TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, hệ thống điện (HTĐ) đang phát triển mạnh mẽ và trở thành một hệ thống hợp nhất, có thể diễn ra trong phạm vi một quốc gia hoặc giữa các quốc gia Khi xảy ra sự cố hoặc bất thường tại một phần tử của HTĐ, không chỉ phần tử đó bị ảnh hưởng mà còn tác động đến các khu vực khác trong toàn hệ thống.
Hệ thống điện Việt Nam được kết nối qua đường dây siêu cao áp 500 kV (mạch 1 và mạch 2), với nhiều nhà máy điện tham gia ở các cấp điện áp khác nhau Ở cấp điện áp 500 kV, các nhà máy như Hòa Bình, Yaly, Ô Môn, và Phú Mỹ 3, 4 đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia.
KV có nhiều NMĐ nhƣ: Hàm Thuận, Đa mi, Buôn kuốp, Buôn tua sa, Srepok 3,4,
Sê san 3, Đại Ninh, A vương, Sông Ba hạ, Phả Lại, Trị An, Đa Nhim, ; Cấp 110
KV trở xuống cũng có nhiều NMĐ điện nối vào
Khi đưa nguồn điện mới vào vận hành, lượng công suất (CS) bổ sung sẽ làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống điện Mức độ thay đổi này phụ thuộc vào phương thức vận hành và điện áp của nguồn mới; kết nối ở cấp điện áp cao sẽ có ảnh hưởng lớn hơn đến hệ thống điện.
NMNĐ Duyên Hải gồm ba nhà máy: Duyên Hải 1 (1200MW), Duyên Hải 2 (1200MW) và Duyên Hải 3 (600MW), được xây dựng tại Huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh Duyên Hải 1 và Duyên Hải 2 mỗi nhà máy có hai tổ máy với công suất 600MW, trong khi Duyên Hải 3 có một tổ máy công suất 600MW Ba nhà máy này sẽ kết nối vào thanh góp 220 KV TBA 500KV Cần Thơ qua hai đường dây 220 KV mạch kép Khi đi vào vận hành, các NMNĐ này sẽ có tác động lớn đến hệ thống điện (HTĐ), do đó cần nghiên cứu các ảnh hưởng của chúng đối với phân bổ công suất, điện áp, chế độ đóng cắt và sự ổn định quá độ của mạng lưới điện cũng như ảnh hưởng đến các thiết bị hiện có trong HTĐ.
Nghiên cứu ảnh hưởng của NMĐ đến điện áp và tổn thất công suất là rất quan trọng, đặc biệt khi xem xét sự thay đổi dòng ngắn mạch và biến thiên tổng trở mà relay khoảng cách phải đối mặt Ngoài ra, việc phân tích ảnh hưởng của ổn định quá độ cũng cần được thực hiện để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.
Khi đưa vào vận hành nhà máy điện mới, các kỹ sư cần hiểu rõ ảnh hưởng của nó đối với hệ thống điện, bao gồm giới hạn truyền tải của đường dây và ổn định quá độ của máy phát Những thông tin này rất quan trọng để tính toán bảo vệ relay và giúp người vận hành chủ động ứng phó với các tình huống trong hệ thống điện.
Nghiên cứu về ảnh hưởng của Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 đến chế độ làm việc của hệ thống lưới truyền tải điện Việt Nam là một vấn đề quan trọng, nhằm đánh giá tác động của nhà máy này đối với hiệu suất và ổn định của lưới điện quốc gia.
Các kết quả nghiêm cứu trong và ngoài nước:
Tác giả Nguyễn Hồng Anh từ ĐH Đà Nẵng và Lê Cao Quyển thuộc công ty CP tư vấn Xây dựng điện 4 đã tiến hành nghiên cứu nhằm lựa chọn thiết bị bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điện 500 KV tại Việt Nam Nghiên cứu này đóng góp vào việc cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện quốc gia.
Mục đích nghiên cứu
Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá ảnh hưởng của Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 đến chế độ vận hành hệ thống điện Việt Nam Nghiên cứu sẽ tập trung vào phân bố công suất, tác động của các quá trình quá độ, sự cố, và các chế độ phát điện của nhà máy này đối với hệ thống điện quốc gia.
Các nội dung nghiên cứu:
+ Nghiên cứu HTĐ Việt Nam và các chế độ làm việc của HTĐ
+ Nghiên cứu các phương pháp tính toán chế độ xác lập của HTĐ, lựa chọn phần mềm tính toán
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải 1 đến chế độ vận hành của HTĐ Việt Nam
+ Tính toán và đề xuất phương án đóng điện và vận hành cho NMNĐ Duyên Hải 1.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 và ảnh hưởng của nó đến hệ thống truyền tải điện Việt Nam Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện khu vực Tây Nam Bộ trong chế độ làm việc bình thường Đề tài cũng xem xét đáp ứng của Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 đối với các quá trình quá độ và tác động của nó đến hệ thống bảo vệ relay hiện có của hệ thống điện.
Phần tính toán và mô phỏng sẽ xác định phương thức vận hành, mô phỏng độ ổn định của máy phát, đường dây và MBA, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của chế độ làm việc của máy phát đến hệ thống bảo vệ relay hiện tại.
Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết các mục tiêu nêu trên, luận văn đưa ra phương pháp nghiên cứu nhƣ sau:
Tiến hành thu thập thông tin và số liệu tính toán liên quan đến Hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt là lưới điện miền Nam, với trọng tâm là các dữ liệu hệ thống tính đến thời điểm Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 chính thức đi vào vận hành.
+ Tính toán phương thức kết dây và vận hành của hệ thống điện khi chưa có và chƣa có Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1
Để đảm bảo hiệu quả trong hệ thống điện, cần thực hiện tính toán lựa chọn phương thức vận hành và chế độ phát công suất (CS) Ngoài ra, việc phân tích dao động công suất, tính toán dòng ngắn mạch và dao động điện áp là rất quan trọng Mô phỏng ổn định mạch điện (MF) cũng cần được thực hiện để đánh giá ảnh hưởng của chế độ làm việc MF đến hệ thống bảo vệ relay hiện có.
Từ đó đề xuất phương thức vận hành nhà máy để giảm thiểu ảnh hưởng đến hệ thống điện khi nhà máy đƣa vào hoạt động
Luận văn sử dụng phần mềm PSS/E, một công cụ tính toán phổ biến toàn cầu và tại Việt Nam, dựa trên thuật toán lặp Newton - Raphson và Gauss - Seidel để thực hiện các phép tính.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài này hỗ trợ kỹ sư vận hành hệ thống điện (HTĐ) và nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) hiểu rõ các tác động của NMNĐ đến HTĐ, bao gồm việc phân bổ công suất (CS), tổn thất công suất của HTĐ, chế độ đóng cắt và sự ổn định quá độ của máy phát (MF) trong HTĐ.
+ Ảnh hưởng của NMNĐ đến các thiết bị hiện có trong HTĐ
+ Biết đƣợc trị số dòng điện ngắn mạch trong khu vực
+ Xác định đƣợc điện áp các nút tại các TBA biến áp 220kV, 500kV trong khu vực mà NMNĐ nối vào
Xác định được: Công suất truyền tải trên các đường dây trong khu vực; khả năng tải của các đường dây truyền tải trong khu vực
Thông tin này rất quan trọng, giúp người tính toán bảo vệ relay và người vận hành có cơ sở vững chắc để chủ động ứng phó với các tình huống trong hệ thống điện.
Cấu trúc của đề tài
Nội dung của đề tài được cấu trúc thành 6 chương và 3 phụ lục, ngoài phần mở đầu và kết luận chung Bố cục này giúp tổ chức nội dung chính của luận văn một cách rõ ràng và logic.
Chương 2: Tổng quan HTĐ Việt Nam và các chế độ làm việc của HTĐ Chương 3: Cơ sở tính toán chế độ xác lập của HTĐ và các phần mềm ứng dụng
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải 1 đến chế độ vận hành của HTĐ Việt Nam
Chương 5: Phương thức đóng điện và vận hành NMNĐ Duyên Hải
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN
Tổng quan hệ thống điện Việt Nam
2.1.1 Quá trình hình thành và phát triển
Do yếu tố lịch sử và lãnh thổ địa lý, HTĐ Việt Nam đƣợc chia thành ba HTĐ miền cụ thể nhƣ sau:
+ HTĐ miền Bắc bao gồm các tỉnh, thành phố phía Bắc từ Quảng Ninh đến
Hà Tĩnh kết nối với hệ thống điện miền Bắc qua 4 trạm biến áp 500kV, bao gồm Hoà Bình (2x450 MVA), Hà Tĩnh (1x450 MVA), Nho Quan (1x450 MVA) và Thường Tín (1x450 MVA) Đồng thời, Hà Tĩnh cũng liên kết với hệ thống điện miền Trung thông qua đường dây 220kV.
