Đề tài Ổn định hệ thống điện

th«ng sè U, I, P, Q, f, δ... t¹i mäi ®iÓm cña HT§. Ta gäi chóng lµ c¸c th«ng sè chÕ ®é, c¸c th«ng nµy kh¸c víi c¸c th«ng sè hÖ thèng ë chç nã chØ tån t¹i khi HT§ lµm viÖc. C¸c th«ng sè chÕ ®é x¸c ®Þnh hoµn toµn tr¹ng th¸i lµm viÖc cña HT§. C¸c th«ng sè chÕ ®é quan hÖ víi nhau th«ng qua c¸c th«ng sè HT§, nhiÒu mèi qua hÖ nµy cã d¹ng phi tuyÕn. VÝ dô P = U2/R. §ã lµ d¹ng phi tuyÕn thø hai cña HT§, d¹ng phi tuyÕn nµy kh«ng thÓ bá qua trong c¸c bµi to¸n ®iÖn lùc. C¸c chÕ ®é cña HT§ ®−îc chia thµnh hai lo¹i: - ChÕ ®é x¸c lËp (C§XL) lµ chÕ ®é c¸c th«ng sè cña nã dao ®éng rÊt nhá xung quanh gi¸ trÞ trung b×nh nµo ®ã, thùc tÕ cã thÓ xem nh− c¸c th«ng sè nµy lµ h»ng sè. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 2 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Trong thùc tÕ kh«ng tån t¹i chÕ ®é nµo mµ trong ®ã c¸c th«ng sè cña nã bÊt biÕn theo thêi gian v× HT§ bao gåm mét sè v« cïng lín c¸c phÇn tö, c¸c phÇn tö nµy lu«n lu«n biÕn ®æi khiÕn cho c¸c th«ng sè cña chÕ ®é còng biÕn ®æi kh«ng ngõng. C§XL ®−îc chia thµnh: + C§XL lËp b×nh th−êng lµ chÕ ®é vËn hµnh b×nh th−êng cña HT§. + C§XL sau sù cè x¶y ra sau khi ®· lo¹i trõ sù cè. + ChÕ ®é sù cè x¸c lËp lµ chÕ ®é sù cè duy tr× sau thêi gian qu¸ ®é vÝ dô nh− chÕ ®é ng¾n m¹ch duy tr×... - ChÕ ®é qu¸ ®é lµ chÕ ®é mµ c¸c th«ng sè biÕn ®æi rÊt nhÒu. ChÕ ®é qu¸ ®é gåm cã: + ChÕ ®é qu¸ ®é b×nh th−êng lµ b−íc chuyÓn tõ C§XL b×nh th−êng nµy sang C§XL b×nh th−êng kh¸c. + ChÕ ®é qu¸ ®é sù cè x¶y ra sau sù cè. 3. Yªu cÇu ®èi víi c¸c chÕ ®é cña HT§. a. C§XL b×nh th−êng, c¸c yªu cÇu lµ: - §¶m b¶o chÊt l−îng ®iÖn n¨ng: ®iÖn n¨ng cung cÊp cho c¸c phô t¶i ph¶i cã chÊt l−îng ®¶m b¶o, tøc gi¸ trÞ cña c¸c th«ng sè chÊt l−îng (®iÖn ¸p vµ tÇn sè) ph¶i n»m trong giíi h¹n ®−îc quy ®Þnh bëi c¸c tiªu chuÈn. - §¶m b¶o ®é tin cËy: c¸c phô t¶i ®−îc CC§ liªn tôc víi chÊt l−îng ®¶m b¶o. Møc ®é liªn tôc nµy ph¶i ®¸p øng ®−îc yªu cÇu cña c¸c hé dïng ®iÖn vµ ®iÒu kiÖn cña HT§. - Cã hiÖu qña kinh tÕ cao: chÕ ®é tho¶ m·n ®é tin cËy vµ ®¶m b¶o chÊt l−îng ®iÖn n¨ng ®−îc thùc hiÖn víi chi phÝ s¶n xuÊt ®iÖn, truyÒn t¶i vµ ph©n phèi ®iÖn n¨ng nhá nhÊt. - §¶m b¶o an toµn ®iÖn: ph¶i ®¶m b¶o an toµn cho ng−êi vËn hµnh, ng−êi dïng ®iÖn vµ thiÕt bÞ ph©n phèi ®iÖn. b. C§XL sau sù cè, yªu cÇu lµ: C¸c yªu cÇu môc a ®−îc gi¶m ®i nh−ng chØ cho phÐp kÐo dµi trong mét thêi gian ng¾n, sau ®ã ph¶i cã biÖn ph¸p hoÆc lµ thay ®æi th«ng sè cña chÕ ®é hoÆc lµ thay ®æi s¬ ®å hÖ thèng ®Ó ®−a chÕ ®é nµy ®Ó vÒ C§XL b×nh th−êng. c. ChÕ ®é qu¸ ®é (C§Q§), yªu cÇu lµ: - ChÊm døt mét c¸ch nhanh chãng b»ng C§XL b×nh th−êng hay C§XL sau sù cè. - Trong thêi gian qu¸ ®é c¸c th«ng sè biÕn ®æi trong giíi h¹n cho phÐp nh−: gi¸ trÞ cña dßng ®iÖn ng¾n m¹ch, ®iÖn ¸p t¹i c¸c nót cña phô t¶i khi ng¾n m¹ch... - C¸c yªu cÇu cña HT§ ®−îc xÐt ®Õn khi thiÕt kÕ vµ ®−îc b¶o ®¶m b»ng c¸ch ®iÒu chØnh th−êng xuyªn trong qu¸ tr×nh vËn hµnh HT§. II. §Þnh nghÜa æn ®Þnh HT§. 1. C©n b»ng c«ng suÊt. §iÒu kiÖn cÇn ®Ó C§XL cã thÓ tån t¹i lµ sù c©n b»ng c«ng suÊt t¸c dông (CSTD) vµ c«ng suÊt ph¶n kh¸ng (CSPK). C«ng suÊt do c¸c nguån sinh ra ph¶i b»ng c«ng suÊt do c¸c phô t¶i tiªu thô céng víi tæn thÊt c«ng suÊt trong c¸c phÇn tö cña HT§. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 3 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn PPPP ptF =Δ+= (1.1) QQQQ ptF =Δ+= (1.2) Gi÷a CSTD vµ CSPK cã mèi quan hÖ: 222 QPS += (1.3) Cho nªn c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt (1.1) vµ (1.2) kh«ng thÓ xÐt mét c¸ch ®éc lËp mµ lóc nµo còng ph¶i xÐt ®Õn mèi quan hÖ gi÷a chóng. Tuy vËy trong thùc tÕ tÝnh to¸n vµ vËn hµnh HT§ mét c¸ch gÇn ®óng cã thÓ xem sù biÕn ®æi cña CSTD vµ CSPK tu©n theo c¸c quy luËt riªng biÖt Ýt ¶nh h−ëng ®Õn nhau. §ã lµ: - Sù biÕn ®æi CSTD chØ cã ¶nh h−ëng ®Õn tÇn sè cña HT§, ¶nh h−ëng cña nã ®Õn ®iÖn ¸p kh«ng ®¸ng kÓ. Nh− vËy tÇn sè cã thÓ xem lµ chØ tiªu ®Ó ®¸nh gi¸ sù c©n b»ng CSTD. - Sù biÕn ®æi cña CSPK ¶nh h−ëng chñ yÕu ®Õn ®iÖn ¸p cña HT§. Nh− vËy cã thÓ xem ®iÖn ¸p lµ chØ tiªu ®Ó ®¸nh gi¸ sù c©n b»ng CSPK. Trong khi vËn hµnh HT§ c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt (1.1) vµ (1.2) ®−îc ®¶m b¶o mét c¸ch tù nhiªn. C¸c th«ng sè cña chÕ ®é lu«n gi÷ c¸c gi¸ trÞ sao cho c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt ®−îc tho¶ m·n. VÝ dô, khi xuÊt ph¸t tõ mét vÞ trÝ c©n b»ng nµo ®ã ta t¨ng CSTD cña nguån lªn lËp tøc tÇn sè sÏ t¨ng lªn lµm cho c«ng suÊt tiªu thô cña phô t¶i còng t¨ng lªn theo cho tíi khi c©n b»ng víi c«ng suÊt cña nguån. Hay khi ®ãng thªm mét phô t¶i CSPK th× lËp tøc ®iÖn ¸p toµn hÖ thèng sÏ gi¶m lµm cho c¸c phô t¶i ph¶n kh¸ng kh¸c sÏ gi¶m ®i cho tíi khi ®¹t l¹i sù c©n b»ng CSPK. TÊt nhiªn sù ®iÒu chØnh nµy chØ thùc hiÖn ®−îc trong ph¹m vi cho phÐp. C¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt (1.1) vµ (1.2) vµ (1.3) lµ c¸c c¬ së xuÊt ph¸t ®Ó tÝnh to¸n c¸c chÕ ®é cña HT§. Tõ c¸c ®iÒu kiÖn Êy ta tÝnh ®−îc c¸c th«ng sè cña chÕ ®é U, I, P, Q... §Ó ®¶m b¶o sù lµm viÖc ®óng ®¾n cña phô t¶i ®iÖn vµ HT§, quy ®Þnh c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng cho CSTD vµ CSPK nh− sau: - C«ng suÊt t¸c dông lµ c©n b»ng khi tÇn sè cña hÖ thèng b»ng tÇn sè ®ång bé f (50 hay 60 Hz) hoÆc lµ n»m trong giíi h¹n cho phÐp: maxcpmincp fff ≤≤ . - C«ng suÊt ph¶n kh¸ng lµ c©n b»ng khi ®iÖn ¸p t¹i c¸c nót cña HT§ n»m trong giíi h¹n cho phÐp: maxcpmincp UUU ≤≤ . Khi ®iÖn ¸p vµ tÇn sè lÖch khái c¸c gi¸ trÞ cho phÐp th× xem nh− sù c©n b»ng c«ng suÊt kh«ng ®¶m b¶o vµ cÇn cã biÖn ph¸p ®Ó b¶o ®¶m chóng. Sù c©n b»ng CSTD cã tÝnh chÊt toµn hÖ thèng. V× ë tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn hÖ thèng tÇn sè lu«n cã gi¸ trÞ chung. ViÖc ®¶m b¶o tÇn sè do ®ã dÔ thùc hiÖn, chØ cÇn ®iÒu chØnh c«ng suÊt t¹i mét nhµ m¸y nµo ®ã. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 4 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Tr¸i l¹i, sù c©n b»ng CSPK mang tÝnh chÊt côc bé thõa chç nµy thiÕu chç kh¸c. ViÖc ®iÒu chØnh CSPK phøc t¹p kh«ng thÓ thùc hiÖn chung cho toµn bé hÖ thèng ®−îc. Trong HT§, m¸y ph¸t ®iÖn (MF) lµ phÇn tö quyÕt ®Þnh sù lµm viÖc cña toµn hÖ thèng, v× vËy sù c©n b»ng CSTD trªn trôc roto cña c¸c MF ®ãng vai trß quan träng quyÕt ®Þnh sù tån t¹i cña C§XL. §©y lµ sù c©n b»ng C¬-§iÖn, nghÜa lµ sù c©n b»ng gi÷a c«ng suÊt c¬ häc cña tuabin TBP vµ c«ng suÊt ®iÖn MFP do MF ph¸t ra: MFTB PP = . Nh− trªn ®· nãi, sù c©n b»ng CSTD cã tÝnh chÊt toµn hÖ thèng cho nªn bÊt cø sù mÊt c©n b»ng nµo x¶y ra ë bÊt cø ®©u còng ®Òu tøc kh¾c t¸c ®éng lªn MF vµ g©y ra sù mÊt c©n b»ng c¬ ®iÖn ë ®©y. §èi víi CSPK sù c©n b»ng ë c¸c nót phô t¶i lín cã ý nghÜa quan träng h¬n c¶. Cßn ®èi víi c¸c phô t¶i quay còng cã sù c©n b»ng c¬ ®iÖn c«ng suÊt ®iÖn cña l−íi PTP vµ c«ng suÊt c¬ CP cña c¸c m¸y c«ng cô: PTC PP = . 2. §Þnh nghÜa æn ®Þnh HT§. §iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt kh«ng ®ñ cho mét C§XL tån t¹i trong thùc tÕ. V× c¸c chÕ ®é trong thùc tÕ lu«n bÞ c¸c kÝch ®éng tõ bªn ngoµi. Mét chÕ ®é tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt muèn tån t¹i ®−îc trong thùc tÕ ph¶i chÞu ®ùng ®−îc c¸c kÝch ®éng mµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng c«ng suÊt kh«ng bÞ ph¸ huû. C¸c kÝch ®éng ®èi víi chÕ ®é HT§ ®−îc chia lµm 2 lo¹i: c¸c kÝch ®éng nhá vµ c¸c kÝch ®éng lín. a. æn ®Þnh tÜnh. C¸c kÝch ®éng nhá x¶y ra liªn tôc vµ cã biªn ®é nhá, ®ã lµ sù biÕn ®æi cña thiÕt bÞ ®iÒu chØnh... C¸c kÝch ®éng nµy t¸c ®éng lªn roto cña MF, ph¸ ho¹i sù c©n b»ng c«ng suÊt ban ®Çu lµm cho C§XL t−¬ng øng bÞ dao ®éng. C§XL muèn duy tr× ®−îc th× ph¶i chÞu ®−îc c¸c kÝch ®éng nhá nµy, cã nghÜa lµ sù c©n b»ng c«ng suÊt ph¶i ®−îc gi÷ v÷ng tr−íc c¸c kÝch ®éng nhá, nãi ®óng h¬n lµ sù c©n b»ng c«ng suÊt ph¶i ®−îc kh«i phôc sau c¸c kÝch ®éng nhá, trong tr−êng hîp ®ã ta nãi r»ng hÖ thèng cã æn ®Þnh tÜnh. Ta cã, ®Þnh nghÜa æn ®Þnh tÜnh: æn ®Þnh tÜnh lµ kh¶ n¨ng cña HT§ kh«i phôc l¹i chÕ ®é ban ®Çu hoÆc rÊt gÇn chÕ ®é ban ®Çu sau khi bÞ kÝch ®éng nhá. Nh− vËy æn ®Þnh tÜnh lµ ®iÒu kiÖn ®ñ ®Ó mét C§XL tån t¹i trong thùc tÕ. b. æn ®Þnh ®éng. C¸c kÝch ®éng lín x¶y ra Ýt h¬n so víi c¸c kÝch ®éng nhá, nh−ng cã biªn ®é kh¸ lín. C¸c kÝch ®éng nµy x¶y ra do c¸c biÕn ®æi ®ét ngét s¬ ®å nèi ®iÖn, biÕn ®æi cña phô t¶i ®iÖn vµ c¸c sù cè ng¾n m¹ch... C¸c kÝch ®éng lín t¸c ®éng lµm cho c©n b»ng c«ng suÊt C¬-§iÖn bÞ ph¸ vì ®ét ngét, C§XL t−¬ng øng bÞ dao ®éng rÊt m¹nh. Kh¶ n¨ng cña HT§ chÞu ®−îc c¸c kÝch ®éng nµy mµ C§XL kh«ng bÞ ph¸ ho¹i gäi lµ kh¶ n¨ng æn ®Þnh ®éng cña HT§. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 5 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Ta cã ®Þnh nghÜa æn ®Þnh ®éng: æn ®Þnh ®éng lµ kh¶ n¨ng cña HT§ kh«i phôc l¹i chÕ ®é lµm viÖc ban ®Çu hoÆc lµ rÊt gÇn chÕ ®é ban ®Çu sau khi bÞ kÝch ®éng lín. Nh− vËy æn ®Þnh ®éng lµ ®iÒu kiÖn ®Ó cho chÕ ®é cña HT§ tån t¹i l©u dµi. c. æn ®Þnh tæng qu¸t. Khi mét chÕ ®é nµo ®ã cña HT§ chÞu c¸c kÝch ®éng nhá hoÆc lín, nÕu HT§ cã æn ®Þnh tÜnh hoÆc ®éng th× sù c©n b»ng CSTD ban ®Çu sÏ ®−îc kh«i phôc l¹i, chÕ ®é lµm viÖc ®−îc gi÷ v÷ng. Trong qu¸ tr×nh dao ®éng nµy tÇn sè bÞ lÖch khái gi¸ trÞ ®Þnh møc song ®é lÖch nµy qu¸ nhá cho nªn tÇn sè ®−îc xem nh− kh«ng thay ®æi. V× vËy ®Æc tr−ng qu¸ tr×nh dao ®éng rotor cña MF khi ch−a mÊt æn ®Þnh lµ tèc ®é gãc cña chóng vÉn gi÷ gi¸ trÞ ®ång bé 0ω=ω )/.,.