Giải tích lưới ba pha không đối xứng

Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 1 LỜI NÓI ĐẦU Đƣợc đào tạo để trở thành kỹ sƣ hệ thống điện chúng em đã đƣợc các thầy cô trong bộ môn chỉ bảo tận tình. Hơn 4 năm học chúng em đã tích lũy đƣợc nhiều kiến thức quý báu tổng quan về hệ thống điện đó là: “Lƣới điện, Cung cấp điện, Cao áp, Nhà máy điện, Quy hoạch và Bảo vệ hệ thống điện” Thực hiện đồ án tốt nghiệp là cơ hội để chúng em hiểu sâu hơn về 1 trong các lĩnh vực đó và thiết kế ra các sản phẩm có ý nghĩa trong thực tế. Theo thống kê của EVN, tốc độ sử dụng điện của Việt Nam trong vài năm gần đây tăng đều từ 14-15% mỗi năm. Và với sự phát triển không ngừng của phụ tải nhƣ vậy việc tính toán vận hành hệ thống điện càng ngày càng phức tạp hơn. Yêu cầu đặt ra là cần sử dụng thành tựu máy tính điện tử để tự động hóa quá trình tính toán phục vụ cho mục đích thiết kế, chỉnh định và vận hành. Với mục đích tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện, ta có thể giả thiết hệ thống là cân bằng và có thể phân tích hệ thống với sơ đồ một sợi. Tuy nhiên trong thực tế việc phải cân bằng tải một cách hoàn toàn hoặc đạt đƣợc tổng trở hệ thống cân bằng là tốn kém và không kinh tế. Vì vậy em đã chọn đồ án tốt nghiệp là “Giải tích lưới ba pha không đối xứng” với mục đích là tìm ra đƣợc trạng thái của hệ thống điện 3 pha dƣới một điều kiện cụ thể của tải, máy phát và cấu trúc của hệ thống. Việc nghiên cứu lƣới 3 pha cũng là điều kiện khởi đầu để nghiên cứu sự quá độ điện từ và sóng hài bậc cao. Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 2 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian làm việc,cùng với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của Thầy giáo hƣớng dẫn “TS. Đinh Quang Huy” em đã hoàn thành đồ án của mình. Mặc dù đã cố gắng song do kiến thức về thực tế, kiến thức về kỹ thuật và kiến thức về lập trình của em còn nhiều hạn chế, nên đồ án em thực hiện này sẽ không thể tránh khỏi khiếm khuyết. Em mong nhận đƣợc sự thông cảm và kính mong các thầy cô sửa chữa, rút kinh nghiệm để bản đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Qua đợt làm đồ án tốt nghiệp đã giúp em trau dồi thêm kiến thức đã học trên ghế nhà trƣờng, có một cách nhìn sâu hơn về lƣới điện trong hệ thống điện, quá trình học tập và làm việc thực sự đã giúp em thêm tin yêu vào ngành nghề mình chọn lựa. Em mong rằng sau khi tốt nghiệp sẽ tiếp tục học hỏi thêm nhiều kiến thức hơn nữa để trở thành một kỹ sƣ công nghệ giỏi. Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hƣớng dẫn “TS. Đinh Quang Huy” đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em cũng xin đƣợc cảm ơn Thầy giáo “PGS_TS. Trần Bách” Thầy là tác giả của bộ sách “Lƣới điện và hệ thống điện”. Tập 1 và tập 3 của bộ sách đã giúp em rất nhiều trong việc bổ sung kiến thức kỹ thuật và từ ngữ chuyên nghành trong bộ sách là cơ sở để em dịch các tài liệu tiếng anh phục vụ cho đồ án. Hà nội 28/05/2011 Sinh Viên Đỗ Việt Bách Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 3 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Phần I 5 THÔNG SỐ CỦA LƢỚI ĐIỆN 3 PHA . 5 1.Mô hình hóa đƣờng dây tải điện 3 pha . 6 1.1.Điện trở 6 1.2.Cảm kháng của đƣờng dây 6 1.3.Dung kháng của đƣờng dây . 23 2.Mô hình của máy phát và máy biến áp . 29 2.1.Máy phát 29 2.2.Máy biến áp . 29 3. Lƣới 3 pha đối xứng . 30 4.Tính toán các phần tử lƣới 3 pha không đối xứng 30 4.1.Điện trở 30 4.2.Trở kháng 31 4.3.Dung kháng giữa các pha có xét tới đất 34 4.4.Mô hình của đƣờng dây 3 pha . 36 Phần II 38 GIẢI TÍCH LƢỚI ĐỐI XỨNG VỚI SƠ ĐỒ 1 SỢI 38 1.Cơ bản về giải tích dòng công suất . 38 1.1.Phƣơng trình dòng công suất . 39 1.2.Ma trận tổng dẫn Y 40 1.3.Hệ đơn vị tƣơng đối: . 