16 Hình 4.2 Sơ đồ hệ thống điện rút gọn 55 17 Hình 4.3 Sơ đồ thay thế hệ thống điện 56 18 Hình 4.4 Đường đặc tính công suất trên hai đường dây sau khi cắt D1 (tnm=0,25s) 61 8 19 Hình 4.5 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1 (tnm=0,25s) 62 20 Hình 4.6 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,25s) 63 21 Hình 4.7 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây sau khi cắt D1 (tnm=0,32s) 64 22 Hình 4.8 Đặc tính góc của hai nhà máy sau khi cắt D1 (tnm=0,32s) 65 23 Hình 4.9 Điện áp tại nút 2 sau khi cắt D1 (tnm=0,32s) 66 24 Hình 4.10 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0 (tnm=0,25s) 68 25 Hình 4.11 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,44s (tnm=0,25s) 69 26 Hình 4.12 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,44s (tnm=0,25s) 70 27 Hình 4.13 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi cắt D2 (tnm=0,25s) 72 28 Hình 4.14 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ thống (tnm=0,25s) 73 29 Hình 4.15 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường dây D2 (tnm=0,25s) 74 30 Hình 4.16 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại đường dây D2 (tnm=0,25s) 75 31 Hình 4.17 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D2 (tnm=0,25s) 76 32 Hình 4.18 Điện áp tại nút 2 tại thời điểm t=1,9s (tnm=0,25s) 77 33 Hình 4.19 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0 (tnm=0,32s) 78 34 Hình 4.20 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,4s (tnm=0,25s) 79 35 Hình 4.21 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,4s (tnm=0,32s) 80 9 36 Hình 4.22 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi cắt D2 (tnm=0,32s) 81 37 Hình 4.23 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ thống (tnm=0,25s) 82 38 Hình 3.24 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần 1 (tnm=0,32s) 83 39 Hình 4.25 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần 1 (tnm=0,32s) 84 40 Hình 4.26 Thời điểm công suất trên đường dây liên lạc đi qua 0 sau khi đóng trở lại đường dây D2 (tnm=0,32s) 85 41 Hình 4.27 Giá trị góc lệch của 2 nhà máy tại thời điểm t=0,97s (tnm=0,32s) 86 42 Hình 4.28 Giá trị điện áp nút 2 tại thời điểm t=0,97s (tnm=0,25s) 87 43 Hình 4.29 Đặc tính công suất truyền tải trên hai đường dây khi cắt D2 lần 2 (tnm=0,32s) 88 44 Hình 4.30 Đặc tính góc của hai nhà máy sau D2 bị cắt ra khỏi hệ thống lần 2 (tnm=0,32s) 89 45 Hình 4.31 Đường đặc tính công suất sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần 2 (tnm=0,32s) 90 46 Hình 4.32 Đường đặc tính góc hai nhà máy sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần 2 (tnm=0,32s) 91 47 Hình 4.33 Điện áp tại nút 2 sau khi đóng trở lại đường dây D2 lần 2 (tnm=0,32s) 92 10 PHẦN MỞ ĐẦU Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do có ưu điểm quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác.
- Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự lớn mạnh của nền kinh tế xã hội.
- Cùng với xu thế toàn cầu hóa nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và sẽ hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành các hệ thống điện hợp nhất có quy mô lớn.
- Mang đầy đủ các đặc trưng của một hệ thống điện lớn, hệ thống điện Việt Nam với trục đường dây siêu cao áp 500kV nối liền các trung tâm phụ tải với các nhà máy có công suất lớn là tiền đề thuận lợi cho việc mở rộng phạm vi lưới, phát triển nhiều loại nguồn điện để đáp ứng được nhu cầu điện khí hóa đất nước.
- Tuy nhiên hệ thống điện càng lớn sẽ càng phức tạp trong việc nghiên cứu quy hoạch xây dựng và vận hành.
- Ngoài những kích động nhỏ thường xuyên có tính chất ngẫu nhiên, trong hệ thống điện còn có các kích động lớn diễn ra đột ngột như các sự cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây khiến mất cân bằng công suất ảnh hưởng đến ổn định toàn hệ thống, có thể gây hậu quả nặng nề.
- Nên cần có các phương pháp nâng cao ổn định hệ thống điện và các biên pháp nhằm ổn định và tái đồng bộ hệ thống điện.
