Phân tích ổn định hệ thống điện sử dụng phần mềm ETAP :Khóa luận tốt nghiệp Khoa Công nghệ Điện

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

SỬ DỤNG PHẦN MỀM ETAP

Sinh Viên MSSV

Phan Văn Tứ 15027561

Nguyễn Thị Mỹ Vui 15064711

LỚP: DHDI111B

GVHD: TS. Dương Thanh Long

TP. HCM, ngày ... tháng..., năm 2019

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

1. Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài

Nguyễn Thị Mỹ Vui 15064711

Phan Văn Tứ 15027561

2. Tên đề tài: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG

PHẦN MỀM ETAP.

3. Nhiệm vụ

⎯ Tổng quan về ổn định Hệ Thống Điện

⎯ Giới thiệu về phần mềm ETAP.

⎯ Tính toán ổn định trong mạng điện 9 nút trên phần mềm ETAP.

⎯ Tính toán ổn định trong mạng điện 39 nút trên phần mềm ETAP.

4. Kết quả dự kiến

Bảng số liệu, hình ảnh thông số mô phỏng trên IEEE 9 nút và IEEE 30

9 nút

Tài liệu hướng dẫn sử dụng ETAP phân tích ổn định hệ thống điện.

Báo cáo toàn văn

Giảng viên hướng dẫn Tp. HCM, ngày tháng năm 20….

Sinh viên

Trưởng bộ môn

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

ii

ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1. Thái độ tác phong trong lúc hoàn thành đồ án tốt nghiệp:

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

2. Cách thức trình bày báo cáo

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

3. Đánh giá khác:

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

4. Điểm số:

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………

Giáo viên hướng dẫn

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

iii

Mục Lục

CHƯƠNG 1 ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN .......................................................................1

1.1 Khái Niệm Chung Về Ổn Định Hệ Thống Điện...........................................1

1.1.1. Khái niệm chung Hệ Thống Điện .........................................................1

1.1.2. Chế độ của HTĐ....................................................................................2

1.1.3. Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ....................................................3

1.2 Định Nghĩa Ổn Định Hệ Thống Điện...........................................................4

1.2.1. Cân bằng công suất. ..............................................................................5

1.2.2. Phân loại ổn định trong Hệ Thống Điện. ..............................................6

1.2.3. Các dạng mất ổn định............................................................................8

1.2.4. Mục tiêu khảo sát ổn định .....................................................................9

1.2.5. Phương pháp khảo sát ổn định ............................................................10

1.3 Ổn Định Tĩnh Của Hệ Thống Điện Đơn Giản............................................13

1.3.1. Định nghĩa ổn định theo năng lương...................................................13

1.3.2. Hệ thống điện đơn giản .......................................................................14

1.3.3. Tiêu chuẩn ổn định của HTĐ đơn giản ...............................................14

1.3.4. Độ dự trữ ổn định ................................................................................15

1.3.5. Ảnh hưởng của điện kháng của HTĐ đến ổn định tĩnh ......................15

1.3.6. Ổn định tĩnh của HTĐ gồm 2 NMĐ làm việc song song ...................16

1.4 Ổn định động của hệ thống điện .................................................................16

1.4.1. Các kích động lớn trong HTĐ.............................................................16

1.4.2. Sơ đồ thay thế của HTĐ khi ngắn mạch .............................................17

1.4.3. Chọn điểm ngắn mạch.........................................................................18

1.4.4. Sự cố 3 pha đột ngột tại đường dây truyền tải ...................................18

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

iv

1.4.5. Quá trình quá độ trong MF khi xảy ra ngắn mạch, tiêu chuẩn ổn định

động........................... .....................................................................................................29

1.5 Các biện pháp nâng cao ổn định hệ thống điện ..........................................32

1.5.1. Cải thiện các phần tử chính của HTĐ .................................................32

1.5.2. Các biện pháp phụ ...............................................................................34

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ETAP....................................................35

