Bài giảng Ổn định hệ thống điện - Chương 4: Ổn định quá độ (Transient stability) (Phần 2)

30 
5. PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 
• Phương pháp trực tiếp phân tích ổn định HTĐ không cần phải giải hệ ptvp. 
• Phương pháp này sử dụng năng lượng quá độ để đánh giá ổn định quá độ. 
• Là trường hợp đặc biệt của phương pháp thứ hai hoặc phương pháp trực tiếp 
của Lyapunov. 
5.1. Mô tả phương pháp hàm năng lượng quá độ 
a. Khảo sát trường hợp quả banh lăn trên mặt bên trong của cái tô 
• Phương pháp năng lượng quá độ có thể được mô tả bằng cách khảo sát quả 
banh lăn bên trong cái tô như sau: 
Hình 16 
• Mặt bên trong tô biểu diễn vùng ổn định, vùng bên ngoài tô biểu diễn vùng 
không ổn định. 
• Vành tô có hình dạng không đồng đều vì thế các điểm khác nhau có độ cao 
khác nhau. 
• Ban đầu quả banh nằm ở đáy tô và trạng thái này được gọi là điểm cân bằng 
ổn định (SEP: Stable Equilibrium Point). 
• Khi quả banh được truyền một động năng, nó sẽ lăn trên mặt bên trong của 
cái tô theo một hướng nào đó. 
31 
• Vị trí quả banh sẽ dừng phụ thuộc vào lượng động năng ban đầu truyền vào 
nó. 
• Nếu quả banh chuyển hóa toàn bộ động năng thành thế năng trước khi đến 
vành tô, nó sẽ lăn trở lại và cuối cùng sẽ dừng lại tại điểm câng bằng ổn định, 
Ngược lại, nếu động năng ban đầu truyền cho quả banh đủ lớn, nó sẽ vượt 
qua vành tô và sẽ đi vào vùng không ổn định và sẽ không trở lại điểm câng 
bằng ổn định. 
• Mặt bên trong cái tô biểu diễn mặt thế năng, và vành tô biểu diễn mặt giới 
hạn thế năng (PEBS: potential energy boundary surface). 
• Để xác định quả banh có đi vào vùng không ổn định không, hai đại lượng sau 
đây cần xác định: 
 (a) Động năng ban đầu truyền cho quả banh 
 (b) Độ cao của vành tô tại điểm giao nhau của vành tô và hướng 
chuyển động ban đầu của quả banh. 
b. Áp dụng cho HTĐ 
• Cơ sở của việc áp dụng phương pháp TEF để phân tích ổn định HTĐ tương 
tự như trường hợp quả banh lăn trên mặt bên trong của cái tô. 
• Ban đầu HT vận hành tại điểm cân bằng ổn định. Nếu sự cố xảy ra, điểm cân 
bằng bị phá vỡ và máy phát tăng tốc. HTĐ sẽ tích lũy động năng và thế năng 
trong thời gian sự cố và HT sẽ dịch chuyển khỏi SEP. Sau khi sự cố được cắt. 
động năng sẽ chuyển hóa thành thế năng tương tự như trường hợp quả banh 
lăn trên mặt thế năng. Để tránh mất ổn định HT phải có khả năng hấp thu 
động năng tại thời điểm các lực tác động vào các máy phát có khuynh hướng 
mang chúng tiến tới điểm cân bằng mới. Điều này phụ thuộc vào khả năng 
hấp thu thế năng của HT sau sự cố. Với cấu hình của HT sau sự cố đã biết, 
32 
tồn tại giá trị cực đại hoặc tới hạn của năng lượng quá độ mà HT có thể hấp 
thu. Do đó đánh giá ổn định quá độ đòi hỏi: 
(a) Hàm số mô tả năng lượng quá độ đủ khả năng làm tách một hoặc nhiều 
máy phát đồng bộ khỏi phần còn lại của HT 
(b) Việc ước lượng năng lượng tới hạn đòi hỏi để các máy phát mất đồng bộ. 
• Đối với HT 2 máy, năng lượng tới hạn được xác định duy nhất, và việc phân 
tích ổn định trên cơ sở TEF tương tự như tiêu chuẩn cân bằng diện tích. Điều 
này được minh họa trên Hình 17. 
• Trong Hình 17(b), góc cắt tới hạn (δc) được xác định bằng cách cân bằng 
diện tích A1 và A2. Hình 17(c) minh họa phương pháp năng lượng quá độ 
được dùng để xác định góc cắt tới hạn dưới dạng động năng và thế năng. 
Động năng tích lũy trong thời gian sự cố được cộng vào thế năng tại góc 
rotor tương ứng, và tổng này được so sanh với thế năng tới hạn để xác định 
ổn định. 
• Trạng thái của HT tại thời điểm cắt sự cố (xcl) có thể được mô tả bởi giá trị 
của hàm năng lượng xác định tại xcl, V(xcl). Phương pháp trực tiếp giải bài 
tóan ổn định bằng cách so sánh V(xcl) với năng lượng tới hạn Vcr. HT ổn định 
nếu V(xcl) nhỏ hơn Vcr. Đại lượng Vcr - V(xcl) được gọi là độ dự trữ ồn định. 
33 
Hình 17 
34 
5.2. Áp dụng cho HTĐ thực tế 
• Việc áp dụng phương pháp trực tiếp cho HTĐ thực tế gặp một số khó khăn, 
do đó cần có các giả thiết nhằm đơn giản hóa mô hình HTĐ, trong đó máy 
phát được biểu diễn bởi mô hình cổ điển và tải được biểu diễn bởi tổng trở 
không đổi. Gần đây có một số nghiên cứu để mở rộng việc áp dụng của 
phương pháp này cho các mô hình chi tiết. 
• Nếu ma trận tổng dẫn nút của HT được thành lập có kể đến điện kháng quá 
độ của máy pháp và tổng trở không đổi của tải, mối quan hệ giữa vector dòng 
điện và điện áp nội của các máy phát có thể diễn tả bởi phương trình: 
 (67) 
Trong đó, IG và EG là vector dòng điện và vector điện áp nội của máy phát; 
YR là ma trận tổng dẫn nút rút gọn với các nút không phải nút máy phát đã 
được khử. 
• Gọi điện áp nội của máy phát thứ i là 
 Phần tử hàng i cột j của ma trận YR là 
• Với HT có n máy phát, công suất tác dụng phát ra của máy phát thứ i là 
 (68) 
35 
• Để áp dụng phương pháp TEF, trước hết người ta đưa ra khái niệm tâm quán 
tính (COI: centre of inertia). Vị trí của tâm quán tính của tất cả các máy phát 
được xác định như sau: 
 (69) 
Trong đó, HT là tổng các hằng số quán tính của n máy phát trong HT 
• Chuyển động của COI được xác định bởi 2 pt sau: 
 (70) 
 (71) 
Với 
 (72) 
 (73) 
Trong đó, 
 Pmi: Công suất cơ đầu vào của máy phát thứ i 
 Cij = EiEjBij 
 Dij = EiEjGij 
 ω0: Tốc độ đồng bộ, rad/s (rad điện) 
36 
 ∆ωCOI: Độ lệch tốc độ của COI so với tốc độ đồng bộ, đvtđ 
• Chuyển động của các máy phát so với tâm quán tính được biểu diễn bằng 
cách định nghĩa 
 (74) 
 (75) 
• Phương trình chuyển của máy phát thứ I trong hệ quy chiếu COI là 
 (76) 
 (77) 
Ở đây, ωi là tốc độ của máy phát thứ i so với COI, đvtđ 
• Hàm năng lượng V mô tả năng lượng quá độ của toàn HT sau sự cố được 
định nghĩa như sau: 
 (78) 
Trong đó: 
 θi
s: góc của máy phát thứ i ở chế độ câng bằng ổn định sau sự cố 
 Ji = 2Hiω0: Mô men quán tính của máy phát thứ i, đvtđ 
37 
• Hàm năng lượng quá độ bao gồm bốn thành phần sau đây: 
(a) Sự thay đổi động năng rotor của tất cả các máy phát trong hệ quy chiếu COI: 
(b) Sự thay đổi thế năng rotor của tất cà các máy phát so với COI: 
(c) Sự thay đổi năng lượng từ trường tích trữ trong tất cả các nhánh: 
(d) Sự thay đổi năng lượng tiêu tán trong tất cả các nhánh: 
• Thành phần thứ nhất được gọi là động năng (Vke) là hàm số của tốc độ của 
các máy phát. 
• Tổng của 3 thành phần cón lại được gọi là thế năng (Vpe) là hàm số của góc 
rotor của các máy phát. 
• Đánh giá ổn định quá độ bao gồm các bước sau đây: 
(1) Tính toán năng lượng tới hạn Vcr 
(2) Tính toán tổng năng lượng HT tại thời điểm cắt sự cố Vcl 
(3) Tính toán chỉ số ổn định: Vcr – Vcl. HT sẽ ổn định nếu chỉ số là dương. 
• Mô phỏng trong miền thời gian được thực hiện cho tới thời điểm cắt sự cố để 
xác định góc rotor và tốc độ của các máy phát. Các đại lượng này được dùng 
để tính tổng năng lượng của HT tại thời điểm cắt sự cố. 
38 
• Tính toán Vcr, tức là đường bao của vùng ổn định, là bước khó khăn nhất 
trong việc áp dụng phương pháp TEF. Có nhiều phương pháp xác định Vcr.đã 
được đề nghị, trong đó phương pháp đơn giản nhất được trình bày dưới đây. 
Phương pháp điểm cân bằng không ổn định (UEP: Unstable Equilibrium Point) 
gần nhất 
• Việc tính toán Vcr bao gồm 2 bước: 
- Bước 1: Xác định tất cả các UEP. Điều này đạt được bằng cách giải hệ pt 
mô tả chế độ xác lập của HT sau sự cố bằng phương pháp số với các giá 
trị ban đầu khác nhau của góc pha của điện áp nút. 
- Bước 2: Tính toán thế năng của HT tại mỗi UEP nhận được ở bước 1. 
Năng lượng tới hạn là giá trị nhỏ nhất của tất cả các thế năng tính toán tại 
các UEP. 
• Phương pháp này đơn giản. Tuy nhiên, kết quả tính toán rất dè dặt, do chuyển 
động của HT được giả thuyết là hướng tới trạng thái cân bằng không ổn định 
có thế năng nhỏ nhất.