- Bảo đảm ổn định hệ thống điện là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống điện.
- Sự phá vỡ ổn định hệ thống và xuất hiện chế độ không đồng bộ trong một khoảng thời gian dài có thể dẫn đến mất nguồn cung cấp điện cho một số lớn phụ tải hoặc thậm chí làm tan rã cả hệ thống điện.
- Chính vì vậy đã xuất hiện nhiều biện pháp nhằm nâng cao ổn định hệ thống điện với nhiệm vụ xác định sự xuất hiện của chế độ không đồng bộ và đưa ra các tín hiệu điều khiển công suất của máy phát điện, thậm chí có thể cắt máy phát điện, hoặc cắt một phần phụ tải.
- Nếu như các biện pháp trên không đủ hiệu quả thì sau một số chu kỳ không đồng bộ hoặc sau một khoảng thời gian nhất định thiết bị tự động sẽ chia hệ thống 11 điện ra làm các hệ thống con riêng biệt không đồng bộ.
- Điều này hoàn toàn không được mong muốn, đặc biệt là với các hệ thống điện có ít công suất đặt dự trữ để thay thế phần điện năng mà hệ thống điện con nhận được qua đường dây nối hệ thống điện sau khi đường dây này bị cắt.
- Chính vì vậy cần thiết tìm phương pháp mới để tiếp cận vấn đề tăng mức độ ổn định động của hệ thống điện, cần thiết tìm ra thuật toán điều khiển chế độ không đồng bộ nhằm giảm thiểu thời gian tồn tại chế độ không đồng bộ và nhanh chóng tái lập đồng bộ hệ thống.
- Mục đích của luận văn là nghiên cứu thuật toán điều khiển rời rạc chế độ không đồng bộ trong hệ thống điện gồm hai hệ thống điện con bằng cách điều khiển đóng cắt máy cắt điện điều khiển trên đường dây liên lạc nối các hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện và nghiên cứu tính hiệu quả của thuật toán này áp dụng cho hệ thống điện đơn giản.
- Với các lý do và mục đích trên, bản luận văn có nội dung chính như sau: Chương 1: Trình bày tổng quan về ổn định hệ thống điện và các phương pháp nâng cao ổn định động hệ thống điện Chương 2: Trình bày thuật toán điều khiển máy cắt để tăng tính ổn định hệ thống điện.
- Chương 3: Giới thiệu phần mềm PSS/E Chương 4: Sử dụng phần mềm PSS/E để chứng minh thuật toán thông qua việc tính toán mô phỏng trên một hệ thống điện đơn giản gồm hai hệ thống con được nối với nhau bằng hai đường dây liên lạc.
- 12 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1.
- Chế độ của hệ thống điện: Tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện và xác định trạng thái làm việc của hệ thống điện trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của hệ thống điện.
- Các chế độ làm việc của hệ thống điện nói chung được chia làm 2 loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ.
- Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số của hệ thống không thay đổi, hoặc trong khoảng thời gian tương đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xum quanh các trị số định mức.
- Chế độ làm việc bình thường, lâu dài của hệ thống điện thuộc về chế độ xác lập (CĐXL bình thường).
- Chế độ sau sự cố, hệ thống được phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập (CĐXL sau sự cố).
- Ở các chế độ xác lập sau sự cố thông số ít biến thiên nhưng có thể lệch khỏi trị số định mức tương đối nhiều, cần phải nhanh chống khắc phục.
- Ngoài chế độ xác lập còn diễn ra các chế độ quá độ trong hệ thông điện.
- Đó là các chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác.
- Chế độ quá độ thường diễn ra sau những sự cố hoặc thao thác đóng cắt các phần tử mang công suất (những kích động lớn).
- Chế dộ quá độ được gọi là chế độ quá độ bình thường nếu nó tiến tới chế độ xác lập mới.
- Trong trường hợp này các thông số của hệ thống bị biến thiên nhưng sau một thời gian lại trở vế trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi.
- Ngược lại có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trưởng vô hạn hoặc giảm đến 0.
- Chế độ quá độ khi khi đó gọi là chế độ quá độ sự cố.
- Nói chung, với mọi hệ thống điện yêu cầu nhất thiết phải đảm bảo cho các chế độ xác lập diễn ra bình thường, nhanh chóng chuyển sang chế độ xác lập mới, bởi chế độ quá độ chỉ có thể tạm thời, chế độ xác lập mới là chế độ cơ bản làm việc của hệ thống điện.
