Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Tính toán quá độ trên đường dây truyền tải bằng phương pháp RBF-FDTD

Khi các quá trình được nghiên cứu, tính toán kỹ càng nósẽ giúp cho việc chọn lưa thiết bị cũng như đưa ra các phương pháp vận hành hợp lý.Quá trình quá độ chỉ xảy ra trong thời gian rất

BÙI QUANG TRIEU

TÍNH TOÁN QUÁ ĐỘ TRÊN ĐƯỜNG DẦYTRUYEN TAI BẰNG PHƯƠNG PHÁP RBF-FDTD

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆNMã số: 605251

TP HO CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013

BÙI QUANG TRIEU

TÍNH TOÁN QUÁ DO TREN DUONG DAY TRUYEN

TAI BANG PHUONG PHAP RBF-FDTD

Chuyén nganh: THIET BI, MANG VA NHA MAY DIENMã số: 605251

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013

TRUONG DAI HOC BACH KHOA —- ĐHQG - HCMCán bộ hướng dẫn khoa học: TS VŨ PHAN TÚ

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Độc lập — Tự do — Hạnh phúc

Can Tho, ngày tháng nam 2013

NHIỆM VỤ LUẬN VAN THAC SIHo tén hoc vién: Bui Quang Triéu Phai : Nam

Ngay, thang, nam sinh: 09-09-1988 Nơi sinh : Trà Vinh

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV : 12820140

I TEN DE TÀI: TÍNH TOÁN QUA ĐỘ TREN DUONG DAY TRUYEN TAI

BANG PHƯƠNG PHAP RBF-EDTDIl NHIEM VU VA NOI DUNG:

TP.HCM, Ngày tháng năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký) ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOAĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

Trước hết tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thay TS Vũ Phan Tú Người Thay đã tậntình giúp đỡ và hướng dẫn cũng như những lời khuyên quý báo cho tôi trong suốt quátrình thực hiện luận văn này Những ý kiến quý báu của Thây đã giúp tôi học tập và khắcphục được nhiều thiếu sót trong quá trình thực hiện luận văn.

Xin chân thành cảm ơn đến tat cả quý Thay, Cô Trường Đại học Bách Khoa, đã giảngdạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bồ ích và quý báu trong suốt quá trình học tập tạitrường.

Cảm ơn tat cả bạn bè đã cùng chia sẻ, trao đối kiến thức, kinh nghiệm trong suốt quátrình học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuôi cùng, xin cảm ơn chân thành, sâu sac nhât đên Cha, Mẹ, Chi đã động viên va tạomọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi yên tâm học tập tốt trong thời gian vừa qua

Thành phố Hô Chí Minh, ngày tháng năm 2013

Học viên thực hiệnBui Quang Triéu

Trong các hệ thông điện, việc nghiên cứu các chê độ làm việc và các hiện tượngcủa nó là một việc làm cân thiệt Khi các quá trình được nghiên cứu, tính toán kỹ càng nósẽ giúp cho việc chọn lưa thiết bị cũng như đưa ra các phương pháp vận hành hợp lý.

Quá trình quá độ chỉ xảy ra trong thời gian rất ngăn, nó như một hiện tượng thoángqua Tuy nhiên chúng lại ảnh hưởng rất lớn đến thiết bị, và hệ thống

Các hiện tượng quá độ có thé sinh ra do nhiều nguyên nhân như ảnh hưởng của sét,ngăn mạch, thao tác đóng cắt Luận văn nảy tập trung phân tích quá trình quá độ khiđóng cắt đường dây Bắt đầu từ mô hình một pha rồi đến mô hình ba pha

Luận văn được chia làm 5 chương.Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Giới thiệu bài toán quá độChương 3: Gidi thiệu Phương pháp RBF-FDTDChương 4 : Tính Toán và Mô Phong Quá Độ Đường DayChương 5 : Kết Luận

Luận văn cũng có sử dụng phương pháp giải tích là phương pháp với khối lượngtính toán nhiều nhưng cho được kết quả chính xác, sau đó so sánh với phương pháp biếntrạng thái, phương pháp FDTD và phương pháp RBF-FDTD.

Bên cạnh đó, để thay hiệu qua cua phương pháp RBF-FDTD, thi luận văn có đưavào ứng dụng thực tế ứng dụng phương pháp FDTD, biến trạng thái và phần mềm môphỏng ATP-EMTP cũng được sử dụng dé kiểm tra độ chính xác của kết quả

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tdi.Các sô liệu, kêt quả nêu trong luận van là trung thực và chưa từng được ai công bôtrong bất kỳ công trình nào khác.

