Bài giảng Giải tích hệ thống điện nâng cao - Các vấn đề cơ bản - Võ Ngọc Điều

1GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN NÂNG CAOVõ Ngọc Điều Bộ Môn Hệ Thống ĐiệnKhoa Điện – Điện tửTrường ĐH Bách KhoaPHẦN MỞ ĐẦU: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN2Hệ Thống Điện 3Hệ Thống Điện Hiện Đại Sản xuất điện năng: - Các nhà máy điện * Turbine & máy phát * MBA tăng ápTruyền tải điện năng - Hệ thống truyền tải cao áp - Các trạm biến áp * Các máy cắt * MBAPhân phối điện năng - Các trạm phân phối * Các MBA hạ áp - Các phát tuyến trung thế * Các MBA phân phối4Mạng Điện Mạng cao thế - Lượng lớn công suất được truyền tải đi xa. - Chia sẻ các nguồn điện * Độ tin cậy được cải thiện * Lợi ích kinh tế cho hệ thống lớnMạng trung thế - Phân bố công suất cục bộ - Có nhiều hệ thống * Lợi ích kinh tế về sự đơn giản hóa * Vận hành độc lậpTải - Tải công nghiệp và thương mại - Tải hộ gia đình5Điều Khiển Hệ Thống Bảo vệ mạng điện - Thiết bị đóng cắt * Các MBA công cụ * Máy cắt * Dao cách ly * Cầu chì * Chống sét * Relay bảo vệHệ thống quản lý năng lượng - Trung tâm điều khiển * Điều khiển máy tính * SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition 6Phân Tích Máy Tính Các hệ thống thực tiễn - Phải an toàn - Tin cậy - Kinh tếPhân tích hệ thống - Dùng cho quy hoạch hệ thống - Dùng cho vận hành hệ thống - Yêu cầu mô hình hóa các phần tử - Các loại phân tích * Đặc tính hoạt động đường dây * Phân bố công suất * Điều độ kinh tế nguồn phát * Nghiên cứu sự cố và ổn định7Mô Hình Hệ Thống Điện On-line(Điều khiển & Vận hành)Vận hành HTĐ bao gồm:Không ràng buộc thời gianCó ràng buộc thời gianPower flow analysisState estimation 2.1 Đánh giá trạng thái dựa trên số dụng cụ hữu hạn 2.2 Để kiểm tra xem có dụng cụ nào hỏng hócOff-line(Quy hoạch)8Mô Hình Hệ Thống Điện 8Mô Hình Hệ Thống Điện 3) System Security Evaluation Sự cố ngẫu nhiên 1) Hỏng các đường dây truyền tải 2) Hỏng hóc máy phát 3) Hỏng MBA4) Economic Dispatch – Thỏa mãn công suất yêu cầu với chi phí thấp nhất Optimal power flow – Các ràng buộc An toàn cung cấp Khả năng cung cấp (Tính PG để cực tiểu chi phí máy phát)Truyền tải9Mô Hình Hệ Thống Điện 5) Unit Commitment Kinh tế Tin cậy An toàn6) Load Forecasting Dài hạn (đến 10 năm) Trung hạn (theo ngày, tháng) Ngắn hạn (nỗi 20 phút)7) Load management Điều khiển trực tiếp10Mô Hình Hệ Thống Điện NormalRestorationAlertIn ExtremeEmergency95%Decision Phase Power Flow Analysis Normal Control Phase Normal Operation, AGC Frequency control Control of Power SystemVận hành online11Mô Hình Hệ Thống Điện Stability Crisis Stability Control (short 0.5-3 sec.)Viability Crisis Viability Control (1~ 60 min.)(quá tải) (có nhiều thời gian để giải hơn stability crisis)Integrity Crisis Restoration (vài khu vực bị mất điện do thiếu công suất)12Công Suất Phứcv(t)13Công Suất PhứcĐịnh nghĩa14Công Suất PhứcCông suất thực:Công suất kháng:Công suất phức:QSP15Bảo Toàn Công Suất PhứcVí dụ 1VS1S2S3C+-16Bảo Toàn Công Suất PhứcTụ phát công suất kháng17Bảo Toàn Công Suất PhứcBài tập tự làm:L1)Kiểm tra xem nếu L tiêu thụ công suất khángTìm giá trị L theo công suất tiêu thụ. Già thiết: |V1| = |V2| 2)V1V2L1218Bảo Toàn Công Suất PhứcVí dụ 2:G1G2G3321Thuần khángQ:19Bảo Toàn Công Suất PhứcGiả thiết:20Bảo Toàn Công Suất PhứcVí dụ 3:~~~acbabcnn/Công suất tiêu thụ tải N là bao nhiêu?N Theo lý thuyết 2 đồng hồ, lấy pha b làm dây chungMột pha chỉ đúng khi hệ thống đối xứng21Bảo Toàn Công Suất PhứcCân bằng công suất phức* Theo bảo toàn năng lượng- Công suất thực cung cấp từ nguồn = công suất tiêu thụ ở tải + tổn thất công suất trên đường dây.- Công suất kháng cũng phải cân bằng: Sự cân bằng xảy ra giữa tổng các công suất kháng sớm pha và tổng công suất kháng trễ pha do các phần tử tạo ra.- Tổng công suất truyền tới tải nối song song = tổng công suất phức được truyền đến mỗi tải. 22Ba Pha Cân Bằng~~~aNabca/b/c/Nếu điện kháng bằng nhau và các góc pha lệch nhau 120on23Ba Pha Cân Bằng~~~acbabcnn/NZZZ1. Để sử dụng hiệu quả vật liệu: khả năng công suất/vật liệu2. Có thể sử dụng 1 pha để phân tích hệ thốngTại sao hệ thống có 3 pha?Tại sao không sử dụng nhiều pha hơn?Công nghệ máy phát trở nên phức tạp hơn: cần nhiều cực hơn, Cuộn dây phức tạp hơn, .v.v.24Phân Tích Từng PhaGiả thiết:Ba pha cân bằngTất cả các nguồn và tải đều nối Y có trung tính nối đất. (nếu không, chúng cũng có thể chuyển thành nối Y có trung tính nối đất (wye-connection))3) Không có cảm kháng hỗ cảm giữa các pha.Kết quả:Tất cả các trung tính đều cùng mức điện áp.Ba pha hoàn toàn có thể tách rời.Tất cả các biến đổi trong mạng tương ứng xảy ra cân bằng và theo tuần tự pha của nguồn.25Thứ Tự Phacb~~~naabcacbttThứ tự dươngThứ tự âmbc~~~naPhương Phân Tích Từng PhaChuyển đổi tất cả các nguồn và tải thành mạch tương đương nối Y.Giải tìm các biến của pha yêu cầu (chẳng hạn pha a) bằng định luật Kirchoff.Trừ các góc pha lần lượt 120o và 240o từ pha tìm được trong phần 2) để tìm các các biến cho các pha b và c theo thứ tự nguồn dương.Nếu cần, trở lại mạch ban đầu để tìm các biến dây-dây hoặc các biến bên trong nguồn tam giác (delta).Phương Phân Tích Từng PhaVí dụPhương Phân Tích Từng PhaPhương Phân Tích Từng PhaDẫn ra mối quan hệ giữa vàPhương Phân Tích Từng Pha~a/+-n2) Tìm các biến còn lại i) V1 cho các pha b/, c/ ii) Tìm tất cả các phấn bố trên các đường dâyPhân Bố Công SuấtĐường dây đơn, cả hai đầu có máy phát. G1G221~~+-+-Phân Bố Công SuấtSử dụng tọa độ cựcPhụ thuộc vào nguồn phát và tảiPhân Bố Công Suấtvới?Điều này không đúng trong trường hợp tổng quát, nhưng có thể kiểm tra với giả thiết rằng:Phân Bố Công Suất|V1| and |V2| được điều chỉnh hằng số, 12 thay đổi tùy theo nguồn phát và tảiPhân Bố Công SuấtPhân Bố Công SuấtBài tập tự giải: Hai vòng tròn không giao nhau nếu(tức là )Công suất thực có thể truyền được tối đa là bao nhiêu (Pmax12)? Công suất tuyệt đối (Smax) có thể truyền được là bao nhiêu?3) Công suất thực nhận được tối đa là bao nhiêu?4) Công suất tổng tối đa có thể nhận là bao nhiêu?5) Các câu 1, 2, 3 và 4 có mối quan hệ như thế nào?Phân Bố Công SuấtXem xét trường hợp đặc biệt:tức là khi R = 0, Z = jXvì R = 0  không có tổn thất công suất thựcPhân Bố Công SuấtKhả năng truyền tải là bao nhiêu?(công suất thực tối đa có thể được truyền)Phân Bố Công SuấtCó cách nào khác để tăng khả năng truyền tải?Tăng biên độ điện áp (lý do tại sao chúng ta dùng truyền tải cao áp). (Không quan tâm đến điện cực chịu điện cao áp)Giảm XĐường đây truyền tải to hơn (tiết diện ngang)Chèn thêm tụ điện dọc đường dâyPhân Bố Công SuấtLưu ý: Nếu Công suất thực và công suất hầu như có thể tách rời.12 phục thuộc vào công suất thực bơm vào và Q12, Q21 phụ thuộc vào biên độ điện áp. Phân bố công suất tách biến (decoupled power flow)Bài tập tự làm: Giả sử nút 2 ngắn mạch (tức |V2|  0), tìm S12 và -S21. Phân Bố Công SuấtTruyền tải công suất khi một đầu không có điện ápPhân Bố Công SuấtVẫn đúng khi có |V1| và |V2| mỗi phíaPhân Bố Công SuấtTìm mối quan hệ giữa tải vào |V2| Khử bằng cách sử dụng mối quan hệ: Phân Bố Công SuấtChú: |V1| được điều chỉnh ở giá trị biết trước.Phân Bố Công SuấtVí dụ:Đối với các tải có hệ số công suất trễ hiện tượng này có thể xảy ra đối với các mức công suất trong giới hạn vận hành bình thườngcủa đường dây truyền tải. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cung cấp Q ở vị trí khách hàng hơn là cố gắng cung cấp từ xa.Voltage collapsePD là một biến ở hệ số công suất 1.0, 0.97 sớm pha =  âm, và 0.97 trễ =  dương.Phân Bố Công SuấtCông suất được bơm vào ở giá trị: P+jQP > 0, Q > 0 Vượt quá kích từ máy phát (trễ pha)P > 0, Q < 0 Dưới kích từ máy phát (sớm pha)TảiBơm vào:-10 - j20 Động cơ dưới kích từ (trễ pha)-10 + j20 Động cơ quá kích từ (sớm pha)Phân Bố Công SuấtTrễ phaSớm phaPhân Bố Công SuấtVí dụ:Phân Bố Công SuấtCông suất phát:Công suất nhận:Công suất tổn thất trên đường dây là bao nhiêu?Công suất tổn thất = Công suất gởi – Công suất nhận50Mô Hình Các Phần Tử Các phần tử chính trong HTĐ - Máy phát - MBA - Tải - Đường dây truyền tảiMáy phát có thể được mô hình theo 3 cách khác nhau: Mô hình bơm công suất: công suất thực P và công suất kháng được thể hiện ở nút mà máy phát nối vào. * hoặc điện áp hoặc dòng điện được bơm vào được thể hiện ở nút được nối, cho phép xác định các đại lượng khác.51Mô Hình Các Phần Tử Mô hình Thevenin: bao gồm điện áp cảm ứng AC đặt phía sau điện kháng đồng bộ Xd. Mô hình Norton: bao gồm nguồn dòng điện AC bơm vào đặt song song với điện kháng đồng bộ Xd.52Mô Hình Các Phần Tử Mô hình MBA - Mạch tương đương của một MBA 2 cuộn dây:53Mô Hình Các Phần Tử - Mạch xấp xỉ qui về phía sơ cấp:54Mô Hình Các Phần Tử Mô hình tải: - Các mô hình được chọn lọc dựa trên cả 2: loại phân tích và các đặc tính tải. * Tổng trở hằng số, Zload - Tải được cấu thành từ các phần tử R, L, và C được nối vào một nút mạng và đất (hoặc điểm trung tính hệ thống) * Dòng điện hằng số, Iload - Tải có một biên độ dòng điện hằng số I và hệ số công suất hằng số, độc lập với điện áp nút. - Cũng được coi là nguồn dòng bơm vào mạng. * Công suất hằng số, Sload - Tải có một công suất thực P và kháng Q là hằng số độc lập với điện áp và dòng điện bơm vào. - Cũng được coi như là một nguồn công suất âm bơm vào mạng.55Mô Hình Các Phần Tử Mô đường dây: - Các đường dây truyền tải được mô hình bằng một mạch tương đượng với các thông số trên cớ sở theo từng pha. + Điện áp được tính theo pha-trung tính + Dòng điện được biểu diễn cho từng pha + Hệ thống ba pha được đơn giản hóa thành mạng 1 pha tương đương. - Tất cả các đường dây được cấu thành từ điện kháng và điện trở nối tiếp, tụ điện và điện dẫn ngang rãi. + Các thông số đó là: R, L, G, B - Các loại mô hình: + Tùy thuộc vào độ dài và cấp điện áp + Các mô hình đường dây ngắn, trung bình và dài.56Mô Hình Các Phần Tử Mô đường dây ngắn - Mô hình này được sử dụng khi: + Độ dài đường dây ngắn hơn 80km hay + Điện áp đường dây không quá 69kV - Mô hình thông số đường dây truyền tải + Điện dẫn và điện dung ngang được bỏ qua + Điện trở và điện kháng đường dây được xử lý như là thông số tập trung. - Mạch của mô hỉnh57Mô Hình Các Phần Tử Mô đường dây trung bình - Mô hình này được sử dụng khi: chiều dài đườg dây lớn hơn 80km nhưng dưới 250km - Mô hình các thông số + Một nửa điện dung ngang được coi như là thông số tập trung ở mỗi đầu đường dây. + Điện trở và điện kháng dọc đường dây được xử lý như thông số tập trung. - Mô hình mạch (hình )58Mô Hình Các Phần Tử Mô đường dây dài - Mô hình này được sử dụng khi: chiều dài đườg dây lớn hơn 250km - Mô hình các thông số + Độ chính xác đạt được qua sử dụng thống số rãi. + Điện kháng dọc và điện dung ngang được tính trên một đơn vị chiều dài. 59Mô Hình Các Phần Tử 60Mô Hình Các Phần Tử 61Hệ Đơn Vị Tương Đối* Định nghĩa đơn vị tương đối (đ.v.t.đ hay pu): Giá trị tương đối = Giá trị thực / Giá trị cơ bản62Hệ Đơn Vị Tương Đối63Hệ Đơn Vị Tương Đối64Hệ Đơn Vị Tương Đối* Việc sử dụng ký hiệu đ.v.t.đ tùy cách chọn miễn sao cho không trùng với hệ đơn vị có tên.65Hệ Đơn Vị Tương Đối* Một số tính chất của hệ tương đối:66Hệ Đơn Vị Tương Đối* Một số tính chất của hệ tương đối:67Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chuyển đổi các đại lượng trong hệ tương đối :68Hệ Đơn Vị Tương Đối69Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện:70Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện:71Hệ Đơn Vị Tương ĐốiChú ý: - Các đại lượng được tính toán cho hệ thống điện được xác định với: * Công suất: tính cho 3 pha * Điện áp: pha-pha (điện áp dây) * Dòng điện: 1 pha * Tổng trở: 1 pha - Trong phân tích hệ thống điện, thường giả sử 3 pha cân bằng  phân tích 1 pha đơn giản hơn. 72Hệ Đơn Vị Tương ĐốiThủ tục phân tích đ.v.t.đ:Chọn một cơ sở chung cho toàn hệ thống MVA.Chọn một điện áp cơ sở tùy ý. Tất cả điện áp khác được quy về mức điện áp chọn theo tỷ số trong mạch.Tìm điện kháng cơ bản trong mỗi khu vực và chuyển tất cả điện kháng khác sang tương đối.Vẽ sơ đồ thay thế.Chuyển ngược lại đơn vị có tên nếu cần.73Hệ Đơn Vị Tương ĐốiVí dụ: Tìm các giá trị đ.v.t.đ mới của các phần tử hệ thống với công suất cơ bản 2.0MVA. - Các giá trị đ.v.t.đ mỗi phần tử của HT 3 pha như sau:74Hệ Đơn Vị Tương ĐốiCông suất cơ bản tòan hệ thống là 2.0 MVA. Điện áp cơ bản được chọn như sau:75Hệ Đơn Vị Tương ĐốiCác giá trị pu của các phần tử trong hệ thống bằng cách dùng chuyển đổi hệ tương đối: 76Hệ Đơn Vị Tương ĐốiBài tập tự giải: Sử dụng cơ sở: Scb = 100MVA và Ucb = 22kV để xác định các đại lượng tương đối của sơ đồ sau: