CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG ETAP
7.2 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố đối xứng
7.2.2 Sự cố ba pha đường dây số 6
7.2.2.1 Sự cố ba pha thoáng qua đường dây số 6
Hệ thống không có bộ ổn định PSS
Hình 7.101 Đáp ứng của hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6
Hệ thống có bộ ổn định PSS
Hình 7.102 Đáp ứng hệ thống khi sự cố thoáng qua ở đường dây số 6 có bộ PSS
So sánh đáp ứng hệ thống sự cố thoáng qua đường dây số 6 khi có và không có bộ PSS
Hình 7.103 So sánh đáp ứng hệ thống có và không có PSS sự cố thoáng qua đường dây số 6
Nhận xét đáp ứng hệ thống đối với sự cố thoáng qua đường dây số 6 và tác động bộ PSS
Kết quả mô phỏng ở hình 7.26 và 7.27 của trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha ở đường dây số 6, ngắn mạch ở vị trí giữa đường dây. Sự cố là thoáng qua, chỉ tồn tại trong khoảng thời gian 0.1s và tự mất đi.
Biên độ của góc lệch rotor ở sự cố ngắn mạch đường dây khá lớn và lớn hơn so với trường hợp khi xảy ra sự cố ngắn mạch ở thanh cái trong khoảng thời gian quá độ hệ thống. Sau khi sự cố tự mất đi, hệ thống dần đạt được trạng thái ổn định ban đầu do cấu trúc hệ thống không thay đổi. Hình 7.28 là so sánh tác động của bộ ổn định PSS, khi có bộ ổn định, hệ thống nhanh chóng dập tắt dao động và ổn định trong một khoảng thời gian ngắn.
7.2.2.2 Cô lập đường dây số 6 có sự cố 3 pha
Hệ thống không có bộ ổn định PSS
Hình 7.104 Đáp ứng hệ thống khi cô lập đường dây số 6 không có bộ PSS
Hệ thống có bộ ổn định PSS
Hình 7.105 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có bộ PSS
So sánh đáp ứng hệ thống cô lập sự cố 3 pha đường dây số 6 khi có và không có bộ PSS
Hình 7.106 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 có và không có bộ PSS
So sánh đáp ứng tần số (tốc độ) hệ thống có và không có bộ PSS
Hình 7.107 Đáp ứng tần số của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS
Nhận xét đáp ứng của hệ thống khi cô lập đường dây số 6 và tác động của bộ Hình 7.29 và 7.30 là đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha đường dây số 6, sự cố xảy ra ở giữa đường dây, tồn tại trong vòng 0.1s, cô lập đường dây để xóa sự cố bằng cách cho mở hai máy cắt số 15 và số 16.
Sau khi cô lập đường dây, cấu trúc hệ thống thay đổi do mạch hệ thống chuyển từ mạch vòng trở thành mạch hình tia. Trở kháng của toàn hệ thống tăng lên làm giới hạn công suất truyền tải giảm. Hệ thống sẽ chuyển từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác với giá trị nhỏ hơn giá trị xác lập ban đầu. Nhưng do cấu trúc thay đổi không nhiều như khi cô lập thanh cái số 8 (đường dây số 5, đường dây số 6 bị cô lập và không còn phụ tải C), nên hệ thống đạt giá trị xác lập mới gần hơn với giá trị xác lập ban đầu (59 so với 60).
Cắt nhanh ngắn mạch bằng các thiết bị bảo vệ còn là biện pháp để cải thiện tính ổn định của hệ thống bởi diện tích tăng tốc sẽ bị giảm và có thể làm tăng tốc diện tích hãm tốc. Điều này đồng nghĩa với việc tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây.
Nhận xét hình 7.32 là đáp ứng tần số (tốc độ) của hệ thống khi xảy ra sự cố sẽ biểu thị rõ ràng dao động của rotor. Rotor máy phát sau khi đã dần đi vào ổn định vẫn dao động với dạng sóng không ổn định, dao động dạng sin bị biến dạng khiến cho hệ thống rất khó lấy lại trạng thái ổn định. Nhưng khi có sự tác động của bộ PSS, hệ thống ngay lập tức đạt đến giá trị cân bằng và giữ không đổi trong khoảng thời gian sau đó. Bộ ổn định PSS dập tắt dao động của rotor hệ thống, qua đó làm cho góc lệch của máy phát rotor cũng nhanh chóng đạt đến giá trị cân bằng.
7.2.2.3 Thời gian tới hạn khi cô lập đường dây số 6 để vẫn duy trì được ổn định đồng bộ hệ thống
Đáp ứng hệ thống vẫn duy trì được ổn định đồng bộ
Hình 7.108 Đáp ứng hệ thống vẫn duy trì được ổn định đồng bộ
Nhận xét đáp ứng hệ thống ở thời gian tới hạn
Thời gian tới hạn của hệ thống để duy trì được ổn định đồng bộ kéo dài 0.162s.
Trong khoảng thời gian này, góc lệch tối đa của rotor máy phát đã đạt tới giá trị 179.77°, khả năng mất đồng bộ lúc này là rất lớn, do hệ thống mất đồng bộ khi góc lệch rotor vượt quá giới hạn 180°.
Nhưng trong trường hợp thời gian sự cố kéo dài 0.162s và tiến hành cắt đường dây, hệ thống vẫn có thể duy trì ổn định đồng bộ cả hai máy phát số 2 và máy phát số 3.
Đáp ứng hệ thống khi mất ổn định đồng bộ
Hình 7.109 Đáp ứng hệ thống khi bị mất ổn định đồng bộ
Nhận xét đáp ứng hệ thống khi mất ổn định đồng bộ
Khi thời gian tồn tại sự cố vượt qua khoảng thời gian tới hạn cho phép, hệ thống sẽ bị mất ổn định đồng bộ, và trong trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha đường dây, máy phát số 2 sẽ bị mất ổn định trước máy phát số 3.
Quan sát hình 7.34, dạng sóng của góc lệch rotor máy phát số 2 đã mất dạng sin, góc lệch rotor đã vượt qua giá trị 180°. Máy phát số 3 vẫn còn duy trì được ổn định đồng bộ.
Kết quả cho thấy giới hạn công suất truyền tải giảm khá nhanh theo thời gian tồn tại sự cố ngắn mạch của hệ thống. Ta có đồ thị biễu diễn đặc tính này:
Hình 7.110 Tương quan công suất truyền tải và thời gian tồn tại ngắn mạch
Đáp ứng của hệ thống khi cô lập máy phát đồng bộ
Hình 7.111 Đáp ứng hệ thống khi máy phát số 2 mất đồng bộ và bị cô lập
So sánh đáp ứng tần số (tốc độ) của hai máy phát số 2 và số 3
Hình 7.112 Đáp ứng tần số của hai máy phát số 2 và số 3
Nhận xét đáp ứng hệ thống khi cô lập máy phát số 2 mất ổn định đồng bộ Khi máy phát số 2 bị mất ổn định trước, ta sẽ tiến hành cô lập máy phát số 2 để quan sát đáp ứng của của máy phát số 3 và hệ thống có duy trì được ổn định động bộ với chỉ 2 máy phát hay không.
Quan sát hình 7.35 và 7.36, hệ thống ở thời điểm 0.163s, máy phát số 2 bị cắt ra nên tốc độ và góc lệch có giá trị bằng 0, sau khi cô lập máy số 2 đáp ứng có xu hướng ổn định. Có nghĩa là khi hệ thống không có sự hoạt động của máy phát số 2, hệ thống cũng không bị mất ổn định đồng bộ, nhưng máy phát số 3 và máy phát số 1 sẽ phát ra công suất lớn hơn so với trước khi cô lập máy phát số 2 để gánh thêm phần công suất phát ra của máy phát số 2. Ban đầu máy phát số 3 phát ra công suất 163 MW, máy phát số 1 là 20.1 MW, sau khi cô lập sự cố, máy phát số 3 phát ra công suất 169.7 MW và máy phát số 1 là 192.1 MW.
Sỡ dĩ máy phát số 2 không bị mất đồng bộ do khả năng của bộ điều tốc điều chỉnh công suất cơ đầu vào thích hợp để giảm gia tốc tăng tốc của rotor máy phát, rotor máy phát vì vậy sẽ không bị tăng tốc mãi mãi.
7.2.2.4 Hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây bị sự cố
Hệ thống tự đóng lại 1s sau sự cố
Hình 7.113 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 1s
Hệ thống tự đóng lại 2s sau sự cố
Hình 7.114 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi cô lập đường dây 2s
Đáp ứng tần số của hai máy phát số 2 và máy phát số 3
Hình 7.115 Đáp ứng tần số máy phát khi hệ thống tự đóng lại
Đáp ứng hệ thống tự đóng lại khi đã cô lập máy phát số 2
Hình 7.116 Đáp ứng hệ thống tự đóng lại sau khi đã cô lập máy phát số 2
Nhận xét đáp ứng của hệ thống đối với tự đóng lại
Hình 7.37 và hình 7.38 là đáp ứng góc lệch rotor của máy phát khi máy cắt có chế độ tự đóng lại. Các trường hợp khảo sát là hệ thống tự đóng lại lần lượt 1s, 2s sau khi cắt đường dây và xóa sự cố, thậm chí là tự đóng lại sau khi hệ thống đã cô lập máy phát số 2. Hệ thống vẫn có xu hướng ổn định sau khi xóa sự cố và tự đóng lại.
Thông thường thời gian tự đóng lại của hệ thống vào khoảng từ 0.3s – 0.6s. Ở thực tế, khi hệ thống tự đóng lại vượt qua thời gian tới hạn và tự đóng lại không thành công, hệ thống sẽ bị mất ổn định đồng bộ, nhưng do cấu trúc mạng điện đang xét là mạng IEEE 9 nút có cấu trúc nhỏ, nên không tồn tại thời gian tới hạn của hệ thống tự đóng lại.
7.3 Khảo sát đáp ứng của hệ thống với các sự cố không đối xứng – sự cố một pha chạm đất thanh cái số 1
Hệ thống không có bộ ổn định PSS
Hình 7.117 Đáp ứng của hệ thống khi có sự cố một pha chạm đất thoáng qua
Hệ thống có bộ ổn định PSS
Hình 7.118 Đáp ứng hệ thống sự cố thoáng qua một pha chạm đất có PSS
So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS đối với sự cố một pha chạm đất thoáng qua
Hình 7.119 So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS đối với sự cố một pha chạm đất ở thanh cái số 1
Nhận xét đáp ứng của hệ thống khi xảy ra sự cố không đối xứng ở thanh cái số 1
So với sự cố ngắn mạch ba pha hệ thống, sự cố ngắn mạch một pha chạm đất ít nghiêm trọng hơn. Dựa vào biên độ dao động của góc lệch rotor để khẳng định điều này vì cùng ngắn mạch ở thanh cái số 1 nhưng đối với ngắn mạch ba pha hệ thống, biên độ góc lệch rotor của máy phát số 2 đạt tới giá trị 100, đối với ngắn mạch một pha chạm đất hệ thống, góc lệch rotor tối đa xấp xỉ giá trị 75. Hình 7.35 cũng cho thấy sự cố 3 pha có thời gian tới hạn ngắn hơn và dễ mất ổn định hơn sự cố ngắn mạch một pha chạm đất.
Ở sự cố ngắn mạch một pha chạm đất, do sự cố ít mang tính nghiêm trọng hơn nên bộ ổn định PSS làm việc khá hiệu quả. Dao động rotor máy phát nhanh chóng bị dập tắt tại thời điểm 6s.
Thời gian tới hạn đối với sự cố một pha chạm đất
Hình 7.120 Đáp ứng hệ thống khi xảy ra sự cố một pha chạm đất (sự cố vĩnh viễn)
Hình 7.44 là đáp ứng của hệ thống đối với sự cố một pha chạm đất, nhưng sự cố không được xóa mà vẫn duy trì trong suốt thời gian mô phỏng. Ta nhận thấy hệ thống không những không bị mất đồng bộ mà sau đó còn đạt được một trạng thái ổn định mới, do khả năng của bộ điều tốc và bộ kích từ hệ thống, từ đó khẳng định mức độ nghiêm trọng của sự cố một pha chạm đất là rất ít do hệ thống sẽ tự điều chỉnh và hoạt đồng trên các đường dây còn lại. Nhưng do mạng điện đang xét chỉ là mạng IEEE 9 nút có cấu trúc nhỏ và do các thông số cài đặt của hệ thống mạng 9 nút (khi khảo sát mạng 9 nút bằng phần mềm PSS/E với các thông số cài đặt khác, hệ thống bị mất đồng bộ tương tự như ngắn mạch ba pha hệ thống), đối với thực tế, hệ thống rất lớn, do đó tính nghiêm trọng của sự cố một pha vì đó mà cũng là đủ nghiêm trọng để hệ thống mất ổn định.
