Khảo sát quan hệ công suất tác dụng và điện áp tại nút phụ tải để đánh giá giới hạn ổn định điện áp

KHẢO SÁT QUAN HỆ CÔNG SUẤT TÁC DỤNG VÀ ĐIỆN ÁP TẠI NÚT PHỤ TẢI ĐỂ ĐÁNH GIÁ GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP AN INVESTIGATION INTO VOLTAGE AND POWER ACTIVE RELATION AT THE LOAD BUS TO ESTIMATE VOLTAGE STABILITY LIMIT ĐINH THÀNH VIỆT – NGÔ VĂN DƯỠNG Đại học Đà Nẵng LÊ HỮU HÙNG Công ty Truyền tải điện 2 - EVN TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp khảo sát quan hệ công suất tác dụng và điện áp (PV) tại nút tải để tìm giới hạn ổn định điện áp làm cơ sở xây dựng miền làm việc cho phép theo điều kiện giới hạn ổn định điện áp tại nút tải. ABSTRACT This paper presents a method of studying the relationship between the active power and voltage (PV) at the load bus to identify the voltage stability limit. As a foundation for building a permitted operation region working in complying with the voltage stability limit at the load bus. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nhờ thực hiện chủ trương đổi mới của Đảng, nền kinh tế Việt Nam từ năm 1985 đến nay đã tăng trưởng với tốc độ bình quân 7%/năm. Nhiều khu công nghiệp lớn, khu kinh tế mở và khu dân cư mới được hình thành, để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện tăng nhanh theo tốc độ tăng trưởng của phụ tải, Nhà nước đã huy động một nguồn vốn lớn để đầu tư phát triển Hệ thống điện. Ngày 27/5/1994 đã đóng điện đưa đường dây 500kV vào vận hành kết nối HTĐ ba miền thành HTĐ hợp nhất Bắc-Trung-Nam, tạo điều kiện để khai thác một cách hiệu quả các nguồn điện hiện có truyền tải và cung cấp cho các hộ tiêu thụ. Trong những năm qua HTĐ Việt Nam liên tục phát triển, đến nay lưới điện 500kV có tổng chiều dài là 3466km và 11 trạm biến áp với tổng công suất là 6600MVA. Hiệu quả do các HTĐ hợp nhất mang lại là rất lớn, tuy nhiên trên các HTĐ hợp nhất có các đường dây siêu cao áp đã xuất hiện nhiều vấn đề kỹ thuật khá phức tạp cần được giải quyết trong thiết kế cũng như vận hành. Một trong những vấn đề đó là lượng công suất phản kháng do các đường dây siêu cao áp sinh ra rất lớn tỉ lệ với bình phương điện áp, đã gây ảnh hưởng đến khả năng tải của đường dây, tác động đến chế độ làm việc của máy phát và phân bố điện áp trong các mạng điện áp thấp, đặc biệt là tác động đến ổn định điện áp trong HTĐ. Để giải quyết vấn đề nầy thường lắp đặt các tụ bù dọc và kháng bù ngang trên các đường dây truyền tải, trong HTĐ Việt Nam trên các đoạn đường dây 500kV có khoảng cách lớn, ở hai đầu được lắp đặt tụ bù dọc với mức độ bù là 60% và kháng điện bù ngang với mức độ bù là 70%. Tuy nhiên trào lưu công suất trên các đường dây truyền tải thường thay đổi rất lớn, cho nên ở chế độ tải nặng điện áp các nút giảm xuống đáng kể và dễ dàng đẩy HTĐ rơi vào trạng thái mất ổn định. Đối với HTĐ Việt Nam hiện nay công suất truyền tải trên đường dây 500kV luôn ở mức cao, công suất trên đường dây 500kV Pleiku – Đà Nẵng khoảng 1600MW và trên đường dây 500kV Đà Nẵng – Hà Tĩnh là 1200MW nên điện áp ở các thanh cái 500kV Đà Nẵng, Dốc Sỏi, Hà Tĩnh thường ở mức thấp vào khoảng 475kV ở giới hạn thấp nhất của điện áp vận hành