Nghiên cứu tính ổn định của quá trình quá độ phần II

Trong kỹ thuật giải quyết đã mô tả trong phần 8.5 ảnh hưởng của bộ kích từ và hệ thống điều khiển van điều chỉnh lên sự phản ứng của hệ thống công suất được bỏ qua. Trong đặc trưng đó điện áp kích từ E_fd và công suất cơ P_m được giữ không đổi trong việc tính toán quá trình quá độ khi yêu cầu sự đánh giá chi tiết việc phản ứng lại của hệ thống hoặc thời gian phân tích kéo dài hơn 1 giây thì việc kể đến ảnh hưởng của bộ kích từ và hệ thống van điều chỉnh rất quan trọng.

Hệ thống điều khiển kích từ cung cấp điện áp kích từ thích hợp để duy trì điện áp của hệ thống theo mong muốn, thường là tại thanh góp điện áp cao của nhà máy điện. Một đặc trưng quan trọng của hệ thống điều khiển kích từ là khả năng đáp ứng một cách nhanh chóng đối với độ lệch điện áp trong cả hai quá trình điều khiển hệ thống bình thường và hệ thống ở tình trạng sự cố trầm trọng. Nhiều kiểu hệ thống điều khiển kích từ khác nhau được sử dụng trong hệ thống công suất. Những thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển kích từ đó là bộ điều chỉnh, bộ khuếch đại và bộ kích từ. Bộ điều chỉnh đo điện áp điều chỉnh thực và xác định độ lệch điện áp. Tín hiệu độ lệch sinh ra bởi bộ điều chỉnh thì sau đó được khuếch đại cung cấp tín hiệu yêu cầu thay đổi dòng điện kích từ. Điều này được làm cho đến khi tạo ra sự thay đổi điện áp đầu ra của bộ kích từ. Sự thay đổi này ứng với kết quả của một mức kích từ mới đối với nguồn phát điện. Một hình thức thuận tiện của sự đặc trưng hệ thống điều khiển là một dãy sơ đồ khối liên hệ qua các chức năng chuyển đổi biến số đầu vào và số đầu ra của các thành phần chính yếu của hệ thống. Dãy sơ đồ khối dùng để đặc trưng đơn giản hóa sự hoạt động liên tục của hệ thống điển khiển bộ kích từ được trình bày trên hình 8.7. Đây là 1 trong những điều kiện quan trọng của hệ thống điều khiển bộ kích từ. Sự đặc trưng này bao gồm những chức năng chuyển đổi để mô tả bộ điều chỉnh, bộ khuếch đại, bộ kích từ và vùng ổn định. Vùng ổn định phải được điều chỉnh tương ứng để loại trừ đi những dao động không mong muốn và sự vượt quá điện áp điều chỉnh. Những phương trình vi phân liên quan đến những biến số đầu vào, đầu ra của bộ điều chỉnh, bộ khuếch đại, bộ kích từ và vùng ổn định một cách lần lượt là:

Với: E_s: Là điện áp được ghi trong lịch trình tính ở đơn vị tương đối.

E0iii size 12{E rSub { size 8{0} } rSup { size 8{ ital "iii"} } } {}: Là điện áp lấy ra của bộ khuếch đại trong đơn vị tương đối trước sự nhiễu loạn.

Và các biến số trung gian được định rõ bởi Eⁱⁱ, Eⁱⁱⁱ, E^iv, E^v và E^vi . Biến số trung gian Eⁱⁱ là:

Eⁱⁱ = Eⁱⁱⁱ - E^vi

Mà E^vi tương đương với ảnh hưởng của sự khử từ do sự bảo hòa trong bộ kích từ. Điều này được xác định từ

E^vi = A_t^BE_fd

Ở đây A, B là các hằng số dựa vào đặc tính bảo hòa của bộ kích từ.

Để tính đến các ảnh hưởng của hệ thống điều khiển kích từ, thì các phương trình (8.14) được giải đồng thời với các phương trình (8.12) mô tả máy điện.