( srad314501432f20 ==π=ω chÕ ®é vÉn lµ chÕ ®é ®ång bé. NÕu hÖ thèng mÊt æn ®Þnh th× sù c©n b»ng bÞ ph¸ huû, tèc ®é gãc cña roto bÞ lÖch khái gi¸ trÞ ®Þnh møc víi gi¸ trÞ lín, trong hÖ thèng xuÊt hiÖn hÖ sè tr−ît s. 0 0s ω ω−ω= Trong ®ã: + ω lµ tèc ®é gãc tøc thêi cña c¸c MF. + 0ω lµ tèc ®é ®ång bé. Khi ®ã HT§ r¬i vµo chÕ ®é kh«ng ®ång bé, c«ng suÊt vµ c¸c th«ng sè kh¸c cña chÕ ®é dao ®éng rÊt m¹nh víi biªn ®é lín. ChÕ ®é kh«ng ®ång bé kÐo dµi sÏ dÉn ®Õn: - HÖ thèng bÞ tan r· hoµn toµn, c¸c MF bÞ c¾t khái l−íi vµ ngõng lµm viÖc. - ChÕ ®é ®ång bé l¹i ®−îc kh«i phôc, khi ®ã hÖ thèng cã kh¶ n¨ng æn ®Þnh tæng qu¸t. Ta cã, ®Þnh nghÜa æn ®Þnh tæng qu¸t: æn ®Þnh tæng qu¸t lµ kh¶ n¨ng cña HT§ lËp l¹i chÕ ®é ®ång bé sau khi ®· r¬i vµo chÕ ®é kh«ng ®ång bé do mÊt æn ®Þnh tÜnh hoÆc mÊt æn ®Þnh ®éng. d. æn ®Þnh ®iÖn ¸p. ë c¸c nót phô t¶i, c¸c kÝch ®éng nhá lµm cho ®iÖn ¸p biÕn ®æi. Sù biÕn ®æi ®iÖn ¸p nµy cã thÓ lµm cho c©n b»ng CSTD vµ CSPK bÞ ph¸ ho¹i dÉn ®Õn mÊt æn ®Þnh phô t¶i, c¸c ®éng c¬ kh«ng ®ång bé ngõng lµm viÖc. Kh¶ n¨ng cña HT§ chÞu ®−îc c¸c kÝch ®éng nµy mµ chÕ ®é lµm viÖc kh«ng bÞ ph¸ ho¹i gäi lµ æn ®Þnh phô t¶i hay lµ æn ®Þnh ®iÖn ¸p. Ta cã, ®Þnh nghÜa æn ®Þnh ®iÖn ¸p (æn ®Þnh phô t¶i): æn ®Þnh phô t¶i lµ kh¶ n¨ng cña HT§ kh«i phôc l¹i ®iÖn ¸p ban ®Çu hay rÊt gÇn ban ®Çu khi bÞ c¸c kÝch ®éng nhá ë nót phô t¶i. 3. C¸c d¹ng mÊt æn ®Þnh. Cã 2 d¹ng mÊt æn ®Þnh: - MÊt æn ®Þnh tiÖm cËn. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 6 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn - MÊt æn ®Þnh dao ®éng, gåm 2 lo¹i: + Tù dao ®éng t¨ng dÇn. + Tù kÝch thÝch. a. MÊt æn ®Þnh tiÖm cËn. Khi c«ng suÊt ph¸t cña nhµ m¸y ®iÖn lªn hÖ thèng qua ®−êng d©y dµi v−ît qu¸ giíi h¹n æn ®Þnh tÜnh thÓ hiÖn b»ng ghP hay gãc ghδ (gãc gi÷a vector søc ®iÖn ®éng cña m¸y ph¸t vµ ®iÖn ¸p trªn thanh gãp cña hÖ thèng nhËn ®iÖn) th× hÖ thèng mÊt æn ®Þnh tÜnh vµ gãc δ t¨ng lªn. HT§ r¬i vµo chÕ ®é kh«ng ®ång bé, c¸c th«ng sè chÕ ®é biÕn ®æi m¹nh v−ît ra ngoµi ph¹m vi cho phÐp, c¸c MF bÞ c¾t khái l−íi vËn hµnh lµm cho HT§ tan r·. §Ó ®èi phã víi d¹ng mÊt æn ®Þnh nµy ph¶i thiÕt kÕ hÖ thèng cã ghP cao h¬n c«ng suÊt cÇn ph¸t cña nhµ m¸y ®iÖn. b. MÊt æn ®Þnh dao ®éng, cã 2 d¹ng: - Tù dao ®éng t¨ng dÇn: nguyªn nh©n chÝnh cã thÓ x¶y ra lµ kh«ng chØnh ®Þnh ®óng hÖ thèng tù ®éng ®iÒu chØnh kÝch tõ (T§K), gãc δ võa dao ®éng võa t¨ng lªn. §Ó h¹n chÕ tù dao ®éng t¨ng dÇn ph¶i chØnh ®Þnh ®óng T§K lo¹i tû lÖ. Khi ®−êng d©y dµi t¶i c«ng suÊt lín th× nªn dïng T§K lo¹i m¹nh cã kh¶ n¨ng h¹n chÕ nguy c¬ tù dao ®éng t¨ng dÇn cao h¬n so víi T§K lo¹i tû lÖ. - Tù kÝch lµ hiÖn t−îng dßng ®iÖn kÝch tõ vµ dßng ®iÖn m¸y ph¸t tù t¨ng lªn kÐo theo sù biÕn ®æi cña ®iÖn ¸p m¸y ph¸t. Tù kÝch hay x¶y ra trong tr−êng hîp m¸y ph¸t lµm viÖc víi ®−êng d©y dµi kh«ng t¶i. §iÖn dung cña ®−êng d©y (do ®iÖn dung lín h¬n ®iÖn kh¸ng nªn ®−êng d©y thÓ hiÖn víi m¸y ph¸t nh− mét tô ®iÖn) t¹o víi ®iÖn kh¸ng, ®iÖn trë m¸y ph¸t m¹ch dao ®éng R, L, C cã tÇn sè riªng rω . Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh, n¨ng l−îng cña roto truyÒn sang lµm cho m¹ch nµy dao ®éng, nÕu tÇn sè riªng rω gÇn b»ng tÇn sè cña m¸y ph¸t sÏ g©y ra céng h−ëng vµ lµm cho dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p m¸y ph¸t t¨ng lªn. §Ó tr¸nh hiÖn t−îng nµy khi thiÕt kÕ ®−êng d©y dµi ph¶i chó ý khi chän vµ hiÖu chØnh th«ng sè cña ®−êng d©y. Nãi chung th× sau khi thiÕt kÕ vµ chØnh ®Þnh ®óng hÖ thèng víi ®−êng d©y dµi, th× c¸c hiÖn t−îng tù dao ®éng t¨ng dÇn vµ tù kÝch cã thÓ xem nh− ®−îc lo¹i trõ. Trong vËn hµnh chØ cßn ph¶i ®èi phã víi mÊt æn ®Þnh d¹ng tiÖm cËn khi mµ c«ng suÊt ph¸t biÕn ®æi m¹nh. II. Môc tiªu kh¶o s¸t æn ®Þnh. Nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, mét C§XL muèn tån t¹i ®−îc trong thùc tÕ tøc lµ cã thÓ thùc hiÖn ®−îc nã trong vËn hµnh cÇn ph¶i cã 2 ®iÒu kiÖn: - Cã sù c©n b»ng c«ng suÊt theo (1.1) vµ (1.2). - ChÕ ®é cã æn ®Þnh, tr−íc hÕt lµ æn ®Þnh tÜnh vµ æn ®Þnh phô t¶i v× c¸c kÝch ®éng nhá x¶y ra th−êng xuyªn. ViÖc ®¶m b¶o æn ®Þnh ®éng vµ æn ®Þnh tæng qu¸t ®¶m b¶o cho c¸c chÕ ®é lµm viÖc l©u dµi. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 7 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Trong thiÕt kÕ vµ vËn hµnh HT§, c¸c chÕ ®é tho¶ m·n vÒ yªu cÇu chÊt l−îng ®iÖn n¨ng, ®é tin cËy, kinh tÕ, æn ®Þnh tÜnh ph¶i ®−îc ®¶m b¶o v« ®iÒu kiÖn, cßn æn ®Þnh ®éng vµ æn ®Þnh tæng qu¸t ®−îc ®¶m b¶o trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh. Môc tiªu kh¶o s¸t æn ®Þnh cña hÖ thèng lµ: XÐt kh¶ n¨ng æn ®Þnh cña c¸c chÕ ®é vËn hµnh cã thÓ x¶y ra ®èi víi HT§ ®−îc thiÕt kÕ, quy ho¹ch, còng nh− trong vËn hµnh. NÕu kh¶ n¨ng ®ã kh«ng ®ñ yªu cÇu th× ph¶i thùc hiÖn c¸c biÖn ph¸p t¨ng c−êng nã sao cho hÖ thèng kh«ng bÞ mÊt æn ®Þnh khi r¬i vµo chÕ ®é ®ã. Kh¶ n¨ng æn ®Þnh cña chÕ ®é ®−îc biÓu diÔn b»ng ®é dù tr÷ æn ®Þnh, ®©y lµ ®¹i l−îng ph¶n ¸nh sù so s¸nh gi÷a chÕ ®é ®−îc xÐt æn ®Þnh vµ chÕ ®é giíi h¹n æn ®Þnh, tøc lµ chÕ ®é nµo ®ã th× tr−íc hÕt ph¶i tÝnh ®−îc chÕ ®é giíi h¹n cña HT§. ChÕ ®é giíi h¹n ®−îc ®Æc tr−ng bëi c¸c th«ng sè giíi h¹n ,Pgh ghQ , ghU , ghδ .... §é dù tr÷ æn ®Þnh cña HT§ lµ ®é dù tr÷ cña chÕ ®é cã ®é dù tr÷ bÐ nhÊt trong tÊt c¶ c¸c chÕ ®é cã thÓ x¶y ra cña HT§. III. Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t æn ®Þnh Khi x¶y ra mét kÝch ®éng nµo ®ã th× kÝch ®éng nµy t¸c ®éng lªn roto cña MF vµ g©y ra ë ®ã sù mÊt c©n b»ng c«ng suÊt. Sù mÊt c©n b»ng nµy t¹o ra qu¸ tr×nh qu¸ ®é C¬-§iÖn trong MF. NÕu qu¸ tr×nh nµy t¾t dÇn th× cã nghÜa lµ sù c©n b»ng c«ng suÊt ®−îc kh«i phôc vµ chÕ ®é æn ®Þnh, cßn trong tr−êng hîp ng−îc l¹i qu¸ tr×nh kh«ng t¾t dÇn vµ sù kh«ng c©n b»ng c«ng suÊt ngµy cµng t¨ng lªn, chÕ ®é kh«ng æn ®Þnh, tøc lµ hÖ thèng mÊt æn ®Þnh. ViÖc kh¶o s¸t æn ®Þnh chÝnh lµ kh¶o s¸t qu¸ tr×nh qu¸ ®é C¬-§iÖn x¶y ra trong MF khi cã c¸c kÝch ®éng trong HT§. Qu¸ tr×nh qu¸ ®é C¬-§iÖn ®−îc diÔn t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña roto cña MF, cho nªn xÐt æn ®Þnh còng chÝnh lµ xÐt ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña c¸c MF trong hÖ thèng khi x¶y ra c¸c kÝch ®éng. Gi¶ sö mét MF ®ang lµm viÖc víi C§XL víi c¸c th«ng sè 0P , 000 ,U,Q δ ... th× khi x¶y ra mét kÝch ®éng, kÝch ®éng nµy g©y ra sù mÊt c©n b»ng c«ng suÊt PΔ trªn trôc roto. PPPPP 00T −=−=Δ (1.7) Trong ®ã: - 0TP lµ c«ng suÊt ban ®Çu cña tuabin. - PPP 00T == lµ c«ng suÊt ®iÖn cña m¸y ph¸t sau khi x¶y ra kÝch ®éng. C«ng suÊt PΔ cßn ®−îc gäi lµ c«ng suÊt thõa, nã t¸c ®éng lªn roto vµ g©y ra cho nã mét gia tèc: j 2 2 T P dt d Δ=δ=α (1.8) Trong ®ã: - jT lµ h»ng sè qu¸n tÝnh. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 8 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn - δ lµ gãc quay t−¬ng ®èi cña roto, nã ®−îc x¸c ®Þnh bëi vÞ trÝ cña roto so víi mét trôc tÝnh to¸n quay víi tèc ®é ®ång bé 00 f2π=ω (h×nh 1-1). Ta ph¶i nhí r»ng tr−íc khi bÞ kÝch ®éng roto ®ang quay víi vËn tèc ®ång bé 0ω , c«ng suÊt thõa 0P =Δ . Theo h×nh (1.1), nh− vËy roto quay cïng víi tèc ®é cña trôc tÝnh to¸n cho nªn gãc δ lµ h»ng sè, do ®ã gia tèc α khi ch−a cã kÝch ®éng lµ b»ng kh«ng. Sau khi bÞ kÝch ®éng, do xuÊt hiÖn c«ng suÊt thõa PΔ nªn tèc ®é gãc cña roto sÏ kh¸c víi tèc ®é ®ång bé 0ω cho nªn sÏ xuÊt hiÖn tèc ®é quay t−¬ng ®èi cña roto víi trôc tÝnh to¸n quay ®ång bé. dt d 0 δ=ω−ω=ωΔ (1.9) Lóc nµy tÊt nhiªn α sÏ kh¸c 0. B©y giê thay (1.7) vµo (1.8) ta sÏ ®−îc ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña roto cña MF: PPP dt dT 02 2 j −=Δ=δ (1.10) ViÖc dÉn xuÊt chÝnh x¸c ph−¬ng tr×nh nµy sÏ ®−îc tr×nh bµy ë phÇn sau. Trong (1.10) kÝch ®éng ®èi víi hÖ thèng ®−îc thÓ hiÖn trong c«ng suÊt thõa PΔ . §©y lµ mét ph−¬ng tr×nh vi ph©n phi tuyÕn. Gi¶i (1.10) theo c¸c PΔ kh¸c nhau sÏ rót ra ®−îc kÕt luËn vÒ æn ®Þnh cña HT§. Gi¶i (1.10) ta sÏ ®−îc quan hÖ gi÷a gãc quay t−¬ng ®èi theo thêi gian ( )tδ , xuÊt ph¸t tõ gi¸ trÞ ban ®Çu 0δ (khi t = 0). NÕu hÖ thèng cã æn ®Þnh th× sau mét thêi gian t nµo ®ã sau khi bÞ kÝch ®éng gãc ( )tδ sÏ trë vÒ gi¸ trÞ ban ®Çu 0δ (h×nh 1.2, ®−êng a) hoÆc lµ mét gi¸ trÞ gÇn nã ®Ó råi sau ®ã sÏ lµ h»ng sè theo t, lóc ®ã PΔ triÖt tiªu, c¸c th«ng sè kh¸c cña chÕ ®é P, Q, U, sau mét thêi gian dao ®éng sÏ trë vÒ gi¸ bÞ ban ®Çu hoÆc gÇn ban ®Çu. Ng−îc l¹i nÕu hÖ thèng mÊt æn ®Þnh th× gãc ( )tδ sÏ t¨ng v« h¹n (h×nh 1.2, ®−êng b) vµ c¸c th«ng sè kh¸c còng biÕn ®æi kh«ng ngõng, hÖ thèng r¬i vµo chÕ ®é kh«ng ®ång bé. Nh− vËy gãc δ , ®óng h¬n lµ sù biÕn thiªn cña δ theo thêi gian biÓu hiÖn trùc tiÕp cña sù æn ®Þnh hay kh«ng æn ®Þnh cña HT§. ω trôc rotor 0ω trôc tÝnh to¸n δ H×nh 1-1: Gãc quay t−¬ng ®èi cña roto δ 0δ b a o t H×nh 1-2: §Æc tÝnh gãc quay cña roto Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 9 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Râ rµng lµ ®Ó cã thÓ gi¶i ®−îc ph−¬ng tr×nh (1.10) cÇn ph¶i t×m ®−îc quan hÖ gi÷a c«ng suÊt ®iÖn P theo gãc quay t−¬ng ®èi cña MF: ( )δ= fP (1.11) Quan hÖ (1.11) ®−îc gäi lµ ®−êng ®Æc tÝnh c«ng suÊt cña MF hoÆc lµ cña HT§. Trong tr−êng hîp hÖ thèng cã nhiÒu MF th× sè gãc quay sÏ nhiÒu vµ ®−êng ®Æc tÝnh c«ng suÊt, c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng sÏ cã d¹ng phøc t¹p h¬n. Ngoµi ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña c¸c MF cßn ph¶i kÓ ®Õn c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n kh¸c cã liªn quan ®Õn qu¸ tr×nh qu¸ ®é c¬ ®iÖn, c¸c ph−¬ng tr×nh nµy t¹o thµnh hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n phøc t¹p m« t¶ qu¸ tr×nh qu¸ ®é c¬ ®iÖn x¶y ra trong HT§ khi bÞ kÝch ®éng. ViÖc gi¶i hÖ ph−¬ng tr×nh nµy ®Ó xÐt æn ®Þnh cña HT§ ®−îc chia lµm hai tr−êng hîp æn ®Þnh tÜnh vµ æn ®Þnh ®éng. a) Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t æn ®Þnh tÜnh. Víi c¸c kÝch ®éng nhá th× sù thay ®æi PΔ còng rÊt nhá nªn (1.10) cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ thµnh ph−¬ng tr×nh vi ph©n tuyÕn tÝnh, ph−¬ng tr×nh nµy cã thÓ kh¶o s¸t mét c¸ch dÔ dµng. Ph−¬ng ph¸p tuyÕn tÝnh ho¸ nµy cßn ®−îc gäi lµ ph−¬ng ph¸p dao ®éng bÐ v× c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ trªn c¬ së c¸c dao ®éng vÒ c«ng suÊt vµ gãc quay do c¸c kÝch ®éng bÐ g©y ra lµ rÊt nhá. Tõ ph−¬ng ph¸p dao ®éng bÐ c¸c tiªu chuÈn to¸n häc