Hệ thống điện miền Trung bao gồm 9 tỉnh, thành phố ven biển từ Quảng Bình đến Khánh Hòa và 4 tỉnh Tây Nguyên Hệ thống này kết nối với hệ thống điện quốc gia thông qua hai trạm biến áp 500kV tại Đà Nẵng và Pleiku, mỗi trạm có công suất 450 MVA Ngoài ra, miền Trung còn liên kết với hệ thống điện miền Bắc qua đường dây 220kV Đồng Hới - Hà Tĩnh và với miền Nam qua đường dây 220kV Nha Trang - Đa Nhim cùng hai đường dây 110kV Cam Ranh.
Tháp Chàm, Cam Ranh - Đa Nhim là một phần quan trọng trong hệ thống điện miền Nam, nơi cung cấp điện độc lập cho Trạm Biến Áp 110kV Đắc Nông (8 MVA) thông qua đường dây 110kV Thác Mơ.
+ HTĐ miền Nam bao gồm các tỉnh, thành phố phía Nam từ Ninh Thuận đến
Cà Mau là điểm kết nối quan trọng của hệ thống điện miền Nam với hệ thống điện quốc gia thông qua bốn trạm biến áp 500kV gồm Phú Lâm, Di Linh, Tân Định, Nhà Bè và Phú Mỹ Ngoài ra, hệ thống điện miền Nam cũng liên kết với miền Trung qua đường dây 220kV Đa Nhim - Cam Ranh và hai đường dây 110kV Tháp.
Toàn bộ phụ tải các tỉnh Hà Giang, Tuyên Quang và một phần phụ tải các tỉnh Yên Bái, Quảng Ninh hiện đang nhận điện từ Trung Quốc với tổng công suất 240 MW nhằm giảm thiểu nguy cơ thiếu điện ở khu vực phía Tây Bắc và cả nước Đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam mạch 1 chính thức đi vào vận hành từ ngày 27/05/1994, đánh dấu bước phát triển mới cho ngành điện Việt Nam Đường dây này đã cung cấp một lượng công suất lớn cho hệ thống điện miền Trung và miền Nam, đảm bảo cung cấp điện an toàn, liên tục, và ổn định cho sản xuất và sinh hoạt Qua thời gian, việc hoàn thiện mạch 1 đã được thực hiện bằng cách lắp mới hoặc lắp thêm các máy biến áp 450 MVA tại các trạm biến áp 500 kV như Hòa Bình, Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, và Phú Lâm Đường dây 500 kV Bắc - Nam mạch 1 đã chứng minh vai trò quan trọng trong việc kết nối hệ thống điện quốc gia, nâng cao chất lượng cung cấp điện, và điều phối điện năng giữa các miền trong đất nước.
Từ năm 2004, nhu cầu trao đổi điện năng giữa miền Bắc và miền Nam gia tăng do điều kiện thời tiết và tốc độ tăng trưởng phụ tải lớn, dẫn đến việc miền Trung không đáp ứng đủ khả năng tải của đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 1 Để giải quyết vấn đề này, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã được chính phủ phê duyệt đầu tư xây dựng đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 2, chính thức đi vào vận hành từ ngày 23/09/2005 Đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 2 đã đóng góp quan trọng trong việc cung cấp điện năng cho các tỉnh miền Bắc từ đầu năm 2005, và cho đến nay, cả hai mạch 500kV đều hoạt động hiệu quả.
2 đã kiến tạo cho ngành truyền tải điện Việt Nam một hình ảnh rất mới mẽ trong việc tiếp cận các khoa học công nghệ điện siêu cao áp
Hai đường dây 500kV mạch 1 và mạch 2 không chỉ có nhiệm vụ trao đổi điện năng giữa các miền của đất nước mà còn đảm bảo vận hành ổn định và an toàn, ngay cả khi một trong hai đường dây gặp sự cố ngừng cung cấp điện.
Lưới điện truyền tải 220kV và 110kV không ngừng được phát triển đáp ứng đƣợc nhu cầu truyền tải CS phục vụ cho việc cung cấp điện
Trong hơn 15 năm qua, hệ thống điện Việt Nam đã ghi nhận tốc độ tăng trưởng phụ tải trung bình khoảng 15.8% Đặc biệt, vào tháng 3/2011, mức tăng trưởng này đạt khoảng 19.8% Sự gia tăng nhanh chóng của phụ tải đã khiến hệ thống điện quốc gia liên tục phải đối mặt với nguy cơ thiếu điện vào mùa khô từ năm 1997 đến nay.
Trong hệ thống điện Việt Nam, thành phần quản lý và tiêu dùng của dân cư đóng vai trò quan trọng, chiếm tỷ trọng lớn, dẫn đến biểu đồ tiêu thụ điện có hình dạng lồi lõm Độ dốc của biểu đồ này khá lớn, với thời điểm thấp nhất trong ngày thường xảy ra từ 2 đến 5 giờ sáng, trong khi cao điểm tiêu thụ thường rơi vào buổi sáng.
Trong khoảng thời gian từ 10 đến 11 giờ và cao điểm tối từ 18 đến 20 giờ hàng ngày, mức tiêu thụ điện thường cao hơn nhiều so với các thời điểm khác trong ngày Gần đây, tỉ trọng phụ tải công nghiệp đã tăng lên, cùng với việc EVN áp dụng nhiều chính sách quản lý phụ tải, chẳng hạn như hệ thống công tơ 3 giá Những biện pháp này đã góp phần làm san bằng đồ thị phụ tải, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận hành và nâng cao tính kinh tế trong hệ thống điện.
Hệ thống điện Việt Nam bao gồm nhiều loại nhà máy điện như thủy điện, nhiệt điện than, nhiệt điện dầu và tuabin khí Mỗi loại nhà máy điện này có chế độ vận hành riêng biệt, phụ thuộc vào đặc điểm công nghệ phát điện của từng loại.
Các NMTĐ có các chế độ vận hành:
+ Vận hành theo đặc tính vận hành Tuabin
+ Có thể ngừng và khởi động thường xuyên
Nhiệt điện than, dầu, GT+CC (Gasturbine+CombineCycle):
+ Vận hành theo đặc tính CS (P&Q) của tổ máy
+ Vận hành trong một khoảng thời gian dài theo yêu cầu HTĐ
Gasturbine chạy khí hoặc dầu:
+ Vận hành theo đặc tính CS (P&Q) của tổ máy
Trên cơ sở các chế độ làm việc của MF, các chế độ khai thác NMTĐ điện đƣợc thực hiện nhƣ sau:
+ Thuỷ điện: Huy động theo điều tiết hồ chứa, các kế hoạch sửa chữa lớn thường được bố trí vào mùa khô
Trong mùa khô, nhiệt điện than và dầu sẽ được huy động cao để đáp ứng nhu cầu điện năng, trong khi vào mùa lũ, việc huy động sẽ được tối thiểu hóa nhằm đảm bảo công suất đỉnh, chống quá tải và bù điện áp Đồng thời, kế hoạch sửa chữa lớn thường được thực hiện vào mùa lũ để đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Gasturbine chạy dầu được sử dụng trong các chế độ như phủ đỉnh, chống quá tải, bù áp, hoặc các yêu cầu đặc biệt khác Nó có khả năng huy động sản lượng điện năng khi thiếu hụt, đặc biệt trong mùa khô.
Kế hoạch sửa chữa theo EOH (giờ vận hành tương đương)
Gasturbine chạy khí và đuôi hơi được huy động cao trong mùa khô, trong khi giảm khai thác trong mùa lũ nhằm đảm bảo công suất đỉnh, chống quá tải và bù điện áp Kế hoạch sửa chữa được thực hiện theo EOH (giờ vận hành tương đương).
2.1.2 Hiện trạng của HTĐ Việt Nam và qui hoạch cho tương lai
2.1.2.1 Hiện trạng của HTĐ Việt Nam
Nguồn điện trong hệ thống điện Việt Nam hiện nay rất đa dạng, bao gồm các loại như thủy điện, nhiệt điện, tuabin khí, đuôi hơi và diesel Sự đa dạng này nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng của người dân.
Chế độ Làm việc của MP điện
2.2.1 Chế độ làm việc bình thường
Chế độ làm việc bình thường của máy phát điện đồng bộ là khi vận tốc rotor và từ trường quay phần tĩnh bằng nhau, đạt được nhờ sự cân bằng giữa mômen cơ và mômen điện Trong trạng thái này, từ trường quay không quét qua rotor, dẫn đến việc rotor chỉ có dòng kích từ một chiều mà không có dòng cảm ứng.