Anh hưởng của sự điều chỉnh tốc độ trong thời gian quá trình quá độ có thể được đưa vào tính toán bằng cách sử dụng đặc điểm đã được đơn giản hóa của hệ thống điều khiển van điều chỉnh biểu diễn trên hình (8.8). Đặc trưng này bao gồm hàm truyền mô tả hệ thống xử lý hơi với hằng số thời gian không đổi T_s và hàm truyền mô tả hệ thống điều khiển với hằng số thời gian không đổi T_e. Các phương trình vi phân liên quan đến các biến số đầu vào và đầu ra của hàm truyền một cách lần lượt là.

Trong đó: P_m là công suất cơ và các biến số trung gian được định rõ bởi Pⁱ_m, Pⁱⁱ_m, Pⁱⁱⁱ_m, và P^iv_m. Các biến số Pⁱⁱ_m, Pⁱⁱⁱ_m liên quan như sau:

Pⁱⁱ_m = 0 Pⁱⁱⁱ_m ≤ 0

Pⁱⁱ_m = Pⁱⁱⁱ_m 0 < Pⁱⁱⁱ_m < P_max

Pⁱ_m = P_max Pⁱⁱⁱ ≥ P_max

Với P_max: Là dung lượng cực đại của tua bin. Biến số trung gian Pⁱⁱⁱ_m là:

Pⁱⁱⁱ_m = P_m(0) - P^iv_m

Trong đó: P_m(0): Là công suất cơ ban đầu. Biến số trung gian P^iv_m là:

Ở đây R là sự điều chỉnh tốc độ trong đơn vị tương đối và DB_T là sự dịch chuyển của vùng chết, đó là sự thay đổi tốc độ cần thiết để vượt qua vùng chết của hệ thống van điều chỉnh. Một đặc tính tiêu biểu của van điều chỉnh được trình bày trong hình 8.9.

Phương trình (8.15) được giải đồng thời với phương trình (8.12) nếu những ảnh hưởng của hệ thống điều khiển van điều chỉnh được tính đến.

Sự phối hợp trong kế hoạch phát điện, truyền tải điện và việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle có hiệu quả là không thể thiếu được đối với đặc trưng độ tin cậy của hệ thống điện. Mục đích chính của rơle là bảo vệ hệ thống điện khỏi những ảnh hưởng của sự cố bằng sự khởi đầu vận hành cắt mạch để loại đi những thiết bị hư hỏng. Việc thiết kế hệ thống bảo vệ rơle phải đảm bảo vận hành chọn lọc, để không cắt nhầm thiết bị khác làm tăng thêm mức độ trầm trọng của sự nhiễu loạn và nó phải đảm bảo thiết bị hư hỏng được cắt ra nhanh chóng (kịp thời) để giảm đi ảnh hưởng của sự cố. Hơn nữa, hệ thống rơle phải không giới hạn khả năng thiết kế của sự phát điện và thiết bị truyền tải.

Một loại rơle quan trọng được sử dụng đối với việc bảo vệ đường dây truyền tải cao áp là rơle khoảng cách. Rơle này đáp ứng với tỉ số điện áp và dòng điện đo được mà có thể xem như một tổng trở. Một cách thuận tiện chỉ ra đặc tính vận hành của rơle khoảng cách là biểu đồ RX trên một vòng tròn được vẽ với bán kính bằng tổng trở đặt như hình 8.10. Khi giá trị của tổng trở nhận thấy bởi rơle rơi vào trong đường tròn thì rơle sẽ tác động. Để dự phòng việc bảo vệ chọn lọc, rơle khoảng cách phải có 3 bộ phận. Đặc tính tác động của mỗi bộ phận có thể được điều chỉnh độc lập. Hơn nữa, chức năng chọn lọc của rơle khoảng cách đòi hỏi khả năng phân biệt hướng. Điều này được cung cấp bởi hoặc bộ phận định hướng như trong rơle khoảng cách loại tổng trở hoặc là có sẵn trong đặc tính vận hành của rơle, như trong rơle khoảng cách loại mho. Đặc tính vận hành của hai loại rơle này được trình bày trong hình 8.11. Các vòng tròn tương ứng với 3 bộ phận được đánh dấu vùng 1, vùng 2 và vùng 3.

