Bài giảng Ổn định hệ thống điện - Chương I: Giới thiệu về bài toán ổn định hệ thống điện

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN
Ổn định góc rotor
Ổn định tín hiệu bé (hoặc nhiễu bé) (trước đây gọi là Ổn định tĩnh)
Ổn định quá độ (trước đây gọi là Ổn định động)
Ổn định điện áp và sụp đổ điện áp
Ổn định điện áp nhiễu lớn
Ổn định điện áp nhiễu nhỏ
 Ổn định trung hạn và dài hạn
PHÂN LOẠI ỔN ĐỊNH
LỊCH SỬ VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH
CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN
Ổn định HTĐ có thể được định nghĩa một cách tổng quát là đặc tính của HTĐ cho phép nó duy trì trạng thái cân bằng trong chế độ vận hành bình thường và đạt đến trạng thái cân bằng chấp nhận được sau khi chịu tác động của nhiễu.
Trong việc đánh giá ổn định, vấn đề được quan tâm là hành vi của HTĐ khi chịu tác động của các nhiễu quá độ. Nhiễu có thể là bé hoặc lớn. Nhiễu nhỏ xảy ra thường xuyên trong HTĐ dưới dạng thay đổi công suất phụ tải, trong khi đó nhiễu lớn bao gồm ngắn mạch trên đường dây truyền tải, sự cố dẫn đến cắt tổ máy phát hoặc tải lớn, mất đường dây nối giữa 2 HT con.
Ổn định góc rotor
Ổn định góc rotor là khả năng của các máy đồng bộ liên kết với nhau trong HTĐ duy trì sự đồng bộ. Bài toán ổn định góc rotor liên quan đến việc nghiên cứu dao động cơ điện vốn có trong HTĐ, trong đó công suất phát của các MF đồng bộ thay đổi khi góc rotor dao động. Mối quan hệ giữa công suất và góc rotor được gọi là đặc tính công suất-góc, đây là đặc tính rất quan trọng trong nghiên cứu ổn định.
Đặc tính máy điện đồng bộ:
Máy điện đồng bộ gồm 2 phần: Phần cảm và phần ứng. Thông thường, phần cảm ở rotor và phần ứng ở stator.
Khi có 2 hay nhiều máy điện đồng bộ nối với nhau, điện áp và dòng điện stator của chúng có cùng tần số, và tốc độ của các rotor đồng bộ với tần số này.
Từ trường quay sinh ra bởi dòng điện stator tương tác với từ trường của rotor sinh ra mô men điện từ có khuynh hướng làm cho 2 từ trường đồng bộ với nhau. Trong MF, mô men điện từ ngược chiều chuyển động của rotor do đó mô men cơ phải được cung cấp từ động cơ sơ cấp để duy trì sự chuyển động. Mô men (hoặc công suất) đầu ra của MF thay đổi khi mô men cơ đầu vào cung cấp bởi động cơ sơ cấp thay đổi.
Trong chế độ xác lập, từ trường rotor và từ trường quay stator có cùng tốc độ, tuy nhiên giữa chúng có góc lệch phụ thuộc vào mô men (hoặc CS) đầu ra của MF.
Mối quan hệ công suất – góc: Đặc tính quan trọng có liên quan đến ổn định HTĐ là mối quan hệ giữa công suất trao đổi và vị trí góc rotor của các máy điện đồng bộ. Đây là mối quan hệ rất phi tuyến. Để minh họa, xét HTĐ đơn giản gồm 2 máy điện đồng bộ sau đây:
CS truyền tải là hàm của góc lệch giữa rotor 2 máy điện:
Giá trị CS cực đại tỷ lệ thuận với điện áp nội của máy đồng bộ và tỷ lệ nghịch với điện kháng giữa các điện áp nội. 
Hiện tượng ổn định
Ổn định là điều kiện cân bằng giữa các lực ngược chiều. Cơ chế mà nhờ đó các MF đồng bộ duy trì đồng bộ với nhau là thông qua các lực hồi phục, lực này tác động bất cứ khi nào có các lực có khuynh hướng tăng tốc hoặc giảm tốc một hoặc nhiều MF so với các MF khác. Ở trạng thái xác lập, có sự cân bằng giữa mô men cơ đầu vào và mô men điện đầu ra của mỗi MF, và tốc độ duy trì không đổi.
Khi HTĐ chịu tác động của nhiễu, điều kiện cân bằng bị phá vỡ gây ra sự tăng tốc hoặc giảm tốc của các rotor máy điện. Nếu một MF tạm thời quay nhanh hơn các máy còn lại, góc rotor tương đối của MF này so với các MF chậm hơn sẽ tăng lên. Sự khác biệt góc rotor này sẽ chuyển một phần tải từ các MF chậm sang MF nhanh, phụ thuộc vào mối quan hệ công suất-góc. Điều này có khuynh hướng là giảm sự khác biệt về tốc độ và do đó giảm góc lệch của rotor.
Mối quan hệ công suất-góc là mối quan hệ rất phi tuyến, vượt quá giá trị giới hạn nào đó, việc tăng góc rotor sẽ dẫn đến việc giảm công suất truyền tải; điều này sẽ làm tăng hơn nữa góc rotor và đưa đến mất ổn định.
Khi một máy điện đồng bộ bị mất đồng bộ với phần còn lại của HT, tốc độ rotor cao hơn hoặc thấp hơn tốc độ yêu cầu để tạo ra điện áp tại tần số HT. Độ trượt giữa từ trường quay stator và từ trường rotor sẽ gây ra sự dao động công suất, dòng điện và điện áp; điều này dẫn đến sự tác động của bảo vệ rơ le để cô lập máy điện mất đồng bộ với HT.
Mất đồng bộ có thể xảy ra giữa một MF và phần còn lại của HT hoặc giữa hai nhóm MF với nhau.
Độ thay đổi mô men điện của máy điện đồng bộ sau khi chịu tác động của nhiễu có thể được phân tích thành hai thành phần:
TSΔδ là thành phần mô men đồng bộ; TS là hệ số mô men đồng bộ
TDΔω là thành phần mô men cản dịu; TD là hệ số mô men cản dịu
Ổn định phụ thuộc vào sự tồn tại của cả hai thành phần mô men. Thiếu mô men đồng bộ dẫn đến mất ổn định dưới dạng không chu kỳ. Mặt khác, thiếu mô men cản dịu dẫn đến mất ổn định dạng dao động.
Ổn định tín hiệu bé (hoặc nhiễu bé) (trước đây gọi là Ổn định tĩnh)
Ổn định tín hiệu bé là khả năng của HTĐ duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu nhỏ.
Các nhiễu được xem như đủ nhỏ để có thể tuyến tính hóa các phương trình HT cho mục đích giải tích.
Mất ổn định có hai dạng: góc rotor tăng dần do thiếu mô men đồng bộ, góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu mô men cản dịu.
Bản chất của đáp ứng HT đối với nhiễu nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và loại HT kích thích được sử dụng của MF.
Trong các HTĐ thực tế ngày nay ổn định tín hiệu bé hoàn toàn là vấn đề của việc đệm dao động. Ổn định của các dạng dao động sau đây được quan tâm:
Phương thức địa phương hoặc phương thức hệ thống máy phát: Liên quan đến sự dao động của các tổ máy tại một nhà máy điện đối với phần còn lại của HT.
Phương thức liên vùng: Liên quan đến dao động của nhiều MF trong một phần của HT đối với các MF trong các phần khác.
Phương thức điều khiển: Liên quan đến các tổ MF và các điều khiển khác.
Phương thức xoắn: Liên quan đến các phần tử quay của hệ thống trục nối giữa tua bin và MF.
Ổn định quá độ (trước đây gọi là Ổn định động)
Ổn định quá độ là khả năng của HTĐ duy trì chế độ đồng bộ khi chịu tác động của nhiễu quá độ nghiêm trọng. Đáp ứng của HT liên quan đến sự thay đổi lớn của góc rotor MF và chịu ảnh hưởng bởi mối quan hệ công suất-góc phi tuyến. Ổn định phụ thuộc vào cả chế độ làm việc ban đầu lẫn mức độ nghiêm trọng của nhiễu. Thông thường, sơ đồ HT sẽ thay đổi do đó trạng thái xác lập sau khi nhiễu khác với trạng thái xác lập trước nhiễu.
Nhiễu thường được xem xét là sự cố ngắn mạch các loại xảy ra trên đường dây truyền tải, thanh góp và MBA. Sự cố được giả thuyết sẽ bị xóa bằng cách mở các máy cắt thích hợp nhằm cô lập bộ phận sự cố. Tác động này được gọi là cắt sự cố.
Góc rotor MF đồng bộ ứng với trường hợp ổn định và không ổn định được cho như sau:
Trường hợp 1: Ổn định, góc rotor tăng đến giá trị cực đại sau đó giảm và dao động tắt dần
Trường hợp 2: Không ổn định, góc rotor tăng liên tục cho đến khi MF mất đồng bộ. Dạng mất ổn định này thường được gọi là mất ổn định dao động đầu tiên và gây ra bởi thiếu mô men đồng bộ.
Trường hợp 3: Không ổn định, góc rotor dao động với biên dộ tăng dần.
Ổn định điện áp và sụp đổ điện áp
Ổn định điện áp là khả năng của HTĐ duy trì điện áp xác lập chấp nhận được tại tất cả các thanh góp của HT trong các chế độ vận hành bình thường và sau khi chịu tác động của nhiễu.
Khi HT mất ổn định điện áp, điện áp giảm liên tục và không điều khiển được.
Nguyên nhân chính gây ra mất ổn định điện áp là do HT không có khả năng đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng của phụ tải.
Tiêu chuẩn ổn định điện áp đối với một chế độ vận hành đã cho là tại mỗi thanh góp của HT biên độ điện áp tăng khi công suất phản kháng bơm vào thanh góp tăng. HT không có ổn định điện áp khi có ít nhất một thanh góp trong HT tai đó biên độ điện áp giảm khi công suất phản kháng bơm vào thanh góp tăng.
Không ổn định điện áp là hiện tượng cục bộ, tuy nhiên, nó có ảnh hưởng rất rộng. Một trường hợp đặc biệt và phức tạp của mất ổn định điện áp là sụp đổ điện áp, thường là hậu quả của một chuỗi các sự kiện đi kèm với mất ổn định điện áp dẫn đến biên độ điện áp tại các thanh góp trong một phần đáng kể của HT giảm thấp.
Không ổn định điện áp có thể xảy ra theo nhiều cách khác nhau. Để minh họa, xét HTĐ đơn giản sau
Sự phụ thuộc của I, VR và PR theo ZLN/ZLD khi tanθ = 10,0 và cosϕ = 0,95:
Đặc tính công suất-điện áp khi cosϕ = 0,95 trễ và tanθ = 10,0
Đặc tính VR-PR khi cosϕ có giá trị khác nhau
Đặc tính VR-QR với các giá trị khac nhau của PR/PRmax
Ổn định điện áp nhiễu lớn
Là khả năng của HT điều khiển điện áp sau khi có các nhiễu lớn như sự cố HT, mất MF hoặc cắt đường dây
Tiêu chuẩn ổn định điện áp nhiễu lớn, sau một nhiễu đã cho và sau các tác động điều khiển HT, là điện áp tại tất cả các thanh góp đạt đến giá trị xác lập chấp nhận được.
Ổn định điện áp nhiễu nhỏ
Là khả năng của HT điều khiển điện áp của HT sau khi có các nhiễu nhỏ như sự thay đổi của phụ tải.
Tiêu chuẩn ổn định điện áp nhiễu nhỏ đối với một chế độ vận hành đã cho là tại mỗi thanh góp của HT biên độ điện áp tăng khi công suất phản kháng bơm vào thanh góp tăng.
 Ổn định trung hạn và dài hạn
Thuật ngữ ổn định dài hạn và trung hạn tương đối mới. Chúng liên quan đến đáp ứng động của HTĐ khi có các nhiễu loạn nghiêm trọng đưa đến sự thay đổi lớn về điện áp, tần số và dòng công suất. Sự thay đổi lớn này làm cho các hệ thống điều khiển và bảo vệ tác động.
Thời gian tiêu biểu khảo sát các loại ổn định:
Ngắn hạn hoặc quá độ: 0 đến 10 giây
Trung hạn: 10 giây đến vài phút
Dài hạn: vài phú đến hàng chục phút.
PHÂN LOẠI ỔN ĐỊNH
LỊCH SỬ VỀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH
Ổn định HTĐ được nhận thức là vấn đề quan trọng năm 1920.
Kết quả thí nghiệm đầu tiên trên HTĐ thu nhỏ được công bố năm 1924.
Thực nghiệm tại hiện trường về ổn định trên HTĐ thực tế được thực hiện măm 1925.
Với sự ra đời của máy tính điện tử và sự phát triển của lý thuyết ổn định, nhiều phương pháp phân tích ổn định và mô hình HTĐ trong khảo sát ổn định đã phát triển. Một trong những tiêu chuẩn thiết kế và vận hành HTĐ là tiêu chuẩn ổn định.