B GIÁO DC VÀ ĐÀO TO
TRƯỜNG ĐẠI HC BÁCH KHOA HÀ NI
Lã Minh Khánh
NGHIÊN CU ÁP DNG CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG
TIN ĐIU KHIN ĐỂ NÂNG CAO N ĐỊNH VÀ LÀM VIC
TIN CY CA H THNG ĐIN
Chuyên ngành: Mng và H thng đin
Mã s: 62.52.50.05
LUN ÁN TIN S K THUT
NGƯỜI HƯNG DN KHOA HC:
1. VS.GS.TSKH. Trn Đình Long
2. TSKH. Trn Quc Tun
Hà Ni - 2009
i
LI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cu ca bn thân. Các s liu, kết qu trình
bày trong lun án là trung thc và chưa tng được ai công b trong bt k công trình
lun án nào trước đây.
Tác gi lun án
ii
MC LC
Trang
Li cam đoan
Mc lc
Danh mc các các ch vit tt, bng biu, hình v
M ĐU
PHN MT – PHNG PHÁP TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH VÀ ÁP
DNG CÁC BIN PHÁP NÂNG CAO N ĐNH TƾNH H THNG
ĐIN PHC TP
Chng 1 - TNG QUAN V CÁC PHNG PHÁP PHÂN TÍCH N
ĐNH H THNG ĐIN
1.1. Các phng pháp và tiêu chun đánh giá n đnh ca h thng đin
1.1.1. Khái nim kinh đin v n đnh và tiêu chun năng lng
1.1.2. Phng pháp và tiêu chun n đnh Lyapunov
1.2. H phng trình trng thái ch đ xác lp và ch đ quá đ ca HTĐ
1.2.1. Phng trình ch đ xác lp
1.2.2. nh hng ca gii hn điu chnh công sut ngun đn cu
trúc phng trình CĐXL và đặc tính n đnh h thng
1.2.3. H phng trình chuyn đng quá đ
1.3. Phng trình đặc trng và đặc tính n đnh ca h thng tuyn tính
1.4. S đng nht tr s ca s hng t do PTĐT vi đnh thc Jacobi h
phng trình CĐXL
1.5. Kt lun chng mt
Chng 2 - PHNG PHÁP TÍNH TOÁN NHANH GII HN N
ĐNH CA H THNG ĐIN PHC TP
2.1. Vn đ xác đnh gii hn n đnh
2.2. Xác đnh gii hn n đnh ca HTĐ phc tp trên c s tiêu chun
mt n đnh phi chu k
i
ii
1
5
11
12
12
12
14
18
18
24
25
29
31
32
33
33
38
iii
2.2.1. Tiêu chun mt n đnh phi chu k
2.2.2 Xây chng trình tính toán xác đnh ch đ gii hn n đnh ca
HTĐ theo tiêu chun mt n đnh phi chu k
2.3. Các kh năng ca chng trình
2.4. Kt qu tính toán kim tra chng trình
2.5. Kt lun chng hai
Chng 3 - NGHIÊN CU CÁC CH TIÊU ĐÁNH GIÁ MC Đ N
ĐNH HTĐ PHC TP, NG DNG PHÂN TÍCH N ĐNH S Đ
HTĐ VIT NAM
3.1. Đặt vn đ
3.2. Các ch tiêu đánh giá mc đ n đnh HTĐ trong điu kin vn hành
3.2.1. Mt s ch tiêu ch yu đang đc ng dng
3.2.2. Nghiên cu các ch tiêu đánh giá mc đ n đnh trên c s tính
trc tip ch đ gii hn bng chng trình
3.3. Tính toán, phân tích các đặc trng n đnh ca HTĐ Vit Nam
3.4. Kt lun chng ba
PHN HAI – NGHIÊN CU ÁP DNG CÁC THIT B BÙ CÓ ĐIU
KHIN Đ NÂNG CAO N ĐNH ĐNG CA H THNG ĐIN
Chng 4 - CU TO MT S THIT B FACTS VÀ MÔ HÌNH HOT
ĐNG ĐIU KHIN CA CHÚNG TRONG CH Đ QUÁ Đ HTĐ
4.1. Tiêu chun cht lng QTQĐ và bài toán điu khin QTQĐ đ nâng
cao n đnh đng HTĐ
4.2. Cun kháng có điu khin bng thyristor - phn t c bn ca
FACTS
4.3. Máy bù tƿnh (Static Var Compensator - SVC)
4.4. T đin bù dc có điu khin (Thyristor Controlled Serie Capacitor -
TCSC)
4.5. Tác đng điu khin các thit b FACTS và vn đ la chn tác đng
hiu qu
38
41
45
46
49
50
50
50
51
59
70
80
81
82
82
84
88
92
95
iv
4.6. Kt lun chng bn
Chng 5 - NGHIÊN CU THUT TOÁN ĐIU KHIN HIU QU
TCSC VÀ SVC NÂNG CAO N ĐNH ĐNG H THNG ĐIN
5.1. Điu khin ti u QTQĐ bng TCSC đ nâng cao n đnh
5.1.1. Phân tích hiu qu điu khin TCSC
5.1.2. La chn tác đng đóng ct ti u cho TCSC
5.1.3. Hiu qu điu khin theo tác đng liên tc
5.2. Kt qu tính toán hiu qu TCSC vi s đ HTĐ Vit Nam
5.3. Hiu qu nâng cao n đnh đng ca SVC
5.3.1. Đặt vn đ
5.3.2. Hiu qu nâng cao n đnh đng ca SVC
5.3.3. Tính toán hiu qu SVC cho HTĐ Vit Nam
5.4. Các nhn xét và kt lun chng năm
KT LUN CHUNG
MT S KIN NGH V HNG NGHIÊN CU TIP THEO
CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG B
TÀI LIU THAM KHO
PH LC
97
98
98
98
100
108
112
116
116
117
123
129
131
134
135
136
145
1
DANH MC CÁC CH VIT TT
CĐXL Chế độ xác lp
CĐQĐ Chế độ quá độ
CSTD Công sut tác dng
CSPK Công sut phn kháng
ĐDSCA Đường dây siêu cao áp
FACTS Flexible Altenative Current Transmisson System (H thng truyn ti đin
xoay chiu linh hot)
HMT Hàm mc tiêu
HTĐ H thng đin
NMĐ Nhà máy đin
PTĐT Phương trình đặc trưng
PTVP Phương trình vi phân
QTQĐ Quá trình quá độ
SVC Stactic Var Compensator (Máy bù tĩnh)
TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor (T đin bù dc có điu khin)
TSSC Thyistor Switched Series Capacitor (T đin bù dc được điu khin dng
đóng ct)
TCR Thyristor Controlled Reactor (Kháng đin có điu khin)
TĐK B t động điu chnh kích t
TĐT B t động điu chnh tc độ quay turbine
2
DANH MC CÁC BNG
Bng 3.1 H s st áp các nút ti
Bng 3.2.a Độ nhy các nhánh thuc đường dây siêu cao áp
Bng 3.2.b Độ nhy các nhánh lưới min Bc
Bng 3.2.c Độ nhy các nhánh lưới min Trung và Nam B
3
DANH MC CÁC HÌNH V
Hình 1.1 Khái nim n định theo tiêu chun năng lượng
Hình 1.2 Các đim cân bng và chế độ gii hn
Hình 1.3 Đặc tính công sut ca h thng đin đơn gin
Hình 1.4 Khái nim n định theo Lyapunov
Hình 1.5 Sơ đồ h thng đin phc tp dng chung
Hình 1.6 Thiết b điu chnh tc độ quay turbine
Hình 1.7 Cu to chung ca h thng kích t
Hình 1.8 Sơ đồ cu trúc hàm truyn ca TĐK tác động t l
Hình 2.1 Min gii hn n định ca h thng đin đơn gin
Hình 2.2 Gii hn n định ca h thng thiếu công sut
Hình 2.3 Sơ đồ đẳng tr hình tia cho h thng nhiu máy
Hình 2.4 Sơ đồ đẳng tr dng hình tia cho h thng ti đin 500kV Vit Nam
Hình 2.5 Các dng mt n định
Hình 2.6 Sơ đồ khi ca chương trình tính CĐXL theo thut toán Newton-Raphson
Hình 2.7 Sơ đồ khi ca chương trình tìm gii hn n định
Hình 2.8 Thut toán hình tia, hình chiếu
Hình 2.9 Các thut toán tìm lân cn