Khi sự cố xảy ra và giá trị của tổng trở đo được bởi rơle rơi vào vùng 1 và trên đường đặc tính của bộ phận định hướng của loại tổng trở thì tiếp điểm của vùng 1 sẽ đóng và cắt ngắn mạch tức thời. Trong trường hợp này tất cả 3 bộ phận sẽ khởi động bởi vì vùng 1 là vòng tròn nhỏ nhất. Khi trở kháng giảm xuống và rơi vào vùng 2 và 3 hay vùng 3 thì tiếp điểm của các bộ phận tương ứng sẽ đóng và cung cấp năng lượng cho rơle thời gian. Tại một thời điểm đặt theo tính toán thì rơle thời gian sẽ đóng bộ thứ hai của tiếp điểm tương ứng với vùng 2. Nếu bộ tiếp điểm đầu tiên tương ứng với vùng 2 được đóng thì máy cắt sẽ được cắt. Nếu tiếp điểm vùng 2 không được đóng, thì tổng trở đo được bởi rơle không rơi vào vùng 2, khi đó rơle thời gian sau thời gian chỉnh định sẽ đóng bộ tiếp điểm thứ 2 tương ứng với vùng 3. Nếu bộ tiếp điểm đầu tiên tương ứng với vùng 3 được đóng thì khi đó máy cắt sẽ được cắt. Thời gian trễ đối với vùng 2 và 3 có thể được đặt độc lập. Vùng 1 và 2 cung cấp bảo vệ đoạn đầu tiên đối với phần đường dây truyền tải, ngược lại vùng 2 và 3 cung cấp sự bảo vệ đoạn sau, trong trường hợp hư hỏng những rơle hoặc là ngắn mạch của những thiết bị liên hợp, lúc này vẫn vận hành hợp lý.

Trong suốt sự nhiễu loạn của hệ thống và sau khi tác động của bộ ngắt vận hành để đi cắt thiết bị sự cố, sự dao động công suất sẽ xảy ra trong hệ thống truyền tải cho đến khi trạng thái vận hành bền vững mới được xác lập. Sự dao động này không làm cho rơle tương ứng với các phần tử không hư hỏng tác động. Sự hoạt động của hệ thống rơle có thể được kiểm tra đối với sự nhiễu loạn khác nhau của hệ thống điện bằng cách tính toán trở kháng, biểu kiến từng bước trong suốt sự tính toán quá trình quá độ, đó là tổng trở thấy được của rơle. Tổng trở biểu kiến đo được tại mỗi gia số thời gian có thể được so sánh với đặc tính khởi động của rơle. Cách thuận tiện của việc so sánh này là lập biểu đồ các giá trị của tổng trở trên biểu đồ RX của rơle như trên hình 8.12.

Tổng trở biểu kiến được tính từ những kết quả cuối cùng có được từ cách giải của mạng điện tại thời điểm t + Δt. Đầu tiên dòng điện trong đường dây truyền tải theo lý thuyết p-q được tính từ.

I_pq = (E_p - E_q).y_pq

Khi đó tổng trở biểu kiến đối với nút p là:

Giá trị R_p và X_p là toạ độ (ở đơn vị tương đối) trên đồ thị RX của tổng trở biểu kiến tại thời điểm t + Δt.

Thông tin thông thường liên quan đến đặc tính vận hành của rơle bao gồm đường kính của những đường tròn đối với mỗi vùng, góc ϕ liên quan tới trục R và đường dọc qua tâm của đường tròn, các vòng tròn và vị trí của tâm vòng tròn dọc theo đường dây.Thông tin này được sử dụng để xác định tọa độ trong đơn vị tương đối của tâm mỗi vòng tròn. Những tâm này được xác định từ:

Với D là đường kính của đường tròn trong đơn vị ohms. Khoảng cách d giữa tâm C của đường tròn và điểm tổng trở Z_p là:

Mà ΔR = R_p - R_c và Δx = x_p - x_c

Như trên hình 8.13 giá trị của d được so sánh với bán kính r trong đơn vị tương đối của đường tròn.

