Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 1 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Chơng 1
Khái niệm chung về ổn định Hệ thống điện
Đ
1.1 ổn định hệ thống điện
I. Chế độ của Hệ thống điện.
1. Hệ thống điện (HTĐ).
HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ
năng lợng.
Các phần tử của HTĐ đợc chia thành hai nhóm:
- Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử
dụng điện năng nh MF, đờng dây tải điện và các thiết bị dùng điện.
- Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ nh
điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện
Mỗi phần tử của HTĐ đợc đặc trng bởi các thông số, các thông số này đợc xác
định về lợng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự
giản ớc tính toán khác. Ví dụ: Tổng trở, tổng dẫn của đờng dây, hệ số biến áp, hệ số
khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số của các phần tử cũng
đợc gọi là các thông số của HTĐ.
Nhiều thông số của HTĐ là các đại lợng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào
dòng công suất, tần số nh là X, Y, độ từ hoá trong phần lớn các bài toán thực tế có thể
coi là hằng số và nh vậy ta có hệ thống tuyến tính. Nếu tính đến sự biến đổi của các
thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này
chỉ phải xét đến trong một số ít trờng hợp nh khi phải tính đến độ bão hoà của MF,
MBA trong các bài toán ổn định.
2. Chế độ của HTĐ.
Tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ
trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó gọi là chế độ của HTĐ.
Các quá trình nói trên đợc đặc trng bởi các thông số U, I, P, Q, f, tại mọi
điểm của HTĐ. Ta gọi chúng là các thông số chế độ, các thông này khác với các thông

- Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải đợc CCĐ liên tục với chất lợng đảm bảo. Mức
độ liên tục này phải đáp ứng đợc yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ.
- Có hiệu qủa kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lợng điện
năng đợc thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất.
- Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho ngời vận hành, ngời dùng
điện và thiết bị phân phối điện.
b. CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:
Các yêu cầu mục a đợc giảm đi nhng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian
ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ
đồ hệ thống để đa chế độ này để về CĐXL bình thờng.
c. Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:
- Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thờng hay CĐXL sau sự cố.
- Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép nh: giá
trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch
- Các yêu cầu của HTĐ đợc xét đến khi thiết kế và đợc bảo đảm bằng cách
điều chỉnh thờng xuyên trong quá trình vận hành HTĐ.
II. Định nghĩa ổn định HTĐ.
1. Cân bằng công suất.
Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD)
và công suất phản kháng (CSPK). Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất
do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ.
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 3 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
PPPP
ptF
=

+
=
(1.1)

độ U, I, P, Q
Để đảm bảo sự làm việc đúng đắn của phụ tải điện và HTĐ, quy định các giá trị
cân bằng cho CSTD và CSPK nh sau:
- Công suất tác dụng là cân bằng khi tần số của hệ thống bằng tần số đồng bộ f
(50 hay 60 Hz) hoặc là nằm trong giới hạn cho phép:
maxcpmincp
fff
.
- Công suất phản kháng là cân bằng khi điện áp tại các nút của HTĐ nằm
trong giới hạn cho phép:
maxcpmincp
UUU


.
Khi điện áp và tần số lệch khỏi các giá trị cho phép thì xem nh sự cân bằng công
suất không đảm bảo và cần có biện pháp để bảo đảm chúng.
Sự cân bằng CSTD có tính chất toàn hệ thống. Vì ở tất cả các điểm trên hệ thống
tần số luôn có giá trị chung. Việc đảm bảo tần số do đó dễ thực hiện, chỉ cần điều
chỉnh công suất tại một nhà máy nào đó.
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 4 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Trái lại, sự cân bằng CSPK mang tính chất cục bộ thừa chỗ này thiếu chỗ khác.
Việc điều chỉnh CSPK phức tạp không thể thực hiện chung cho toàn bộ hệ thống đợc.
Trong HTĐ, máy phát điện (MF) là phần tử quyết định sự làm việc của toàn hệ
thống, vì vậy sự cân bằng CSTD trên trục roto của các MF đóng vai trò quan trọng quyết
định sự tồn tại của CĐXL. Đây là sự cân bằng Cơ-Điện, nghĩa là sự cân bằng giữa công
suất cơ học của tuabin
TB
P

suất ban đầu làm cho CĐXL tơng ứng bị dao động. CĐXL muốn duy trì đợc thì phải
chịu đợc các kích động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải đợc giữ
vững trớc các kích động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng công suất phải đợc khôi
phục sau các kích động nhỏ, trong trờng hợp đó ta nói rằng hệ thống có ổn định tĩnh.
Ta có, định nghĩa ổn định tĩnh:
ổn định tĩnh là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần
chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ.
Nh vậy ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một CĐXL tồn tại trong thực tế.
b. ổn định động.
Các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhng có biên độ khá
lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ
tải điện và các sự cố ngắn mạch Các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công
suất Cơ-Điện bị phá vỡ đột ngột, CĐXL tơng ứng bị dao động rất mạnh. Khả năng
của HTĐ chịu đợc các kích động này mà CĐXL không bị phá hoại gọi là khả năng ổn
định động của HTĐ.
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 5 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Ta có định nghĩa ổn định động:
ổn định động là khả năng của HTĐ khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc
là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn.
Nh vậy ổn định động là điều kiện để cho chế độ của HTĐ tồn tại lâu dài.
c. ổn định tổng quát.
Khi một chế độ nào đó của HTĐ chịu các kích động nhỏ hoặc lớn, nếu HTĐ có
ổn định tĩnh hoặc động thì sự cân bằng CSTD ban đầu sẽ đợc khôi phục lại, chế độ
làm việc đợc giữ vững. Trong quá trình dao động này tần số bị lệch khỏi giá trị định
mức song độ lệch này quá nhỏ cho nên tần số đợc xem nh không thay đổi. Vì vậy
đặc trng quá trình dao động rotor của MF khi cha mất ổn định là tốc độ góc của
chúng vẫn giữ giá trị đồng bộ
0


- Hệ thống bị tan rã hoàn toàn, các MF bị cắt khỏi lới và ngừng làm việc.
- Chế độ đồng bộ lại đợc khôi phục, khi đó hệ thống có khả năng ổn định tổng quát.
Ta có, định nghĩa ổn định tổng quát:
ổn định tổng quát là khả năng của HTĐ lập lại chế độ đồng bộ sau khi đã rơi
vào chế độ không đồng bộ do mất ổn định tĩnh hoặc mất ổn định động.
d. ổn định điện áp.
ở các nút phụ tải, các kích động nhỏ làm cho điện áp biến đổi. Sự biến đổi điện
áp này có thể làm cho cân bằng CSTD và CSPK bị phá hoại dẫn đến mất ổn định phụ
tải, các động cơ không đồng bộ ngừng làm việc. Khả năng của HTĐ chịu đợc các
kích động này mà chế độ làm việc không bị phá hoại gọi là ổn định phụ tải hay là ổn
định điện áp.
Ta có, định nghĩa ổn định điện áp (ổn định phụ tải):
ổn định phụ tải là khả năng của HTĐ khôi phục lại điện áp ban đầu hay rất gần
ban đầu khi bị các kích động nhỏ ở nút phụ tải.
3. Các dạng mất ổn định.
Có 2 dạng mất ổn định:
- Mất ổn định tiệm cận.
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 6 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
- Mất ổn định dao động, gồm 2 loại:
+ Tự dao động tăng dần.
+ Tự kích thích.
a. Mất ổn định tiệm cận.
Khi công suất phát của nhà máy điện lên hệ thống qua đờng dây dài vợt quá
giới hạn ổn định tĩnh thể hiện bằng
gh
P hay góc
gh

(góc giữa vector sức điện động của

điện áp máy phát tăng lên. Để tránh hiện tợng này khi thiết kế đờng dây dài phải chú
ý khi chọn và hiệu chỉnh thông số của đờng dây.
Nói chung thì sau khi thiết kế và chỉnh định đúng hệ thống với đờng dây dài, thì các
hiện tợng tự dao động tăng dần và tự kích có thể xem nh đợc loại trừ. Trong vận hành
chỉ còn phải đối phó với mất ổn định dạng tiệm cận khi mà công suất phát biến đổi mạnh.
II. Mục tiêu khảo sát ổn định.
Nh đã trình bày ở trên, một CĐXL muốn tồn tại đợc trong thực tế tức là có thể
thực hiện đợc nó trong vận hành cần phải có 2 điều kiện:
- Có sự cân bằng công suất theo (1.1) và (1.2).
- Chế độ có ổn định, trớc hết là ổn định tĩnh và ổn định phụ tải vì các kích động
nhỏ xảy ra thờng xuyên.
Việc đảm bảo ổn định động và ổn định tổng quát đảm bảo cho các chế độ làm
việc lâu dài.
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 7 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
Trong thiết kế và vận hành HTĐ, các chế độ thoả mãn về yêu cầu chất lợng điện
năng, độ tin cậy, kinh tế, ổn định tĩnh phải đợc đảm bảo vô điều kiện, còn ổn định
động và ổn định tổng quát đợc đảm bảo trong những điều kiện nhất định.
Mục tiêu khảo sát ổn định của hệ thống là:
Xét khả năng ổn định của các chế độ vận hành có thể xảy ra đối với HTĐ đợc
thiết kế, quy hoạch, cũng nh trong vận hành. Nếu khả năng đó không đủ yêu cầu thì
phải thực hiện các biện pháp tăng cờng nó sao cho hệ thống không bị mất ổn định khi
rơi vào chế độ đó.
Khả năng ổn định của chế độ đợc biểu diễn bằng độ dự trữ ổn định, đây là đại
lợng phản ánh sự so sánh giữa chế độ đợc xét ổn định và chế độ giới hạn ổn định, tức
là chế độ nào đó thì trớc hết phải tính đợc chế độ giới hạn của HTĐ. Chế độ giới hạn
đợc đặc trng bởi các thông số giới hạn
,P
gh gh
Q ,


