Mô phỏng quá trình mất ổn định điện áp trong hệ thống điện

- TRẦN HỒNG CƯƠNG KỸ THUẬT ĐIỆN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
- TRẦN HỒNG CƯƠNG MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
- Chuyên ngành: Kỹ thuật điện – Hệ thống điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS.NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT Hà Nội – Năm 2014 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này do Tôi tổng hợp và thực hiện.
- ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN.
- 10 2.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP.
- 10 2.1.2 Các dạng ổn định điện áp.
- 10 2.2 XÉT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN.
- 16 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP.
- 20 2.4 MỘT SỐ KỊCH BẢN XẢY RA MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP DẪN ĐẾN TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN.
- 22 ii 2.5 NHỮNG SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY.
- CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E.
- 31 3.1 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN PSS/E.
- 31 3.1.2 Mô hình các thiết bị điện trong PSS/E để nghiên cứu ổn định điện áp.
- MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MẤT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.
- 50 4.1.1 Trường hợp tách máy phát 3 ra khỏi hệ thống.
- 53 4.1.2 Trường hợp tách máy phát G5 ra khỏi hệ thống.
- 55 4.1.3 Trường hợp tách máy phát G9 ra khỏi hệ thống.
- 57 4.1.4 Trường hợp tách máy phát G1 ra khỏi hệ thống.
- 63 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G2 ra khỏi hệ thống.
- 65 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G4 ra khỏi hệ thống.
- 67 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G6 ra khỏi hệ thống.
- 68 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G7 ra khỏi hệ thống.
- 70 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G8 ra khỏi hệ thống.
- 71 Phụ lục - Trường hợp tách máy phát G10 ra khỏi hệ thống.
- Hình vẽ 2.1 Sơ đồ thay thế Hệ thống điện đơn giản.
- 15 Hình vẽ 2-4 Các phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp [2.
- 19 Hình vẽ 2-5 Sụp đổ điện áp ngày 12/1/1987 trong HTĐ Pháp.
- 25 Hình vẽ 2-6 Đồ thị sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV.
- 29 Hình vẽ 2-9 Sụp đổ điện áp tại trạm Tân Định.
- 45 Hình vẽ 4-2 Phản ứng của điện áp khi tách máy 3.
- 52 v CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CIGRE International Council on Large Electric systems (Hiệp hội các hệ thống điện lớn) EPRI Electric Power Research Institute (Viện nghiên cứu điện lực Mỹ) FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt HTĐ Hệ thống điện HVDC Đường dây tải điện một chiều MPĐ Máy phát điện OXL Bộ giới hạn kích từ máy phát điện PSS Bộ ổn định công suất SVC Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh TCSC Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor OLTC Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải CĐXL Chế độ xác lập CSTD Công suất tác dụng CSPK Công suất phản kháng 6 CHƯƠNG 1.
- Do đó các hệ thống điện phải được đầu tư, mở rộng để đáp ứng được những nhu cầu của xã hội.
- Thứ nhất, là khó khăn trong việc đầu tư nguồn điện, hệ thống truyền tải: Hiện nay, việc đầu tư đồng bộ hóa giữa nguồn điện và lưới điện truyền tải đang rất khó khăn.
- Thứ hai, là sự tăng trưởng nhanh chóng của phụ tải: Theo số liệu của Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia, tốc độ tăng trưởng phụ tải từ năm 2009 trở lại đây luôn cao hơn 10% (Năm .
- Với các lý do kể trên, có thể thấy hệ thống điện đang vận hành rất gần với các giới hạn về Ổn định.Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy, khi hệ thống vận hành trong tình trạng nặng tải, các sự cố hư hỏng một vài phần tử của lưới điện có thể dẫn đến quá tải các phần tử còn lại, kéo theo cắt điện lan truyền và gây ra các sự cố diện rộng.
- Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới, cũng như tại nước ta đã gây ra tan rã hệ thống điện: 8 - Sự cố sụp đổ điện áp tại Hoa Kỳ / Canada ngày 14 tháng 08 năm 2003 trong thời gian 05 phút đã làm mất 61800MW cấp cho Ohio, Michigan, Pennsylvania, New York, Vermont, Massachusetts, Connecticut, New Jersey, and Ontario (Canada).
- Sự cố sụp đổ điện áp và tần số tại Thụy Điển / Đan Mạch ngày 23 tháng 08 năm 2003 trong thời gian 07 phút mất 3000MW điện hạt nhân.
- Từ đó, phát sinh nhu cầu nghiên cứu và đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng cung cấp cho các phụ tải, đặc biệt là vấn đề về ổn định điện áp.
