NGHIÊN CỨ U HI ỆN TƯỢNG DAO ĐỘ NG CÔNG SU Ấ T
Những vấn đề cơ bản của hiện tượng dao động công suất
Hệ thống điện hoạt động ổn định ở tần số bình thường với sự đồng bộ giữa các tổ máy phát và cân bằng giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng Tuy nhiên, việc phân tích hệ thống điện trở nên phức tạp khi có sự xáo trộn, như sự cố hoặc thay đổi đột ngột tải, dẫn đến mất cân bằng năng lượng Những xáo trộn này gây ra dao động trong tốc độ rotor của máy phát điện, làm ảnh hưởng đến công suất Để duy trì sự đồng bộ, hệ thống điện cần được thiết kế để chịu đựng các dao động này Nếu sau dao động, hệ thống đạt được trạng thái ổn định mới, đó được gọi là dao động công suất ổn định Ngược lại, nếu xảy ra phân tách lớn giữa các góc rôto máy phát, sẽ dẫn đến dao động lớn về điện áp, dòng điện và công suất, gây mất tính đồng bộ, gọi là dao động công suất không ổn định.
Để ngăn ngừa mất điện diện rộng và hư hỏng thiết bị, việc tách ngay lập tức tổ máy, nhà máy điện hoặc khu vực lưới điện bị mất đồng bộ ra khỏi hệ thống điện là rất quan trọng Sự ổn định của dao động công suất phụ thuộc vào hoạt động không mong muốn của rơle ở các vị trí khác nhau trong hệ thống điện, điều này có thể làm gia tăng sự xáo trộn và dẫn đến mất điện diện rộng.
Ảnh hưởng của dao động công suất đến sự ổn định của hệ thống
Sử dụng mô hình hai máy phát đơn giản giúp hiểu rõ ảnh hưởng của dao động công suất tới khả năng truyền tải và sự ổn định của hệ thống điện mà không cần mô phỏng lưới điện hoàn chỉnh Cụ thể, khi xem xét mô hình gồm một máy phát và một động cơ nối với đường dây, ta giả định rằng tất cả các phần tử đều không có tổn thất Trong trường hợp tải cơ học trên động cơ bằng không, không có dòng điện chạy qua đường dây và điện áp của máy phát sẽ cùng pha với điện áp của động cơ.
Hình 1.1 Mô hình hai máy
Khi tải cơ học trên động cơ tăng, dòng điện bắt đầu lưu thông, dẫn đến sự xuất hiện điện áp rơi trên đường dây Đồng thời, góc pha giữa máy phát và động cơ cũng sẽ gia tăng, như được minh họa trong hình 1.2.
Hình 1.2 Đại diện điện áp của hai mô hình máy
Trong điều kiện này, công suất từ máy phát được truyền đến động cơ, dẫn đến việc góc pha điện áp của máy phát điện dẫn trước góc pha điện áp của động cơ một khoảng ẟ Mối quan hệ giữa công suất tác dụng của đường dây và góc giữa hai điện áp có thể được biểu thị qua một phương trình cụ thể.
Công suất truyền tải tối đa giữa máy phát và động cơ bị giới hạn bởi tổng trở kháng của nguồn điện và trở kháng đường dây Công suất tối đa có thể được truyền tải đạt được tại góc 90 độ, như được thể hiện trên đường cong góc-công suất trong hình 1.3.
Mối liên hệ giữa các góc điện áp và công suất truyền tải cho thấy rằng trong khoảng góc từ 0 đến 90 độ, khi hệ thống bị nhiễu, công suất máy phát và động cơ có thể thay đổi, dẫn đến sự thay đổi góc rotor Sự tăng góc lệch rotor trong khoảng này sẽ làm tăng công suất truyền tải, nhưng cũng có thể giảm góc lệch rotor cho đến khi đạt trạng thái cân bằng mới Ngược lại, ở góc từ 90 độ trở lên, khi bị nhiễu, việc tăng góc lệch rotor sẽ dẫn đến giảm công suất truyền tải, làm tăng góc lệch và gây mất ổn định Để nghiên cứu ảnh hưởng của dao động công suất không ổn định, ta xem xét mô hình hai máy với hai đường dây song song kết nối giữa chúng.
Hình 1.4 Hai mô hình máy với đường dây song song.
Xem xét một sự cố vĩnh cửu 3 pha trên đường dây số 2, nơi đường dây này bị cắt bởi các máy cắt từ cả hai phía Trong điều kiện sự cố, trở kháng giữa hai máy trở nên vô hạn, dẫn đến toàn bộ công suất đổ vào điểm sự cố Khi đó, góc công suất giữa hai máy sẽ tăng lên do máy phát tăng tốc, vì năng lượng cơ học điều khiển máy phát nhỏ hơn năng lượng điện, trong khi động cơ quay chậm lại do năng lượng điện cung cấp không đủ Sau khi cô lập sự cố, việc truyền tải công suất sẽ tiếp tục, và tại mỗi bước, công suất thực tối đa có thể thay đổi do sự thay đổi trở kháng giữa hai máy.
Hình 1.5 Công suất không cân bằng khi dao động công suất không ổn định
Hệ thống vận hành bình thường tại vị trí 0 Khi bị sự cố chuyển xuống vị trí
1 Khi góc tăng lên δ 1 thì đường dây được cắt tại 1 phía, điểm vận hành chuyển lên điểm 3 Khi góc tăng lên δ 2 thì sự cố được cô lập từ 2 phía, điểm vận hành chuyển lên điểm 4 Khi góc tăng lên δ 3 tự đóng lại đường dây thành công điểm vận hành chuyển lên điểm 5 Việc tăng góc phải dừng trước điểm 5 để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện Nếu hệ thống không được trang bị hệ thống dập dao động thích hợp, dao động sẽ trong khoảng góc từ δ 0 đến δ max Những dao động này được gọi là dao động công suất
1.2.1 Nguyên nhân của dao động công suất
Những nguyên nhân chính của dao động công suất bao gồm:
- Các sự cố thoáng qua
- Sự thay đổi đột ngột của tải
- Hòa lưới/tách lưới máy phát điện với hệ thống điện
Mất kích thích trong tổ máy phát điện xảy ra khi mô-men xoắn cơ học từ năng lượng sơ cấp vượt quá mô-men điện từ đầu ra, dẫn đến dao động công suất.
Nếu tình trạng mất đồng bộ kéo dài, rôto không thể duy trì sự đồng bộ Khi công suất đầu ra của máy phát đạt 0, máy phát sẽ nhanh chóng tăng tốc và hoạt động như một động cơ, hấp thụ năng lượng từ cả nguồn năng lượng sơ cấp và hệ thống điện.
Trở kháng đo được rơi vào vùng 3 của rơ le khoảng cách là nguyên nhân chính gây ra tác động sai, dẫn đến việc cắt không mong muốn các đường dây truyền tải Để tránh những tác động sai này, cần cài đặt cẩn thận vùng 3 của rơ le khoảng cách, tính toán khả năng tải tối đa của từng đường dây truyền tải tại mỗi nút.
1.2.2 Hậu quả của việc dao động công suất không ổn định
• Máy phát cung cấp công suất lớn vào hệ thống, dòng điện trong thời gian dao động không ổn định có thể vượt quá ngưỡng sự cố
• Dòng điện quá cao này gây ra hư hỏng thông qua các lực cơ học trên thiết bị và và phát nhiệt
• Nó cũng tạo ra các xung trong mô-men trục và nó có thể dẫn đến cộng hưởng trên trục máy phát điện
• Hư hỏng máy cắt do điện áp phục hồi quá độ (TRV):
Giá trị của TRV trở nên quan trọng khi máy cắt hoạt động trong dao động công suất Trong những trường hợp cực đoan, máy cắt có thể bị hư hỏng nếu điện áp trên các tiếp điểm cắt lệch pha 180 độ trong quá trình tác động.
• Tách mảng phụ tải và nguồn điện:
Nếu không phát hiện dao động công suất không ổn định, hệ thống bảo vệ có thể cắt các điểm trên hệ thống điện, dẫn đến các đảo lộn không mong muốn và làm mất cân bằng giữa tải và nguồn.
• Sa thải các tổ máy một cách không mong muốn:
Hiện tượng trượt cực từ hoặc mất đồng bộ ở máy phát điện thường xảy ra khi rơle bảo vệ không cắt được đường dây truyền tải trong lúc công suất dao động không ổn định Để ngăn ngừa việc sa thải tổ máy không cần thiết, việc tách mảng hệ thống điện tại các vị trí cần thiết trong thời gian này là rất quan trọng.
Thiết bị quan trọng như hệ tua-bin máy phát điện sẽ phải chịu đựng ứng suất nhiệt và cơ khí quá lớn gây hư hỏng
• Cắt các đường dây truyền tải:
Việc ngắt điện không có kiểm soát có thể xảy ra nếu không có sơ đồ bảo vệ chống dao động công suất hiệu quả Một số rơle dễ bị ảnh hưởng bởi dao động công suất, dẫn đến tác động không cần thiết Những tác động này có thể làm tăng mức độ nghiêm trọng của hệ thống, gây ra tình trạng cắt hàng loạt đường dây truyền tải do các rơle bảo vệ khác.
Một số phương pháp nhận dạng dao động công suất
1.3.1 Phương pháp đo trở kháng bằng rơle khoảng cách trong DĐCS
Hiện tượng dao động công suất có thể được phân tích thông qua hệ thống hai máy đơn giản, giúp dễ dàng tính toán trở kháng bằng rơle khoảng cách trong quá trình này.
Hình.1.6 Một hệ thống hai máy
Giả sử rằng điện áp đầu nguồn Es vượt trước điện áp cuối nguồn bởi một góc δ Cũng giả sử tỷ lệ của cả hai điện áp là K
Vì vậy, giá trị của dòng điện trên đường dây là:
Trong điều kiện dao động công suất, hướng dòng điện không thay đổi, trong khi điện áp sẽ biến đổi Áp dụng các phương trình 1.3 và 1.5 với k = 1, ta có thể xác định điện áp và dòng điện tại vị trí rơle S.
Trở kháng đo bằng rơle đặt tại nút Si
Phương trình 1.6 xác định vị trí của trở kháng thứ tự thuận được đo bởi rơle khoảng cách, liên quan đến sự biến đổi của góc rôto trong quá trình dao động công suất.
- Diễn giải bằng sơ đồ vec tơ:
Hai thành phần vectơ trong phương trình 1.6 là hằng số trong mặt phẳng R - X Thành phần đầu tiên có quỹ tích trên một đường thẳng, vuông góc với đoạn đường thứ hai Quỹ đạo của trở kháng được đo bằng rơle trong quá trình dao động công suất là một đường thẳng cắt đường tổng trở kháng vuông góc tại trung điểm của nó, như thể hiện trong hình 1.7 Điểm giao nhau của hai đoạn này tạo thành một góc vuông, phản ánh mối quan hệ giữa hai nguồn.
Trung tâm điện được xác định khi góc δ đạt 180 độ, tại thời điểm này cả hai nguồn điện đều mất đồng bộ Trong quá trình dao động công suất, khi góc δ lớn hơn 180 độ, quỹ đạo trở kháng sẽ xâm nhập vào vùng bảo vệ của rơle, dẫn đến khả năng rơle hoạt động không chính xác trong việc khôi phục sau dao động công suất.
Hình 1.7 Quỹ đạo trở kháng cho hệ thống hai máy có K = 1
+ Trong điều kiện k≠1, từ hình 1.8, ta thấy rằng quỹ đạo trở kháng sẽ tương ứng với các vòng tròn Tâm và bán kính của hình tròn là hàm của k
Hình 1.8 Quỹ dạo trở kháng khi daođộng công suất với K ≠ 1
Trong quá trình dao động công suất, các giá trị tức thời của hai nguồn điện áp liên tục thay đổi, dẫn đến tỷ lệ giữa chúng không ổn định Điều này khiến quỹ đạo trở kháng chuyển động từ vòng tròn này sang vòng tròn khác.
- Điệnáp tại trung tâm điện
+ Điện áp trên dọc tuyến đường dây truyền tải tại thời điểm xảy ra của trung tâm điện được hiển thị trong hình 1.9 dưới đây
Hình 1.9 Phân phối điện áp xung quanh trung tâm điện
Tại trung tâm điện, điện áp bằng không, dẫn đến việc rơle ở cả hai đầu của đường dây nhận diện đây là sự cố ba pha và ngay lập tức cắt đường dây Do đó, sự tồn tại của trung tâm điện đồng nghĩa với việc hệ thống điện mất ổn định, gây nhiễu cho hoạt động của rơle khoảng cách.
1.3.2 Phương pháp tính toán tổng trở liên tục
Phương pháp xác định điều kiện dao động công suất dựa trên việc tính toán tổng trở liên tục theo thời gian, với chu kỳ tính toán là 5 ms Mỗi lần tính toán, giá trị tổng trở được so sánh với giá trị trước đó để xác định mức độ chênh lệch Nếu có sự chênh lệch, một tình huống mất đồng bộ có thể xảy ra, nhưng chưa được xác nhận chắc chắn Giá trị tổng trở tiếp theo sẽ được ngoại suy từ sự sai khác của giá trị trước đó Nếu quá trình ngoại suy chính xác, điều này chứng tỏ quỹ đạo tổng trở đang dao động, từ đó nhận diện điều kiện dao động công suất Để tăng độ tin cậy, quá trình ngoại suy cần được thực hiện thêm nhiều lần.
Hình 1.10 Quỹ đạo đặc tính tổng trở liên tục
Mức độ sai khác của tổng trở không cần đề cập đến, vì thuật toán tự động đánh giá sai lệch tổng trở giữa hai lần tính toán và thiết lập giá trị cho bước tiếp theo Điều này cho phép tổng trở chênh lệch được tính toán động và thích ứng với sự thay đổi của tổng trở dao động công suất Thời gian tính toán giữa các bước được xác định bởi chu kỳ tính toán của thuật toán, không cần đặt ra trước Nếu thời gian véctơ tổng trở thay đổi không đạt đến đặc tính cắt nhanh hơn việc xác định điều kiện mất ổn định (ít nhất 3 lần tính toán, mỗi lần 10 ms), quá trình phát hiện được coi là thành công.
1.3.3 Phương pháp điện áp tại tâm dao động Điện áp tại tâm dao động (Swing-centre votage - SCV) được định nghĩa như là điện áp tại nơi có giá trị bằng không của hệ thống hai nguồn đẳng trị tương đương khi góc lệch giữa hai nguồn là 180 0 Khi hệ thống hai nguồn mất ổn định và tiến tới trạng thái mất đồng bộ sau một vài sự cố, độ chênh lệch góc giữa hai nguồn δ(t) sẽ tăng lên như là một hàm của thời gian Hình 1.11 minh họa biểu đồ góc pha điện áp của một hệ thống hai nguồn máy phát, với điện áp tại tâm dao động được biểu diễn từ điểm 0 đến điểm 0’
Công thức tính xấp xỉ của điện áp SCV được xác định như sau:
Biên độ điện áp đo lường được (VS) và góc lệch giữa véc tơ điện áp và dòng điện (φ) có vai trò quan trọng trong việc phân tích dao động công suất Trong hệ thống đồng nhất, khi góc θ gần 90 độ, giá trị V.cosφ gần bằng biên độ điện áp tại tâm dao động Để phát hiện dao động công suất, sự thay đổi của điện áp tại tâm dao động là thông tin chính Sự sai khác giữa biên độ SCV của hệ thống và giá trị ước lượng ảnh hưởng đến quá trình nhận biết dao động công suất.
Hình 1.11 Đặc tính điện áp tâm dao động SCV
Từ quan hệ giữa SCV và độ sai khác góc lệch pha δ(t) của góc pha điện áp hai nguồn có thể đơn giản hóa như sau:
E1 biểu thị biên độ điện áp nguồn thành phần thuận với giá trị giả thiết ES bằng ER SCV1 là điện áp tại tâm dao động thành phần thuận, biến thiên liên tục trong quá trình OOS Giá trị tuyệt đối của SCV đạt cực đại khi góc giữa hai nguồn bằng 0 và giảm xuống cực tiểu (hoặc 0) khi góc lệch là 180 độ Đặc tính này được ứng dụng để phát hiện dao động công suất Đạo hàm theo thời gian của SCV1 cũng được xem xét.
Phương trình (1-9) đưa ra mối quan hệ giữa mức thay đổi của SCV và đạo hàm tốc độ trượt của hệ thống hai nguồn đẳng trị
Hình 1.12 Đặc tính gần đúng của SCV
Đạo hàm của điện áp SCV không phụ thuộc vào tổng trở lưới và đạt giá trị tối đa khi góc lệch giữa hai véctơ là 180 độ Khi góc lệch tiến gần đến 0, điện áp SCV cũng giảm xuống 0 Giá trị lớn nhất của đạo hàm SCV xảy ra tại góc lệch 180 độ Phương pháp SCV có những ưu điểm nổi bật trong việc phát hiện dao động công suất.
SCV là một yếu tố độc lập với tổng trở của lưới điện và nguồn điện, đồng thời tương ứng với tổng trở và sự thay đổi của công suất tác dụng Giá trị của SCV phụ thuộc vào các yếu tố như đường dây, tổng trở nguồn và những thông số kỹ thuật khác.
Trị số SCV dao động từ 0 đến 1 trong hệ đơn vị tương đối, phản ánh điểm yếu của thông số tổng trở hệ thống Điều này khác với các thông số điện khác như tổng trở, dòng điện và công suất P, Q, vì giới hạn của chúng phụ thuộc vào sự đa dạng của các thông số trong hệ thống.
- Biên độ của SCV liên hệ trực tiếp với góc lệch δ giữa hệ thống hai nguồn
Ví dụ, nếu biên độ đo được của SCV bằng một nửa giá trị danh định, tức góc δ
0 0 , với giả thiết biên độ điện áp nguồn bằng sức điện động hệ thống đẳng trị
1.3.4 Nguyên lý g óc pha đồng bộ
Phân biệt sự cố ngắn mạch và hiện tượng dao động công suất
Theo nguyên lý bảo vệ khoảng cách, giá trị tổng trở Z_R được tính toán từ các biến dòng điện BI và biến điện áp BU Tổng trở Z_R được xác định tại vị trí thiết bị bảo vệ trong chế độ bình thường chủ yếu dựa vào tổng trở tải Z_T Thông thường, Z_T nằm xa các vùng tác động (I, II, III) của bảo vệ khoảng cách, do đó thiết bị bảo vệ sẽ không bị kích hoạt.
Khi xảy ra chế độ bất thường trong hệ thống, như ngắn mạch gần khu vực bảo vệ, tổng trở sự cố Z SC sẽ được tính toán Trong tình huống ngắn mạch, điện áp tại vị trí bảo vệ giảm và dòng điện tăng, khiến tổng trở Z SC có thể vào vùng tác động của bảo vệ (đặc tính mho, đặc tính tứ giác) Lúc này, bảo vệ sẽ cắt với thời gian đã được cài đặt trước Giá trị tổng trở Z R giảm rất nhanh từ Z T đến Z SC, như minh họa trong hình 1.3a trong chế độ sự cố ngắn mạch.
Hình 1.15 Biến thiên đặc tính tổng trở theo thời gian t
Khi xảy ra dao động công suất tương tự như hiện tượng ngắn mạch, giá trị tổng trở Z_R sẽ thay đổi từ Z_T trong khu vực tác động của bảo vệ và dao động Điều này có thể dẫn đến việc bảo vệ khoảng cách hoạt động sai, gây mất chọn lọc Để phân biệt giữa sự cố ngắn mạch (xảy ra nhanh) và dao động công suất (xảy ra chậm hơn), người ta dựa vào tốc độ biến thiên của tổng trở Z_R.
Quỹ đạo biến thiên tổng trở Z R theo thời gian trong mặt phẳng R_X có thể được sử dụng bằng các đặc tính chắn để phát hiện dao động:
Hình 1.16 Đặc tính của rơ le khoảng cách trong dao động và sự cố
Một số loại thiết bị bảo vệ, như so lệch, không hoạt động khi có dao động công suất Tuy nhiên, đa số thiết bị bảo vệ không phân biệt được giữa dao động công suất và ngắn mạch đối xứng, do đó cần có biện pháp để ngăn chặn bảo vệ hoạt động sai khi có dao động công suất Hiện nay, có ba phương pháp được áp dụng để đáp ứng yêu cầu này.
Cách đơn giản nhất để ngăn ngừa tác động nhầm của rơle khởi động trong trường hợp có dao động công suất là chọn các tham số khởi động phù hợp Cần đảm bảo rằng dòng khởi động của bảo vệ lớn hơn dòng dao động cực đại (IKĐ > IDđmax) Đối với bảo vệ khoảng cách, giá trị điện trở cần chọn phải nhỏ hơn điện trở cực tiểu tại vị trí bảo vệ khi có dao động công suất Điều này chỉ khả thi nếu tâm dao động nằm ngoài vùng tác động của bảo vệ Thực tế cho thấy, biện pháp này chủ yếu áp dụng cho bảo vệ dòng điện cắt nhanh và vùng I của bảo vệ khoảng cách.
Cách thứ hai là tăng thời gian duy trì của bảo vệ lên khoảng 1-2 giây Biện pháp này được áp dụng khi việc kéo dài thời gian làm việc của bảo vệ không ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống và đảm bảo an toàn cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ.
Cách thứ ba để bảo vệ thiết bị là sử dụng bộ khóa tự động khóa lại khi có dao động công suất Bộ khóa này cần đáp ứng hai điều kiện cơ bản: nó phải bảo vệ thiết bị khi có dao động công suất trong trạng thái làm việc bình thường và khi xảy ra ngắn mạch.
Không được ngăn cản bảo vệ tác động khi có dao động xảy ra ngắn mạch trên phần tử được bảo vệ Tại Nga, có hai loại thiết bị khóa phổ biến: loại thứ nhất phát hiện ngắn mạch và dao động công suất thông qua sự mất đối xứng về dòng hoặc áp của mạng điện; loại thứ hai phản ứng theo tốc độ biến thiên của dòng, áp hoặc điện trở tại vị trí bảo vệ.
Đa phần các sự cố ngắn mạch ba pha thường phát sinh từ ngắn mạch một pha và hai pha Hiện tượng này có thể xảy ra ngay cả khi tất cả ba pha được đóng điện cùng lúc, do các đầu tiếp xúc của máy cắt không đồng bộ Nghiên cứu cho thấy, ngay cả khi ba pha được đóng cùng một thời điểm, vẫn có dòng điện thứ tự nghịch xuất hiện trong rơle do quá trình quá độ trong bộ lọc dòng hoặc áp đột ngột biến đổi, cùng với sự xuất hiện của thành phần không chu kỳ trong dòng và áp khi xảy ra ngắn mạch Kết quả là, tại thời điểm đầu của ngắn mạch ba pha, áp và dòng thứ tự nghịch xuất hiện ở đầu ra của bộ lọc, mặc dù chỉ trong chốc lát, nhưng đủ để kích hoạt rơle RU2.
Ngắn mạch khác với dao động công suất, vì nó luôn tạo ra dòng và áp thứ tự nghịch, có thể xảy ra trong cả thời gian ngắn hạn lẫn dài hạn.
Khóa bằng rơle thứ tự nghịch hoạt động theo nguyên tắc bảo vệ khi có dòng và áp thứ tự nghịch Nó sẽ không cho phép bảo vệ hoạt động nếu dòng và áp không mất đối xứng, tức là khi U2=0 và I2=0.
Bộ khóa này hoạt động như thiết bị khởi động, chỉ cho phép bảo vệ khi có ngắn mạch, không tác động khi quá tải hoặc dao động công suất Điều này đảm bảo rằng trong trường hợp ngắn mạch ba pha, bảo vệ vẫn có thể hoạt động hiệu quả Để đạt được điều này, bộ khóa cần có phần tử ghi nhận sự mất đối xứng ngắn hạn ban đầu.
Dao động công suất trong các mạng điện phức tạp
Để phân tích diễn biến dao động công suất trên các đường dây trong quá trình mất đồng bộ, cần thực hiện quá trình đẳng trị hóa hệ thống điện phức tạp, tập trung vào các đường dây được xem xét và hình thành một hệ thống hai nguồn đẳng trị Có hai phương pháp chính để thực hiện đẳng trị này.
- Phương pháp sử dụng giá trị đầu ra của một mạng tương đương từ chương trình tính toán ngắn mạch phổ dụng
- Phương pháp sử dụng dòng ngắn mạch ba pha từ một phần mềm tính toán ngắn mạch hoặc tính toán bằng tay
Trong hệ thống phức tạp với nhiều máy phát đồng bộ, việc xác định giá trị tổng trở nguồn ZS và ZR trở nên khó khăn do cấu trúc hệ thống và phương thức huy động nguồn khác nhau theo biến thiên tải Việc phân tích hệ thống phức tạp thành hai nguồn đẳng trị giúp minh họa hiệu quả cho phương pháp phát hiện dao động công suất và lý thuyết chống dao động công suất.
Phương pháp đơn giản nhất để thực hiện đẳng trị là sử dụng giá trị đầu ra từ một chương trình tính toán ngắn mạch phổ dụng Đầu tiên, cần loại bỏ đường dây xem xét và tính toán một mạng hai cửa đẳng trị từ hai phía đầu - cuối của đường dây bằng phần mềm tính ngắn mạch Phần mềm này sẽ tính toán các tổng trở ZS, ZR và ZTR, như thể hiện trong hình 1.15, và từ đó xác định tổng trở của đường dây.
ZL nối song song với ZTR và tính toán tổng trở tương đương ZT theo biểu thức:
Đối với hệ thống điện phức tạp với nhiều nguồn và đường dây, việc xem xét một đường dây riêng lẻ giúp tính toán ổn định Các phần hệ thống hai phía của đường dây sẽ được rút gọn thành một hệ thống tương đương đơn giản, bao gồm một máy phát và một tổng trở tương đương Hệ thống điện này sẽ được thể hiện dưới dạng một mạng hai cửa, như minh họa trong hình 1.17.
Hình 1.17 Hệ thống đẳng trị hai nguồn từ mạng hai cửa
Tổng trở ZT đặc trưng cho cân bằng giữa biên độ điện áp giữa các nguồn và xác định tâm dao động có đi qua đường dây hay không
Quá trình đẳng trị trong hệ thống phức tạp dựa vào việc phân tích dòng ngắn mạch ba pha tổng tại hai đầu cuối của đường dây, cùng với dòng ngắn mạch trên đường dây tương ứng với từng sự cố cụ thể.
Từ đó đưa ra các dữ liệu sau:
-I3Ph-S : dòng ngắn mạch ba pha tổng khi sự cố tại nút S, p.u
-I3Ph-R: dòng ngắn mạch ba pha tổng khi sự cố tại nút R, p.u
-I3Ph-RS : dòng ngắn mạch ba pha chạy trên đường dây khi sự cố tại nút S, p.u
-I3Ph-SR : dòng ngắn mạch ba pha chạy trên đường dây khi sự cố tại nút R, p.u
Tính toán các hệ số:
(1-13) Khi đó sơ đồ hình sao thay thế:
Hình 1.18 Hệ thống hình sao đẳng trị giữa hai nút S và R.
Các tổng trở đẳng trị hình sao như trên hình vẽ tính theo công thức:
W =Z Th S − −X 1−K S (1-14) Trong đó Z Th S − là tổng trở thuận nhìn từ điểm sự cố tại nút S, có giá trị:
Hệ thống hình sao đẳng trị trên hình vẽ có thể biến đổi về dạng tam giác qua các công thức chuyển đổi sao – tam giác.
ẢNH HƯỞ NG C ỦA DAO ĐỘ NG CÔNG SU ẤT ĐẾ N HO Ạ T ĐỘ NG C Ủ A THI Ế T B Ị B Ả O V Ệ
Ảnh hưởng của dao động công suất đến các thiết bị bảo vệ
Dao động công suất không ổn định và mất đồng bộ ảnh hưởng trực tiếp đến rơ le bảo vệ đường dây, đặc biệt là trong quá trình cân bằng ba pha Các nhiễu loạn nghiêm trọng gây ra dao động công suất không ổn định có thể làm giảm hiệu quả của rơ le so lệch, khiến chúng không hoạt động khi cần thiết Đồng thời, các hệ thống rơ le khác như rơ le khoảng cách, rơ le quá dòng và rơ le quá dòng có hướng cũng bị ảnh hưởng lớn, dẫn đến khả năng tác động sai và nguy cơ cắt máy cắt.
