Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐÀM ANH TUỆ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CỦA TCSC
TRONG VIỆC NGĂN CHẶN MẤT ỔN ĐỊNH
DO NHIỄU LOẠN NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận đƣợc rất nhiều sự
quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thày, các Cô trong suốt quá trình giảng
dạy và khoa Đào tạo sau đại học trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên, đặc biệt là sự hƣớng dẫn tận tình, chu đáo của thày TS Nguyễn Đăng
Toản trƣờng Đại học Điện lực Hà Nội.

Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010
Đàm Anh Tuệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
LỜI CẢM ƠN 2
TÓM TẮT LUẬN VĂN 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 7
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 8
Chương I GIỚI THIỆU CHUNG 10
1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 10
1.2 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 12
1.2.1 Nghiên cứu các sự cố tan rã hệ thống điện liên quan đến vấn đề mất ổn định do
nhiễu loạn nhỏ……………………………………………………………………… 12
1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn định với nhiễu loạn
nhỏ bằng thiết bị FACTS…………………………………………………………… 13
1.3 CẤU TRÖC CỦA LUẬN VĂN 14
1.4 GIỚI HẠN CỦA LUẬN VĂN 14
Chương II ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 15
2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY 15
2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới……………………… 15
2.1.2 Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện……………………………….27
2.1.3 Cơ chế xảy ra sự tan rã hệ thống điện………………………………………… 30
2.1.4 Các dạng ổn định hệ thống điện……………………………………………… 33
2.2 ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ 33
2.2.1 Định nghĩa………………………………………………………………………33
2.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ổn định góc rôto với nhiễu loạn nhỏ……………… 35
2.2.3 Phƣơng pháp nâng cao ổn định góc với nhiễu loạn nhỏ……………………… 42
2.3 CÁC ĐỀ XUẤT NHẰm NGĂN CHẶN CÁC SỰ CỐ TAN RÃ hỆ THỐNG ĐIỆN 43
2.4 KẾT LUẬN 46
Chương III ỨNG DỤNG TCSC TRONG VIỆC NÂNG CAO ỔN ĐỊNH HỆ

5.1.2 Nghiên cứu về TCSC trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ……………115
5.2 KIẾN NGHỊ 116
Tài liệu tham khảo 117
6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987 17
Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996 20
Hình vẽ II-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC -USA-10/8/1996 20
Hình vẽ II-4: Tổng công suất truyền tải trên đƣờng dây California-Oregon [20] 21
Hình vẽ II-5: Công suất tác dụng trong HTĐ Đan Mạch (vùng Zealand) 24
Hình vẽ II-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trƣớc và sau khi 3h 25 phút 33 giây
khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ châu Âu- UCTE 25
Hình vẽ II-7: Tần số của HTĐ châu Âu trƣớc và sau khi tan rã [17] 27
Hình vẽ II-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ 30
Hình vẽ II-9: Cơ chế xảy ra sự cố tan rã HTĐ 32
Hình vẽ II-10: Sự phân loại các dạng ổn định HTĐ 33
Hình vẽ II-11: Công suất trên đƣờng dây liên lạc California-Oregon trong quá trình sảy ra sự cố tan
rã lƣới điện ngày 10/8 /1996 [20] 34
Hình vẽ II-12: Hàm truyền đạt 40
Hình vẽ III-1: Mô hình TCSC cơ bản 49
Hình vẽ III-2: Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở  51
Hình vẽ III-3: Một TCSC điển hình 52
Hình vẽ III-4: Các nguyên lý vận hành cơ bản của TCSC 53
Hình vẽ III-5: TCSC lắp đặt trong HTĐ Brazil 56
Hình vẽ III-6: Sơ đồ khối của PSS/E 59
Hình vẽ IV-1: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2015 79
Hình vẽ IV-2: Giá trị riêng của các biến trạng thái trong mùa mƣa. 103

Bảng IV-16: Hệ số phần dƣ của HTĐ trong mùa khô 106

8
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
CIGRE
Conseil International des Grands Réseaux Électriques
or : International Council on Large Electric systems
(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)
E.ON Netz
A Transmission System Operator in Germany
(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)
EPRI
Electric Power Research Institute
(Viện nghiên cứu điện lực Mỹ)
ESM
Energy System Management
(Hệ thống quản lý năng lƣợng)
FACTS
Flexible AC Transmission System
(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)
HTĐ
Hệ thống điện
HVDC
High Voltage Direct Current
(Đƣờng dây tải điện một chiều)
IEEE
Institute of Electrical and Electronics Engineers

SE
State Estimator
(Hệ thống đánh giá trạng thái)
SMA
Seclective Modal Analysis
(Phân tích mô hình lựa chọn)
SSR
Sybsynchronous Resonance
(Cộng hƣởng tần số thấp)
SSS
Small Signal Stability
(Ổn định với nhiễu loạn nhỏ)
SVC
Static Var Compensator
(Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh)
TCSC
Thyristor Controller Series Compensator
(Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor)
TenneT
The transmission system operator in Netherlands
(Trung điều độ hệ thống điện Hà Lan)
ULTC
Under Load Tap Changer
(Bộ phận tự động điều chỉnh điện áp dƣới tải)
WAMS
Wide Area Measurement Systems
(Hệ thống đo lƣờng trên diện rộng)
WAPC
Wide Area Protection and Control
(Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng)

11
nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu
tƣ lớn. Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng
lƣợng tái tạo trên bình diện cả nƣớc. Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này
góp phần giảm thiểu gánh nặng cho nghành điện trên phƣơng diện đáp ứng nhu cầu
phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lƣợng tái tạo sẵn
có. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và
phân phối làm thay đổi căn bản khái niệm về một HTĐ phân phối truyền thống, làm
khó khăn hơn trong quản lý, vận hành, giám sát và điều khiển HTĐ. Một vấn đề nữa
mà Việt Nam cũng đang phải đối mặt đó là các áp lực về môi trƣờng do các nhà
máy điện gây ra. Do đó chúng ta cần phải xem xét kỹ lƣỡng vấn đề này khi quyết
định đầu tƣ xây mới những nhà máy điện chạy than, hay những đập thủy điện lớn.
Vấn đề thứ năm đó là xu hƣớng thị trƣờng hóa ngành điện. Nó làm thay đổi hoàn
toàn khái niệm về một HTĐ truyền thống, phần nguồn, phần phân phối hoàn toàn
mở cho các doanh nghiệp có thể tham gia xây dựng nhà máy điện, kinh doanh điện.
Và đặc biệt là xu hƣớng kết nối các HTĐ với nhau, điều này đã làm cho HTĐ ngày
càng phức tạp về qui mô, rộng lớn cả về không gian, khó khăn trong việc quản lý,
vận hành, điều khiển giám sát.
Tất cả các vấn đề trên khiến cho các HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới hạn về
ổn định. Và đặc biệt là các HTĐ rất “nhạy cảm” với các sự cố có thể xảy ra. Theo
kết quả nghiên cứu, HTĐ có thể bị sự cố bởi các nhiễu loạn nhỏ (hay dao động công
suất). Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây ở châu Âu, Bắc Mỹ với những hậu quả to
lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Mặc dù sự cố tan rã HTĐ đã trở
thành mối lo ngại hàng thập kỷ qua, tuy nó ít khi xảy ra và các sự cố trong HTĐ là
không giống nhau nhƣng hậu quả mà nó gây ra là rất lớn không những về kinh tế
mà còn về an ninh năng lƣợng. Ví dụ nhƣ sự cố xảy ra tại Bắc Mỹ tháng 8 năm
2003, tổng lƣợng tải bị cắt là 65 GW, với tổng thời gian mất điện là gần 30 giờ. Ở

Một sự cố tan rã HTĐ thƣờng là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, và là
một hiện tƣợng biến động phức tạp, nhiều các nhân tố tham gia đồng thời. Trong đó
việc mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ là một trong những nguyên nhân chính.
13
Vì vậy, nhiệm vụ đầu tiên của bản luận văn dành để phân tích một số sự cố tan rã
HTĐ trên thế giới trong thời gian gần đây, tập trung chủ yếu vào sự cố mất ổn định
do nhiễu loạn nhỏ. Một số nguyên nhân chính dẫn đến sự cố tan rã HTĐ sẽ đƣợc
tóm tắt ngắn gọn. Những thông tin khoa học này không những hữu ích cho việc
điều tra nguyên nhân của các sự cố, mà còn giúp cho những nhà thiết kế, vận hành
đề xuất các phƣơng án phòng ngừa và ngăn chặn các sự cố tan rã HTĐ.
1.2.2 Tìm hiểu phƣơng pháp nghiên cứu và biện pháp nâng cao ổn
định với nhiễu loạn nhỏ bằng thiết bị FACTS
Sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ đã đƣợc xem nhƣ là một trong những
nguyên nhân chính dẫn đến một số sự cố tan rã HTĐ gần đây. Khi phân tích sự cố
này, có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến sự dao động công suất, các cách thức dao động
khác nhau, nhƣ là: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình hệ thống kích từ (KT),
mô hình phụ tải, cấu trúc HTĐ cũng nhƣ các loại sự cố khác nhau. Tuy nhiên các sự
cố có thể coi nhƣ là đủ nhỏ, không phá vỡ trạng thái làm việc của HTĐ ngay lập tức,
do đó hệ phƣơng trình mô tả HTĐ có thể tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc
ban đầu. Phƣơng pháp sử dụng giá trị riêng, hệ số tham gia, hệ số phần dƣ đƣợc sử
dụng chủ yếu để nghiên cứu, đánh giá hiện tƣợng ổn định với nhiễu loạn nhỏ.
Đứng trên quan điểm phòng ngừa sự cố mất ổn định do nhiễu loạn nhỏ, chúng tả
phải nâng cao hệ thống điều khiển bằng cách lắp đặt thêm các thiết bị cản - hay
thêm các mô men cản khi có dao động công suất nhƣ: các thiết bị ổn định công suất
ở các máy phát điện (power system stabilizers-PSS) hoặc các thiết bị bù thông minh
(Flexible AC Transmission Systems-FACTS) ….Trong đó thiết bị TCSC đã đƣợc
chứng minh là có tác dụng rất lớn trong việc nâng cao ổn định với nhiễu loạn nhỏ.
15
CHƢƠNG II
ỔN ĐỊNH VỚI NHIỄU LOẠN NHỎ
2.1 PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN GẦN ĐÂY
2.1.1 Những sự cố tan rã hệ thống điện gần đây trên thế giới
Trong vòng hơn 20 năm, đã có rất nhiều sự cố tan rã HTĐ xảy ra trên khắp thế
giới với những hậu quả vô cùng to lớn, thậm chí ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ,
Nhật Bản, Tây Âu…. Trong phần này, một số các sự cố điển hình đƣợc thảo luận
tóm tắt dựa trên các tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10],
[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] và [19]:
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 19/12/1978 tại Pháp. Lúc đó HTĐ Pháp đang nhập
khẩu điện năng từ các nƣớc bên cạnh. Phụ tải tăng lên từ khoảng 7 giờ đến 8
giờ là 4600 MW. So với ngày hôm trƣớc thì nhu cầu phụ tải tăng lên là 1600
MW. Điều này làm cho điện áp giảm xuống trong khoảng từ 8 giờ 5 phút đến
8 giờ 10 phút, các nhân viên vận hành đã khóa bộ tự động điều áp dƣới tải
của các MBA trên lƣới cao áp (EHV/HV). Trong khoảng từ 8 giờ 20 phút,
thì điện áp của các nút trên lƣới truyền tải (400 kV) đã giảm xuống trong
khoảng từ 342 kV đến 374 kV. Trong khi đó một số đƣờng dây đã bị cắt ra
do bảo vệ quá dòng, càng làm điện áp bị giảm thấp thêm nữa, và xảy ra sụp
đổ điện áp sau đó. Trong quá trình khôi phục lại HTĐ đã xảy ra một sự cố
sụp đổ điện áp khác. Hậu quả của sự cố là 29 GW tải đã bị cắt, với tổng năng
lƣợng không truyền tải phân phối đƣợc là 100 GWh. Hậu quả về tiền đƣợc
dự tính trong khoảng 200 - 300 triệu đôla. Nguyên nhân chính là sự mất ổn
định và sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian 26 phút [1], [2], [3].
16
17
 Sự cố tan rã HTĐ Tokyo - Nhật Bản ngày 23 tháng 7 năm 1987: Toàn bộ thủ
đô Tokyo có thời tiết rất nóng, dẫn đến lƣợng tải tiêu thụ do điều hòa nhiệt
độ tăng cao. Sau thời gian buổi trƣa, lƣợng tải tăng lên khoảng 1% /1 phút
(tƣơng đƣơng với 400 MW/1 phút). Mặc dù, các tụ bù đã đƣợc đóng hết,
nhƣng điện áp của HTĐ vẫn bắt đầu giảm thấp trên hệ thống truyền tải 500
kV. Sau khoảng 20 phút, thì điện áp bắt đầu giảm xuống còn khoảng 0,75 p.u
và kết quả là các hệ thống bảo vệ rơle tác động ngắt một số phần của hệ thống
truyền tải và xa thải 8000 MW. Nguyên nhân chính là quá trình sụp đổ điện áp
trong khoảng thời gian dài hạn. Các đặc tính phụ tải phụ thuộc điện áp của các
thiết bị điều hòa là nguyên nhân chính dẫn sự suy giảm điện áp [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã HTĐ ngày 12/01/1987 tại miền Tây nƣớc Pháp: trong khoảng 50
phút, bốn tổ máy của nhà máy nhiệt điện Cordemais bị cắt ra, dẫn đến điện áp
trong HTĐ giảm thấp kéo theo 9 tổ máy nhiệt điện khác cũng bị cắt ra trong
vòng 7 phút sau đó, trong đó có 8 tổ máy do bảo vệ quá kích thích tác động. Tuy
nhiên thì điện áp vẫn đƣợc giữ ổn định ở giá trị rất thấp (trong khoảng từ 0.5 pu
đến 0.8 pu). Trong khoảng thời gian 6 phút, điện áp giảm thấp đã phải cắt một
lƣợng tải là 1500 MW để cứu vãn sự sụp đổ hoàn toàn HTĐ. Nguyên nhân
chính là do sụp đổ điện áp trong khoảng thời gian dài hạn [1], [2], [3]. Hình vẽ
II-1 mô tả sự biến thiên của điện áp trong quá trình sụp đổ đối với HTĐ Pháp

