BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH
SỤP ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 4 3 3 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN VĨNH

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

LỜI CÁM ƠN

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới TS. Hồ Văn Hiến đã hướng
dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tác giả hoàn thành luận văn này. Xin gửi lời
cảm ơn tới tất cả các Thầy, các Cô, cán bộ viên chức Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2014
Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Vĩnh


MỤC LỤC
Trang
1

Lời nói đầu
Tổng quan

2

1.1

Tổng quan về hướng nghiên cứu

2

1.2

Tính cấp thiết, ý nghĩa thực tiễn và khoa học của đề tài


5

1.8

Kế hoạch thực hiện

5

1.9

Cấu trúc đề tài

6

Các nguyên nhân và cơ chế xảy ra tan rã hệ thống điện

7

2.1

Các nguyên nhân tan rã hệ thống điện

7

2.2

Cơ chế xảy ra sự cố tan rã hệ thống điện

8


4.1.2

Phân tích Modal Q-V

18

4.1.3

Xác định điểm ngắn nhất đi đến điểm mất ổn định

22

4.1.4

Các biện phá tránh sụp đổ điện áp

24

Xây dựng đặc tính P-V, Q-V của mạng điện đơn giản

25

4.2.1

Đặc tính P-V

25

4.2.2

Xây dựng đặc tính Q-V cho mạng nhiều nút

35

4.3.3

Khảo sát đặc tính P-V ứng với cosphi đầu nhận sớm

39

4.3.4

Khảo sát đặc tính P-V ứng với cosphi đầu nhận trễ

40

4.3.5

Khảo sát ổn định điện áp xét vectơ riêng và giá trị riêng

41

4.3.6

Đánh giá ổn định điện áp xét vectơ riêng và giá trị riêng

48

4.4



Chương 6: Kết luận và kiến nghị

78

6.1

Kết luận

78

6.2

Các kiến nghị

79

Tài liệu tham khảo

80

Phụ lục

81


LỜI NÓI ĐẦU

Như chúng ta đã biết, hệ thống điện (HTĐ) là một trong những cơ sở hạ tầng
quan trọng nhất của nền kinh tế quốc dân. Nó đóng vai trò hết sức quan trọng đối

đường dây truyền tải.
1.2. TÍNH CẤP THIẾT, Ý NGHĨA THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC CỦA
ĐỀ TÀI
Như đã nói ở trên, HTĐ đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế
của mỗi quốc gia vì nó là một trong những cơ sở hạ tầng quan trọng nhất của nền kinh
tế quốc dân.
Một HTĐ thường phân chia thành ba phần chính: Phần phát điện- hay phần
nguồn điện- bao gồm các nhà máy phát điện như: nhiệt điện chạy than, nhiệt điện
chạy khí, nhà máy thủy điện, nhà máy điện hạt nhân, nhà máy điện gió và một số loại
phát điện khác... Phần truyền tải có thể được coi là hệ thống xương sống của một
HTĐ, bao gồm các đường dây siêu cao áp, cao áp và máy biến áp truyền tải. Phần

-2-


phân phối là nơi điện áp được hạ thấp để cung cấp trực tiếp cho các phụ tải và là phần
có nhiều các nút nhất trong hệ thống điện với nhiều loại phụ tải khác nhau.
Để đảm bảo chế độ vận hành bình thường, HTĐ cần thoả mãn các điều kiện về
an ninh, tin cậy, đảm bảo chất lượng điện năng và yêu cầu về kinh tế. Tuy nhiên, các
HTĐ nói chung và HTĐ Việt Nam nói riêng đang phải đối mặt với những khó khăn:
Vấn đề thứ nhất là sự tăng lên quá nhanh của phụ tải, đặc biệt là với một nước đang
phát triền rất nhanh như Việt Nam, tỉ lệ tăng tải trong khoảng 15- 20% mỗi năm đang
đặt ra một thách thức lớn cho ngành điện và cả đất nước nói chung: là làm sao phải
đáp ứng được nhu cầu phụ tải. Vần đề thứ hai là sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên
như than đá, dầu mỏ, khí đốt và cả nguồn thủy điện. Không chỉ riêng Việt Nam mà cả
thế giới đều nhận thức được rằng chúng ta đang phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt năng
lượng sơ cấp và giá nhiên liệu ngày càng tăng trên bình diện quốc tế. Ở đây chúng ta
cần hiểu rằng nguồn thủy điện cạn kiệt nghĩa là tiềm năng thủy điện đã được phát hiện
và khai thác gần hết. Đây cũng là một áp lực to lớn đối với ngành điện của mỗi quốc
gia. Việc ứng dụng công nghệ hạt nhân trong sản xuất điện ở nước ta vẫn còn nhiều

