Luận văn Đánh giá ổn định động hệ thống điện sử dụng mạng nơ ron cải tiến (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Đánh giá ổn định động hệ thống điện sử dụng mạng nơ ron cải tiến (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THANH TÍNH ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG MẠNG NƠ RON CẢI TIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202 S K C0 0 5 2 0 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
2. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1. Thực trạng hệ thống điện Hệ thống điện (HTĐ) đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. HTĐ thƣờng phân chia thành ba phần chính: Phần phát điện bao gồm các nhà máy phát điện nhƣ: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, và một số loại máy phát điện khác Với phần truyền tải, đây có thể đƣợc coi là hệ thống xƣơng sống của một HTĐ, bao gồm các đƣờng dây siêu cao áp, cao áp và máy biến áp truyền tải. Phần phân phối, nơi điện áp đƣợc hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải. Đây cũng là phần có nhiều nút và có chiều dài lƣới lớn nhất trong HTĐ với nhiều loại phụ tải khác nhau. Để đảm bảo cho HTĐ vận hành ở chế độ bình thƣờng thì HTĐ cần thoả mãn các điều kiện về ổn định, tin cậy, đảm bảo chất lƣợng điện năng và yêu cầu về kinh tế. Tuy nhiên, HTĐ không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều nƣớc phát triển trên thế giới đang phải đối mặt với nhiều khó khăn thách thức: + Thứ nhất là sự tăng trƣởng quá nhanh của phụ tải, đặc biệt là các nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam, tỉ lệ tăng trƣởng phụ tải khoảng 15-20% mỗi năm đang đặt ra thách thức lớn cho ngành điện phải đáp ứng kịp thời nhu cầu của phụ tải. + Thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên nhƣ than đá, dầu mỏ, khí đốt và nguồn nƣớc làm cho việc phát triển các loại nhà máy phát điện mới ngày càng bị giới hạn. Việt Nam và các nƣớc trên thế giới đều nhận thức rằng chúng ta đang phải đối mặt với sự cạn kiệt năng lƣợng sơ cấp và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế. Năng lƣợng thủy điện là nguồn năng lƣợng giá rẻ, kinh tế và an toàn nhất cũng đang dần cạn kiệt vì đã đƣợc phát hiện và khai thác gần hết. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện đã phổ biến ở nhiều nƣớc trên thế giới HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 1
3. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh nhƣng ở nƣớc ta vẫn còn là nguồn năng lƣợng mới lạ do vấn đề về công nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu, vốn đầu tƣ lớn và đặc biệt là vấn đề môi trƣờng khi sự cố xảy ra. + Thứ ba là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lƣợng tái tạo nhƣ nguồn năng lƣợng gió, năng lƣợng mặt trời các nguồn năng lƣợng phân tán này cũng góp phần giảm thiểu gánh nặng cho ngành điện, đáp ứng một phần nhu cầu phụ tải đang gia tăng, làm giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí trong truyền tải và phân phối điện. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phần truyền tải và phân phối điện đã làm thay đổi căn bản khái niệm về HTĐ truyền thống, làm khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ. Việc đảm bảo chất lƣợng điện năng, tính liên tục cung cấp điện đang là thách thức lớn đặt ra với ngành điện. Một số sự cố lớn gần đây ở Việt Nam và trên thế giới đã gây ra những hậu quả to lớn về kinh tế và nguy cơ rã lƣới toàn bộ hệ thống do mất ổn định HTĐ càng trở nên hiện hữu. Trong khi việc đánh giá ổn định động cho những HTĐ phức tạp thực sự là một vấn đề khó khăn, đặc biệt khi xét hệ thống vận hành trong thời gian thực. Do đó, vấn đề nghiên cứu ổn định động HTĐ đang là nhiệm vụ cấp thiết. 1.1.2. Lý do chọn đề tài Đánh giá ổn định động của hệ thống điện là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong quá trình thiết kế và vận hành hệ thống điện. Năm 1920, ổn định động của hệ thống điện lần đầu tiên đƣợc chú ý đến nhƣ là một trong những nhiệm vụ quan trọng của việc thiết kế và vận hành khi các hệ thống điện nhỏ đƣợc nối kết với nhau thành một hệ thống lớn. Qua hơn 50 năm, với nhiều công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và công nghệ thông tin, lý thuyết cũng nhƣ những công cụ phân tích và đánh giá ổn định động của hệ thống điện đã cơ bản hình thành. Tuy vậy, từ năm 1990 do yêu cầu điện năng tăng vƣợt bậc, nhiều hệ thống điện lớn liên kết các hệ thống điện giữa các vùng của một quốc gia hoặc giữa nhiều quốc gia nhƣ hệ thống điện 500 kV HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 2
4. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Việt Nam, hệ thống điện Bắc Mỹ đã hình thành. Việc đánh giá ổn định động cho những hệ thống điện phức tạp này là một trong những vấn đề khó khăn, đặc biệt khi xét hệ thống vận hành trong thời gian thực. Để đánh giá hệ thống ổn định hay không ổn định sau sự cố lớn, có nhiều phƣơng pháp đƣợc áp dụng. Phƣơng pháp mô phỏng theo miền thời gian cho kết quả chính xác để đánh giá ổn định quá độ hệ thống điện nhƣng không cho biết biên ổn định của hệ thống, tốn nhiều thời gian do phải giải hệ phƣơng trình vi phân phi tuyến sau sự cố [4,9,8,10], cho nên không phù hợp trong đánh giá trực tuyến. Phƣơng pháp này cũng không cung cấp thông tin mức độ ổn định hoặc không ổn định [4,5,7]. Phƣơng pháp số cho câu trả lời chính xác về ổn định quá độ hệ thống điện, nhƣng gặp khó khăn trong giải phƣơng trình vi phân bậc 2, và mất nhiều thời gian giải [15]. Phƣơng pháp hàm năng lƣợng xác định ổn định hệ thống điện dựa trên hàm năng lƣợng, tránh việc giải từng bƣớc nhƣ phƣơng pháp mô phỏng theo miền thời gian, tuy nhiên ứng dụng thực tế vẫn còn tiếp tục nghiên cứu, nguyên do chính là đối với hệ thống điện lớn nhiều máy phát cần phải đơn giản hóa mô hình [6,22], cần nhiều tính toán để xác định chỉ số ổn định [14,4,24]. Nhƣ vậy, các phƣơng pháp truyền thống tốn rất nhiều thời gian tính toán, không phù hợp đánh giá trong thời gian thực, với yêu cầu rất khắc khe về thời gian tính toán, tính nhanh nhƣng phải chính xác đã xuất hiện nhu cầu ứng dụng phƣơng pháp khác hiệu quả hơn. Phƣơng pháp kỹ thuật nhận dạng mẫu áp dụng đánh giá ổn định động hệ thống điện bỏ qua giải tích và thay thế bằng cách học quan hệ mẫu đầu vào và đầu ra [10], các tiếp cận theo hƣớng này [10,11] thì bộ phân loại đƣợc huấn luyện off-line và kiểm tra on-line. Trong [12], tác giả chọn tín hiệu đầu vào là các biến đặc trƣng chế độ xác lập tiền sự cố để chẩn đoán sự cố qua chỉ số thời gian cắt tới hạn (CCT – Critical Clearing Time), tuy nhiên tìm mối liên hệ giữa các biến đặc trƣng trạng thái xác lập và cấp ổn định cũng là một thách thức. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 3
5. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Hệ thống nhận dạng mẫu cần các mẫu thông tin đặc trƣng quan trọng làm mẫu dữ liệu đầu vào, việc trích xuất giảm biến đặc trƣng giúp cho hệ thống xử lý dữ liệu một cách nhanh chóng và nâng cao độ chính xác. Kỹ thuật nhận dạng rất tốt cho bài toán tách biệt tuyến tính giữa các lớp, nhƣng tách biệt giữa các lớp phi tuyến chƣa thực hiện đƣợc [18]. Vẫn còn đó thách thức cho nhà nghiên cứu trong tìm mối liên hệ giữa các biến trạng thái xác lập tiền sự cố và cấp ổn định hệ thống điện, việc giảm biến đặc trƣng nhƣng phải nâng