- Hệ thống điện ngày càng phát triển thì việc tính toán để nghiên cứu các vấn đề về kỹ thuật ngày càng trở lên phức tạp, đòi hỏi con người phải tìm ra các công cụ để tính toán nhanh và chính xác các thông số kỹ thuật.
- Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều các công cụ để phục vụ việc tính toán các thông số kỹ thuật của các hệ thống điện phức tạp như: phần mềm tính toán PSS/E-ADEPT.
- 9 Từ những vấn đề trên, luận văn đã lựa chọn việc nghiên cứu mô phỏng quá trình mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
- Công cụ mô phỏng được sử dụng là phần mềm mô phỏng hệ thống điện PSS/E.
- 1.2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 1.1.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn Mục đích nghiên cứu của luận văn là ứng dụng phương pháp mô phỏng động để nghiên cứu quá trình diễn ra khi xảy ra hiện tượng sụp đổ điện áp trong hệ thống điện.
- Các mô hình thiết bị có vai trò quan trọng trong mô phỏng này bao gồm điện như là mô hình tải, bộ giới hạn kích từ máy phát điện, máy biến áp có bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dưới tải… Từ đó đề xuất ra phương thức vận hành hợp lý để đảm bảo ổn định của hệ thống điện khi xảy ra sự cố.
- 1.1.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn - Nghiên cứu các yếu tố cơ chế, kịch bản xảy ra mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
- Nghiên cứu một số phương pháp nghiên cứu ổn định điện áp - Tìm hiểu phần mềm mô phỏng hệ thống điện PSS/E.
- Tìm hiểu về các định nghĩa liên quan ổn định điện áp, mất ổn định điện áp, sụp đổ điện áp trong hệ thống điện.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp đối với mô hình lưới điện cụ thể bằng phương pháp mô phỏng động.
- 1.3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI Luận văn tìm hiểu quá trình phản ứng điện áp của hệ thống điện sử dụng phương pháp mô phỏng quá trình mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
- Trong luận văn chỉ nghiên cứu, phân tích ổn định điện áp của một vùng với các thông số cho trước.
- 10 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng động bằng phần mềm mô phỏng hệ thống điện PSS/E để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp đối với hệ thống điện của một vùng với các thông số cho trước.
- ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1 ĐỊNH NGHĨA VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 2.1.1 Định nghĩa Trong phần này của luận văn, một số các định nghĩa quan trọng về ổn định điện áp được đưa ra bởi [1], C.
- Ổn định điện áp là khả năng của một HTĐ duy trì được giá trị điện áp ổn định ở tất cả các nút trong HTĐ sau khi trải qua một sự cố từ điều kiện vận hành xác lập ban đầu bình thường.
- Theo IEEE/CIGRE: Ổn định điện áp là khả năng một HTĐ vẫn còn duy trì được các giá trị điện áp của các nút trong một dải cho phép sau khi trải qua các nhiễu loạn vật lý.
- 2.1.2 Các dạng ổn định điện áp Các dạng ổn định điện áp được chia làm 2 loại: Ổn định điện áp khi có kích động nhỏ:Là khả năng của một hệ thống điện vẫn có thể duy trì được điện áp ổn định khi chịu các kích động nhỏ, ví dụ như: Tải thay đổi tăng.
- Dạng ổn định này chịu tác động bởi các đặc trưng của tải, hoặccác điều khiển mang tính chất liên tục và các điều khiển rời rạc vào một điểm thời gian cho trước.Với các giả thiết thích hợp, các phương trình là các giá trị của hệ thống có thể được tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc để phân tích một cách dễ dàng và do đó cho phép tính toán được thông tin độ nhạy rất hữu ích trong việc nhận 11 dạng các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp.
- Theo phân loại ổn định của HTĐ trên thế giới cũng như Việt Nam, ổn định kích động nhỏ có thể xuất hiện ở dạng phi chu kỳ hoặc chu kỳ (còn gọi là dao động nhỏ).
- Ổn định điện áp khi có kích động lớn:là khả năng của HTĐ vẫn còn duy trì được các giá trị điện áp trong giới hạn sau khi có kích động lớn ví dụ: sự cố máy biến áp truyền tải, mất một nguồn phát điện và thường gặp nhất là khi xảy ra sự cố trên đường dây truyền tải điện.
- Việc xác định ổn định điện áp có thể dùng phần mềm mô phỏng để xem phản ứng của hệ thống bảo vệ trên lưới điện.