1.3 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị bù SVC và phần
mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện để nâng cao ổn định điện áp trong
HTĐ. Việc nghiên cứu thành công đề tài sẽ giúp ích cho ngành điện lực trong tính
toán thiết kế, vận hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng cao ổn định điện áp, đảm
bảo độ tin cậy cung cấp điện.
1.4 KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Đường dây truyền tải điện 500 kV Bắc Nam.
- Thiết bị bù SVC.
- Phần mềm tính toán bù đường dây truyền tải điện.
1.5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp trong HTĐ, các sự cố
tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất ổn định do mất ổn định điện áp.
- Nghiên cứu cơ chế xảy ra sự cố và nguyên nhân.
- Nghiên cứu các phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp.
-4-


- Nghiên cứu các biện pháp nâng cao ổn định hệ thống điện.
- Nghiên cứu xây dựng đặc tính P-V, Q-V của mạng điện đơn giản bằng ứng
dụng phần mềm xây dựng đặc tính P-V, Q-V. Khảo sát nâng cao ổn định điện áp bằng
thiết bị bù SVC.
- Nghiên cứu ứng dụng của thiết bị bù SVC và phần mềm tính toán bù đường
dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện.
1.6 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
Có rất nhiều phương pháp phòng ngừa sụp đổ điện áp cũng như nâng cao tính
ổn định của hệ thống điện. Đề tài này chỉ nghiên cứu ứng dụng của thiết bị bù SVC và
phần mềm tính toán bù trên đường dây truyền tải điện trong việc nâng cao ổn định hệ
thống điện.
1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 2:
CÁC NGUYÊN NHÂN VÀ CƠ CHẾ XẢY RA TAN RÃ HỆ THỐNG ĐIỆN
2.1. Các nguyên nhân của sự cố tan rã hệ thống điện
* Các nguyên nhân chung dẫn đến sự cố tan rã HTĐ có thể được tóm tắt như
sau:
Thông thường, một sự cố tan rã HTĐ là một hiện tượng phức tạp, với nhiều
nguyên nhân khác nhau. Một HTĐ bị tan rã là kết quả của một quá trình chia tách,
mất đường dây, máy phát điện...liên tục cho đến khi bị phân chia hoàn toàn thành các
vùng, khu vực cách ly nhau.
2.1.1. Vấn đề trong quy hoạch và thiết kế:
-

Thiết kế và cài đặt sai thông số.

-

Không đáp ứng các tiêu chuẩn.

-

Không cập nhật các tiêu chuẩn.

-

Dự đoán sai nhu cầu của phụ tải.

2.1.2. Vấn đề bảo dưỡng:
- Những công việc bất thường trong quá trình bảo dưỡng.
- Thiết bị quá cũ.
- Thiếu sự đào tạo chuyên sâu nhân viên vận hành.


Vùng phụ tải ở
xa vùng phát
điện, đường
dây truyền tải
dãy

Nặng tải và
điện áp thấp ở
một số nút
trong HTĐ

HỆ THỐNG ĐIỆN

Bắt nguồn bởi một sự cố nguy kịch:
Mất một đường dây, máy phát điện quan trọng, …

Mất ổn định điện

Giảm từ từ
điện áp tại các nút

Tổn thất c/s phản
kháng tăng mạnh

Mất ổn định tần số

Quá tải các thiết bị
khác



2.2.1. Sự mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp
Sự mất ổn định điện áp: Xuất phát từ các thay đổi của tải tiêu thụ công suất
vượt quá khả năng của hệ thống truyền dẫn và hệ thống phát [1].
Sự sụp đổ điện áp: Là quá trình mà qua đó chuỗi các sự cố liên quan đến sự
không ổn định điện áp và cuối cùng dẫn đến tan rã HTĐ hoặc điện áp thấp bất
thường trong phần lớn khu vực của HTĐ.

Hình vẽ 2-11: Sụp đổ điện áp trong sự cố tan rã HTĐ ở Mỹ 14/08/2003 [2].
2.2.2. An ninh điện áp
Khái niệm an ninh điện áp là khả năng của một HTĐ không những vận hành
trong trạng thái ổn định, mà còn duy trì trạng thái ổn định sau khi trải qua các sự cố
ngẫu nhiên hoặc sự tăng tải [3], [4], [5].

