Luận văn Phân tích ổn định hệ thống điện mạng 5 nút bằng phần mềm PSS/E (Bản đẹp)
MỤC LỤC
ĐỀ MỤC TRANG
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
LỜI CẢM ƠN i
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ii
MỤC LỤC iv
DANH MỤC HÌNH ix
DANH MỤC BẢNG xv
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 1
1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống điện 1
1.1.2 Các chế độ làm việc của hệ thống điện 1
1.1.3 Khái niệm và phân loại về ổn định hệ thống điện 2
1.2 GIỚI THIỆU VỀ ỔN ĐỊNH TĨNH VÀ ỔN ĐỊNH ĐỘNG 6
1.2.1 Ổn định tĩnh 6
1.2.2 Ổn định động 6
CHƯƠNG II: MÔ HÌNH ĐỘNG CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 8
2.1 GIỚI THIỆU 8
2.2 MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN 8
2.2.1 Lý thuyết về mô hình máy phát điện đồng bộ 8
2.2.2 Phép biến đổi dq0 12
2.2.3 Xây dựng phương trình mô tả máy phát từ phương trình điện áp máy phát 14
2.2.4 Phương trình chuyển động của rotor 17
2.2.5 Tổng kết về mô hình máy phát 18
2.3 HỆ THỐNG KÍCH TỪ MÁY PHÁT 19
2.3.1 Tổng quan và phân loại 19
2.3.2 Hệ thống kích từ một chiều 21
2.3.3 Hệ thống kích từ xoay chiều 21
2.3.4 Hệ thống kích từ tĩnh 23
2.3.5 Mô hình tổng quát của hệ thống kích từ 24
2.3.6 Các khối chức năng của hệ thống kích từ 24
2.3.7 Một số mô hình hệ thống kích từ khác 29
2.4 BỘ ĐIỀU TỐC (GOVERNOR) 31
2.4.1 Giới thiệu chung về bộ điều tốc 31
2.4.2 Mô hình toán của bộ điều tốc (bộ điều tốc hơi nước) 32
2.4.3 Đường đặc tính của bộ điều tốc 34
2.5 BỘ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG PSS (POWER SYSTEM STABILIZER) 36
2.5.1 Giới thiệu bổ ổn định PSS 36
2.5.2 Mô hình bộ ổn định PSS1A 37
2.5.3 Mô hình bộ ổn định PSS2B 39
2.5.4 Mô hình bộ ổn định PSS3B 40
2.6 MÁY BIẾN ÁP 40
2.6.1 Mạch tương đương của một máy biến áp 40
2.6.2 Mô hình hình của máy biến áp 42
2.7 MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY 45
2.7.1 Mô hình đường dây có chiều dài trung bình và đường dây ngắn 45
2.7.2 Mô hình đường dây dài 50
2.8 MÔ HÌNH PHỤ TẢI 51
2.8.1 Khái niệm 51
2.8.2 Mô hình tải tĩnh 51
2.8.3 Mô hình tải động 53
CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 55
3.1 TỔNG QUÁT 55
3.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍCH PHÂN SỐ 55
3.2.1 Phương pháp Euler 57
3.2.2 Phương pháp Euler cải tiến 58
3.2.3 Phương pháp Runge – Kutta (R-K) 59
3.3 TIÊU CHUẨN CÂN BẰNG DIỆN TÍCH 60
CHƯƠNG IV: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSS/E 63
4.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PSS/E 63
4.2 GIAO DIỆN CỦA PHẦN MỀM PSS/E 64
4.3 CÁC THANH CÔNG CỤ CHÍNH 65
4.3.1 Menu bar 66
4.3.2 Diagram bar 66
4.3.3 Dynamics Simulation bar 67
4.4 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG BẰNG PSS/E 67
4.4.1 Tạo hệ thống điện cần khảo sát 67
4.4.2 Khảo sát phân bố công suất 69
4.4.3 Chuyển thông số máy phát và tải để khảo sát ổn định động 69
4.4.4 Chuẩn bị thông số động của các máy phát 72
4.4.5 Tạo thông số đầu ra mong muốn khảo sát 73
4.4.6 Khảo sát ổn định động 75
4.4.7 Xem kết quả mô phỏng 76
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG ĐỘNG MẠNG 5 NÚT BẰNG PHẦN MỀM PSS/E 77
5.1 GIỚI THIỆU MẠNG 5 NÚT 77
5.2 THÔNG SỐ MẠNG 5 NÚT 78
5.2.1 Thông số đường dây 78
5.2.2 Thông số thanh cái 78
5.2.3 Thông số máy phát 79
5.2.4 Thông số máy biến áp 79
5.3 MÔ HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ CỤ THỂ CỦA MÔ HÌNH TRONG MÔ PHỎNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG 80
5.3.1 Mô hình cụ thể của các phần tử trong mô phỏng ổn định động 80
5.3.2 Thông số các phần tử được sử dụng để mô phỏng 85
CHƯƠNG VI: CÁC KỊCH BẢN MÔ PHỎNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐỘNG 96
6.1 KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN ĐỊNH 96
6.2 KHẢO SÁT MỘT SỐ KỊCH BẢN SỰ CỐ ĐỐI XỨNG 99
6.2.1 Kịch bản 1: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 99
6.2.2 Kịch bản 2: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 có bộ PSS 99
6.2.3 Kịch bản 3: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại 99
6.2.4 Kịch bản 4: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200 sau đó tự đóng lại, có bộ PSS 99
6.2.5 Kịch bản 5: Sự cố 3 pha và cắt đường dây 100-200, tìm thời gian tới hạn 100
6.2.6 Kịch bản 6: Sự cố thoáng qua thanh cái 151 100
6.2.7 Kịch bản 7: Sự cố thoáng qua thanh cái 151, có bộ PSS 100
6.2.8 Kịch bản 8: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua 100
6.2.9 Kịch bản 9: Cô lập thanh cái 151 sau sự cố thoáng qua, có bộ PSS 100
6.3 KHẢO SÁT KỊCH BẢN SỰ CỐ KHÔNG ĐỐI XỨNG 101
CHƯƠNG VII: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 102
7.1 KHẢO SÁT SỰ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ KÍCH TỪ, BỘ ĐIỀU TỐC, BỘ ỔN ĐỊNH 102
7.1.1 Đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống 103
7.1.2 Điện áp đầu cực của máy phát 106
7.1.3 Công suất cơ đầu vào của máy phát 108
7.1.4 Công suất điện từ của máy phát 109
7.1.5 Tác động của bộ kích từ, bộ điều tốc, bộ ổn định 111
7.2 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ ĐỐI XỨNG 116
7.2.1 Sự cố 3 pha đường dây 100-200 116
7.2.2 Sự cố 3 pha thanh cái 151 121
7.3 KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ BẤT ĐỐI XỨNG 126
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 127
TÀI LIỆU THAM KHẢO 129
THÔNG TIN LIÊN HỆ 130
ợp khảo sát là hệ thống tự đóng lại sau khi cắt đường dây và xóa sự cố. Hệ thống vẫn có xu hướng duy trì được sự ổn định đồng bộ 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. Trên thực tế, khi hệ thống tự đóng lại khi đã vượt quá 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 5 nút có cấu trúc nhỏ, nên không tồn tại thời gian tới hạn của hệ thống tự đóng lại. Thời gian tới hạn để hệ thống vẫn duy trì được sự ổn định Đáp ứng của hệ thống khi vẫn duy trì được sự ổn định hệ thống Hình 7.24 Thời gian tới hạn để hệ thống vẫn duy trì được sự ổn định. Thời gian tới hạn của hệ thống để duy trì được sự ổn định đồng bộ kéo dài 1s. Trong khoảng thời gian này, góc lệch tối đa của rotor máy phát đã đạt tới giá trị khoảng 130°, khả năng mất đồng bộ lúc này là bắt đầu hiện hữu, 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 1s và tiến hành cắt đường dây kịp thời để cô lập sự cố, hệ thống vẫn có thể duy trì ổn định đồng bộ ở máy phát STEAM 1. Đáp ứng của hệ thống khi mất ổn định Hình 7.25 Đáp ứng của hệ thống khi vượt quá thời gian tới hạn. 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 này cụ thể là cắt đường dây ở thời điểm mà sự cố đã kéo dài 1.01s. Quan sát hình 7.25, dạng sóng của góc lệch rotor máy phát STEAM 1 đã mất dạng sin, góc lệch rotor đã vượt qua giá trị 180°. So sánh đáp ứng của hệ thống với thời gian tới hạn Hình 7.26 So sánh đáp ứng của hệ thống với thời gian tới hạn sự cố. Sự cố 3 pha thanh cái 151 Sự cố thoáng qua thanh cái 151 Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ PSS Hình 7.27 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151, không có bộ PSS. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ PSS Hình 7.28 Đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151, có bộ PSS. So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS Hình 7.29 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151. Nhận xét về sự cố thoáng qua thanh cái 151 và tác động của bộ PSS Hệ thống đang xét có đầy đủ bộ kích từ lẫn bộ điều tốc để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống. Các kịch bản được đưa ra để xem đáp ứng của hệ thống đối với các sự cố ngắn mạch được xem là nặng nề nhất. Đối vối sự cố thoáng qua thanh cái 151, cấu trúc hệ thống sau sự cố không thay đổi, do đó nếu hệ thống đạt được trạng thái ổn định sau sự cố sẽ có giá trị gần bằng với giá trị trước sự cố. Hình 7.27 là đáp ứng của góc lệch rotor đối với sự cố thoáng qua thanh cái 151. Sự cố xảy ra ở giây thứ 2 và tồn tại trong thời gian 0.1s sau đó tự mất đi. Hình 7.27 cho thấy sau khi sự cố mất đi, góc lệch rotor của máy phát STEAM 1 có xu hướng giảm dần dao động và xu hướng đạt trạng thái ổn định sau sự cố. Hình 7.28 cũng là trạng thái của rotor khi xảy ra sự cố thoáng qua thanh cái 151 nhưng có sự tham gia của bộ ổn định PSS. Ở hình 7.29 ta sẽ thấy sự khác biệt trong dao động của góc lệch rotor máy phát trong hai trường hợp có và không có bộ ổn định PSS. Tuy nhiên trong trường hợp này bộ PSS cũng chưa thể hiện đúng vai trò của mình khi mà đáp ứng trong trường hợp có bộ PSS lại dao động nhiều hơn và lâu đạt được trạng thái ổn định hơn so với trường hợp không có bộ PSS. Cô lập thanh cái 151 sau sự cố 3 pha Đáp ứng của hệ thống khi không có bộ PSS Hình 7.30 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố, không có bộ PSS. Đáp ứng của hệ thống khi có bộ PSS Hình 7.31 Đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố, có bộ PSS. So sánh đáp ứng của hệ thống khi có và không có bộ PSS Hình 7.32 So sánh đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố. Nhận xét về đáp ứng của hệ thống khi cô lập thanh cái 151 sau sự cố và tác động của bộ PSS Hình 7.30 và Hình 7.31 là đáp ứng góc lệch rotor của hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha ở thanh cái 151. Sự cố này sau đó bị xóa đi bằng cách cô lập thanh cái 151. Trường hợp này sau khi sự cố mất đi, cấu trúc hệ thống đã thay đổi đáng kể. Vì thế khi cô lập thanh cái 151 và xóa sự cố, hệ thống sẽ không còn giữ được trạng thái xác lập ban đầu mà chuyển sang một trạng thái xác lập mới và đạt một giá trị góc lệch rotor mới có sự sai lệch tương đối so với giá trị ban đầu. Khi cô lập thanh cái 151, trở kháng toàn hệ thống sẽ giảm xuống. Do cấu trúc mạng 5 nút nhỏ nên sự thay đổi này là tương đối đáng kể. Từ công thức giới hạn công suất truyền tải , điện kháng hệ thống tỉ lệ nghịch với công suất điện truyền tải, do đó công suất sẽ tăng. Công suất điện từ tăng dẫn tới công suất cơ đầu vào tăng do khả năng điều chỉnh của bộ điều tốc, và đường đặc tính công suất – góc của hệ thống cao hơn so với trước khi xảy ra sự cố. Do đó trạng thái ổn định sau sự cố có giá trị lớn hơn so với giá trị ổn định ban đầu. Tuy nhiên, thời gian để hệ thống đạt được trạng thái xác lập mới là quá lâu, khoảng gần 40s. Hình 7.32 là so sánh hệ thống khi có và không có bộ ổn định PSS. Hệ thống có bộ PSS nhanh chóng đạt được trạng thái ổn định cho bộ PSS có khả năng dập tắt dao động của rotor máy phát so với hệ thống không có bộ PSS, do đó mà độ dao động của đáp ứng trong trường hợp có bộ PSS cũng nhỏ hơn. Khả năng nâng cao tính ổn định của bộ PSS được thể hiện khá rõ rệt đối với các sự cố nặng nề cũng như thay đổi cấu trúc hệ thống như thế này. KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG CỦA HỆ THỐNG ĐỐI VỚI SỰ CỐ BẤT ĐỐI XỨNG Hình 7.33 So sánh đáp ứng của hệ thống đối với sự cố 1 pha chạm đất trên đường dây 150-200. 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 ta có thể khẳng định điều. Hình 7.33 cũng cho thấy rằng trong trường hợp này, một lần nữa bộ PSS lại chưa thể hiện đúng vai trò của nó theo lý thuyết khi mà đáp ứng trong trường hợp có bộ PSS lại có biên độ dao động lớn hơn so với trường hợp không có bộ PSS. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Ngày nay, hệ thống điện càng ngày càng phát triển để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng của sản xuất và đời sống. Trong bối cảnh đó, hệ thống điện ngày càng trở nên phức tạp với rất nhiều phần tử mang công suất lớn, đặc biệt như các tải trong công nghiệp. Chính vì lẽ đó mà một khi xảy ra sự cố, hậu quả thường để lại là hết sức nặng nề và rất khó khăn trong việc khắc phục. Từ đó đã đặt ra yêu cầu về phân tích và nghiên cứu tính ổn định của hệ thống điện, cụ thể là hiểu được khả năng và vai trò của các bộ điều chỉnh kích từ, bộ điều tốc và bộ ổn định đối với việc điều chỉnh đáp ứng góc rotor máy phát khi xảy ra các sự cố như ngắn mạch ba pha thanh cái, đường dây, khi cô lập đường dây, thanh cái, máy phát,để có thể khắc phục được các sự cố xảy ra một cách nhanh nhất, giúp cho hệ thống quay trở lại làm việc ở trạng thái ổn định. Với khả năng mô phỏng mạnh mẽ, kết quả trực quan và dễ hiểu, phần mềm PSS/E hết sức phù hợp và có đầy đủ khả năng cũng như công cụ để giúp chúng ta phân tích tính ổn định của lưới truyền tải một cách thuận tiện. Kết quả là số liệu cũng như đồ thị mô phỏng được diễn tả một cách khá tỉ mỉ và chi tiết. Bên cạnh những ưu điểm thì phần mềm này vẫn còn tồn tại những khuyết điểm cơ bản như: mô phỏng chưa được sinh động, màu sắc, giao diện, thiết kế của phần mềm chưa thực sự bắt mắt, bước thời gian phân tích là 0.01s đôi lúc còn cản trở những phân tích cần chi tiết hơn. Tuy nhiên, không có một phần mềm nào là hoàn hảo. Và PSS/E cũng không ngoại lệ. Ngoại trừ việc cần được cải tiến hơn nữa để phục vụ tốt hơn cho việc mô phỏng, thì đến hiện tại, những khả năng của phần mềm này đã là hết sức đáng nể và đủ sức để giải quyết các bài toán tương đối lớn về hệ thống điện. Qua bài Luận văn tốt nghiệp này, bản thân em rút ra một nhận thức rằng để một kỹ sư mới ra trường có thể ứng dụng được những kiến thức được Thầy Cô truyền đạt trong nhà trường vào thực tế cần phải có một sự nổ lực rất lớn để tìm hiểu tính năng của từng phần tử trong hệ thống, các phần mềm hỗ trợ tính toán mới có thể hiểu và ứng dụng hiệu quả vào việc vận hành hệ thống điện được an toàn, ổn định, liên tục và chất lượng. Do còn hạn chế về thời gian, kiến thức và tài liệu tham khảo nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Em mong nhận được sự chỉ dạy và đóng góp ý kiến quý báu của quý thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Hướng phát triển của đề tài này là nghiên cứu lập trình một phần mềm tự động có thể thay thế con người trong việc điều độ hệ thống điện, cụ thể là phần mềm này sẽ tự động tính toán các thông số của hệ thống điện, cảnh báo các khả năng sự cố có thể xảy ra, tính toán phân bố công suất để ngăn ngừa việc sự cố ấy xảy ra hoặc phân bố lại công suất trong mạng điện sau sự cố để đảm bảo sự ổn định của hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO Hồ Văn Hiến (2013). Hệ thống điện truyền tải và phân phối. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh. Nguyễn Hoàng Việt – Phan Thị Thanh Bình (2013). Ngắn mạch và ổn định trong hệ thống điện. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh. Nguyễn Hữu Phúc (2003). Kĩ thuật điện 2 – Máy điện quay. Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Lã Văn Út (2001). Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện. Nhà xuất bản Khoa học và kĩ thuật Hà Nội. Prabha Kundur (1994). Power system stability and control. McGraw – Hill, USA. P. M. Anderson, A. A. Fouad (2003). Power system control and stability. Institude of Electrical and Electronis Engineers. Hadi Saadat (1998). Power system analysis. McGraw – Hill, USA. Kimbark E. W. Power System Stability. Vol. III Synchronous Machines. New York: Wiley, 1948-1956. IEEE Press 1995. THÔNG TIN LIÊN HỆ Họ và tên: Nguyễn Trọng Tuấn. Mã số sinh viên: 41204295. Lớp: DD12KSKT, Khoa Điện – Điện tử, Trường ĐH Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM. Số điện thoại liên lạc: 0978 692 954. Email liên lạc: 41204295@hcmut.edu.vn; trongtuan.nguyen1003@gmail.com Địa chỉ liên lạc: 773/4 Cách Mạng Tháng Tám, Phường 6, Quận Tân Bình, Tp.HCM.
File đính kèm:
luan_van_phan_tich_on_dinh_he_thong_dien_mang_5_nut_bang_pha.docx
LVTN - Nguyen Trong Tuan.pdf
