Nghiên cứu các chế độ của hệ thống điện độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN THANH QUẢNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CÁC CHẾ ĐỘ CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘC LẬP LUẬN VĂN CAO HỌC CHUYÊN NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂM 2004 MUÏC LỤC Mở đầu Chương : Xây dựng mô hình phần tử hệ thống điện độc lập 1.1 Mô hình máy điện đồng 1.1.1 Mô hình toán học máy điện đồng 1.1.2 Sơ đồ tương đương 1.1.3 Mô hình xác lập 1.1.4 Mô hình động lực đơn giản 1.2 Mô hình điều khiển kích từ 1.3 Mô hình tải, Đường dây, Máy biến áp 1.3.1 Mô hình toán học động không đồng 1.3.2 Các mô hình tải tổng hợp 1.3.3 Mô hình đường dây máy biến áp Trang 01 04 04 04 13 15 15 18 21 21 24 26 Chương : Chế độ xác lập hệ độc lập 2.1 Mở đầu 2.2 Giới hạn khả phát máy phát biện pháp hiệu chỉnh 2.2.1 Các chế độ giới hạn 2.2.2 Biện pháp hiệu chỉnh công suất phản kháng 27 27 27 28 33 Chương : Ổn định hệ độc lập 3.1 Khái niệm ổn định hệ độc lập 3.2 Ổn định nhiễu nhỏ 3.2.1 Khái niệm ổn định nhiễu nhỏ 3.2.2 Mô hình toán 3.2.3 Trị riêng hệ số tham gia 3.2.4 Tiến trình khảo sát ổn định tónh 3.2.5 Chương trình 3.3 Ổn định nhiễu lớn 3.3.1 Mô hình toán 3.3.2 nh hưởng khởi động động 3.3.3 Khảo sát dao động rôto có nhiễu 3.4 Ổn định điện áp 37 37 38 38 39 43 44 44 45 45 45 46 48 Chương : Quá trình độ điện từ 4.1 Tổng quan phương pháp có 4.2 Ngắn mạch pha 4.2.1 Ngắn mạch pha đầu cực máy phát 4.2.2 Ngắn mạch pha điểm tuỳ ý 4.2.3 Khi máy phát mang tải 4.2.4 Khảo sát ảnh hưởng AVR 51 51 56 56 58 60 62 4.3 4.4 4.5 4.6 Ngắn mạch pha Ngắn mạch pha Ngắn mạch pha chạm đất Quá trình độ đóng tải 63 73 83 93 Chương : Mô hệ thống độc lập 5.1 Khảo sát mô hình vật lý bộä POWER SYSTEM SIMULATOR 5.2 Khảo sát ổn định tónh hệ cô lập 5.3 Khảo sát ngắn mạch pha 5.4 Khảo sát ngắn mạch pha 5.5 Khảo sát ngắn mạch pha 96 96 111 123 128 132 Chương Kết luận hướng phát triển 133 Phụ Lục : Các chương trình máy tính Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hầu hết hệ thống điện giới hệ thống có công suất lớn với gồm hàng trăm, hàng ngàn máy phát điện cung cấp cho số lượng cực lớn hộ tiêu thụ thông qua mạng điện lớn phức tạp Đặc tính vận hành hệ thống chế độ phức tạp thông thường khác xa đặc tính vận hành thiết bị hay nhóm thiết bị Việc khảo sát làm việc máy phát đồng hệ thống thường sử dụng mô hình máy phát nối với hệ thống vô lớn mô hình hệ nhiều máy Tại nút tải hệ thống điện có vô số thiết bị tiêu thụ điện nối vào với đặc tính khác nên xem xét đặc tính tải nút hệ thống tải tổng hợp Các lý thuyết khảo sát chế độ làm việc hệ thống điện phức tạp ngày phát triển phong phú đạt hiệu lực mạnh mẽ nhờ phát triển kỹ thuật máy tính Tuy nhiên, ngày việc khai thác nguồn nhiên liệu giới hàng năm với khối lượng lớn làm cạn kiệt dần nguồn tài nguyên thiên nhiên Tình trạng ô nhiễm môi trường mức báo động đe dọa sống toàn cầu Các nguy đòi hỏi loài người phải tích cực hướng đến việc khai thác sử dụng tất nguồn lượng phục vụ đời sống Các khuynh hướng ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ sản suất điện tương lai Các máy phát thuỷ điện nhỏ, máy phát điện dùng sức gió nguồn lượng khác phát triển mạnh tạo hệ thống điện nhỏ vận hành độc lập Hiện nay, hệ thống điện nhỏ vận hành độc lập xuất nhiều nơi giới hải đảo, hệ thống thủy điện nhỏ vùng hẻo lánh Đây trường hợp nhà máy xí nghiệp có trang bị máy phát điện dự phòng để cung cấp điện nguồn điện lưới từ hệ thống điện quốc gia bị Đặc tính vận hành hệ thống điện độc lập có đặc điểm khác xa hệ thống lớn nên việc xây dựng mô hình khảo sát chế độ làm việc hệ thống điện độc lập cần thiết Hệ thống điện độc lập hệ thống điện gồm máy phát hoặëc vài máy phát cung cấp điện cho phụ tải thông qua mạng điện gồm số đườøng dây tải điện có chiều dài ngắn, điện áp không cao Mỗi phụ tải gồm số lượng lớn thiết bị tiêu thụ khác nên mô tả chúng theo mô hình phụ tải tổng hợp tải động Với đặc điểm cấu tạo vậy, chế độ làm việc hệ thống độc lập có đặc điểm khác so với hệ thống lớn sau Trong hệ thống độc lập, tổng công suất máy phát không lớn nên đóng cắt phụ tải nhiễu loạn công suất gây cân công suất cân gây biến động đáng kể tần số hệ thống nghóa độ nhạy tần số theo công suất lớn Trong hệ thống công suất lớn độ nhạy nhỏ nhiều nên độ ổn định tần số lớn Điều xảy tương tự điện áp hệ thống Trong hệ thống độc lập đóng cắt vận hành phụ tải công suất đáng kể, chẳng hạn động không đồng bộ, việc tần số hệ thống thay đổi đáng kể, điện áp hệ thống biến thiên nhiều có tượng ổn định sụp đổ điện áp Như hệ thống độc lập cần thiết phải nghiên cứu ổn định điện áp Đặc tính chế độ xác lập hệ thống độc lập giống hệ thống lớn đơn giản nên dùng phương pháp khảo sát chế độ xác lập hệ thống lớn Trong số trường hợp xem tải tổng hợp đầu cực máy phát điện việc khảo sát trở nên đơn giản Khi vận hành chế độ xác lập máy phát điện đạt đến giới hạn phát công suất tác dụng phản kháng Khi việc điều chỉnh thích hợp thông số dòng kích từ, dòng stato, điện áp đầu cực máy phát tăng đáng kể giới hạn phát công suất phản kháng tăng giới hạn ổn định Trong trường hợp biện pháp thực cho máy phát hệ độc lập giống hệ thống phức tạp Một đặc điểm đáng lưu ý hệ thống lớn nhiều máy ngắn mạch điểm hệ thống điện khó khảo sát trình độ máy phát không qui đổi trở kháng từ máy phát đến điểm ngắn mạch Trong hệ thống độc lập máy phát, trở kháng từ máy phát đến điểm ngắn mạch tính dễ dàng cho phép kết nối phương trình mạch với phương trình toán học đầy đủ máy phát khảo sát ngắn mạch điểm tuỳ ý mạng điện việc giải trực tiếp hệ phương trình vi phân máy phát Trong hệ thống công suất có nhiều máy phát khái niệm ổn định giữ cho máy phát làm việc đồng với có nhiễu hay thay đổi chế độ làm việc Mô hình khảo sát phương trình toán học mô tả biến thiên góc lệch pha sức điện động máy phát hay máy phát hệ thống điện Trong vận hành bình thường máy phát điện giữ quay với tốc độ đồng thay đổi nhỏ góc lệch kèm theo thay đổi công suất điện từ cho kéo góc lệch vị trí cũ Trong hệ thống độc lập có máy phát khái niệm ổn định không ý nghóa thay đổi công suất điện từ làm thay đổi tốc độ máy phát góc lệch pha sức điện động điện áp đầu cực máy phát không thay đổi nên việc khảo sát ổn định máy phát hệ thống cô lập khảo sát thay đổi tốc độ máy phát so với thời điểm trước có nhiễu không dùng phương pháp đặc tính góc công suất khảo sát hệ thống phức tạp Như phương pháp khảo sát ổn định hệ cô lập khác so với hệ thống có nhiều máy phát Khi vận hành xác lập có dao động nhỏ khái niệm ổn định tónh cho hệ cô lập hệ thống phức tạp có ý nghóa khả hệ trở thông số cũ sau có nhiễu Tuy dao động thực tế có nhiễu khác hệ thống độc lập góc lệch pha sức điện động điện áp đầu cực máy phát không đổi có nhiễu, hình ảnh trái lại hệ thống phức tạp Do tính chất khảo sát ổn định nhiễu nhỏ cho hệ khác Trong hệ thống độc lập thay đổi dòng điện kích từ làm thay đổi sức điện động cảm ứng stato thay đổi công suất điện