2.1 Tổng Quát Về Chương Trình Etap .............................................................35

2.2 Các thanh Menu cơ bản trong ETAP..........................................................36

2.2.1. Thanh công cụ File..............................................................................36

2.2.2. Thanh công cụ Edit .............................................................................37

2.2.3. Thanh công cụ View ...........................................................................38

2.2.4. Thanh công cụ Project.........................................................................39

2.2.5. Thanh công cụ Tool.............................................................................40

2.2.6. Thanh công cụ hệ thống ......................................................................41

2.2.7. Các phần tử AC cơ bản trong ETAP...................................................41

2.2.8. Nguồn ( Power Grid)...........................................................................42

2.2.9. Máy phát ( Generator)........................................................................43

2.2.10. Bus......................................................................................................45

2.2.12. Tải........................................................................................................51

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN 9 NÚT BẰNG

PHẦN MỀM ETAP............................................................................................................54

3.1 Mô hình mạng điện 9 nút............................................................................54

3.2 Cài đặt thông số mô phỏng trên phần mềm Etap........................................56

3.2.1. .Cài đặt thông số cho máy phát G1 .....................................................56

3.2.2. Cài đặt thông số cho máy phát G2 ......................................................58

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

v

3.2.3. Cài đặt thông số cho máy phát G3 ......................................................60

3.2.4. Cài đặt thông số máy biến áp ..............................................................62

3.2.5. Cài đặt thông số đường dây.................................................................63

3.2.6. Cài đặt thông số tải..............................................................................63

3.3 Giả lập sự cố và mô phỏng: ........................................................................64

3.4 Chạy mô phỏng mạng điện 9 nút:...............................................................65

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MẠNG ĐIỆN 39 NÚT BẰNG

PHẦN MỀM ETAP............................................................................................................71

4.1 Giới thiệu. ...................................................................................................71

4.2 Bộ ổn định hệ thống PSS (Power system stabilizer) ..................................72

4.3 Mạng điện 39 nút:.......................................................................................74

4.4 Chạy mô phỏng mạng điện IEEE 39 Bus khi mạng điện hoạt động bình

thường:............................................................................................................................75

4.5 Trường hợp mạng điện sự cố ngắn mạch 3 pha..........................................77

4.5.1. Khi mạng điện xảy ra sự cố ở giây thứ 3: ...........................................77

4.5.2. Cài đặt relay cắt cô lập điểm sự cố: ....................................................78

4.5.3. Cài đặt thông số cho bộ PSS của máy phát.........................................81

4.5.4. Tăng hằng số quán tính H trong máy phát ..........................................81

4.6 Trường hợp mạng điện sự cố mất một lượng công suất phát ( công suất

phát của máy điện năng lượng tái tạo – Wind Turbine Generator)................................85

4.6.1. Mô phỏng trường hợp lắp đặt hệ thống WTG tại BUS25...................86

4.7 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................88

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN .............................................................................................90

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................91

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................92

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tổng quan về Hệ Thống Điện..............................................................................1

Hình 1.2 Hệ thống điện truyền tải.......................................................................................4

Hình 1.3. Phân loại ổn định trong hệ thống điện ................................................................6

Hình 1.4. Góc quay tương đối của roto.............................................................................11

Hình 1.5. Đặc tính quay của roto ......................................................................................12

Hình 1.6. Hệ thống điện đơn giản .....................................................................................14

Hình 1.7. Sơ đồ ví dụ về tỉ lệ giữa các điện kháng của các phần tử HTĐ........................15

Hình 1.8. Quan hệ giữa Pmax và X ..................................................................................15

Hình 1.9. Sơ đồ 2 nhà máy điện làm việc song song........................................................16

Hình 1.10. sự cố 3 pha tại điểm cuối của một đường dây truyền tải ................................19

Hình 1.11. Điều kiện trước sự cố tại cuối đường dây của sự cố ngắn mạch cuối đường

dây.......................................................................................................................................19

Hình 1.12. Điều kiện trong lúc xảy ra sự cố ngắn mạch cuối đường dây.........................20

Hình 1.13. Điều kiện sau sự cố ngắn mạch cuối đường dây.............................................20

Hình 1.14. Biểu đồ thể hiện góc công suất trước và sau xảy ra sự cố ở giữa đường dây

truyền tải.............................................................................................................................21

Hình 1.15. Sự cố ngắn mạch ở giữ đường dây truyền tải giữa đường dây truyền tải.......21

Hình 1.16. Điều kiện trước sự cố xảy ra giữa đường dây truyền tải.................................21

Hình 1.17. Trong quá trình xảy ra sự cố giữa đường dây truyền tải.................................22

Hình 1.18. Chuyển đổi mạng điện từ tam giác sang sao của sự cố giữa đường dây truyền

tải ........................................................................................................................................22

Hình 1.19. Chuyển đổi mạch từ sao sang tam giác của sự cố giữa đường dây truyền tải.

