›

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

ppt 76 trang huongle 4360
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Giải tích hệ thống điện nâng cao - Phần mở đầu: Các vấn đề cơ bản - Võ Ngọc Điều", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_giai_tich_he_thong_dien_nang_cao_phan_mo_dau_cac_v.ppt

Nội dung text: Bài giảng Giải tích hệ thống điện nâng cao - Phần mở đầu: Các vấn đề cơ bản - Võ Ngọc Điều

  1. GIẢI TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN NÂNG CAO PHẦN MỞ ĐẦU: CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN Võ Ngọc Điều Bộ Môn Hệ Thống Điện Khoa Điện – Điện tử Trường ĐH Bách Khoa 1
  2. Hệ Thống Điện 2
  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 3
  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 4
  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 5
  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 6
  7. Mô Hình Hệ Thống Điện Off-line On-line (Quy hoạch) (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 7
  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 Truyền tải Khả năng cung cấp (Tính PG để cực tiểu chi phí máy phát) 8
  9. Mô Hình Hệ Thống Điện 5) Unit Commitment Kinh tế Tin cậy An toàn 6) Load Forecasting Dài hạn (đến 10 năm) Trung hạn (theo ngày, tháng) Ngắn hạn (nỗi 20 phút) 7) Load management Điều khiển trực tiếp 9
  10. Mô Hình Hệ Thống Điện 95% Normal Restoration Alert In Extreme Emergency Decision Phase Control Phase  Normal Operation, Power Flow Analysis Normal AGC Frequency control Control of Power System 10
  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) 11
  12. Công Suất Phức i(t) v(t) =Vmax cos(t +V ) v(t) i(t) = Imax cos(t +I ) p()()() t= v t i t =Vmax  I max  cos( t + VI )  cos(  t +  ) 1 = V  I  cos( −  ) + cos(2  t +  +  ) 2 max max VIVI 12
  13. Công Suất Phức Định nghĩa  = V −I 1 T P= p() t dt avg T 0 1 = VI cos 2 max max V v( t) = Vmax e jv 2 I i() t = Imax e jI 2 13
  14. Công Suất Phức 1 Công suất thực: P = V I cos 2 max max = V I cos = Re(VI*) Công suất kháng: Q = Im(VI*) Công suất phức: S  VI * S S = VI* = P + jQ Q P 14
  15. Bảo Toàn Công Suất Phức Ví dụ 1 + S3 S1 V C S2 - S1 − S2 = S3 1 Z = y = jC jC 15
  16. Bảo Toàn Công Suất Phức I =Vy S = VI* = − jCV 2 P3 = 0 2 Q3 = −CV Tụ phát công suất kháng 16
  17. Bảo Toàn Công Suất Phức Bài tập tự làm: 1) L Kiểm tra xem nếu L tiêu thụ công suất kháng 1 L 2 2) V1 V2 Tìm giá trị L theo công suất tiêu thụ. Già thiết: |V1| = |V2| 17
  18. Bảo Toàn Công Suất Phức Ví dụ 2: G G1 2 SG1 =1+ j1 SG2 = 0.5 + j0.5 1 2 0.5 + j0.2 − 0.5 + j0.2 SD1 =1− j1 SD2 =1+ j1 S13 Sj23 =− 0.7 S 31 Sj32 =− 0.7 SS13 − 31 3 * j1 SS13=− 31 Thuần kháng G3 * S = − S for i j Q: S13 , S23 , S 31, S32 , SG3 ij ji 18
  19. Bảo Toàn Công Suất Phức * Giả thiết: Sij = −S ji S13 + SD1 + S12 =1+ j1 S13 +1− j1+ 0.5 + j0.2 =1+ j1 S13 =1 + j 1 − 1 + j 1 − 0.5 − j 0.2 = −0.5 + j1.8 * S31 = 0.5 − j1.8  *  vì S13 = −S31 S31 = 0.5 + j1.8  S23 = 0.5 + j0.5 − (1+ j1) − (−0.5 + j0.2) = − j0.7 Sj32 =− 0.7 SG3 = S31 + S32 − j1 = 0.5 + j0.1 19
  20. Bảo Toàn Công Suất Phức Ví dụ 3: a a I a ~ n n/ N ~ ~ I c b c c b Ib Công suất tiêu thụ tải N là bao nhiêu? ➔ Theo lý thuyết 2 đồng hồ, SVIVIVI=an a + bn b + cn c lấy pha b làm dây chung S =V I * +V I * +V I * ab a bb b cb c ➔Một pha chỉ đúng khi hệ * * =Vab Ia +Vcb Ic thống đối xứng 20
  21. Bảo Toàn Công Suất Phức Cân 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. 21
  22. Ba Pha Cân Bằng Z1 Z3 a a/ Z Z2 4 n Z2 Z2 Z 3 Z b 4 b/ c c/ a Z3 + 10 ~ N − 1− 240 1 −120 Nếu điện kháng bằng nhau và các ~ ~ góc pha lệch nhau 120o 22
  23. Ba Pha Cân Bằng a a I a ~ Z n n/ N ~ ~ I c c b b c Ib Tại sao hệ thống có 3 pha? 1. Để sử dụng hiệu quả vật liệu: khả năng công suất/vật liệu 2. Có thể sử dụng 1 pha để phân tích hệ thống 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. 23
