CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG ETAP
7.1 Khảo sát sự ảnh hưởng của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS
7.1.5 Tác động của các bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định PSS tới thời gian tới hạn của hệ thống
Bảng 7.12 Thời gian tới hạn để hệ thống duy trì ổn định đồng bộ
Các trường hợp Thời gian tới hạn sự cố (s)
Không có bộ kích từ, điều tốc 0.188
Có bộ kích từ 0.197
Có bộ điều tốc 0.191
Có bộ kích từ, điều tốc 0.2
Có bộ kích từ, điền tốc, bộ PSS 0.206
Do trong quá trình quá độ hệ thống, máy phát đồng bộ số 2 mất ổn định đồng bộ trước nên thời gian tới hạn của bảng 7.1 trên là thời gian của máy phát đồng bộ số 2.
Nhận xét tác động các bộ kích từ, bộ điều tốc và bộ ổn định PSS
Ta có ổn định hệ thống điện được định nghĩa là đặc tính của hệ thống điện cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường cũng như vận hành sau sự cố với trạng thái đạt được sau sự cố có sai số chấp nhận được.
Ở trường hợp khảo sát trên, sự cố xảy ra là sự cố ngắn mạch ba pha ở thanh cái số 1, sự cố ngắn mạch là thoáng qua, sau một thời gian sự cố sẽ tự mất đi nên cấu trúc hệ thống vẫn không thay đổi. Do đó trạng thái vận hành hay góc lệch rotor của hệ thống sẽ bằng hoặc gần bằng với sai số rất nhỏ so với trạng thái vận hành trước sự cố.
Sự cố bắt đầu diễn ra tại thời điểm 2s và tồn tại trong vòng 0.1s. Từ các kết quả mô phỏng ở hình 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6 ta nhận thấy tại thời điểm 2s, góc lệch rotor của hai máy phát G2 và G3 bắt đầu dao động, hệ thống bị mất ổn định. Khi sự cố chỉ diễn ra trong khoảng thời gian 0.1s và tự mất đi, dao động của góc rotor hai máy phát giảm dần và dần đạt được trạng thái vận hành gần với ban đầu. Góc ổn định của máy phát số 2 là 60 và máy phát số 3 là 40 . (góc rotor ở các kết quả mô phỏng là là giá trị tương đối của hai máy phát số 2 và số 3 so với máy phát số 1, do máy phát số 1 gắn với thanh cái cân bằng nên được chọn làm giá trị tiêu chuẩn)
Tác động của bộ kích từ
Nhận xét hình 7.7 giữa hệ thống có kích từ và không có kích từ, cả hai trường hợp sau khi sự cố bị xóa thì dao động góc rotor giảm dần và có xu hướng ổn định sau sự cố.
Nhưng đối với hệ thống có bộ kích từ, góc rotor của máy phát dao động xung quanh giá trị góc rotor ổn định ban đầu, tức là dao động hình sin của góc rotor đối xứng với nhau qua giá trị ổn định ban đầu là 60̊ (so sánh dao động hệ thống của máy phát đồng bộ số 2) và sau đó nhanh chóng đạt được giá trị góc rotor vận hành ban đầu khi chưa xảy ra sự cố. Ngược lại với hệ thống có bộ kích từ, hệ thống không có bộ kích từ dao động hình sin không đều và có xu hướng sẽ mất một khoảng thời gian lâu hơn để góc rotor của máy phát đạt được giá trị trước khi xảy ra sự cố. Ta có thể dễ dàng nhận thấy ở giây thứ 10, hệ thống có bộ kích từ gần như đạt được giá trị góc rotor là 60̊, nhưng đối với hệ thống không có bộ kích từ thì góc rotor vẫn còn nhỏ hơn giá trị 60̊ và vẫn đang tăng dần để đạt trạng thái ổn định.
Sự khác nhau này là vì bộ kích từ của máy phát có chức năng duy trì điện áp đầu cực của máy phát ở một giá trị mong muốn (nếu có thay đổi sẽ có sai số rất nhỏ).
Hình 7.10 so sánh điện áp đầu cực của máy phát đồng bộ số 2 giữa hai trường hợp có và không có bộ kích từ. Ở thời điểm giây thứ 7, hệ thống có bộ kích từ có điện áp đầu cực máy phát đã gần đạt được giá trị ổn định và có độ lớn xấp xỉ 1.0 p.u, trong khi đó hệ thống có dòng kích từ không đổi có điện áp đầu cực máy phát vẫn tiếp tục tăng vượt quá giá trị ổn định 1.0 p.u và một sau khoảng thời gian đang xét 10s có xu hướng ổn định nhưng vẫn chưa ổn định hoàn toàn.
Một cách lí thuyết, khi sự cố ngắn mạch diễn ra, điện áp của toàn bộ hệ thống sẽ giảm, công suất truyền tải của hệ thống sẽ giảm, đường đặc tính công suất – góc vì đó cũng thay đổi và nhỏ hơn đường đặc tính ban đầu dẫn tới sự mất cân bằng giữa công suất cơ và công suất điện máy phát và làm gia tốc cho máy phát. Khi sự cố được cắt ra, nếu hệ thống có bộ kích từ, điện áp đầu cực máy phát sẽ được điều chỉnh ở giá trị mong muốn. Điện áp đầu cực máy phát được giữ ở giá trị mong muốn khi điện áp cảm ứng của máy phát thay đổi các trị số phù hợp, điều này có được bằng cách thay đổi dòng kích từ đi vào rotor máy phát. Điện áp đầu cực đạt giá trị xác định dẫn tới đường
đặc tính công suất – góc (do công thức
1 2sin P VV
X
) cũng không thay đổi, do đó mà góc rotor lúc này chỉ đang dao động trên một đường đặc tính công suất góc và dao động quanh giá trị cân bằng.
Khác với hệ thống không có bộ kích từ, điện áp cảm ứng của máy phát thay đổi liên tục dẫn tới được đặc tính công suất của hệ thống cũng không ổn định. Vì thế mà góc lệch của rotor máy phát dao động với biên độ lớn và không ổn định hơn khi có bộ kích từ.
Tác động của bộ điều tốc
Quan sát hình 7.8, cả hai trường hợp có và không có bộ điều tốc đều có xu hướng ổn định sau sự cố. Trong đó, khi hệ thống có bộ điều tốc, hệ thống dao động xung quanh điểm cân bằng trước khi sự cố xảy ra. So với hệ thống có bộ kích từ như ở hình 7.7 thì hệ thống có bộ điều tốc không đạt được giá trị cân bằng nhanh như khi có bộ kích từ, nhưng so với trường hợp khi hệ thống không có bộ điều tốc lẫn bộ kích từ thì hệ thống có bộ điều tốc vẫn nhanh đạt được giá trị ổn định đồng bộ hơn.
Do chức năng của bộ điều tốc là điều chỉnh tốc độ của máy phát, hay nói cách khác là điều chỉnh tần số của lưới điện. Nếu sự cố xảy ra, tần số của lưới điện thay đổi vượt quá giới hạn có thể làm tác động của máy cắt, dẫn đến rã hệ thống.
Điều chỉnh tốc độ của máy phát là điều chỉnh công suất cơ đầu vào của máy phát, hay nói cách khác là điều chỉnh công suất của turbine tạo ra công suất cơ đầu vào của máy phát. Điều chỉnh công suất của turbine đối với nhà máy thủy điện là điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine, đối với nhà máy nhiệt điện là điều chỉnh lượng hơi đưa vào turbine sao cho tốc độ quay của rotor sao cho phù hợp với trạng thái của hệ thống.
Ở kết quả mô phỏng hình 7.14 ta sẽ thấy rõ đặc điểm vận hành của bộ điều tốc hệ thống. Đối với hệ thống khi không có bộ điều tốc, công suất cơ đầu vào là không đổi, khi xảy ra ngắn mạch, công suất điện truyền tải của hệ thống sẽ giảm, hệ thống sẽ mất cân bằng công giữa công suất cơ và công suất điện, sinh ra gia tốc của máy phát làm rotor tăng tốc. Trong trường hợp giới hạn công suất truyền tải nhỏ hơn công suất cơ đầu vào, hai đường đặc tuyến sẽ không tiếp xúc với nhau dẫn đến mất ổn định động
bộ. Nếu hệ thống có bộ điều tốc, công suất cơ đầu vào sẽ thay đổi sao cho phù hợp với công suất truyền tải lúc xảy ra sự cố. Giảm công suất cơ đầu vào còn là giảm diện tích tăng tốc và tăng diện tích hãm tốc đối với vị trí tương đối 2 đường đặc tính công suất cơ và công suất điện, hệ thống do đó được nâng cao tính ổn định.
