PHƯƠNG PHÁP MÁY PHÁT ĐẲNG TRỊ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN SINGLE MACHINE EQUIVALENT METHOD FOR ASSESSING THE TRANSIENT STABILITY OF POWER SYSTEMS HẠ ĐÌNH TRÚC Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động hệ thống điện (HTĐ) Phương pháp kết hợp ưu điểm hai phương pháp tính toán trực tiếp mô theo thời gian đề xuất vào năm gần Kết áp dụng tính toán cho hệ thống điện gồm máy phát trạm biến áp, xét trường hợp cố khác cho thấy phương pháp cung cấp thông tin hữu ích cần thiết việc phân tích, đánh giá ổn định động hệ thống điện cho người thiết kế vận hành hệ thống ABSTRACT This paper presents an investigation into the single machine equivalent (SIME) regarded as a viable method for both offline and online transient stability assessment This method takes the advantage of both time simulation and direct methods, which have been proposed recently The approach is illustrated on a three-machine test system with nine transformer stations The results from different contingencies show that the SIME provides system operators and analyzers with useful and important information concerning the analysis and assessment of the transient stability of power systems Đặt vấn đề Đánh giá ổn định động hệ thống điện nhiệm vụ quan trọng trình thiết kế vận hành HTĐ Năm 1920, ổn định động HTĐ lần ý đến nhiệm vụ quan trọng việc thiết kế vận hành HTĐ nhỏ nối kết với thành hệ thống lớn [1] Qua 50 năm, với nhiều công trình nghiên cứu nhiều tác giả khác giới với phát triển công nghệ bán dẫn công nghệ thông tin, lý thuyết công cụ phân tích đánh giá ổn định động HTĐ hình thành Tuy vậy, từ năm 1990 yêu cầu điện tăng vượt bậc, nhiều HTĐ lớn liên kết HTĐ vùng quốc gia nhiều quốc gia HTĐ 500 KV Việt Nam, HTĐ Bắc Mỹ hình thành Việc đánh giá ổn định động cho HTĐ phức tạp vấn đề nan giải, đặc biệt xét hệ thống vận hành thời gian thực Các phương pháp đánh giá ổn định động đề xuất trước phương pháp mô theo thời gian hay phương pháp hàm lượng xuất nhược điểm định Thực tế cho thấy việc áp dụng kết tính toán, phân tích đánh giá ổn định động HTĐ phương pháp vào vận hành HTĐ lớn dẫn đến điện khu vực rộng lớn, ví dụ điện vùng đông bắc nước Mỹ vào năm 1965 [1] hầu hết khu vực Bắc Mỹ vào ngày 14 tháng năm 2003 [2] Phương pháp mô theo thời gian cho kết xác nhiên thời gian tính toán lâu nên áp dụng đánh giá ổn định theo thời gian thực Trong phương pháp hàm lượng cho kết tính toán nhanh độ xác không cao vấn đề liên quan đến mô hình hóa HTĐ [1] [3] [4] Để tận dụng ưu điểm phương pháp mô theo thời gian phương pháp tính trực tiếp, nhà nghiên cứu nghĩ đến việc hình thành nên phương pháp hổn hợp (hybrid method) để đánh giá ổn định động HTĐ Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] xem phương pháp kết hợp có khả ứng dụng vào thực tế để đánh giá nhanh độ ổn định động HTĐ trình thiết kế vận hành Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] 2.1 Tinh thần phương pháp SIME phát triển từ phương pháp tính trực tiếp, phương pháp tiêu chuẩn diện tích mở rộng (Extended Equal – Area Criterion (EEAC)) [6] phương pháp mô theo thời gian Một cách tổng quát, phương pháp xác định khả đồng máy phát HTĐ nhờ vào việc quan sát trình chia tách máy phát HTĐ thành hai nhóm riêng biệt có tác nhân kích thích cố ngắn mạch Hai nhóm máy phát sau thay hai máy phát đẳng trị cuối thay máy phát đẳng trị nối vào HTĐ có công suất vô lớn Điểm khác biệt giửa SIME EEAC phương pháp SIME tính toán đường đặc tính công suất máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô lớn dựa số liệu lấy từ chương trình mô theo thời gian giải hệ phương trình vi phân từ (1-1) đến (1-4)- mô hình hóa toán học thiết bị HTĐ máy phát, động cơ, mạng điện d k   k   sk   k dt (1-1) d  k  ( Pmk  Pek  D k  k ) dt Mk (1-2) Pek  E ' k Vk sin( k   Vk ) X ' dk  I  Y11 Y12      I  Y21 Y22         I i  Yi1 Yi          I n  Yn1 Yn  Y1i (1-3)  Y1n  V1    Y21  Y2 n  V2         Yii  Yin  Vi         Yni  Ynn  Vn  (1  4) Giá trị góc lệch roto máy phát đẳng trị máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô lớn  C ,  N  (t ) đạt từ việc giải phương trình (1-5) đến (1-13) với giá trị góc lệch roto máy phát HTĐ tính toán từ chương trình mô theo thời gian MC  M kC k MN  M jN j (1-5) M  MCM N MC  M N M C  k (1-6) M k kC N  MC M  C (t )  k k C  N (t )  MC  Pmk (t )  k  C Pm (t )  M    MC    Pek (t )  k  C Pe (t )  M    MC    j (1-7) MN M  k (t )  j jN j  j (t ) jN MN (1-8) P (t )   jN  MN    mj (1-9) P (t )    MN    ej jN (1-10)  (t )   C   N (1-11)  (t )   C (t )   N (t ) (1-12) Pa (t )  Pm (t )  Pe (t ) (1-13) Trong đó: C ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả ổn định N ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả ổn định cao  (t )  (t ) giá trị góc lệch tốc độ roto máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất vô lớn 2.2 Sơ đồ thuật toán Dựa vào phương trình (1-1) đến (1-13), thuật toán tổng quát cho việc đánh giá ổn định động HTĐ phương pháp SIME hình thành sơ đồ hình 1.1 Bắt đầu Dữ liệu HTĐ Tác nhân kích thích (ngắn mạch pha) Phân bố tối ưu công suất Trạng thái vận hành HTĐ Tính toán δk , ωk,  k Đúng  max  Sai  max   k  Máy phát đẳng trị có khả ổn định động cao Máy phát đẳng trị có khả ổn định δCM , ωCM,  CM δNM , ωNM,  NM Hệ thống máy phát đẳng trị δeq , ωeq,  eq Xác định Stt (Aacc) Đúng ti < tcl Sai Pa > Sai Đúng Xác định Sgt (Adec) Đúng Hệ thống không ổn định Xác định  u Stt < Sgt Kết thúc Sai Hệ thống ổn định Xác định  st  eq  180 Sai Đúng Kết thúc Hệ thống hoàn toàn ổn định Hình 1.1 Thuật toán đánh giá ổn định động HTĐ SIME Kết tính toán mô Dựa vào thuật toán hình 1-1, chương trình viết Matlab mô đánh giá ổn định động HTĐ xây dựng Việc ứng dụng chương trình để đánh giá ổn định động HTĐ gồm nhà máy điện trạm biến áp hình 1-2 viện nghiên cứu hệ thống điện Bắc Mỹ (Electric Power Research Institue: EPRI) đề xuất HTĐ chuẩn cho việc thử nghiệm đánh giá ổn định động [5] , thực [7] Kết mô đánh giá ổn định động HTĐ tương ứng với trường hợp ngắn mạch pha trạm biến áp thời gian cắt ngắn mạch tcl = 0,12 giây sau: 1.0259.30 1.0263.7 1.0322.0 18 kV 230 kV 1.0254.7 13.8 kV 100 + j35 (MVA) 230 kV G3 G2 163.0 (6.7) 18 TAP  230 1.0160.7 0.996  4.0 TAP  13.8 85.0 (-10.9) 230 1.013  3.7 90 + j30 (MVA) 125 + j50 (MVA) 230 kV TAP  16.5 kV 1.026  2.2 16.5 230 1.0400.0 G1 Hình 1.2 Hệ thống điện máy phát – trạm biến áp [5] Bảng 1.1 Các thông số HTĐ máy phát thực hệ thống máy phát đẳng trị Pm1 Pm2 Pm3 M1 M2 M3 MC MNC M ηst δm MW MW MW s2/rad s2/rad s2/rad s2/rad s2/rad s2/rad pu deg 71,95 163 85 12,54 3,39 1,59 4,98 12,54 3,565 0,8384 118,37 200 150 100 NCS 50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 1.3 Góc lệch roto máy phát hệ thống thực (tcl = 0,12 sec) 200 150 100 50 20 40 60 80 100 120 140 Hình 1.4 Tiêu chuẩn diện tích cho hệ thống máy phát đẳng trị (tcl = 0,12s) 120 δ(t) 100 80 60 40 20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Hình 1.5 Góc lệch roto máy phát đẳng trị (tcl = 0,12 sec) ω(δ) 20 40 60 80 100 120 -2 -4 -6 Hình 1.6 Giản đồ pha máy phát đẳng trị (tc = 0,12) Các hình vẽ 1-3 đến 1-6 bảng kết 1-1 cho thấy việc đánh giá ổn định động HTĐ gồm nhà máy điện trạm biến áp phương pháp SIME cho kết nhanh phương pháp mô theo thời gian [7] đồng thời mức độ xác đánh giá ổn định động HTĐ SIME phương pháp mô theo thời gian tương đương Các số liệu từ bảng 1-1 đồ thị hình 1-4 cung cấp thông tin quan trọng độ dự trữ ổn định động (  st : Stable margin) hệ thống trường hợp xét Qua đồ thị hình vẽ 1-4, nhà nghiên cứu phân tích HTĐ giải thích phương diện vật lý HTĐ xét ổn định động ngắn mạch trạm biến áp với thời gian cắt ngắn mạch 0,12 giây Kết luận Qua việc nghiên cứu ứng dựng phương pháp máy phát đẳng trị đánh giá ổn định động HTĐ thử nghiệm mang tính tổng quát cao viện nghiên cứu HTĐ Bắc Mỹ (EPRI) đề xuất hình 1-2 cho ta thấy ưu điểm phương pháp:  SIME cho kết đánh giá ổn định HTĐ cao, tin cậy  SIME tiết kiệm thời gian tính toán đánh giá ổn định động HTĐ, điều đặc biệt có ý nghĩa HTĐ lớn, phức tạp Do vậy, phương pháp có khả ứng dụng vào thực tiễn cao để đánh giá ổn định HTĐ trình vận hành  SIME đồng thời cung cấp cho nhà thiết kế, phân tích vận hành HTĐ thông tin quan trọng độ dự trữ ổn định động khả ổn định động HTĐ  Ưu điểm cuối quan trọng SIME phương phương pháp giúp cho nhà nghiên cứu phân tích HTĐ giải thích tượng ổn định động hay ổn định động HTĐ phương diện vật lý, cụ thể mặt chuyển hóa lượng HTĐ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] P Kundur, Power system stability and control, McGraw-Hill, New York, 1994 North American Electric Reliability Council 2004, ‘August 14, 2003 Blackout Investigation’ viewed 12 Nov 2004, < http://www.nerc.com/~filez/blackout.html> L Alberto, F Silva, & N Bretas, ‘Direct method for transient stability analysis in power systems: State of art and future perspectives’, IEEE Porto Power Tech Conference, September 2001, Portugal A Bettiol, Y Zhang, L Wehenkel, M & Pavella, ‘Transient stability investigations on a Brazilian network by SIME’, APSCOM, Proceedings of the 4th International on Advances in Power System Control, Operation and Management, Hong Kong, 1997, pp.1-6 M Pavella, D Ernst, & D Ruiz-vega, Transient stability of power systems: A unified approach to assessment and control, Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 2000 M A Pai, Energy function analysis for power system stability, Kluwer Academic Publishers, Massachusetts, USA, 1989 Hạ Đình Trúc, ‘A hybrid method for the assessment of the transient stability of power systems’, Master thesis, University of South Australia, December 2005  ... Sai  max   k  Máy phát đẳng trị có khả ổn định động cao Máy phát đẳng trị có khả ổn định δCM , ωCM,  CM δNM , ωNM,  NM Hệ thống máy phát đẳng trị δeq , ωeq,  eq Xác định Stt (Aacc) Đúng... tế để đánh giá nhanh độ ổn định động HTĐ trình thiết kế vận hành Phương pháp máy phát đẳng trị (SIME) [5] 2.1 Tinh thần phương pháp SIME phát triển từ phương pháp tính trực tiếp, phương pháp tiêu... (1-13) Trong đó: C ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả ổn định N ký hiệu cho máy phát đẳng trị có khả ổn định cao  (t )  (t ) giá trị góc lệch tốc độ roto máy phát đẳng trị nối vào HTĐ công suất