Hình 2.4:Đặc tính P-Q MF điện
Trong chế độ làm việc bình thường, các thông số của máy phát điện như công suất tác dụng, phản kháng, hệ số công suất, dòng điện phần tĩnh và phần ứng, sức điện động ngang trục, cũng như điện áp đầu cực đều biến động trong giới hạn cho phép, đảm bảo hoạt động ổn định.
Khi có sự thay đổi phụ tải nhỏ, sự cân bằng giữa mômen cơ của tuabin và mômen điện từ của máy phát (MF) bị mất, dẫn đến thay đổi tốc độ của MF Hệ thống điều tốc của MF sẽ điều chỉnh công suất năng lượng sơ cấp để đưa MF về tần số định mức Khả năng điều chỉnh này phụ thuộc vào từng tổ máy và độ dự trữ sơ cấp Trong trường hợp mất cân bằng công suất phản kháng hoặc biến động điện áp trong hệ thống điện, MF có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ Giới hạn về khả năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng được thể hiện trong hình 1.1.
Máy phát điện (MF) phát ra công suất phản kháng khi dòng kích từ lớn và tiêu thụ công suất phản kháng khi dòng kích từ nhỏ Tất cả các máy phát điện đều được trang bị hệ thống tự động điều chỉnh kích từ (AVR) để duy trì điện áp tại đầu cực không đổi ở mức giá trị đã định, bất chấp sự thay đổi của phụ tải hệ thống điện.
Giới hạn ổn định tĩnh
Hình 2.5: HTĐ tồn tại điểm cân bằng CS
Việc HTĐ có phục hồi hay không phụ thuộc vào khả năng ổn định tĩnh của
MF kết nối với HTĐ, trong đó các chế độ quá độ của HTĐ là những trạng thái trung gian chuyển tiếp giữa các chế độ xác lập khác nhau Hình 1.2 minh họa trạng thái cân bằng trong quá trình này.
2.2.2 Chế độ làm việc không bình thường
Chế độ quá tải là một tình trạng làm việc bất thường của máy phát điện (MF), trong đó dòng điện ở phần tĩnh hoặc phần quay vượt quá giá trị định mức cho phép.
Quá tải dòng điện phần tĩnh xảy ra do ngắn mạch ngoài khu vực bảo vệ của MF, mất đồng bộ hoặc khi khởi động các động cơ CS lớn Trong khi đó, quá tải dòng điện phần quay xuất hiện khi có kích từ cưỡng bức.
2.2.2.2 Chế độ không đồng bộ
Chế độ không đồng bộ của các máy điện là khi vận tốc rôto khác với vận tốc đồng bộ Đặc biệt, đối với máy phát điện đồng bộ (MF), chế độ làm việc không đồng bộ xảy ra khi vận tốc rôto lớn hơn vận tốc đồng bộ.
Chế độ đồng bộ duy trì nhờ sự cân bằng giữa mômen cơ của turbine và mômen điện của máy phát, tạo ra mômen đồng bộ Khi mômen được cân bằng, mômen thừa sẽ bằng không Ngược lại, chế độ không đồng bộ xảy ra khi có sự mất cân bằng mômen, dẫn đến các vấn đề trong hoạt động của hệ thống Các nguyên nhân gây ra mất cân bằng mômen cần được xác định để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Khi dòng kích từ I KT giảm xuống, sức điện động E q cũng giảm, dẫn đến mô men đồng bộ giảm Hệ quả là trên trục rotor xuất hiện mô men thừa, làm cho vận tốc rotor tăng lên vượt quá vận tốc đồng bộ.
Khi có sự thay đổi đột ngột về phụ tải, mômen cản trên trục MF cũng thay đổi, dẫn đến sự biến động của mômen đồng bộ Độ lớn của phụ tải thay đổi càng lớn, sự mất cân bằng mômen càng mạnh mẽ, gây ra hiện tượng không đồng bộ Sự ổn định của MF trở lại phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và mức độ thay đổi của phụ tải.
Khi xảy ra ngắn mạch, điện áp giảm làm giảm mômen điện từ, gây ra sự xuất hiện của mômen thừa và khiến động cơ tăng tốc vượt quá vận tốc đồng bộ Sau khi ngắt ngắn mạch, điện áp phục hồi có thể dẫn đến mômen quay của động cơ trở lại ổn định hoặc không ổn định.
Khi MF rơi vào trạng thái mất ổn định sẽ kéo theo những sự cố nghiêm trọng có tính chất hệ thống:
+ Các MF làm việc ở trạng thái không đồng bộ, cần phải cắt ra, mất những lƣợng CS lớn
+ Tần số HTĐ bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ
+ Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tƣợng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải
Khi thiết kế và vận hành hệ thống điện (HTĐ), việc đảm bảo tính ổn định cao là rất quan trọng Nghiên cứu mức độ ổn định của máy phát (MF) sẽ đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận hành HTĐ.
2.2.2.3 Chế độ không đối xứng
Chế độ không đối xứng là một hình thức hoạt động bất thường của máy phát điện, trong đó dòng và áp pha không tương xứng, dẫn đến các module không bằng nhau Nguyên nhân gây ra chế độ không đối xứng có thể đến từ nhiều yếu tố khác nhau.
+ Do phụ tải không đối xứng
Động cơ điện ba pha không nên bị hoán vị hoặc hoán vị không hoàn toàn, do áp dụng chế độ làm việc không toàn pha, tức là chỉ hoạt động trên hai hoặc một pha.
+ Do sự cố không đối xứng nhƣ ngắn mạch một pha, hai pha với nhau hay với đất, sự cố ngắn mạch kèm theo đứt dây
Chế độ hòa đồng bộ tổ máy phát
2.3.1 Các phương pháp hòa đồng bộ MF điện
Việc đóng MF điện vào hệ thống điện (HTĐ) có thể tạo ra dòng điện xung và các mômen điện từ lớn, gây ra sự cố hỏng hóc cho máy móc và thiết bị điện, dẫn đến mất ổn định HTĐ Để tránh tình trạng này, cần đảm bảo các điều kiện nhất định khi hòa tổ máy vào HTĐ.
+ Điện áp của MF U F phải bằng điện áp của lưới điện U L
+ Tần số của MF f F phải bằng tần số của lưới điện f L
Thứ tự pha của MF cần phải khớp với thứ tự pha của lưới điện, điều này thường được kiểm tra một lần sau khi lắp ráp máy và thực hiện hòa đồng bộ lần đầu.
+ Điện áp của MF và của lưới điện phải trùng pha nhau
Để đưa máy phát điện đồng bộ (MF) vào làm việc song song với các máy phát khác trong nhà máy thủy điện (NMTĐ) hoặc hệ thống điện (HTĐ), cần thực hiện quá trình đồng bộ hóa Hòa đồng bộ là việc cân bằng tốc độ góc quay và điện áp của máy phát được đóng vào với tốc độ góc quay của các máy phát đang hoạt động, cũng như điều chỉnh điện áp trên thanh góp Ngoài ra, việc chọn thời điểm thích hợp để gửi xung đóng máy cắt của máy phát cũng rất quan trọng.
Có 2 phương pháp hòa đồng bộ: hòa đồng bộ chính xác và hòa tự đồng bộ
Hòa đồng bộ chính xác:
Khi đóng MF bằng phương pháp hòa chính xác cần phải thực hiện những công việc sau:
+ San bằng về trị số của điện áp MF được đóng vào U F và điện áp lưới điện
+ San bằng tốc độ góc quay của MF đƣợc đóng vào F và tốc độ góc quay của các MF trong hệ thống HT ( F HT )
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu khi đóng máy cắt, cần làm cho góc pha của các véctơ điện áp trung thế (MF) và điện áp lưới điện trùng nhau, với góc lệch pha giữa chúng gần bằng 0.
Trình tự thực hiện hòa đồng bộ MF bao gồm việc kích từ MF trước khi đóng vào làm việc song song với các MF khác Cần đảm bảo tốc độ quay và điện áp của MF gần giống với các MF khác, chọn thời điểm thuận lợi để đóng MF khi độ lệch điện áp gần bằng không, giúp giảm thiểu dòng cân bằng lúc đóng MF.
Khi thực hiện việc đóng máy phát (MF) bằng phương pháp tự đồng bộ, cần tuân thủ các điều kiện sau: máy phát không được kích từ, vì nguồn kích từ đã bị ngắt bởi aptomat diệt từ; và tốc độ góc quay của máy phát được đóng vào phải gần bằng với tốc độ góc quay của các máy phát khác.
MF đang làm việc trong HTĐ
Trình tự thực hiện: Trước khi đóng một MF vào làm việc song song với các
Khi một máy phát (MF) chưa được kích từ, nó sẽ không hoạt động Khi tốc độ quay của máy phát này gần bằng với tốc độ của các máy phát khác, nó sẽ được đóng vào Ngay sau đó, dòng kích từ sẽ được đưa vào rôto, giúp máy phát hoạt động đồng bộ.
