Sự tương quan giữa ổn định điện áp và phụ tải

SỰ TƯƠNG QUAN GIỮA ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP VÀ PHỤ TẢI Độ ổn định điện áp theo tiêu chuẩn Kundur (năm1994) được phát biểu như sau: “Độ ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện có thể duy trì độ ổn định về giá trị điện áp trong khoảng chấp nhận được tại các nút trong hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường, cũng như sau khi có nhiễu loạn”. Đây là đặc điểm của hệ thống điện để duy trì sự cân bằng dưới các điều kiện vận hành bình thường và phản ứng phục hồi lại trạng thái của hệ thống dưới điều kiện chấp nhận được sau khi có nhiễu loạn, tức là điện áp sau khi có sự cố sẽ phục hồi lại giá trị ban đầu trước khi có sự cố. Nếu điện áp của hệ thống không thể kiểm soát được và tiếp tục giảm do sai sót, do các yếu tố bên ngoài tác động hoặc do sự thay đổi của phụ tải, hệ thống sẽ rơi vào trạng thái mất ổn định điện áp. Theo CIGRE :“ Trạng thái mất ổn định điện áp là vấn đề không còn ổn định điện áp , kết quả là xuất hiện quá trình sụp đổ điện áp (hoặc tăng điện áp)”. Lý do chính dẫn hệ thống đến trạng thái mất ổn định là vì công suất của hệ thống không đáp ứng đủ đối phụ tải dạng cảm kháng. Ổn định điện áp vốn được xem như là ổn định phụ tải, đặc tính của phụ tải và tính động học của phụ tải cho thấy có mối quan hệ giữa điện áp và đặc tính phụ tải, và do đó chúng cũng sẽ liên quan đến sự ổn định của điện áp. Khi điện áp thay đổi, hiện tượng sa thải điện áp diễn ra, nhưng sau vài giây, quá trình phục hồi phụ tải bắt đầu. Quá trình phục hồi phụ tải có thể làm cho các điều kiện tải trở nên nặng nề hơn và làm mất ổn định điện áp, thậm chí có thể là sụp đổ điện áp nếu không can thiệp kịp thời. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẶC TÍNH TẢI ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP Trong quá trình vận hành, giá trị điện áp luôn thay đổi trong một giới hạn cho phép, sự thay đổi này chủ yếu do tác động của phụ tải lên hệ thống. Điều này khác với sự thay đổi đột ngột điện áp do có sự cố xảy ra trên hệ thống điện. Sự thay đổi điện áp do phụ tải thường có biên độ nhỏ, và phải được điều chỉnh kịp thời. Còn thay đổi điện áp khi có sự cố trên hệ thống diễn ra nhanh hơn với biên độ rộng, thời gian quá độ nhỏ. Thông thường, khi xảy ra sự cố thì ít khi dùng mô hình phụ tải động để tính toán sự cố vì khi đó giá trị của phụ tải được bỏ qua và không cần thiết khi tính toán dòng điện ngắn mạch trên thiết bị, đường dây ... Trong mục này, ta sẽ chứng minh rằng dưới các điều kiện giống nhau trong hệ thống điện thì phụ tải sẽ tác động đến vị trí vận hành trên đường cong P-V, làm hệ thống ở gần hơn hoặc xa hơn điểm sụp đổ điện áp. Để phân tích ảnh hưởng của phụ tải đến ổn định điện áp, ta cần xem xét đặc tính ổn định và quá độ của phụ tải. Ta có phương trình: (1.1) phương trình dạng hàm mũ này biểu diễn độ nhạy điện áp theo tham số a. Để biểu diễn đặc tính động của phụ tải, ta dùng mô hình phụ tải động phi tuyến của Karlsson-Hill. Phương trình có dạng: (1.2) (1.3) Hai phương trình này biểu diễn mô hình dựa trên 3 tham số: Hệ số ổn định phụ thuộc điện áp as Hệ số quá độ phụ thuộc điện áp at Thời gian phục hồi của phụ tải Tp Hình 1.1: Đáp ứng của phụ tải khi có chuyển nấc điện áp Hình 1.1 biểu diễn đáp ứng của phụ tải khi có dao động xảy ra