1

GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN NÂNG CAONÂNG CAO

Võ Ngọc Điều

Bộ Môn Hệ Thống ĐiệnKhoa Điện – Điện tử

Trường ĐH Bách Khoa

PHẦN MỞ ĐẦU: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN

2

Hệ Thống Điện

3

Hệ Thống Điện Hiện Đại Sản xuất điện năng:

- Các nhà máy điện* Turbine & máy phát* MBA tăng áp

Truyền tải điện năng- Hệ thống truyền tải cao áp- Các trạm biến áp

* Các máy cắt* MBA

Phân phối điện năng- Các trạm phân phối

* Các MBA hạ áp- Các phát tuyến trung thế

* Các MBA phân phối

4

Mạng 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 lớn

Mạng trung thế- Phân bố công suất cục bộ- Có nhiều hệ thống

* Lợi ích kinh tế về sự đơn giản hóa* Vận hành độc lập

Tải- Tải công nghiệp và thương mại- Tải hộ gia đình

5

Điều 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 vệ

Hệ thống quản lý năng lượng- Trung tâm điều khiển

* Điều khiển máy tính* SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition

6

Phân Tích Máy Tính Các hệ thống thực tiễn

- Phải an toàn- Tin cậy- Kinh tế

Phân 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 định

7

Mô Hình Hệ Thống Điện

On-line(Điều khiển & Vận hành)

Không ràng buộc thời gian Có ràng buộc thời gian

1) Power flow analysis

2) State 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 hóc

Off-line

(Quy hoạch)

8

Mô Hình Hệ Thống Điện

8

Mô 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 MBA

4) 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 tải

9

Mô Hình Hệ Thống Điện

5) Unit CommitmentUnit Commitment Kinh tế

Tin cậy

An toàn

6) Load ForecastingLoad Forecasting Dài hạn (đến 10 năm)

Trung hạn (theo ngày, tháng)

Ngắn hạn (nỗi 20 phút)

7) Load managementLoad management Điều khiển trực tiếp

10

Mô Hình Hệ Thống Điện

NormalNormal

Restoration Alert

In Extreme Emergency

95%

Decision Phase

Power Flow Analysis Normal

Control Phase

Normal Operation,

AGC Frequency control

Control of Power System

11

Mô 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)

12

Công Suất Phức

)cos)( max Vt(Vtv

)cos)( max It(Iti v(t)

max max

max max

( ) ( ) ( )

cos( ) cos( )

1 cos( ) cos(2 )

2

V I

V I V I

p t v t i t

V I t t

V I t

i(t)

13

Công Suất PhứcĐịnh nghĩa IV

0

max max

1( )

1 cos

2

T

avgP p t dtT

V I

max

max

2

( )2

v

I

j

j

Vv t V e

Ii t I e

14

Công Suất Phức

Công suất thực:

Công suất kháng:

*)Im(VIQ

Công suất phức:

Q SjQPS

S

*

*

VI

VI

*)Re(

cos

cos2

1maxmax

VI

IV

IVP

P

15

Bảo Toàn Công Suất Phức

Ví dụ 1

VS1 S2

S3C

+

-

321 SSS

CjyCj

Z

1

16

Bảo Toàn Công Suất Phức

VyI

2* VCjVIS

23 VCQ

03 P

Tụ phát công suất kháng

17

Bảo Toàn Công Suất PhứcBài tập tự làm:

L

1)

Kiểm tra xem nếu L tiêu thụ công suất kháng

Tìm giá trị L theo công suất tiêu thụ. Già thiết: |V1| = |V2|

2)

V1 V2

L1 2

18

Bảo Toàn Công Suất Phức

Ví dụ 2: G1G2

G3

111 jSG 5.05.02 jSG

2.05.0 j 2.05.0 j111 jSD

1j

112 jSD

13S23 0.7S j

31S32 0.7S j

3

21

13 31

*13 31

S S

S S

Thuần kháng

Q: 332312313 , , , , GSSSSS*

= ij jiS S for i j

19

Bảo Toàn Công Suất PhứcGiả thiết:

*jiij SS

1112113 jSSS D

112.05.01113 jjjS

13 1 1 1 1 0.5 0.2S j j j

8.15.0 j

8.15.0

8.15.0

31

*31

jS

jS

*

3113 vì SS

7.0)2.05.0()11(5.05.023 jjjjS

1.05.0132313 jjSSSG 32 0.7S j

20

Bảo Toàn Công Suất PhứcVí dụ 3:

~

~

~

a

cb

a

bc

aI

cI

bI

n n/

Công suất tiêu thụ tải N là bao nhiêu?

N

* * * an a bn b cn cS V I V I V I

**

***

ccbaab

ccbbbbaab

IVIV

IVIVIVS

Theo lý thuyết 2 đồng hồ, lấy pha b làm dây chung

Một pha chỉ đúng khi hệ thống đối xứng

21

Bảo 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.

22

Ba Pha Cân Bằng

~

~

~

a

N

01

1Z 3Z

2Z2Z

1Z

3Z

1Z 3Z4Z

2Z 4Z 4Za

b

c

a/

b/

c/

Nếu điện kháng bằng nhau và các góc pha lệch nhau 120o

2401 1201

n

23

Ba Pha Cân Bằng

~

~

~

a

cb

a

bc

aI

cI

bI

n n/

N

Z

Z Z

1. Để sử dụng hiệu quả vật liệu: khả năng công suất/vật liệu2. Có thể sử dụng 1 pha để phân tích hệ thống

Tại 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.

24

Phân Tích Từng Pha

Giả thiết:

1) Ba pha cân bằng2) Tất 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:

a) Tất cả các trung tính đều cùng mức điện áp.b) Ba pha hoàn toàn có thể tách rời.c) Tất cả các biến đổi trong mạng tương ứng xảy ra cân bằng

và theo tuần tự pha của nguồn.

25

Thứ Tự Pha

cb

~

~

~

n

01

2401 1201

a

a b c a c b

t t

Thứ tự dương Thứ tự âm

bc

~

~

~

n

01

2401 1201

a

Phương Phân Tích Từng Pha1) Chuyển đổi tất cả các nguồn và tải thành mạch tương đương

nối Y.2) Giải tìm các biến của pha yêu cầu (chẳng hạn pha a) bằng

định luật Kirchoff.3) 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.

4) 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 Pha

Ví dụ

Phương Phân Tích Từng Pha

35045

2

a

1V 1j

2

3j

2 11

3 2

2

y j j j

z j

12

.2 0.1

1.05

a

a

jV E

j j

E

0.1j

Phương Phân Tích Từng Pha

2Z1Z

3Z

/1z

/3z

/2z

1) Dẫn ra mối quan hệ giữa và/1z

/2z

/3z1z 2z 3z

'1Z

Phương Phân Tích Từng Pha

~3

2j

a/

1j1.0j

452

350

+

-1V

n

22

1

2

31

jz

jjjy

a

a

E

Ejj

jV

05.1

1.02

21

2) Tìm các biến còn lại i) V1 cho các pha b/, c/

ii) Tìm tất cả các phấn bố trên các đường dây

////////////

//////

,,,,,

,,,,,

accbbaaccbba

ncnbnancnbna

SSSIII

SSSIII

Phân Bố Công SuấtĐường dây đơn, cả hai đầu có máy phát.

G1G2

1GS 2GS

1DS 2DS

21

~ ~+

-1V

+

-2V

21S12S

jXR

Phân Bố Công SuấtSử dụng tọa độ cực

1

2

1 1

2 2

j

j

j Z

V V e

V V e

Z Z e

2112

12

** 1 2

12 1 1 1

21 1 2

G1 D1 S -S jj Z j Z

V VS V I V

Z

V V Ve e e

Z Z

Phụ thuộc vào nguồn phát và tải12

Phân Bố Công Suất

12

22 2 1*

21 2 2

jj Z j ZV V VS V I e e e

Z Z

12

22 2 1

21 jj Z j ZV V V

S e e eZ Z

*12 21S S 90 ,21 ZVVvới?

Điều này không đúng trong trường hợp tổng quát, nhưng có thể kiểm tra với giả thiết rằng:

*12 21S S

Phân Bố Công Suất

|V1| and |V2| được điều chỉnh hằng số, 12 thay đổi tùy theo nguồn phát và tải

Phân Bố Công Suất

Phân Bố Công Suất

Bài tập tự giải: Hai vòng tròn không giao nhau nếu

(tức là )

1)Công suất thực có thể truyền được tối đa là bao nhiêu (Pmax12)?

2)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?

21 VV

2112 SS

Phân Bố Công Suất

Xem xét trường hợp đặc biệt: 90 Z

tức là khi R = 0, Z = jX

1 2 1 212 12 12

1 2 1 221 21 21

12 21

1 221 12

sin

sin

sin

V V V VP

X X

V V V VP

X X

P P

V VP

X

vì R = 0 không có tổn thất công suất thực

Phân Bố Công Suất

2 21 1 2 1 1 2

12 12

22 2 1

21 12

12 21

cos

cos

V V V V V VQ

X X X X

V V VQ check

X X

Q Q

Khả năng truyền tải là bao nhiêu?(công suất thực tối đa có thể được truyền)

121212

21max

,900 P

X

VVP

Phân Bố Công Suất

Có cách nào khác để tăng khả năng truyền tải?

1) 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)

2) Giảm X1) Đường đây truyền tải to hơn (tiết diện ngang)

2) Chèn thêm tụ điện dọc đường dây

Ljj

C

Phân Bố Công Suất

Lưu 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)

3

1290 , 10 sin3!

xZ x x x

Bài tập tự làm: Giả sử nút 2 ngắn mạch (tức |V2| 0), tìm S12 và -S21.

Phân Bố Công Suất

Truyền tải công suất khi một đầu không có điện áp

Phân Bố Công Suất

21 2 1 22 2

12 12 12

22 1 2

21 12

2 222 1 2 2

12

sin sin

cos

cos

D D

D

D D

V V V VP P P

X X

V V VQ Q

X X

V V VP P

X X

Vẫn đúng khi có |V1| và |V2| mỗi phía

Phân Bố Công Suất

Tìm mối quan hệ giữa tải vào |V2| Khử bằng cách sử dụng mối quan hệ: 12 1cossin 12

212

2

2 22

2 2 1 2DQ

D D

V V VP P

X X

22 42 2 2 12 2 2

2

4 2 2 2 2 22 1 2

2

2 1 0

D D D

D D

V V V VP P P

X XX

V P X V V P X

Phân Bố Công Suất

22 2 2 2 21 12

2

2 42 2 2 2 2 2 2 2 21 11

12 4 2

22 11

2 2 4 1

2

4 4 4 4

2 2

2 4

D D D

D D D DD

D D D

P X V P X V P XV

P X P X V V P X P XVP X

V VP X P X P X V

Chú: |V1| được điều chỉnh ở giá trị biết trước.

Phân Bố Công SuấtVí dụ: p.u. 0.5 ,p.u. 11 XV

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 collapse

PD là một biến ở hệ số công suất 1.0, 0.97 sớm pha = âm, và 0.97 trễ = dương.

Phân Bố Công Suất

Công suất được bơm vào ở giá trị: P+jQ

P > 0, Q > 0 Vượt quá kích từ máy phát (trễ pha)

P > 0, Q < 0 Dưới kích từ máy phát (sớm pha)

Tải 2010 jSD

Bơm vào: -10 - j20 Động cơ dưới kích từ (trễ pha)

-10 + j20 Động cơ quá kích từ (sớm pha)

Phân Bố Công Suất

Trễ phaSớm pha

Phân Bố Công Suất

Ví dụ:

pqI qpIpqy

pE Eq

pqy

2

Q

P

pq ppq p q pq

y EI E E y

2

pqy

2

Phân Bố Công Suất

*

( )2pq

p pq p q p

yE y E E E

pqpqpqp jQPIE *

*

*

2

q qp qp qp

pqq pq q p q

E I P jQ

yE y E E E

Công suất phát:

Công suất nhận:

Công suất tổn thất trên đường dây là bao nhiêu?

Công suất tổn thất = Công suất gởi – Công suất nhận

* *

2 2pq pq

p pq p q p q pq q q q

y yE y E E E E y E E E

50

Mô Hình Các Phần Tử

Các phần tử chính trong HTĐ- Máy phát- MBA- Tải- Đường dây truyền tải

Máy 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.

51

Mô 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.

52

Mô Hình Các Phần Tử

Mô hình MBA- Mạch tương đương của một MBA 2 cuộn dây:

53

Mô Hình Các Phần Tử

- Mạch xấp xỉ qui về phía sơ cấp:

54

Mô 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.

55

Mô 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.

56

Mô 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 hỉnh

57

Mô 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 )

58

Mô 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.

59

Mô Hình Các Phần Tử

60

Mô Hình Các Phần Tử

61

Hệ 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 bản

62

Hệ Đơn Vị Tương Đối

63

Hệ Đơn Vị Tương Đối

64

Hệ 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.

65

Hệ Đơn Vị Tương Đối* Một số tính chất của hệ tương đối:

66

Hệ Đơn Vị Tương Đối* Một số tính chất của hệ tương đối:

67

Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chuyển đổi các đại lượng trong hệ tương đối :

68

Hệ Đơn Vị Tương Đối

69

Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện:

70

Hệ Đơn Vị Tương Đối* Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện:

71

Hệ Đơn Vị Tương Đối

Chú 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.

72

Hệ Đơn Vị Tương Đối

Thủ tục phân tích đ.v.t.đ:

(1) Chọn một cơ sở chung cho toàn hệ thống MVA.(2) 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.(3) Tìm điện kháng cơ bản trong mỗi khu vực và chuyển

tất cả điện kháng khác sang tương đối.(4) Vẽ sơ đồ thay thế.(5) Chuyển ngược lại đơn vị có tên nếu cần.

73

Hệ Đơn Vị Tương Đối Ví 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:

74

Hệ Đơn Vị Tương Đối Công suất cơ bản tòan hệ thống là 2.0 MVA. Điện

áp cơ bản được chọn như sau:

75

Hệ Đơn Vị Tương Đối Các giá trị pu của các phần tử trong hệ thống

bằng cách dùng chuyển đổi hệ tương đối:

76

Hệ Đơn Vị Tương Đối

Bài tập tự giải: Sử dụng cơ sở: Scb = 100MVA và Ucb = 22kV để xác định các đại lượng tương đối của sơ đồ sau: