Báo cáo Nghiên cứu nâng cao ổn ðịnh động của hệ thống tích hợp năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng nhiệt điện (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu nâng cao ổn ðịnh động của hệ thống tích hợp năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng nhiệt điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ÐỊNH ÐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNGS K C 0 0 3 9 5 9 LƯỢNG NHIỆT ÐIỆN MÃ SỐ: T2015-33Ð S KC 0 0 5 3 5 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33Đ Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Mi Sa TP. HCM, 02/2016
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Mi Sa Thành viên đề tài: TS. Ngô Văn Thuyên TS. Trương Đình Nhơn TP. HCM, 02/2016
4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN– ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Mi Sa Thành viên đề tài: TS. Ngô Văn Thuyên TS. Trương Đình Nhơn TP. HCM, 02/2016 I
5. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Thị Mi Sa TP. HCM, 02/2016 II
6. Mục lục Chương 1: Mở đầu Error! Bookmark not defined. 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Error! Bookmark not defined. 1.2.Tính cấp thiết Error! Bookmark not defined. 1.3.Mục tiêu Error! Bookmark not defined. 1.4.Cách tiếp cận Error! Bookmark not defined. 1.5.Phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined. 1.6.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu. Error! Bookmark not defined. Chương 2: Ổn định hệ thống điện Error! Bookmark not defined. 2.1.Các khái niệm cơ bản Error! Bookmark not defined. 2.1.1. Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ Error! Bookmark not defined. 2.1.2. Khái niệm về ổn định HTĐ Error! Bookmark not defined. 2.1.3. Phân loại ổn định HTĐ Error! Bookmark not defined. 2.2.Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh Error! Bookmark not defined. 2.2.1. Tiêu chuẩn năng lượng Error! Bookmark not defined. 2.2.2. Phương pháp dao động bé Error! Bookmark not defined. 2.3.Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động Error! Bookmark not defined. 2.3.1. Phương pháp diện tích Error! Bookmark not defined. 2.3.2. Tiêu chuẩn cân bằng diện tích Error! Bookmark not defined. 2.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định động Error! Bookmark not defined. Chương 3: Máy phát điện năng lượng gió và Pin mặt trời Error! Bookmark not defined. 3.1 Máy phát điện năng lượng gió Error! Bookmark not defined. 3.1.1 Tuabin gió Error! Bookmark not defined. 3.1.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Bộ chuyển đổi công suất máy phát điện năng lượng gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu Error! Bookmark not defined. 3.2. Pin mặt trời Error! Bookmark not defined. 3.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời Error! Bookmark not defined. 3.2.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Error! Bookmark not defined. 3.2.3 Tấm năng lượng mặt trời Error! Bookmark not defined. III
7. 3.2.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời Error! Bookmark not defined. 3.2.5 Hệ quang điện làm việc với lưới Error! Bookmark not defined. 3.2.6 Các bộ biến đổi trong hệ PV Error! Bookmark not defined. Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu Error! Bookmark not defined. 4.1 Giới thiệu về hệ thống điện sử dụng trong nghiên cứu Error! Bookmark not defined. 4.2 Thiết kế PID bằng phương pháp gán điểm cực Error! Bookmark not defined. 4.3 Tính toán thiết kế PID cho bộ nghịch lưu Error! Bookmark not defined. Chương 5: Mô phỏng ảnh hưởng của bộ điều khiển PID trong bộ nghịch lưu Error! Bookmark not defined. 5.1 Sự cố ngắn mạch 3 pha Error! Bookmark not defined. 5.2 Sự cố đứt đường dây DC Error! Bookmark not defined. Chương 6: Kết luận và Kiến nghị Error! Bookmark not defined. 6.1. Kết luận Error! Bookmark not defined. 6.2. Kiến nghị Error! Bookmark not defined. Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined. IV
8. Danh mục bảng biểu Bảng 4.1. Trị riêng của hệ thống Error! Bookmark not defined. V
9. Danh mục hình Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương Error! Bookmark not defined. Hình 2.2: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm) Error! Bookmark not defined. Hình 2.3: Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn Error! Bookmark not defined. Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển. . Error! Bookmark not defined. Hình 2.5: Sơ ồđ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch Error! Bookmark not defined. Hình 2.6: Đồ thị đặc tính công suất Error! Bookmark not defined. Hình 2.7: Sơ ồđ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch Error! Bookmark not defined. Hình 2.8: Mối quan hệ góc – công suất Error! Bookmark not defined. Hình 2.9: Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ Error! Bookmark not defined. Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy ra tại F (a) và mạch tương đương (b) Error! Bookmark not defined. Hình 2.11: Minh họa hiện tượng ổn định động Error! Bookmark not defined. Hình 3.1: Hệ thống máy phát đồng bộ - PMG Error! Bookmark not defined. Hình 3.2: Sơ ồđ bộ chuyển đổi công suất với máy phát PMSG . Error! Bookmark not defined. Hình 3.3: Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời Error! Bookmark not defined. Hình 3.4: Sơ ồđ tương đương pin mặt trời Error! Bookmark not defined. Hình32.5: Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời Error! Bookmark not defined. Hình 3.6: Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin Error! Bookmark not defined. Hình 3.7: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời Error! Bookmark not defined. Hình 3.5: Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) Error! Bookmark not defined. và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) Error! Bookmark not defined. Hình 3.6: Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) Error! Bookmark not defined. VI
10. và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) Error! Bookmark not defined. Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống nghiên cứu Error! Bookmark not defined. Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển góc kích của bộ nghịch lưu DC-AC Error! Bookmark not defined. Hình 5.1: Đáp ứng của các thông số khi so sánh 2 trường hợp có và không có bộ điều khiển thiết kế PID Error! Bookmark not defined. Hình 5.2: Đáp ứng của hệ thống khi sự cố xảy ra ở giữa bus DC Error! Bookmark not defined. VII
11. Danh mục các chữ viết tắt STT Ký Hiệu Ghi Chú 1. ω Vận tốc góc 2.  Trị riêng 3. PMG Máy phát điện nam châm vĩnh cửu 4. PV Tấm pin năng lượng mặt trời 5. SG Máy phát điện đồng bộ 6. PID Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân VIII
12. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ĐƠN VỊ Tp. HCM, Ngày 28 tháng 02 năm 2016 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ - Mã số: T2015-33TĐ - Chủ nhiệm: TS. Nguyễn Thị Mi Sa - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM - Thời gian thực hiện: 2. Mục tiêu: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu trong hệ thống điện có tích hợp hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng từ nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống 3. Tính mới và sáng tạo: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ nghịch lưu để nâng cao tính ổn định của hệ thống điện kết hợp giữa năng lượng gió, năng lượng mặt trời và nhiệt điện. 4. Kết quả nghiên cứu: Đánh giá mức độ đáp ứng của hệ thống khi có bộ điều khiển PID thiết kế cho bộ nghịch lưu. 5. Sản phẩm: Báo cáo tổng kết và Chương trình mô phỏng trên Matlab 6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: Làm cơ sở cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo và là tài liệu tham khảo cho các học viên cao học làm đề tài tốt nghiệp. Trưởng Đơn vị Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên) (ký, họ và tên) TS. Nguyễn Thị Mi Sa IX
13. INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1. General information: Project title: Stability Enhancement of an Integrated Wind/Solar Energy Generation and Tranditional Power System Code number: T2015-33TĐ Coordinator: Nguyen Thi Mi Sa, PhD Implementing institution: University of Technology and Education Hochiminh City Duration: from to 2. Objective(s): Study of designing PID damping controller for inverter to enhance the dynamic stability of the wind- solar connected to power system. 3. Creativeness and innovativeness: Design PID damping controller for inverter to improve stability of the power system with wind power connected. 4. Research results: Estimating the effective of the studied system with and without PID controller for inverter. 5. Products: Report and Matlab program. 6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: It can be used as a reference for master students to perform their thesis. X
14. Chương 1: Mở đầu 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước Tích hợp nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời với lưới điện đang là xu hướng phát triển hiện nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phá hủy môi trường sinh thái. Tuy nhiên, các hệ thống tích hợp này thường được áp dụng trong các hệ thống nhỏ, công suất vài chục mvar [1-4]. Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, các hệ thống tích hợp này đã được triển khai trong các ứng dụng có công suất lớn, khoảng vài trăm mvar [5-6]. Hơn nữa, việc hòa lưới và kết hợp với các nguồn năng lượng có công suất lớn từ các nhà máy máy thủy điện, nhiệt điện là xu hướng tất yếu. Trong [7- 8], năng lượng gió, năng lượng mặt trời tích hợp với các máy phát điện phân tán đã được nghiên cứu và phần nào khẳng định được tính thiết thực trong xu hướng trên. Với những hệ thống phát điện tích hợp này, việc thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống đóng vai trò rất quan trọng. Vì dao động này có thể xuất phát từ sự thay đổi liên tục, ngẫu nhiên của tốcđộ gió, từ sự thay đổi cường độ của ánh sáng mặt trời hay từ các nhiễu tác động trực tiếp lên các máy phát điện. Trong đó, bộ điều khiển PID sử dụng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao. Với kỹ thuật này, các cực quan trọng của hệ thống được gán chính xác ở các vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức nhằm tăng tính ổn định của hệ thống [9]. Trong [9], bộ điều khiển PID nhằm nâng cao độ ổn định hệ thống được đặt ngay tại bộ chỉnh lưu trong đường dây truyền tải điện 1 chiều điện áp cao. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời [10] và năng lượng điện gió [11-12] trong hệ thống điện đã được triển khai. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu của hệ thống tích hợp các dạng năng lượng này với các máy phát điện đồng bộ cũng chưa tạo được sự thu hút đặc biệt. Ngoài ra, việc nghiên cứu thiết kế các bộ điều khiển nhằm nâng cao ổn định của các hệ thống điện tích hợp này cũng chưa được triển khai. Trong trường hợp này, sử dụng bộ điều khiển PID dùng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao, thiết bị này cũng phù hợp về giá thành cũng như tính năng điều khiển mà nó mang lại. 1
15. 1.2. Tính cấp thiết Ngày nay phần lớn điện năng được sản xuất bởi các máy phát điện đồng bộ. Nguồn cơ năng sơ cấp kéo các máy phát điện đồng bộ này có thể là các động cơ tua bin hơi, tua bin nước hoặc tuabin vận hành qua năng lượng nhiệt qua quá trình đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch (như than, khí thiên nhiên hay dầu mỏ tại các nhà máy nhiệt điện). Bên cạnh đó, năng lượng gió, năng lượng mặt trời-là nguồn năng lượng sạch và vô hạn cũng chiếm vai trò quan trọng trong lưới điện quốc gia, góp phần tránh được các hậu quả có hại đến môi trường. Hiện nay có rất nhiều các dự án điện gió và điện mặt trời đang đầu tư và triển khai ở Việt Nam nhằm bổ sung điện cho hệ thống điện. Tích hợp nguồn năng lượng sạch này với các nhà máy phát điện lớn đang là xu hướng phát triển hiện nay của lưới điện quốc gia. Với những hệ thống phát điện tích hợp này, việc thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao động và nâng cao độ ổn định hệ thống đóng vai trò rất quan trọng. Trong đó, bộ điều khiển PID sử dụng kỹ thuật gán cực là một trong những phương pháp đơn giản và mang lại hiệu quả cao. Với kỹ thuật này, các cực quan trọng của hệ thống được gán chính xác ở các vị trí mong muốn trên mặt phẳng phức nhằm tăng tính ổn định của hệ thống. 1.3. Mục tiêu Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu trong hệ thống điện có tích hợp hệ thống năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng từ nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống. 1.4. Cách tiếp cận Dựa trên các công trình đã được công bố như sách chuyên ngành, bài báo khoa học. 1.5. Phương pháp nghiên cứu Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab. 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu. 2
16. Thiết bị điều khiển dùng PID và ảnh hưởng của máy phát điện gió, của điện mặt trời, của máy phát điện đồng bộ nhiệt điện đến hệ thống điện. 3
17. Chương 2: Ổn định hệ thống điện 2.1. Các khái niệm cơ bản 2.1.1. Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 2.1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm: Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện. Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông sốnày được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác. Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ. Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số như là X, Y, độ từ hoá trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bãohoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định. 2.1.1.2 Chế độ của HTĐ Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó. Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ tại mọi điểm của HTĐ. Đó là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc. Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ. 4
18. Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến. Ví dụ P = U2/R. Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực. Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại: Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số. Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng. CĐXL được chia thành: CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ. CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố. Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quáđộ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều. Chế độ quá độ gồm có: Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thườngnày sang CĐXL bình thường khác. Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố. 2.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ  CĐXL bình thường, các yêu cầu là: Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phảinằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn. Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo. Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ. Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảmbảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất. 5
19. Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện.  CĐXL sau sự cố, yêu cầu là: Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường.  Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là: Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố. Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ. 2.1.2. Khái niệm về ổn định HTĐ 2.1.2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ. PF = Ppt + P = P (2.1) QF = Qpt + P = Q (2.2) Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ: S2 = P2 + Q2 (2.3) Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng. Tuy vậy trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của CSTD và CSPK tuân theo các quy luật riêng biệt ít ảnh hưởng đến nhau. Đó là: Sự biến đổi CSTD chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nó đến điện áp không đáng kể. Như vậy tần số có thể xem là chỉ tiêu để đánh giá sựcân bằng CSTD. 6
20. Sự biến đổi của CSPK ảnh hưởng chủ yếu đến điệnáp của HTĐ. Như vậy có thể xem điện áp là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng CSPK. Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) được đảm bảo một cách tự nhiên. Các thông số của chế độ luôn giữ các giá trị sao cho các điều kiện cân bằng công suất được thoả mãn. Ví dụ, khi xuất phát từ một vị trí cân bằng nào đó ta tăng CSTD của nguồn lên lập tức tần số sẽ tăng lên làm cho công suất tiêu thụ của phụ tải cũng tăng lên theo cho tới khi cân bằng với công suất của nguồn. Hay khi đóng thêm một phụ tải CSPK thì lập tức điện áp toàn hệ thống sẽ giảm làm cho các phụ tải phản kháng khác sẽ giảm đi cho tới khi đạt lại sự cân bằng CSPK. Tất nhiên sự điều chỉnh này chỉ thực hiện được trong phạm vi cho phép. Các điều kiện cân bằng công suất (2.1) và (2.2) và (2.3) là các cơ sở xuất phát để tính toán các chế độ của HTĐ. Từ các điều kiện ấy ta tính được các thông số của chế độ U, I, P, Q Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giátrị cân bằng cho CSTD và CSPK như sau: Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộf (50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép: fcp min ≤ f ≤ fcp max . Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm trong giới hạn cho phép: U cpmin ≤ U ≤ Ucpmax . Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem như sự cân bằng công suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng. Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó. Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác. Việc điều chỉnh CSPK phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống được. Trong HTĐ, máy phát điện (MP) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto củacácMP đóng vai trò quan trọng quyết định sự tồn tại của CĐXL. Đây là sự cân bằng Cơ - Điện, nghĩa là sự cân bằng giữa công suất cơ học của tuabin PTB và công suất điện PMP do MP phát ra: PTB = PMP . 7
21. Như trên đã nói, sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống cho nên bất cứ sự mất cân bằng nào xảy ra ở bất cứ đâu cũng đều tức khắc tác động lên MP và gây ra sự mất cân bằng cơ điện ở đây. Đối với CSPK sự cân bằng ở các nút phụ tải lớn có ý nghĩa quan trọng hơn cả. Còn đối với các phụ tải quay cũng có sự cân bằng cơ điện công suất điện của lưới PPT và công suất cơ PC của các máy công cụ: PC = PPT. 2.1.2.2 Khái niệm ổn định HTĐ Thực tế trong hệ thống điện tồn tại vô số kích động (nhiễu) tác động lên hệ thống. Hệ thống phải đảm bảo được tính ổn định khi chịu các kích động này. Ổn định hệ thống điện là khả năng trở lại vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi chịu các kích động mà điều kiện cân bằng công suất không bị phá huỷ. Các kích động đối với chế độ HTĐ được chia làm 2 loại: các kích động nhỏ và các kích động lớn. . Kích động nhỏ (nhiễu nhỏ) là những tác động xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ trong khi hệ thống vận hành do sự thay đổi công suất phụ tải. . Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với kích động nhỏ nhưng có biên độ khá lớn. Các kích động lớn có thể được hiểu như: - Ngắn mạch trên các phần tử của lưới điện - Đóng cắt đột ngột các phụ tải lớn - Cắt đường dây tải điện hoặc máy điện đang mang tải. Trong các dạng kích động nói trên thì ngắn mạch là nguy hiểm hơn cả, vì vậy ổn định động của HTĐ được xét cho trường hợp xảy ra ngắn mạch. Các loại ngắn mạch gồm có: 1 pha chạm đất; hai pha; hai pha chạm đất; ba pha. Thống kê cho thấy rằng 70 - 90% tổng số ngắn mạch là ngắn mạch một pha chạm đất, 5 - 15% ngắn mạch hai pha các loại, còn ngắn mạch ba pha chỉ xảy ra có 5- 10%. Tuy ít xảy ra nhưng ngắn mạch ba pha nguy hiểm hơn cả vì nó làm cho mối liên hệ giữa nhà máy và phụ tải, giữa các nhà máy điện với nhau hoàn toàn gián đoạn, độ giảm công suất đạt giá trị cực đại làm cho MP dao động mạnh. Sau ngắn mạch ba pha là ngắn mạch hai pha chạm đất. Ổn định động của HTĐ được tính với ngắn mạch 3 pha, 2 pha chạm đất và 1 pha. Một điều cần nhắc lại và nhấn mạnh là khi xét quá trình quá độ cơ điện xảy ra với các 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4