Header Page 1 of 16.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

---------* ---------

Đặng Hoài Nam

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

Chuyên ngành: Thiết bị mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS Nguyễn Đăng Toản

Thái Nguyên - 2010
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

Footer Page 1 of 16.




Header Page 2 of 16.

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

Footer Page 3 of 16.




Header Page 4 of 16.

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

Footer Page 4 of 16.




Header Page 5 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Lời cam đoan

1

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu.
Trong luận văn có sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu
tham khảo.
Thái Nguyên, ngày 24 tháng 8 năm 2010
Tác giả luận văn

Đặng Hoài Nam

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



Footer Page 6 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 7 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

3

Tóm tắt luận văn

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống điện (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. Do sự phát triển kinh tế và các áp lực về môi trường, sự cạn kiệt tài
nguyên thiên nhiên, cũng như sự tăng nhanh nhu cầu phụ tải, sự thay đổi theo
hướng thị trường hóa ngành điện lực làm cho HTĐ ngày càng trở lên rộng lớn về
quy mô, phức tạp trong tính toán thiết kế, vận hành do đó mà HTĐ được 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 sụp đổ là do sự mất ổn
định điện áp trong hệ thống. Một số sự cố tan rã HTĐ gần đây trên thế giới với
những hậu quả to lớn là những ví dụ sinh động cho luận điểm này. Chính vì vậy mà


4

Tóm tắt luận văn

các kết quả mô phỏng với HTĐ Bắc Âu được đưa ra phân tích.Và để ngăn chặn sụp
đổ điện áp, biện pháp sử dụng hệ thống rơle xa thải phụ tải theo điện áp thấp được
trình bày trong chương IV của luận văn. Chương V là các kết luận chủ yếu và các
kiến nghị.

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



Footer Page 8 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 9 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

5

MỤC LỤC

Chương 1

Giới thiệu chung

15

1.1

Tính cấp thiết của đề tài

15

1.2

Các nội dung chính của luận văn

17

1.2.1

Nghiên cứu các sự cố tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất
ổn định do mất ổn định điện áp

17

1.2.2

Tìm hiểu phương pháp nghiên cúu và biện pháp nâng cao
ổn định điện áp


2.1.2

Các nguyên nhân của sự cố tan ra hệ thống điện

33

2.1.3

Cơ chế xẩy ra sự cố tan rã hệ thống điện

35

2.1.4

Các dạng ổn định hệ thống điện:

38

2.2

Ổn định điện áp

38

2.2.1

Các định nghĩa về ổn địng điện áp

38



Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

6

2.2.2

Các kịnh bản sụp đổ điện áp

41

2.2.2.1

Kịch bản 1

41

2.2.2.2

Kịch bản 2

42

2.2.2.3

Kịch bản 3

42


2.2.4.2

Xa thải phụ tải

48

2.3

Các đề xuất ngăn chặn các sự cố tan rã hệ thống điện

49

2.4

Kết luận

52

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sụp đổ điện áp
trong hệ thống điện

53

3.1

Giới thiệu chung

53


3.2.3.2

Chỉnh sửa các số liệu

58

3.2.3.3

Quá trình tính toán với GAUSS-SEIDEL

58

3.2.3.4

Quá trình tính toán với NEWTON-RAPHSON

59

3.2.3.5

Báo cáo kết quả và in ấn

60

3.2.4

Tính toán tối ưu trào lưu công suất

60



3.2.5

Tính toán mô phỏng quá trình quá độ, sự cố bằng PSS/E

71

Chương 3

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

Footer Page 10 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam



Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 11 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

7

3.2.5.1



Ảnh hưởng của bộ điều áp dưới tải (ULTC) đến sự sụp đổ

81

điện áp
3.3.1.4

Ảnh hưởng của bộ giới hạn kích từ (OEL) và ULTC đến
sụp đổ điện áp

84

3.3.1.5

Ảnh hưởng của phụ tải động

89

3.3.2

Mô phỏng sự sụp đổ điện áp của hệ thống điện Bắc Âu
“Nordic Power System”

92

3.3.2.1

Mô tả hệ thống điện Bắc Âu


103

Biện pháp ngăn chặn sụp đổ điện áp bằng việc dung
rơle xa thải phụ tải theo điện áp thấp