............................................................................................................................................22

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

vii

Hình 1.20. Điều kiện xảy ra sau sự cố giữa đường dây truyền tải...................................23

Hình 1.21. Biểu đồ góc công suất lúc chưa có sự cân bằng diện tích...............................23

Hình 1.22. Biểu đồ góc công suất khi có sự cân bằng diện tích .......................................23

Hình 1.25. Công suất điện vào ki động cơ có góc moment thay đổi khi tải tăng đột ngột.

............................................................................................................................................30

Hình 1.26. Công suất điện vào làm cho góc monent động cơ tăng đột ngột tối đa của tải

làm mất ổn định ..................................................................................................................30

Hình 1.27. Bài tập ví dụ về phương pháp diện tích .........................................................31

Hình 1.14. Đồ thị quan hệ giữa Pmax và Udd ..................................................................33

Hình 2. 1 Phần mềm ETAP phiên bản 12.6 ......................................................................36

Hình 2. 2 Thanh công cụ File............................................................................................36

Hình 2. 3 Thanh công cụ Edit ...........................................................................................37

Hình 2. 4 Thanh công cụ View .........................................................................................38

Hình 2. 5 Thanh công cụ Project.......................................................................................39

Hình 2. 6 Thanh công cụ Tool ..........................................................................................40

Hình 2. 7 Các chứng năng nghiên cứu của ETAP ............................................................41

Hình 2. 8 Các phần tử AC.................................................................................................41

Hình 2. 9 Trang information nguồn ..................................................................................42

Hình 2. 10 Trang Rating của nguồn..................................................................................43

Hình 2. 11 Trang Rating của máy phát .............................................................................44

Hình 2. 12 Trang Imp/Model của máy phát......................................................................45

Hình 2. 13 Trang information của Bus .............................................................................46

Hình 2. 14 Trang Information của đường dây ..................................................................46

Hình 2. 15 Trang Papameter của đường dây.....................................................................47

Hình 2. 16 Trang configuration của đường dây................................................................48

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

viii

Hình 2. 17 Trang Impedance của đường dây....................................................................49

Hình 2. 18 Trang Sag&Tension của đường dây ...............................................................50

Hình 2. 19 Trang Information của Tải ..............................................................................51

Hình 2. 20 Trang Nameplate của Tải................................................................................52

Hình 2. 21 Trang Short Circuit của Tải ............................................................................53

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình mạng điện 9 nút đơn tuyến ........................................................54

Hình 3.2 Cài đặt thông số mô hình của máy phát G1 mạng điện 9 nút ............................56

Hình 3.3 Cài đặt thông số kích từ của máy phát G1 mạng điện 9 nút ..............................56

Hình 3.4 Cài đặt thông số bộ PSS của máy phát G1 mạng điện 9 nút..............................57

Hình 3.5 Cài đặt thông số bộ điều tốc (Governor) của máy phát G1 mạng điện 9 nút ....57

Hình 3.6 Cài đặt thông số mô hình của máy phát G2 mạng điện 9 nút ............................58

Hình 3.7 Cài đặt thông số bộ PSS của máy phát G2 mạng điện 9 nút..............................58

Hình 3.8 Cài đặt thông số bộ kích từ của máy phát G2 mạng điện 9 nút .........................59

Hình 3.9 Cài đặt thông số bộ điều tốc (Governor) của máy phát G2 mạng điện 9 nút ....59

Hình 3.10 Cài đặt thông số mô hình của máy phát G3 mạng điện 9 nút ..........................60

Hình 3.11 Cài đặt thông số bộ kích từ của máy phát G3 mạng điện 9 nút .......................60

Hình 3.12 Cài đặt thông số bộ PSS cho máy phát G3 mạng điện 9 nút ...........................61

Hình 3.13 Cài đặt thông số bộ điều tốc (Governor) cho máy phát G3 mạng điện 9 nút ..61

Hình 3.14 Cài đặt thông số máy biến áp T1, T2, T3 mạng điện 9 nút..............................62

Hình 3.15 Cài đặt thông số mô hình đường dây số 1 mạng điện 9 nút.............................63

Hình 3.16 Cài đặt thông số mô hình tải A,B,C mạng điện 9 nút ......................................63

Hình 3.17 Tag cài đặt sự kiện sự cố..................................................................................64

Hình 3.17 Cài đặt sự kiện sự cố cho mạng điện 9 nút ......................................................65

Hình 3.18 Chạy mô phỏng sự cố tại đường dây số 3mạng điện 9 nút..............................65

Hình 3.19 Đồ thị đáp ứng góc lệch của các máy phát ......................................................66

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

ix

Hình 3.20 Tốc độ máy phát số 2, 3 thay đổi sau thời điểm giây thứ 5 của mô phỏng trong

mạng điện 9 nút ..................................................................................................................67

Hình 3.21 Công suất điện của 3 máy phát thay đổi sau thời điểm giây thứ 5 (lần lượt G1

G2 G3)................................................................................................................................67

Hình 3.22 Góc lệch của máy phát G3 tại thời điểm giây thứ 5 và tại thời điểm góc lệch

đạt giá trị Max.....................................................................................................................68

Hình 3.23 Góc lệch của máy phát G2 tại thời điểm giây thứ 5 và tại thời điểm góc lệch

đạt giá trị Max.....................................................................................................................68

Hình 3.24 Đồ thị đáp ứng góc lệch của các máy phát sau khi cô lập sự cố tại thời điểm

5.2s......................................................................................................................................69

Hình 13.24 Đồ thị đáp ứng góc lệch của các máy phát sau khi cô lập sự cố tại thời điểm

5.05s....................................................................................................................................70

Hình 4.1 Mô hình bộ PSS1A (IEEE Type 1)....................................................................72

Hình 4.2 Thông số bộ PSS1A Sample data ......................................................................73

Hình 4.3 Mạng điện IEEE 39BUS ....................................................................................74

Hình 4.4 Số liệu ban đầu...................................................................................................75

Hình 4.5 Nhập dự liệu bộ PSS ..........................................................................................73

Hình 4.7 Đồ thị công suất điện của máy khi không có sự cố............................................75

Hinh 4.8 Đồ thị tốc độ của máy phát khi không có sự cố.................................................76

Hình 4.9 Đồ thị góc lệch tương đối của máy phát khi không có sự cố.............................76

Hình 4.10 Đồ thị dòng điện đầu ra của má phát khi không có sự cố................................76

Hình 4.11 Đồ thị công suất điện của máy khi xảy ra sự cố ..............................................77

Hình 4.12 Đồ thị tốc độ của máy phát khi xảy ra sự cố....................................................77

Hình 4.13 Đồ thị góc lệch tương đối của máy phát khi không có sự cố...........................77

Hình 4.14 Đồ thị dòng điện đầu ra của máy phát khi xảy ra sự cố...................................78

Hình 4.15 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.2s.............79

Khóa luận tốt nghiệp Phan Văn Tứ

Nguyễn Thị Mỹ Vui

x

Hình 4.16 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.1s.............79

Hình 4.17 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.05s...........79

Hình 4.18 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.02s...........80

Hình 4.19 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s...........80

Hình 4.20 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s và cài

đặt thông số cho bộ PSS .....................................................................................................81

Hình 4.21 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 30.............................................................81

Hình 4.22 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 80.............................................................82

Hình 4.23 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 230...........................................................82

Hình 4.24 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.01s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 500...........................................................82

Hình 4.25 Đồ thị góc lệch pha tương đối khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000.........................................................83

Hình 4.26 Đồ thị công suất điện đầu ra của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm

3.005s, cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000 ................................83

Hình 4.27 Đồ thị tốc độ của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s, cài đặt

thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000.........................................................84

Hình 4.28 Đồ thị dòng điện đầu ra của máy phát khi cắt nhanh sự cố tại thời điểm 3.005s,

cài đặt thông số cho bộ Governor, PSS và tăng H(s) = 1000 .............................................84

Hình 4.29 Đồ thị công suất điện đầu ra khi WTG 300 MW và G8 240 MW, với WTG đặt

tại Bus 25 ............................................................................................................................86

Hình 4.30 Đồ thị công suất điện đầu ra khi WTG 200 MW và G8 340 MW, với WTG đặt

tại Bus 25 ............................................................................................................................86