trên hệ thống. Khi xuất hiện điều chỉnh điện áp, đáp ứng của phụ tải có thể chia làm hai phần: phần quá độ Pt(V) xuất hiện sau khi có dao động và phần ổn định Ps(V) sau khi phụ tải được phục hồi. Dựa vào phương trình (1.1), ta biểu diễn hai đặc tính quá độ và ổn định được xác định bằng hai phương trình sau: (1.4) (1.5) Ta xét một hệ thống điện truyền tải đơn giản ba thanh cái được cho như hình 1.2 dưới đây: Hình 1.2: Hệ thống truyền tải đơn giản ba thanh cái Khi xảy ra dao động trên hệ thống thì rơle bảo vệ sẽ tác động cô lập một trong hai đường dây. Hình 1.3 mô tả hệ thống điện sau khi các rơle tác động, cô lập một trong hai đường dây. Hình 1.3: Cắt một đường dây của hệ thống ba thanh cái khi có sự cố Hình 1.4: Đặc tính của phụ tải khi tham số a nhận các giá trị khác nhau Đồ thị hình 1.4 biểu diễn mối quan hệ giữa P-V trước khi có dao động (đường 1) và sau khi có dao động công suất trên hệ thống (đường 2). Việc cắt một trong hai đường dây song song sẽ làm giảm công suất truyền tải trên hệ thống, tổng công suất truyền tải sẽ cao hơn và điện áp tại các điểm nút giảm xuống. Đặc tính ổn định của phụ tải ứng với các giá trị khác nhau của a và được thể hiện trên hình vẽ. Hai phương trình (1.4) và (1.5) đều có chung một công thức là: Ở đây ta thấy quan hệ giữa điện áp và công suất phụ thuộc vào hệ số mũ a. Nếu điện áp không không ảnh hưởng đến công suất của phụ tải thì phụ tải có công suất là hằng số và a có giá trị là 0. Nếu a nhận các giá trị khác 0 thì phụ tải sẽ chịu tác động của điện áp. Trên hình 1.4, nếu a có giá trị càng lớn thì điểm vận hành càng xa điểm sụp đổ điện áp của đường đặc tính P-V mới. Đối với đặc tính động, hệ số mũ a tương ứng với thời gian dài, nếu a > 0 thì công suất phụ tải được hồi phục một phần so với lúc trước khi xảy ra dao động. nếu a nhận giá trị âm thì công suất phụ tải được phục hồi theo thời gian dài do tác động của thay đổi nấc điện áp. Có nghĩa là khi bộ đổi nấc thay đổi thì điện áp ở phía sau bộ đổi nấc của máy biến áp sẽ nằm trong giá trị cho phép. Khi phụ tải phụ thuộc vào độ nhạy điện áp thì giá trị của công suất phụ tải sẽ tăng khi điện áp tăng. Ở đây, nếu tham số có giá trị càng âm thì độ vọt lố công suất càng lớn, tức hệ thống sẽ tiến gần đến giới hạn ổn định điện áp. Ở hình 1.4 cho thấy hệ thống mất ổn định khi a = -0,5. Qua đó cho thấy đặc tính của phụ tải đã tác động ra sao đối với độ ổn định điện áp và tạo ra các vị trí vận hành mới trên đường cong P-V, điểm vận hành này có thể xa hoặc gần hơn điểm sụp đổ điện áp của đường cong P-V sau khi mất một đường dây song song. Điều này rất quan trọng trong việc vận hành và dự báo phụ tải trong tương lai. Theo phương pháp truyền thống, công suất của phụ tải đối với vấn đề ổn định điện áp thường được sử dụng bằng mô hình phụ tải tĩnh, và trong nhiều trường hợp thường dùng mô hình phụ tải có công suất không đổi do sử dụng bộ điều áp để thực hiện điều chỉnh điện áp. Nhưng thực tế cho thấy sự phụ thuộc của phụ tải với điện áp là một vấn đề rất quan trọng trong nghiên cứu ổn định điện áp. Hình 1.5 dưới đây trình bày độ nhạy điện áp đối với phụ tải có tác dụng tích cực đối với ổn định hệ thống bằng cách đưa ra một số biện pháp như đóng các máy phát công suất nhỏ, đóng các tụ bù tại chỗ ... . Hình 1.5 tương ứng với trường hợp sau khi cắt một đường dây song song như