- Ta có thể căn cứ theo khoảng thời gian xảy ra mất ổn định điện áp để phânchia thành hiện tượng ổn định điện áp dài hạn hay ổn định điện áp ngắn hạn [1][2]: Ổn định điện áp ngắn hạn: Liên quan đến tính chất động của các thành phần tải tác động nhanh, chẳng hạn như: động cơ cảm ứng, tải điều khiển điện tử và các bộ biến đổi HVDC.
- Ổn định điện áp dài hạn:Một số thiết bị trên lưới như bộ điều chỉnh điện áp OLTC và các bộ bảo vệ kích từ máy phát (OXL) có tính chất tác động chậm.
- Thời gian nghiên cứu có thể đến vài phút hoặc nhiều phút, việc mô phỏng trong khoảng dài hạn cần được sử dụng để phân tích quá trình động của hệ thống điện.Tính không ổn định có nguyên nhân là sự mất cân bằng trong khoảng dài hạn, khi tải khôi phục lại công suất của hệ thống tuy nhiên bị vượt quá khả năng của hệ thống truyền tải và 12 các nguồn phát.
- Thông thường, tính ổn định được xác định bởi việc các thiết bị bị tách ra khỏi hệ thống.
- 2.2 XÉT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐƠN GIẢN HTĐ đơn giản có sơ đồ thay thế một pha như Hình vẽ 2.1: Sơ đồ thay thế như sau: Hình vẽ 2.1Sơ đồ thay thế Hệ thống điện đơn giản Ta có δδ δδ δδ δδ Trong đó: P12 : Công suất tác dụng của mạch điện.
- Công suất phản kháng Q phụ thuộc vào modul điện áp và chạy từ nơi có điện áp cao về nơi có điện áp thấp.
- Do đó, việc giảm được Q truyền tải sẽ giảm được tổn thất công suất tác dụng, phản kháng trên đường dây, và giảm được tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải.
- 14 Nếu ta giữ điện áp ổn định ở mức cao thì cũng làm giảm tổn thất công suất tác dụng, phản kháng.
- Tuy nhiên, trên thực tế đường dây thường vận hành ở trị số điện áp gần với giá trị định mức (±5%Uđm).
- Do đó, việc sử dụng điện áp ở mức cao không phù hợp liên quan đến độ bền thiết kế cách điện.
- Vấn đề ổn định điện áp - Gây ra quá điện áp tạm thời khi mà mất tải đột ngột.
- Việc khởi động động cơ ảnh hưởng đến sự làm việc và tính ổn định của các máy phát.
- Đặc biệt nếu số lượng động cơ tập trung nhiều ở các khu vực yếu sẽ làm điện áp giảm, giảm điện năng đồng bộ hoá và do đó làm giảm sự ổn định của hệ thống điện.
- Mặt khác, động cơ thường được khởi động qua các công tắc tơ nên điện áp của động cơ có thể giảm xuống 65,75% trong trường hợp động cơ ở mức 230(V) và 400(V) và 55.65% trong trường hợp động cơ ở mức 460(V) hoặc thấp hơn.
- Khi xảy ra sự cố động cơ có thể làm việc yếu đi hoặc trượt điện áp theo sự cố.
- Càng gần đầu phát của máy phát điện càng làm suy giảm tính ổn định do việc mất điện kháng truyền tải trên hệ thống.
- Ngược lại, nếu tại các điểm cuối của máy phát hoặc những vùng điện áp thấp thì sự suy giảm của tải động cơ có thể tăng tính ổn định cho hệ thống điện.
- Lượng công suất phản kháng và công suất tác dụng sẽ ảnh hưởng đến điện áp và tần số trong quá trình truyền tải.
- Trên thực tế, tải động cơ tiêu hao lượng năng lượng lớn trong hệ thống điện (ở Mỹ động cơ tiêu hao khoảng 39 70% năng lượng điện), chính vì thế động cơ là nhân tố tải quan trọng cần được xem xét khi nghiên cứu ổn định trong hệ thống điện.
- Đối với hệ thống điều hoà không khí và các loại máy lạnh là các thiết bị tải cũng sử dụng các loại động cơ điện nhưng nhiều máy điều hoà không khí không được sử dụng công tắc tơ, do đó không làm mất ổn định hệ thống khi sự cố và suy giảm điện áp xẩy ra.
- Nếu mạng lưới không đủ mạnh để làm tăng lại tất cả các máy điều hoà không khí, thì điện áp sẽ giảm và tốc độ của máy điều hoà vẫn tiếp tục chậm.
- Tải không đổi, mô men xoắn cơ học áp đặt bởi các máy nén tải và các thiết kế mô men xoắn ban đầu của động cơ cũng góp phần vào xu hướng giảm điện áp.