KẾT LUẬN
Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện ngày một tăng, số lượng phụ tải ngày một lớn, hệ thống điện ngày càng lớn và phức tạp. Cũng vì thế mà khi xảy ra các sự cố hệ thống thì mức độ nghiêm trọng sẽ ngày một nặng nề hơn.
Do những nguyên nhân như thế mà công việc phân tích ổn định hệ thống, hiểu được các đáp ứng của máy phát cũng như khả năng của các bộ điều chỉnh kích từ, bộ điều tốc và bộ ổn định hệ thống Power System Stabilizers để từ đó phân tích các dao động của rotor máy phát khi xảy ra các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch ba pha thanh cái, đường dây, khi cô lập đường dây, thanh cái, máy phát,… để có nhữg can thiệp kịp thời xóa bỏ sự cố, sửa chữa để duy trì ổn định đồng bộ hệ thống.
Phần mềm ETAP là phần mềm hoạt động rất hiệu quả đối với các vấn đề cần được phân tích của hệ thống phức tạp như ổn định động, ngắn mạch, sóng hài,…
ETAP có ưu điểm là giao diện rất đẹp mắt, sơ đồ của mạng hệ thống được biểu diễn một cách trực quan, các trường hợp khảo sát được tạo và thực hiện một cách nhanh chóng, có thể xem được trạng thái của hệ thống ở từng giai đoạn các sự kiện diễn ra, điều này rất có lợi cho công tác phân tích vì có thể thấy được các sự thay đổi hệ thống một cách dễ dàng nhất. Kết quả là số liệu cũng như đồ thị mô phỏng được diễn tả một cách khá tỉ mỉ và chi tiết.
Nhưng bên cạnh những ưu điểm thì vẫn còn tồn tại những điểm của ETAP chưa được tốt và cần được cải thiện như, các trường hợp tiến hành mô phỏng vẫn chưa đầy đủ (ngắn mạch một pha đường dây), kết quả đồ thị đối với chức năng mô phỏng động còn khá nặng về lí thuyết, không trực quan và dễ hiểu như các phần mềm trước đó (như PSS/E), và kết quả xuất ra của việc mô phỏng cũng được thiết kế rất khó cho các công tác phân tích sau đó. Tuy nhiên xét về tổng quan, ETAP vẫn là phần mềm rất mạnh để phục vụ cho những công việc của hệ thống điện lưới phức tạp, và vì ETAP là phần mềm ra đời không lâu nên vẫn có thể tiếp tục thay đổi và phát triển, từ đó có thể nói ETAP là phần mềm đáng được chờ đợi và sử dụng.
Sau khi thực hiện bài luận văn tốt nghiệp này, em đã có được những bài học cho bản thân một kĩ sư là: phải hiểu rõ đường từng phần tử trong hệ thống điện, hiểu được
về lí thuyết cũng như thực tế vấn đề sắp phải nghiên cứu, cách xây dựng những vấn đề phức tạp từ những vấn đề cơ bản và đồng thời là phương pháp nghiên cứu, tìm hiểu và sử dụng thành thạo phần mềm phân tích hệ thống, trong khuôn khổ bài luận văn của em là phần mêm ETAP, để từ đó hiểu được vấn đề rõ ràng từ những lí thuyết đã học và tự đưa ra những nhận xét đối phương thức hoạt động của hệ thống.
Do hạn chế về thời gian, kiến thức và tài liệu nên em đã không kịp mở rộng thêm đề tài ở một hướng mới hơn và không tránh khỏi những thiếu sót khi thực hiện bài luận văn tốt nghiệp lần này. Em rất mong sẽ nhận được sự nhận xét và góp ý của quý thầy cô để bài luận văn lần này của em hoàn thiện hơn cũng như từ đó trở thành những kinh nghiệm và kiến thức đáng giá của em.