2.3.1 Phương Pháp Newton-Raphson
Phương pháp Newton-Raphson xây dựng và giải quyết lặp lại phương trình dòng tải sau:
Hình 2.1 Công thức Newton - Raphson
trong đó ΔP và ΔQ lần lượt là các vectơ công suất thực và công suất phản kháng giữa giá trị được chỉ định và giá trị tính toán; ΔV và Δδ biểu thị cường độ điện áp của bus và vectơ góc ở dạng tăng dần; và J1 đến J4 được gọi là ma trận Jacobian.
Phương pháp Newton-Raphson sở hữu một đặc tính hội tụ bậc hai độc đáo. Nó thường có tốc độ hội tụ rất nhanh so với các phương pháp tính toán lưu lượng tải khác. Nó cũng có lợi thế là các tiêu chí hội tụ được chỉ định để đảm bảo sự hội tụ cho công suất thực của bus và sự không phù hợp của công suất phản kháng. Tiêu chí này cho phép bạn kiểm soát trực tiếp độ chính xác mà bạn muốn chỉ định cho giải pháp dòng tải. Các tiêu chí hội tụ cho phương pháp Newton - Raphson thường được đặt thành 0,001 MW và Mvar.
Phương pháp Newton-Raphson phụ thuộc nhiều vào giá trị ban đầu của điện áp bus. Nên lựa chọn cẩn thận các giá trị ban đầu của điện áp bus. Trước khi chạy dòng tải bằng phương pháp Newton-Raphson, ETAP tạo ra một vài lần lặp Gauss-Seidel để thiết lập một tập hợp các giá trị ban đầu cho điện áp của bus.
Phương pháp Newton-Raphson được khuyến nghị sử dụng với bất kỳ hệ thống nào làm lựa chọn đầu tiên
32
2.3.2 Phương pháp Adaptive Newton-Raphson
Phương pháp Newton-Raphson được cải tiến này giới thiệu một tập hợp các bước nhỏ hơn cho các lần lặp trong đó gặp phải điều kiện phân kỳ tiềm năng. Các mức tăng nhỏ hơn có thể giúp đạt được giải pháp dòng tải cho một số hệ thống trong đó phương pháp Newton-Raphson thông thường có thể không đạt được.
Phương pháp Newton-Raphson dựa trên xấp xỉ chuỗi Taylor. Để đơn giản và các bước tăng dần, phép nội suy / ngoại suy tuyến tính của bước tăng thời gian bổ sung được thực hiện để cải thiện giải pháp.
Hình 2.2 Công thức Adaptive Newton - Raphson
2.3.3 Phương pháp Fast-Decoupled Method
Phương pháp tách nhanh có nguồn gốc từ phương pháp Newton-Raphson. Thực tế là một sự thay đổi nhỏ về cường độ của điện áp bus không làm thay đổi đáng kể công suất thực ở bus và tương tự đối với một thay đổi nhỏ trong góc pha của điện áp bus, công suất phản kháng không thay đổi đáng kể. Do đó, phương trình dòng tải từ phương pháp Newton-Raphson có thể được đơn giản hóa thành hai bộ phương trình dòng tải tách rời riêng biệt, có thể được giải quyết lặp lại:
33
2.3.4 Phương pháp Accelerated Gauss-Seidel Method
Từ hệ phương trình điện áp nút
Hình 2.4 Công thức tính I của Accelerated Gauss-Seidel Method
phương pháp Gia tốc Gauss-Seidel rút ra phương trình dòng tải sau và giải quyết nó theo cách lặp:
Trong đó P và Q là các vectơ công suất thực và công suất phản kháng được chỉ định, V là vectơ điện áp của bus và YBUS là ma trận tiếp nhận hệ thống. Y * BUS và V * lần lượt là liên hợp của YBUS và V.VT là chuyển vị của V.
Phương pháp Gia tốc Gauss - Seidel có yêu cầu tương đối thấp hơn về các giá trị điện áp ban đầu của bus so với phương pháp Newton - Raphson và phương pháp Phân tách nhanh. Thay vì sử dụng công suất thực của bus và công suất phản kháng không phù hợp làm tiêu chí hội tụ, phương pháp Gia tốc Gauss-Seidel kiểm tra dung sai cường độ điện áp của bus giữa hai lần lặp liên tiếp để kiểm soát độ chính xác của giải pháp. Giá trị tiêu biểu cho độ chính xác cường độ điện áp của bus được đặt thành 0,000001 pu.
Phương pháp Gia tốc Gauss-Seidel có tốc độ hội tụ chậm hơn. Khi bạn áp dụng các yếu tố gia tốc thích hợp, có thể tăng đáng kể tốc độ hội tụ. Phạm vi cho hệ số tăng tốc nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,7 và thường được đặt thành 1,45.
34
2.4 ÁP DỤNG CHI TIẾT THÔNG QUA VÍ DỤ
Ví dụ được cho dưới đây áp dụng phương pháp Newton-Raphson để tính toán PBCS với số liệu và mô hình sau
Bảng 2.6 Thông số các bus dùng để mô phỏng
Bus Bus R(ohm) X(ohm)
1 2 15 46 1 5 12 38 2 4 10 30 2 3 13 39 4 5 11 34 3 5 16 48 3 6 15 46 6 7 17 50 5 7 13 39
35
bus Máy phát Phụ tải
MW MVAR MW MVAR 1 160 55 15 2 175 95 35 3 195 85 25 4 0 195 50 5 0 185 45 6 0 135 40 7 Nút cân bằng 75 20
36
Hình 2.7 Sơ đồ mô phỏng trên ETAP
Các bước thực hiện :
B1 :Thiết lập thông số cho các tải, máy phát, đường dây B2 : kết nối sơ đồ 1 sợi
37
B1 : Thiết Lập thông số
Phụ tải :
38
Máy phát :
39
chọn nút cân bằng là ở máy Gen 4, chọn swing ở mục Operation Mode
40
Đường dây :
Hình 2.11 Thẻ Parameter của đường dây
41
B2 :Kết nối sơ đồ 1 sợi
42
B3 :Tính toán PBCS
Nhấp chọn để chuyển giao diện sang trình tính toán PBCS Nhấp chọn để bắt đầu thiết kế phương pháp tính toán
Cuối cùng nhấp vào để bắt đầu chạy quá trình tính toán PBCS
43
Từ kết quả tính toán cho ta thấy điện áp các bus đều ổn định duy chỉ có áp bus 4 có điện áp bus không ổn định cần phải thay đổi tải hoặc dây dẫn để đảm bảo lại sự ổn định của hệ thống điện
44
2.5 TỔNG KẾT
Chương này đã giới thiệu về bài toán PBCS và ứng dụng của phần mềm ETAP để giải bài toán PBCS trong hệ thống điện. Các phương pháp toán để giải hệ phương trình phi tuyến, áp dụng các phương pháp toán để giải bài toán PBCS trong hệ thống điện cũng đã được trình bày cụ thể. Phần mềm ETAP cho phép lựa chọn một số phương pháp tính toán PBCS khác nhau để đạt được kết quả mong muốn như dòng công suất, độ lớn và góc pha điện áp tại các nút, tổn thất công suất trong mạng điện. Từ đó, xác định trạng thái làm việc của các phần tử, cho phép lựa chọn và điều chỉnh các thiết bị phù hợp, phục vụ cho bài toán quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện
45
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH 3.1 GIỚI THIỆU
Trong quá trình vận hành hệ thống điện(HTĐ), ngắn mạch (NM) xảy ra là điều không thể tránh khỏi. Dòng điện NM có thể làm hư hỏng các thiết bị trong hệ thống điện. Cho nên, việc xác định dòng điện NM là rất cần thiết để từ đó chọn lựa, chỉnh định và sử dụng các thiết bị bảo vệ cho phù hợp.
Mục tiêu của chương này là có thể vận dụng một cách đơn giản nhất các tính toán trong trình tính toán ngắn mạch mà ở đây là IEC60909, để từ đó làm tiền đề thiết kế hệ thống bảo vệ đưa ra ở các chương sau
3.2/ CƠ SỞ TÍNH TOÁN (THEO TIÊU CHUẨN IEC 60909)
Tiêu chuẩn IEC 60909 được giới thiệu nhằm cung cấp những hướng dẫn và thông tin cần thiết cho công tác kiểm tra các thiết bị, khả năng bảo vệ bảo đảm an toàn hệ thống ...
Muốn duy trì hoạt động bình thường cho hệ thống thì phải có thiết bị bảo vệ sự cố xảy ra. Các thiết bị bảo vệ phải được phối hợp bảo vệ theo nhiều cấp, tác động đúng, kịp thời nhằm giảm thiệt hại ở mức thấp nhất. Bài toán tính ngắn mạch nhằm xác định được dòng ngắn mạch phục vụ cho việc cài đặt, lựa chọn các thiết bị bảo vệ cho các phần tử trong hệ thống.
