Phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động của hệ thống điện

PHƯƠNG PHÁP MÁY PHÁT ĐẲNG TRỊ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Single Machine Equivalent method for assessING the transient stability of power systems HẠ ĐÌNH TRÚC Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động của hệ thống điện (HTĐ). Phương pháp kết hợp được ưu điểm của cả hai phương pháp tính toán trực tiếp và mô phỏng theo thời gian được đề xuất vào những năm gần đây. Kết quả áp dụng tính toán cho hệ thống điện gồm 3 máy phát và 9 trạm biến áp, xét trong các trường hợp sự cố khác nhau cho thấy phương pháp này cung cấp những thông tin hữu ích và cần thiết về việc phân tích, đánh giá ổn định động của hệ thống điện cho người thiết kế và vận hành hệ thống. ABSTRACT This paper presents an investigation into the single machine equivalent (SIME) regarded as a viable method for both offline and online transient stability assessment. This method takes the advantage of both time simulation and direct methods, which have been proposed recently. The approach is illustrated on a three-machine test system with nine transformer stations. The results from different contingencies show that the SIME provides system operators and analyzers with useful and important information concerning the analysis and assessment of the transient stability of power systems. Đặt vấn đề Đánh giá ổn định động của hệ thống điện là một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất trong quá trình thiết kế và vận hành HTĐ. Năm 1920, ổn định động của HTĐ lần đầu tiên được chú ý đến như là một trong những nhiệm vụ quan trọng của việc thiết kế và vận hành khi các HTĐ nhỏ được nối kết với nhau thành một hệ thống lớn [1]. Qua hơn 50 năm, với nhiều công trình nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và công nghệ thông tin, lý thuyết cũng như những công cụ phân tích và đánh giá ổn định động của HTĐ đã cơ bản hình thành. Tuy vậy, từ năm 1990 do yêu cầu điện năng tăng vượt bậc, nhiều HTĐ lớn liên kết các HTĐ giữa các vùng của một quốc gia hoặc giữa nhiều quốc gia như HTĐ 500 KV Việt Nam, HTĐ Bắc Mỹ đã hình thành. Việc đánh giá ổn định động cho những HTĐ phức tạp này là một trong những vấn đề nan giải, đặc biệt khi xét hệ thống vận hành trong thời gian thực. Các phương pháp đánh giá ổn định động đã được đề xuất trước đó như phương pháp mô phỏng theo thời gian hay phương pháp hàm năng lượng đều xuất hiện những nhược điểm nhất định. Thực tế cho thấy việc áp dụng các kết quả tính toán, phân tích và đánh giá ổn định động của HTĐ bằng 2 phương pháp trên vào vận hành các HTĐ lớn đã dẫn đến mất điện của cả khu vực rộng lớn, ví dụ như mất điện vùng đông bắc của nước Mỹ vào năm 1965 [1] và hầu hết cả khu vực Bắc Mỹ vào ngày 14 tháng 8 năm 2003 [2]. Phương pháp mô phỏng theo thời gian có thể cho kết quả chính xác tuy nhiên thời gian tính toán khá lâu nên không thể áp dụng đánh giá ổn định theo thời gian thực. Trong khi đó phương pháp hàm năng lượng có thể cho kết quả tính toán nhanh nhưng độ chính xác không cao do những vấn đề liên quan đến mô hình hóa HTĐ [1] [3] [4]. Để có thể tận dụng ưu điểm của cả 2 phương pháp mô phỏng theo thời gian và phương pháp tính trực tiếp, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc hình thành nên một phương pháp hổn hợp (hybrid method) để đánh giá ổn định động của HTĐ. Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] được xem là một phương pháp kết hợp có khả năng ứng dụng vào thực tế để đánh giá nhanh độ ổn định động của HTĐ trong quá trình thiết kế và vận hành. Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] 2.1. Tinh thần của phương pháp SIME được phát triển từ phương pháp tính trực tiếp, đó là phương pháp tiêu chuẩn diện tích mở rộng (Extended Equal – Area Criterion (EEAC)) [6] và phương pháp mô phỏng theo thời gian. Một cách tổng quát, phương pháp này xác định khả năng mất đồng bộ của các máy phát trong HTĐ nhờ vào việc quan sát quá trình chia tách các máy phát trong HTĐ thành hai nhóm riêng biệt khi có các tác nhân kích thích như sự cố ngắn mạch. Hai nhóm máy phát này sau đó được thay thế bằng hai máy phát đẳng trị và cuối cùng được thay thế bằng một máy phát đẳng trị nối vào một HTĐ có công suất vô cùng lớn. Điểm khác biệt cơ bản giửa SIME và EEAC là phương pháp SIME tính toán đường đặc tính công suất của máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô cùng lớn dựa trên những số liệu lấy từ chương trình mô phỏng theo thời gian giải hệ phương trình vi phân từ (1-1) đến (1-4)- mô hình hóa toán học của các thiết bị trong HTĐ như các máy phát, động cơ, và mạng điện. (1-1) (1-2) (1-3) Giá trị của góc lệch roto của 2 máy phát đẳng trị cũng như một máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô cùng lớn và đạt được từ việc giải các phương trình (1-5) đến (1-13) với giá trị góc lệch roto của các máy phát trong HTĐ được tính toán từ chương trình mô phỏng theo thời gian. (1-5) (1-6) (1-7) (1-8) (1-9) (1-10) (1-11) (1-12) (1-13) Trong đó: C ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả năng mất ổn định N ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả năng ổn định cao và là giá trị của góc lệch và tốc độ của roto của máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô cùng lớn. 2.2. Sơ đồ thuật toán Dựa vào các phương trình (1-1) đến (1-13), thuật toán tổng quát cho việc đánh giá ổn định động của HTĐ bằng phương pháp SIME được hình thành như sơ đồ hình 1.1. Tác nhân kích thích (ngắn mạch 3 pha) Trạng thái vận hành của HTĐ Tính toán δk , ωk, Phân bố tối ưu công suất Đúng Sai Dữ liệu của HTĐ Máy phát đẳng trị có khả năng mất ổn định δCM , ωCM, Máy phát đẳng trị có khả năng ổn định động cao δNM , ωNM, Hệ thống 1 máy phát đẳng trị δeq , ωeq, Xác định Stt (Aacc) Đúng Pa > 0 Sai Xác định Sgt (Adec) Đúng Stt < Sgt Sai Hệ thống không ổn định Xác định Kết thúc Sai Hệ thống ổn định Xác định Kết thúc Hệ thống hoàn toàn mất ổn định Đúng Sai ti < tcl Bắt đầu Đúng Hình 1.1. Thuật toán đánh giá ổn định động của HTĐ bằng SIME Kết quả tính toán mô phỏng Dựa vào thuật toán trên hình 1-1, chương trình viết bằng Matlab mô phỏng đánh giá ổn định động của HTĐ được xây dựng. Việc ứng dụng chương trình này để đánh giá ổn định động của HTĐ gồm 3 nhà máy điện và 9 trạm biến áp như hình 1-2 được viện nghiên cứu hệ thống điện Bắc Mỹ (Electric Power Research Institue: EPRI) đề xuất như một HTĐ chuẩn cho việc thử nghiệm đánh giá ổn định động , đã được thực hiện [7]. Kết quả mô phỏng đánh giá ổn định động của HTĐ này tương ứng với trường hợp ngắn mạch 3 pha tại trạm biến áp 7 và thời gian cắt ngắn mạch tcl = 0,12 giây như sau: G2 G3 G1 163.0 (6.7) 85.0 (-10.9) 6 9 3 1 4 5 7 8 2 16.5 kV 230 kV 230 kV 230 kV 13.8 kV 18 kV 125 + j50 (MVA) 90 + j30 (MVA) 100 + j35 (MVA) Hình 1.2. Hệ thống điện 3 máy phát – 9 trạm biến áp [5] Bảng 1.1. Các thông số của HTĐ 3 máy phát thực và hệ thống 1 máy phát đẳng trị Pm1 MW Pm2 MW Pm3 MW M1 s2/rad M2 s2/rad M3 s2/rad MC s2/rad MNC s2/rad M s2/rad ηst pu δm deg 71,95 163 85 12,54 3,39 1,59 4,98 12,54 3,565 0,8384 118,37 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 200 150 100 50 NCS Hình 1.3. Góc lệch roto của các máy phát trong hệ thống thực (tcl = 0,12 sec) 0 20 40 60 80 100 120 140 200 150 100 50 Hình 1.4. Tiêu chuẩn diện tích cho hệ thống máy phát đẳng trị (tcl = 0,12s) δ(t) 120 100 80 60 40 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 1.5. Góc lệch roto của máy phát đẳng trị (tcl = 0,12 sec) ω(δ) 0 20 40 60 80 100 120 6 4 2 -2 -4 -6 150 100 50 Hình 1.6. Giản đồ pha của máy phát đẳng trị (tc = 0,12) Các hình vẽ 1-3 đến 1-6 và bảng kết quả 1-1 cho thấy việc đánh giá ổn định động của HTĐ gồm 3 nhà máy điện và 9 trạm biến áp bằng phương pháp SIME cho kết quả nhanh hơn phương pháp mô phỏng theo thời gian [7] đồng thời mức độ chính xác khi đánh giá ổn định động của HTĐ bằng SIME và phương pháp mô phỏng theo thời gian là tương đương. Các số liệu từ bảng 1-1 và đồ thị trên hình 1-4 cũng cung cấp những thông tin quan trọng về độ dự trữ ổn định động (: Stable margin) của hệ thống trong trường hợp đang xét. Qua đồ thị trên hình vẽ 1-4, các nhà nghiên cứu và phân tích HTĐ cũng có thể giải thích về phương diện vật lý vì sao HTĐ đang xét ổn định động khi ngắn mạch tại trạm biến áp 7 với thời gian cắt ngắn mạch bằng 0,12 giây. Kết luận Qua việc nghiên cứu ứng dựng phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động của HTĐ thử nghiệm mang tính tổng quát cao do viện nghiên cứu HTĐ Bắc Mỹ (EPRI) đề xuất như hình 1-2 cho ta thấy được các ưu điểm của phương pháp: SIME cho kết quả đánh giá ổn định của HTĐ cao, tin cậy. SIME tiết kiệm được thời gian tính toán đánh giá ổn định động của HTĐ, điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các HTĐ lớn, phức tạp. Do vậy, phương pháp này có khả năng ứng dụng vào thực tiễn cao để đánh giá ổn định của HTĐ bất kỳ trong quá trình vận hành. SIME đồng thời cung cấp cho các nhà thiết kế, phân tích và vận hành HTĐ các thông tin quan trọng về độ dự trữ ổn định động hoặc khả năng mất ổn định động của HTĐ. Ưu điểm cuối cùng và cũng rất quan trọng của SIME là phương phương pháp này giúp cho các nhà nghiên cứu và phân tích HTĐ có thể giải thích về hiện tượng mất ổn định động hay ổn định động của HTĐ về phương diện vật lý, cụ thể là về mặt chuyển hóa năng lượng trong HTĐ. TÀI LIỆU THAM KHẢO P Kundur, Power system stability and control, McGraw-Hill, New York, 1994. North American Electric Reliability Council 2004, ‘August 14, 2003 Blackout Investigation’ viewed 12 Nov 2004, L Alberto, F Silva, & N Bretas, ‘Direct method for transient stability analysis in power systems: State of art and future perspectives’, IEEE Porto Power Tech Conference, September 2001, Portugal. A Bettiol, Y Zhang, L Wehenkel, M & Pavella, ‘Transient stability investigations on a Brazilian network by SIME’, APSCOM, Proceedings of the 4th International on Advances in Power System Control, Operation and Management, Hong Kong, 1997, pp.1-6. M Pavella, D Ernst, & D Ruiz-vega, Transient stability of power systems: A unified approach to assessment and control, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 2000. M. A. Pai, Energy function analysis for power system stability, Kluwer Academic Publishers, Massachusetts, USA, 1989. Hạ Đình Trúc, ‘A hybrid method for the assessment of the transient stability of power systems’, Master thesis, University of South Australia, December 2005.