vµ c¸c tiªu chuÈn thùc dông ®−îc ¸p dông vµ x©y dùng ®Ó xÐt æn ®Þnh tÜnh cña HT§. b) Ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t æn ®Þnh ®éng. Trong tr−êng hîp nµy c¸c kÝch ®éng rÊt lín cho nªn kh«ng thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n ®−îc mµ ph¶i ®Ó nguyªn nã d−íi d¹ng phi tuyÕn vµ sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p diÖn tÝch vµ ph©n ®o¹n liªn tiÕp ®Ó xÐt æn ®Þnh ®éng. Tãm l¹i ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t æn ®Þnh cña HT§ lµ: - X©y dùng ®−êng ®Æc tÝnh c«ng suÊt (1.11) - X©y dùng hÖ ph−¬ng tr×nh vi ph©n chuyÓn ®éng (1.10) råi tuú theo bµi to¸n æn ®Þnh tÜnh hay ®éng mµ sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p riªng ®Ó xÐt. - Sau khi kh¶o s¸t rót ra c¸c chÕ ®é giíi h¹n, ®em c¸c chÕ ®é vËn hµnh so s¸nh víi nã ®Ó kÕt luËn kh¶ n¨ng æn ®Þnh, tÝnh to¸n c¸c biÖn ph¸p ®¶m b¶o vµ t¨ng c−êng kh¶ n¨ng æn ®Þnh, tÝnh to¸n chØnh ®Þnh th«ng sè cña c¸c thiÕt bÞ ®iÒu chØnh... §èi víi æn ®Þnh tæng hîp ph−¬ng ph¸p kh¶o s¸t sÏ ®−îc nãi ®Õn sau nµy. §1.2 HÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi vμ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña MF I. HÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi. §Ó thuËn lîi cho viÖc tÝnh to¸n, tÊt c¶ c¸c th«ng sè cña hÖ thèng còng nh− chÕ ®é ®−îc quy ®æi vÒ hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi nghÜa lµ chóng ®−îc biÓu hiÖn d−íi d¹ng tû sè gi÷a gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña chóng víi c¸c gi¸ trÞ chän lµm c¬ së. Nªn nhí r»ng trong hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi c¸c ®¹i l−îng kh«ng cã thø nguyªn. Trong tÝnh to¸n HT§ cÇn bèn ®¹i Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 10 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn l−îng c¬ së: dßng ®iÖn Ics, c«ng suÊt Scs, ®iÖn ¸p Ucs vµ tæng trë Zcs, gi÷a chóng cã mèi liªn hÖ: cscscs IU3S = ; cs 2 cs cs S U Z = (1.12) Ta chØ cã thÓ chän tuú ý 2 ®¹i l−îng c¬ së, c¸c ®¹i l−îng c¬ së cßn l¹i tÝnh theo (1.12). C¸c th«ng sè cña chÕ ®é vµ HT§ ®−îc quy ®æi vÒ hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi ®−îc tÝnh nh− sau: cs 1 q cs t q cs t q cs t q Z ZZ I I I U U U S S S ==== ,,, (1.13) C¸c ®¹i l−îng cã chØ sè q lµ ë trong hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi, c¸c ®¹i l−îng cã chØ sè t lµ ë trong hÖ ®¬n vÞ cã tªn hay lµ gi¸ trÞ thùc. NÕu HT§ cã nhiÒu cÊp ®iÖn ¸p th× ngoµi viÖc tÝnh quy ®æi vÒ hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi cßn ph¶i tÝnh chuyÓn vÞ c¸c th«ng sè vÒ cïng mét cÊp ®iÖn ¸p ®−îc chän lµm c¬ së tÝnh to¸n: ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= = n21cs t qc n21 cs t qc kkk 1 I I I kkk U U U ... .... (1.14) Ký hiÖu c chØ r»ng ®¹i l−îng ®· ®−îc tÝnh chuyÓn vÞ, n1 k...k lµ hÖ sè biÕn ¸p cña c¸c MBA n»m gi÷a m¹ch cã gi¸ trÞ cÇn chuyÓn vÞ vµ m¹ch cã gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®−îc chän lµm c¬ së. vÞ chuyÓn d−îc sè th«ng phÝa MBAcña ¸p iÖn§ së co lµm chän d−îc phÝa vÒ MBAcña ¸p iÖn§=k §èi víi c«ng suÊt th× kh«ng ph¶i nh©n víi hÖ sè biÕn ¸p. Tõ ®©y vÒ sau nÕu kh«ng cÇn ph¶i ph©n biÖt gi÷a c¸c ®¹i l−îng cã tªn t−¬ng ®èi vµ chuyÓn vÞ th× kh«ng cÇn thiÕt vÒ c¸c ký hiÖu q vµ c n÷a. Trong tÝnh to¸n æn ®Þnh hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi ®−îc më réng cho thêi gian vµ tèc ®é gãc: - §èi víi thêi gian: gi¸ trÞ c¬ së cst ®−îc chän b»ng thêi gian sao cho roto quay víi tèc ®é ®ång bé 00 f2π=ω quay ®−îc mét gãc b»ng 1 (rad). Tõ ®ã. 0 cs0cs 1t1.t ω=→=ω (1.15) vµ 10q tt ω= ; khi 314f2,Hz50f 000 =π=ω= th× tq t314t = (rad) (1.16) Trong hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi thêi gian cßn ®−îc gäi lµ radian. - §èi víi tèc ®é gãc: gi¸ trÞ c¬ së ®−îc chän lµ tèc ®é ®ång bé oω do ®ã: 314f2 t 0 t cs t q ω=π ω=ω ω=ω (1.17) Khi tω = 0ω th× qω =1 II. Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña MF ®ång bé. Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 11 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Trong tÝnh to¸n æn ®Þnh tÜnh vµ ®éng, coi 0ω=ω vµ khi bá qua qu¸ tr×nh qu¸ ®é ®iÖn tõ cã ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng c¬ häc t−¬ng ®èi cña m¸y ph¸t ®ång bé trong hÖ ®¬n vÞ cã tªn nh− sau: M dt d j 2 h 2 0 Δ=δ (1.18) Trong ®ã: - dT MMM −=Δ lµ moment thõa trªn trôc roto, xuÊt hiÖn khi m¸y ph¸t bÞ kÝch ®éng vµ sù c©n b»ng bÞ ph¸ ho¹i, [kg.m]; =TM moment tuabin; =dM moment ®iÖn. - hδ lµ gãc quay t−¬ng ®èi h×nh häc [rad] (gãc quay thùc cña roto). Gãc nµy ®−îc x¸c ®Þnh bëi vÞ trÝ tøc thêi cña trôc roto víi mét trôc quay víi tèc ®é ®ång bé gäi lµ trôc tÝnh to¸n (h×nh 1.1). V× vËy mµ ph−¬ng tr×nh (1.18) ®−îc gäi lµ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi. - h2 h 2 dt d α=δ lµ gia tèc t−¬ng ®èi cña roto; 0j lµ moment qu¸n tÝnh [ ]2m.kg . Nh©n vµo hai vÕ cña (1.18) víi 20Ω ta sÏ ®−îc: 202h 22 00 M dt d 2 j 2 ΩΔ=δ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Ω Hay lµ: 202 h 2 j Mdt dT ΩΔ=δ (1.19) Trong ®ã: - 0Ω lµ tèc ®é gãc c¬ häc ®ång bé cã gi¸ trÞ tuú theo cÊu t¹o cña MF. - ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Ω= 2 j 2T 2 00 j lµ 2 lÇn ®éng n¨ng cña roto ®−îc gäi lµ h»ng sè qu¸n tÝnh cña roto, nã cã thø nguyªn lµ [ ] ).s/kgmWs1J1Nm1(Ws hay ]s/[kgm [J], m], [N, 2222 === Ph−¬ng tr×nh (1.19) kh«ng tiÖn cho kh¶o s¸t æn ®Þnh v× trong ®ã cã c¶ hai ®¹i l−îng c¬ vµ ®iÖn. §Ó tÝnh to¸n æn ®Þnh tèt h¬n c¶ lµ ®−a (1.19) vÒ ph−¬ng tr×nh víi c¸c ®¹i l−îng ®iÖn: gãc ®iÖn δ vµ tèc ®é ®iÖn 0ω . §Ó lµm nh− vËy ph¶i sö dông c¸c biÓu thøc sau ®©y: 0p 0 0 p h PM; m ; m Ω Δ=Δω=Ωδ=δ (1.20) pm lµ sè ®«i cùc cña roto. Sù ®óng ®¾n cña c¸c quan hÖ (1.20) ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh vÏ (1.3) Thay (1.20) vµo (1.19) ®−îc ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña roto víi c¸c ®¹i l−îng ®iÖn trong hÖ ®¬n vÞ cã tªn: 02 2 j Pdt dT ωΔ=δ [ ]sradkWsradkWs /,,,, (1.21a) 0180=δ p 0 m2360 /=δ H×nh 1-3: S¬ ®å chuyÓn ®æi ®¹i l−îng C¬ - §iÖn Ch−¬ng 1: KNC vÒ æn ®Þnh HÖ thèng ®iÖn - 12 - Bé m«n: hÖ thèng §iÖn Bµi gi¶ng æn ®Þnh hÖ thèng ®iÖn Trong tÝnh to¸n thùc tÕ cã thÓ ¸p dông c¸c d¹ng kh¸c nhau cña ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi nh− sau: NÕu muèn tÝnh gãc b»ng ®é th× thay vµo [ ] δ=δ rad (1.21a) [®é]. 3602 /π : =πωΔ=δ )/.( 2360P dt dT 02 2 j [kWs, ®é, s, kW, rad/s] (1.21b) NÕu muèn tÝnh PΔ trong hÖ ®¬n vÞ t−¬ng ®èi th× thay [ ] PkWP Δ=Δ [§VT§].Scs, [kVA], [ ] [ ] [ ]kVASsTkWsT csjj = vµo (1.21b): ( )002 2 j f306P2360Pdt