cao độ chính xác dự báo. Mạng nơ ron nhân tạo (ANN – Artificial Neural Network) là một trong các phƣơng pháp tiếp cận đánh giá ổn định hệ thống điện thu hút đƣợc nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu do khả năng học hỏi nhanh chóng quan hệ phi tuyến vào/ ra. Bài báo [16,13,21] ứng dụng (MLPNN - Multilayer Perceptron Neural Network) để ƣớc lƣợng biên ổn định quá độ hệ thống điện. Trong chẩn đoán ổn định động có 2 giai đoạn. Một là chẩn đoán dựa vào biến đặc trƣng tiền sự cố ở trạng thái xác lập gồm công suất máy phát, công suất đƣờng dây, điện áp bus, chẩn đoán này mang tính dự phòng ngăn chặn tích cực sớm, vấn đề này áp dụng trong [14,17,20,23,28]. Hai là, chẩn đoán ổn định động dựa vào biến đặc trƣng sau sự cố nhƣ chỉ số mức độ nghiêm trọng, góc , quỹ đạo điện áp, trong chẩn đoán này cho biết trạng thái ổn định sắp tới của hệ thống điện do sự cố gây ra. Trong [25], tác giả kết hợp mạng nơ ron và logic mờ có khả năng tự học và học liên tục, [27] kết hợp phƣơng pháp truyền thống với mạng nơ ron để tăng độ chính xác chẩn đoán. Trong đánh giá ổn định động đƣợc chia làm hai loại chính là chẩn đoán và đánh giá. Chẩn đoán ổn định động thƣờng tập trung vào chỉ số CCT của hệ thống đối với sự cố, CCT là thời gian cắt sự cố dài nhất cho phép để hệ thống vẫn giữ ổn định ứng với góc công suất cắt chuẩn, và 3 giai đoạn sự cố mà hệ thống điện trải qua: trƣớc sự cố, đang sự cố và sau sự cố. Trong đánh giá ổn định động, không cần quan tâm CCT mà cần quan sát quá trình quá độ xảy ra khi gặp sự cố, câu hỏi mấu chốt trong đánh giá ổn định động là sau dao động quá độ kết quả là hệ thống điện ổn định hay HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 4
6. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh không ổn định [19,26], bài toán chẩn đoán ổn định quá độ thƣờng xem xét quá trình trƣớc sự cố và sau sự cố, chẩn đoán ổn định qua xác định góc đồng bộ và thời gian từ lúc dao động đầu tiên. Các nghiên cứu theo hƣớng nhận dạng, mạng nơ ron đánh giá ổn định động hệ thống điện, việc đánh giá dựa vào biến trạng thái sự cố vẫn là một thách thức lớn do quá trình học vẫn còn lỗi không tránh khỏi. Do vậy, cần thiết phát triển hệ thống nhận dạng thông minh có khả năng đánh giá ổn định hệ thống điện thỏa mãn độ chính xác và nâng cao độ tin cậy. Do tính phức tạp của hệ thống điện nếu giải bằng các phƣơng pháp truyền thống mất nhiều thời gian và gây nên sự chậm trễ trong việc ra quyết định, cho nên rất cần giải pháp đánh giá nhanh và tin cậy. Hệ thống nhận dạng thông minh kết hợp phƣơng pháp ANN, có ƣu điểm lớn là khả năng tính toán song song, nhanh và chính xác cao. Một điều quan trọng rằng, để hệ thống nhận dạng thông minh có hiệu suất cao thì các biến đặc trƣng đầu vào phải đƣợc chọn hiệu quả, các biến đặc trƣng này lại gia tăng theo kích cỡ hệ thống điện, cho nên cần phải tìm giải pháp trích xuất giảm biến đặc trƣng, phân loại nhóm dữ liệu biến đặc trƣng giúp cho hệ thống nhận dạng thông minh xử lý dữ liệu một cách nhanh chóng và nâng cao độ chính xác, điều này các công trình đã công bố còn là hạn chế, cho nên đòi hỏi phải có cách mới phân loại mẫu hiệu quả, giúp giải quyết bài toán chẩn đoán nhanh ổn định hệ thống điện và cảnh báo sớm trƣờng hợp không ổn định. ANN là một công cụ tính toán thông minh hiệu suất cao đƣợc lựa chọn cho đánh giá ổn định động hệ thống điện. Hiệu suất của ANN ứng dụng để đánh giá ổn định động hệ thống điện yêu cầu quá trình huấn luyện ANN để bao trùm toàn bộ những dƣ̃ liêụ của kịch bản vận hành hệ thống sẽ không ảnh hƣởng đến cấu hình hệ thống hoặc mức công suất phụ tải. Vì vậy, quá trình lựa chọn những biến đặc trƣng phù hợp là yêu cầu để xây dựng một công cụ tối ƣu để đánh giá chính xác ổn định động hệ thống điện. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 5
7. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh So sánh với những phƣơng pháp đánh giá ổn định khác, những đặc điểm nổi bật của ANN gồm: tốc độ đánh giá ổn định theo thời gian thực, yêu cầu ít dữ liệu hơn, khả năng tổng hợp và mở rộng cao hơn. Điển hình sự phát triển của hệ thống nhận dạng gồm những bƣớc sau: - Tạo cơ sở dữ liệu trong quá trình đánh giá ổn định hệ thống điện - Thiết lập các mẫu dữ liệu ngõ vào/ ngõ ra, lựa chọn những biến đặc trƣng hệ thống phù hợp nhƣ là ngõ vào và chỉ mục ổn định cho ngõ ra - Trích xuất tri thức mà bao gồm mối quan hệ giữa mẫu dữ liệu ngõ vào và ngõ ra cùng thuật toán học - Phê chuẩn, so sánh hiệu suất của ANN Nhận xét chung trong các hƣớng nghiên cứu chẩn đoán/đánh giá ổn định hệ thống điện thì hƣớng ứng dụng ANN, nhận dạng, là hƣớng đƣợc nhiều tác giả quan tâm và tập trung nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Lựa chọn biến đặc trƣng rất quan trọng trong bƣớc xây dựng hệ thống nhận dạng thông minh đánh giá ổn định động hệ thống điện dùng mạng nơ ron. Vấn đề này đƣợc tác giả trong [44] thực hiện nhƣng độ chính xác cần phải đƣợc nghiên cứu thêm. Vì vậy, cũng cần nhấn mạnh đến sự cần thiết giới thiệu một số phƣơng pháp mới để làm phong phú thêm những phƣơng pháp nhận dạng. Mục tiêu của luận văn này nhằm bổ sung những điểm cần thiết trên và đề xuất áp dụng mạng nơ ron song song để nâng cao độ chính xác nhận dạng. 1.1.3. Giá trị thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu đƣợc sử dụng làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học ngành kỹ thuật điện và các điều độ viên hệ thống điện trong nghiên cứu bài toán đánh giá ổn định động hệ thống điện bằng mạng nơ ron. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 6
8. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh 1.2. Mục tiêu của đề tài Xây dựng mạng nơ ron cải tiến bao gồm các mạng nơ ron mắc song song và sử dụng giải thuật bình bầu để tăng độ chính xác đánh giá ổn định động hệ thống điện. 1.3 . Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1.3.1. Nhiệm vụ của đề tài  Nghiên cứu các phƣơng pháp đánh giá ổn định HTĐ.  Nghiên cứu các phần mềm PowerWorld, Neural Network Toolbox trong giai đoạn tạo mẫu và xây dựng mạng nơ ron .  Đánh giá hiệu quả nhận dạng ổn định động hệ thống điện bằng mạng nơ ron đề xuất. 1.3.2. Giới hạn đề tài Đánh giá ổn định động trên hệ thống điện chuẩn: GSO - 37 bus, 9 máy phát với các dạng sự cố xảy ra. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu tài liệu; Mô hình hóa và mô phỏng; Mạng nơ ron; Phân tích, tổng hợp. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 7
9. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Chƣơng 2 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1. Các chế độ hệ thống điện Các chế độ làm việc của hệ thống điện đƣợc 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 thay đổi trong những khoảng thời gian tƣơng đối ngắn, chỉ biến thiên nhỏ xung quanh các trị số định mức, là chế độ bình thƣờng và lâu dài của hệ thống điện, còn đƣợc gọi là chế độ xác lập bình thƣờng. Chế độ sau sự cố hệ thống đƣợc phục hồi và làm việc tạm thời cũng thuộc về chế độ xác lập, mà còn đƣợc gọi là chế độ xác lập sau sự cố. - Chế độ quá độ: là chế độ trung gian chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác. Chế độ quá độ thƣờng diễn ra sau những sự cố hoặc thao tác đóng cắt các phần tử đang mang công suất mà thƣờng đƣợc gọi là các kích động lớn. Chế độ quá độ đƣợc gọi