=

(1.7)
Trong đó:
-
0T
P là công suất ban đầu của tuabin.
-
PPP
00T
== là công suất điện của máy phát sau khi xảy ra kích động.
Công suất
P còn đợc gọi là công suất thừa, nó tác động lên roto và gây ra cho
nó một gia tốc:
j
2
2
T
P
dt
d
=

=
(1.8)
Trong đó:
-
j
T

với tốc độ đồng bộ
0

cho nên sẽ xuất hiện tốc
độ quay tơng đối của roto với trục tính toán quay đồng bộ.
dt
d
0

== (1.9)
Lúc này tất nhiên
sẽ khác 0.
Bây giờ thay (1.7) vào (1.8) ta sẽ đợc phơng trình chuyển động tơng đối của
roto của MF:
PPP
dt
d
T
0
2
2
j
==

(1.10)
Việc dẫn xuất chính xác phơng trình này sẽ đợc trình bày ở phần sau.
Trong (1.10) kích động đối với hệ thống đợc thể hiện trong công suất thừa
P

.

thống rơi vào chế độ không đồng bộ.
Nh vậy góc
, đúng hơn là
sự biến thiên của

theo thời gian
biểu hiện trực tiếp của sự ổn định
hay không ổn định của HTĐ.
trục rotor
0
trục tính toán


Hình 1-1: Góc qua
y
tơn
g
đối của roto

0

b
a
o
t
Hình 1-2: Đặc tính
g
óc qua
y
của roto

Trong trờng hợp này các kích động rất lớn cho nên không thể tuyến tính hoá hệ
phơng trình vi phân đợc mà phải để nguyên nó dới dạng phi tuyến và sử dụng các
phơng pháp diện tích và phân đoạn liên tiếp để xét ổn định động.
Tóm lại phơng pháp khảo sát ổn định của HTĐ là:
- Xây dựng đờng đặc tính công suất (1.11)
- Xây dựng hệ phơng trình vi phân chuyển động (1.10) rồi tuỳ theo bài toán ổn
định tĩnh hay động mà sử dụng các phơng pháp riêng để xét.
- Sau khi khảo sát rút ra các chế độ giới hạn, đem các chế độ vận hành so sánh
với nó để kết luận khả năng ổn định, tính toán các biện pháp đảm bảo và tăng cờng
khả năng ổn định, tính toán chỉnh định thông số của các thiết bị điều chỉnh
Đối với ổn định tổng hợp phơng pháp khảo sát sẽ đợc nói đến sau này.
Đ1.2 Hệ đơn vị tơng đối v phơng trình
chuyển động tơng đối của MF
I. Hệ đơn vị tơng đối.
Để thuận lợi cho việc tính toán, tất cả các thông số của hệ thống cũng nh chế độ
đ
ợc quy đổi về hệ đơn vị tơng đối nghĩa là chúng đợc biểu hiện dới dạng tỷ số
giữa giá trị tuyệt đối của chúng với các giá trị chọn làm cơ sở. Nên nhớ rằng trong hệ
đơn vị tơng đối các đại lợng không có thứ nguyên. Trong tính toán HTĐ cần bốn đại
Chơng 1: KNC về ổn định Hệ thống điện http://www.ebook.edu.vn - 10 -
Bộ môn: hệ thống Điện Bài giảng ổn định hệ thống điện
lợng cơ sở: dòng điện I
cs
, công suất S
cs
, điện áp U
cs
và tổng trở Z
cs
, giữa chúng có mối

I
I
U
U
U
S
S
S ==== ,,,
(1.13)
Các đại lợng có chỉ số q là ở trong hệ đơn vị tơng đối, các đại lợng có chỉ số t
là ở trong hệ đơn vị có tên hay là giá trị thực.
Nếu HTĐ có nhiều cấp điện áp thì ngoài việc tính quy đổi về hệ đơn vị tơng đối còn
phải tính chuyển vị các thông số về cùng một cấp điện áp đợc chọn làm cơ sở tính toán:
()