Theo quy trình thao tác của Bộ Công thương, tiêu chuẩn thực hiện hoà đồng bộ trên hệ thống điện có cấp điện áp ≤ 220 kV được quy định cụ thể.
+ Góc lệch pha của điện áp giữa hai phía điểm hoà: ≤ 30 0 ;
+ Chênh lệch tần số giữa hai phía điểm hoà: f ≤ 0,25 Hz;
+ Chênh lệch điện áp giữa hai phía điểm hoà: U ≤ 10%
2.3.2 Khởi động tổ MF điện chuẩn bị hòa vào HTĐ
2.3.2.1 Công tác tính toán chuẩn bị đóng điện MF mới vào HTĐ
Việc đóng điện vận hành MF ảnh hưởng đến trào lưu công suất trong hệ thống điện, dẫn đến sự thay đổi trong phân bổ công suất, điện áp, tổn thất điện năng và ổn định quá độ Cần nghiên cứu cẩn thận các ảnh hưởng này để xác định những tình huống vận hành bất lợi và đưa ra khuyến cáo cho công tác vận hành, nhằm đảm bảo sự tin cậy cho hệ thống điện Bên cạnh đó, các biến động như đóng cắt phụ tải và sự cố cũng gây ra dao động cho MF, do đó cần tính toán các biến động lớn điển hình để đánh giá sự ổn định của MF.
Do đó để chuẩn bị đóng điện tổ MF cần phải tính toán mô phỏng các tình huống sau:
+ Tính toán phân bổ CS, lựa chọn phương thức vận hành cho HTĐ khi đóng điện MF
+ Xem xét ảnh hưởng của tổ máy đến các thiết bị hiện có như dòng ngắn mạch, bảo vệ rơle, khả năng tải của thiết bị
+ Khi có sự cố trong HTĐ cần xem xét tổ máy đưa vào ảnh hưởng đến sự ổn định của HTĐ nhƣ thế nào
+ Nghiên cứu ổn định quá độ của MF khi có các biến động lớn nhƣ đóng cắt tổ máy, sự cố,
2.3.2.2 Đề xuất phương án đóng điện MF mới vào HTĐ
Trên cơ sở các tính toán mô phỏng, một phương án đóng điện được lập ra, nó bao gồm:
Khi chọn vị trí đặt nấc phân áp cho MBA tăng áp có bộ điều áp làm việc không điện, cần đảm bảo rằng vị trí này duy trì điện áp đầu ra trong phạm vi cho phép trong mọi chế độ vận hành Đồng thời, các thông số điều chỉnh của MF không được vượt quá giới hạn cho phép.
Cài đặt thông số chỉnh định rơle bảo vệ MF và ĐD liên kết là cần thiết để điều chỉnh trị số rơle cho các thiết bị trong hệ thống điện Việc thay đổi trị số chỉnh định rơle này là cần thiết do sự thay đổi kết cấu của hệ thống điện khi có sự tham gia của MF.
Để thực hiện hòa đồng bộ hiệu quả, cần điều chỉnh tốc độ và điện áp của máy phát (MF) sao cho gần bằng với hệ thống điện (HTĐ) Các MF được kết nối với HTĐ thông qua đường dây (ĐD) liên kết Trong quá trình hòa đồng bộ, việc lựa chọn vị trí phóng điện lên ĐD và vị trí đóng hòa đồng bộ là rất quan trọng, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến MF và HTĐ.
Các phương pháp đánh giá ổn định hệ thống điện
2.4.1 Khái niệm ổn định HTĐ
Ổn định tĩnh trong hệ thống động (HTĐ) được định nghĩa là khả năng phục hồi về chế độ ban đầu hoặc gần với chế độ ban đầu sau khi chịu tác động từ những kích động nhỏ.
+ Ổn định động là khả năng của hệ thống sau những kích động lớn phục hồi đƣợc trạng thái ban đầu hoặc gần với trạng thái ban đầu
Khái niệm ổn định cổ điển chỉ ra rằng khi biến động khiến năng lượng phát ra từ nguồn vượt quá năng lượng tiêu thụ, hệ thống sẽ trở nên không ổn định, dẫn đến sự lệch hướng vô hạn khỏi trạng thái ban đầu Ngược lại, nếu năng lượng tiêu thụ lớn hơn, hệ thống sẽ nhanh chóng trở về vị trí cân bằng với thế năng nhỏ nhất, thể hiện tính ổn định của hệ thống.
Khái niệm ổn định hệ thống vật lý nói chung theo Lyapunov:
+ Để đơn giản, giả thiết hệ thống cô lập không chịu tác động của ngoại lực
Hệ phương trình vi phân có thể mô tả dưới dạng sau:
Điểm cân bằng của hệ phương trình đại số fi(x1, x2, , xn) = 0, với i = 1, 2, , n, được coi là tồn tại và hoàn toàn xác định Tại t = 0, nếu x_i = i và x_i = 0, các thông số này sẽ không thay đổi Ngược lại, nếu tại t = 0 mà x_i = i ≠ i và x_i = 0, hệ thống sẽ bắt đầu chuyển động, với dạng quỹ đạo chuyển động phụ thuộc vào tính chất của hệ thống Theo Lyapunov, hệ thống được xem là ổn định nếu có thể tìm một số nhỏ tùy ý sao cho |i - i| < ε thì cũng có |x_i(t) - i| < ε cho mọi i và t, trong đó i - i đại diện cho những kích động ban đầu.
2.4.2 Phân tích ổn định tĩnh HTĐ Để nghiên cứu ổn định tĩnh có thể áp dụng phương pháp theo tiêu chuẩn năng lượng hoặc phương pháp ổn định theo Lyaponov
2.4.2.1 Phương pháp đánh giá ổn định theo tiêu chuẩn năng lượng
Về toán học, có thể mô tả điều kiện ổn định hệ thống theo tiêu chuẩn năng lƣợng nhƣ sau:
+ Trạng thái cân bằng của hệ thống ổn định nếu: W/ < 0 trong đó: W = WF - Wt là hiệu số các số gia năng lƣợng của nguồn và tải
- số gia thông số trạng thái
+ Xét với những khoảng thời gian ngắn, tương quan sẽ ứng với các số gia
CS, đồng thời biểu thức còn có thể viết ở dạng vi phân: dP/d < 0 (2-3)
Trong mỗi hệ thống điện, việc phân tích các nút trao đổi công suất (CS) cho phép xác định các biểu thức cụ thể dạng (2-2), liên quan đến tiêu chuẩn năng lượng và kiểm tra tính ổn định của hệ thống Ví dụ, các nút nguồn sử dụng tiêu chuẩn dP/d, trong khi các nút phụ tải áp dụng tiêu chuẩn dQ/dU Một yếu tố quan trọng trong phương pháp này là thiết lập mối quan hệ giữa đặc tính công suất WF( ) và Wt( ), liên quan đến các thông số trạng thái của P và Q trong hệ thống điện.
U (gọi là các đặc tính CS)
2.4.2.2 Phương pháp đánh giá ổn định theo Lyapunov
Lyapunov đã phát triển hai phương pháp để xác định tính ổn định của hệ thống mà không cần giải các phương trình vi phân, bao gồm phương pháp trực tiếp và phương pháp xấp xỉ bậc nhất.
Phương pháp trực tiếp nghiên cứu ổn định hệ thống thông qua việc thiết lập hàm -V dựa trên cấu trúc hệ phương trình vi phân quá trình quá độ Hàm -V cần đáp ứng những tính chất nhất định, từ đó cho phép phán đoán tính ổn định của hệ thống Những tính chất này giúp xác định khả năng duy trì ổn định trong các điều kiện khác nhau của hệ thống.
Hệ thống được coi là ổn định khi tồn tại một hàm V có dấu xác định và đạo hàm toàn phần theo thời gian là một hàm không đổi dấu, ngược dấu với hàm V, hoặc là một hàm đồng nhất bằng không trong suốt quá trình chuyển động của hệ thống.
Hệ thống được coi là ổn định tiệm cận nếu tồn tại một hàm V có dấu xác định, và đạo hàm toàn phần của hàm này cũng có dấu xác định nhưng ngược dấu với hàm V trong suốt quá trình chuyển động của hệ thống.
Trong các định lý liên quan, hàm có dấu xác định là hàm chỉ có một loại dấu tại mọi điểm ngoại trừ điểm gốc, có thể bằng không Hàm có dấu không đổi cũng được định nghĩa tương tự, nhưng có thể triệt tiêu tại điểm khác ngoài gốc tọa độ Phương pháp trực tiếp của Lyapunov được coi là hiệu quả trong việc khẳng định sự ổn định của hệ thống khi tìm được hàm V với các tính chất cần thiết, cho phép nghiên cứu sự ổn định của hệ thống dưới các kích động khác nhau Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này gặp nhiều khó khăn và hạn chế, đặc biệt trong trường hợp hệ động lực, do không phải lúc nào cũng có thể tìm được hàm V.
Phương pháp xấp xỉ bậc nhất của Lyapunov được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển, đặc biệt trong việc phân tích ổn định tĩnh của các hệ thống điều chỉnh Phương pháp này dựa trên giả thiết rằng các kích động là rất nhỏ, cho phép xấp xỉ hệ phương trình vi phân chuyển động bằng hệ phương trình vi phân tuyến tính với hệ số hằng Hệ xấp xỉ này mô tả chính xác tính chất chuyển động của hệ thống xung quanh điểm cân bằng.
Hãy viết lại hệ phương trình vi phân đã tuyến tính của (2-1) bằng cách lấy thành phần bậc nhất trong khai triển Taylo các hàm vế phải:
Các đạo hàm riêng f i / x j tại các điểm cân bằng (1, 2, , n) phụ thuộc vào chế độ làm việc của hệ thống và sẽ có những trị số nhất định Các hàm x i = x i - i trở thành biến chuyển động của hệ, thể hiện độ lệch quỹ đạo khỏi điểm cân bằng trong khoảng thời gian t > 0.
Nghiên cứu tính ổn định theo phương pháp (2-4) mang lại nhiều thuận lợi hơn so với phương pháp (2-2) Tuy nhiên, cần lưu ý rằng có những sai khác nhất định do xấp xỉ hóa, và việc xử lý những sai khác này là rất quan trọng khi áp dụng Lyapunov đã đề xuất các quy tắc áp dụng để đảm bảo tính chính xác trong nghiên cứu.
Nếu hệ thống chuyển động theo hệ phương trình vi phân đã được tuyến tính hóa (2-4) có tính ổn định tiệm cận, thì hệ thống ban đầu chuyển động theo phương trình (2-2) cũng sẽ có tính ổn định tiệm cận.
Nếu hệ thống chuyển động theo phương trình vi phân đã được tuyến tính hóa (2-4) không ổn định tiệm cận, thì hệ thống ban đầu theo phương trình (2-2) cũng sẽ không ổn định tiệm cận.
+ Các trường hợp còn lại phương pháp không kết luận được, cần xét thêm thành phần bậc cao trong khai triển hoặc các tiêu chuẩn khác
Kết luận
Cần tiến hành nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống liên kết diện rộng, bao gồm phối hợp bảo vệ relay, phân tích an toàn hệ thống điện (HTĐ) và phân tích ổn định Mục tiêu là đưa ra các giải pháp nhằm nâng cao tính an toàn của hệ thống điện.
MF điện hoạt động chủ yếu trong hai chế độ: chế độ làm việc bình thường, trong đó mômen cơ của trục turbin và mômen điện từ đạt được sự cân bằng.
MF và chế độ làm việc không bình thường có thể gây ra sự mất cân bằng mômen trong quá trình vận hành Trong điều kiện bình thường, MF điện được mô tả bằng phương trình góc - CS Để nghiên cứu hoạt động của MF và HTĐ, cần thiết lập hệ phương trình chuyển động của HTĐ nhằm phân tích sự biến đổi trong chế độ quá độ.
Quá trình vận hành của MF điện là phức tạp, đặc biệt khi kết nối vào hệ thống lớn, vì sự biến động cục bộ có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Do đó, cần thực hiện các tính toán cần thiết để chuẩn bị đóng điện MF, bao gồm tính toán phân bổ công suất và lựa chọn phương thức vận hành cho hệ thống điện Điều này cũng liên quan đến việc đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện đến các thiết bị hiện tại trong hệ thống và phương thức vận hành của hệ thống điện trong chế độ xác lập và quá độ.
Có nhiều phương pháp đánh giá ổn định của hệ thống điện (HTĐ), mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với từng tình huống cụ thể Bài viết này tập trung vào khả năng tính toán của chương trình PSS/ADEPT, sử dụng phương pháp tích phân số để phân tích và tính toán ổn định quá độ của HTĐ.
CƠ SỞ TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC PHẦN MỀM ỨNG DỤNG
Mở đầu
Trong trạng thái làm việc bình thường, chế độ xác lập của hệ thống điện (HTĐ) được giả định là vận hành đối xứng và được biểu diễn qua sơ đồ một pha Hệ thống điện này bao gồm nhiều nút và nhánh, với các tổng trở được tính theo đơn vị tương đối.
Hệ phương trình cân bằng hệ thống điện (HTĐ) thường được thiết lập bằng nhiều phương pháp, trong đó phương pháp điện áp nút được ưa chuộng hơn cả Phương pháp này không chỉ đơn giản trong thuật toán mà còn dễ dàng lập trình trên máy tính, giúp giảm thiểu số lượng phương trình cần giải so với phương pháp dòng điện vòng Khi thiết lập phương trình cân bằng hệ thống dưới dạng tổng dẫn nút, ta sẽ có một hệ phương trình đại số tuyến tính với các biến là dòng nút Sau khi xác định được dòng điện nút, ta có thể dễ dàng tính toán điện áp nút từ các phương trình này.
Trong phân tích hệ thống điện, số liệu ban đầu tại nút thường được biểu diễn dưới dạng công suất (CS) thay vì dòng điện Do đó, hệ phương trình cân bằng trong hệ thống điện thường được thiết lập dựa trên biến công suất, tạo thành một hệ phương trình phi tuyến Hệ phương trình này có thể được giải quyết thông qua sự kết hợp giữa đại số ma trận và phân tích mạng điện, sử dụng các thuật toán lặp với sự hỗ trợ của máy tính.
Các phương pháp tính chế độ xác lập
Có hai phương pháp chính trong lý thuyết là phương pháp ma trận tổng dẫn nút Y Nút và ma trận tổng trở Z Nút, cả hai đều sử dụng vòng lặp Phương pháp Y Nút, được phát triển trước, dễ tính toán và lập trình, vẫn được sử dụng cho các hệ thống nhỏ nhờ vào phương pháp Gauss-Seidel Trong khi đó, phương pháp Newton có ưu điểm về hội tụ và trở nên phổ biến nhờ vào việc tối ưu hóa thứ tự loại trừ và kỹ thuật lập trình ma trận véctơ, cho phép xử lý các hệ thống lớn lên đến 2000 nút hoặc hơn Mặc dù phương pháp Z Nút cũng sử dụng vòng lặp Gauss-Seidel và có tính hội tụ tương tự, nhưng do là ma trận đầy đủ, nó yêu cầu nhiều bộ nhớ hơn, gây hạn chế cho phương pháp này.
3.2.2 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Gauss-Seidel
Biểu diễn nút i trong mạng điện được thực hiện qua sơ đồ thay thế hình Π, trong đó trở kháng được thể hiện bằng đơn vị tương đối Áp dụng định luật Kirchhoff cho nút này cho phép phân tích và tính toán các thông số điện một cách chính xác.
Hình 3.1: Nút i của một HTĐ
CS tác dụng và phản kháng tại nút i là: i i i i jQ U I
Thế I i vào biểu thức (2-2) tai có: n j j ij i n j ij i i i i U y U y U
Từ biểu thức này,bài toán giải tích mạng điện với hệ phương trình đại số phi tuyến sẽ đƣợc giải quyết bằng kỹ thuật lặp
Trong phương pháp lặp Gauss-Seidel, mỗi nút có hai biến chưa biết Quá trình giải tìm nghiệm Ui diễn ra theo thứ tự lặp, thể hiện mối quan hệ giữa các chỉ số n, j, i và k.
Trong đó: y ij : điện dẫn thực tế trong hệ đơn vị tương đối y i0 y i1 y i2 y in
Dòng điện vào nút i được giả định là có giá trị dương Do đó, các thanh góp sẽ có cả sức tác dụng và sức phản kháng khi dòng điện được bơm vào, ví dụ như thanh góp MF.