2.1.1 Ảnh hưởng đến rơle so lệch
Hệ thống rơ le so lệch đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ máy biến áp, máy phát điện, thanh cái và đường dây khỏi sự mất đồng bộ Khi xảy ra mất đồng bộ giữa hai nguồn, dòng điện sẽ chảy từ đầu phát đến đầu nhận, dẫn đến dao động công suất có thể gây ra sự cố ngoài vùng bảo vệ Để cô lập hệ thống tại điểm xảy ra dao động, cần bổ sung các biện pháp bảo vệ dự phòng nhằm phát hiện kịp thời các dao động này.
2.1.2 Ảnh hưởng đến rơle quá dòng
Hệ thống rơ le bảo vệ quá dòng và quá dòng có hướng chủ yếu được sử dụng để bảo vệ sự cố pha, với tiêu chí bảo vệ đơn giản là tác động khi dòng điện vượt quá giá trị khởi động đã cài đặt Tuy nhiên, một trong những nhược điểm lớn của hệ thống này là khả năng tác động trong các dao động công suất ổn định, ngay cả khi hệ thống có thể phục hồi và duy trì trạng thái ổn định.
2.1.3 Ảnh hưởng đến bảo vệ khoảng cách
Rơle khoảng cách là thiết bị đo trở kháng thứ tự thuận trong quá trình dao động công suất và sự cố Nó sẽ tác động khi vị trí trở kháng đo được nằm trong vùng hoạt động của rơle Thời gian tác động của rơle để cắt máy cắt phụ thuộc vào thời gian mà các quỹ đạo trở kháng đi vào vùng hoạt động, cũng như từng vùng bảo vệ cụ thể.
Trong bài viết này, chúng ta phân tích một đường dây điện được cấp nguồn từ hai phía với ba vùng bảo vệ: Z1, Z2 và Z3 Rơle tổng trở được áp dụng, và các đường đặc tính được biểu diễn trên mặt phẳng R-X Khi hệ số k = 1, quỹ đạo trở kháng sẽ vuông góc với đường thẳng AB Đối với dao động công suất ổn định, góc rôto tối đa cho phép là δmax Khi dao động công suất đi vào các vùng bảo vệ Z1, Z2 và Z3, các góc rôto tương ứng là δz1, δz2 và δz3.
Hình 2.1 Góc rôto tối đa đối với dao động công suất ổn định
• Đối với giá trị δmax < δz3, quỹ đạo trở kháng khi dao động công suất sẽ không đi vào vùng hoạt động của rơle
Khi giá trị δz3 nhỏ hơn δmax và lớn hơn δz2, quỹ đạo trở kháng sẽ di chuyển vào vùng Z3 Nếu quỹ đạo này duy trì trong vùng Z3 lâu hơn thời gian cài đặt của rơ le, rơ le sẽ kích hoạt để cắt đường dây.
Khi giá trị δz1 < δmax < δz2, quỹ đạo trở kháng trong dao động công suất sẽ đi vào cả hai vùng Z2 và Z3 Nếu quỹ đạo ở lại vùng Z2 lâu hơn thời gian cài đặt của rơ le, rơ le sẽ tự động cắt đường dây trong vùng Z2.
Khi giá trị δmax lớn hơn δz1, quỹ đạo trở kháng trong dao động công suất sẽ đi vào các vùng Z1, Z2 và Z3, với vùng Z1 có tác động ngay lập tức, không có thời gian trễ.
Trong quá trình dao động công suất, tác động của rơle khoảng cách chịu ảnh hưởng từ độ lớn trở kháng của hệ thống điện cũng như trở kháng của đường dây.
Trong trường hợp trở kháng đường dây nhỏ hơn trở kháng hệ thống, các vùng bảo vệ của rơle khoảng cách chỉ có thể cắt khi dao động công suất không ổn định, dẫn đến hệ thống điện không được phục hồi Như thể hiện trong hình 2.2, quỹ đạo dao động chỉ đi vào vùng ngoài cùng của các vùng hoạt động của rơle khi chênh lệch góc giữa các hệ thống lớn hơn 120 độ Lệnh cắt đường dây có thể được gửi từ bất kỳ vùng nào của rơle Đối với đường dây tải điện dài từ 200-300 dặm, các quỹ đạo trở kháng tương tự như các vòng tròn tương ứng với k>1 và k1, quỹ đạo trở kháng sẽ chỉ đi qua vùng thứ ba, và thời gian quỹ đạo của trở kháng đi vào vùng hoạt động của rơle có thể được xác định.
Hình 2.2 Quỹ đạo trở kháng khi trở kháng đường dây nhỏ hơn trở kháng hệ thống
Khoảng cách di chuyển của quỹ đạo trở kháng thu được bằng cách sử dụng δ và độ trượt S, tính bằng độ trên giây như hiển thị trong công thức 2.1
Thời gian di chuyển từ E đến F: t 2 2
Hình 2.3 Quỹ đạo dao động với k > 1
Trong trường hợp II, khi trở kháng đường dây lớn so với trở kháng hệ thống, rơle khoảng cách có khả năng tác động trong cả hai tình huống: dao động công suất không ổn định và ổn định Điều này cho phép hệ thống điện có khả năng phục hồi hiệu quả Tình huống này được minh họa rõ ràng trong hình 2.4.
Hình 2.4 Quỹ đạo dao động khi trở kháng đường dây lớn hơn trở
Kiểm tra tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách
2.2.1 Yêu cầu về tính chọn lọc của bảo vệ khoảng cách
Tính chọn lọc của thiết bị bảo vệ là khả năng phát hiện và loại trừ chính xác các phần tử gặp sự cố trong hệ thống Đối với các hệ thống điện phức tạp, việc đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ trở nên thách thức hơn.