bình thường và có thời điểm điện áp xuống đến 455kV. Do đó việc nghiên cứu đánh giá ổn định và tìm các giải pháp để nâng cao độ dự trữ ổn định cho HTĐ Việt Nam là rất cần thiết. Thực tế vận hành trong thời gian qua HTĐ Việt Nam đã có những sự cố liên quan đến mất ổn định điện áp dẫn đến mất điện trên diện rộng xảy ra vào các ngày 17/5/2005, 27/12/2006, 20/7/2007 và ngày 04/9/2007 [3]. Các hiện tượng tan rã lưới trên diện rộng (black-out) cũng đã xảy ra đối với nhiều HTĐ trên Thế giới như: tại Ý ngày 28/9/2003, Nam Thụy Điển và Đông Đan Mạch ngày 23/9/2003, phía Nam Luân Đôn ngày 28/8/2003, Phần Lan ngày 23/8/2003, Mỹ-Canada ngày 14/8/2003...[1,2], tất cả các trường hợp trên đều liên quan đến mất ổn định điện áp. Hiện nay nước ta đang và sẽ rơi vào tình trạng thiếu nguồn điện trong khi phụ tải tăng nhanh, do đó các đường dây truyền tải sẽ làm việc ở công suất giới hạn cho phép và điện áp tại các nút sẽ có nguy cơ sụt giảm mạnh xuống dưới mức cho phép và có thể tiến đến mức giới hạn về ổn định điện áp. Mặt khác, nước ta đang trong giai đoạn thực hiện vận hành thị trường điện lực ở khâu phát điện và sẽ tiến tới thị trường bán buôn và sau đó là thị trường bán lẽ theo lộ trình Chính phủ đã đề ra. Khi đó phương thức điều độ vận hành hệ thống điện sẽ phức tạp hơn nhiều và công suất truyền tải trong lưới điện sẽ phụ thuộc không chỉ vào công suất phát của nhà máy điện, công suất tiêu thụ của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cả giá bán điện của các nhà máy, các hợp đồng song phương nên việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện càng được đặc biệt quan tâm. 2. KHẢO SÁT QUAN HỆ PV TẠI NÚT PHỤ TẢI Xét hệ thống điện đơn giản cấp điện cho phụ tải 2 từ nguồn 1 (HT: hệ thống) như hình 1 trong đó tất cả các đại lượng được xét trong hệ đơn vị tương đối (pu). Hình 1 Giả sử 111 VV  , 222 VV là điện áp tại các nút 1 và 2. Chọn điện áp 1V  làm điện áp tham chiếu, ta có 011 V  pu. Theo [1, 2] ta có các công thức xác định công suất tại phụ tải 2 như sau: 2 2 12 21 2 sin)sin( ).(  X V X VV P  (1) X VV Q 2 222 2 cos    (2) Từ (1) và (2) suy ra: 222 sinVXP  (3) 222 2 2 cosVXQV  (4) Bình phương 2 vế (3), (4) và cộng 2 phương trình với nhau để khử 2, ta được phương trình trùng phương sau: V1 V2 jX HT        012 222222242  XQXPVXQV (5) Từ (5) cho phép xác định được V2 khi đã biết P2, Q2 và X với điều kiện ràng buộc V2  0. Khảo sát quan hệ PV trong các trường hợp sau: a. Trường hợp cos2 = 1 (Q2 = 0): Từ (5) ta có:   022 2 2 4 2  XPVV (6) Với điều kiện V2  0, phương trình (6) có 2 nghiệm: Phương trình bậc 2 đối với 2 2V cho nghiệm:                2 411 2 411 2 2 2 2 2 2 XP V XP V b a (7) Khi P2 = 0 (không tải) thì (7) sẽ cho 2 giá trị của 2V : V2a = 1 Đây là chế độ bình thường. V2b = 0 Đây là chế độ ngắn mạch tại nút 2. Khi tăng dần phụ tải P2 từ 0 lên thì từ (7) cho thấy điện áp V2a sẽ giảm dần, trong khi V2b sẽ tăng dần cho đến khi gặp nhau tại 1 điểm G nào đó. Ta thể hiện 2 đường cong V2a, V2b trên đồ thị hình 2: Hình 2: Đường cong PV tại nút phụ tải 2 Điểm G ứng với công suất giới hạn P2gh của phụ tải 2. P2gh xuất hiện khi ba VV 22  , theo (7) ta có:     2 411 2 411 2 2 