P i cho và Q i cho có giá trị dương Đối với các nút tải dòng CS chạy ra khỏi thanh góp, vì vậy P i cho và Q i cho có giá trị âm
Trường hợp cần tìm P i , Q i chưa được cho tại một số nút (ví dụ nút cân bằng hay nút P-V) ta sử dụng công thức: n j k j ij n j ij k i k i k i U U y y U
Phương trình cân bằng công suất nút thường được biểu diễn thông qua các phần tử của ma trận tổng dẫn Trong ma trận tổng dẫn nút Ybus:
+ Các phần tử ngoài đường chéo chính: Yii = -yij
+ Các phần tử trong đường chéo chính: Yii =yij
Khi đó ta có: ii n j k j k ij i cho i cho i k i Y
Yii bao gồm cả tổng dẫn đối với đất của nhánh có nguồn dòng và nhánh bất kỳ nối đất trực tiếp
Vì cả hai thành phần của điện áp đã đƣợc xác định đối với nút cân bằng ,có 2(n-1) phương trình cần giải quyết bởi phương pháp lặp
Trong điều kiện vận hành bình thường, điện áp tại các nút thường gần giá trị 1.0pu, với điện áp tại nút tải thấp hơn và điện áp tại nút phát cao hơn do nhu cầu tiêu thụ Q Tương tự, góc pha tại nút tải cũng thấp hơn so với nút tham chiếu, trong khi góc pha tại nút phát cao hơn do P chạy vào nút Phương pháp Gauss-Seidel sử dụng giá trị khởi đầu của điện áp là 1.0+j.0 cho các nút, đảm bảo rằng kết quả nghiệm hội tụ phù hợp với thực tế Đối với nút P-Q, giá trị CS Pi và Q i đã được biết trước, tương ứng với giá trị đầu.
9) đƣợc giải đối với các thành phần thực và ảo của điện áp Đối với nút điều khiển điện áp P-V, P i cho và U i đã biết, đầu tiên dùng (3-11) tìm nghiệm Q i (k+1) sau đó dùng (3-9) tìm U i (k+1) Tuy nhiên, vì U i đã biết, chỉ phần ảo của U i (k+1) đƣợc giữ lại và phần thực của nó đƣợc chọn thoả mãn:
Trong đó ei (k+1) và f i (k+1) là các thành phần thực và ảo của điện áp U i (k+1) trong bước lặp
Quá trình thay thế phần ảo đƣợc thực hiện liên tục cho đến khi thoả mãn điều kiện: k i k i e e ( 1 ) k i k i f f ( 1 ) : là độ chính xác cho phép ,đối với điện áp=(0.00001-
Khi bài toán hội tụ ,CS tác dụng và phản kháng tại nút cân bằng đƣợc xác định theo công thức(3-10)và (3-11)
3.2.3 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Newton-Raphson
Phương pháp Newton-Raphson vượt trội hơn phương pháp Gauss-Seidel, đặc biệt trong các bài toán có điều kiện xấu, vì nó ít bị phân kỳ hơn Đối với hệ thống điện lớn, phương pháp này tỏ ra hiệu quả hơn, với số bước lặp cần thiết không phụ thuộc vào kích thước của hệ thống Tuy nhiên, một hạn chế của phương pháp Newton-Raphson là yêu cầu nhiều hàm tính toán cho mỗi bước lặp.
Trong bài toán giải tích mạng điện, khi đã xác định được độ lớn của dòng điện và điện áp tại nút điều khiển điện áp (P-V), phương trình cân bằng dòng điện tại nút sẽ được thể hiện trong hệ tọa độ cực.
Với thanh góp điển hình hình i, dòng vào nút I cho bởi biểu thức: n j j ij i YU
Trong phương trình trên j bao gồm cả nút i Biểu diễn trên hệ tọa độ cực ta có: j ij j ij i Y U
CS biểu kiến liên hợp tại nút i là: i i i i i P jQ U I
Thay thế Ii từ (2-13) vào trong (2-14): j ij j ij i i i i jQ U Y U
Tách phần thực và phần ảo:
Hệ phương trình đại số phi tuyến được hình thành từ phương trình (3-16) và (3-17) bao gồm các biến độc lập, với độ lớn điện áp được tính theo hệ đơn vị tương đối và góc pha tính bằng radian Mỗi nút tải sẽ có hai phương trình tương ứng, được biểu diễn bởi (3-16) và (3-17), trong khi mỗi nút điều khiển điện áp sẽ có một phương trình theo (3-16).
Khi triển khai các phương trình (3-16) và (3-17) thành chuỗi Taylor với các đạo hàm riêng bậc nhất, đồng thời loại bỏ các thành phần chứa đạo hàm riêng bậc cao, chúng ta thu được hệ phương trình tuyết tính.
Trong phương trình, nút 1 được xác định là nút cân bằng, và ma trận Jacobi thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa sự thay đổi nhỏ về góc pha điện áp Δδ i (k) và độ lớn điện áp Δ|Ui (k).
Ma trận Jacobi chứa các phần tử là các đạo hàm riêng, được xác định tại các giá trị Δδ i (k) và Δ|U i (k)|, với các biến đổi nhỏ về CS tác dụng và CS phản kháng ΔP i (k) và ΔQ i (k).
Khi hệ thống được điều khiển bằng nút điều khiển điện áp, độ lớn điện áp đã được xác định Điều này dẫn đến việc loại bỏ các phương trình chứa ΔQ i (k) và Δ|U|, cùng với các cột tương ứng trong ma trận Jacobi Thay vào đó, hệ thống sẽ có n-1 ràng buộc CS tác dụng và (n-1-m) ràng buộc CS phản kháng, khiến ma trận Jacobi có cấp (2n-2-m) x (2n-2-m) Các ma trận liên quan bao gồm J1 với cấp (n-1)x(n-1), J2 với cấp (n-1)x(n-1-m), J3 với cấp (n-1-m)x(n-1) và J4 với cấp (n-1-m)x(n-1-m).
Các phần tử trên đường chéo và ngoài đường chéo của J1 là:
Các phần tử trên đường chéo và ngoài đường chéo của J2 là:
Các phần tử trên đường chéo và ngoài đường chéo của J3 là:
Các phần tử trên đường chéo và ngoài đường chéo của J4 là:
Các giá trị độ lệch CS ΔP i (k) và ΔQ i (k) đƣợc tính theo biểu thức: ΔP i (k) = P i cho - P i (k) (3-27) ΔQ i (k) = Q i cho - Q i (k) (3-28)
Giá trị mới của điện áp tại các nút là: δ i (k+1) = δ i (k) + Δδ i (k) (3-29)
Sau khi tìm được giá trị điện áp các nút, bước tiếp theo ta tính toán phân bố
CS và tổn thất CS trên từng nhánh
Thuật toán giải mạng điện theo phương pháp Newton-Raphson gồm:
Đối với nút tải, cần xác định P i và Q i cho trước, với độ lớn và góc lệch pha điện áp được chọn theo giá trị của nút cân bằng, hoặc có thể chọn |U i (0)| = 1.0 và δ i (0) = 0.0 Còn đối với nút điều chỉnh điện áp, P i và U i cho trước, góc pha cũng được chọn theo giá trị của nút cân bằng, hoặc có thể chọn δ i (0) = 0.0.
+ Đối với nút tải P i (k) và Q i (k) đƣợc tính toán từ (3-16) và (3-17) và ΔP i (k) và ΔQi (k) đƣợc tính toán từ (3-27) và (3-28)
+ Đối với nút điều chỉnh điện áp, P i (k) và ΔQ i (k) đƣợc tính toán từ (3-16) và (3-17)
+Các phần tử của ma trận Jacobi (J1,J2,J3,J4) đƣợc tính toán theo các công thức từ (3-19) đến (3-26)
+ Phương trình tuyến tính (3-18)được giải trực tiếp bằng phương pháp thừa số tam giác tối ưu và phương pháp Gauss
+Giá trị mới của độ lớn điện áp và góc pha đƣợc tính toán theo (3-29) và (3-30)
+ Quá trình tiếp tục cho đến khi độ lệch ΔP i (k) và ΔQ i (k) nhỏ hơn sai số cho phép
+ Sau khi tìm đƣợc các giá trị Ui , i ta tiếp tục tính phân bố CS và tổn thất
Các phần mềm tính toán ở chế độ xác lập
Trong quá trình vận hành hệ thống điện (HTĐ), việc tính toán mô phỏng và phân tích các quá trình xác lập cũng như quá độ của HTĐ là rất quan trọng Điều này giúp đảm bảo sự vận hành tối ưu, an toàn và liên tục cho hệ thống.
Quá trình xác lập hệ thống bao gồm việc tính toán phân bố công suất, điện áp và dòng điện trên các nhánh trong các chế độ làm việc và sơ đồ kết dây khác nhau Điều này giúp tạo ra phương thức vận hành kinh tế và tối ưu hóa chất lượng điện năng.
Khi xảy ra các quá trình quá độ trong hệ thống, như sự cố ngắn mạch hoặc khi có sự cắt, đóng tải đột ngột, cần tính toán để đưa ra phương án bảo vệ relay Việc này bao gồm sa thải và huy động nguồn nhằm loại trừ các dao động có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
Hầu hết các phần mềm tính toán hiện nay sử dụng thuật toán lặp Newton-Raphson và Gauss-Seidel Bài viết này sẽ giới thiệu một số phần mềm mô phỏng hệ thống điện (HTĐ) hiệu quả.
3.3.2 Tính toán hệ thống điện bằng chương trình PSS/E
PSS/E, short for Power System Simulator for Engineering, is a software introduced in 1976 by Power Technologies, Inc., a renowned American software company.
PSS/E là tổ hợp chương trình đầy đủ, hỗ trợ cho việc mô phỏng, phân tích và đánh giá khách quan hiệu suất HTĐ
Các bước được sử dụng trong PSS/E để tiến hành mô phỏng và tính toán các quá trình xảy ra trong hệ thống là:
Phân tích các thiết bị vật lý như ĐD truyền tải, MF, MBA, bộ điều tốc và relay là cần thiết để thực hiện mô phỏng và tính toán các thông số đặc trưng cùng hàm truyền của chúng Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo tính chính xác trong các hệ thống điện.
+ Chuyển các mô hình vật lý đã đƣợc nghiên cứu thành dữ liệu đầu vào cho chương trình PSS/E
+ Sử dụng các chương trình của PSS/E để xử lý dữ liệu, thực hiện tính toán và in kết quả
+ Chuyển đổi kết quả tính toán thành các thông số cho các thiết bị thực đã dùng để mô phỏng
3.3.2.2 Các ứng dụng của chương trình
Tính phân bố CS(Power Flow Calculaton)
Phân tích sự cố trong HTĐ (Fault analysys)
Tính toán mô phỏng ổn định động
Khởi động chương trình PSS/E
Hình 3.2: Khởi động chương trình PSS/E3.0
To install the software, input the password as required and then restart your computer Navigate to the "unlock" folder, double-click on the SENTEMUL2007 file, select the driver, and click on "install driver." Next, click on "Emulator" and then press "start service" to complete the setup.
Để sử dụng PSS/E 3.0, bạn cần thực hiện các bước sau: bấm vào “Dongles”, sau đó chọn “Load Dump” và chọn file “dongle.dng” Cuối cùng, hãy nhấn vào "save state" và có thể đặt chế độ khởi động tự động "Automatic start" hoặc khởi động bằng tay "Manual start" Lưu ý rằng khi khởi động máy tính, bạn phải kích hoạt để PSS/E 3.0 có thể chạy.
Giao diện chính chương trình PSS/E
Hình 3.3:Giao diện chính chương trìnhPSS/E3.0
Conus là chương trình tính toán chế độ xác lập của Đại học Leningrad, được cán bộ khoa HTĐ trường đại học Bách khoa Hà Nội hiệu chỉnh và nâng cấp từ năm 1985 Chương trình đã được ứng dụng hiệu quả trong nhiều đề tài thực tế, phục vụ thiết kế ĐD siêu cao áp 500 kV và quy hoạch phát triển HTĐ Việt Nam đến năm 2015 Đây là công cụ hữu ích cho cán bộ, nghiên cứu sinh và sinh viên trong nghiên cứu khoa học.
Phần mềm PSS/ADEPT (Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) là công cụ mô phỏng hệ thống điện và phân tích lưới điện phân phối, cung cấp nhiều chức năng quan trọng như phân bổ công suất, tính toán ngắn mạch tại một hoặc nhiều điểm, phân tích khởi động động cơ, tối ưu hóa lắp đặt tụ bù, phân tích sóng hài, phối hợp bảo vệ, phân tích điểm mở tối ưu (TOPO) và đánh giá độ tin cậy của lưới điện.
PowerWorld Simulator là phần mềm mô phỏng hệ thống điện (HTĐ) nổi bật của hãng PTI, cung cấp các công cụ hiệu quả cho việc khảo sát các đối tượng và quá trình kỹ thuật - vật lý Phần mềm này giúp kỹ sư điện tiết kiệm thời gian và chi phí trong nghiên cứu.
Tính toán HTĐ bằng chương trình PSS/E 3.0
3.4.1 Các chức năng chính của PSS/E
Chương trình PSSE có khả năng thực hiện nhiều tính toán phân tích hệ thống quan trọng, bao gồm tính toán trào lưu công suất (CS), tối ưu hóa trào lưu CS, nghiên cứu các loại sự cố đối xứng và không đối xứng, tương đương hóa hệ thống, và mô phỏng quá trình quá độ của MP điện.
3.4.2 Sơ đồ tổ chức chương trình PSS/E
- Sơ đồ khối của chương trình PSS/E
Hình 3.4: Mô tả sơ đồ khối của phần mềm tính toán PSS/E
Tính toán trào lưu CS
Kiểm tra các giới hạn
Hiển thị kết quả qua sơ đồ
Thay đổi các dữ liệu đầu vào
Nghiên cứu hệ thống tuyến tính: tính toán trào lưu CS khi bỏ qua ảnh hưởng của CS phản kháng…
Biến đổi dữ liệu của MF / phụ tải
Tương đuơng hóa hệ thống
Đánh số lại các nút
Tạo ra các ma trận toán học của hệ thống điện
Nghiên cứu các loại sự cố Đƣa dữ liệu đầu vào và lấy kết quả đầu ra từ chương trình PSS/E
Dữ liệu đầu vào để tính trào lưu CS: huy động nguồn, phụ tải của các TBA…
Các dữ liệu cơ bản: mô phỏng ĐD,
Kết quả tính toán trào lưu CS
Các chức năng phụ khác:
khởi tạo file số liệu mới
xuất dữ liệu ở các dạng khác nhau…
3.4.3 Tính toán phân bố CS
Vấn đề tính toán phân bổ công suất (CS) dựa vào trạng thái làm việc cân bằng của hệ thống điện (HTĐ) là rất quan trọng Ở trạng thái này, điện áp thứ tự nghịch và không bằng không, do đó, việc tính toán chỉ cần thực hiện với mô hình thứ tự thuận của tất cả các thành phần trong hệ thống.
Dữ liệu đầu vào cơ bản của việc tính toán phân bổ CS là:
+ Tổng trở ĐD và tổng dẫn
+ Tổng trở MBA và các tỉ số phân áp
+ Các thiết bị bù tỉnh nhƣ tụ, cuộn kháng điện
+ Nhu cầu phụ tải ở các thanh cái của hệ thống
+ Độ lớn điện áp hoặc CS phản kháng ở các NMNĐ điện
+ CS phản kháng max, min ở các NMNĐ điện
Yêu cầu tính toán phải đạt:
+ Điện áp ở tất cả các thanh cái (trừ các thanh cái đặc biệt)
+ Góc pha của điện áp
+ CS phản kháng đƣa ra từ các NMĐ điện
+ Phân bổ CS tác dụng, phản kháng và dòng điện qua tất cả các ĐD và MBA
Hệ thống các ĐD truyền tải và các MBA đƣợc mô tả bằng công thức tuyến tính:
I n : Vecto dòng điện thứ tự thuận từ các nút của hệ thống (BUS) chạy vào hệ thống
V n : Vecto điện áp thứ tự thuận tại các nút của hệ thống
Y nn : Ma trận tổng dẫn của hệ thống
Nếu I n hoặc V n đã biết thì việc tính toán hệ thống trở nên đơn giản Tuy nhiên trong thực tế, phải tính cả I n và V n từ công thức trên
Việc tính toán phân bổ CS được tính toán theo phương pháp lặp PSS/E cho phép người sử dụng chọn 1 đến 5 phương pháp lặp khác nhau:
+ Phương pháp lặp Gauss-Seidel
+ Phương pháp lặp Gauss-Seidel có sửa đổi cho phép sử dụng tụ bù nối tiếp + Phương pháp lặp Newton-Raphson liên kết đầy đủ
+ Phương pháp lặp Newton-Raphson không liên kết
+ Phương pháp lặp Newton-Raphson không liên kết có độ dốc
To resolve network unbalance issues, select the command from the MENU: Fault/Solve network with unbalance (SCMU), which will display various options for different types of incidents that require calculation.
+ Sự cố 1 pha chạm đất: tuỳ chọn: L-G unbalance
+ Sự cố 2 pha chạm đất: tuỳ chọn: L-L-G unbalance
+ Sự cố 3 pha: tuỳ chọn: Three phases fault
Kiểm tra ổn định cho hệ thống điện (HTĐ) phức tạp thường được thực hiện thông qua việc mô phỏng các phần tử của HTĐ dưới tác động của các kích thích lớn như đóng cắt tổ máy, thay đổi phụ tải, hoặc ngắn mạch với công suất lớn Trong quá trình tính toán ổn định động của hệ thống, cần thiết lập hệ phương trình vi phân để mô tả trạng thái của các thông số quan trọng như góc lệch và công suất.