Theo nguyên lý hoạt động, thiết bị bảo vệ được chia thành hai loại: bảo vệ chọn lọc tuyệt đối và bảo vệ chọn lọc tương đối.
Bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối chỉ hoạt động khi sự cố xảy ra trong một khu vực cụ thể, không cung cấp bảo vệ dự phòng cho các khu vực lân cận.
Bảo vệ có tính chọn lọc tương đối không chỉ thực hiện nhiệm vụ bảo vệ chính cho đối tượng mà còn hỗ trợ bảo vệ cho các phần tử lân cận Để đạt yêu cầu về chọn lọc, cần có sự phối hợp giữa các bảo vệ lân cận trong toàn hệ thống, đảm bảo cung cấp điện liên tục và giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện Ngược lại, các bảo vệ có tính chọn lọc tuyệt đối như rơle so lệch và khoảng cách dùng tín hiệu điều khiển sẽ không được xem xét.
Bảo vệ khoảng cách có tính chọn lọc tương đối, với khả năng các vùng bảo vệ chồng lấp lên nhau để dự phòng, có thể gây ra cắt không chọn lọc khi xảy ra dao động công suất trong hệ thống Vì vậy, việc nghiên cứu và xem xét kỹ lưỡng từng tình huống vận hành là rất cần thiết.
Tính chọn lọc của các thiết bị bảo vệ hoạt động phụ thuộc vào chế độ vận hành của hệ thống, bao gồm chế độ bình thường và sự cố Trong trường hợp xảy ra dao động công suất, bảo vệ khoảng cách có thể bị tác động sai, dẫn đến mất tính chọn lọc Để kiểm tra tính chọn lọc, quá trình này thường được thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng hệ thống điện, giúp người tính toán có cái nhìn trực quan về các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống và hành vi của các rơle bảo vệ.
2.2.2 Khả năng dao động công suất trong các tình huống vận hành.
Dao động công suất trong hệ thống máy phát điện đồng bộ có thể xảy ra do các biến động đột ngột như đóng - cắt tải công suất lớn, ngắt kết nối máy phát, đường dây tải nặng và sự cố ngắn mạch.
Khi góc lệch tương đối giữa các máy phát biến động và vượt quá 180 độ, hệ thống sẽ mất ổn định, dẫn đến biến thiên trong các thông số như điện áp, dòng điện và công suất truyền tải Sự thay đổi này cũng ảnh hưởng đến tổng trở cảm nhận tại vị trí rơle, khiến nó chuyển từ vùng tải sang vùng tác động của bảo vệ khoảng cách Nếu không thiết lập chức năng khóa khi có dao động điện, thiết bị bảo vệ sẽ cắt không chọn lọc, làm trầm trọng thêm sự cố Do đó, dao động công suất thường xảy ra trong các hệ thống có những đặc điểm nhất định.
- Nguồn cung cấp là các máy phát điện đồng bộ công suất lớn
- Đường dây liên lạc làm việc ở chế độ tải nặng
- Khu vực phụ tải tiêu thụ có công suất lớn.
GI Ớ I THI Ệ U VÀ MÔ PH Ỏ NG H Ệ TH ỐNG ĐIỆ N B Ằ NG
Tổng quan về phần mềm ETAP
ETAP là phần mềm phân tích và vận hành hệ thống điện nổi bật với khả năng áp dụng cho nhiều mô hình từ đơn giản đến phức tạp Phần mềm này được phát triển mạnh mẽ nhờ những ưu điểm vượt trội và luôn cập nhật đầy đủ các thiết bị theo tiêu chuẩn quốc tế.
ETAP là phần mềm mô phỏng do công ty Nhật Operation Technology, Inc phát triển, với phiên bản 12.6 được phát hành vào tháng 3/2014 Phần mềm này cho phép thiết kế và mô phỏng hệ thống bằng cách sử dụng các khối có sẵn để mô tả sự vận hành ETAP có khả năng phân tích và tính toán các thông số quan trọng của hệ thống, bao gồm dòng điện, công suất tối ưu và đánh giá độ ổn định của hệ thống.
ETAP là phần mềm thương mại phổ biến dùng để phân tích và tính toán hệ thống điện Đối với các mạch điện phức tạp, việc tính toán thủ công rất khó khăn và tốn thời gian Sử dụng phần mềm ETAP giúp đạt được kết quả chính xác, với sai số chỉ dưới 5% so với tính toán thủ công.
3.1.2 Các chức năng của phần mềm ETAP
- Khảo sát và phân tích một hệ thống điện
- Xây dựng sơ đồ hệ thống điện cần phân tích
Phân tích phân bố công suất trên hệ thống điện là quá trình quan trọng giúp xác định tổn thất công suất trên đường dây, sụt áp và tình trạng quá tải Việc đánh giá hệ số công suất của tải cũng đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống điện Những yếu tố này cần được xem xét đồng bộ để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của mạng lưới điện.
Phân tích ngắn mạch hệ thống điện bao gồm các chế độ ngắn mạch đối xứng và không đối xứng, cũng như các trường hợp cụ thể như ngắn mạch một pha chạm đất, hai pha chạm đất, và ngắn mạch giữa hai dây pha Việc tính toán dòng ngắn mạch là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu suất cho hệ thống điện.
Hiện nay, phần mềm ETAP được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế và tính toán hệ thống điện cũng như các nhà máy điện Đây là giải pháp doanh nghiệp toàn diện cho việc thiết kế, mô phỏng, vận hành, kiểm soát, tối ưu hóa và tự động hóa các hệ thống điện trong lĩnh vực truyền tải, phân phối và sản xuất điện.