TP HO CHI MINH, tháng 09 năm 2013

Tac gia luan vanBui Quang Triéu

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THAC SĨ 2-<-<< << << se eseSesesesesesesesese iLOT CAM N G- G9 9 9 9 9 mg xe iiTOM TAT LUẬN VAN 2° sS% Sư g9 g0 x90 x09 xe iii0900908297900 ivMUC LUC 9M ÔÔÔÔÔÔÔÔÔ VDANH MỤC CAC BANG TRONG LUẬN VĂN <-5s5 scscsssscsesse viiiDANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN VĂN 5 e5 5 scsssscsesssscse ixCHU VIET TAT TRONG LUẬN VĂN 5-s-sc se se sec esesesesesesesesese xiii

CHUONG 1

MO DAU 11.1 Đặt Vẫn để - ác HH1 T ng TH TH ng ng |1.2 Hướng tiếp cận dé tài ¿5-6-5223 E211 211112111 re 21.3 Y nghĩa khoa học của dé tài - ¿+56 S2 E2E£E2ESEEEEEErErrrrrrees 21.4 Mục đích nghiên cứu của dé tài 5- + + 2 2 +s+x+Es£s£zezezrsrees 21.5 Kết Quả mong muỐn - - ¿2 52 SE2E+S£SE‡E#EEEEEEEEEEEEerkrkrrrrrrrrree 21.6 Phạm vi nghiên cứu của để tài + ¿5 + + 2E +s+t+EzEzrrsrerrerees 31.7 NOI dung Cla LUN VAN — : 4

CHUONG 2

GIOI THIEU BAI TOAN QUA DO 5

2.1 Khái Quat.ceccecccccccscccscscsscscscsscscsssscscsssscsvsscscsssscscsssssecsvsscstanseesnsnees 52.2 Mach RC uu — 52.3 Mach 02 — 1 102.4 Mạch RLC vicccccccccccscsscscsssscscsscscscsscscsssscssssscsssscscsvsecscsvssssssvsessssnsecensnees 152.5 Phuong Pháp Biến Đổi Laplace c.cccccescscsssessssssesssesessesesesssseeseees 19

GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP RBF-FDTD 233.1 Giới thiệu phương pháp FDTD 5c Ă S11 vn 233.1.2 Các công thức sai phân trong miễn thời giam -sc«c- 253.2 Giới thiệu phương pháp RBE-FIYFD - 5< c2 273.2.1 Sơ lược về phương pháp RBF-FDTT -«cscesesksksererereeed 273.2.2 RBF-FDTD trong không gian một ChiÊM - + c5s+s+s+s+esxd 283.2.3 Các công thức RBF-FDTD trong miễn thời gian -. -‹- 3]3.3 So sánh giữa phương pháp RBF-FDTD va FIYFD 322 -0A0- 343.4.1 Phương pháp giải tÍCH «<< << 011 1111111913511 1111 ke 353.4.2 Phương pháp biến trạng thái + +5 +k+k#EEEeEetsrsrererees 373.4.2.1 Giới thiệu phương pháp biến trạng thái c-+555s55¿ 373.4.2.2 Nghiệm của phương trình trạng thái «+ 373.4.2.3 Phương pháp biến trạng thải trong bài todn quá độ 363.4.2.4 Ap dụng phương pháp biến trạng thái - «5s se ce: 4]3.4.3 Phương pháp F”Ì) TÌ) 1119930111111 11100 11 1 vn 4]3.4.4 Phương pháp RBF-FDTÌ) c c c HH 1111 kg 423.4.5 Kết quả mô pHỎIH8 + + SkSkSkSEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrkrkrkrkekred 42

CHƯƠNG 4

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHONG QUA ĐỘ DUONG DAY TRUYEN TAI 464.1 M6 Hình Đường IDâyy - << ng re 464.2 Giới thiệu phần mềm ATP-EMTP 2 - + 2 2 s+E+E+£z£z£Ezezesree 474.2.1 Tong quan về phần mêm ATPP-EMTTP - csesrsrsrersrsrerees 47"VN (0ì 21.08 1 tưểnng 474.2.3 Các thành phần trong thư viên mẫu của ATP -sc«e‹ 46

4.2.5 Một số ứng dụng quan trọng của ATTP c-cccseseseseseseseseee 50

4.3 Mô Hình Một Dây Dẫn - ¿25252 2S E2 2121211111111 reo 5]

4.3.1 Đường dây hở mạch cuối đóng vào nguồn vô cùng lớn 514.3.2 Đường dây hở mạch cuối đóng vào nguôn có tông trở 574.3.3 Đóng điện vào đường đây CO tu Dib ceccccccccsseccccccccccceeesesesssssseees 644.3.4 Đóng điện vào đường đây CÓ TẢI àẶ S555 S33 5%2 704.4 Mô Hình Ba Pha -GGG Q99 000 ke 734.4.1 Đường dây ba pha đối XP - - + + ccEEkErrkekekreeeeesree 754.4.2 Đường dây DA pha NOG VI ceccccccccccccccccccceeeeeeeeseseseseseeeseseeeseeeeeees 794.5 Ung dụng thực t6 icccccccccccsesssescscscsssessssssssesescssssssssesesssesssseseesees 834.5.1 Giới thiệu đường dây thực té ecccccccecesesesescevevesststsesssessveeseseeee 834.5.2 Ung dung vào tuyến đường dây 173 Trà Nóc - Š4ro lI: 88

CHUONG 5

KET LUAN 895.1.Nhận xét từ kết quả của chương trình . - 2 25+c+c£s£s+scceẻ 895.2 So sánh và nhận xét phương pháp - 555 << ssssssseeks 895.3 Huong phát triển dé tai cece cccscccscsesscscsesscsesecscsessesssesscssseeseseseeeees 90“0 90TÀI LIEU THAM KHÁO <5 < S2 s4 s4 s9 39s sesssesse 91100009 XỈVLY LICH TRÍCH NGANG .5-° s2 S4 9E s95 s59 sese XV

Bang 3.1: Đánh giá sai số của 3 phương pháp so với phương pháp giải tích ở

100 phan tử . ¿5c 522121 22121913 2121211 112111 1121111111111 11111111 ce 43Bảng 3.2: Đánh giá sai số của 3 phương pháp cho từng phan tử ở L2 45Bang 3.3: Đánh giá sai số của 3 phương pháp cho từng phần tử ở Lœ 45Bảng 4 So sánh điện áp của các phương pháp với ATP ứng với từng thời điểm 55

-Viii-Hình 2.1 Mạch điện RC mắc song song - 52 55c cscxsrscs¿ 5Hình 2.2 Quá trình nạp tu - ĂS S11 ng re 6Hình 2.3 Quá trình nạp tụ với các hăng số thời gian khác nhau 8Hình 2.4 Điện áp trên tụ trong mach RC với nguồn xoay chiêu R=1kQ 9Hình 2.5 Điện áp trên tụ trong mach RC với nguồn xoay chiêu R=10kQ.

¬ 9Hình 2.6 Quá trình nạp và xả tụ trong mạch R” << «««<+++ 10Hình 2.7 Mạch điện RL không có nguồn cung cấp . - 5+: 11Hình 2.8 Mach điện RL với nguồn cung cấp - 5-5555: 12Hình 2.9 Mạch RL nối tiếp, nguồn xoay chiều với các giá trị khác nhau L

¬ 13Hình 2.10 Mạch điện dé khảo sát trong ví dụ 2.3 +- 14Hình 2.11 Mạch điện qua điện Cam - -. - 5555232 ssvssssssessa 15Hình 2.12 Mạch RLC mắc nối tiẾp - + 22-5 +2 S2£2+E+EzEz££ezeccee 15Hình 2.13 Dong điện trong mạch RLC nối tiếp khi đóng nguồn DC 18Hình 2.14 Dòng điện trong mach RLC nối tiếp với nguồn xoay chiéu 19Hình 2.15 Mach điện cho ví du 2.5 << 2x22 20Hình 2.16 Điện áp trên tụ điện trong ví dụ 2.5 khi giải bang biến đối Laplace¬ 22Hình 3.1 Các dạng lưới thường gặp <5 5S Ăn ke eke 24

Hình 3.2 Lưới của hàm bán kính cơ bản - 555cc sssseeksssks 27

Hình 3.3 Miễn tham chiếu của điểm I trong không gian 1-D 28Hình 3.4 Không gian hai chiỀu 22525222252 S£2E+E£EzEvEererseree 28Hình 3.5 Mạch điện đơn giản - - - c 5 22222211111 1 1111111 re 34Hình 3.6 Mô hình một hệ thống - ¿2-2 + 2 2S2+E+E+£z£cerxreee 37

Hình 3.8 Đồ thị đánh gia sal số của RBF-FDTD, FDTD và Biến trạng tháikhi hệ số ¢ thay đỔI - - - EEkEEEE5E5E511311 1811 1111111111111 1x0 44Hình 4.1 Sơ đồ tương đương hình 70 - ¿5-5-5 2 2 2+s+£+£e£z£szxzceẻ 46Hình 4.2 Sơ đồ tương đương hình TT ¿2-5-2 2+2+s+£+£z£zezszeee 46

Hình 4.3 Mối tương quan giữa ATPDraw với các Module khác 49

Hình 4.4 Các phan tử tiêu biểu dùng mô phỏng trong ATP 51

Hình 4.5 Mô hình đường dây không tải - 5555555 £+++see+ssxs 52Hình 4.6 Điện áp nguÔÖn + 525222 S2SE#EEEEEEEEEEEEEEEEErkrrrrrrrrree 53Hình 4.7 Mô hình mô phỏng bang phần mềm ATP-EMTP 53

Hình 4.8 Điện áp đầu nhận (RBF-FDTD, c=5,01) -c-s-<¿ 54Hình 4.9 Điện áp đầu nhận khi mô phỏng bằng ATP-EMTP 54

Hinh 4.10 Điện áp đầu nhận (RBF-FDTD, c=5,01) -. -¿ 56

Hình 4.11 Điện áp đầu nhận khi mô phỏng bằng ATP-EMTP 56

Hình 4.12 Đóng đường dây vào nguồn có tổng trở - 5+: 57Hình 4.13 Điện áp nguồn (RBF-FDTD, c=5,01) -5-5-5+: 59Hình 4.14 Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP 59

Hình 4.15 Điện áp đầu đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 60

Hình 4.16 Điện áp đầu đường dây mô phỏng băng ATP-EMTP 60

Hình 4.17 Điện áp cudi đường day (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 61

Hình 4.18 Điện áp cuối đường dây mô phỏng bang ATP-EMTP 61

Hình 4.19 Điện áp đầu đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=0) 62

Hình 4.20 Điện áp đầu đường dây mô phỏng băng ATP-EMTP 62

Hình 4.21 Điện áp cuối đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=0) 63

Hình 4.22 Điện áp cuối đường dây mô phỏng bang ATP-EMTP 63Hình 4.23 Đóng điện vào đường dây có tụ bù 5 SSses 64

Hình 4.25 Điện áp đầu đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 66

Hình 4.26 Điện áp đầu đường dây mô phỏng băng ATP-EMTP 66

Hinh 4.27 Dién ap cudi đường day (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 67

Hình 4.28 Điện áp cuối đường dây mô phỏng bang ATP-EMTP 67

Hình 4.29 Điện áp đầu đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=0) 68

Hình 4.30 Điện áp đầu đường dây mô phỏng băng ATP-EMTP 68

Hinh 4.31 Dién ap cudi đường day (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=0) 69

Hình 4.32 Điện áp cuối đường dây mô phỏng bang ATP-EMTP 69

Hình 4.33 Đóng điện vào đường dây CÓ tải - <5 Ă c2 70Hình 4.34 Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP 71

Hình 4.35 Điện áp đầu đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 72

Hình 4.36 Điện áp đầu đường dây mô phỏng băng ATP-EMTP 72

Hình 4.37 Điện áp cuối đường dây (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 73

Hình 4.38 Điện áp cuối đường dây mô phỏng bang ATP-EMTP 73

Hình 4.39 Mô hình đường dây 3 pha - G Ăn kg 74Hình 4.40 Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP 75

Hình 4.41 Điện áp pha a (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 76

Hình 4.42 Điện áp cuối pha a mô phỏng băng ATP-EMTP 76

Hình 4.43 Điện áp pha b (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 77

Hình 4.44 Điện áp cuối pha b mô phỏng bằng ATP-EMTP 77

Hình 4.45 Điện áp pha c (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 78

Hình 4.46 Điện áp cuối pha c mô phỏng băng ATP-EMTP 78

Hình 4.47 Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP 70

Hình 4.48 Điện áp pha a (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 30

Hình 4.49 Điện áp cuối pha a mô phỏng băng ATP-EMTP 80

Hình 4.51 Điện áp cuối pha b mô phỏng bang ATP-EMTP S1

Hình 4.52 Điện áp pha c (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 82

Hình 4.53 Điện áp cuối pha c mô phỏng băng ATP-EMTP 82

Hình 4.54 Sơ đồ trạm biến áp 220/110kV trạm Trà Nóc - 83

Hình 4.55 Sơ đồ đơn tuyến 220/1 10kV trạm Trà Nóc 84

Hình 4.56 Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ATP-EMTP 84

Hình 4.57 Điện áp pha a (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 85

Hình 4.58 Điện áp cuối pha a mô phỏng băng ATP-EMTP 85

Hình 4.59 Điện áp pha b (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 86

Hình 4.60 Điện áp cuối pha b mô phỏng bằng ATP-EMTP 86

Hình 4.61 Điện áp pha c (RBF-FDTD, c=5,01) (phi=-90) 87

Hình 4.62 Điện áp cuối pha c mô phỏng băng ATP-EMTP 87

-XII-FDM ‘Finite Difference MethodFDTD ‘Finite Difference Time DomainRBF-FDTD :Radial Basic Function — Finite Difference Time DomainKV ‘Kirchhoff Voltage

AC :Alternate CurrentDC :Direct CurrentPDE :Partial Diferential EquationFDG :FInite Difference GridsMATLAB — :MATrix LABoratoryEMTP ‘Electromagnetic Transients ProgrammeATP :Alternative Transient ProgrammeFD :Forward Difference

Phụ lục 1 : Bảng biến đôi Laplace của một số hàm thông dụng Phụ lục 2 : Đoạn code trong chương 2

-XIV-Độc lập — Tw do — Hạnh phúc

LÝ LỊCH TRÍCH NGANGHọ và Tên: Bùi Quang Triều

Ngày, tháng, năm sinh: 09 09 19 Nơi sinh: Trà VinhĐịa chỉ liên lạc: Khóm 4, TT Càng Long, H Càng Long, T Tra VinhI QUA TRÌNH DAO TẠO:

Chế độ hoc: Chính quyThời gian học: Từ 05 09 2007 đến 20/05/2011Nơi học: Trường Đại học Cần Thơ

Ngành học: Kỹ thuật Điện

Chế độ học: Chính quyThời gian học: Từ năm 2011 đến năm 2013Nơi học: Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí MinhNgành học: Thiết Bị, Mạng Và Nhà Máy Điện

Tên luận án tốt nghiệp: Tính Toán Quá Độ Trên Đường Dây Truyén Tải

Bằng Phương Pháp RBF-FDTDNgười hướng dẫn: TS Vũ Phan Tú

Il QUA TRINH CONG TÁC:

Chương 1:

MỞ ĐẦU

1.1 Đặt Van ĐềNhư đã biết, điện năng là một dạng năng lượng sạch, không thé lưu trữ được và nócũng có tính đặc thù là phải cung cấp liên tục với độ tin cậy và chất lượng cao Dé cóđược một hệ thống điện tin cậy, các quá trình trong vận hành hệ thông phải được nghiêncứu kỹ lưỡng Trong vận hành hệ thống, có thé chia hoạt động của hệ thống làm hai quátrình: quá trình quá độ và quá trình xác lập Quá trình quá độ là quá trình tương tác giữanăng lượng trong các phần tử L và C có mặt trong mô hình hệ thống Quá trình này phátsinh có thé do tac động do xung sét, do ngắn mach, do đóng cắt đường dây, đóng cắttrạm, tụ bù Quá trình quá độ chỉ diễn ra trong thời gian rất ngăn thường chỉ vài chu kỳnhưng không thé xem thường được vì trong quá trình quá độ điện áp và dòng điện tănglên rất nhiều lần so với quá trình xác lập và có thé gây thiệt hại cho các phan tử trong hệthống cũng như hư hỏng lớn trong hệ thông

Đề cung cấp được điện năng cho phụ tải điện thì điện năng phải được truyền tải từnha máy đến phụ tải thông qua các phan tử của lưới truyền tải điện (đường dây, máy biénáp, tụ bù ) Trong đó, phan tử phải kế đến trước hết là đường dây truyền tải Mọi sự cốdiễn ra trên đường dây đều ảnh hưởng đến các phan tử khác cũng như toàn bộ hệ thống.Chính vì ly do đó mà việc quan tâm các sự cô xảy ra trên đường dây truyền tải là điềukhông thể bỏ qua trong quá trình truyền tải điện trên đường dây

Luận văn này thì tập trung nghiên cứu quá trình quá độ diễn ra trên đường dây

truyền tải Cu thé là quá trình quá độ diễn ra khi đóng cat Việc giải bài toán quá độđường dây thực chất là đi giải hệ phương trình vi phân của đường dây Khối lượng tínhtoán của hệ phương trình rất nhiều nếu có yêu cầu cao về mức độ chính xác của bài toán.Đây không phải là một bài toán mới và đã có nhiều lời giải Tuy nhiên, với mức độ phứctạp của bài toán, việc đi tìm một lời giải mới vân là việc cân thiệt Nêu có phương pháp

-]-mà khối lượng tính toán hoàn toàn được giao cho máy tính thực hiện thì phương pháp đóđược xem là phương pháp cần quan tâm Với sự phát triển vũ bão của công nghệ máytính hiện nay thì việc tính toán như thế là hoàn toàn có thể Phương pháp được nêu ratrong luận văn là phương pháp có được ưu điểm đó.

1.2 Hướng tiếp cận đề tài- Trong những năm gần đây, các lời giải cho bài toán quá độ trên đường dây truyềntải cũng đã được ứng dụng như biến trạng thái, FDTD cũng mang lại một số hiệu quảnhất định Tuy nhiên, một trong những phương pháp ưu việt trong số đó là phương phápRBF-FDTD (ham bán kính cơ bản kết hợp với sai phân hữu hạn miễn thời gian)

1.3 Y nghĩa khoa học của đề tàiNghiên cứu kết hợp với lý thuyết của phương pháp RBF-FDTD (hàm bán kính cobản kết hợp với sai phân hữu hạn miễn thời gian) nhằm khảo sát, tìm kiếm và giải quyếtcác van dé còn tồn tại mà các phương pháp khác chưa giải quyết được

1.4 Mục đích nghiên cứu của đề tài:e Nắm vững cơ sở lý thuyết RBF-FDTD.° Ung dụng phương pháp RBF-FDTD giải bài toán quá độ.° So sánh kết quả thu được của phương pháp RBF-FDTD với phương pháp

FDTD, biến trạng thái.1.5 Kết quả mong muốn:

Kết quả mong muốn sau khi hoàn thành đẻ tài này là:e Nắm vững cơ sở lý thuyết và ứng dụng của phương pháp RBF-EDTD và các

cải tiến của nó.e Ứng dụng các cải tiễn của phương pháp RBF-FDTD giải quyết các van đề khác

của hệ thống.e Ung dụng các cải tiến RBF-FDTD vào việc quá độ hệ thống điện, có thé ứng

dụng phương pháp RBF-FDTD cho các lĩnh vực khác của đời sống

1.6 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

s* Mục tiêu của nghiên cứu

a Mục tiêu chungNghiên cứu, tính toán và phân tích ảnh hưởng của quá độ trên đường dây truyềntải bang phương pháp RBF-FDTD

b Mục tiêu cụ thé- Nghiên cứu về phương pháp FDM (FDM-Finite Difference Method).- Nghiên cứu mô hình của mạch điện từ đó đánh giá được ảnh hưởng của quá độtrên đường dây truyền tải

- Nghiên cứu về các phương pháp số và ham RBF: các phương pháp số dùng đểgiải bài toán phụ thuộc miễn thời gian, kết hợp hàm bán kính cơ sở (RBF) dé tăng độchính xác của kêt quả.

¡ Về phương diện toán học: các nhà toán hoc phát triển thành công phương phápsố kết hợp hàm RBF như RBF-FDTD (RBF-radial basic founction, FDTD-finitedifference time domain method) Cac phương pháp số khi kết hop với hàm RBF cho kếtquả chính xác hơn các phương pháp số truyền thống

ii Đối với thực tiễn: kết quả tính toán được kiểm tra bằng kết quả mô phỏngphan mềm Matlab và ATP-EMTP Hơn nữa, liên quan đến van dé này thì phương phápRBF-FDTD khảo sát van dé quá độ rất chính xác Có thé cung cấp cho người dùng mộtcông cụ mạnh và hữu ích trong việc tính toán, dự đoán và đánh giá tác hại của quá độmột cách chính xác hơn các phương pháp truyền thống

1.7 Nội dung của luận vănChương 1: Mở đầuChương 2: Giới thiệu bài toán quá độChương 3: Gidi thiệu phương pháp RBF-FDTD.Chương 4 : Tính toán và Mô Phỏng Quá Độ Đường Dây truyền tảiChương 5 : Kết Luận

Chương 2 :

GIỚI THIỆU BÀI TOÁN QUÁ ĐỘ

2.1 Khái QuátPhân tích quá trình quá độ trong mạch điện cũng quan trọng như phân tích quá trìnhmạch điện ở trạng thái xác lập Trong trạng thái quá độ, dòng điện và điện áp trên một vàiphan tử của hệ thống có thé tăng gấp nhiều lần trong trường hợp trạng thái xác lập Dùthời gian rất ngắn (chỉ một vài chu ky) nhưng sự tăng vọt của điện áp và dòng điện có thélàm hư hỏng các thiết bị trên hệ thông

2.2 Mạch RCXét mạch điện như hình 2.]:

Nếu V,, là điện áp trên của tu điện tại thoi điểm ban dau, khi đó phương trình (2.1)sẽ có nghiệm là:

v(t)=V,e & (2.2)

Trong đó CR là hang số thời gian.Phương trình (2.2) mô tả điện áp trên tụ điện trong quá trình xả tụ Dé xét điện áptrong quá trình nạp tụ, ta xét mô hình (2.2):

Hình 2.2 Quá trình nap tuTương tự như (2.1) ta dùng định luật Kirchhoff, ta có:

dv, (t) + vọ()—V, dt R

-C 0 (2.3)Nếu tại thoi điểm ban đầu tụ điện chưa được nạp điện nghĩa là vạ(7)=0 khi t= 0.Phương trình (2.3) có nghiệm:

Qua trinh nap tu voi cac hang so thoi gian12 H T T T T

10+ tt eee ee eee ee eee oo o_o tities ¬

Q /

/4F / +

-| NV r NHHqạNqậặa R=1 kiloohms

ọ H + R=10 kiloohms0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Thoi gian (giay)

Hình 2.3 Quá trình nạp tu với các hang số thời gian khác nhau.Từ hình 2.3 có thé thay rang khi hăng số thời gian nhỏ thì quá trình nạp tụ xảy ranhanh hơn.

Trường hợp nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều: vs(t)=10sin(100nt+ #9).Chương trình matlab (xem phụ lục 2):

Kết quả mô phỏng:

Dien ap tu voi nguon xoay chieu AC

-1-2-34b

onan vot)—— volt)

5 | | ! L

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Thoi gian (giay)

Hình 2.4 Điện áp trên tụ trong mach RC với nguôn xoay chiêu R= 1k2

===== vor)

4 i i L i v0(t)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Thoi gian (giay)

Hình 2.5 Điện áp trên tụ trong mach RC với nguôn xoay chiêu R= 10k

(=0, vc=0, ve=0)

Vi dụ 2.2

Trong hình 2.2, cho điện áp vào là dạng xung vuông với biên độ là 5V và bề rộng là0.5s Cho C = 10uF, dùng Matlab vẽ điện áp trên tụ điện vO(t) trong các trường hợp nhưR = 10000, R = 2500Q trong khoảng thời gian từ 0 đến l giây

Chương trình matlab (xem phụ lục 2):Kết quả mô phỏng:

Qua trinh nap va xa tu trong mach RC

eweanew

nad

— 10000 Ohms - 2500 Ohms

_

0 : 1 1 1 n p=0 01 O2 03 04 05 06 07 08 09 1

Thoi gian (giay)

Hình 2.6 Quá trình nạp và xa tu trong mach RC2.3 Mạch RL

Xét mạch điện RL như hình (2.7) dưới đây:

Hình 2.7 Mạch điện RL không có nguồn cung cáp.Dùng định luật KV ta có:

L———ỀY | +

i(t)V(t) R V(t)

Hinh 2.8 Mach dién RL voi nguon cung cấp

-11-Dùng định luật Kirchhoff về điện áp ta có:

Mach RL noi tiep voi nguon xoay chieu

Dong qua L (A)

+5 i it L L if(t)

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

Thoi gian (giay)

Mach RL noi tiep voi nguon xoay chieu1.5 H U U † U

Thoi gian (giay)

Hình 2.9.a,b Mach RL nối tiếp, nguon xoay chiêu với các giá trị khác nhau của L

-13-Ví dụ dưới đây mô phỏng quá trình suy giảm dòng điện trong mạch RL khi matnguồn cung cấp.

Ví dụ 2.3Mạch điện khảo sát được minh họa trong hình 2.10 Dòng điện qua điên cảm trướckhi khảo sát bằng 0 Tai tf = 0, Khóa chuyển từ a sang b và duy tri trong vòng 1s, sau Istrì hoãn khóa chuyển từ b sang c và duy trì suốt quá trình khảo sát

khi t > 7s su dụng phương trình (2.6) ta được:

i(t) = 1 ela!

Với 72 = L/R2 = 200/(150+50) = Is

Chương trình matlab (xem phụ lục 2):Kết quả mô phỏng:

Dong dien trong mach RL0.18 T T T

Thoi gian (giay)

Hinh 2.11 Dong dién qua dién cam2.4 Mach RLC

Mach RLC nối tiếp được cho trong hình 2.12:

L

l(› AC +

i(t)

V(t) = V, R V,(t)

Hình 2.12 Mach RLC mắc noi tiép

-15-Dùng định luật Kirchhoff về điện áp, ta có:

poe to fierars nic =V(t) (2.15)

dao ham hai vé phuong trinh trén ta duoc:

RK +aÂÄ+b=0

VỚI:a=Ky va b= VoNếu phương trình đặc trưng có hai nghiệm thực ø, thì nghiệm của phương trìnhthuần nhất là:

i,(t) = Ae” +A,e”

Trong đó A, và 4; là những hang số

Nếu V,(t) là hằng số thì nghiệm riêng của phương trình (2.16) cũng là hang số A;Khi đó nghiệm tổng quát của phương trình (2.16) là:

i(t) = Ae“ + A,e” +A,

Cac hang số A;,A>, A; duoc xac dinh ttr diéu kién đầu của bai toán.Một trường hợp khác khi phương trình đặc trưng không có nghiệm thực được thểhiện trong ví dụ 2.4 sau:

Vi dụ 2.4:

Trong mạch điện RLC nối tiếp như trong hình 2.12, cho L = 10 H, R = 400 Ohms vàC = 100uF Điều kiện đầu vs (t ) = 0, (0) =4A và đi(0)⁄4=15A/s Tìm i(t)

Giai:Từ những dữ kiện dé bài, thay vào phương trình (2.17) ta có:

i(t) =e?" (A, cos(24.4949) + A, sin(24.4949z))

-|7-Theo điều kiện đầu:

¡(0 =e°(A, )=4—> A, =4

di(O)dt = 24,4949 A, —20A, =15A/s

A, =4=> A2 =3,8784

Vậy ta có: i(t) =e?" (4cos(24.4949:) +3.8784sin(24.4949))

Chương trình matlab (xem phụ lục 2):Kết quả mô phỏng:

Mach RLC voi nguon DC45 T T

Dong dien (A)

Hình 2.13 Dòng điện trong mach RLC nồi tiếp khi đóng nguon DCTrong trường hợp mạch điện được cung cấp bởi nguồn xoay chiều AC, tương tựnhư hai trường hợp mach RC và RL, ta có thêm thành phân phụ thuộc

Chương trình matlab (xem phụ lục 2):Kết quả mô phỏng:

Dong dien trong mach RLC voi nguon xoay chieu AC0.1

0.08Ƒ ¬0.06P ¬0.04

-19-Việc thực hiện các biến đổi Laplace ngược đôi khi rất phức tạp vì vậy người tathường sử dụng các biến đổi Laplace có sẵn Phụ lục 1 trình bày một số biến đối Laplacethông dụng.

Từ mạch điện đã cho, ta viết phương trình vi phân mô tả mạch điện sau đó dùngphép biến đổi Laplace để chuyên phương trình vi phân thành phương trình đại số trongmiễn s Sau khi giải phương trình đại số trong miễn s ta lại dùng biến đối Laplace ngượcdé chuyên giá trị tìm được sang miễn thời gian Cách giải này sẽ được minh hoa trong vídụ 2.5

Vi dụ 2.5:Công tắc trong hình 2.14 đã được mở trong một khoảng thời gian lâu Tại t =0 côngtắc đóng lại, tìm điện áp v(t) Cho R = 1042 L= 1/32H, C = 50uF và I; = 2A

Biến đối Laplace phương trình vi phân trên ta được:

0 0.002 0004 0006 0008 001 0012 0014 0016 0.018 002

Thoi gian (giay)

Hình 2.16 Điện áp trên tụ điện trong ví du 2.5 khi giải bằng biến doi LaplaceNgoài phương pháp tích phân kinh điển và phương pháp biến đổi Laplace ở trên dégiải bài toán quá độ còn có các phương pháp khác như tích chập và tích phân Duhamel.Nhưng các phương pháp nay khối lượng tính toán tương đối lớn và việc ứng dụng máytính làm công cụ hỗ trợ có phân hạn chế Ở chương sau sẽ trình bày một số phương phápsố như FDTD,RBF-FDTD (RBF-FDTD: hàm bán kính cơ bản kết hop với sai phân hữuhạn miễn thời gian), biến trạng thái, giải tích Dùng máy tính cụ thé là phan mềm đa năngMatlab dé giải các bài toán này một cách hiệu quả hơn các phương pháp trên