- Tại chế độ xác lập và duy trì cân bằng công suất các máy phát chạy với tốc độ đồng bộ, gia tốc roto bằng 0.
- Các kích động lớn xuất hiện do các biến đổi đột 13 ngột sơ đồ điện, phụ tải hay các sự cố ngắn mạch, tuy ít xảy ra nhưng biên độ khá lớn làm cân bằng công suất cơ điện bị phá vỡ đột ngột.
- Chế độ xác lập tương ứng bị dao động mạnh, khi đó công suất cơ của tua bin không thể thay đổi tức thì, trong khi công suất điện từ máy phát thay đổi vì có động năng tích trữ trong roto tạo chuyển động quán tính, do vậy mất cân bằng momen quay của máy phát, xuất hiện gia tốc làm thay đổi góc lệch roto.
- Từ khái niệm về các chế độ hệ thống điện và để đưa ra định nghĩa về ổn định động ta xét các đặc trưng quá trình quá độ diễn ra trong hệ thống sau nhưng kích động lớn.
- Ví dụ như với hệ thống điện trên hình 1.1 khi một trong hai đường dây bị cắt ra đột ngột.
- Hình 1.1 Công suất PT được coi là không đổi.
- Công suất điện từ của máy phát phụ thuộc vào góc lệch điện áp δ.
- mHE.U.sinδ=P sinδX (1.1) Trong đó XH = XF + XB + XD/2 Trong chế độ làm việc bình thường tồn tại sự cân bằng công suất cơ PT của tua bin và công suất điện từ P(δ) của máy phát (đường 1).
- Hệ thống làm việc tại điểm cân bằng a.
- Sau khi đường dây bị cắt, điện kháng đẳng trị của hệ thống XH tăng lên đột ngột làm cho đặc tính công suất máy phát hạ thấp xuống (đường 2).
- Điểm cân bằng mà hệ thống có thể làm việc xác lập sau sự cố là δ’01 (điểm cân bằng ổn định tĩnh).
- Tuy nhiên chuyển từ δ01 sang δ’01 là chế độ quá độ, diễn ra theo đặc tính động của hệ thống.
- Quá trình có thể chuyển thành chế độ xác lập tại δ’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 δ chưa kịp thay đổi, điểm làm việc của máy phát chuyển từ a → b.
- Công suất điện từ PT > P(δ) làm máy phát quay nhanh lên, góc lệch δ tăng dần, điểm làm việc dịch từ b→c.
- Đến thời điểm góc lệch bằng δ’01 thì tương quan công suất trở nên cân bằng.
- Tuy vậy góc lệch δ vẫn tiếp tục tăng do quán tính.
- Cứ như vậy ta nhận được quá trình dao động của góc lệch δ.
- Nếu kể đến momen cản ma sát quá trình sẽ tắt dần về điểm cân bằng δ’01 của chế độ xác lập mới.
- Theo định nghĩa chế độ quá độ trong trường hợp này diễn ra bình thường và hệ thống ổn định động.
- Sau khi cắt đường dây (phần gạch chéo) tỷ lệ với năng lượng tích lũy trong roto và năng lượng hãm.
- 15 Cũng với hệ thống trên nhưng xét trong trường hợp trị số điện kháng đường dây chiếm tỷ lệ lớn hơn trong điện kháng đẳng trị của hệ thống (khi đường dây dài) đặc tính công suất cắt một đường dây sẽ hạ thấp hơn.
- Sau khi vượt qua δ’02 tương quan công suất lại đổi chiều PT> P(δ) nên góc lệch δ lại tiếp tục tăng.
- Dễ thấy tương quan PT> P(δ) sẽ tồn tại tiếp tục với trị số δ vượt quá 2π, nghĩa là mất đồng bộ tốc độ quay máy phát.
- Động năng này làm góc lệch δ tăng trưởng vô hạn và hệ thống mất ổn định động.
- Có thể xét tương tự cho quá trình quá độ cho hệ thống điện như trong hình 1.2.
- Hình 1.2 Khi có sự cố phải cắt đột ngột một vài máy phát.
- Trong trường hợp này đặc tính công suất phả kháng bị hạ thấp đột ngột sau thời điểm máy phát bị cắt, điện áp

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt