Hệ thống điện thực hiện công việc chuyển đổi năng lượng tự nhiên như nhiệt năng, thủy năng, … thành nặng lượng điện từ các nhà máy điện. Từ đây năng lượng sẽ được truyền tải trên đường dây để đưa đến các hộ tiêu thụ. HT gồm các NĐ, máy biến áp, đường dây tải điện và các hộ phụ tải sẽ lập thành một Hệ thống điện.
Đặc điểm của hệ thống điện là sự cân bằng công suất: Công suất tạo ra tại các nhà máy điện sẽ cân bằng với công suất tiệu thụ tại các phụ tải, công suất tổn hao trên đường dây và thiết bị.
Trong quá trình vận hành hệ thống điện cần phải tiến hành các công tác tính toán mô phỏng HT và tính toán các quá trình quá độ và xác lập của hệ thống điện để đảm bảo cho sự vận hành tối ưu, an toàn, liên tục của hệ thống điện.
Quá trình xác lập của HT: Tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện trên các nhánh ở các chế độ làm việc khác nhau và các sơ đồ kết dây khác nhau của HT. Việc này giúp cho tạo ra một phương thức vận hành kinh tế và chất lượng điện năng tối ưu nhất.
Tính các quá trình quá độ khi có các dao động trong HT: Sự cố ngắn mạch, khi có sự cắt/đóng tải đột ngột để có phương án bảo vệ rơle và tiến hành sa thải, huy động nguồn, … để loại trừ các dao động ảnh hưởng đến sự làm việc của HT.
Một phương tiện để tính toán mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống điện hiện nay được dùng ở nhiều nước trên thế giới là chương trình PSS/E sẽ giới thiệu sau đây.
5.1.2Giới thiệu chương trình PSS/E
Phần mềm PSS/E là bộ chương trình nghiên cứu, mô phỏng, phân tích hệ thống điện của tập đoàn PTI (POWER TECHNOLOGIES INTERNATIONAL - USA).
Đây là một phần mềm rất mạnh cho phép người sử dụng thực hiện nhiều chức năng. Chương trình tương đối phức tạp, bao gồm nhiều mô đun, mỗi mô đun sẽ thực hiện một nhiệm vụ riêng. Các tính toán phân tích hệ thống mà chương trình có khả năng thực hiện gồm:
Tính toán trào lưu công suất
Tối ưu hóa trào lưu công suất
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
Tương đương hóa hệ thống
Mô phỏng quá trình quá độ điện cơ
vv. . .
Chương trình được tổ chức theo sơ đồ khối chính như Hình 5-1.
Phần mềm PSS/E có thể giúp giải quyết rất nhiều bài toán, giúp phục vụ tốt công tác nghiên cứu, mô phỏng, phân tích một HT từ đơn giản tới phức tạp hàng nghìn nút như HT Việt Nam một cách chính xác và hiệu quả. Tuy nhiên, nó đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức chuyên ngành rất sâu và đòi hỏi thời gian nghiên cứu lâu dài. Các thủ tục xây dựng dữ liệu tương đối khó và cần nhiều công sức tìm hiểu. Chương trình thực hiện tính toán dựa trên nhiều file dữ liệu khác nhau: file tính toán dòng công suất (file RAW); file mô tả mô hình máy phát (cực lồi hay ẩn), tải, hệ thống kích từ (file DYR); các file để chạy chương trình mô phỏng (file thủ tục CONEC, CONET, file dịch chương trình COMPILE, file lưu các biến trạng thái, điều kiện đầu trước khi mô phỏng Snapshot); file đầu ra phục vụ việc hiển thị kết quả mô phỏng dưới dạng đồ thị bằng mô đun PSSPLT. Việc khởi tạo những file này đôi khi khó khăn do thiếu các thông số cần thiết. Trong khi chạy chương trình, người sử dụng cần nắm rõ các lệnh để thực hiện công việc hiệu quả.
Hiện nay phần mềm PSS/E đang được áp dụng trong các công ty truyền tải và các trung tâm điều độ của nước ta như là trung tâm điều độ quốc gia A0 và điều độ các vùng A1, A2, A3; góp phần tích cực giúp tính toán và vận hành hiệu quả HT Việt Nam.
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
5.2 TÍNH TOÁN TRONG HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI 5.2.1Điện áp các nút trong mạng điện 5.2.1Điện áp các nút trong mạng điện
Trong mạng điện thiết kê có 2 nguồn cung cấp nhưng vì HT có công suất vô cùng lớn nên chọn thanh góp 110kv của HT làm nút cơ sở.
Trong chế độ phụ tải cực đại và sau sự cố, điện áp Ucs 121kV; còn trong chế độ cực tiểu lấy Ucs 115kV.
Chuyển điện áp sang đơn vị tương đối :
- Chế độ phụ tải cực đại và sau sự cố thì
cs max max cb U 121 U 1,1pu U 110 - Chế độ phụ tải cực tiểu thì cs min min cb U 115 U 1, 05pu U 110
5.2.2Trở kháng của đường dây
2 cb cb pu cb cb U (kV) Z Z và Z S Z
Thường lấy Scb100MVA và Ucb(kV) = tùy theo cấp điện áp (10kV, 110kV). Đối với điện áp 110 kV thì : Zcb 1102 121
100
Điện trở của đường dây : d 0
cb cb r . R R (pu) Z Z
Điện kháng của đường dây : d 0
cb cb x . X X (pu) Z Z
Điện dẫn của đường dây : d 0 cb cb B B (pu) b . .Z Y
Tính toán cho đường dây NĐ-3:
Đường dây NĐ-3 dùng dây AC–95 có thông số:
6
0 0 0
r 0,33/ km ; x 0, 429/ km ;b 2,65.10 S/ km Khi chuyển sang hệ đơn vị tương đối thì :
Điện trở : 03 N3 cb r . 0,33.42, 42 R 0,116 (pu) Z 121
Điện kháng : 03 N3 cb x . 0, 429.42, 42 X 0,150 (pu) Z 121 Điện dẫn : BN3b . .Z03 cb2,65.42, 42.121.1060,013(pu)
Tính toán tương tự cho các đường dây còn lại ta có bảng sau:
Bảng 5-1.Thông số đường dây trong hệ đơn vị tương đối
Đường dây (km) Ftc (mm2) r0 (Ω/km) x0 (Ω/km) b0.10-6 (S/km) R (pu) X (pu) B (pu) NĐ-1 40 70 0,46 0,44 2,58 0,152 0,145 0,012 NĐ-3 42,42 95 0,33 0,429 2,65 0,116 0,150 0,013 NĐ-4 60 185 0,17 0,409 2,84 0,084 0,203 0,020 NĐ-5 50 70 0,46 0,44 2,58 0,190 0,182 0,016 NĐ-6 42,42 95 0,33 0,429 2,65 0,116 0,150 0,013 HT-1 41,23 150 0,21 0,416 2,74 0,072 0,142 0,014 HT-2 53,85 95 0,33 0,429 2,65 0,147 0,191 0,017 HT-7 51 95 0,33 0,429 2,65 0,139 0,181 0,016 HT-8 53,85 150 0,21 0,416 2,74 0,093 0,185 0,018
5.2.3Máy biến áp hai cuộn dây
Điện trở và điện kháng quy đổi của máy biến áp được xác định theo công thức sau: 2 2 2 . . n dm cb pu dm cb P U S R S U , 2 2 % . . 100 N dm cb pu dm cb U U S X S U trong đó : ∆Pn : tổn thất ngắn mạch
UN% : điện áp ngắn mạch % của máy biến áp.
Sdm : công suất định mức của máy (kVA)
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
Bảng 5-2.Thông số máy biến áp dạng đơn vị tương đối
Máy biến áp n Sđm MVA ΔPn MW Un % ΔP0 MW I0 % R(pu) X(pu) 1 2 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 2 2 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 3 2 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 4 1 40 0,175 10,5 0,052 0,70 0,012 0,289 5 2 25 0,120 10,5 0,029 0,80 0,003 0,463 6 2 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 7 2 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 8 1 32 0,145 10,5 0,035 0,75 0,016 0,362 TA 4 80 0,315 10,5 0,070 0,6 0,006 0,159 5.2.4Máy phát điện Nhà máy điện :
Công suất định mức của máy phát : đmF kt td P P P 85%.160 10%.160 120MW .tan 120.0,62 74, 4 ( ) NĐ NĐ Q P MVAr Hệ thống điện :
Công suất định mức của hệ thống có thể lấy bằng 8 lần công suất định mức của máy phát NĐ :
đmHT
S 8.120 960MVA
5.3 TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LƯỚI ĐIỆN 5.3.1Chế độ cực đại 5.3.1Chế độ cực đại
Dữ liệu đầu vào nhập như sau:
trong đó:
Base - điện áp cơ bản của nút, kv
1: Nút phụ tải
2: Nút nhà máy
3: Nút cân bằng
Voltage – Biên độ điện áp hiệu dụng của nút (pu)
Angle – Góc pha của điện áp nút
Hình 5-3.Thông số nhà máy điện
Hình 5-4.Thông số máy phát điện
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
Hình 5-6.Thông số nhánh
Hình 5-7.thông số máy biến áp 2 cuộn dây
Sau khi nhập xong dữ liệu tính toán trào lưu công suất ta lưu file với đuôi SAV bằng cách : Chọn file\save\Case data\”tên file”.sav/ok.
5.3.1.1 Tính toán trào lưu công suất
1. Phương pháp nhập và các lệnh tính toán
Để tính toán trào lưu công suất cho HT mới sau khi nhập dữ liệu, ta chọn trên thanh công cụ theo đường dẫn : Power Flow\Solution\Solve(NSOL/FNSL...) hoặc sử dụng biểu tượng.
Hình 5-9.Hộp thoại tùy chỉnh tính trào lưu công suất
Có thể dùng 5 phương pháp tính khác nhau :
SOLV : Gauss – Seidel solution.
MSLV : Modified Gauss - Seidel solution.
FNSL : Full Newton – Raphson solution.
FDNS : Fixed slope decoupled Newton - Raphson solution.
NSOL : Decoupled Newton – Raphson solution.
Mỗi phương pháp tính có thuận lợi và khó khăn riêng và việc lựa chọn phương pháp nào sẽ tùy thuộc vào bản chất vấn đề.
Lệnh SOLV
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
Hội tụ chậm, điều này có thể cải thiện bằng hệ số tăng tốc.
Có thể sử dụng để đánh giá sơ bộ điện áp ban đầu và các vấn đề về CS phản kháng.
Sai lệch của các sai số dữ liệu.
Không thể sử dụng cho tụ bù dọc do đó không áp dụng cho HT Việt Nam.
Lệnh MSLV
Sử dụng phương pháp lặp Gauss – Seidel cải tiến.
Hội tụ chậm, vấn đề nà có thể cải thiện nhờ hệ số tăng tốc.
Có thể sử dụng đánh giá sơ bộ điện áp ban đầu và các vấn đề công suất phản kháng.
Sai lệch của các sai số dữ liệu.
Có thể sử dụng khi có tụ bù dọc do đó có thể sử dụng trong hệ thống điện Việt Nam.
Đây là phương pháp tính rất tốt nếu lưới đã có đánh giá điện áp sơ bộ.
Lệnh FNSL
Sử dụng phương pháp lặp Newton – Raphson đầy đủ.
Hội tụ nhanh ( thường nhỏ hơn 5 bước lặp ).
Có thể đạt được sai số tính toán nhỏ.
Có thể sử dụng khi có tụ bù dọc.
Có thể gặp khó khăn nếu điều kiện lưới kém liên kết hoặc có vấn đề về công suất phản kháng.
Đây là một trong những phương pháp thường được dùng, đặc biệt là nếu HT vừa “tuned” ( được chuyển dịch ).
Lệnh NSOL
Sử dụng phương pháp lặp Newton – Raphson.
Tách rời phần thực công suất và công suất phản kháng (phương trình công suất/góc và công suất phản kháng/điện áp giải độc lập).
Gặp trở ngại nếu tỉ số X/R nhỏ, vấn đề này có thể xảy ra trong HT Việt Nam.
Không được khuyến cáo để sử dụng chung.
Lệnh FDNS
Sử dụng phương pháp lặp Newton – Raphson.
Hội tụ nhanh.
Sai số tính toán nhỏ.
Có thể gặp phải khó khăn với lưới có điện áp tồi hoặc có vấn đề về công suất phản kháng.
OPTIONS
Chọn phương pháp điều chỉnh nấc điện áp tự động : Tap adjustment có 3 tùy chọn.
Lock taps: Không điều chỉnh nấc phân áp.
Stepping: Điều chỉnh nấc tự động theo từng nấc.
Direct: Điều chỉnh nấc phân áp trực tiếp đến vị trí xác lập tối ưu(nhanh hội tụ).
Các tùy chọn tính toán : Solution options.
Phase shift adjustment : Điều chỉnh thay đổi độ góc pha qua máy biến áp để giữ công suất tác dụng qua bộ thay đổi góc pha nằm trong giới hạn cho phép.
Adjust DC taps: Điều chỉnh nấc phân áp của bộ chuyển đổi DC.
Adjust switched shunts: Điều chỉnh bằng các tụ đóng cắt.
Flat start: Tính toán sử dụng các trạng thái ban đầu.
Điều chỉnh công suất thanh cái máy phát (bus swing) để giữ vùng liên kết trong giới hạn cho phép : Area interchange control.
Disabled: Không điều chỉnh.
Tie lines only: Chỉ đối với đường dây hình T.
Tie lines and loads : Đối với đường dây hình T và phụ tải.
Giới hạn các biến : VAR limits.
Apply automatically: Áp dụng tự động.
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
Ignore: Bỏ qua giới hạn các biến.
Apply at: Áp dụng sau số vòng lặp được nhập vào bởi người dùng.
2 . Xuất dữ liệu tính toán
Sau khi tùy chỉnh như Hình 7-9, ta chọn SOLVE để bắt đầu tính toán. Kết quả có được là :
Reached tolerance in 48 iterations
Largest mismatch: 0.03 MW 0.02 Mvar 0.04 MVA at bus 5 [NUT5 110.00]
System total absolute mismatch: 0.12 MVA SWING BUS SUMMARY:
BUS# X-- NAME --X BASKV PGEN PMAX PMIN QGEN QMAX QMIN 10 HT 110.00 151.3 9999.0 -9999.0 73.2 9999.0 -9999.0
Ở đây, sau khi tính toán với 48 bước lặp phần mềm cho ta công suất tác dụng : GEN
P 151,3MW và công suất phản kháng QGEN73, 2MVAr của nút hệ thống (nút swing).
Xuất dữ liệu tính toán công suất của các nhánh ta sử dụng lệnh POUT.
Chương trình yêu cầu xác định thiết bị để xuất ra. Chọn 1 để xuất ra màn hình : gõ 1 .
Xuất hiện dòng lệnh : ENTER UP TO 20 BUS NUMBERS. Muốn xem dữ liệu của bus nào ta chỉ việc nhập bus n (số).
Đối với đường dây từ NĐ đến phụ tải 1, 3, 4, 5, 6
Để có được dòng công suất ở các đường dây này, ta xem BUS 9 :
Gõ 9 .Chương trình sẽ xuất hiện cột “Report” để cho kết quả như sau :
Đối với các đường dây từ HT đến các phụ tải 1, 2, 7, 8 Dòng công suất của các nhánh từ HT được thể hiện qua BUS 10: Gõ 10 , ta có kết quả như sau :
Hình 5-11.Kết quả công suất từ HT đến các phụ tải
Đối với từng nhánh đường dây ta có kết quả như sau:
Hình 5-12.Kết quả tính cho nhánh NĐ-1-HT
Hình 5-13.Kết quả tính cho nhánh HT-2
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng Hình 5-15.Kết quả tính cho nhánh NĐ-4 Hình 5-16.Kết quả tính cho nhánh NĐ-5 Hình 5-17.Kết quả tính cho nhánh NĐ-6 Hình 5-18.Kết quả tính cho nhánh HT-7 Hình 5-19.Kết quả tính cho nhánh HT-8
Sơ đồ mạng điện thiết kê
Hình 5-20.Sơ đồ mạng điện thiết kế và chiều công suất
Tổng hợp kết quả tính tổn thất công suất
Bảng 5-3.Tổn thất công suất Đường dây Sd pm (MVA) B pm S (MVA) NĐ-1- HT 1,34 + j2,48 0,15 + j3,41 HT-2 0,84 + j1,10 0,09 + j2,15 NĐ-3 0,88 + j1,16 0,12 + j2,02 NĐ-4 1,50 + j3,62 0,22 + j5,23 NĐ-5 0,72 + j0,7 0,01 + j1,84 NĐ-6 0,9 + j1,16 0,13 + j2,85 HT-7 0,96 + j1,26 0,11 + j2,60 HT-8 0,7 + j1,39 0,12 + j2,79
GVHD: TS Nguyễn Đăng Toản SV: Trương Văn Dũng
5.3.1.2 Tính điện áp các nút và góc pha
Để hiển thị điện áp nút trong mạng điện ta sử dụng lệnh LIST. Chọn 1 để hiển thị các dữ liệu muốn xem : gõ 1 .
Điện áp các nút ở trong BUS DATA, gõ 2 thì trong cột “ Report “ xuất hiện điện áp trên thanh góp hạ áp của các trạm đã quy về điện áp cao, ở hệ đơn vị tương đối như sau:
Hình 5-21.Kết quả điện áp các nút
Để chuyển sang hệ đơn vị có tên (kV), ta áp dụng công thức : UkVU .Upu cb
Áp dụng công thức trên, ta có kết quả điện áp các nút theo hệ đơn vị tương đối và