-9-


CHƯƠNG 3:
PHƯƠNG PHÁP PHÒNG NGỪA SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP
Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất có đường
dây siêu cao áp, do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường
dây sinh ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công
suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để
hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như:
+ Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây
để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây.
+ Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công
suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho
chiều dài tính toán rút ngắn lại.
+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt

QM = 3.WM.l = 3.L.I2.l

(3-4)

+ Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là
hiệu giữa công suất điện trường và từ trường:
Q = QE - QM = 3..C.Uf2.l - 3.L.I2.l


L.I 2 
Q  3 .1.C .U 2f  1 


C .U 2f 


(3-5)

(3-6)

+ Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:


L.I 2 
0
 1 
2 

C
.


là tổng trở sóng của đường dây

Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của
đường dây và qua đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng
và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây siêu cao áp.
3.2. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP.
Các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số
thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết
-11-


bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và sang bằng điện áp phân bố dọc
đường dây.
Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm
sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt
và hiệu quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho các đường dây siêu cao áp có
chiều dài lớn.
3.2.1. Bù dọc.
Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp làm ảnh hưởng xấu
đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc
lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên
đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém…
Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường
dây) bằng dung kháng XC của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách
mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó giới hạn truyền tải của đường dây
theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng
tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.
Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch
tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC). Giả sử góc lệch giữa dòng điện phụ tải I

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

Pgh 

U 1 .U 2
XL  XC

(3-10)

Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên:
k = (XL- X C)/XC

Hình 3.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp

Ba là, giảm tổn thất công suất và điện năng:
-13-


+ Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản
kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

KC 

XC
100%
XL

(3-11)

phản kháng này. Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 500km.
+ Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được
tính gần đúng như sau:
QC=Udd2.bo.l

(3-12)

Trong đó:
Udd: Điện áp danh định của đường dây; l: chiều dài của đường dây.
+ Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330 750kV thì ta có thể
sử dụng các quan hệ gần đúng như sau:
-6

Xo.bo1,15.10

ZC 

Xo
bo

Nên ta có:

1, 07.10  3
b0 
ZC
Như vậy, công suất phản kháng của đường dây siêu cao áp 500kV phát ra là:

QC 

U dd

rải. Để đưa về dạng thông số tập trung cần sử dụng sơ đồ tương đương: chia
thành những mắt xích nối tiếp.
- Đặc điểm chủ yếu của các đường dây siêu cao áp là có điện cảm và
điện dung lớn. Để đảm bảo khả năng mang tải và tránh gây ra hiện tượng quá điện
áp khi vận hành non tải hoặc không tải cần phải có biện pháp bù dọc và bù ngang.
- Trị số tối ưu của các thiết bị bù cần phải được tính toán trong từng chế
độ vận hành để đem lại hiệu quả về kinh tế - kỹ thuật.

-16-


CHƯƠNG 4:
CÁC BIỆN PHÁP TRÁNH SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

4.1. HƯỚNG DẪN PHÂN TÍCH MODAL Q-V
4.1.1. Phân tích độ nhạy Q-V
Phương trình hệ thống tuyến tính hóa quan hệ giữa độ thay đổi công suất nút
và độ thay đổi điện áp cũng như góc pha thông qua ma trận Jacobi:
 P   J P
 Q    J
   Q

J PV    

J QV   V 

(4-1)

Ổn định điện áp chịu ảnh hưởng bởi cả P và Q. Tuy vậy, tại mỗi điểm vận
hành, giữ P không đổi và đánh giá ổn định điện áp bằng cách xem xét quan hệ số gia

hệ thống càng ổn định. Tính ổn định càng giảm khi độ nhạy càng lớn và bằng vô cùng
tại giới hạn ổn định.
- Một độ nhạy âm biểu thị tình trạng không ổn định.
Do tính phi tuyến của quan hệ V-Q nên độ lớn của độ nhạy V-Q không cung
cấp một sự đánh giá trực tiếp về độ ổn định tương đối.
4.1.2. Phân tích modal Q-V
Đặc tính ổn định điện áp của hệ thống được xác định bằng cách tính các giá trị
riêng và vec tơ riêng của ma trận thu gọn J R:
(4-5)

J R   

Trong đó:
ξ: ma trận vectơ riêng bên phải của JR
η: ma trận vectơ riêng bên trái của JR
Λ: ma trận chéo các giá trị riêng của JR
ηξ = I , ξ-1 = η

Với

(4-6)

Sự thay đổi điện áp ΔV theo sự thay đổi của ΔQ cho bởi:
V  J R1 Q   1  Q

(4-7)

Hay:
V  
i