Trình tự của các bước đối với việc mô phỏng sự hoạt động của loại rơle khoảng cách mho trong việc nghiên cứu ổn định của quá trình quá độ được trình bày trong hình 8.14. Đối với đường dây cụ thể một tổng trở biểu kiến tính tại t + Δt. được so sánh với đặc tính vận hành của một trong ba vùng. Điều này được tính hoàn thành bằng cách tính các khoảng cách d₁₁, d₂₁ và d₃₁ từ điểm tổng trở biểu kiến đến các tâm của vòng tròn trong vùng 1, 2 và 3 một cách lần lượt. Mỗi khoảng cách được so sánh với bán kính đường tròn thích hợp, đó là d₁₁ được so sánh với bán kính r₁₁ và d₂₁ được so sánh với r₂₁ và d₃₁ được so sánh với r₃₁. Nếu trở kháng biểu kiến trong vùng 1 thì sự hoạt động của bộ ngắt được tiến hành tức thì. Nếu tổng trở biểu kiến rơi vào vùng 2 và 3 hoặc vùng 3 thì những tiếp điểm tương ứng C₂₁ và C₃₁ hoặc C₃₁ được đóng và rơle thời gian T₁ bắt đầu hoạt động. Khi thời gian được gia tăng bởi Δt thì trong tính toán quá trình quá độ rơle thời gian T₁ phải được tăng lên Δt, khi rơle thời gian tiến đến thời gian đặt T₂₁ hoặc T₃₁ đối với vùng 2 hoặc 3 một cách lần lượt và tiếp điểm tương ứng C₂₁ hoặc C₃₁ được đóng sự hoạt động của bộ cắt được tiến hành.

Khi sự hoạt động đó được tiến hành thời gian của bộ cắt được xác định bằng cách cộng vào t + Δt của rơle có sẵn và thời gian mạch cắt T_il, đó là thời gian yêu cầu đối với rơle và máy cắt để cắt đường dây. Những rơle tốc độ cao và mạch cắt hoạt động xấp xỉ 0,04 (s). Sự hoạt động của bộ cắt bị ảnh hưởng trong từng bước tính toán quá trình quá độ tại thời gian đã ghi trong lịch trình.

Trong giải tích mạng, muốn nghiên cứu một mạng điện đầu tiên ta sử dụng những kiến thức về đại số ma trận để thành lập nên những ma trận mạng, từ đây có thể đưa ra mô hình hóa các phần tử trong hệ thống điện bằng các ma trận như ma trận tổng trở z, ma trận nhánh cây...Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cùng với công nghệ máy tính ta có thể xây dựng nên các ma trận mạng trên máy tính như ma trận A, C, Y_nút, Z_nút, đặc biệt ma trận Z_nút bằng phương pháp mở rộng dần sơ đồ. Từ đây có thể tính được công suất phân bố trong mạng điện như NEWTON - RAPHSON phương pháp có độ hội tụ cao, để thấy được giới hạn truyền tải của đường dây và độ lệch điện áp tại các nút. Với ma trận Z_nút, Z_vòng xây dựng được vận dụng tính các dạng ngắn mạch 1 pha, 3 pha cũng như các điểm ngắn mạch của mạng điện. Các phương trình vi phân của máy phát trong quá trình quá độ khi mạng có sự cố được giải bằng phương pháp số như phương pháp Euler, Runge-Kutta. Để xét tính ổn định động cho các máy phát khi có sự cố trong mạng ta dùng phương pháp biến đổi Euler với các bước tính ước lượng đưa ra được đường đặc tính của các máy phát tại các nút trong hệ thống điện.

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2003

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

1. ĐẶNG NGỌC DINH, TRẦN BÁCH, NGÔ HỒNG QUANG, TRỊNH HÙNG THÁM, “Hệ thống điện” Tập 1, 2, NXB, Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội, 1981.
2. LÊ KIM HÙNG, ĐOÀN NGỌC MINH TÚ, “Ngắn mạch trong hệ thống điện”, NXB Giáo dục, 1999.
3. TRẦN BÁCH, “Ổn định của hệ thống điện”, ĐHBK Hà Nội, 2001.
4. GLENNN.W.STAGG

AHMED.H.EL-ABIAD

Computer methods in power system analysis, Mc Graw-Hill, 1988