  24. Phân Tích Từng Pha Giả thiết: 1) Ba pha cân bằng 2) 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. 24
  25. Thứ Tự Pha a b c a c b t t a a Thứ tự dương Thứ tự âm ~ ~ 10 n n 1− 240 1 −120 ~ ~ ~ ~ c b b c 25
  26. Phương Phân Tích Từng Pha 1) 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).
  27. Phương Phân Tích Từng Pha Ví dụ
  28. Phương Phân Tích Từng Pha j0.1 a + 2 − j 350 3 45 V1 j1 2 − 21 − j2 y= − j1 + j = j VE1 = . a 32 −+jj2 0.1 zj=− 2 = 1.05Ea
  29. Phương Phân Tích Từng Pha / 1) Dẫn ra mối quan hệ giữa và / z1 z2 z3 z2 z3 ' Z1 / z1 Z1 Z2 z/ / 2 z3 Z3
  30. Phương Phân Tích Từng Pha a/ j0.1 + 350 2 45 ~ V j1 − j 2 1 - 3 n 3 1 y = − j1+ j = j − j2 2 2 V1 = Ea − j2 + j0.1 z = − j2 =1.05Ea 2) Tìm các biến còn lại / / i) V1 cho các pha b , c Ia/n ,Ib/n ,Ic/n ,Sa/n ,Sb/n ,Sc/n  ii) Tìm tất cả các phấn bố trên  I / / ,I / / ,I / / ,S / / ,S / / ,S / / các đường dây a b b c c a a b b c c a 
  31. Phân Bố Công Suất Đường dây đơn, cả hai đầu có máy phát. G G1 2 SG1 SG2 1 2 S SD1 R + jX D2 + + ~ V1 ~ V2 - - S12 S21
  32. Phân Bố Công Suất Sử dụng tọa độ cực j1 V11= V e j2 V22= V e Z= Z e jZ * * VV12− SVIV12== 1 1 1 Z 2 VVV1 1 2 S -S =−ej Z e j Z e+ j12 G1 D1 ZZ 12 =1 −2 12 Phụ thuộc vào nguồn phát và tải
  33. Phân Bố Công Suất 2 VVV2 2 1 S= V I* = ej Z − e j Z e− j12 21 2 2 ZZ 2 VVV2 2 1 −S = − ej Z + e j Z e− j12 21 ZZ * SS12=−? 21 với V1 = V2 , Z = 90 Điều này không đúng trong trường hợp tổng quát, nhưng có thể kiểm tra với giả thiết rằng:
  34. Phân Bố Công Suất |V1| and |V2| được điều chỉnh hằng số, 12 thay đổi tùy theo nguồn phát và tải
  35. Phân Bố Công Suất
  36. Phân Bố Công Suất Bài tập tự giải: Hai vòng tròn không giao nhau nếu V1 V2 (tức là S12 −S21 ) 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?
  37. Phân Bố Công Suất Xem xét trường hợp đặc biệt: Z = 90 tức là khi R = 0, Z = jX VVVV P = 1 2sin 1 2 12XX 12 12 VVVV P = 1 2sin 1 2 21XX 21 21 PP12 = − 21 vì R = 0 ➔ không có tổn thất công suất thực VV −=P 12sin 21X 12
  38. Phân Bố Công Suất 22 VVVVVV Q =1 − 1 2cos 1 − 1 2 12XXXX 12 2 VVV Q=−2 2 1 cos ( check ) 21XX 12 QQ12 − 21 Khả năng truyền tải là bao nhiêu? (công suất thực tối đa có thể được truyền) V V P = 1 2 max X 0 12 90 , 12  P12 
  39. 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 X 1) Đường đây truyền tải to hơn (tiết diện ngang) 2) Chèn thêm tụ điện dọc đường dây jL j − C
  40. Phân Bố Công Suất x3 Lưu ý: Nếu Z 90 ,  10 sin x = x + x 12 3! 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.
  41. Phân Bố Công Suất Truyền tải công suất khi một đầu không có điện áp
  42. Phân Bố Công Suất 2 VVVV1 2 1 2 PPP= =sin 22 = sin DD12XX 12 12 2 VVV QQ= − = −2 + 1 2 cos D 21XX 12 2 2 2 VVV2 1 2 =PP  + = cos2  DD XX 12 Vẫn đúng khi có |V1| và |V2| mỗi phía
  43. Phân Bố Công Suất Tìm mối quan hệ giữa tải vào |V2| 2 2 Khử  12 bằng cách sử dụng mối quan hệ: sin 12 + cos 12 =1 2 QD 2 2 VVV2 2 1  PP+ = − 2 DDXX 24 2 VVVV2 2 2 1 2PPP 2+2 + = − 2 DDD2 XXX 4 2 2 2 2 2 VPXVVPX2+(2DD − 1) 2 +( 1 +) = 0
  44. Phân Bố Công Suất 2 2222 2 −+ −−+224PDDD 1 XVP11 XVP X 2 ( ) ( ) V = 2 2 2 2 2 22 22 2 2 24 V 4444PDDDD XP−+−− X VVP XP11 X =− 1  PX 22D 1 24 2 VV 2 =− −+21P XP X P XV 24DDD ( 1 ) Chú: |V1| được điều chỉnh ở giá trị biết trước.
  45. Phân Bố Công Suất Ví dụ: V1 =1 p.u., X = 0.5 p.u. PD là một biến ở hệ số công suất 1.0, 0.97 sớm pha =  âm, và 0.97 trễ =  dương. Đối với các tải có hệ số công suất trễ hiện tượng này có thể xảy ra đối với Voltage các mức công suất trong collapse 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.
  46. 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 SD =10 + j20 Bơm vào: -10 - j20 Động cơ dưới kích từ (trễ pha) -10 + j20 Động cơ quá kích từ (sớm pha)
  47. Phân Bố Công Suất Sớm pha Trễ pha
  48. Phân Bố Công Suất Ví dụ: Ipq ypq Iqp P Q + y Ep pq Eq − 2 yE I= E − E y + pq p pq( p q) pq 2
  49. Phân Bố Công Suất * Công suất phát: EpI pq Ppq + jQpq * y pq =Ep y pq() E p − E q + E p 2 * Công suất nhận: −Eq I qp = − P qp − jQ qp * y pq = −Eq y pq( E q − E p) + E q 2 Công suất tổn thất trên đường dây là bao nhiêu? Công suất tổn thất = Công suất gởi – Công suất nhận yy pq pq =Eppqpq y( E − E) + E p + E qpqqq y( E − E) + E q 22
  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. 50
  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. 51
  52. Mô Hình Các Phần Tử ❖ Mô hình MBA - Mạch tương đương của một MBA 2 cuộn dây: 52
  53. Mô Hình Các Phần Tử - Mạch xấp xỉ qui về phía sơ cấp: 53
  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. 54
  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. 55
  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 56
  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 ) 57
  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. 58
  59. Mô Hình Các Phần Tử 59
  60. Mô Hình Các Phần Tử 60
  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 61
  62. Hệ Đơn Vị Tương Đối 62
  63. Hệ Đơn Vị Tương Đối 63
  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. 64
  65. Hệ Đơn Vị Tương Đối * Một số tính chất của hệ tương đối: 65
  66. Hệ Đơn Vị Tương Đối * Một số tính chất của hệ tương đối: 66
  67. Hệ Đơn Vị Tương Đối * Chuyển đổi các đại lượng trong hệ tương đối : 67
  68. Hệ Đơn Vị Tương Đối 68
  69. Hệ Đơn Vị Tương Đối * Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện: 69
  70. Hệ Đơn Vị Tương Đối * Chọn các đại lượng cơ bản trong hệ thống điện: 70
  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. 71
  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. 72
  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: 73
  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: 74
  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: 75
  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: 76