Bài giảng phân tích thiết kế hệ thống năng lượng power system ad phần 1

• Phân tích bằng máy tính: → Tham số, hoạt động của đường dây; Tính toán trào lưu công suất, đặt bù; Lên kế hoạch phát điện; Phân tích quá độ máy đồng bộ, Sự cố đối xứng và không đối x

Trang 1

lượng – Power System A&D.

Trần Nhật Nam

BM Kĩ thuật Điện namtn@wru.vn

Về Môn học Power System A&D

• Môn học CƠ SỞ về Hệ thống Điện.

• Giáo trình:

– Tiếng Việt: Đã có nhưng chất lượng không tốt

– Tiếng Anh: Có rất nhiều:

• GT chính: Hadi Saadat, Power System Analysis 2 nd Edition,

McGraw Hill 2002.

• GT bổ xung: J D Glover and S Sarma Mulukutla, Power System

Analysis and Design 3 rd Edition, Thompson Learning 2002.

• GT khác: John J Grainger & William D Stevenson, Jr., Power

System Analysis International Edition, McGraw Hill 1994.

Trang 2

– Làm đầy đủ bài tập được giao.

– Hoàn thành 2 Bài Tập Lớn.

– Có đủ 3 bài kiểm tra.

– Có mặt ở lớp tại thời điểm điểm danh.

– Không sử dụng tài liệu tiếng Việt khi thi hết môn.

– Có sự chuẩn bị bài trước khi lên lớp (gọi và hỏi

các câu hỏi liên quan đến vấn đề cũ + mới).

Yêu cầu về Kiến thức

Matlab (Không bắt buộc).

Microsoft Mathematics…

Trang 3

• Trang bị kiến thức cơ sở về Hệ thống Điện,

phục vụ cho các môn học sau.

tích và Thiết kế Hệ thống Điện.

trình tính toán quy mô lớn.

• Hệ thống Điện Xoay chiều:

– Nikola Tesla & Westinghouse Electric.

– Máy biến áp (William Stanley).

– Hệ thống truyền tải HVDC: ±x00 kV.

– Xu thế kết nối: Interconnected System.

Trang 4

• Hệ thống Điện hiện đại:

– Khâu phát điện (Máy phát + Máy biến áp).

– Truyền tải liên khu vực và Truyền tải cục bộ (Lưới

truyền tải HVAC/HVDC).

– Hệ thống phân phối (Lưới Trung áp).

• Tích VI của sơ cấp và thứ cấp là gần như nhau.

• Máy tăng áp: Tỷ số vòng dây là a → Dòng thứ cấp giảm 1/a.

Trang 5

• Hệ thống truyền tải:

– Truyền năng lượng từ nơi phát đến nơi tiêu thụ.

– Liên kết các vùng để phục vụ điều độ kinh tế và

Trang 6

• Phụ tải 240/120V, một pha, ba dây.

• Phụ tải 208Y/120V, ba pha, bốn dây

• Phụ tải 480Y/277V, ba pha bốn dây

• Phụ tải 380/220V (VN)

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ

HỆ THỐNG ĐIỆN

• Phụ tải: Công nghiệp, thương mại & dân dụng.

– Phụ tải công nghiệp: phức hợp, thành phần chủ yếu

Trang 7

• Hệ thống Bảo vệ:

– Instrument transformers.

– Circuit breakers, Disconnect switches & Fuses

– Lightning arresters.

– Control equipments & Protective relays.

• Trung tâm điều khiển (ECC): SCADA.

• Phân tích bằng máy tính:

→ Tham số, hoạt động của đường dây; Tính toán trào lưu công suất, đặt bù;

Lên kế hoạch phát điện; Phân tích quá độ máy đồng bộ, Sự cố đối xứng và

không đối xứng, Nghiên cứu ổn định & Điều khiển Hệ thống Điện.

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN

• Công suất trong mạch AC.

• Công suất tức thời p(t) = 2 thành phần:

– Tiêu thụ năng lượng.

– Mượn và trả năng lượng từ nguồn.

• Công suất trung bình (thực) P và Công suất

phản kháng Q → Công suất biểu kiến S.

• Cân bằng công suất.

• Hiệu chỉnh Hệ số công suất.

• Dòng công suất phức.

Trang 8

• Hai thành phần của công suất tức thời:

– θ = θv – θi

θ> 0 → Dòng điện chậm sau Điện áp ↔ Tải có tính cảm (inductive)

θ< 0 → Dòng điện vượt trước Điện áp ↔ Tải có tính dung (capacitive)

Trang 9

→ Công suất trung bình tới tải:

 Công suất Thực – Công suất Tác dụng.

 |V||I| - Công suất biểu kiến [VA].

 cosθ – Hệ số công suất (PF) (Sớm pha/Trễ pha).

• Thành phần thứ 2:

 Đập mạch với tần số gấp đôi.

 Giá trị trung bình bằng 0.

 Biên độ đập mạch – Công suất Phản kháng:

• Công suất Phức:

– Phasor của Điện áp và Dòng điện: &→

→

→ Biểu thức Công suất Phức:

Định nghĩa Công suất Phức

Trang 10

PF càng gần 1 thì càng tốt (Đặc biệt là các phụ tải CN cỡ lớn).

 Lắp đặt tụ bù để nâng cao PF.

 Phạt tiền Phụ tải công nghiệp vận hành ở PF thấp.

 Không phải là vấn đề với các phụ tải cỡ nhỏ, dân dụng (Lý do?).

• Ví dụ 2.3 (GT):

• Dòng công suất phức:

Trang 11

 Công suất Tác dụng và Phản kháng:

 Biểu thức tính gần đúng (R = 0): → Không tổn thất (Lossless)

• Mạch 3 pha đối xứng:

THỨ TỰ

THUẬN

THỨ TỰ NGHỊCH

Trang 12

• Mạch 3 pha đối xứng:

 Công suất tức thời truyền tải ra mạch ngoài là hằng số (Không

đập mạch như trong trường hợp 1 pha)

 Kinh tế trong truyền tải

 Nguồn đấu Y – Tải đấu Y hoặc Δ

 Với pha A:

Chọn

Trang 13

• Tải hình Δ:

Trang 14

• Các đại lượng của pha khác có cùng Biên độ

và khác nhau về Pha.

• Công suất 3 pha:

Chú ý: Công suất từng pha thì đập mạch nhưng Công suất cả 3 pha thì

không đổi và bằng 3 lần Công suất mỗi pha.

Công suất pha đập mạch → Có cả t/p Tác dụng và Phản kháng →

Mở rộng khái niệm Công suất Phức cho mạch 3 pha bằng cách định

nghĩa Công suất Phản kháng 3 pha:

Trang 15

• Mô hình Máy phát đồng bộ:

Từ thông móc vòng với cuộn a:

Định luật Faraday:

với:

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA

VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI

Mạch tương đương:

X S– Điện kháng đồng bộ, có giá trị khác nhau ứng với những trạng thái khác nhau (do tính phi tuyến của đường cong từ hóa).

Khi phân tích trạng thái xác lập

(Steady-State): sử dụng giá trị bão hòa của điện

kháng đồng bộ ứng với điện áp định mức.

R a << X S

Trang 16

• Máy Biến Áp:

Với MBA lý tưởng, ta có:

• Mạch tương đương quy đổi về phía Sơ cấp:

Trang 17

• Mô hình đơn giản:

– Lõi có độ từ thẩm lớn và tổn thất nhỏ → Bỏ qua nhánh ngang → Mạch

quy đổi đơn giản về cả 2 phía của MBA:

• Các tham số quan trọng của MBA:

 Hiệu suất truyền tải:

 Biểu thức hiệu suất theo mức tải n:

 Mức độ điều chỉnh điện áp:

với

Trang 18

• Tổ đấu dây của MBA 3 pha:

• MBA Tự ngẫu – Autotransformer:

Trang 19

• MBA Tự ngẫu – Autotransformer:

+ Quan hệ về Dòng: + Độ lợi CS:

So với MBA 2 cuộn dây cùng CS, MBA Tự ngẫu có 1 số ưu điểm: Nhỏ hơn, Hiệu

suất cao hơn và Tổng trở trong nhỏ hơn → MBA Tự ngẫu được sử dụng rộng rãi

trong HTĐ.

• Hệ đơn vị tương đối:

Biết 2 trong 4 đại lượng, thường

là V Bvà

S B

Trang 20

• Ưu điểm của Hệ đơn vị Tương đối:

– Thể hiện độ lớn tương đối giữa các đại lượng khác nhau.

– Các thiết bị cùng loại có giá trị tổng trở tương đối nằm trong 1 phạm vi

hẹp mặc dù chúng có công suất định mức khác nhau.

– Các giá trị tương đối của Dòng, Áp và Tổng trở của MBA là như nhau

bất kể quy đổi về phía nào → Xóa bỏ các cấp điện áp khác nhau.