từ kết thay đổi cân công suất máy phát làm tốc độ thay đổi đến có cân Trong hệ thống nhiều máy, thay đổi dòng kích từ dẫn đến thay đổi công suất phản kháng phát ra, công suất tác dụng không thay đổi nên tốc độ không thay đổi Tuy vậy, đổi dòng điện kích từ hay sức điện động máy phát gây dao động trị số công suất điện từ Vì thay đổi ảnh hưởng tính ổn định lúc có nhiễu nhỏ nhiễu lớn bên cạnh dao động góc rôto Trong hệ thống nhiều máy khái niệm ổn định có nhiễu lớn dựa phương pháp vùng cân để xét xem máy phát đồng hay đồng với hệ thống Trong hệ thống độc lập thay đổi công suất thay đổi tốc độ rôto nên việc khảo sát ổn định nhiễu lớn khảo sát tốc độ thay đổi có cân xác định công suất máy phát Từ đặc điểm nêu trên, việc xây dựng mô hình toán học phân tích chi tiết chế độ cuả hệ thống độc lập cần thiết Mục tiêu nhiệm vụ luận án 2.1 Các mục tiêu Nghiên cứu chế độ hệ thống điện độc lập p dụng mô số hệ thống độc lập kiểm nghiệm mô hình vật lý cụ thể 2.2 Các nhiệm vụ cụ thể Xây dựng mô hình toán học phần tử hệ thống Nghiên cứu chế độ xác lập, ổn định, trình độ hệ thống độc lập rút đặc điểm xây dựng phương pháp khảo sát chế độ hệ thống Lập trình máy tính chạy kiểm tra phương pháp Thí nghiệm mô hình vật lý, so sánh kiểm nghiệm với kết nghiên cứu Nhận xét, đánh giá khả áp dụng kết nghiên cứu thực tế đưa hướng nghiên cứu phát triển đề tài Phạm vi nghiên cứu Do khả hạn chế, nghiên cứu đồ án thực hệ thống điện độc lập có máy phát Tuy nhiên, số kết nghiên cứu chế độ xác lập ổn định áp dụng cho hệ thống có số máy phát Điểm luận án Trình bày phương pháp toán học biện pháp chọn đầu phân áp máy biến áp tăng áp để nâng cao giới hạn phát công suất phản kháng máy phát điện Kết sở để chọn điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp tăng áp nhà máy điện Thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả trình độ điện từ ngắn mạch đối xứng không đối xứng điểm tùy ý mạng điện cho phép giải tìm nghiệm dòng ngắn mạch Giá trị thực tiễn đề tài Các kết nghiên cứu luận văn làm tài liệu tham khảo khảo sát chế độ hệ thống điện độc lập thực tế CHƯƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 1.1 Mô hình máy điện đồng Các máy phát điện hệ thống nguồn cung cấp dòng điện tất chế độ hệ thống điện định đặc tính chế độ Vì việc hiểu đặc tính mô hình xác trình động lực máy điện đồng vấn đề quan trọng nghiên cứu trình độ ổn định hệ thống điện Trong phần này, xây dựng chi tiết mô hình toán học máy điện đồng 1.1.1 Mô hình toán học máy điện đồng Hình 1.1 trình bày sơ đồ mạch điện phân tích máy điện đồng Mạch stato gồm cuộn dây pha phần ứng mang dòng điện xoay chiều Mạch rôto gồm có cuộn dây kích từ cuộn cản Cuộn dây kích từ nối với nguồn chiều để tạo từ trường Dòng điện cuộn cản giả sử chạy tập mạch kín : tập có từ trường dọc trục (d-axis) tập từ trường ngang trục (q-axis) Giả sử có cuộn cản trục Mỗi dây quấn thay cuộn dây có vòng Trục d Trục chuẩn θ Truïc q b' c ic iD a if Q' ia F' D' D a' F Q iQ b c' ib Hình 1.1 Mạch stato rôto máy điện đồng Trong ký hiệu số : a, b, c : Các cuộn dây pha stato F : cuộn dây kích từ D : Cuộn cản trục d Q : Cuộn cản trục q ωr = Tần số góc rôto, rad/s θ = ωr t = Góc lệch trục d so với trục từ trường cuộn dây pha a theo chiều quay rôto, rad Sau ký hiệu dùng phương trình mạch stato rôto: v a , vb , v c = điện áp pha tức thời cuộn dây pha stato ia , ib , ic = dòng điện tức thời pha stato vF v D , vQ = điện áp cuộn kích từ = điện áp tức thời cuộn cản i F , i D , iQ = dòng điện tức thời mạch kích từ cuộn cản id , iq = dòng điện tức thời cuộn dây tưởng tượng trục d q thay cuộn dây stato = điện áp tức thời cuộn dây tưởng tượng vd , vq d q thay cuộn dây stato = từ thông tức thời móc vòng tổng cuộn dây stato λ a , λb , λ c λ F , λ D , λQ λd , λq trục = từ thông tức thời móc vòng tổng cuộn dây rôto = từ thông tức thời cuộn dây tưởng tượng trục rF , rD , rQ d q thay cuộn dây stato = điện trở mạch rôto laa , lbb , lcc = tự cảm cuộn dây stato lab , lbc , lca = điện cảm tương hỗ cuộn dây stato l aF , l aD , l aQ = điện cảm tương hỗ cuộn dây stato rôto l FD l FF , l DD , lQQ = điện cảm tương hỗ cuộn dây theo trục d rôto = tự cảm mạch rôto r p = d / dt = điện trở phần ứng pha = toán tử vi phân Các tự cảm hỗ cảm mạch stator thay đổi theo vị trí rôto Sự thay đổi gây biến thiên từ thẩm đường từ thông không khe hở theo trục rôto cực lồi Từ thông dây quấn stato chảy theo đường qua lõi stato, khe hở khí, lõi rôto, quay trở lại khe hởû Sự biến thiên từ thẩm đường hàm vị trí rôto sau : P = Po + P2cos2θ θ góc khoảng cách từ trụïc d đến trục từ thông stato • Các phương trình mạch stato Phương trình điện áp pha stato laø : dλ v a = − a − ria = − pλa − ria dt (1.1) dλ b − rib = − pλb − rib dt dλ vc = − c − ric = − pλc − ric dt Trong λ a , λb , λ c từ thông móc vòng tức thời pha stator vb = − λa = l aa ia + l ab ib + l ac ic + l aF i F + l aD i D + l aQ iQ λb = lba ia + lbb ib + lbc ic + lbF i F + lbD i D + lbQ iQ λc = l ca ia + l cb ib + l cc ic + l cF i F + l cD i D + l cQ iQ (1.2) Tự cảm stato Tự cảm tổng pha a laa = λa/ia dòng tất mạch khác = Cảm kháng tỷ lệ thuận với từ thẩm P nên có hoạ tần bậc laa cực đại θ = 00 hay 1800, cực tiểu θ = 900 hay 2700 Sức từ động pha a phân bố không gian với cực đại trục pha a Naia Chiếu lên trục d q coù : MMFad = Naiacosθ MMFaq = Naiacos(θ+900)= - Naiasinθ Từ thông khe hở dọc theo trục d trục q : Φgad = (Naiacosθ)Pd Φgaq = (-Naiasinθ)Pq Với Pd, Pq hệ số từ thẩm trục d trục q Từ thông khe hở tổng pha a : Φgaa =Φgadcosθ - Φgaqsinθ = = Naia[(Pd+Pq)/2 +((Pd-Pq)/2)cos2θ] Tự cảm khe hở pha a lgaa = Na2[(Pd+Pq)/2 +((Pd-Pq)/2)cos2θ] = Lgo +Lmcos2θ Tự cảm tổng laa tự cảm khe hở cộng với tự cảm tản Lσ laa = Lσ +lgaa = Ls + Lmcos2θ Tự cảm pha b c sau : (1.3) lbb = Ls + Lmcos2(θ -2π/3) lcc = Ls + Lmcos2(θ +2π/3) Khi rôto tròn laa =Ls= const Hỗ cảm stato Hỗ cảm dây quấn stato có biến thiên họa tần bậc hai hình dạng rôto Nó âm có giá trị lớn cực bắc nam dây quấn Để xác định hỗ cảm lab cần xác định từ thông khe hở móc vòng pha b có dòng pha a Φgab =Φgadcos(2θ -2π/3) - Φgaqsin(θ -2π/3) = = Naia[-(Pd+Pq)/4 +((Pd-Pq)/2)cos(2θ -2π/3)] Từ hỗ cảm khe hở : lgab = NaΦgab/ia = -Lgo/2 +Lm cos(2θ -2π/3) Kể thêm lượng từ thông hỗ cảm nhỏ đầu nối, hỗ cảm lab lab = - Ms + Lmcos(2θ -2π/3) = - Ms – Lmcos(2θ + π/3) Tương tự : lbc = - Ms - Lmcos(2θ - π) Lưu ý : lac = - Ms – Lmcos(2θ - π/3) (1.4) Ms ≈ Ls/2 Hỗ cảm stato rôto Bỏ qua hiệu ứng rãnh, mạch rôto có từ thẩm nên biến thiên hỗ cảm rôto – stato chuyển động tương đối chúng Khi dây quấn stato trùng trục dây quấn rôto, từ thông móc vòng cực đại hỗ cảm cực đại, dây quấn lệch 900, từ thông móc vòng hỗ cảm Do hỗ cảm rotor – stator cho pha a: laF = MFcosθ laD = MDcosθ laQ = MQcos(θ+π/2) = MQsinθ Tương tự cho pha b c : lbF = MFcos(θ -2π/3) lbD = MDcos(θ -2π/3) lbQ = MQsin(θ-2π/3) lcF = MFcos(θ +2π/3) (1.5) lcD = MDcos(θ +2π/3) lcQ = MQsin(θ+2π/3) Tự cảm rôto Bỏ qua hiệu ứng rãnh, mạch rôto có từ thẩm nên tự cảm rôto hằng: lFF = Lσf + Nf2Pd= LF lDD = LσD +ND2Pd= LD (1.6) lQQ = LσQ +NQ2Pq= LQ Hỗ cảm cuộn cản dọc trục cuộn kích từ số : lFD = MR Thay biểu thức cảm kháng, biểu thức từ thông pha stato sau : λa = ia [Ls + Lmcos2θ]-ib[Ms+ Lmcos(2θ + π/3)]+ -ic [ Ms + Lmcos(2θ - π/3)] +iFMFcosθ +iDMDcosθ +iQMQsinθ λb = - ia [Ms + Lmcos(2θ+π/3)]+ib[Ls+ Lmcos2(θ -2π/3)]+ -ic [Ms + Lmcos(2θ - π)] +iFMFcos(θ-2π/3) +iDMDcos(θ-2π/3) +iQMQsin(θ-2π/3) λc = - ia [Ms + Lmcos(2θ-π/3)]-ib[Ms+ Lmcos(2θ -π)] +ic [Ls + Lmcos2(θ+2π/3)]+iFMFcos(θ+2π/3) +iDMDcos(θ+2π/3) +iQMQsin(θ+2π/3) (1.7) • Các phương trình mạch rôto Phương trình điện áp mạch rôto v F = pλ F + rF i F = pλ D + rD i D = pλQ + rQ iQ (1.8) 5-3 Khảo sát ngắn mạch pha 5.3.1-Mô hình 1: Mô hình mục 5-2 sử dụng để khảo sát QTQĐĐT hệ cô lập: MF : turbine nước, 15MVA; Uñm=6.6 kV; T”d=T”q=0.05s ; T’q= 0.05s T’d0=6.63s; TA=0.2s; TF=0.35s; TE=0.5s; X’d=0.237; Xd=0.957; Xq= 0.522; X’q=0.522; X”q=0.352; Ra=0.0034; Xσ =0.09; rF=0.0005 - nối MF với nút 1: Z=0.053+j0.11 - nối nút nút 2: Z=0.106+j0.22 - nối nút MF nút 3: Z=0.106+j0.22 Các tải là: Nút 1: 0.2+j0.15; Nuùt 2: 0.2+j0.15; Nuùt 3: 0.27+j0.2 Ls=(Ld+Lq+L0)/3=0.523 Lm=0.145; Ms=0.217; Do kMF=LAD=Ld-Lσ=0.867 neân MF=0.71=MD=0.71; Do kMQ=LAQ= Lq-Lσ=0.432 neân MQ=0.354 MR=kMF=0.867 LD=1.33; RD=0.0487; LF=1.04; RF=0.0005; LQ=1.097; RQ=0.07; Từ rF=0.0005 với Tf0=6.63s (tức 2081.82 pu) suy LF=1.04 Từ T”d=T”q=0.05 s(tức 15.7pu) Trong hệ đơn vị tương đối, để có đơn vị điện áp hiệu dụng (tương ứng đơn vị điện áp đỉnh) MF không tải trị dòng kích từ tương ứng: if0=1/Lad=1/kMF =1.153, điện áp kích từ trước cố : vfo=1.153.Rf=0.000576 Tiến hành tính toán có NM pha đầu cực MF ứng với góc ban đầu 1.57 rad ( 900)cho mối quan hệ theo thời gian (s) (bước tính ∆t=0.5 pu): Hình 5-11: dòng pha a Hình 5-12: dòng pha b 123 Hình 5-13: dòng pha C Hình 5-15: Dòng cuộn cản dọc trục Hình 5-14: dòng kích từ Hình 5-16: Dòng cuộn cản ngang trục Khi xảy NM thành phần chu kỳ dòng stato đột biến, dòng kích từ có độ tăng ∆if Độ tăng thành phần tự không chu kỳ dòng kích thích Dòng tắt dần với số thời gian T’d0 Trong thành phần tự không chu kỳ dòng NM sinh từ thông đứng yên stato Từ thông cảm ứng thành phần dòng điện tự chu kỳ cuộn kích với số thời gian tắt dần stator (Ta) Kết : if=if0+ifa-ifck nghóa có dạng dao động (tần số bản) tắt dần tới trị xác lập Thành phần phi chu kỳ ifa sinh nhảy vọt sức điện động đồng stato ∆Eq (∆Eq= ifaXad; Xad-điện kháng hỗ cảm stator rotor) Độ tăng sức điện động sinh thành phần tự chu kỳ dòng NM stato ∆i’ck Thành phần ifck sinh từ thông đập mạch rôto quay đồng với cảm ứng thành phần dòng tự chu kỳ tần số kép tắt dần với số Ta Do ta thấy tần số dao động dòng stato hoàn toàn tần số Giai đoạn xác lập thiết lập sau khoảng 0.25s hay khoảng 12 chu kỳ sau có NM Trị xung kích khoảng 4.2 nửa chu kỳ sau có NM Khi có cuộn cản chu kỳ đầu có biên độ thay đổi dốc thể ảnh hưởng cuộn cản (dòng siêu độ) Dòng kích từ đạt trị 7.3 xấp xỉ nửa chu kỳ sau có NM 124 Trên cuộn kích thành phần tự không chu kỳ cuộn cản (ifakcc) có thành phần tự không chu kỳ ảnh hưởng cuộn cản tắt dần theo T”d (i”f) : ifa=ifakcc-i”f nên chu kỳ đầu if nhỏ so với trường hợp cuộn cản Các kết phù hợp với tính toán cho ví dụ có NM pha đầu cực MF không tải, góc ban đầu 900 Các đồ thị hệ đơn vị tương đối dòng hoàn toàn có tương tự hình dạng lẫn biên độ ví dụ [21] 5-3-2 Mô hình NM pha không tải đầu cực MF Mô hình mô hình đề cập mục 5.1 gồm thông số sau qui đổi tham số định mức MF làm bản: Xd=1.45; X’d=0.1425; X”d=0.12 Lσ=X0=0.03; Lad=Ld-Lσ LD=L1d+Lad=1.904; LQ=L1q+Laq=1.75; LF =Lfd+Lad=1.54; RF=0.00175; RD=0.0378; RQ=0.111 Goùc pha ban đầu -1.05 rad theo thí nghiệm mô hình vật lý, bước tính ∆t=0.1pu Hình 5-17: dòng pha a Hình 5-19: dòng pha c Hình 5-18: dòng pha b Hình 5-20: dòng kích từ 125 Hình 5-21: dòng cuộn cản dọc trục Hình 5-22: dòng cuộn cản ngang trục Bảng 5-24: kết dòng pha a (đơn vị tương đối, icb =18.58A) T(s) doøng t doøng T doøng T doøng t 0.0032 0.016 4.87 0.029 0.041 -2.3571 0.054 3.0823 1.3865 0.0064 0.019 -0.0495 0.032 7.6966 0.045 - 0.057 3.7016 3.8724 0.0096 4.3371 0.022 0.0128 9.5733 0.025 2.6573 - 0.035 -3.8846 0.038 5.8609 0.048 -0.688 0.7123 0.051 5.52 0.06 doøng 6.2384 1.8175 -1.884 0.064 3.736 So sánh với mô hình vật lý ta nhận thấy hình dáng dòng pha a giống Chúng có dòng xung kích xấp xỉ nửa chu kỳ đầu, nhiên không xác số liệu MF nên giá trị dòng có xê dịch Dòng siêu độ tắt dần nhanh sau 7-8 chu kỳ lý giải tỉ trọng RD RQ lớn so với điện cảm tương ứng MF hạ Tiến hành tính toán bỏ qua cuộn cản cho ra: Hình 5-23: pha a cuộn cản Hình 5-24: dòng kích từ cản 126 So với trường hợp có cuộn cản, dòng trường hợp không cuộn cản gần giống mô hình vật lý có biên độ nhỏ Dòng kích từ cuộn cản chu kỳ đầu lớn so với có cuộn cản phù hợp với điều đề cập 5-3.1 127 5.4 Khảo sát ngắn mạch pha 5.4.1-Mô hình kiểm chứng [21] Trước hết để kiểm chứng mô hình toán khảo sát ngắn mạch bất đối xứng, ta khảo sát NM pha đầu cực MF [21] MF có tham số sau: 500MVA; 30kV; 60Hz; MF=0.1H; vfo=400V; Ld=0.0072H; Lq=0.007H; LF=2.5H; LD=0.0068H; LQ=0.0016H; MD=0.0054H; MQ=0.0026H; MR=0.125H; r=0.002Ω; rF=0.4Ω; rD=0.015Ω; rQ=0.015Ω; L0=0.001H; Ld=0.0072H; Kết khảo sát cho hình sau (bước tính ∆t=0.1 pu hay 0.00042 s): Hình 5-25: dòng pha a Hình 5-26: dòng kích từ Hình 5-27: dòng cuộn cản dọc trục Kết khảo sát hoàn toàn trùng với [21], nghóa có: giá trị dòng xung kích 1.2*105A, dòng đỉnh chu kỳ thứ 0.8*105A, hình dạng hoàn toàn khớp 5.4.2-Mô hình (mô hình vật lý) (bước tính ∆t=0.5 pu) Tiến hành khảo sát NM pha qua tổng trở mạch XN=0.5 góc 1660=2.9rad (theo mô hình vật lý) Kết có bảng sau: Bảng 5-25: dòng pha a 128 t(s) doøng t 0.0032 0.016 0.2467 0.0064 -1.05 0.019 Doøng t 0.029 0.8156 0.032 0.0358 doøng t 0.041 1.6572 -1.943 0.044 0.0096 -1.95 0.022 0.035 0.0211 -1.028 0.048 0.061 1.3348 0.2266 0.025 1.8353 0.038 0.7415 -0.14 0.051 0.064 1.9383 0.1741 0.013 doøng t 0.1451 0.054 0.057 0.4189 doøng 1.1254 0.2948 Hình 5-28: dòng pha a có cuộn cản So với mô hình vật lý ta nhận thấy là: - dòng xung kích -2.1*18.58=-39A so với dòng -32 A mô hình vật lý - thời gian xảy dòng xung kích 0.0096 s so với mô hình vật lý 0.009 s - sau chu kỳ biên độ dòng mô hình toán 1.7*18.58=31A mô hình vật lý 18A Các khác biệt sau giải thích số không xác thông số mô hình vật lý 129 5-5 Khảo sát ngắn mạch pha 5.5-1 Mô hình Trong mục trình bày minh họa trường hợp NM pha đường dây nối MF tới nút (mục 5.2), đường dây lại có tải Khoảng cách tới chỗ có NM: ZN=0.053+j0.11 Khi tải tương ứng tổng trở: Zt =U/S với S=S1+S2=0.4+j0.31 (φ=37.80), tương ứng Zt =1.563+j1.211 Vậy tổng trở mạch không cố: Z1=Zt+Z0-1=1.563+j1.211+0.053+j0.11=1.616+j1.321 Dòng điện ban đầu tuyến dây nối MF nút t=0; góc ban đầu δ=0: Im= 21/2 (St/U) =0.506 ia=Imsin(ωt-φ+δ)=-0.438 ib= Imsin(ωt-φ+δ-120) =-0.27 ic= Imsin(ωt-φ+δ+120)=0.708 Ngắn mạch pha a b đường dây liên kết MF- tải 3, đường dây lại mang tải: Bước tính ∆t=0.1 pu(0.00032s) a-Khi AVR Hình 5-29: dòng pha a Hình 5-31: dòng pha c Hình 5-30: dòng pha b Hình 5-32: dòng kích từ 130 Hình 5-33: dòng cuộn cản ngang trục Ghi chú: thời gian hình vẽ hệ đơn vị tương đối Muốn tính thời gian thực cần chia cho 314 Dòng xung kích: 2.4 xảy t=0.0096(xấp xỉ nửùa chu kỳ tần số công nghiệp) So với trị ban đầu, dòng tuyến dây lại không bị cố giảm điện áp MF giảm Nhận thấy chu kỳ trị max liên tiếp 3(pu) tức 0.00955s hay thời gian chu kỳ 0.019s (xấp xỉ tần số công nghệp) Từ t=21 (0.067s- tức >3 chu kỳ) suy giảm biên độ dòng MF nhẹ hay bắt đầu giai đoạn độ b-Khi có AVR (bước tính ∆t=0.5 pu) Hình 5-34: dòng pha a Hình 5-35: dòng pha b 131 Hình 5-36: dòng kích từ Hình 5-37: dòng cuộn cản ngang trục nh hưởng AVR lên biên độ dòng không đáng kể trường hợp khảo sát thực chất TE lớn nên ảnh hưởng rõ rệt giai đoạn trễ 5.5.2 Mô hình (bước tính ∆t=0.5 pu) Khi có NM qua tổng trở XN=6.35Ω tương ứng 0,675 pu tổng trở MBA 0.025+j0.175 nên ZN=0.025+j0.85, góc ban đầu -1.5 rad ( tức -850) theo mô hình vật lý Hình 5-38: Mô hình 2, dòng pha a Bảng 5-26: Dòng pha a MF NM qua tổng trở XN=0.5 T(s) dòng t doøng t doøng t doøng t doøng 0.0032 -0.016 0.7524 0.3875 0.041 0.054 0.9189 0.3161 0.029 0.3324 0.0.0064 0.0391 0.019 0.0930 0.032 0.9467 0.045 0.057 0.3438 0.3581 0.0096 0.6232 0.022 0.3630 0.035 0.8559 0.048 0.013 1.1038 0.025 0.038 0.2103 0.051 0.7525 0.064 0.4813 0.1770 0.1689 0.06 0.2470 132 Nhận xét thấy hình dạng biên độ dòng pha a tương đối giống với kết thực nghiệm qua mô hình vật lý: - dòng xung kích đạt trị 24 A( mô hình vật lý) t=0.012 s, trị 0.022s -12A; mô hình tính toán cho kết 1.15*18.58=21A 0.013s, trị -6A đạt 0.022s 133 5.6 Khảo sát ngắn mạch pha chạm đất Mô hình 2: NM qua tổng trở XN =0.5 cộng với tổng trở biến áp cho ZN=0.025+j0.675, bước tính ∆t=0.5 pu Hình 5-39: dòng pha a ø Bảng 5-27: dòng pha a T(s) doøng t Doøng 0.0032 0.6394 0.016 0.0374 0.0064 1.120 0.019 0.3063 0.0096 1.8757 0.022 0.2264 0.013 0.9598 0.026 t 0.029 doøng t 1.5592 0.041 0.032 1.4501 0.045 doøng t 0.054 0.3922 0.3406 0.057 0.035 0.5648 0.048 1.2040 0.061 0.6552 0.038 0.051 0.3466 1.4385 0.064 dòng 0.7120 0.5671 0.4032 0.3482 Nhận xét hình dạng gần giống so với mô hình vật lý Trị xung kích : mô hình vật lý 29A 0.009s, mô hình toán 33 A 0.0096s Sự khác độ dốc biên độ dòng lý giải không xác tham số MF có 134 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Qua nghiên cứu trình bày phần trên, rút số kết luận sau : - Cơ sở để nghiên cứu tính toán chế độ xác lập hệ thống điện độc lập giống hệ thống lớn phức tạp Tuy vậy, hệ thống điện độc lập có số phần tử số nút mạng nhỏ nhiều nên việc tính toán đơn giản nhanh - Các máy phát điện thực tế vận hành tải lớn thường gặp phải vấn đề thông số vận hành đạt đến trạng thái giới hạn nhiệt làm hạn chế công suất phản kháng phát Biện pháp điều chỉnh chọn đầu phân áp máy biến áp tăng áp máy phát giải pháp tốt để nâng cao công suất phản kháng phát cải thiện khả ổn định hệ - Trong hệ thống phức tạp khái niệm ổn định máy phát giữ làm việc đồng với có nhiễu Khi ổn định tốc độ máy phát tần số hệ không thay đổi Trong hệ thống độc lập, tốc độ máy phát thay đổi có nhiễu Khảo sát ổn định xét khả tốc độ thay đổi nhiều hay có nhiễu Vì mô hình khảo sát phải có mặt phương trình dao động rôto Thuật toán chương trình khảo sát ổn định nhiễu nhỏ chương tổng quát cho việc khảo sát ổn định hệ thống độc lập có máy phát điện - Khảo sát trình độ điện từ hệ thống điện lớn vấn đề phức tạp khó xác định xác dạng dòng điện Tính đơn giản hệ thống độc lập cho phép thiết lập hệ phương trình vi phân đầy đủ khảo sát ngắn mạch đối xứng không đối xứng Các hệ phương trình vi phân khảo sát loại ngắn mạch thiết lập chương công cụ hữu hiệu để giải vấn đề Hướng phát triển đề tài Trong thời gian làm luận án, khả thân hạn chế nên nhều vấn đề chưa nghiên cứu kỹ chưa đề cập tới Hướng phát triển tiếp đề tài sau : - Nghiên cứu hoàn thiện chương trình tính toán ổn định tónh mở rộng cho trường hợp nhiều máy phát - Nghiên cứu hoàn thiện chương trình tính toán loại ngắn mạch mở rộng cho trường hợp nhiều máy phát - Nghiên cứu hoàn thiện ổn định nhiễu lớn kết hợp nhiều yếu tố thay đổi điện áp tần số có kể đến ảnh hưởng AVR tự động điều tốc 135 TÀI LIỆU THAM KHAÛO 1-Venikov Transient processes in electrical Power System.,Moscow, Mir Pub, 1978 2-Pai, Power system Dynamics and stability 3-Bergen, Power system analysis 4-Shridhar et al, Transient performance of the self regulated short shunt self excited induction generator, IEEE Trans On Energy Conversion, Vol 10, N.2, June 1995 5-Nguyễn Phiệt Tính toán ngắn mạch hệ thống điện 6-Li Wang, Ching-Hue Lee, Long –Shunt and Short-Shunt Connection on dynamic Performance of a SEIG feeding and induction motor load, IEEE Trans On Energy Conversion, Vol 15, N1, March 2000 7- Abdulrahman L et al, Optimization- Based Steady state analysis of three-phase self-excited induction generator, IEEE Trans On Energy Conversion, Vol 15, N1, March 2000 8- Li Wang, Ruey-Yong Deng, Transient performance of an isolated induction generator under unbalanced excitation capacitors, IEEE Trans On Energy Conversion, Vol 14, N4, December 1999 9-Lã Văn t Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà nội, 2000 10-Jan Machowski Power system dynamics and stability John & Sons 1997 11- Carson W Taylor Power system Voltage stability.McGraw Hill.1994 12-Đặng Ngọc Dinh Ổn định hệ thống điện Hà noäi 13- Anderson, Fouad Power system control and stability The Iowa State University Press 1977 14-Prahabra Kundur Power system Stability and control, 1994 15- Saùch toaùn 16-Жданов Вопросы устойчивости электрических систем Москва 1979 17- Электропереходные процессы в системах электроснабжения Москва 1995 18-Chee-mun Ong, Dynamic simulation of Electric using Matlab, Prentice Hall 1998 19-Kimbark, Power system stability, Vol3: Synchronous Machinenes, Jhon Wiley & Son, 1956 20- I.M Markovits, Các chế độ củahệ thống lượng 21-Hadi Saadat, Power system analysis, McGraw-Hill,1999 22- S.M.Alghuwainem, Steady-State analysis of an isolated self-excited induction generator driven by regulated and unregulated turbine, IEEE Trans On Energy Conversion, Vol 14, N.3, September 1999 PHỤ LỤC CÁC CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH ... vận hành hệ thống điện độc lập có đặc điểm khác xa hệ thống lớn nên việc xây dựng mô hình khảo sát chế độ làm việc hệ thống điện độc lập cần thiết Hệ thống điện độc lập hệ thống điện gồm máy phát... áp Như hệ thống độc lập cần thiết phải nghiên cứu ổn định điện áp Đặc tính chế độ xác lập hệ thống độc lập giống hệ thống lớn đơn giản nên dùng phương pháp khảo sát chế độ xác lập hệ thống lớn... tiêu Nghiên cứu chế độ hệ thống điện độc lập p dụng mô số hệ thống độc lập kiểm nghiệm mô hình vật lý cụ thể 2.2 Các nhiệm vụ cụ thể Xây dựng mô hình toán học phần tử hệ thống Nghiên cứu chế độ