104

4.1

Giới thiệu chung

104

4.2

Lựa chọn các thông số đặt cho rơle

108

4.2.1

Chọn ngưỡng tác động cho rơle UVLS

108

4.2.2

Chọn lượng tải xa thải

113

116

4.3.1.2

Kịch bản 2

117

Chương 4

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

Footer Page 11 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam



Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 12 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Mục lục

8

4.3.1.3


123

5.1.1

Các gợi ý trong việc ngăn chặn tan rã hệ thống điện

123

5.1.2

Các đóng góp cho việc nghiên cứu ổn định điện áp

124

5.2

Các kiến nghị

125

Chương 5

Phụ lục

126

Tài liệu tham khảo

129


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

24

Hình vẽ 2-3: Sơ đồ và trình tự các sự cố dẫn đến tan rã HTĐ WSCC
10/08/1996

24

Hình vẽ 2-4: Tổng công suất truyền tải trên đường dây CaliforniaOregon [19]

26

Hình vẽ 2-5: Công suất tác dụng trong hệ thống điện Đan Mạch (vùng
Zealand)

29

Hình vẽ 2-6: Tần số và điện áp trong HTĐ Đức và Hungary trước và

30

sau khi 3h25phút33giây khi HTĐ Italy bị tách rời khỏi HTĐ UCTE
Hình vẽ 2-7 Tần số của HTĐ châu Âu trước và sau khi tan rã [17]

31

Hình vẽ 2-8: Tóm tắt các nguyên nhân chính của sự cố tan rã HTĐ


80

Hình vẽ 3-4: Điện áp ở nút 11 trong các trường hợp A,B, và C

80

Hình vẽ 3-5: Điện áp ở nút 11 trong các trường hợp C (không có
ULTC) và D (có ULTC)

83

Hình vẽ 3-6: Sự dịch chuyển của ULTC với điện áp ở nút 11 và nút 10
trong trường hợp D

83

Hình vẽ 3-7: Sơ đồ khối và đặc tính thời gian nghịch đảo của bộ

84

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



Footer Page 13 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ



trường hợp có và không có ULTC và OEL.
Hình vẽ 3-13: Kịch bản 1 - Công suất phản kháng của G4042 đối với
hai trường hợp có và không có ULTC và OEL.

96

Hình vẽ 3-14: Điện áp của thanh cái 41 trong hai trường hợp
không có và có các thiết bị ULTC và OEL

98

Hình vẽ 3-15: Kịch bản 2- Công suất phản kháng của MPĐ G4042 đối

98

với hai trường hợp không có và có các thiết bị ULTC và OEL
Hình vẽ 3-16: Kịch bản 3- Điện áp của thanh cái 46 đối với hai trường
hợp.

99

Hình vẽ 3-17: Kịch bản 4- Điện áp của thanh cái 41, 42, 43 và 46

101

Hình vẽ 3-18: Kịch bản 4- Công suất phản kháng của MPĐ
G4041,G4042,G4047, G4051

101


117

Hình vẽ 4-8: Kịch bản 2 – Điện áp của thanh cái 46 khi có cơ cấu
UVLS đề xuất

118

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



Footer Page 14 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 15 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

11

Danh mục các hình vẽ

Hình vẽ 4-9: Kịch bản 3 – Điện áp của thanh cái 42 khi có cơ cấu

119

Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Stt

Bảng

Trang

1

Bảng 3-1: Điện áp và công suất phản kháng ở điều kiện ban đầu

76

2

Bảng 3-2: Các trường hợp nghiên cứu và một kịch bản điển hình

76

3

Bảng 3-3: Các giá trị hệ số mũ điển hình của các loại tải khác nhau
[2].

78

4

(Hiệp hội các hệ thống điện lớn)
A Transmission System Operator in Germany

E.ON Netz

(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)
Electric Power Research Institute

EPRI

(Viện nghiên cứu điện lực Mỹ)
Energy System Management
(Hệ thống quản lý năng lượng)

ESM

Flexible AC Transmission System

FACTS

RWE TSO

IEEE

(Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt)
A transmission system operator in Germany – RWE
Transportnetz Strom
(Trung tâm điều độ hệ thống điện Đức)
Institute of Electrical and Electronics Engineers
(Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ)




Footer Page 17 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 18 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Thuật ngữ viết tắt