=
=
n21cs
t
qc
n21
cs
t

f2= quay đợc một góc bằng 1 (rad). Từ đó.
0
cs0cs
1
t1.t

==
(1.15)
và
10q
tt =
; khi
314f2,Hz50f
000
=

=

=
thì
tq
t314t =
(rad) (1.16)
Trong hệ đơn vị tơng đối thời gian còn đợc gọi là radian.
- Đối với tốc độ góc: giá trị cơ sở đợc chọn là tốc độ đồng bộ
o
do đó:
314f2
t
0

M
dt
d
j
2
h
2
0
=

(1.18)
Trong đó:
-
dT
MMM = là moment thừa trên trục roto, xuất hiện khi máy phát bị kích
động và sự cân bằng bị phá hoại, [kg.m];
=
T
M
moment tuabin; =
d
M moment điện.
-
h
là góc quay tơng đối hình học [rad] (góc quay thực của roto). Góc này đợc
xác định bởi vị trí tức thời của trục roto với một trục quay với tốc độ đồng bộ gọi là
trục tính toán (hình 1.1). Vì vậy mà phơng trình (1.18) đợc gọi là phơng trình
chuyển động tơng đối.
-
h

j
2 =











Hay là:
2
0
2
h
2
j
M
d
t
d
T =

(1.19)
Trong đó:
-
0

trình với các đại lợng điện: góc điện


và tốc độ điện
0
.
Để làm nh vậy phải sử dụng các
biểu thức sau đây:
0p
0
0
p
h
P
M;
m
;
m

=

=

=
(1.20)
p
m là số đôi cực của roto.
Sự đúng đắn của các quan hệ (1.20) đợc thể hiện trên hình vẽ (1.3)
Thay (1.20) vào (1.19) đợc phơng trình chuyển động tơng đối của roto với các đại
lợng điện trong hệ đơn vị có tên:

[
]

=

rad (1.21a)
[độ].
3602 /
:
==

)/.( 2360P
d
t
d
T
0
2
2
j
[kWs, độ, s, kW, rad/s] (1.21b)
Nếu muốn tính
P trong hệ đơn vị tơng đối thì thay
[
]
PkWP =

[ĐVTĐ].S
cs
,


= [s, độ, s, ĐVTĐ](1.21d)
Các phơng trình (1.21) dùng để tính ổn định động của HTĐ, nếu tính bằng tay
thì dùng công thức (1.21d).
Đ1.3 Tiêu chuẩn tính ổn định của HTĐ
I. Tiêu chuẩn ổn định tĩnh.
Trong chế độ làm việc bình thờng độ dự trữ ổn định tĩnh theo công suất không nhỏ
hơn 20%, theo điện áp không nhỏ hơn 15%. Trong các sự cố ngắn hạn (không lâu hơn 40
phút) cho phép giảm độ dự trữ theo công suất xuống 8%, theo điện áp xuống 10%.
II. Tiêu chuẩn ổn định động.
Có 3 mức đảm bảo ổn định động, chia làm 3 nhóm:
* Nhóm I: Hệ thống không đợc mất ổn định động trong các tình huống sau:
- Nhảy bất kỳ phần tử nào của lới điện 500 [kV] và thấp hơn.
- Ngắn mạch 1 pha trên đờng dây 500 [kV] và thấp hơn khi bảo vệ chính hoạt
động với tự đóng lại một pha thành công và không thành công.
- Mất 1 MF lớn, quan trọng trong hệ thống.
- Xảy ra mất cân bằng công suất tơng tự nh mất một tổ máy lớn, mất phụ tải lớn
* Nhóm II: Hệ thống không đợc mất ổn định động trong các tính huống sau:
- Nhảy bất kỳ phần tử nào của lới điện 500 [kV] khi bảo vệ chính hoạt động với
tự đóng lại một pha thành công.
- Ngắn mạch 2 pha chạm đất và 3 pha trên tất cả các loại đờng dây khi bảo vệ
chính làm việc với tự đóng lại thành công và không thành công.
- Mất tổ máy có công suất lớn nhất trong hệ thống.
* Nhóm III: Sự cố xếp chồng, nặng nề hơn so với nhóm I và II.
Bảo đảm ổn định động trong HTĐ phức tạp rất khó khăn, do đó đảm bảo ổn định động
cho nhóm I với các thiết bị bảo vệ thông dụng. Với nhóm II, III đảm bảo ổn định động có
thể phải sử dụng các thiết bị bảo vệ chống sự cố, sa thải máy phát hoặc sa thải phụ tải

o0o