Hình vẽ II-1: Sụp đổ điện áp trong HTĐ pháp ngày 12/1/1987
18
 Sự cố tan rã HTĐ tại Phần Lan 8/1992, HTĐ đƣợc vận hành rất gần với giới
hạn an ninh cho phép, lƣợng công suất nhập khẩu từ Thụy Điển khá lớn,

giây sau, 4 đƣờng dây 220 kV từ Hells Canyon đến Boise cũng bị cắt
ra, 2 giây sau, hệ thống truyền tải liên lạc với vùng Pacific bị cắt ra.
Sự tan rã HTĐ xảy ra sau khoảng 35 giây từ sự cố đầu tiên. Khoảng
2,2 triệu ngƣời đã bị ảnh hƣởng, lƣợng tải bị mất vào khoảng 11900
MW. Nguyên nhân chính là sự sụp đổ điện áp [1], [10].
 Sự cố tan rã HTĐ tại các bang miền Tây nƣớc Mỹ: (Western Systems
Coordination Council -WSCC), ngày 10 tháng 8 năm 1996.
o Trong thời gian trƣớc khi xảy ra sự cố, nhiệt độ ở miền Tây Bắc, và
lƣợng công suất truyền tải từ phía Canada về California tăng cao.
Trƣớc khi tan rã hệ thống, ba đƣờng dây 500kV truyền tải công suất từ
vùng hạ lƣu sông Columbia River đến trung tâm phụ tải Oregon đã bị
cắt ra do sự cố phóng điện vào cây trên hành lang tuyến. Đƣờng dây
liên lạc California-Oregon truyền tải 4330 MW từ miền Bắc về miền
Nam. Đồng thời đƣờng dây liên lạc một chiều Pacific DC Intertie
truyền tải 2680 MW từ miền Bắc về miền Nam. Dao động công suất
tăng dần xảy ra ở tần số 0.23, sự thiếu các thiết bị điều khiển cản dao
động đã dẫn đến việc cắt các đƣờng dây khác, và làm HTĐ bị chia
tách thành bốn vùng riêng biệt.
o Tổng lƣợng tải bị mất là khoảng 30,500 MW, hơn 7,5 triệu ngƣời đã
bị ảnh hƣởng mất điện từ vài phút đến 9 giờ.

20

Hình vẽ II-2: Quá trình sụp đổ điện áp trên hệ thống 500kV- WSCC -USA- 1996

đang vận hành ở chế độ quá tải về công suất phản kháng, trong khi đó tải công
suất phản kháng trong khu vực này tiếp tục tăng cao. Mặc dù các kỹ sƣ vận
hành đã cố gắng khôi phục lại hệ thống tự động điều chỉnh điện áp, nhƣng tổ
máy số 5 vẫn bị cắt ra, dẫn đến đƣờng dây 345 kV trong vùng FE Chamberlin-
Harding 345 kV bị cắt ra lúc 15giờ 05 phút do phóng điện từ dây dẫn vào cây
trong hành lang tuyến, mặc dù lúc đó đƣờng dây này chỉ mang 44% tải định
mức. Tiếp theo là đƣờng dây 345 kV Hanna-Juniper đang mang tải 88% cũng bị
cắt ra do phóng điện vào cây trên hành lang tuyến lúc 15 giờ 32 phút. Một
đƣờng dây 345 kV khác đang mang tải 93% là Star-Canton cũng bị cắt ra do
phóng điện vào cây lúc 15 giờ 41 phút. Trong khoảng thời gian này, vì hệ thống
phần mềm của trung tâm điều khiển FE và MISO bị hỏng, nên không hề có một
hành động ngăn chặn nào. Tiếp sau đó là một loạt các đƣờng dây tải điện trong
hệ thống 138 kV bị cắt ra trong khoảng 15 phút tiếp theo, nhƣng vẫn không có
sự sa thải phụ tải nào. Sự cố nguy kịch nhất dẫn đến việc mất điều khiển HTĐ
và mất điện lan rộng trong vùng Ohio sau khi đƣờng dây 345 kV Sammis-Star
345 kV bị cắt ra lúc 16 giờ 05 phút 57 giây. Vào khoảng 16 giờ 10 phút 38 giây,
do việc mất các đƣờng dây liên lạc giữa Ohio và Michigan, công suất trao đổi
23
giữa Mỹ và Canada đã bị thay đổi. Tại thời điểm này, điện áp xung quanh vùng
Detroit bị giảm thấp do các đƣờng dây bị quá tải nặng. HTĐ đã mất ổn định kết
quả là sự mất điện hàng loạt, với việc cắt hàng trăm tổ máy, đƣờng dây trong
một vùng rộng lớn. Ngƣời ta ƣớc tính khoảng 65000 MW đã bị cắt và phải mất
gần 30 giờ để khôi phục lại HTĐ, dao động công suất, mất ổn định điện áp là
nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ [5], [9], [10], [11], [12], [13], [14].
 Sự cố tan rã HTĐ tại Thụy Điển/ Đan Mạch ngày 23 tháng 9 năm 2003:
Trƣớc khi xảy ra sự cố tất cả các điều kiện vận hành đều nằm trong giới hạn
cho phép. Tổng lƣợng tải của Thụy Điển vào khoảng 15000 MW, và không