2 2 ghgh XPXP    (8) Suy ra X P gh 2 1 2  (9) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 P2 (pu) V2 (pu) cos  = 0.7 V2a V2b Thay P2gh trong (9) vào (7) ta sẽ xác định được điện áp giới hạn tại nút 2: 7071,0 2 1 2 ghV (10) Nếu P2 > P2gh thì (6) vô nghiệm, khi đó hệ thống không tồn tại chế độ xác lập. b. Trường hợp cos2 < 1 (Q2  0): Từ (5) ta có các nghiệm của điện áp 2V như sau:            2 44121 2 44121 2 2 2 22 2 2 2 2 22 2 PXXQXQ V PXXQXQ V b a (11) Thay 222 tgPQ  vào (11) ta được:            2 44121 2 44121 2 2 2 2222 2 2 2 2 2222 2 PXtgXPtgXP V PXtgXPtgXP V b a   (12) Khi P2=0 ta có: V2a=1 và V2b=0, cho P2 tăng dần lên thì V2a, V2b sẽ thay đổi theo những đường cong và 2 đường cong này sẽ gặp nhau tại điểm giới hạn G khi P=Pgh và khi đó ba VV 22  . Từ (12) suy ra: 0441 22 2 22  ghgh PXtgXP  (13) Giải phương trình (13) xác định được 2 nghiệm P2gh, ta chọn P2gh dương: 2 2 2 cos2 sin1   X P gh   (14) Thay (14) vào 12 xác định được V2gh: 2 2 2 2 cos2 sin1   ghV (15) Từ (14) và (15) cho phép xác định được quan hệ giữa ghV2 và ghP2 : 2 2 2 cos XP V gh gh  (16) Từ (14) và (15) ta nhận thấy P2gh phụ thuộc cos2, sin2 và X nghĩa là phụ thuộc tính chất phụ tải và thông số đường dây, còn V2gh chỉ phụ thuộc tính chất phụ tải. Giả sử X=0,4pu và cos2=0,8, xét 2 trường hợp sau: - Phụ tải có tính cảm Q2 > 0(sin2 >0): P2gh = 0,7835pu; V2gh = 0,5901pu - Phụ tải có tính dung Q2 < 0 (sin2<0): P2gh = 2,5pu; V2gh = 1,118pu Từ (12) biểu diễn mối quan hệ PV và từ (16) biểu diễn mối quan hệ giữa P2gh và V2gh lên đồ thị hình 3. 3. KẾT LUẬN Qua khảo sát quan hệ giữa điện áp và công suất nút tải (PV) cho thấy tồn tại điểm (P2gh, V2gh), đây chính là điểm giới hạn ổn định điện áp nút tải. Điện áp giới hạn V2gh chỉ phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải mà không phụ thuộc vào điện kháng của đường dây. Trong khi đó công suất giới hạn P2gh phụ thuộc vào hệ số công suất của phụ tải đồng thời tỉ lệ nghịch với điện kháng của đường dây. Hệ số công suất càng bé thì công suất tác dụng giới hạn P2gh sẽ càng giảm, như vậy sử dụng tụ bù ngang có thể nâng cao công suất giới hạn của phụ tải. Với hệ số công suất không đổi tăng công suất phụ tải sẽ làm cho điện áp giảm, khi P2 lớn hơn P2gh theo đồ thị hình 2 và hình 3 cho thấy khi đó hệ thống không tồn tại chế độ xác lập (hệ thống mất ổn định). Đây là cơ sở cho phép sử dụng các phần mềm tính toán giải tích mạng điện để xây dựng miền làm việc cho phép cho nút tải trên mặt phẳng công suất, bằng cách làm nặng dần chế độ (tăng dần phụ tải cho đến khi bài toán không hội tụ) để xác định toạ độ điểm giới hạn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] C.W. Taylor (1994), Power System Voltage Stability, McGraw-Hill, New York [2] P. Kundur (1994), Power System Stability and Control, McGraw Hill, New York. [3] Operation Group Report, “Operation report on May 2005, December 2006 and September 2007”, National Load Dispatch Center – EVN, Việt Nam. 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 P2 (pu) V2a, V2b (pu) Ghep 2 đồ thị V2a, V2b cos=0,9, tải cảm cos=0,8, tải cảm cos=0,8, tải dung V2gh Hình 3: Đồ thị quan hệ 22VP với 2cos khác nhau