41 1.4.Dòng công suất bơm vào nút, tổn thất công suất 43 2. Phƣơng pháp Newton-Raphson . 43 2.1.Trƣờng hợp 1 biến . 43 2.2.Trƣờng hợp hàm nhiều biến 45 2.3.Nhận xét 46 3. Ứng dụng phƣơng pháp Newton-Raphson cho giải tích lƣới điện 46 4.áp dụng phƣơng pháp NR cho sơ đồ 1 sợi 51 4.1.Sơ đồ khối phƣơng pháp . 51 4.2.Thuật toán thực hiện 52 Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 4 4.3.áp dụng cho ví dụ 56 Phần III . 64 GIẢI TÍCH LƢỚI 3 PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG 64 1.Cơ sở của phƣơng pháp 64 2.Cơ bản về mảng nhiều chiều-ứng dụng giải tích mạng 3 pha . 66 2.1. Cơ bản về mảng nhiều chiều 66 2.2. Ứng dụng trong giải tích mạng 3 pha . 68 3.Lấy biến vào chƣơng trình 69 4.Các tính toán chính: 71 4.1.Công suất 3 pha tại một nút m với hệ thống có n nút 71 4.2.Ma trận Jacobi . 73 Phần IV . 84 TÍNH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP LƢỚI PHÂN PHỐI 84 1.Tổng quan về lƣới phân phối 84 2.Phƣơng pháp giải tích lƣới phân phối . 86 3.Mô hình tải của lƣới phân phối . 87 3.1. Mô hình của tải . 87 3.2.Tải phân bố đều . 88 3.3.Mô hình dung kháng của đƣờng dây . 89 4.Tính toán lƣới phân phối . 90 4.1.Tính toán dòng 90 4.2.Tinh toán tổn thất công suất 91 5.Dữ liệu nhập vào . 91 6.Các modul trong chƣơng trình 93 7. Áp dụng cho ví dụ 95 PHẦN PHỤ LỤC . 98 1.Mã chƣơng trình (code) toàn bài tính toán lƣới 1 sợi . 98 2. Mã chƣơng trình (code) toàn bài tính toán lƣới 3 pha không đối xứng 104 3. Mã chƣơng trình (code) toàn bài tính chế độ xác lập lƣới phân phối . 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 126 Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 5 Phần I THÔNG SỐ CỦA LƢỚI ĐIỆN 3 PHA Mục đích của phần 1 này là mô hình hóa lƣới điện ba pha phục vụ cho tính toán giải tích lƣới điện ở các phần sau. Sau khi mô hình hóa, trên cơ sở lý thuyết đã xây dựng ta sẽ xem xét điều kiện khi nào lƣới điện đƣợc gọi là lƣới đối xứng và với trƣờng hợp lƣới không đối xứng thì ta sẽ mô hình hóa các phần tử của cả 3 dây pha (a b c) dƣới dạng các ma trận. Phần chủ đạo của chƣơng này là trình bày các công thức tính điện kháng và dung dẫn của đƣờng dây trên cơ sở cấu trức của đƣờng dây: “Bố trí trên cột,độ cao của dây đối với đất…” vì nếu sử dụng bảng tra cứu thì bảng tra đã giả thiết đƣờng dây đảo pha và đối xứng, trƣờng hợp đƣờng dây không đảo pha sẽ đƣợc tính toán cụ thể. Các thông số của đƣờng dây cáp đã đƣợc nhà sản xuất cho sẵn trên cơ sở thực nghiệm, không thể dùng phép tính đƣợc nên không trình bày ở phần này. Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 6 1.Mô hình hóa đƣờng dây tải điện 3 pha 1.1.Điện trở Điện trở tác dụng của 1km dây dẫn ở nhiệt độ tiêu chuản 20 o C đƣợc xác định theo biểu thức:            là điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn ở 20 o C                    là tiết diện phần dẫn điện của dây dẫn mm 2      là hệ số tính tới độ dài thực của dây cặn xoắn    (khoảng từ 1,02 tới 1,15)là hệ số hiệu chỉnh tính tới:  Hiệu ứng bề mặt  Ảnh hƣởng qua lại giữa các sợi dây  Tổn thất trong lõi dây   đƣợc cho trong bảng ra cứu là   đã kể tới các ảnh hƣởng trên. Khi nhiệt độ môi trƣờng khác 20 o C thì điện trở có giá trị               là hệ số nhiệt của điện trở (với đồng và nhôm      o C)  T là nhiệt độ môi trƣờng 1.2.Cảm kháng của đƣờng dây 1.2.1.Độ từ cảm của một dây dẫn thẳng Từ những kiến thức vật lý đại cƣơng, chúng ta biết rằng một dây dẫn điện tạo ra một từ trƣờng xung quanh nó. Các đƣờng sức từ là vòng tròn đồng tâm với hƣớng tuân theo quy tắc bàn tay phải định luật Maxwell. Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 7 Nghĩa là: Nắm bàn tay phải, rồi đặt sao cho ngón tay cái choãi ra hƣớng theo chiều dòng điện chạy trên dây dẫn thì hƣớng bốn ngón tay chỉ chiều của đƣờng sức từ tạo ra theo dây dẫn thẳng: Các dao động hình sin trong dòng điện tạo ra một sự biến đổi hình sin trong thông lƣợng từ trƣờng. Mối quan hệ giữa cảm kháng, từ thông móc vòng và dòng điện đƣợc thể hiện nhƣ sau: L I   ở đây:  L là cảm kháng của dây dẫn (đơn vị: Henry)  I là dòng trong dây dẫn (đơn vị: Ampe)   là từ thông móc vòng (đơn vị: Ampe.vòng) 1.2.2.Từ thông bên trong dây dẫn Xem xét một dây dẫn thẳng (hình trụ), có phần cắt ngang đƣợc thể hiện trong H.1. Dây dẫn này có bán kính r và mang một dòng I. Luật Ampe quy định rằng lực từ động (mmf) xung quanh một đƣờng kín bằng với tổng dòng điện tức thời đƣợc bao bởi vòng kín đó. Chúng ta có đƣợc biểu thức sau đây: mmf Hds I  Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 8  H là cƣờng độ từ trƣờng (Ampe.vòng/met)  ds là vi phân độ dài (met)  I là tổng dòng điện tức thời bao bởi vòng kín Chúng ta hãy xét cƣờng độ từ trƣờng ở một khoảng cách x từ tâm của các dây dẫn ( = x H ). Với lƣu ý rằng x H là không đổi tại tất cả các điểm cách tâm của dây dẫn khoảng x. Do đó x H là không đổi trên đƣờng tròn đồng tâm với bán kính của x. Ta có: 2 x x x x I mmf H dx I H x      (1) H.1. Mặt cắt ngang của một dây dẫn tròn. Nếu bây giờ ta giả định rằng mật độ dòng là thống nhất trên toàn bộ dây dẫn, chúng ta có thể viết: 2 2 2 2 x x I Ix II r x r        (2) Thay (2) vào (1) chúng ta nhận đƣợc: 2 22 1 22 2 x x I xI H I x xx rr        (3) Mật độ từ thông (cảm ứng từ) ở khoảng cách x từ tâm của dây dẫn đƣợc cho bằng: 0 0 2 2 r r I B H x r     (Webe.m 2 ) (4) Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 9  0  là độ từ thẩm của chân không 7 0 4 .10 / Hm    r  là độ từ thẩm tƣơng đối  Bên ngoài dây dẫn 1 r    Bên trong dây dẫn không từ tính Cu hoặc Al 1 r    Bên trong dây dẫn có từ tính là Fe 1 r   Các đƣờng cảm ứng từ bên trong (hoặc bên ngoài) dây dẫn theo hƣớng chu vi. Hai hƣớng mà vuông góc với đƣờng cảm ứng từ là xuyên tâm và theo trục. Chúng ta xem xét một diện tích cơ bản có kích thƣớc dx (m) theo hƣớng hƣớng tâm và 1 (m) theo hƣớng dọc trục. Do đó diện tích vuông góc với từ thông ở tất cả các vị trí góc là dx x1 (m 2 ). Cho từ thông dọc theo các dải tròn đƣợc biểu thị bằng x d và khi đó: 0 2 1 2 r xx I d B dx xdx r       (5) Lƣu ý rằng toàn bộ mặt cắt ngang dây dẫn không kèm theo từ thông trên. Tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang bên trong vòng tròn bán kính x với tổng mặt cắt ngang của dây dẫn có thể đƣợc coi nhƣ là từng phần liên kết các từ thông  x d . Do đó từ thông móc vòng là: 2 3 0 24 2 r xx I x d d x dx rr      (6) Tích phân (6) trong phạm vi của x, tức là từ 0 đến r, chúng ta nhận đƣợc từ thông móc vòng bên trong: 3 00 int 4 0 8 2 r rr II x dx r          (7) Sau đó từ (7) chúng ta nhận đƣợc cảm kháng bên trong cho mỗi đơn vị chiều dài là: Đỗ Việt Bách –Giải tích lưới điện Page 10 7 7 0 .4 .10 10 ( / ) 8 8 2 r r r L H m           (8) Nhận xét kết quả trên là L độc lập với bán kính dây dẫn 1.2.3.Từ thông ngoài dây dẫn Chúng ta xem xét một dây dẫn thẳng cô lập nhƣ H.2. Dây dẫn này mang dòng I. Giả sử các phần tử dạng hình ống ở một khoảng cách x từ tâm của dây dẫn có cƣờng độ từ trƣờng x H . Các lực từ động-mmf xung quanh phần tử đƣợc cho bằng: 2 x I xH  (9) Và do đó mật độ từ thông tại một bán kính x trở thành: 0 0 2 r r I BH x     (10) H.2.Dây dẫn tròn với 2 điểm nằm ngoài dây dẫn Từ khoảng cách x lớn hơn bán kính của dây dẫn, các từ thông móc vòng x d bằng với từ thông x d . Do đó với 1 m chiều dài của dây dẫn chúng ta nhận đƣợc: 0 1 2 r x x x I d d B dx dx x        (11) Các từ thông móc vòng bên ngoài giữa hai điểm 1 D và 2 D bên ngoài: