Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Giới thiệu chung
Đặt vấn đề
1.1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu sụp đổ điện áp trong hệ thống điện là rất cần thiết để phân tích ổn định điện áp, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống điện phức tạp của Việt Nam, nơi thường xuyên phải đối mặt với tình trạng quá tải trong mùa khô Khi điện áp tại các nút giảm xuống dưới mức cho phép, hệ thống điện sẽ trở nên không ổn định Nguyên nhân chính gây ra sự giảm điện áp này là do sự thay đổi tải, và nếu có biến động lớn về phụ tải trong hệ thống, sẽ dẫn đến những tác động không mong muốn.
+ Điện áp, tần số tại các nút trong hệ thống điện giảm xuống thấp quá mức không thể duy trì trạng thái làm việc bình thường
Hệ thống điện hoàn toàn bị tan rã, dẫn đến việc các rơ le điện áp thấp tự động ngắt tải, đồng thời máy phát điện bị cắt khỏi lưới và ngừng hoạt động.
Từ những lý do đã nêu, việc tìm kiếm khoảng cách ngắn nhất k min là rất cần thiết để tránh tình trạng mất ổn định điện áp, hỗ trợ cho việc vận hành và theo dõi tình trạng nguy hiểm có thể gây bất lợi cho hệ thống điện.
1.1.2 Mục đích của đề tài
Xác định khoảng cách ngắn nhất k min là yếu tố quan trọng để tránh mất ổn định điện áp, vì tình trạng này có thể dẫn đến sụp đổ điện áp Việc này giúp định hướng vận hành hệ thống điện một cách an toàn và hiệu quả.
1.1.3 Nhiệm vụ của đề tài
+ Nghiên cứu tìm hiểu về phép phân tích modal để xác định giá trị riêng, véc tơ riêng của ma trận Jacobian giản lược của hệ thống
+ Ứng dụng để xác định khoảng cách ngắn nhất dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
Phương pháp nghiên cứu
Phân tích tài liệu cho thấy việc áp dụng phương pháp phân tích giá trị riêng và véc tơ riêng của ma trận Jacobian là cách hiệu quả để xác định khoảng cách ngắn nhất dẫn đến mất ổn định điện áp trong hệ thống điện.
+ Mô phỏng tính toán: sử dụng phần mềm Matlab trong việc xử lý số liệu và biểu diễn các kết quả tính toán
+ Dữ liệu mô phỏng tính toán: sử dụng số liệu phụ tải điện trong mô hình hệ thống điện cho trước.
Tính cần thiết của đề tài
Hệ thống điện là một yếu tố then chốt trong sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia, đóng vai trò như một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất Hệ thống này thường được chia thành ba phần chính.
Nguồn điện bao gồm các nhà máy phát điện đa dạng như nhiệt điện than, nhiệt điện khí, thủy điện, điện hạt nhân và nhiều loại hình phát điện khác.
+ Phần truyền tải: đây cũng có thể được coi là hệ thống xương sống của một hệ thống điện bao gồm các đường dây và trạm biến áp
Phần phân phối điện là nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải, đồng thời đây cũng là phần có nhiều nút nhất trong hệ thống điện với đa dạng loại phụ tải Để đảm bảo hệ thống điện hoạt động bình thường, cần thỏa mãn các điều kiện về an ninh, độ tin cậy, chất lượng điện năng và yêu cầu kinh tế.
Tuy nhiên, các hệ thống điện nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn:
Sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải, đặc biệt tại Việt Nam với tỷ lệ tăng từ 15-20% mỗi năm, đang tạo ra thách thức lớn cho ngành điện và đất nước Điều này đòi hỏi phải tìm ra giải pháp để đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng cao.
Sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như than đá, dầu mỏ, khí đốt và nguồn thủy điện đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn cầu Chúng ta đang đối mặt với tình trạng suy giảm năng lượng sơ cấp và giá nhiên liệu gia tăng Nguồn thủy điện cạn kiệt đồng nghĩa với việc tiềm năng đã được khai thác gần hết, gây áp lực lớn lên ngành điện Mặc dù công nghệ hạt nhân có thể là một giải pháp, nhưng việc áp dụng nó trong sản xuất điện tại Việt Nam vẫn gặp nhiều thách thức, bao gồm vấn đề công nghệ, an toàn, cung cấp nhiên liệu và yêu cầu vốn đầu tư lớn.
+ Thứ ba là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng lượng tái tạo
Các nhà máy phát điện phân tán giúp giảm áp lực cho ngành điện bằng cách đáp ứng nhu cầu phụ tải, giảm tổn thất và tiết kiệm chi phí truyền tải, đồng thời tận dụng năng lượng tái tạo Tuy nhiên, sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất trong cả truyền tải và phân phối đã làm thay đổi khái niệm về hệ thống điện phân phối truyền thống, gây khó khăn trong việc quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển hệ thống điện.
Việt Nam đang đối mặt với áp lực môi trường từ các nhà máy điện, vì vậy cần xem xét cẩn thận khi quyết định đầu tư vào các nhà máy nhiệt điện than và đập thủy điện lớn.
Xu hướng thị trường hóa ngành điện đang làm thay đổi hoàn toàn khái niệm về hệ thống điện truyền thống Điều này cho phép các doanh nghiệp tham gia vào việc xây dựng nhà máy điện và kinh doanh điện, mở ra cơ hội mới cho nguồn và phân phối điện.
Các hệ thống điện hiện nay hoạt động gần với giới hạn ổn định và rất nhạy cảm với sự cố, đặc biệt là hiện tượng sụp đổ điện áp Do đó, nghiên cứu về ổn định điện áp trở thành nhu cầu cấp thiết cho hệ thống điện nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói riêng Luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu và mô phỏng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ ngành điện trong việc thiết kế, vận hành và điều khiển hệ thống, từ đó nâng cao ổn định điện áp và đảm bảo độ tin cậy trong cung cấp điện.
Hệ thống điện Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức do yếu tố lịch sử, địa lý và sự phát triển nhanh chóng, dẫn đến sự phức tạp trong tính toán, thiết kế và điều khiển Những vấn đề kỹ thuật, đặc biệt là nghiên cứu về ổn định điện áp, cần được giải quyết Luận văn này thực hiện các nghiên cứu nhằm xác định khoảng cách nhỏ nhất gây ra sự sụp đổ điện áp, từ đó góp phần nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Trong luận văn này, chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu hiện tượng sụp đổ điện áp, đặc biệt là xác định khoảng cách ngắn nhất có thể dẫn đến mất ổn định điện áp cho hệ thống điện.
Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Vào năm 2000, tác giả Amer AL-Hinai đã tiến hành nghiên cứu về "Dự đoán sự sụp đổ điện áp trong hệ thống điện liên kết" Nghiên cứu dựa trên việc khảo sát trị riêng của ma trận Jacobian được xây dựng từ bài toán phân bố công suất, từ đó tác giả đã đánh giá được tình trạng ổn định hoặc mất ổn định của hệ thống điện.
Có 5 trạng thái sắp sụp đổ trong hệ thống điện Tác giả đã sử dụng các véc tơ riêng bên phải và bên trái để xác định vị trí các nút có nguy cơ gây ra sụp đổ điện áp trong các hệ thống điện mô phỏng Các khảo sát này được thực hiện theo thứ tự nhất định.
Hình 1.1 Điện áp tại các nút của hệ thống điện 9 nút
Hình 1.2 Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện 9 nút
Sau khi phân bố công suất, nút 5 được xác định là nút có điện áp thấp nhất và hệ số tham gia cao nhất Điều này cho thấy nút 5 có nguy cơ cao nhất dẫn đến sụp đổ điện áp.
Hình 1.3 Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút
Hình 1.4 Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 14 nút
Sau khi phân tích công suất, nút 14 được xác định có điện áp tương đối thấp và hệ số tham gia cao nhất Điều này cho thấy nút 14 có nguy cơ cao nhất dẫn đến tình trạng sụp đổ điện áp.
+ Hệ thống điện IEEE 30 nút
Hình 1.5 Điện áp tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút
Hình 1.6 Hệ số tham gia tại các nút của hệ thống điện IEEE 30 nút
Sau khi phân tích công suất, nút 30 được xác định là nút có điện áp thấp nhất và hệ số tham gia cao nhất Điều này cho thấy nút 30 có nguy cơ cao nhất dẫn đến sụp đổ điện áp.
Năm 2008, tác giả Nguyễn Đăng Toản đã thực hiện nghiên cứu liên quan đến “ Ngăn chặn sụp đổ điện áp trong hệ thống điện”
Năm 2009, Đinh Thành Việt cùng các cộng sự đã nghiên cứu "Xây dựng chương trình vẽ đường cong P-V và xác định điểm sụp đổ điện áp trong hệ thống điện" Nghiên cứu này sử dụng phương pháp phân bố công suất liên tục qua hai bước: dự đoán theo phương cát tuyến và hiệu chỉnh theo phương pháp giao điểm trực giao Qua đó, nhóm đã phân tích đường cong P-V của các nút để đánh giá ổn định điện áp và xác định điểm sụp đổ điện áp Dựa trên thuật toán phân bố công suất liên tục, chương trình vẽ đường cong P-V và xác định điểm sụp đổ điện áp được xây dựng bằng phần mềm MATLAB Kết quả đã được kiểm tra với hệ thống điện mẫu IEEE 14 nút, cho thấy các phân tích cụ thể về đường cong P-V thu được.
Năm 2010, Đặng Hoài Nam đã tiến hành nghiên cứu về các yếu tố ảnh hưởng đến sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu sử dụng phần mềm PSS/E để mô phỏng các sự cố và đề xuất biện pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp thông qua việc sử dụng rơ le sa thải phụ tải khi điện áp thấp.
Năm 2011, Trương Trọng Chưởng đã tiến hành nghiên cứu về đặc trưng sụp đổ điện áp trong lưới điện có kết nối với nhà máy điện gió Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát độ ổn định của lưới điện tại nút kết nối chung (PCC) khi thay đổi mức công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện gió, nhằm xác định các điều kiện làm việc giới hạn trước khi xảy ra hiện tượng sụp đổ điện áp.
Năm 2013, các tác giả Hồ Đắc Lộc, Huỳnh Châu Duy và Ngô Cao Cường đã thực hiện các nghiên cứu liên quan đến, “Dự báo sụp đổ điện áp
Phương pháp phân tích trị riêng trong hệ thống điện cho phép đánh giá trạng thái ổn định, mất ổn định hoặc sụp đổ của hệ thống Thuật toán này cũng xác định các nút có khả năng gây ra sụp đổ điện áp, từ đó giúp cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống và khắc phục tình trạng sụp đổ điện áp.
Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn là như sau:
+ Chương 1 - Giới thiệu chung Chương này trình bày tính cần thiết, đặt vấn đề và phương pháp nghiên cứu,
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết về sụp đổ điện áp trong hệ thống điện, tập trung vào việc trình bày các nguyên tắc cơ bản của ổn định hệ thống điện Nội dung chương này cũng phân tích nguyên nhân dẫn đến hiện tượng sụp đổ điện áp và các vấn đề liên quan, giúp người đọc hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của việc duy trì ổn định điện áp trong hệ thống điện.
Chương 3 - Dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện cung cấp phương pháp luận chi tiết cho việc thực hiện dự báo hiện tượng sụp đổ điện áp, nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và bảo đảm ổn định cho hệ thống điện.
+ Chương 4 - Mô phỏng dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện + Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai
Cơ sở lý thuyết sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Hệ thống điện
2.1.1 Khái niệm về hệ thống điện
Hệ thống điện bao gồm các thành phần tham gia vào sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng, được chia thành hai nhóm chính.
Các phần tử tự lực như máy phát, đường dây truyền tải điện và thiết bị sử dụng điện đảm nhiệm vai trò sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng.
Các phần tử điều chỉnh trong hệ thống điện có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và biến đổi trạng thái, bao gồm điều chỉnh kích từ trong máy phát đồng bộ, điều chỉnh biến tần, bảo vệ rơle và máy cắt điện.
Mỗi phần tử trong hệ thống điện được xác định bởi các thông số vật lý, như tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp và hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích từ Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất và hoạt động của hệ thống điện.
2.1.2 Khái niệm về ổn định hệ thống điện
Trong hệ thống điện, phân chia ổn định hệ thống theo 2 dạng: Ổn định tĩnh và ổn định động
+ Ổn định tĩnh: là khả năng của hệ thống sau những kích động nhỏ phục hồi được chế độ ban đầu hoặc rất gần với chế độ ban đầu
Ổn định động là khả năng của hệ thống phục hồi về trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu sau khi chịu những kích động lớn, đảm bảo hoạt động trong giới hạn cho phép.
Bài toán ổn định trong hệ thống điện là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu để giảm thiểu tình trạng mất ổn định Nó bao gồm nhiều khía cạnh, như ổn định tĩnh và ổn định động, cũng như các vấn đề liên quan đến dao động công suất Để quản lý dao động công suất hiệu quả, cần có thiết bị tự động điều khiển nhằm phục hồi hệ thống nhanh chóng về trạng thái bình thường, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải điện và cải thiện các tiêu chí đánh giá ổn định hệ thống.
2.1.3 Khái niệm về ổn định điện áp Ổn định điện áp là khả năng của một hệ thống điện duy trì được giá trị điện áp tại các nút trong một phạm vi cho phép ở điều kiện vận hành bình thường hoặc sau khi có nhiễu (tùy vào tính chất của mỗi nút trong hệ thống điện mà cho phép điện áp dao động trong những phạm vi khác nhau) Đường cong V – Q trong việc phân tích ổn định điện áp:
Dựa trên kết quả phân bố công suất của hệ thống điện, có thể xây dựng các đường cong V - Q cho các nút điện áp yếu, như minh họa trong Hình 2.1 Từ các đường cong này, ta có thể đánh giá tính ổn định của điện áp hệ thống, xác định xem nó có ổn định hay đang gần tới trạng thái sụp đổ Hình 2.1 cho thấy trục Q đại diện cho công suất.
Để duy trì điện áp ổn định, cần điều chỉnh 12 suất phản kháng tại các nút khác nhau Giới hạn công suất phản kháng xác định khoảng cách từ điểm MVAr vận hành đến điểm tới hạn công suất phản kháng, nằm ở đáy đường cong Đường cong này là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá sự mất ổn định điện áp Gần đỉnh đường cong V - Q, độ nhạy rất cao, và giao điểm giữa đường giới hạn ổn định và đường cong V - Q xác định điểm tới hạn ổn định Khu vực phía trên đường giới hạn là vùng ổn định, trong khi phía dưới là vùng không ổn định; do đó, hệ thống hoạt động ổn định hơn khi điểm vận hành cách xa điểm giới hạn ổn định.
2.1.3.1 Ổn định điện áp khi có dao động nhỏ
Khả năng của hệ thống điện vẫn còn duy trì được điện áp ổn định khi chịu tác động nhỏ như phụ tải tăng
2.1.3.2 Ổn định điện áp khi có dao động lớn
Hệ thống điện có khả năng duy trì điện áp ổn định ngay cả khi gặp phải các tác động lớn như mất nguồn phát điện hoặc sự cố trên đường dây.
2.1.4 Các chế độ làm việc hệ thống điện
Các chế độ làm việc của hệ thống điện chia làm hai loại chính: chế độ xác lập và chế độ quá độ
Chế độ xác lập là trạng thái mà các thông số của hệ thống không thay đổi hoặc chỉ biến thiên nhỏ trong khoảng thời gian ngắn, thường được gọi là chế độ xác lập bình thường khi hệ thống hoạt động ổn định lâu dài Ngoài ra, chế độ xác lập sau sự cố cũng thuộc về trạng thái này, khi hệ thống phục hồi và hoạt động tạm thời sau sự cố.
Chế độ quá độ là giai đoạn trung gian, diễn ra sau những sự cố, giúp chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác.
Chế độ quá độ trong hệ thống điện có thể chia thành hai loại: chế độ quá độ bình thường và chế độ quá độ sự cố Chế độ quá độ bình thường xảy ra khi các thông số hệ thống biến thiên nhưng sau một thời gian trở về gần giá trị định mức và ổn định Ngược lại, chế độ quá độ sự cố diễn ra với sự biến thiên mạnh của các thông số, có thể dẫn đến sự tăng trưởng vô hạn hoặc giảm xuống 0.
2.1.5 Phân loại ổn định hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại theo các tiêu chí như ổn định góc rotor, điện áp và tần số Sơ đồ dưới đây minh họa quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện.
Hình 2.2 Phân loại ổn định trong hệ thống điện
Sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Mất ổn định điện áp hay sụp đổ điện áp là sự cố nghiêm trọng trong hệ thống điện, dẫn đến mất điện trên diện rộng và gây thiệt hại lớn về kinh tế, chính trị và xã hội Điện năng đóng vai trò then chốt trong sản xuất, và nhiều quốc gia hiện nay tính toán thiệt hại do mất điện theo đơn vị phút thay vì giờ Để đảm bảo ổn định hệ thống điện, cần chú trọng đến các yếu tố như ổn định góc rotor, ổn định khi mất cân bằng nhỏ, ổn định quá độ, cũng như ổn định điện áp trong cả hai trường hợp dao động lớn và nhỏ.
Ngắn hạn Dài hạn Ổn định tần số Ổn định điện áp
Việc phân tích sự mất ổn định điện áp tại Việt Nam cần được chú trọng hơn, đồng thời cần áp dụng các biện pháp hiệu quả để ngăn ngừa tình trạng sụp đổ điện áp.
Hệ thống điện đóng vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia Sự phát triển kinh tế, áp lực môi trường, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và nhu cầu phụ tải tăng nhanh khiến hệ thống điện ngày càng mở rộng về quy mô và phức tạp trong thiết kế cũng như vận hành, dẫn đến việc hoạt động gần giới hạn ổn định Hệ thống điện thường được chia thành ba phần chính.
+ Phần phát điện: bao gồm các nhà máy phát điện như nhiệt điện than, khí
+ Phần truyền tải: bao gồm các đường dây và trạm biến áp
Phần phân phối điện áp là nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp điện trực tiếp cho các phụ tải Đây cũng là phần thường xuyên gây ra sự mất ổn định trong hệ thống điện.
Hệ thống điện Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng, bao gồm sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên như thủy điện và than đá, cùng với khó khăn trong việc ứng dụng công nghệ mới như điện hạt nhân do lo ngại về an toàn và vốn đầu tư Những vấn đề này đã khiến hệ thống điện gần đạt giới hạn ổn định, trở nên nhạy cảm với sự cố Nghiên cứu cho thấy, sự sụp đổ của hệ thống điện chủ yếu xảy ra do tải quá nặng hoặc mất ổn định điện áp.
Gần đây, một số sự cố cảnh báo về sự tan rã hoặc đổ vỡ của hệ thống điện đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng, cho thấy tính cấp thiết của việc cải thiện và bảo trì hạ tầng điện lực.
Vào ngày 08/07/2012, lưới điện quốc gia Việt Nam đã trải qua sự cố mất điện kéo dài gần 2 giờ tại các tỉnh miền Trung, từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi, cùng với các tỉnh Đắc Nông và Đắc Lắc Nguyên nhân chính của sự cố này là do phụ tải điện tăng cao trong khi sản lượng phát điện từ các nhà máy thủy điện lại thấp.
Vào ngày 19/12/1978, hệ thống điện tại Pháp đã gặp sự cố tan rã nghiêm trọng trong bối cảnh nước này đang nhập khẩu điện năng từ các quốc gia lân cận Sự gia tăng phụ tải đã góp phần vào tình trạng này, gây ra những ảnh hưởng đáng kể đến nguồn cung điện.
Vào khoảng 7 giờ đến 8 giờ, nhu cầu phụ tải điện đã tăng lên 4600 MW, tăng 1600 MW so với ngày hôm trước Sự gia tăng này dẫn đến việc điện áp giảm từ 8 giờ 5 phút đến 8 giờ 10 phút, buộc các nhân viên vận hành phải khóa bộ tự động điều áp dưới tải của các máy biến áp trên lưới cao áp Đến 8 giờ 20 phút, điện áp tại các nút trên lưới truyền tải 400 kV đã giảm xuống còn 342 kV - 374 kV Một số đường dây bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, làm tình hình điện áp càng trở nên nghiêm trọng và dẫn đến sụp đổ điện áp Trong quá trình khôi phục hệ thống, một sự cố sụp đổ điện áp khác đã xảy ra, gây ra thiệt hại cho 29 GW tải và tổng năng lượng không truyền tải được lên đến 100 GWh, với thiệt hại ước tính từ 200 - 300 triệu USD Nguyên nhân chính là sự mất ổn định và sụp đổ điện áp kéo dài trong 26 phút.
Vào ngày 04/08/1982, một sự cố nghiêm trọng đã xảy ra tại hệ thống điện Bỉ khi một tổ máy 700 MW dừng hoạt động trong quá trình thí nghiệm sau bảo dưỡng Sau 45 phút, bộ phận giới hạn kích từ của hai tổ máy khác đã giảm công suất phản kháng, dẫn đến việc ba tổ máy khác bị cắt ra chỉ sau ba đến bốn phút Khoảng thời gian 3 phút 20 giây, điện áp tại một số nút của các nhà máy giảm xuống 0,82 đvtđ, và đến 4 phút 30 giây, hai máy phát khác bị cắt ra do rơle tổng trở, gây ra sự sụp đổ điện áp trong toàn bộ hệ thống.
Vào ngày 27/12/1983, Thụy Điển trải qua sự cố tan rã hệ thống điện nghiêm trọng do hư hỏng một bộ dao cách ly và sự cố tại một trạm biến áp ở phía tây Stockholm Sự cố này đã dẫn đến việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và hai đường dây 400 kV Chỉ sau khoảng 8 giây, một đường dây 220 kV cũng bị cắt ra do bảo vệ quá dòng, làm giảm điện áp của hệ thống điện Sự giảm điện áp khiến các máy biến áp với bộ điều áp dưới tải hoạt động, càng làm cho điện áp trên các đường dây truyền tải giảm sâu và dòng điện từ phía bắc đến miền nam tăng cao Khoảng 55 giây sau, một đường dây 400 kV nữa bị cắt ra, gây ra việc tách hệ thống điện Thụy Điển thành hai phần Bắc và Nam Hệ thống cũng đã trải qua các hiện tượng sụp đổ tần số và điện áp, dẫn đến việc sa thải phụ tải.
16 không có hiệu quả trong việc cứu vãn hệ thống điện khỏi sự cố sụp đổ
Vào ngày 17/05/1985, một sự cố nghiêm trọng đã xảy ra tại hệ thống điện Florida, Mỹ, khi một sự cố phóng điện dẫn đến việc cắt ba đường dây 500 kV đang mang tải nhẹ Sự cố này đã gây ra sự sụp đổ điện áp và tan rã hoàn toàn hệ thống điện chỉ trong vài giây, làm mất khoảng 4292 MW tải Nguyên nhân chính của sự cố này là quá trình sụp đổ điện áp trong giai đoạn quá độ.
Vào ngày 23/07/1987, hệ thống điện Tokyo gặp sự cố nghiêm trọng do thời tiết nóng bức, dẫn đến nhu cầu tiêu thụ điện tăng cao từ hệ thống điều hòa Tải điện tăng khoảng 1% mỗi phút, tương đương 400 MW, nhưng mặc dù các tụ bù đã được sử dụng hết, điện áp trên hệ thống truyền tải 500kV vẫn giảm xuống Sau 20 phút, điện áp tụt xuống còn khoảng 0,75 đvtđ, khiến các hệ thống bảo vệ rơle tự động ngắt một số phần của hệ thống và giảm tải 8000 MW Nguyên nhân chính của sự cố là quá trình sụp đổ điện áp kéo dài.
Vào tháng 8/1992, hệ thống điện tại Phần Lan gặp sự cố tan rã do hoạt động gần với giới hạn an ninh cho phép và lượng công suất nhập khẩu lớn từ Thụy Điển Tại miền Nam Phần Lan, chỉ có 3 tổ máy kết nối trực tiếp với hệ thống truyền tải 400 kV Việc mất một tổ máy 735 MW cùng lúc với bảo dưỡng định kỳ một đường dây 400 kV đã làm giảm công suất phản kháng, dẫn đến điện áp trên lưới 400 kV giảm xuống còn 344 kV Để khôi phục điện áp, các nhà máy điện dùng tuabin khí đã được khởi động và một lượng phụ tải đã được sa thải.
Vào ngày 02/07/1996, sự cố tan rã hệ thống điện xảy ra tại các bang miền Tây nước Mỹ (Western Systems Coordination Council - WSCC), bắt đầu từ vùng Wyoming và Idaho lúc 14 giờ 24 phút 37 giây Hệ thống điện đang chịu tải nặng trong bối cảnh nhiệt độ khu vực miền nam Idaho và Utah đạt khoảng 38 độ C, cùng với lượng công suất truyền tải từ vùng Pacific Northwest về California ở mức cao.
- Đường dây liên lạc AC: 4300 MW với giới hạn là 4800 MW
- Đường dây liên lạc DC: 2800 MW với giới hạn là 3100 MW
Nguyên nhân sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Sự cố sụp đổ điện áp là hiện tượng phức tạp với nhiều nguyên nhân khác nhau, thường xảy ra khi một hệ thống điện trải qua quá trình chia tách, mất đường dây, hoặc sự cố ở máy phát điện Kết quả cuối cùng là hệ thống bị phân chia hoàn toàn thành các vùng và khu vực cách ly nhau.
Một số các nguyên nhân chính như sau:
+ Nguyên nhân đầu tiên bắt đầu từ khâu quy hoạch và thiết kế
Dự đoán sai nhu cầu phụ tải có thể dẫn đến thiếu hụt năng lượng cung cấp, như trường hợp sự cố tan rã hệ thống điện Hy Lạp năm 2004.
Trong giai đoạn hiện nay, việc tuân thủ các tiêu chuẩn an ninh trong thiết kế hệ thống điện là vô cùng quan trọng Mặc dù không thể đảm bảo an ninh tuyệt đối cho tất cả các sự cố, nhưng một số hệ thống điện cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn Thiết kế và cài đặt sai các thông số bảo vệ cũng là nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố sụp đổ hệ thống điện Chẳng hạn, việc cài đặt các thông số bảo vệ khác nhau cho hai đầu đường dây liên lạc giữa hai quốc gia trong hệ thống điện châu Âu đã gây ra sự cố nghiêm trọng ở nhiều nước châu Âu.
Việc thay đổi cấu trúc hệ thống và điều chỉnh quan điểm vận hành theo thị trường điện vào năm 2006 cần được xem xét một cách cẩn thận trong quá trình quy hoạch và thiết kế.
Sự cố sụp đổ điện áp trong hệ thống điện có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân nguy hiểm trong quá trình vận hành Trong môi trường thị trường điện, sự hiện diện của nhiều hệ thống điện con và hệ thống truyền tải xương sống làm cho hệ thống điện trở nên phức tạp hơn Tỷ lệ lớn của hệ thống điện phân tán khiến cho việc quản lý và vận hành trở nên khó khăn, đặc biệt khi có nhiều hợp đồng mua bán điện và dòng chảy công suất liên tục thay đổi Điều này dẫn đến việc các nhà vận hành có thể không nắm rõ tình hình hệ thống, gây ra thiếu sự phối hợp trong việc phòng ngừa sự cố giữa các trung tâm điều độ, như sự cố lưới điện Thụy Sỹ - Italy năm 2003 và lưới điện châu Âu năm 2006.
Trong quá trình bảo dưỡng thiết bị điện, có nhiều nguy cơ tiềm ẩn, đặc biệt là khi thực hiện các công việc bảo trì bất thường hoặc khi thiết bị quá cũ mà không được bảo dưỡng định kỳ Thiếu đào tạo thường xuyên cho những người vận hành hệ thống điện và sự phối hợp giữa các trung tâm điều độ cũng có thể dẫn đến sự cố nghiêm trọng Ví dụ, các sự cố mất điện nghiêm trọng đã xảy ra ở London (Anh) năm 2003, Moscow (Nga) năm 2005 và nhiều quốc gia châu Âu năm 2006.
Ngoài các nguyên nhân chủ quan, nhiều yếu tố khách quan như hư hỏng bất thường của thiết bị bảo vệ và hệ thống quản lý năng lượng đã làm cho kỹ sư không thể giám sát tình trạng hoạt động hiệu quả Một ví dụ điển hình là sự sụp đổ hệ thống điện ở Bắc Mỹ - Canada năm 2003 Thêm vào đó, các điều kiện thời tiết cực đoan như nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, cùng với hiện tượng thiên nhiên, cũng góp phần làm tăng tải bất thường và gây hư hỏng thiết bị, tạo ra những điều kiện bất lợi cho hệ thống điện và là nguyên nhân dẫn đến các sự cố.
Các phương pháp khắc phục sụp đổ điện áp
Tan rã hệ thống điện thường xuất phát từ chuỗi sự kiện liên quan, mà nếu xảy ra đơn lẻ, có thể được giám sát Nguyên nhân của vấn đề này có thể bắt nguồn từ giai đoạn lập quy hoạch và thiết kế trong điều kiện vận hành hiện tại Để ngăn chặn tình trạng mất điện trong tương lai, nhiều khuyến nghị quốc tế đã được đưa ra, bao gồm nhiều khía cạnh cần được thực hiện.
2.4.1 Giai đoạn quy hoạch và thiết kế
Trong giai đoạn hiện nay, việc dự báo phụ tải cần được thực hiện một cách cẩn thận nhằm nhận diện các xu hướng tăng trưởng và khả năng tải tối đa Điều này giúp xác định thời gian cần thiết để xây dựng các đường dây truyền tải mới hoặc các nhà máy điện bổ sung.
Việc phân tích tất cả các kịch bản sự cố trong hệ thống điện là điều không khả thi, vì vậy cần tập trung vào các sự cố ngẫu nhiên với xác suất xảy ra cao nhất Để thực hiện điều này, cần sử dụng mô hình chính xác của các thành phần trong hệ thống điện nhằm phân tích các sự cố và hiện tượng ngẫu nhiên một cách hiệu quả.
Nghiên cứu quy hoạch bình thường thường không thể bao quát hết tất cả các kịch bản có thể xảy ra, dẫn đến tình trạng tan rã hệ thống điện Điều này xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau và cách thức vận hành của hệ thống điện.
Các bài học từ những sai lầm trong quá khứ cần được tích hợp vào các kịch bản mới, đồng thời áp dụng kinh nghiệm đã có để phát triển công nghệ mới và cải tiến hệ thống điều khiển cũng như giám sát.
Nâng cấp các trạm biến áp hiện có và thay thế thiết bị quan trọng là việc cần thiết để phòng ngừa sự cố Đồng thời, việc phát quang hành lang tuyến cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
24 thực hiện thường xuyên như là một biện pháp phòng ngừa sự cố, đặc biệt là phóng điện từ dây dẫn vào cây cối
Các thiết bị thiết bị giám sát, điều khiển nên được kiểm tra thường xuyên nhằm phát hiện sớm những sự cố xảy ra
Đào tạo cho kỹ sư vận hành hệ thống điện và nhân viên là rất quan trọng và cần được khuyến khích Kỹ sư vận hành cần có trình độ cao để nhận diện các tình huống nguy hiểm và đưa ra biện pháp ứng phó kịp thời và chính xác.
2.4.3 Các vấn đề liên quan đến vận hành hệ thống điện
+ Bảo đảm độ tin cậy, tính dự phòng của các thiết bị điều khiển từ xa và thông tin liên lạc
+ Nâng cao khả năng ghi nhớ, đặc biệt là trong việc thiếp lập sự đồng bộ hóa về thời gian
+ Thiết lập các yêu cầu về việc báo cáo các gói dữ liệu được xác định trước, và tiêu chuẩn hóa việc định dạng dữ liệu
Người vận hành và các trung tâm điều khiển hệ thống điện cần thể hiện tinh thần trách nhiệm và hợp tác để đưa ra những quyết định kịp thời và chính xác.
2.4.4 Giám sát sự cố Để tạo điều kiện tìm hiểu biết tốt hơn các nguyên nhân gây ra tan rã hệ thống điện và phân tích đầy đủ sau sự cố, cần phải có cả việc phân tích và giám sát các sự cố Công việc này đã dẫn đến sự phát triển của khái niệm hệ thống đo lường diện rộng
+ Tinh chỉnh quá trình nhập, phân tích và báo dữ liệu Điều này cũng phải bao gồm việc phát triển nhân viên và các nguồn lực
+ Thiết lập một trang thông tin điện tử để cho phép tự do trao đổi dữ liệu, tài liệu, và phần mềm và từ đó thúc đẩy phát triển
+ Mở rộng việc sưu tập các sự kiện chuẩn và tín hiệu động để xác định
25 một dải những chế độ làm bình thường của hệ thống
+ Thực hiện các nghiên cứu liên quan đến khả năng xử lý của hệ thống giám sát
Việc tự động thực hiện báo cáo sự cố và nhanh chóng khôi phục hệ thống điện là rất quan trọng để giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố Do đó, cần nghiên cứu các biện pháp để đo lường và rút ngắn thời gian phục hồi Các kỹ sư vận hành cần được đào tạo thường xuyên và thực hành trong việc phục hồi hệ thống để đảm bảo họ nắm vững các thủ tục và kỹ năng tốt nhất.
Dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện
Giới thiệu
Dự báo sụp đổ điện áp là một bài toán khó và quan trọng trong quy hoạch vận hành hệ thống điện
Nhiều phương pháp đã được áp dụng trong nghiên cứu phân tích và dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện, bao gồm phương pháp độ nhạy V - Q, phương pháp trị riêng của ma trận Jacobian và phương pháp hệ số tham gia.
Trong luận văn này, phương pháp dự báo sụp đổ điện áp sử dụng vector riêng của ma trận Jacobian được trình bày.
Phương pháp độ nhạy V - Q
Mối quan hệ giữa độ biến đổi công suất và điện áp nút như sau [1]-[2]- [3]:
ΔP và ΔQ đại diện cho gia số công suất nút, trong khi ΔV là gia số góc pha điện áp nút và Δθ là gia số biên độ điện áp nút Sự biến đổi của công suất tác dụng và công suất phản kháng ảnh hưởng đến điện áp của hệ thống điện Tuy nhiên, bài toán này chủ yếu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của sự biến đổi công suất phản kháng.
Khi ấy, suy ra: ΔQ = [J QV - J Qθ J -1 Pθ J PV ].ΔV (3.5) Đặt: J R = [J QV - J Qθ J -1 Pθ J PV ] là ma trận Jacobian rút gọn của hệ thống điện
Ma trận Jacobian thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa sự thay đổi biên độ điện áp nút ΔV và công suất phản kháng ΔQ Dựa vào các trị riêng và vector riêng của ma trận Jacobian rút gọn J R, có thể tiến hành phân tích đặc tính ổn định điện áp cho hệ thống điện.
Phần tử thứ i trên đường chéo chính sẽ là độ nhạy V – Q của nút thứ i Tại mỗi nút, độ nhạy V – Q là độ dốc của đặc tính V – Q
+ Nếu độ nhạy dương thì hệ thống điện ổn định
+ Nếu độ nhạy âm thì hệ thống điện không ổn định.
Phương pháp trị riêng của ma trận Jacobian
Ổn định điện áp có thể được xác định bằng cách tính toán trị riêng và vector riêng của ma trận Jacobian rút gọn J R [3]-[4]-[5]-[6]-[7] :
Ma trận Jacobian J R được phân tích thành:
Trong đó, ζ đại diện cho ma trận vector trị riêng phải của ma trận JR, η là ma trận vector trị riêng trái của ma trận JR, và Δ là ma trận trị riêng đường chéo của ma trận JR.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các thành phần của ma trận J R, bao gồm cột thứ i của vector trị riêng phải (ζ i), cột thứ i của vector trị riêng trái (η i), và trị riêng thứ i (λi) của ma trận J R.
Mỗi trị riêng thứ i tương ứng với vector trị riêng phải ζ i và trị riêng trái ηi sẽ xác định modal thứ i của hệ thống theo đáp ứng V – Q
Nghịch đảo của vector trị riêng phải sẽ bằng với vector trị riêng trái tức là: ζ -1 = η (3.11)
Trong đó: v = η.ΔV là vector của thay đổi modal điện áp; q = η.ΔQ là vector của thay đổi modal công suất
Nếu λ i > 0, biến đổi điện áp tại nút thứ i và công suất phản kháng tại nút đó tỉ lệ thuận, cho thấy hệ thống ổn định điện áp Ngược lại, nếu λ i < 0, biến đổi điện áp và công suất phản kháng tỉ lệ nghịch, dẫn đến hệ thống không ổn định điện áp Khi λ i = 0, điện áp tại nút thứ i đạt điểm tới hạn giữa ổn định và không ổn định, vì một thay đổi nhỏ trong công suất phản kháng có thể gây ra biến đổi điện áp lớn.
Phương pháp hệ số tham gia
Các giá trị tối thiểu gần trạng thái bất ổn định cần được theo dõi cẩn thận Việc xác định chính xác các nút hoặc bus tải ảnh hưởng trong hệ thống điện là rất quan trọng Hệ số tham gia là công cụ cần thiết để xác định các nút yếu nhất trong hệ thống.
Nếu Φ i và Г i là vector riêng phải và trái của ma trận J R, thì hệ số tham gia của bus thứ k ở trạng thái thứ i được xác định theo công thức cụ thể.
Các hệ số tham gia đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ mất ổn định điện áp Cụ thể, Pki thể hiện ảnh hưởng của trị riêng thứ i đến độ nhạy V - Q tại nút k Nút k có giá trị P ki lớn nhất sẽ là nút có sự đóng góp lớn nhất trong việc xác định độ nhạy V-Q tại trạng thái thứ i.
Vì vậy, hệ số tham gia này xác định phạm vi gần mất ổn định điện áp thông qua giá trị riêng nhỏ nhất của J R
Phương pháp vector riêng của ma trận Jacobian
Dự báo sụp đổ điện áp trong hệ thống điện là một yếu tố quan trọng trong phân tích ổn định điện áp, đặc biệt đối với các hệ thống điện lớn và phức tạp.
Trong luận văn này, dự báo sụp đổ điện áp được thực hiện thông qua phân tích ma trận Jacobian từ bài toán phân bố công suất, nhằm xác định khoảng cách ngắn nhất gây ra sự cố sụp đổ điện áp trong hệ thống điện Nghiên cứu cho thấy rằng điện áp hệ thống bị ảnh hưởng bởi sự biến đổi của cả công suất tác dụng và công suất phản kháng, nhưng bài toán này chủ yếu tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của sự biến đổi công suất phản kháng Dựa trên ma trận Jacobian rút gọn, các kết quả sẽ được phân tích chi tiết.
J R có thể thực hiện phân tích các đặc tính ổn định hay sụp đổ điện áp cho hệ thống điện
Dựa trên ma trận Jacobian rút gọn J R, chúng ta có thể mô tả các bước phân tích và dự báo sụp đổ điện áp cũng như ổn định điện áp cho hệ thống điện.
+ Bước 1: Phân bố công suất hệ thống điện
+ Bước 2: Thành lập ma trận Jacobian Jx Ma trận Jacobian Jx là ma trận thông số hệ thống, x V
+ Bước 3: Xác định η 0 từ điểm tải ban đầu ρ 0 (P 0 , Q 0 ) và η 0 được chuẩn hóa bằng 1, 0 1
Trong đó, η 0 được tính theo các bước như sau:
+ Xác định trị riêng bé nhất của ma trận Jacobian J x
+ Xác định vector riêng trái W Jx từ ma trận vector riêng trái của J x
Biểu thức xác định như sau:
J P là ma trận Jacobian thông số chế độ, P
+ Bước 4: Tải theo hướng η0 và kiểm tra điều kiện det Jx = 0
Tăng tải theo hướng η 0 cho đến khi ma trận Jacobian J x suy biến, tức là det J x =0 Khi ấy, sẽ tìm được điểm tải mới ρ m (P m , Q m )
Bước 5: Phân tích modal tại ρ m (P m , Q m ) và tính η m Sau khi xác định ρm(P m , Q m ), tiến hành phân bố công suất hệ thống điện cho điểm tải mới ρ m (P m , Q m ) và tìm ma trận Jacobian J x mới Từ đó, xác định vector riêng trái mới và giá trị η m cũng được chuẩn hóa bằng 1.
Bước 6: Xét điều kiện hội tụ của η Tại bước này, sau khi tính toán giá trị η i, cần kiểm tra tính hội tụ của nó Nếu giá trị η m+1 ở bước lặp sau bằng với giá trị η m ở bước lặp trước, ta sẽ xác định được giá trị kmin theo công thức: min * 0 k (3.18).
Khoảng cách hình học tối thiểu k min được xác định từ điểm tải ρ * (P * , Q * ) đến điểm tải ban đầu ρ 0 (P 0 , Q 0 ) Điểm tải ρ * (P * , Q * ) là giá trị sau khi tăng tải với η hội tụ, trong khi ρ 0 (P 0 , Q 0 ) đại diện cho điểm tải ban đầu.
Nếu giá trị ηm+1 trong bước lặp tiếp theo khác với giá trị ηm của bước lặp trước, cần tiếp tục chất tải cho đến khi đạt được giá trị hội tụ Biểu thức xác định ρ * (P * ,
Q * ) khi giá trị η m đã hội tụ về η *
Tóm lại, sau mỗi bước lặp:
+ Nếu giá trị η m+1 khác so với η m thì kết luận hệ thống đang ổn định
Nếu sau mỗi bước lặp, giá trị η m+1 gần giống với giá trị η m, thì ta có thể kết luận rằng η m đang hội tụ, điều này cũng chỉ ra rằng giá trị này gây ra sự mất ổn định trong hệ thống điện.
Trong phân tích sụp đổ điện áp, việc xác định các nút có ảnh hưởng đến hệ thống điện là rất quan trọng Điều này được thể hiện qua hệ số tham gia, với nút có hệ số tham gia cao sẽ gây ra ảnh hưởng lớn hơn cho hệ thống Đây là công cụ hữu ích để xác định các nút yếu có khả năng gây sụp đổ điện áp Trong điều kiện vận hành bình thường, người vận hành thường xử lý tình trạng sụt áp bằng cách tăng biên độ điện áp.
Khi hệ thống điện hoạt động ở trạng thái tới hạn, việc tăng biên độ điện áp có thể dẫn đến mất ổn định điện áp nhanh chóng Nếu không xử lý kịp thời tình trạng này, hệ thống điện có thể gặp nguy cơ sụp đổ hoàn toàn.
Phân bố công suất trong hệ thống điện
3.6.1 Thành lập mô hình mạng điện và tìm ma trận tổng dẫn
Phân bố công suất trong hệ thống điện là yếu tố quan trọng giúp xác định biên độ điện áp, góc pha tại các nút phụ tải, công suất phản kháng tại các nút phát, cũng như dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải Những thông tin này cần thiết để kiểm tra liên tục các thông số của hệ thống điện đang hoạt động, đồng thời hỗ trợ trong việc phân tích hiệu quả mở rộng hệ thống và tăng tải.
Hệ thống điện bao gồm nhiều thanh góp kết nối qua các đường dây truyền tải, trong đó công suất được cung cấp từ máy phát đến các thanh góp, và các tải tiêu thụ điện từ các thanh góp này Một số thanh góp chỉ có máy phát mà không có tải, trong khi những thanh góp khác có tải nhưng không có máy phát Ngoài ra, máy phát tự động điều chỉnh điện áp VAR cũng có thể kết nối với một số thanh góp Công suất dư thừa tại các thanh góp sẽ được chuyển đến các thanh góp thiếu công suất thông qua các đường dây truyền tải.
Hệ thống điện được mô tả qua sơ đồ đơn tuyến với 4 thanh góp, mỗi thanh góp có máy phát và tải riêng Để xây dựng mô hình mạng điện chính xác, cần sử dụng mô hình đường dây ngắn và mô hình cho đường dây dài Thông thường, điện trở đường dây có thể được bỏ qua để giảm thiểu sai số và tiết kiệm thời gian tính toán Trong phân tích hệ thống, tải có thể được xem như một máy phát công suất âm, cho phép gộp chung công suất tải và công suất máy phát tại mỗi thanh góp.
Như vậy, tại thanh góp thứ i công suất phức đưa đến thanh cái được cho bởi công thức [6]-[7] :
S i = P i + jQ i = (P Gi – P Di ) + j(Q Gi – Q Di ) (3.20) Trong đó:
Công suất phức được cung cấp bởi máy phát là:
Và công suất phức của tải là:
Công suất thực và công suất phản kháng được đưa đến thanh góp thứ i là:
Mô hình mạng điện của hệ thống điện được thể hiện qua hình 3.2b, trong đó nguồn công suất tương đương tại mỗi thanh góp được biểu diễn bằng các đường tròn gạch sọc Dòng điện I i được dẫn đến các thanh góp, cho thấy rằng cấu trúc của hệ thống điện luôn kết nối tất cả các nguồn đến một nút đất chung.
Mô hình mạng điện trong Hình 3.2b đã được tái hiện trong Hình 3.2c bằng cách gộp tổng dẫn các nhánh tại các thanh góp Bên cạnh nút đất, mô hình còn bao gồm 4 nút khác.
Dòng điện từ nguồn được đưa đến lưới qua các nút, với tổng dẫn giữa nút i và nút k được biểu thị là y ik = y ki Nếu các nút không được kết nối, tổng dẫn giữa chúng sẽ bằng 0 Để phân tích dòng điện, áp dụng định luật Kirchhoff cho các nút 1, 2, 3 và 4.
Sắp xếp và viết dưới dạng ma trận:
Hệ phương trình trên có thể được trình bày dưới dạng chuẩn của ma trận như sau:
Hình 3.1.a Sơ đồ đơn tuyến
Hình 3.1.c Mạch Hình 3.1.b đã được gộp và vẽ lại
Hình 3.1 Hệ thống điện 4 nút
Mỗi tổng dẫn Y ii (i = 1, 2, 3, 4) được gọi là tổng dẫn riêng của nút i, đại diện cho tổng đại số của tất cả các tổng dẫn kết nối đến nút đó Trong khi đó, các thành phần ngoài đường chéo Y ij (i, j = 1, 2, 3, 4) thể hiện tổng dẫn tương hỗ giữa nút i và nút j, được tính bằng tổng số âm của tất cả các tổng dẫn kết nối giữa các nút này.
Với giải thích trên, hệ phương trình trên có thể được viết lại như sau:
Hoặc dưới dạng ma trận:
Ma trận Y Bus là một thành phần quan trọng trong hệ thống điện, với kích thước là (n × n), trong đó n đại diện cho số lượng nút Tổng số nút, bao gồm cả nút đất hoặc nút chuẩn, được tính là m = n + 1.
Phương trình trên cũng có thể được viết dưới dạng:
Z Bus (ma trận tổng trở nút) = Y BUS 1 (3.31) Đối với một hệ thống có 4 thanh góp hay 4 nút độc lập:
Từ ma trận đối xứng Y Bus, ta có thể tính được ma trận đối xứng Z Bus mà không cần phải nghịch đảo ma trận Y Bus Các phần tử trên đường chéo của ma trận Z Bus đại diện cho tổng trở nút đầu vào, trong khi các phần tử nằm ngoài đường chéo được gọi là tổng trở nút tương hỗ.
Ma trận Y Bus là một ma trận thưa thớt, trong khi ma trận Z Bus là ma trận đầy đủ Điều này có nghĩa là các phần tử bằng 0 trong ma trận Y Bus tương ứng với các phần tử khác 0 trong ma trận Z Bus.
Xét một nút của hệ thống điện như Hình 3.2
Hình 3.2 Nút tiêu biểu của hệ thống điện Áp dụng định luật Kirchoff về dòng điện có:
Chuyển sang tọa độ cực:
Công suất phức tại nút i là:
Công suất thực và công suất phản kháng có thể được viết như sau:
Từ biểu thức (3.39) - (3.40) cho 2n phương trình dòng công suất tại n nút của một hệ thống điện với n phương trình công suất thực và n phương trình công suất phản kháng
Mỗi nút được đặc trưng bằng 4 giá trị: P i , Q i , V i , i kết quả là có 4n biến số
Biểu thức (3.39) - (3.40) cho phép giải cho 2n biến số khi 2n biến số còn lại đã được xác định Trong thực tế, 2n biến số này được coi là ưu tiên tại mỗi nút trong hệ thống.
Việc tìm ra lời giải cho 2n biến số còn lại gặp nhiều khó khăn do phương trình (3.39) và (3.40) là các phương trình đại số không tuyến tính, trong đó điện áp các nút được biểu diễn dưới dạng tích số của hàm sin và hàm cos.
Kết quả không thể có đáp án rõ ràng và chỉ có thể đạt được thông qua phương pháp kỹ thuật số lặp lại Dựa vào hai thông số ưu tiên đã được xác định trước, các nút được phân loại thành ba loại khác nhau.
+ Nút PQ: Ở loại nút này, công suất lưới P i và Q i đã được biết; P Di và
Q Di được biết từ tải cho trước và P Gi và Q Gi đã cho Những thành phần chưa biết là V i , i Tại nút không có máy phát, P Gi và Q Gi = 0)
+ Nút PV: Ở loại nút này thì P Di và Q Di đã cho và P i (cả P Gi ) cũng được cho Giá trị chưa biết là Q i (cả Q Gi ) và i
Nút cân bằng là một loại nút khác biệt so với hai nút còn lại, vì công suất thực và công suất phản kháng không được xác định trước Thay vào đó, nó dựa vào độ lớn điện áp và góc pha, thường được giả định là bằng 0 Trong một hệ thống điện, thường chỉ có một nút cân bằng Sự cần thiết của nút này trong việc khảo sát phân bố công suất được thể hiện rõ ràng qua vai trò của nó trong việc đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong phân tích hệ thống điện.
Trong khảo sát phân bố công suất, công suất thực và công suất phản kháng là những thành phần của công suất phức mà không được xác định tại tất cả các nút, do công suất phức đưa vào lưới cũng không rõ ràng Tổn hao công suất chỉ được xác định sau khi hoàn tất khảo sát phân bố công suất Vì vậy, việc thiết lập một nút cân bằng là cần thiết, nơi công suất phức không được biết, nhằm cung cấp sự khác biệt giữa tổng tổn thất thêm vào tải của hệ thống và tổng.