đã được miêu tả trong hình 1.3 Hình 1.5: Ảnh hưởng của đặc tính phụ tải đối với đường cong P-V trong trường hợp phụ thuộc điện áp a = 0,6 và trường hợp không phụ thuộc vào điện áp a =0 Bằng cách sử dụng công suất hằng số trong tính toán phân bố công suất, giá trị điện áp sẽ thay đổi từ điểm A đến điểm B. Tuy nhiên, phần lớn các phụ tải đều phụ thuộc vào giá trị điện áp, ví dụ như trường hợp a = 0,6 trong hình 1.5. Với giá trị này thì kết quả giá trị điện áp sẽ tương đương với điểm D. Sự khác nhau giữa điểm B và điểm D rất quan trọng. Vị trí điểm D tương ứng với trường hợp tổng công suất phụ tải sẽ nhỏ hơn và giá trị điện áp sẽ cao hơn so với trường hợp giải bằng phương pháp phân bố công suất. Trong trường hợp này, nếu ta coi công suất là hằng số thì sự tác động là khá rõ ràng và công suất truyền tải theo lý thuyết sẽ giảm xuống mặc dù tăng các giới hạn biên an toàn, cuối cùng làm cho hệ thống không tận dụng được hết khả năng sử dụng công suất. Phụ tải nhiệt độ Phụ tải nhiệt độ là phụ tải đặc biệt do có đặc tính nhiệt nên luôn được đưa vào tính toán. Tính động học của loại phụ tải này được chia làm hai thành phần: thành phần quá độ và thành phần dài hạn. Sự thay đổi đặc tính và thời gian phục hồi từ trạng thái quá độ sang trạng thái ổn định rất quan trọng đối với ổn định điện áp. Nếu hiểu rõ được vấn đề và hiện tượng này thì có thể đưa ra được các quyết định nhanh chóng và chính xác như sa thải phụ tải, đóng cắt các tụ bù, cho phát máy phát điện dự phòng nhằm đưa hệ thống trở lại trạng thái ổn định. Hình 1.6 biểu diễn sự thay đổi của phụ tải khi xảy ra chuyển nấc điện áp tại các khu vực có phụ tải nhiệt tập trung : mô hình phụ tải động có thành phần phục hồi về dòng điện hằng số và mô hình phụ tải tĩnh với đặc tính dòng điện hằng số. Khi sử dụng mô hình tĩnh thường giả sử rằng phụ tải có dòng điện là hằng số. Nhưng thực tế là khi điện áp giảm xuống sẽ làm công suất của phụ tải giảm. Sự suy giảm này sẽ làm cho đặc tính nhiệt độ với thời gian lâu hơn, điều này sẽ làm tăng tổng công suất chung và sẽ dẫn đến giá trị giới hạn trên đường cong P-V. Do đó, điểm vận hành sẽ nguy hiểm hơn so với trường hợp dự báo bằng mô hình tĩnh do nhu cầu phu tải tăng lên, điều này sẽ làm cho hệ thống ở trong tình trạng nguy hiểm. Tuy nhiên, trong thời gian phục hồi Tp, có quá trình sa thải phụ tải và một số các tác động nhanh sẽ duy trì được sự ổn định của hệ thống. Hình 1.6: Đáp ứng của phụ tải khi điện áp thay đổi. Trường hợp A : phụ tải động. Trường hợp B : phụ tải tĩnh Hình 1.5 mô tả trường hợp phụ tải chủ yếu là thành phần có đặc tính nhiệt. Hệ thống vận hành tại điểm A, là giao của đường đặc tính tải và đường cong P-V trước khi có dao động, giả sử có điện áp là 0,92pu và công suất truyền tải điện là 5,3pu. Sau khi xảy ra dao động, hệ thống vận hành ở điểm B có điện áp là 0,85pu và công suất truyền tải là 4,2pu. Do đó, tại điểm vận hành này thì điện áp đã suy giảm, đồng thời công suất tải cũng giảm theo do độ nhạy điện áp theo phụ tải đã tác động đến sa thải phu tải. Tuy nhiên, khi đó đặc tính nhiệt độ của phụ tải nhiệt sẽ làm tăng giá trị phụ tải lên. Đặc tính của phụ tải sẽ chuyển qua trạng thái có dạng công suất hằng số (a tiến về 0). Phần giao của các đường cong mới với đường P-V sau khi sự cố sẽ làm cho hệ thống vận hành tại điểm có giá trị điện áp thấp (điểm C) và có thể xảy ra sụp đổ điện áp. Trong quá trình xảy ra sự thay đổi như vậy, ta có thể can thiệp bằng một số biện pháp vào như sa thải phụ tải, bù công suất kháng tại chỗ của phụ tải, khởi động các máy phát dự phòng ... để đưa điểm vận hành về trạng thái ổn định thuộc phần trên của đường cong P-V mới (điểm D). Nhận xét Như vậy, trong các điều kiện vận hành như nhau thì phụ tải sẽ tác động đến điểm vận hành trên các đường cong P-V làm cho hệ thống có thể vận hành gần hơn hoặc xa hơn điểm sụp đổ điện áp. Do đặc điểm của phụ tải rất quan trọng đối với vấn đề ổn định hệ thống nên cần phải có các mô hình chính xác. Vì các mô hình phụ tải truyền thống không có khả năng để thể hiện được tính động học của phụ tải nên đã được thay thế bằng các mô hình phụ tải động. Hơn nữa, có một số loại phụ tải dạng nhiệt có tác động rất lớn đến vấn đề ổn định do tính chất ổn định nhiệt độ. Sau khi xảy ra dao dộng trên hệ thống, do ảnh hưởng của tính chất ổn định nhiệt sẽ làm cho tổng công suất tải sẽõ tăng lên, trở về giá trị ban đầu trước khi xảy ra sự cốtại giá trị điện áp thấp hơn. Điều này sẽ làm cho hệ thống vận hành trong điều kiện nguy hiểm. Tuy nhiên, ta có thể tránh tình trạng vận hành nguy hiểm này bằng cách thực hiện một số tác động kịp thời như sa thải phụ tải, bù công suất, khởi động máy phát dự phòng để đưa hệ thống về điểm vận hành ổn định. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHỤ TẢI ĐỘNG Một vài đề tài nghiên cứu trên thế giới như IEEEStability 1990 và Taylor 1994 đã chỉ ra rằng phụ tải có tác động rất lớn đến sự ổn định của điện áp. Vì vậy mà trong vài năm gần đây, việc xây dựng mô hình phụ tải rất được quan tâm. Vấn đề là cần phải tìm được các mô hình phụ tải chính xác hơn so với các mô hình truyền thống đã được sử dụng trước đây. Hiện tượng sụp đổ điện áp trong hầu hết các trường hợp đều nằm trong khoảng thời gian vài phút, mà với các mô hình phụ tải trước đây đều là mô hình máy điện không đồng bộ có thời gian đáp ứng khoảng vài giây khi xảy ra sự cố trên hê thống. Một số các mô hình phụ tải tĩnh khác dạng phi tuyến đã được sử dụng để phân tích quá trình xảy ra trên hệ thống điện trong thời gian dài, kết quả là phụ tải có dạng một hàm của điện áp. Còn mô hình phụ tải động có thể sử dụng để phân tích hệ thống trong khoảng thời gian quá độ và thời gian sau quá độ nên mô hình này là mục đích nghiên cứu trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, vấn đề không chỉ nghiên cứu các ảnh hưởng của động cơ không đồng bộ mà còn phải nghiên cứu ảnh hưởng của bộ đổi nấc máy biến áp, sự thay đổi tức thời của phụ tải cũng như các thiết bị khác ảnh hưởng đến ổn định của hệ thống điện ra sao. Mặc dù ảnh hưởng của phụ tải trong hệ thống điện đã được nghiên cứu trong vài năm qua nhưng vấn đề này vẫn được coi là một vấn đề khó và chưa được nghiên cứu một các đầy đủ. Lý do là có quá nhiều loại phụ tải khác nhau, trạng thái của phụ tải lại thay đổi liên tục theo thời gian, thay đổi theo thời tiết và cũng vì thiếu các thông tin chính xác trạng thái của phụ tải. Có nhiều phương pháp hiện nay có thể sử dụng cho các mục đích dự báo phụ tải, đồng thời các phương pháp mới cũng đang được nghiên cứu để xác định các đặc tính của phụ tải từ các dữ liệu thu thập được. Hiện nay, có nhiều mô hình có thể được áp dụng để tính toán. Trong Matlab, mô hình phụ tải được dùng là mô hình phụ tải dạng lũy thừa. Mô hình này mô tả công suất phụ thuộc vào giá trị điện áp và được biểu diễn dưới dạng mũ lũy thừa, được xác định theo các phương trình sau: (1.6) (1.7) Các hệ số np và nq là các tham số của mô hình và các giá trị công suất thực, công suất phản kháng, P0 và Q0 là các giá trị ban đầu. Theo tài liệu của Taylor và Le Dous 1999 thì các giá trị tham số của mô hình thay đổi khác nhau đối với từng loại phụ tải và được liệt kê chi tiết theo bảng sau: STT Dạng phụ tải Tham số np Tham số nq 1 Máy điều hòa không khí 0,50 2,50 2 Điện trở sưởi 2,00 0,00 3 Đèn huỳnh quang 1,00 3,00 4 Quạt, máy bơm và các loại động cơ khác 0,08 1,60 5 Động cơ công suất lớn sử dụng trong sản xuất công nghiệp 0,05 0,50 6 Động cơ công suất trung bình sử dụng trong sản xuất công nghiệp 0,10 0,60 Trong trường hợp đặc biệt, khi các giá trị np hoặc nq có giá trị là 0,1 hoặc 2 thì mô hình phụ tải sẽ tương ứng với phụ tải có công suất không đổi, phụ tải có dòng điện không đổi hoặc phụ tải có tổng trở không đổi. Mô hình phụ tải động Khi các mô hình phụ tải tĩnh không đáp ứng được yêu cầu mô tả sự thay đổi của phụ tải thì việc cần thiết phải tìm ra các mô hình có tính khả thi hơn để mô tả được tính động học của phụ tải. Các tham số của các mô hình phụ tải này được xác định bằng cách sử dụng các số liệu đo đạc trong qúa trình vận hành bình thường và đồng thời theo dõi quá trình đáp ứng của phụ tải xảy ra trên hệ thống. Ban đầu cần phải xác định các đặc điểm riêng của từng phụ tải, sau đó sẽ tổng hợp các đặc tính này để trở thành một phụ tải tổng quát hơn nhằm mục đích xác định các tham số trong phương pháp dựa trên các đặc tính của phụ tải. Trong đề tài nghiên cứu phụ tải động phụ thuộc chủ yếu vào các số liệu đo đạc trên thực tế vận hành của hệ thống. Do đó, đề tài tập trung chủ yếu dựa vào các tài liệu nghiên cứu Karlsson and Hill (1994) và xây dựng giải thuật để xác định các tham số của mô hình phụ tải này. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TRONG MÔ HÌNH PHỤ TẢI ĐỘNG Trong đề tài này, ta sẽ sử dụng phương pháp tuyến tính hóa. Như đã nói ở trên, mô hình phụ tải động gồm các phương trình phi tuyến, trong đó công suất thực và công suất phản kháng phụ thuộc phi tuyến với giá trị điện áp. Sự phi tuyến nói chung rất cần thiết để mô tả sự thay đổi công suất khi có thay đổi điện áp với giá trị tương đối lớn, mặc dù thường ít xảy ra. Hơn nữa, các công thức mô phỏng dưới dạng phi tuyến sẽ làm phức tạp các quá trình xác định tham số, do vậy không thể áp dụng được vào phương pháp xác định các tham số vì phương pháp xác định các tham số này chỉ thực hiện đối với hệ thống tuyến tính. Việc tuyến tính hóa hệ thống sẽ đơn giản hóa việc xác định các tham số. Từ phương trình Karlsson Hill : (1.8) (1.9) Giả sử các phương trình (1.8) và (1.9) được tuyến tính hoá gần điện áp vận hành U*. Sự thay đổi xung quanh điện áp này được ký hiệu là D, ta sử dụng công thức Taylor f(x) = f(x0) + f’(x) . Dx và bỏ qua các thành phần hằng số. Ta có: Bỏ qua các thành phần hằng số, ta được: (1.10) (1.11) Đặt : Khi đó, biểu thức (1.10) và (1.11) sẽ có dạng: Giải hai phương trình này ta sẽ tính được hai hệ số as và at . Việc giải hai phương trình này vượt quá về phạm vi cũng như trình độ của đề tài này nên ta sẽ không tiến hành giải mà sẽ dừng ở đây.