- Vì điện áp thấp nên rơle nhiệt bảo vệ quá tải vận hành chậm, do đó cần 10 đến 12 giây để loại bỏ điều hòa không khí khỏi hệ thống.
- Điện áp bắt đầu hồi phục khi máy điều hoà nhiệt độ được loại bỏ nhưng sau đó tất cả các máy điều hoà nhiệt độ vẫn được ngắt bởi Rơle nhiệt bảo vệ quá tải ngay cả khi điện năng đã khôi phục hoàn toàn vì ở tốc độ thấp mô men động cơ nhỏ hơn máy nén tải.
- Loại tải này có thể chiếm tới 20% của hệ thống tải ở các khu thương mại.
- Loại tải này chiếm khoảng 80% điện năng và do đó có thể giảm đến 0 khi có sự cố trong hệ thống điện.
- Mặt khác, các hệ thống chiếu sáng gần với đầu phát của máy phát điện thường mất một đến hai giây để khởi động lại sau sự cố nên có thể làm tăng nguồn áp từ máy phát dẫn tới làm giảm tính ổn định của hệ thống.
- Đối với các bộ điều chỉnh nhiệt độ, bộ kiểm soát tải: bao gồm nhiều dạng tải như: hệ thống sưởi, máy đóng gói và đúc khuôn, máy hàn, dụng cụ đun nước và những thiết bị tương tự với đặc tính trở kháng liên tục trong thời gian ngắn.
- Tuy nhiên, bắt đầu chỉ vài giây khi điện áp giảm thì sự giảm công suất điện từ những thiết bị đó sẽ được gửi tới bởi bộ điều chỉnh nhiệt và phần “on” của chu trình điều chỉnh nhiệt sẽ được mở rộng.
- Bộ điều chỉnh nhiệt mà đang ở giai đoạn “off” của chu trình của nó khi sự thay đổi điện áp xẩy ra sẽ không đáp ứng được việc giảm điện áp cho đến khi phần “on” được mở.
- Dạng nhiệt độ của bộ điều chỉnh nhiệt, kiểm soát tải với 90%-100% điện áp.
- Thông thường thì nhiệt độ tăng chậm hơn bình thường trong quá trình “on” của chu trình khi điện áp thấp, nhưng nhiệt độ giảm ở cùng tỉ lệ trong quá trình off của chu trình.
- Do thời gian “on’ dài hơn nên bộ điều chỉnh điện ở trong tình trạng “on” nhiều hơn ở bất cứ thời gian nào khi điện áp thấp, do đó tổng phụ tải cũng ngang bằng khi điện áp ở mức thông thường.
- Cũng có những ngoại lệ, khi điện áp quá thấp làm cho một số bộ điều chỉnh nhiệt không thể đáp ứng được thì phụ tải sẽ không hoàn toàn được hồi phục, ví dụ: khi nhiệt độ ngoài trời quá lạnh, bộ điều chỉnh nhiệt trên thiết bị sưởi điện có thể hoàn toàn ở tình trạng “on” hoặc gần với 100% của thời gian, do đó việc hồi phục hoàn toàn không xẩy ra theo sự giảm của điện áp.
- Khi điện áp thấp, bộ điều chỉnh nhiệt trên “loại tải điện trở” vẫn ở mức lâu hơn, việc khôi phục hiệu quả của tải trọng đối với đặc tính điện năng liên tục trong tình trạng ổn định.Có rất nhiều phụ tải sử dụng trong sinh hoạt, trong ngành công nghiệp và thương mại có đặc tính này, có thể chiếm 20,40% tải của hệ thống.
- Những bộ nguồn này sẽ cung cấp 41 điện ra một chiều liên tục cho đầu vào điện áp chiếm khoảng 90% bình thường.
- Do đó, chúng làm cho điện năng liên tục giảm xuống mức điện áp này.
- Dưới mức điện áp này thì một số loại tải sẽ bị dừng chức năng, mặc dù một số khác sẽ tiếp tục được kéo lên.
- Do đó điện áp đầu vào có thể giảm khi điện áp xuống mức dưới 90% của điện áp danh định.
- Các thiết bị tăng tốc có thể điều chỉnh như: máy tính và các thiết bị điện tử, ngoại trừ việc tắt máy sẽ xẩy ra khi điện áp giảm xuống mức sai số thấp nhất, khoảng 90% bình thường sự đáp ứng điện năng liên quan đến dao động góc của rotor.
- 3.1.2.4 Mô hình đường dây truyền tải Đường dây truyền tải là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện

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