là chế độ quá độ bình thƣờng nếu nó tiến đến chế độ xác lập mới. Trong trƣờng hợp này các thông số hệ thống bị biến thiên nhƣng sau một thời gian lại trở về trị số gần định mức và tiếp theo ít thay đổi. Ngƣợc lại, có thể diễn ra chế độ quá độ với thông số hệ thống biến thiên mạnh, sau đó tăng trƣởng vô hạn hoặc giảm đến 0. Chế độ quá độ đó đƣợc gọi là chế độ quá độ sự cố. 2.2. Ổn định hệ thống điện Ổn định hệ thống điện đề cập đến khả năng của các máy phát điện dịch chuyển từ 1 trạng thái vận hành xác lập đến trạng thái vận hành xác lập khác sau khi bị kích động mà không mất đồng bộ, có 2 loại ổn định hệ thống điện: ổn định tĩnh và ổn định động. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 8
10. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh 2.2.1. Ổn định tĩnh Bao hàm sự biến thiên nhỏ và chậm của những điểm vận hành. Nghiên cứu ổn định tĩnh thƣờng đƣợc thực hiện bởi các chƣơng trình tính toán phân bố công suất, đảm bảo góc pha điện áp trên đƣờng dây không quá lớn, điện áp tại các nút gần với điện áp định mức, máy phát, máy biến áp, đƣờng dây truyền tải và các thiết bị khác không bị quá tải. Hình 2.1: Sơ đồ một hệ thống điện đơn giản P P(δ) Pe Pm a b P0 0 δ01 δ02 Hình 2.2: Đặc tính công suất của máy phát và đặc tính công suất cơ của Tuabin Để có khái niệm rõ hơn về tính chất ổn định tĩnh, xét trạng thái cân bằng công suất của một máy phát trong 1 hệ thống điện đơn giản nhƣ Hình 2.1, tƣơng ứng với đặc tính công suất điện từ của máy phát và đặc tính công suất cơ của Tua- bin Hình 2.2 Trong đó: công suất cơ của Tua-bin đƣợc coi là không đổi và công suất điện từ của máy phát có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng nhƣ (2.1). EU PP  sin e sin  (2.1) X H HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 9
11. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Trong đó: X XXX D (2.2) HFB 2 Trong đó: XH: điện kháng tổng tƣơng đƣơng của hệ thống XF: là điện kháng tƣơng đƣơng của máy phát XB: là điện kháng tƣơng đƣơng của máy biến áp XD: là điện kháng tƣơng đƣơng của một đƣờng dây đơn Hình 2.2 tồn tại 2 điểm cân bằng a và b tƣơng ứng với các góc lệch 01 và 02 Trong đó: Pm 01 arcsin (2.3) Pe Pm 02 180 arcsin (2.4) Pe Pm: là công suất cơ của máy phát Pe: là công suất điện từ của máy phát Tuy nhiên chỉ có điểm cân bằng a là ổn định và tạo nên chế độ xác lập. Thật vậy, giả thuyết xuất hiện một kích động ngẫu nhiên làm lệch góc  khỏi giá trị 01 một lƣợng  0 sau đó kích động triệt tiêu. Khi đó, theo các đặc tính công suất, ở vị trí mới, công suất điện từ P  lớn hơn công suất cơ Pm, do đó máy phát quay chậm lại, góc lệch  giảm đi, trở về giá trị 01 . Khi  0 hiện tƣợng diễn ra theo tƣơng quan ngƣợc lại Pm< P(δ), máy phát quay nhanh lên, trị số góc lệch  tăng, HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 10
12. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh cũng trở về 01 . Nhƣ vậy, điểm a đƣợc coi nhƣ là điểm có tính chất cân bằng hay nói khác đi, điểm a là điểm có tính chất ổn định tĩnh. Xét điểm cân bằng b với giả thiết  0 , tƣơng quan công suất sau kích động sẽ là PPm  , làm góc  tiếp tục tăng lên, xa dần trị số 02 . Nếu  0 tƣơng quan công suất ngƣợc lại làm giảm góc  , nhƣng cũng làm lệch xa hơn trạng thái cân bằng. Nhƣ vậy, tại điểm cân bằng b, dù chỉ tồn tại một kích động nhỏ, sau đó kích động triệt tiêu, thông số của hệ thống cũng thay đổi liên tục lệch xa khỏi trị số ban đầu. Vì thế, điểm cân bằng b bị coi là điểm cân bằng không ổn định. Cũng vì những ý nghĩa trên ổn định tĩnh còn gọi là ổn định với kích động bé hay ổn định điểm cân bằng. Nếu xét nút phụ tải và tƣơng quan cân bằng công suất phản kháng ta cũng có tính chất tƣơng tự. Chẳng hạn, xét một hệ thống điện nhƣ Hình 2.3. Nút phụ tải đƣợc cung cấp từ những nguồn phát. Đặc tính công suất phản kháng nhận đƣợc từ các đƣờng dây về đến nút U có dạng: 2 U UEi QUii cos (2.5) XXDi Di Trong đó: Qi (U): là đặc tính công suất phản kháng theo điện áp U của máy phát thứ i U: là điện áp nút phụ tải XDi: là điện kháng tƣơng đƣơng của đƣờng dây nối từ nút máy phát đến nút phụ tải EEi  i i : là điện áp nút máy phát thứ i Điện áp nút U phụ thuộc vào tƣơng quan cân bằng công suất phản kháng Tổng công suất phát QF (U) = QUi cân bằng với công suất tải Qt tại các điểm c và d nhƣ Hình 2.3, tƣơng ứng với các điện áp U01 và U02. Nếu giữ đƣợc cân HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 11
13. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh bằng công suất, điện áp nút U sẽ không đổi, còn nếu QQFt điện áp nút U sẽ tăng lên, khi QQFt điện áp nút U sẽ giảm xuống. Phân tích tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp công suất tác dụng của máy phát, dễ thấy đƣợc chỉ có điểm cân bằng d là điểm cân bằng ổn định. Với điểm cân bằng c sau một kích động nhỏ ngẫu nhiên điện áp U sẽ xa dần trị số điện áp U01, điều này cũng có nghĩa là điểm cân bằng c là điểm cân bằng không ổn định. E3 E 2 ~ ~ Q Q3 2 E1 ~ Q1 Qt Hình 2.3: Sơ đồ HTĐ xét nút phụ tải và tƣơng quan cân bằng công suất phản kháng Hình 2.4: Đặc tính Q – U 2.2.2. Ổn định động Bao hàm những sự kiện xảy ra theo chu kỳ thời gian dài hơn, điển hình khoảng vài phút. Vai trò của hệ thống điều tốc Tua-bin, hệ thống kích từ, hệ thống chuyển đổi đầu phân áp máy biến áp và các biện pháp điều khiển khác từ trung tâm HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 12
14. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh điều phối có thể tác động đến sự ổn định hoặc không ổn định của hệ thống điện trong vài phút sau khi xảy ra sự cố. Để đơn giản trong nghiên cứu ổn định động, những giả thiết sau đƣợc xây dựng: Chỉ có hệ thống 3 pha cân bằng và ngắn mạch cân bằng đƣợc xét. Sự biến thiên tần số từ tần số đồng bộ là tƣơng đối nhỏ, tác động của sóng hài đƣợc bỏ qua. Vì vậy hệ thống đƣờng dây truyền tải, máy biến áp, tổng dẫn tải chủ yếu là xác lập, điện áp, dòng điện, công suất có thể tính toán từ các phƣơng trình đại số. 2.3. Phƣơng trình dao động Xét tổ máy phát gồm máy phát điện đồng bộ 3 pha và hệ thống truyền động sơ cấp của nó. Chuyển động của rotor đƣợc xác định theo định luật 2 của Newton J m()()()() t T m t T e t T a t (2.6) J = tổng mô-men quán tính của khối lƣợng quay, kgm2 αm = gia tốc góc rotor, rad/s2 Tm = mô-men cơ cung cấp bởi hệ thống truyền động sơ cấp trừ cho mô-men cản ảnh hƣởng bởi tổn hao cơ học, Nm Ta = mô-men tăng tốc Ngoài ra gia tốc góc của rotor đƣợc tính bởi d()() t d2 t ()t mm m dt dt 2 (2.7) dt ()  ()t m m dt (2.8) HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 13
15. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Với ωm = vận tốc góc của rotor, rad/s m = vị trí góc rotor so với trục tĩnh, rad Ở trạng thái xác lập Tm = Te, Ta = 0, từ (2.6), αm = 0, dẫn đến vận tốc rotor không đổi, đƣợc gọi là tốc độ đồng bộ. Khi Tm > Te, Ta > 0, αm > 0, dẫn đến tốc độ rotor tăng. Tƣơng tự khi Tm< Te, dẫn đến tốc độ rotor giảm. Để tiện cho việc đo lƣờng vị trí góc rotor so với khung quy chiếu quay đồng bộ thay thế cho trục tĩnh. Chúng ta định nghĩa m()()()t  msyn t  m t (2.9) msyn = vận tốc góc đồng bộ của rotor, rad/s m = vị trí góc của rotor so với khung quy chiếu trục quay đồng bộ, rad Sử dụng (2.7), (2.6) và (2.9) ta có: d22()() t d t Jmm J T()()() t T t T t (2.10) dt22 dt m e a Ngoài ra để tiện tính toán dạng đại lƣợng công suất hơn là mô-men cũng nhƣ tính toán sử dụng đơn vị tƣơng đối (per unit) hơn là đơn vị thực. Chúng ta nhân  ()t (2.5) với m và chia cho Srated, thì công suất biểu kiến của máy phát đƣợc tính nhƣ sau 2 dtdm()  m () t  m ()(() tTtTt m e ()) ptpt m () e () J2 pmp u()() t p ep u t (2.11) Srated dt S rated S rated Với pmp. u = công suất cơ đƣợc cung cấp từ hệ thống truyền động sƣ cấp trừ đi tổn thất cơ khí, p.u HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 14
16. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh pep. u = công suất của máy phát cộng với tổn hao Cuối cùng để tính toán với hệ số quán tính chuẩn hóa, đƣợc gọi là hằng số H, chúng ta định nghĩa nhƣ sau: 1 2 J msyn H 2 joules/VA (2.12) Srated Hằng số H 1  10 p . u . s . Trong khi J phụ thuộc vào kích thƣớc và loại máy phát. Tính J từ (2.12) và thế vào (2.11) ta có: ()()t d2 t mm (2.13) 2H22 pmp u ( t ) p ep u ( t ) p ap u ( t )  msyn dt Vận tốc góc rotor (p.u) m ()t  pu ()t (2.14) msyn Phƣơng trình (2.8) trở thành 2 2H d ( t ) (2.15) pu ()()()()t2 p mpu t p epu t p apu t syn dt Với máy phát có P cực từ, gia tốc góc (điện) α, tần số góc (điện) ω và góc công suất p ()()tt (2.16) 2 m p ()()tt (2.17) 2 m p ()()tt (2.18) 2 m Tƣơng tự, tần số góc (điện) đồng bộ là HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 15
17. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh p  (2.19) syn2 msyn Tần số ở đơn vị tƣơng đối 2 ()t ()t p  ()t  ()t m (2.20) pu 2 syn msyn p syn Vì vậy, dùng (2.18) – (2.20), (2.15) có thể biểu diễn nhƣ sau: 2 2H d ( t ) (2.21) pu ()()()()t2 p mpu t p epu t p apu t syn dt Thông thƣờng (2.21) đƣợc hiệu chỉnh dƣới dạng sao cho có thể biểu diễn mô-men cản tại mọi thời điểm máy phát biến thiên từ tốc độ đồng bộ của nó, cùng với giá trị tỷ lệ thuận với độ biến thiên tốc độ 22 2Hsyn p u ( t )( d ( t ) ( dt )) dt () p()()/ t p t D  mp u ep u syn dt (2.22) ptap u () Với D 02 Phƣơng trình (2.22) đƣợc gọi là phƣơng trình dao động, phƣơng trình cơ bản để tính toán thuộc tính động của rotor trong nghiên cứu ổn định hệ thống điện. Chú ý rằng, sự phi tuyến ảnh hƣởng bởi ptep u (). Phƣơng trình (2.22) cũng trở nên phi tuyến ảnh hƣởng bởi  pu ()t . Tuy nhiên trên thực tế, tốc độ rotor không thay đổi nhiều so với tốc độ đồng bộ trong suốt quá trình quá độ. Vì vậy, thƣờng giả sử  pu (t ) 1 trong tính toán bằng tay cho (2.22). Phƣơng trình (2.22) là phƣơng trình vi phân bậc 2, có thể viết lại thành 2 phƣơng trình vi phân bậc nhất. Lấy vi phân (2.11), sau đó dùng (2.10), (2.12) – (2.14), chúng ta tìm đƣợc HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 16
18. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh dt () ()t syn (2.23) dt Thế (2.17) vào (2.17), ta có 2H d ( t ) d ( t ) p u()()()/()t p mp u t p ep u t D syn p ap u t (2.24) syn dt dt Phƣơng trình (2.23) và (2.24) là 2 phƣơng trình vi phân bậc nhất. 2.4. Đơn giản hóa mô hình máy phát Hình 2.5. trình bày mô hình đơn giản hóa của máy phát điện, đƣợc gọi là mô hình cổ điển, có thể sử dụng trong nghiên cứu ổn định hệ thống điện. Máy phát ' đƣợc biểu thị bởi hằng số sức điện động E‟, bên cạnh điện kháng quá độ X d . Mô hình này dựa trên những giả thiết sau: Máy phát vận hành dƣới điều kiện cân bằng 3 pha Kích từ máy phát giữ không đổi Tổn hao, bão hòa, sự khác biệt giữa rotor trục lồi và rotor trục ẩn đƣợc bỏ qua Trong chƣơng trình tính toán ổn định, mô hình tính toán chi tiết hơn có thể sử dụng để biểu thị hệ thống kích từ, tổn hao, sự bão hòa Tuy nhiên với mô hình đơn giản hóa sẽ làm giảm đi sự phức tạp của mô hình nhƣng vẫn đảm bảo độ chính xác trong tính toán. Mỗi máy phát trong mô hình kết nối đến hệ thống gồm có đƣờng dây các truyền tải, các máy biến áp, các phụ tải và các máy phát khác. Với sự xấp xỉ đầu tiên, hệ thống có thể đƣợc biểu thị bởi thanh góp vô hạn bên cạnh điện kháng hệ thống. Thanh góp vô hạn là 1 nguồn điện áp lý tƣởng mà duy trì điện áp, góc pha tần số không đổi. HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 17
19. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh Hình 2.5: Mô hình đơn giản hóa máy phát điện (Sơ đồ mạch) Hình 2.6: Mô hình đơn giản hóa máy phát điện (Sơ đồ pha) Hình 2.3. trình bày máy phát kết nối với hệ thống tƣơng đƣơng. Biên độ điện áp Vbus và góc pha 0º của thanh góp vô hạn là hằng số. Góc pha của sức điện động δ là góc công suất tham chiếu theo thanh góp vô hạn. Điện kháng tƣơng đƣơng giữa sức điện động máy phát và thanh góp vô hạn ' là XXXeq d Công suất tác dụng truyền tải từ máy phát đến thanh góp vô hạn là ' EVbus Pe sin (2.25) X eq Trong suốt quá trình xảy ra kích động, E‟, Vbus đƣợc xét là hằng số. Vì vậy pe là hàm sin của góc công suất máy. Hình 2.7: Máy phát kết nối với hệ thống tƣơng đƣơng HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 18
20. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh 2.5. Tiêu chuẩn cân bằng diện tích Xét 1 tổ máy phát kết nối qua điện kháng đến thanh góp vô hạn. Mối quan hệ giữa công suất điện pe và công suất cơ pm theo góc công suất δ đƣợc trình bày trong Hình 2.7, pe là hàm sin của δ theo (2.25). Giả sử tổ máy đang vận hành ở trạng thái xác lập pe = pm = pm0, δ = δ0, khi có một sự thay đổi từ pm đến pm0 xuất hiện tại thời điểm t = 0. Do quán tính của + - + rotor, vị trí của rotor không thể thay đổi tức thời, δm(0 ) = δm(0 ); vì vậy δ(0 ) = - + - + + + δ(0 )=δ0 và pe(0 ) = pe(0 ). Khi pm(0 ) = pm1 > pe(0 ), độ gia tăng công suất pe(0 ) 22 > 0. Khi tiến dần đến δ1, pe = pm1 và ()()d dt dần bằng 0. Tuy nhiên, dδ/dt vẫn > 0 và δ tiếp tục tăng, vƣợt quá điểm xác lập cuối cùng của nó. Khi δ > δ1, pe > pm, pa pe trong suốt khoảng giá trị δ0 < δ < δ1 và rotor tăng tốc. Diện tích A1 nằm giữa pm và pe. trong suốt khoảng giá trị δ1 < δ < δ2, pm < pe , rotor giảm tốc, phần diện tích A2 đƣợc gọi là diện tích giảm tốc. Tại giá trị xác lập ban đầu δ = δ0 và giá trị cực đại δ = δ2, dδ/dt = 0. Phát biểu của tiêu chuẩn cân bằng diện tích đó là A1 = A2. Để tìm tiêu chuẩn bằng diện tích cho hệ thống điện gồm 1 máy liên kết với thanh góp vô hạn, giả sử  pu (t ) 1 trong (2.21), ta có HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 19
21. Luận văn thạc sĩ GVHD:PGS.TS Quyền Huy Ánh 2Hd2 2 ppmp u ep u (2.26) syn dt Nhân 2 vế với dδ/dt 2 d d d  d 2  2 2 dt dt dt dt Phƣơng trình (2.26) trở thành 2 2H d2 d  H d d  d  pp (2.27) 2 mp u ep u syn dt dt syn dt dt dt Nhân (2.27) với dt và lấy tích phân từ δ0 = δ, 2 Hd  d p p d  mp u ep u 00 syn dt 2 Hd   Hoặc  p p d (2.28) 0  mp u ep u 0 syn dt Quá trình tích phân trên bắt đầu tại δ0, với dδ/dt = 0 và tiếp tục đến một giá trị tùy ý δ. Khi δ đạt đến giá trị cực đại, ký hiệu δ2, dδ/dt = 0 thêm lần nữa. Vì vậy phía bên phải của (2.28) bằng 0, cho trƣờng hợp δ = δ2, 2 p p d 0 (2.29)  mp u ep u 0 Tách tích phân thành phần diện tích dƣơng cho trƣờng hợp tăng tốc, diện tích âm cho trƣờng hợp giảm tốc, chúng ta tìm đƣợc tiêu chuẩn cân bằng diện tích  12p p d p p d 0  mp u ep u mp u ep u 00 12 Hoặc pmp u p ep u d p mp u p ep u d 0 (2.30) 00  AA12 Trên thực tế sự thay đổi đột ngột công suất truyền động cơ học thƣờng không xảy ra, khi hằng số thời gian liên quan đến hệ thống truyền động sơ cấp đƣợc yêu HVTH: Nguyễn Thanh Tính trang 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4