Tiêu chuẩn IEC giải quyết việc tính toán dòng ngắn mạch cân bằng và không cân bằng. Nhìn chung, dòng ngắn mạch được tính như sau :
- Chọn dòng ngắn mạch cực đại để chọn thiết bị
- Dòng ngắn mạch cực tiểu để lựa chọn cầu chì, cài đặt thiết bị bảo vệ và kiểm tra khả năng chạy lấy đà của động cơ
Dòng ngắn mạch là một hàm số theo thời gian từ lúc ngắn mạch cho đến khi dòng ngắn mạch bị loại trừ, nó cũng biến thiên theo giá trị tức thời của điện áp tại thời điểm bắt đầu ngắn mạch
46
47
I’’k = dòng ngắn mạch đối xứng ban đầu i p = dòng ngắn mạch đỉnh
Ik = dòng ngắn mạch xác lập
Id.c = thành phần dc của dòng ngắn mạch
3.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
Tính toán ngắn mạch được thực hiện bằng cách đưa vào nguồn điện áp tương đương tại vị trí ngắn mạch. Nguồn điện áp tương đương là điện áp tích cực duy nhất của hệ thống. Tất cả đường dây cung cấp điện, máy điện đồng bộ và không đồng bộ được thay thế bằng tổng trở
Trong tất cả trường hợp, dòng ngắn mạch tại vị trí sự cố F có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp nguồn điện áp tương đương. Dữ liệu vận hành và tải tiêu thụ, vị trí đầu phân áp máy biến áp ,kích từ máy phát... Không cần xem xét; những tính toán bổ sung về tất cả dòng tải có thể xảy ra khác nhau tại thời điểm ngắn mạch cũng không cần thiết
Các giá trị điện trở của hệ thống phụ thuộc vào tải đường dây và phụ thuộc vào loại ngắn mạch : Ngắn mạch đối xứng (ngắn mạch 3 pha), ngắn mạch bất đối xứng (ngắn mạch 2 pha chạm nhau, hai pha chạm đất, một pha chạm đất)
48
3.4 ÁP DỤNG CHI TIẾT THÔNG QUA VÍ DỤ
Trong phần này ví dụ được lấy từ một trong các ví dụ mà ETAP cung cấp sẵn cho người dùng là Example-ANSI để việc thực hiện tính toán ngắn mạch bằng IEC60909 là đơn giản nhất.
Các bước thực hiện
B1 : Mở phần Example-ANSI trong thư mục ETAP B2 :Chọn kiểu tính toán ngắn mạch
B3 :Chạy trình tính toán ngắn mạch
B1 :Thiết lập thông số ban đầu
Chọn hệ thống là mô hình có sẵn trong thư mục Example của ETAP
49
Với các thông số đã được cài đặt sẵn như trong mô phỏng
B2 :Chọn kiểu tính toán ngắn mạch
Chọn mục Short-circuit để bắt đầu tính toán ngắn mạch
Trong thanh công cụ sau chọn Study case
Hình 3.4 Thanh công cụ Study Case
Cài đặt thông số như trong bảng sau
50
B3 :Chạy trình tính toán ngắn mạch
Hình 3.5 Hôp thoại Study case Short circuit
51
Chọn để bắt đầu chạy chương trình tính toán
Để tiếp tục theo dõi kết quả theo số ta có thể nhấn vào mục
Hình 3.7 Mẫu báo cáo Short circuit
52
Ví dụ về Bus 1
Hình 3.8 Thành phần AC của dòng sự cố
53
Hình 3.10 Thành phần DC của dòng sự cố
Với hệ thống trên, Tiến hành phân tích ngắn mạch của hệ thống sử dụng nguồn điện từ lưới nên coi như là ngắn mạch xa nguồn phát. Từ các đồ thị kết quả cho thấy dòng điện thành phần và dòng điện tổng của dòng ngắn mạch phân tích giống như dòng điện đã được đề cập ở phần đầu mô tả IEC909
54
3.5 TỔNG KẾT
Chương này trình bày tóm tắt sơ lược về tiêu chuẩn IEC60909, các vấn đề cơ bản để tính toán ngắn mạch và hướng dẫn sử dụng module Short-circuit của ETAP. Ngoài ra, còn có một ví dụ giúp nắm bắt được những vấn đề cơ bản trong phân tích tính toán ngắn mạch của một hệ thống điện
55
CHƯƠNG 4 : PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 4.1 GIỚI THIỆU
Đây là phần rất phức tạp nhưng không thể thiếu được trong phương thức tính toán vận hành. Trong chương này sẽ trình chi tiết mô hình các thiết bị tham gia vào quá trình tính toán ổn định theo các tiêu chuẩn trong hệ thống điện và cách áp dụng chương trình ETAP dể tính toán và phân tích ổn định động cho hệ thống điện cụ thể.Ngoài ra trong chương này còn giới thiệu thêm về xét tính ổn đinh của một hệ thống điện khi có nguồn cấp là nguồn năng lượng mặt trời.
4.2 KHÁI NIỆM VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
Ổn định hệ thống điện là đặc trưng cho phép hệ thống điện duy trì trạng thía cân bằng trong chế độ vận hành bình thường và đạt đến trạng thái cân bằng chấp nhận được sau khi chịu tác động của các nhiễu. Các nhiễu nhỏ xảy ra thường xuyên trong hệ thống điện dưới dạng thay đổi công suất phụ tải, còn nhiễu lớn bao gồm các loại sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải dẫn đến cắt tổ máy phát, phụ tải lớn hoặc đường dây liên kết giữa hai khu vực. Về cơ bản, có hai khái niệm về ổn định trong hệ thống điện là ổn định góc rotor và ổn định điện áp
4.3 CÁC LOẠI ỔN ĐỊNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 4.3.1 Ổn định góc rotor 4.3.1 Ổn định góc rotor
Ổn định góc rotor là khả năng các máy phát điện trong hệ thống duy trì chế độ kết nối đồng bộ dưới tác động của nhiễu. Nghiên cứu về ổn định liên quan đến việc phân tích quá trình quá độ điện cơ trong hệ thống điện, trong đó, công suất phát của máy điện đồng bộ thay đổi khi góc rotor dao động. Khi hệ thống điện chịu tác động của nhiễu, điều kiện cân bằng công suất bị phá vỡ gây ra sự tăng tốc hoặc giảm tốc của các rotor máy phát điện. Nếu một máy phát tạm thời quay nhanh hơn các máy còn lại, góc rotor tương đối và do đó công suất phát của máy phát này so với các máy phát chậm hơn sẽ tăng lên. Sự khác biệt góc rotor này sẽ chuyển một phần tải từ các máy phát chậm sang máy phát nhanh, phụ thuộc vào mối quan hệ công suất tác dụng – góc rotor (P- ). Điều này có khuynh hướng làm giảm sự khác biệt về tốc độ và do đó, giảm góc lệch của rotor. Đặc tính P- có tính chất phi tuyến theo dạng hàm sin nên việc tăng góc rotor vượt quá giá trị giới hạn nào đó sẽ dẫn đến việc giảm công suất truyền tải. Điều này sẽ càng làm tăng độ lệch góc rotor và có thể làm hệ thống điện mất ổn định. Về cơ bản, có hai dạng ổn định góc rotor
56
trong hệ thống điện liên quan đến mức độ các nhiễu, thường gọi là ổn định tĩnh và ổn định động
- Ổn định tĩnh hay ổn định nhiễu nhỏ là khả năng hệ thống điện duy trì chế độ
đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu nhỏ, qua đó có thể tuyến tính hoá các phương trình mô tả quá trình quá độ điện cơ trong hệ thống thuận tiện cho mục đích giải tích. Hệ thống điện thường mất ổn định tĩnh theo hai dạng : góc rotor tăng dần do thiếu momen đồng bộ hay góc rotor dao động với biên độ tăng dần do thiếu momen cản dịu. Bản chất của đáp ứng hệ thống đối với nhiễu nhỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tỗ, bao gồm chế độ làm việc ban đầu, mức tải của đường dây và loại hệ thống kích từ được sử dụng trong máy phát.
- Ổn định động hay ổn định quá độ là khả năng hệ thống điện duy trì chế độ
đồng bộ khi chịu tác động của nhiễu quá độ nghiêm trọng, bao gồm sự cố ngắn mạch các loại xảy ra trên đường dây truyền tải, ở thanh cái và đầu cực máy biến áp. Đáp ứng của hệ thống liên quan đến sự thay đổi lớn của góc rotor máy phát và chịu ảnh hưởng bởi mối quan hệ P- phi tuyến. Khả năng