ETAP cung cấp giải pháp phần mềm tích hợp hoàn chỉnh, bao gồm flash điện hồ quang, dòng tải, ngắn mạch, ổn định thoáng qua và phối hợp tiếp sức Các modul chức năng của ETAP có khả năng tự điều chỉnh, phù hợp với nhu cầu của mọi công ty, từ quy mô nhỏ đến hệ thống năng lượng lớn.
Hình 3.1 Giao diện của ETAP
- Các chức năng tính toán:
Hình 3.2 Các chức năng tính toán của ETAP
Hình 3.3 Các phần tử AC trong ETAP
- Các thiết bị đo lường bảo vệ
Hình 3.4 Các thiết bị đo lường bảo vệ trong ETAP
3.1.4 Giới thiệu các phần tử chính
- Bus: là một phần tử dùng để liên kết các phần tử khác như máy phát, tải, thiết bị bảo vệ, trong Bus có những thông tin như sau:
Trong Study View, mỗi Bus được xác định bằng một ID duy nhất, bắt đầu từ số nguyên cho Bus đầu tiên và tăng dần khi thêm Bus mới Trạng thái IN/Out Service thể hiện kết nối của các phần tử trong sơ đồ đơn tuyến Normal kV là giá trị đầu vào cho Bus, phản ánh điện áp tại cuối đường dây từ Power Station Innitial Voltage là tỷ lệ phần trăm hoạt động điện áp tại Normal kV Cuối cùng, Diversity Factor là giới hạn hoạt động của tải.
Load được sử dụng để hiển thị toàn bộ các động cơ và tải tĩnh liên kết với Bus cho từng loại tải Giá trị được hiển thị bằng đơn vị kW và kVar, thể hiện tổng đại số của các tải hoạt động khi kết nối trực tiếp với Bus.
Motor/Generator là phần hiển thị các thành phần như Induction Motor và Generator Motor khi kết nối trực tiếp với Bus Những động cơ này sẽ xuất hiện khi có một hoặc nhiều Composite Motor liên kết với Bus Rating chỉ định các đặc tính của Bus, bao gồm định mức dòng điện, dòng điện liên tục và dòng ngắn mạch, cả đối xứng lẫn bất đối xứng Reliability nhập các tham số tin cậy cho Bus, như số lần sự cố trong năm và số giờ cần thiết để sửa chữa hoặc khôi phục đến trạng thái hoạt động bình thường.
Máy biến áp 3 cuộn dây là một thiết bị điện quan trọng, bao gồm ba cuộn dây, có nhiệm vụ chính là phân phối điện năng hiệu quả Thiết bị này thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau để đảm bảo nguồn điện được cung cấp ổn định và an toàn.
Thông tin về máy biến áp bao gồm các yếu tố quan trọng như liên kết với tải nào, thiết bị bảo vệ 3 pha, tên nhà sản xuất và nhiệt độ hoạt động của máy.
+ Rating: có 3 cấp điện áp Primary, Secondary, Tertiary, công suất định mức truyền tải mỗi cuộn
+ Tap: các tổ đấu dây của 3 cuộn dây, góc lệch pha giữa Secondary và
Cáp là một hệ thống phân phối điện được thiết kế để kết nối các phần tử như Bus với Load, Bus với Bus, và Bus với Motor Trong cáp chứa đựng nhiều thông tin quan trọng liên quan đến việc truyền tải điện năng hiệu quả.
+ Information: gồm chiều dài của cáp đơn vị theo chuẩn English hay Metric, loại cách điện, số lượng dây, loại dây dẫn đồng hoặc nhôm, điện áp định mức
+ Impedance: gồm điện trở và điện kháng của cáp trên đơn vị chiều dài và nhiệt độ hoạt động của cáp
+ Physical: gồm đường kính dây, điện trở của dòng điện, độ dài cách điện
+ Load: chứa các thông tin chi tiết cáp như: dòng điện, hệ số tải, hệ số nhân cho tải trong tương lai giảm hoặc tăng tiết diện dây cáp
+ Ampacity: gồm các hệ số nhân khi đầy tải, nhiệt độ xung quanh dây dẫn và nhiệt độ lớn nhất của dây dẫn khi hoạt động có tải
Kích thước: Bao gồm thông tin về cài đặt độ sụt áp của cáp, báo cáo mức độ sụt áp so với yêu cầu đặt ra, và việc lựa chọn hệ số nhân phù hợp cho các dự án tải.
Trang này cung cấp thông tin chi tiết về sơ đồ, bao gồm ngày vẽ, ngày hoàn thành, tài liệu tham khảo, tên nhà chế tạo cho từng phần tử, và ngày mua thiết bị.
- Máy phát: máy phát đồng bộ nhiệm vụ cung cấp công suất cho tải thông qua đường dây truyền tải, với những thông tin như:
Mô phỏng sơ đồ hệ thống lưới IEEE 9 nút trên ETAP
Chúng tôi đã thực hiện mô phỏng hệ thống điện trên phần mềm ETAP bằng cách mô hình hóa các thành phần của hệ thống thành một mạch điện cơ bản, bao gồm các phần tử thiết yếu.
Nguồn, tải, MBA, thanh cái, dây dẫn, và các phần tử khác
Hệ thống 9 nút IEEE bao gồm ba máy phát điện G1, G2 và G3, kết nối với các nút 1, 2, 3 thông qua máy biến áp tăng áp 230kV Ba phụ tải A, B và C được kết nối với các nút 5, 6 và 8 Hệ thống cũng sử dụng ba máy biến áp tăng áp đấu sao/tam giác với dữ liệu phù hợp giữa các nút 1-4, 2-7 và 3-9, được mô phỏng trong phần mềm.
ETAP với các thông số như sau:
Các thao tác điền thông số: Điền thông số nguồn G1 Điền thông số MBA T1 Điền thông số tải A
Hình 3.5: Hệ thống lưới IEEE 9 nút