Hình 2.10.a Sơ đồ h thng ti đin 500kV
Hình 2.10.b Sơ đồ h thng đin cho các ví d tính phân tích các ch tiêu n định
Hình 3.1 Chuyn động ca nghim PTĐT trên mt phng phc
Hình 3.2 Khái nim h s d tr n định theo kch bn biến thiên thông s
Hình 3.3 H thng truyn ti công sut gia mt nút phát và mt nút ti
Hình 3.4 Min đồng mc ch s L
Hình 3.5 Min n định kích động biến thiên cc b
Hình 3.6 Biến thiên đin áp các nút
Hình 3.7 Tc độ biến thiên đin áp
Hình 3.8 S thay đổi tc độ biến thiên góc lch
Hình 3.9.a Tc độ biến thiên đin áp khi Qmax = 150MVAr
Hình 3.9.b Tc độ biến thiên góc lch khi Qmax = 150MVAr
Hình 3.10 Sơ đồ h thng đin 500/220kV Vit Nam năm 2005
Hình 3.11 Biến thiên đin áp mt s nút trong sơ đồ h thng đin Vit Nam
4
Hình 3.12 Biến thiên tc độ st áp mt s nút trong sơ đồ h thng đin Vit Nam
Hình 3.13 Biến thiên đin áp các nút sau khi đặt SVC
Hình 3.14 Biến thiên tc độ st áp các nút sau khi đặt SVC
Hình 4.1 Biến thiên dòng đin trong TCR
Hình 4.2 Đặc tính điu chnh ca TCR và biên độ các sóng hài bc cao
Hình 4.3 Các thành phn cu to ca SVC
Hình 4.4 Sơ đồ điu khin SVC có t c định
Hình 4.5 Đặc tính làm vic ca SVC gi đin áp c định
Hình 4.6 Mô hình động ca SVC
Hình 4.7 Cu to cơ bn ca TCSC
Hình 4.8 Đặc tính điu chnh ca TCSC
Hình 4.9 Cu trúc điu khin ca TCSC
Hình 4.10 Hàm truyn các khâu ca kênh n định
Hình 4.11 Điu khin SVC theo đin áp h thng và dòng trong SVC
Hình 5.1 Hiu qu tác động đóng ct t bù dc
Hình 5.2 La chn thi đim tác động ti ưu
Hình 5.3 Hiu qu điu khin TCSC dng đóng ct
Hình 5.4.a Biến thiên đin dn vi tác động đóng ct và liên tc
Hình 5.4.b Hiu qu tác động TCSC theo tín hiu công sut
Hình 5.5 ng dng TCSC cho h thng đin Vit Nam
Hình 5.6 Dao động góc lch máy phát Hòa Bình, Ph Li, Tr An, Yaly, Sông Hinh,
Phú M khi chưa có và có đặt TCSC
Hình 5.7 Biến thiên đin kháng ca TCSC trong quá trình điu khin
Hình 5.8 Sơ đồ truyn ti công sut ln qua đường dây dài
Hình 5.9 H thng đin nhiu máy phát có SVC
Hình 5.10 Sơ đồ tính toán vi SVC cho h thng đin 500kV Vit Nam năm 2006
Hình 5.11 Kết qu tính toán dao động góc lch rotor các máy phát khi không có SVC
Hình 5.12 Kết qu tính toán h s trượt ca máy phát khi không có SVC
Hình 5.13 Kết qu tính toán dao động góc lch rotor các máy phát khi có SVC
Hình 5.14 Kết qu tính toán h s trượt ca máy phát khi có SVC
Hình 5.15 Dao động công sut tác dng ca các máy phát
Hình 5.16 Dao động công sut phn kháng ca các máy phát
Hình 5.17 Dao động công sut phn kháng ca SVC
5
M ĐU
0.1. Mc đích và lý do chn đề tài
Cùng vi quá trình đổi mi và phát trin kinh tế ca đất nước, h thng đin
(HTĐ) Vit Nam đang có nhng bước phát trin nhy vt, c v quy mô công sut ln
phm vi lưới cung cp đin.
T năm 1994, đường dây siêu cao áp 500 KV đầu tiên ca Vit Nam, vi tng
chiu dài gn 1500 km được xây dng xong và đưa vào vn hành, đã ni lin HTĐ 3
khu vc (Bc, Trung, Nam) thành mt HTĐ hp nht.
Vic hình thành HTĐ hp nht Bc - Trung - Nam đã nâng cao hiu qu kinh tế,
độ tin cy vn hành, đồng thi to điu kin thun li cho vic phát trin nhanh chóng
các ngun đin đa dng, công sut ln, m rng phm vi lưới đin trên khp các min
ca đất nước. Tuy nhiên, cùng vi s phát trin nhanh chóng sơ đồ HTĐ Vit Nam vi
cu trúc ngày càng phc tp, cũng xut hin kèm theo nhiu vn đề k thut cn phi
quan tâm gii quyết, trong đó có vn đề đảm bo vn hành n định, tin cy cho HTĐ
hp nht ([5], [63], [71], [72]).
Theo d báo và quy hoch phát trin sơ đồ HTĐ Vit Nam đến năm 2020, nhu
cu đin năng vn liên tc tăng trưởng nhanh vi tc độ 15 - 20% mi năm [6]. Nhiu
ngun đin mi cn được đưa vào, vi quy mô công sut ngày càng ln. Lưới đin 500
KV s phát trin hu như khp các min ca đất nước: t thy đin Sơn La đến Mũi Cà
Mau (tng chiu dài lên ti 6000km). Bi cnh đó đã đặt ra rt nhiu bài toán cn quan
tâm nghiên cu như: đánh giá gii hn truyn ti ca sơ đồ lưới 500 kV theo điu kin
n định, nghiên cu áp dng các phương tin điu chnh điu khin mi (SVC,
TCSC...) để nâng cao n định và vn hành an toàn, to các phn mm phân tích n
định và lp đặt các thiết b phn cng để theo dõi giám sát các nguy cơ mt n định. Đề
6
tài lun án đã chn nhm nghiên cu mt s vn đề liên quan đến các ni dung nói
trên.
0.2. Ni dung và phương pháp nghiên cu
Thc tế vn hành và thiết kế HTĐ đã đặt ra hàng lot các vn đề liên quan đến
tính toán, phân tích và nâng cao n định. H thng đin càng phc tp, các yêu cu v
độ an toàn, tin cy càng đòi hi cao, các bài toán v n định càng cn được quan tâm
nghiên cu sâu sc hơn. Có th phân chia các bài toán v n định HTĐ theo mc độ
phát trin phương pháp và yêu cu thc tế ca HTĐ như sau:
1. Các phương pháp đánh giá n định trng thái ca HTĐ vi các kích động bé, thường
xuyên (n định tĩnh) và vi các tình hung có kích động ln (n định động). Yêu cu
xác định được HTĐn định hay không n định.
2. Các phương pháp xác định mc độ n định ca HTĐ, tương ng vi mt trng thái
xác lp (đang vn hành hoc được quan tâm trong thiết kế); Các bin pháp ci thin n
định tĩnh ca HTĐ.
3. Các phương pháp đo và cnh báo n định theo thông tin đo lường.
4. Các phương tin điu khin nhanh và thut toán điu khin hiu qu nhm nâng cao
n định cho HTĐ trong các tình hung s c.
Trong phm vi lun án, ch yếu đi sâu nghiên cu bài toán 2 và 4, vi mc đích
ng dng cho HTĐ Vit Nam.
Các ni dung ca bài toán th nht, thc cht là các vn đề lý thuyết n định
HTĐ, là cơ s cho các bài toán tiếp sau. Tuy vn còn rt nhiu vn đề phi quan tâm
nghiên cu, c v khái nim n định cũng như phương pháp phân tích. Nhng thành
tu cơ bn đạt được cho đến nay đã cho phép ng dng khá hiu qu vào thc tế HTĐ.
Để phân tích n định tĩnh, khái nim n định kích động bé (Small-Signal Stability) và
phương pháp xp x bc nht ca Lyapunov ([46], [57], [93], [99]) được coi là khá phù
hp cho sơ đồ HTĐ phc tp, xét đến các phương tin điu chnh điu khin. Để phân
7
tích n định động, phương pháp tính toán da trc tiếp vào h phương trình vi phân
được áp dng ph biến nht, do tính vn năng ca nó. Lun án ch tng quan v các
vn đềy nhm làm cơ s phát trin và nghiên cu các ni dung tiếp theo.
Nghiên cu và phát trin các phương pháp đánh giá mc độ n định ca HTĐ
phc tp là mt trong nhng ni dung chính ca lun án. Vn đề được đặt ra đối vi
HTĐ có sơ đồ phc tp, bi HTĐ ngày nay không còn dng mt vài nhà máy, trong
khi đó các phương pháp kinh đin, k c nhng kết qu nghiên cu gn đây ([2], [80])
ch yếu vn da trên sơ đồ đơn gin hoc phi đẳng tr v đơn gin để tính toán.
Hướng giái quyết vn đề trong lun án là da trên các tiêu chun n định ca HTĐ
phc tp và tính toán bng chương trình.
Liên quan đến ni dung đánh giá mc độ n định ca HTĐ còn có vn đề xác
lp các ch tiêu mc độ n định. Đối vi HTĐ phc tp, vic nghiên cu các ch tiêu n
định tng hp có ý nghĩa rt quan trng. Trên cơ s tính toán các ch tiêu này người
thiết kế, vn hành HTĐ có th nhn biết nhng tình hung nguy cp phi s lý t yếu
t n định. Ngoài ra, trên cơ s tính toán bng chương trình, có th đưa ra được nhng
ch tiêu phân tích riêng (cho phép xét đến mc độ nh hưởng khác nhau ca các thông
s đến n định h thng, đánh gđặc tính n định riêng đối vi các nút ti ...), rt hu
ích trong thiết kế và vn hành h thng.
Phát trin kết qu đạt được ca phn này lun án đi sâu nghiên cu ng dng
cho HTĐ Vit Nam. Sơ đồ thc tế HTĐ Vit Nam (ly s liu giai đon năm 2006 và
2010) đã được xem xét, đánh giá theo các ch tiêu n định tng hp và đề xut áp dng
các bin pháp nâng cao n định tĩnh.
Phn th hai ca lun án là nghiên cu áp dng các phương tin điu khin
nhanh (SVC, TCSC) để nâng cao n định động. Đây cũng là mt vế ni dung quan
trng đang được nêu ra trong các d án và chiến lược phát trin đin lc Vit Nam [6].
Ni dung thc hin ch yếu trong phn này là nghiên cu hiu qu ca thut toán điu
8
khin nhm nâng cao n định động cho HTĐ khi đầu tư lp đặt các thiết b điu khin
mi. Lun án đã nghiên cu thut toán điu khin các thiết b TCSC và SVC trong
HTĐ phc tp nói chung và ng dng cho sơ đồ HTĐ Vit Nam nói riêng.
0.3. Ý nghĩa khoa hc ca lun án
1. Lun án đã đề xut thut toán xác định chế độ gii hn n định HTĐ theo tiêu
chun mt n định phi chu k, da trên cơ s s dng phương pháp s (xây dng
chương trình tính toán). Tiêu chun mt n định phi chu k là tiêu chun chung áp
dng đối vi HTĐ phc tp, vì thế chương trình tính toán xây dng theo phương pháp
này có th áp dng vi HTĐ có cu trúc bt k, xét đến các gii hn điu chnh thông
s ngun và các trang thiết b.
Chương trình xây dng được theo thut toán đề xut đã được ng dng rt hiu qu đối
vi sơ đồ và s liu thc tế ca HTĐ Vit Nam.
2. Lun án đã đề xut các ch tiêu tng hp cũng như các ch tiêu riêng đánh giá
mc độ n định ca HTĐ phc tp. Các ch tiêu bao gm:
- H s d tr n định theo kch bn đin hình (ch tiêu tng hp, ng dng cho mi sơ
đồ);
- H s d tr n định theo kch bn quan tâm (ng dng khi thay đổi phương thc vn
hành);
- H s st áp các nút (kho sát các nút "yếu" trong h thng);
- H s độ nhy biến thiên công sut trên các nhánh;
- Min n định các nút ph ti.
3. Bước đầu tính toán và phân tích các ch tiêu n định cho HTĐ Vit Nam theo
phương pháp và công c thiết lp trong lun án, các kết qu đã cho thy mc độ n
định ca h thng là tương đối thp, cn áp dng các biên pháp để ci thin. Lun án
đã đề xut s dng SVC cho mt s nút yếu trong sơ đồ lưới 220 kV, hiu qu là mc
độ n định đã được nâng cao đáng k.
9
4. Đã nghiên cu thut toán điu khin hiu qu cho SVC và TCSC nâng cao n
định cho HTĐ:
- Thut toán điu khin xung ti ưu được đề xut điu khin TCSC dng đóng ct
(switching) trong HTĐ liên kết hai khu vc.
- Đối vi HTĐ phc tp, đã chng minh được vic điu khin TCSC theo tín hiu dòng
đin có hiu qu cao đối vi các tình hung s c nng, trong khi phương pháp truyn
thng (điu khin theo công sut) ch có hiu qu vi các s c nh, và gim dao động
công sut trong chế độ làm vic bình thường. Cn thiết áp dng vic điu khin theo tín
hiu dòng đin nếu lp đặt TCSC cho h thng đin 500kV Vit Nam vì có nhng s
c ngn mch nng n.
5. Đã nghiên cu hiu qu trong mt s phương án c th ng dng TCSC và
SVC nâng cao n định động cho HTĐ Vit Nam.
0.4. Phm vi ng dng
Kết qu nghiên cu ca lun án có th ng dng trong thiết kế và vn hành h
thng đin.
- Phn mm xây dng được theo thut toán đề xut có th ng dng tính toán đánh giá
n định HTĐ Vit Nam (các cơ quan thiết kế, Trung tâm Điu độ H thng đin), đang
đề ngh được ng dng rng rãi. Hin có th ng dng trong nghiên cu, đào to ti
nhà trường.
- Các ni dung nghiên cu thut toán điu khin, phương pháp đánh giá hiu qu các
phương tin điu chnh điu khin mi, có th tham kho ng dng trong các d án đầu
tư lp đặt SVC và TCSC vào HTĐ Vit Nam.
0.5. Cu trúc ca lun án
Theo các ni dung k trên, lun án được trình bày thành 5 chương trong 2 phn:
Phn I: Phương pháp tính toán, phân tích và áp dng các bin pháp nâng cao n
định tĩnh HTĐ phc tp
10
Chương 1: Tng quan v các phương pháp phân tích n định h thng đin.
Chương 2. Phương pháp tính toán xác định nhanh chế độ gii hn n định ca h thng
đin phc tp.
Chương 3. Nghiên cu các ch tiêu đánh giá mc độ n định ca HTĐ phc tp, ng
dng phân tích đánh giá n định tĩnh h thng đin Vit Nam.
Phn II: Nghiên cu áp dng các thiết b bù có điu khin để nâng cao n định
động HTĐ
Chương 4. Mô hình điu khin mt s thiết b FACTS trong tính toán chế độ quá độ
ca h thng đin
Chương 5. Nghiên cu thut toán điu khin hiu qu TCSC và SVC để nâng cao n
định động h thng đin
Kết lun chung
11
Phn I
PHNG PHÁP TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH VÀ ÁP DNG
CÁC BIN PHÁP NÂNG CAO N ĐNH TĨNH
H THNG ĐIN PHC TP