– Các đại lượng tương đối có thể dễ dàng biểu diễn trong các chương

trình tính toán trong máy tính.

– Các định luật về mạch điện vẫn đúng và những phương trình sẽ được

đơn giản hóa.

CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY

• Tổng quan

Mô hình một sợi – đơn pha.

Tùy thuộc vào chiều dài đường dây: Ngắn – Trung –

Dài.

Mô hình đường dây Dài: Hằng số Lan truyền + Tổng

trở Sóng.

Mô hình mạch hình π.

Trang 21

• Mô hình Đường dây Ngắn:

– Chiều dài: ≤ 80 km (50 miles).

– Điện áp ≤ 69 kV Bỏ qua Điện dung

• Biểu diễn dưới dạng Mạng 2 cửa:

• Phương trình:

 Dạng ma trận:

Trang 22

‒ Bỏ qua điện dung dọc đường dây Sử dụng mô hình Đường

dây Ngắn để tìm: Điện áp và Công suất ở Nút Đầu, % Điều

chỉnh điện áp và Hiệu suất truyền tải với phụ tải:

a. 381 MVA, PF = 0,8 trễ ở 220 kV.

b. 381 MVA, PF = 0,8 sớm ở 220 kV.

Trang 23

• Mô hình Đường dây Trung bình:

– Chiều dài: 80 km (50 miles) < l < 250 km (150 miles).

– Giá trị điện dung đáng kể → Phân bố tập trung ở 2 đầu đường dây.

→ Mạch hình π danh định:

• Các hằng số ABCD của mô hình:

• Phương trình biểu diễn các đại lượng (Dòng, Áp) cuối đường

dây theo các đại lượng (Dòng, Áp) đầu đường dây:

Trang 24

– Chiều dài lớn hơn 250 km (150 miles).

– Thông số rải (Distributed parameters).

• Điện áp và Dòng điện:

với

Trang 25

• Biểu thức Dòng và Áp theo chiều dài:

Trang 27

• Sóng Dòng điện và Điện áp:

→ Đường dây không tổn thất → g = 0 & r = 0 → α = 0:

với

Do:

Biểu thức Dòng và Áp:

→ Biên độ Dòng và Áp không thay đổi dọc theo chiều dài đường dây.

→ Z Ckhông có thành phần phản kháng → Không có công suất phản kháng trên

đường dây.

→ SIL có giá trị từ 150 MW cho đường dây 230 kV đến 2000 MW ở 765 kV.

Trang 28

• Ví dụ:

Đường dây 3 pha, 60Hz, 500kV dài 300km – Không tổn thất

Điện cảm và Điện dung đơn vị mỗi pha: L = 0,97 mH/km; C =

0,0115 µF/km.

a) Xác định hằng số pha β, tổng trở tự nhiên Z C, vận tốc truyền

sóng v và bước sóng λ.

b) Phụ tải ở cuối đường dây là 800 MW, PF = 0,8 trễ ở 500 kV

Xác định các đại lượng ở đầu đường dây và % Điều chỉnh

điện áp

Trang 29

• Giải

→ Đường dây không tổn thất:

→ Tính toán Đường dây:

→ Điện áp pha ở cuối Đường dây:

→ Công suất tiêu thụ:

→ Dòng tải:

Trang 30

→ Biên độ Điện áp dây đầu Đường dây:

→ Dòng điện đầu Đường dây:

→ Công suất truyền đi từ đầu nguồn:

→ Mức độ % điều chỉnh điện áp:

Trang 31

Biểu diễn theo Biên độ Điện áp, góc Pha của điện áp

Đầu và Cuối đường dây & Hằng số ABCD:

+ Công suất Phức ở cuối đường dây:

→ Viết theo Điện áp Dây:

→ Công suất Tác dụng & Phản

kháng:

→ Công suất Phức ở đầu đường dây:

→ Dòng điện ở đầu đường dây:

Trang 32

→ Tổn thất Công suất trên đường

dây:

→ Với đường dây không tổn thất:

• Khả năng truyền tải Công suất:

+ Biểu thức công suất Tác dụng truyền qua 1 đường dây không tổn thất:

MAX

Thực tế δ = 30°÷45°

+ Biểu diễn Biểu thức công suất Tác dụng truyền đi theo SIL:

Trang 33

• Vấn đề Đặt bù trên Đường dây truyền tải:

– Phụ tải là SIL → Biên dạng điện áp bằng phẳng.

– Phụ tải < SIL → Gây tăng áp ở cuối.

– Phụ tải > SIL → Gây giảm áp ở cuối.

→ Sử dụng Kháng bù ngang để làm giảm tự tăng áp khi tải nhẹ

hoặc đường dây hở mạch ở cuối

→ Sử dụng Tụ bù ngang, SVC (Static Var Compensator) hoặc

Máy bù đồng bộ để nâng Điện áp ở cuối, Khả năng Truyền tải

công suất và sự Ổn định Hệ thống

• Kháng bù: Triệt tiêu ảnh hưởng của điện dung đường dây

+ Dòng điện ở cuối Đường dây: + Điện áp ở đầu Đường dây:

Trang 34

→ Quan hệ giữa I S và I R:

• Khi chỉ có một kháng mắc ở cuối đường dây → Biên dạng điện áp không đồng nhất

và giá trị điện áp tăng cao nhất ở giữa đường dây:

duy trì điện áp ở mức phù hợp.

• Bù dọc (Bù nối tiếp):

+ Làm giảm điện kháng của đường dây → Tăng cường ổn định, tính kinh tế

và giảm sụt áp trên tải

Trang 35

mắc tụ bù dọc:

• Nhược điểm của tụ bù dọc:

– Yêu cầu thiết bị và những biện pháp bảo vệ đặc biệt khi xảy ra ngắn

• Bài tập Chương 4: (Chương 5 GT Power

System Analysis – Hadi Saadat).

Trang 36

 Phân tích HTĐ ở chế độ xác lập đối xứng

 Sử dụng phương pháp Phân tích điện áp Nút → Sử dụng Hệ

Phương trình biểu diễn HT phù hợp với phương pháp này

 Tìm hiểu cách giải các Hệ Phương trình Trào lưu Công suất

(Phi tuyến → Phương pháp Lặp)

CHƯƠNG 5 – PHÂN TÍCH TRÀO

LƯU CÔNG SUẤT

• Ma trận Tổng dẫn Nút:

Trang 37

• Tương đương:

LƯU CÔNG SUẤT

• Phương trình Điện áp Nút:

• Các tổng dẫn:

Trang 38

• Dạng Ma trận:

LƯU CÔNG SUẤT

• Chú giải các đại lượng:

- Vector các nguồn dòng bơm vào từng nút

- Vector các điện áp nút (so với nút cơ sở)

- Ma trận tổng dẫn nút

- Tổng dẫn riêng

- Tổng dẫn tương hỗ

- Ma trận tổng trở nút

Trang 39

• Phương pháp giải HPT đại số phi tuyến:

Phương pháp Gauss-Seidel:

với - Thừa số tăng tốc hội tụ

Với Hệ n Phương trình n

biến:

LƯU CÔNG SUẤT

Trang 40

Phương pháp Newton-Raphson:

với

→ Mở rộng cho Hệ n Phương trình n biến:

LƯU CÔNG SUẤT

Phương pháp Newton-Raphson:

→ Dạng Ma trận:

Trang 41

• Phương pháp Newton-Raphson:

→ Các thành phần:

→ Ma trận Jacobian

LƯU CÔNG SUẤT

• Phân tích Trào lưu Công suất – Load Flow:

→ Xác định Biên độ và Góc pha điện áp tại mỗi nút + Dòng CS trên đường dây.

→ Nút Cân bằng: Biết trước Biên độ và Góc pha Điện áp…

→ Nút Tải (PQ): Biết trước Công suất Tác dụng và Phản kháng → Cần đi tìm

Biên độ và Góc pha của Điện áp Nút tương ứng.

→ Nút Điều khiển Điện áp (PV): Biết trước Công suất Tác dụng và Biên độ

Điện áp Nút → Cần đi tìm Công suất Phản kháng và Góc pha của Điện áp

Trang 42

• Phương trình Dòng Công suất:

LƯU CÔNG SUẤT

• Ứng dụng Phương pháp Gauss-Seidel:

→ Biểu thức cho Công suất Tác dụng và Phản kháng:

Trang 43

• Biểu diễn theo phần tử của Ybus

2(n - 1) Phương trình

→ Giá trị phức ban đầu của Điện áp các Nút: 1,0 + j0,0

LƯU CÔNG SUẤT

• Tiến trình Giải với nút PV:

Đã biết: & Cần tìm: rồi tìm:

Do đã biết: Chỉ giữ lại phần ảo của: , tìm phần thực thỏa mãn:

Điều kiện:

Sử dụng thừa số tăng tốc hội tụ:

Trang 44

• Dòng điện và Tổn thất:

LƯU CÔNG SUẤT

• Ví dụ 1:

Trang 45

• Ví dụ 2:

LƯU CÔNG SUẤT

• Yêu cầu:

1 Sử dụng Phương pháp Gauss-Seidel, xác định điện áp tại các

nút 2 và 3 chính xác tới 4 chữ số thập phân

2 Tìm lượng Công suất Tác dụng và Phản kháng cung cấp bởi

nút Cân bằng (Slack Bus)

3 Xác định các dòng công suất và tổn thất công suất trên các

đường dây Vẽ sơ đồ biểu diễn hướng các dòng công suất

Trang 46

• Hướng dẫn giải cho Ví dụ 1:

→ Chuyển đổi Tổng trở thành Tổng dẫn:

→ Công suất phức ở các nút Tải ở dạng tương đối:

LƯU CÔNG SUẤT

• Chọn Nút 1 là Nút cân bằng (Slack Bus) Các xấp xỉ đầu:

• Sơ đồ tính toán:

Trang 47

• Bước lặp đầu tiên:

• Bước lặp thứ hai:

LƯU CÔNG SUẤT

• Quá trình tiếp tục cho đến khi đạt được độ chính xác cần thiết:

 Kết quả nhận được:

Trang 48

LƯU CÔNG SUẤT

• Các dòng điện trên đường dây:

• Các dòng công suất:

Trang 49

• Các dòng công suất: <Tiếp>

LƯU CÔNG SUẤT

• Tổn thất trên các đường dây:

Trang 50

• Hướng dẫn giải cho Ví dụ 2:

• Công suất Phức ở nút Tải (2) và nút Cân bằng Điện áp ở dạng

tương đối:

• Chọn Nút 1 là nút Cân bằng Các xấp xỉ đầu:

LƯU CÔNG SUẤT

• Điện áp nút Tải (2) sau bước lặp đầu tiên:

• Để tính Điện áp Nút Cân bằng Điện áp (3), trước hết cần tính

Công suất Phản kháng:

Trang 51

• Giá trị điện áp tính toán tại nút 3:

• Giữ phần ảo của giá trị tìm được và tìm phần thực theo điều

kiện bảo toàn module:

• Giá trị phức của Điện áp nút Cân bằng Điện áp sau bước lặp

đầu tiên:

LƯU CÔNG SUẤT

• Bước lặp thứ hai:

Trang 52

• Kết quả:

LƯU CÔNG SUẤT

• Ứng dụng Phương pháp Newton-Raphson:

 Tốc độ hội tụ nhanh hơn G-S.

 Ít hội tụ không thành nếu chọn GT đầu không tốt.

 Phù hợp cho những HT lớn trong thực tế.

• Quy trình:

Dạng mũ

Trang 53

 Công suất Tác dụng và Phản kháng:

+ Nút Tải: Có cả Phương trình của P i và Q i.

+ Nút Điều chỉnh Điện áp: Chỉ có Phương trình của P i.

→ Khai triển Taylor, bỏ qua các thành phần bậc cao → HPT Tuyến tính

LƯU CÔNG SUẤT

• Hệ Phương trình Tuyến tính:

(Giả sử Nút 1 là Nút Cân bằng)

Trang 54

– Thể hiện quan hệ tuyến tính giữa những thay đổi nhỏ trong Góc điện áp

và Biên độ điện áp với sự thay đổi nhỏ về Công suất Tác dụng

và Công suất Phản kháng

– Các phần tử là đạo hàm riêng.

• Dạng thu gọn:

• Xét trong HTĐ có m nút Điều chỉnh Điện áp → m PT tương

ứng được khử khỏi hệ → Có n-1 PT về Công suất Tác dụng và

n-1-m PT về Công suất Phản kháng.

LƯU CÔNG SUẤT

Trang 55

• Các phần tử của J1:

LƯU CÔNG SUẤT

Trang 56

• Power residuals – Độ lệch giữa Công Suất dự kiến và

giá trị tính toán:

• Các xấp xỉ mới:

LƯU CÔNG SUẤT

• Quy trình:

1 Lấy các giá trị đầu của nút Tải là 1,0 và 0,0 Đối với nút

Cân bằng Điện áp thì chọn góc là 0,0

2 Tính , , và cho nút Tải hoặc

và cho nút Cân bằng Điện áp

3 Tính các phần tử của Ma trận Jacobian

4 Giải Hệ Phương trình Tuyến tính

5 Tính các xấp xỉ mới

6 Quá trình tiếp diễn cho đến khi các sai lệch về Công

suất đạt được độ chính xác cần thiết

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	5,14 MB