Tác động của bộ ổn định PSS
Bộ ổn định PSS (Power System Stabilizers) cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong nâng cao tính ổn định của hệ thống. Bộ ổn định PSS có khả năng tăng cường hãm dao động của hệ thống thông qua bộ điều khiển kích từ, tín hiệu đầu ra của bộ ổn định PSS sẽ là tín hiệu đầu vào của bộ kích từ.
Quan sát hình 7.9, ở giây thứ 7, góc lệch rotor của máy phát đã tắt hẳn dao động, trong khi hệ thống không có bộ ổn định PSS vẫn chỉ đang dao động quanh giá trị ổn định ban đầu trước khi xảy ra sự cố và chỉ có xu hướng đang giảm dần. Kết quả ở hình 7.13 là công suất điện từ của hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS đã thể hiện rõ khả năng làm tắt dao động của bộ PSS. Ở giây thứ 5, công suất điện từ của hệ thống có bộ ổn định PSS đã tắt dao động hệ thống hoàn toàn và đang giảm dần xuống giá trị ổn định ban đầu, bộ PSS đã thực hiện rất tốt chức năng của nó, việc điều chỉnh giá trị lúc này là của bộ điều chỉnh dòng kích từ. Ngược lại là hệ thống không có bộ ổn định PSS, sau thời gian khảo sát 10s công suất điện từ của hệ thống vẫn còn dao động rất lớn và chỉ đang có xu hướng giảm dần quanh giá trị ổn định.
Tác động của bộ kích từ, bộ điều tốc và bộ PSS tới thời gian tới hạn Thời gian tới hạn của hệ thống là thời gian tồn tại sự cố tối đa trước khi các thiết bị bảo vệ hoạt động và sau đó hệ thống vẫn duy trì được chế độ ổn định đồng bộ.
Từ bảng 7.1 ta nhận thấy hệ thống không có bộ kích từ, bộ điều tốc lẫn bộ ổn định hệ thống PSS có thời gian tồn tại sự cố nhỏ nhất, chỉ 0.188s, có nghĩa là hệ thống có khả năng mất ổn định đồng bộ lớn nhất (trong trường hợp các thiết bị bảo vệ không hoạt động kịp thời). Khi có lần lượt các bộ điều chỉnh hệ thống như bộ kích từ, bộ điều tốc, thời gian tới hạn của hệ thống tăng khá đáng kể lần lượt là 0.197s và 0.191s. Và khi hệ thống có cả bộ kích từ lẫn bộ điều tốc, thời gian tới hạn của hệ thống đã đạt tới giá trị 0.2s. Từ giá trị 0.188s đã tăng lên 0.2s, điều này thể hiện rằng khả năng ổn định
của hệ thống đã được cải thiện tốt hơn, thời gian ổn định lâu hơn đồng nghĩa sẽ có đủ thời gian để có sự can thiệp bảo vệ hệ thống.
Ta cũng nhận thấy, khi hệ thống có thêm bộ ổn định hệ thống PSS, thời gian tới hạn cũng thay đổi, nhưng giá trị thay đổi khi không có là khá nhỏ, sai số là 0.006s, từ đó có thể khẳng định lại rằng chức năng chính của bộ ổn định PSS là tăng cường hãm dao động của rotor máy phát.
Kết luận, bộ kích từ có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu cực của hệ thống ở một giá trị ổn định, khi xảy ra các sự cố vẫn có thể duy trì được giới hạn truyền tải công suất của hệ thống. Bộ điều tốc có khả năng điều chỉnh công suất cơ đầu vào của máy phát bằng cách điều chỉnh lượng khí hoặc nước vào turbine máy phát, điều chỉnh công suất cơ đầu vào gián tiếp điều chỉnh tốc độ của máy phát khi xảy ra sự cố, để rotor máy phát không tăng tốc đột ngột và mất ổn định đồng bộ. Bộ ổn định hệ thống Power System Stabilizers thì có tác dụng dập tắt dao động của máy phát khi có các sự cố bất thường làm máy phát dao động lệch ra khỏi trạng thái cân bằng, tác động của bộ ổn định PSS thông qua bộ điều chỉnh kích từ. Và hệ thống có đầy đủ bộ kích từ, bộ điều tốc và bộ ổn định PSS thì thời gian tới hạn (thời gian tối đa tồn tại sự cố) sẽ được cải thiện đáng kể, qua đó sẽ giúp ích rất nhiều cho công việc duy trì ổn định hệ thống.