Để giải hệ phương trình cùng với các giá trị khởi đầu, chúng ta bắt đầu từ thời điểm t0 - trạng thái ban đầu của hệ thống trước khi có kích thích Các thông số hệ thống được tính toán dựa trên kết quả của các bước tính toán trước đó trong quá trình có kích thích và lặp lại cho đến khi kết thúc khảo sát Để đảm bảo độ chính xác của phép tích phân, bước tính cần nhỏ hơn hằng số thời gian của phần tử trong hệ thống điều khiển và nhỏ hơn tần số lấy mẫu (50Hz) Việc tính toán ổn định động hệ thống điện (HTĐ) cho phép khảo sát sự biến thiên của các thông số như U, I, P, Q khi có kích thích xảy ra trong khoảng thời gian bằng bước tính toán Trong chương trình PSS/E, hệ phương trình vi phân được thiết lập gián tiếp thông qua mô tả chi tiết về mô hình vật lý, lưới điện và phụ tải trong HTĐ, và các thông số của hệ thống sẽ được chương trình tự động tính toán theo thứ tự đã nêu.
Xây dựng dữ liệu tính toán hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E
Phân tích hệ thống điện Việt Nam được thực hiện thông qua phần mềm PSS/E, bắt đầu bằng việc xây dựng cơ sở dữ liệu cho chương trình Quá trình này bao gồm việc tạo file cơ sở dữ liệu để phục vụ cho các tính toán.
3.5.1 Thu thập số liệu HTĐ
Tiến hành thu thập số liệu về HTĐ Việt Nam giai đoạn thực hiện
3.5.2 Tính toán mô phỏng các phần tử HTĐ theo PSS/E
Hệ đơn vị tương đối:
Trong hệ thống đo lường, việc sử dụng hệ đơn vị tương đối giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và giảm thiểu sai sót so với việc sử dụng các đơn vị có tên cụ thể.
Trị số tương đối của một đại lượng là tỷ số giữa trị số của đại lượng đó trong hệ đơn vị cụ thể và một lượng cơ bản đã chọn, được tính trong cùng đơn vị.
Liên hệ giữa đại lƣợng cơ bản và đại lƣợng có tên :
Trong chương trình PSS/E thường lấy :
S BASE = 100 MVA & V BASE KV= Tùy theo cấp điện áp
Bảng 3.1: Tổng trở đường dây theo cấp điện áp Điện áp dây (KV) Điện áp pha (KV) Z base (Ohm)
Các thông số cần thiết:
+ Điện trở đơn vị thứ tự thuận và thứ tự không: r 1 và r 0 (Ohm/km)
+ Điện kháng đơn vị thứ tự thuận và thứ tự không: x 1 và x 0 (Ohm/km) + Điện dẫn đơn vị thứ tự thuận và thứ tự không: b 1 và b 0 (μS/km)
+ Khả năng mang tải của ĐD: S (MVA)
Công thức tính trở kháng ĐD cho cả hai thông số thứ tự thuận và thứ tự không nhƣ sau:
Thông số MBA đƣợc tính theo các công thức sau:
+ Nấc biến áp quy đổi = Nấc giữa – nấc đặt as
+ Điện trở thứ tự thuận: as
+ Điện kháng thứ tự thuận: as
Cho U dm , I dm , X K % Theo định nghĩa:
3 ;(3-34) Trong đó hệ đơn vị tương đối:
Kháng bù ngang: Đối với kháng điện bù ngang thường được cho U dm , Q Kdm Trong hệ đơn vị có tên tính đƣợc:
Chuyển sang hệ đơn vị tương đối:
Tụ bù dọc là loại tụ điện có thông số điện kháng X được đo bằng đơn vị ohm Sơ đồ thay thế cho tụ bù dọc rất đơn giản, chỉ cần xem như một tụ điện trong tính toán Khi thực hiện các phép tính trong hệ đơn vị tương đối, cần lưu ý đến các thông số này để đảm bảo độ chính xác.
Phụ tải được thay thế bằng tổng trở cố định, đảm bảo khi điện áp thanh cái đạt giá trị U, công suất tiêu thụ trên tổng trở sẽ bằng S = P + jQ Theo công thức tính công suất phức trên một nhánh tổng trở, ta có thể xác định các thông số cần thiết cho hệ thống điện.
U 2 sin Trong hệ đơn vị tương đối cơ bản:
Các số liệu cần thiết để mô phỏng MF điện:
+ CS định mức của MF: P đm (MW), Q đm (MVAr), S đm (MVA)
+ Điện áp định mức của MF: U f (kV)
+ CS phát cực đại và cực tiểu: P max (MW), P min (MW), Q max (MVAr),
+ Các điện kháng: X d ”, X0 và X neg
Kết luận
Để thiết kế và vận hành hệ thống điện, người ta thường áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện như Newton-Raphson và Gauss-Seidel Từ hai phương pháp này, nhiều phần mềm tính toán đã được phát triển để hỗ trợ quá trình này.
Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin, máy tính có cấu hình mạnh mẽ ngày càng trở nên phổ biến, cho phép các chương trình mô phỏng hệ thống điện (HTĐ) thực hiện tính toán với độ chính xác và tốc độ cao.
Mỗi phần mềm có những ưu nhược điểm và ứng dụng riêng Phần mềm PSS/ADEPT thường được sử dụng cho lưới phân phối, trong khi POWER WORLD SIMULATION thích hợp cho việc xây dựng các hệ thống mô phỏng vận hành hệ thống điện, phục vụ cho công tác đào tạo CONUS được dùng để tính toán trào lưu công suất và đánh giá ổn định hệ thống điện PSS/E là phần mềm mạnh mẽ, tích hợp hầu hết các chức năng phân tích hệ thống điện và được sử dụng phổ biến trong ngành điện Việt Nam Vì vậy, tác giả đã chọn phần mềm PSS/E làm công cụ tính toán mô phỏng cho luận văn.
Khi đưa vào vận hành nguồn điện mới, lượng công suất (CS) bổ sung từ nguồn này sẽ làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống Mức độ thay đổi phụ thuộc vào phương thức vận hành và điện áp của nguồn mới Cụ thể, việc kết nối nguồn ở cấp điện áp cao sẽ có ảnh hưởng lớn hơn đến toàn bộ hệ thống.
Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, Duyên Hải 2 và Duyên Hải 3 nằm tại huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh Đây là một dự án đa mục tiêu với nhiều mục đích chính khác nhau.
Dự án có nhiệm vụ chính là cung cấp điện cho lưới điện Quốc gia, với tổng công suất thiết kế của Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 1 là 600 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm đạt 607,10 triệu kWh Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 2 có công suất 1.200 MW, sản lượng điện trung bình hàng năm là 1.146,10 triệu kWh, trong khi Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải 3 cũng có công suất 1.200 MW.
Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1, Duyên Hải 2 và Duyên Hải 3 được kết nối với hệ thống điện quốc gia thông qua hai đường dây 220 kV mạch kép, trong đó có đường dây vào thanh góp 220 kV tại trạm biến áp 500 kV Mỹ Tho.
Bảng 3.2: Hiện trạng lưới điện khu vực 4 tỉnh Tây Nam Bộ
Công suất (MW) Điện thương phẩm(G Wh)
Công suất (MW) Điện thương phẩm(G Wh)
Công suất (MW) Điện thương phẩm(G Wh)
Bảng 3.3: Cân bằng công suất dự án
TT Địa danh Công suất
Tổng nguồn khu vực 4 tỉnh 0 3600 4200
Tổngphụ tải khu vực 4 tỉnh 552.4 1353.7 1706.1
Cân bằng khu vực thừa (+) thiếu (-)
Khi Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 đi vào hoạt động, nó sẽ tác động mạnh mẽ đến hệ thống điện Việt Nam và khu vực Nam miền Trung Do đó, việc nghiên cứu phân bổ công suất, điện áp, chế độ đóng cắt và sự ổn định của mạch điện và hệ thống điện là rất cần thiết Chương này sẽ phân tích ảnh hưởng của Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 đến hệ thống trong các chế độ vận hành khác nhau.
+ Chế độ xác lập:Nghiêm cứu ảnh hưởng của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải
Trong việc lựa chọn phương thức kết dây của hệ thống điện, cần xem xét ảnh hưởng đến điện áp và tổn thất công suất của hệ thống Nghiên cứu này cũng cần đánh giá tác động của phương thức kết dây đối với sự phân bố điện năng trong mạng lưới.
CS khuvực Nam miền Trung khi có sự cố một phần tử
Chế độ sự cố tập trung vào việc nghiên cứu sự biến đổi dòng sự cố trong hệ thống và sự biến thiên tổng trở trên các relay bảo vệ khoảng cách Điều này giúp đánh giá ảnh hưởng đến các thiết bị hiện có trong hệ thống.
+ Đánh giá ảnh hưởng của nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 đến sự ổn định quá độ của hệ thống cũng nhƣ bản thân NMNĐ.