14

State Estimator

SE

(Hệ thống đánh giá trạng thái)
Seclective Modal Analysis

SMA

(Phân tích mô hình lựa chọn)
Sybsynchronous Resonance



Wide Area Protection and Control
(Hệ thống bảo vệ và điều khiển trên diện rộng)

OLTC

Under Load Tap Changer model: Mô hình bộ tự động điều áp
dưới tải

OEL

Over Excitation Limiter: Mô hình bộ giới hạn kích từ

MPĐ

Máy phát điện

HTĐ

Hệ thống điện

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



Footer Page 18 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ

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 khó khăn, do vấn đề về công
nghệ, sự lo ngại về an toàn, nguồn cung cấp nhiên liệu và cả sự huy động vốn đầu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



Footer Page 19 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 20 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

16

Chƣơng 1

tư lớn. Vấn đề thứ ba đó là sự xuất hiện và sử dụng ngày càng nhiều các nguồn năng
lượng tái tạo trên bình diện cả nước. Một mặt, các nhà máy phát điện phân tán này
góp phần giảm thiểu gánh nặng cho ngành điện trên phương diện đáp ứng nhu cầu
phụ tải, giảm tổn thất, tiết kiệm chi phí truyền tải, tận dụng năng lượng tái tạo sẵn
có. Cùng với sự xuất hiện của các thiết bị điện tử công suất cả ở phía truyền tải và

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 21 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Chƣơng 1

17

hành và điều khiển HTĐ góp phần nâng cao ổn định điện áp, đảm bảo độ tin cậy
cung cấp điện.
Như phân tích ở trên, HTĐ Việt Nam cũng đang phải đối mặt với những thách
thức kể trên, đặc biệt là do yếu tố lịch sử, địa lý, và quá trình phát triển nhanh
chóng, khiến HTĐ Việt Nam ngày càng trở lên rộng lớn và phức tạp trong tính toán,
thiết kế vận hành và điều khiển. Từ đó cũng phát sinh các vấn đề kỹ thuật cần phải
được giải quyết, đặc biệt là những nghiên cứu về ổn định điện áp. Trong luận văn
này, chúng tôi tập trung nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp trong
HTĐ, cơ chế xảy ra sự cố, nguyên nhân cũng như dùng một biện pháp xa thải phụ
tải theo điện áp thấp để nâng cao ổn định điện áp trong HTĐ
1.2. CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN:
1.2.1. Nghiên cứu các sự cố tan rã HTĐ liên quan đến vấn đề mất ổn định do
mất ổn định điện áp:
Sự cố tan rã HTĐ là một trong những sự cố tồi tệ nhất đối với bất cứ HTĐ nào
bởi vì hậu quả của sự cố là rất lớn khi xem xét dưới góc độ kinh tế và an ninh năng
lượng. Do đó vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ nhiều thập kỷ. Một sự
cố tan rã HTĐ thường là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau, là một hiện

Sự cố sụp đổ điện áp đã được xem như 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 hưởng quá trình sụp đổ điện áp như: Mô hình máy phát điện (MPĐ), mô hình
hệ thống kích từ (KT), mô hình phụ tải, máy biến áp điều áp dưới tải, … Để nhận
được những thông tin chính xác, các đáp ứng của các phần tử trong hệ thống, ở
trong luận văn này, chúng tôi sử dụng chương trình PSS/E để tiến hành mô phỏng
động các hiện tượng, và phân tích sự cố sụp đổ điện áp.
Đứng trên quan điểm ngăn chặn sự cố mất ổn định do sụp đổ điện áp, chúng ta
phải sử dụng các biện pháp tức thời, ở đây chúng tôi đề cập đến hệ thống xa thải
phụ tải theo điện áp thấp. Các vấn đề như ngưỡng tác động, thời gian tác động và
mức tải xa thải trong mỗi nấc cũng sẽ được cân nhắc kỹ lưỡng trong luận văn này.
Trong thực tế, HTĐ thường là rộng lớn, với nhiều đường dây liên lạc trong khi số
lượng các thiết bị điều khiển lớn thì đây được coi là những biện pháp hưu hiệu nhất
trong việc nâng cao ổn định điện áp.
Trong luận văn này, chúng tôi dùng phương pháp mô phỏng động bằng PSS/E để
phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp và đề xuất một cách
thức xa thải phụ tải theo điện áp thấp. Kết quả được tiến hành với hai hệ thống điện
của Carson Taylor và hệ thống điện Bắc Âu.

1.3. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN:
Bản luận văn được trình bày như sau:
Tính cấp thiết của đề tài được trình bày trong chương 1 của luận văn. Chương 2
của luận văn tóm tắt một số sự cố tan rã HTĐ điển hình trên thế giới trong một số
năm gần đây. Trong đó, sự mất ổn định do sụp đổ điện áp là một trong những
nguyên nhân chính. Các nguyên nhân chủ yếu dẫn đến các sự cố này, các định
nghĩa, cũng như là phương pháp nghiên cứu quá trình mất ổn định điện áp cũng
được trình bày trong chương này. Chương 3, giới thiệu việc dùng PSS/E để đánh
giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sụp đổ điện áp. Các kết quả mô phỏng với
HTĐ của Carson Taylor và HTĐ Bắc Âu cũng được trình bày ở đây. Trong chương
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên




Footer Page 23 of 16.

Học viên: Đặng Hoài Nam

Lớp: K11 TBM&NMĐ


Header Page 24 of 16.

Luận văn Thạc sĩ

Chƣơng 2

20

CHƢƠNG 2
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
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 nước phát triển như Mỹ,
Nhật Bản, Tây Âu…. Trong phần này, một số các sự cố điển hình được 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 [51]:
 Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 19/12/1978 tại Pháp. Lúc đó HTĐ Pháp đang
nhập khẩu điện năng từ các nước bên cạnh. Phụ tải tăng lên từ khoảng 7h đến
8h là 4600MW. So với ngày hôm trước thì nhu cầu phụ tải tăn lên là


Chƣơng 2

21

sự cố đầu tiên, ba tổ máy khác đã bị cắt ra do bảo vệ “Giới hạn công suất
phản kháng” của MPĐ. Vào lúc 3 phút 20 giây, điện áp trên một số nút của
một số nhà máy điện đã giảm xuống 0.82pu. Vào lúc 4phút 30 giây, hai máy
phát khác bị cắt ra bởi rơle tổng trở, dẫn đến sự sụp đổ điện áp do mất ổn định
điện áp trong khoảng trung và dài hạn [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã hệ thống điện ngày 27/12/1983 tại Thụy Điển: Việc hư hỏng một
bộ dao cách ly và sự cố ở một trạm biến áp ở phía tây của Stockholm dẫn đến
việc ngắt toàn bộ trạm biến áp và 2 đường dây 400 kV. Khoảng 8 giây sau,
một đường dây 220 kV bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng. Điện áp của HTĐ bị
giảm thấp làm cho các MBA với bộ điều áp dưới tải tác động, càng làm cho
điện áp trên hệ thống các đường dây truyền tải giảm thấp, và dòng điện tăng
cao trong các đường dây từ phía bắc đến miền nam. Khoảng 55 giây sau sự cố
ở trong TBA, một đường dây 400 kV bị cắt ra làm cho HTĐ của Thụy Điển
bị tách thành hai phần, Bắc và Nam. Các hiện tượng sụp đổ tần số và điện áp
xảy ra trong HTĐ. Hệ thống xa thải phụ tải đã không có hiệu quả trong việc
cứu vãn HTĐ khỏi sự sụp đổ. Các tổ máy hạt nhân trong khu vực HTĐ chia
rẽ đã bị cắt ra bởi bảo vệ quá dòng và trở kháng thấp dẫn đến sự cố tan rã
hoàn toàn HTĐ. Tổng lượng tải bị cắt ra vào khoảng 11400 MW. Nguyên
nhân chính của sự cố tan rã HTĐ là do sụp đổ tần số và điện áp trong khoảng
thời gian dài sau khi trải qua một sự cố nghiêm trọng [1], [2], [3].
 Sự cố tan rã HTĐ tại Florida – Mỹ ngày 17/05/1985: Một sự cố phóng điện
dẫn đến việc cắt ba đường dây 500kV đang mang tải nhẹ dẫn đến sụp đổ điện
áp và tan rã hoàn toàn HTĐ trong vòng vài giây. Lượng tải bị mất khoảng
4292 MW. Nguyên nhân của sự cố tan rã HTĐ là quá trình sụp đổ điện áp
trong khoảng thời gian quá độ [2], [3].