Bài giảng phân tích thiết kế hệ thống năng lượng power system ad phần 1

6/19/2013
1
Phân tích và Thiết kế Hệ thống Năng
lượng – Power System A&D.
Trần Nhật Nam
BM Kĩ thuật Điện

Về Môn học Power System A&D
• Môn học CƠ SỞ về Hệ thống Điện.
• Giáo trình:
– Tiếng Việt: Đã có nhưng chất lượng không tốt.
– Tiếng Anh: Có rất nhiều:
• GT chính: Hadi Saadat, Power System Analysis 2
nd
Edition,
McGraw Hill 2002.
• GT bổ xung: J. D. Glover and S. Sarma Mulukutla, Power System
Analysis and Design 3
rd
Edition, Thompson Learning 2002.
• GT khác: John J. Grainger & William D. Stevenson, Jr., Power
System Analysis International Edition, McGraw Hill 1994.
6/19/2013
2
Về Môn học Power System A&D
• Yêu cầu:
– Làm đầy đủ bài tập được giao.
– Hoàn thành 2 Bài Tập Lớn.
– Có đủ 3 bài kiểm tra.
– Có mặt ở lớp tại thời điểm điểm danh.
– Không sử dụng tài liệu tiếng Việt khi thi hết môn.

– Có sự chuẩn bị bài trước khi lên lớp (gọi và hỏi
các câu hỏi liên quan đến vấn đề cũ + mới).
Yêu cầu về Kiến thức
• Kiến thức cơ sở về Mạch điện.
• Kiến thức Toán.
• Tiếng Anh (Để đọc GT và TLTK).
• Khả năng lập trình (C\C++…) ứng dụng trong
Matlab (Không bắt buộc).
• Phần mềm: Matlab, Microsoft Excel,
Microsoft Mathematics…
• Website: en.wikipedia.org…
6/19/2013
3
Mục tiêu của Môn học
• Trang bị kiến thức cơ sở về Hệ thống Điện,
phục vụ cho các môn học sau.
• Cung cấp kiến thức phục vụ công việc phân
tích và Thiết kế Hệ thống Điện.
• Nắm được cách thức xây dựng các Chương
trình tính toán quy mô lớn.
• Sử dụng các phần mềm tính toán Chuyên
dụng và Không Chuyên dụng.
• Làm quen với các thuật ngữ Tiếng Anh
chuyên ngành.
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Hệ thống Điện Một chiều:
– Thomas Edison.
– Ứng dụng trong phạm vi hẹp: RI
2

@LV.
• Hệ thống Điện Xoay chiều:
– Nikola Tesla & Westinghouse Electric.
– Máy biến áp (William Stanley).
– Hệ thống truyền tải HVDC: ±x00 kV.
– Xu thế kết nối: Interconnected System.
6/19/2013
4
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Hệ thống Điện hiện đại:
– Khâu phát điện (Máy phát + Máy biến áp).
– Truyền tải liên khu vực và Truyền tải cục bộ (Lưới
truyền tải HVAC/HVDC).
– Hệ thống phân phối (Lưới Trung áp).
– Phụ tải.
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Khâu phát điện:
– Máy phát đồng bộ:
• Không vành góp → Phát công suất lớn ở điện áp cao (30kV)
• Công suất từ 50 MW đến 1500 MW.
• Tốc độ 1800/3600 rpm – Cực lồi/ẩn – Turbine thủy lực/hơi.
– Máy biến áp:
• Truyền tải hiệu suất cao từ cấp điện áp này sang cấp điện áp
khác.
• Tích VI của sơ cấp và thứ cấp là gần như nhau.
• Máy tăng áp: Tỷ số vòng dây là a → Dòng thứ cấp giảm 1/a.
6/19/2013
5

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Hệ thống truyền tải:
– Truyền năng lượng từ nơi phát đến nơi tiêu thụ.
– Liên kết các vùng để phục vụ điều độ kinh tế và
ứng cứu sự cố khẩn cấp.
– Cấp điện áp: 69kV, 115kV, 138kV, 161kV, 230kV,
345kV, 500kV và 765kV (USA); 35kV, 110kV,
220kV, 500kV (VN).
– Các bộ tụ bù và kháng được sử dụng để duy trì
điện áp truyền tải.
Hình 1.1: Các thành phần
cơ bản của một Hệ thống
Điện (các cấp điện áp của
USA).
6/19/2013
6
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Hệ thống phân phối:
– Cấp điện áp: 4-34.5kV (USA), 6-35kV(VN).
– Phụ tải CN có thể được cấp điện thẳng.
– Phía thứ cấp:
• Phụ tải 240/120V, một pha, ba dây.
• Phụ tải 208Y/120V, ba pha, bốn dây.
• Phụ tải 480Y/277V, ba pha bốn dây.
• Phụ tải 380/220V (VN).
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Phụ tải: Công nghiệp, thương mại & dân dụng.

– Phụ tải công nghiệp: phức hợp, thành phần chủ yếu
là động cơ, f(f,V).
– Phụ tải dân dụng và thương mại: chủ yếu là Chiếu
sáng và Nhiệt Lạnh → Tiêu thụ ít Q.
– Hệ số tải: Load Factor → L.F
6/19/2013
7
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ
HỆ THỐNG ĐIỆN
• Hệ thống Bảo vệ:
– Instrument transformers.
– Circuit breakers, Disconnect switches & Fuses .
– Lightning arresters.
– Control equipments & Protective relays.
• Trung tâm điều khiển (ECC): SCADA.
• Phân tích bằng máy tính:
→
Tham số, hoạt động của đường dây; Tính toán trào lưu công suất, đặt bù;
Lên kế hoạch phát điện; Phân tích quá độ máy đồng bộ, Sự cố đối xứng và
không đối xứng, Nghiên cứu ổn định & Điều khiển Hệ thống Điện.
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Công suất trong mạch AC.
• Công suất tức thời p(t) = 2 thành phần:
– Tiêu thụ năng lượng.
– Mượn và trả năng lượng từ nguồn.
• Công suất trung bình (thực) P và Công suất
phản kháng Q → Công suất biểu kiến S.
• Cân bằng công suất.
• Hiệu chỉnh Hệ số công suất.
• Dòng công suất phức.

• Mạch điện 3 pha.
6/19/2013
8
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Công suất trong mạch xoay chiều 1 pha:
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Hai thành phần của công suất tức thời:
– θ = θ
v
– θ
i
θ > 0 → Dòng điện chậm sau Điện áp ↔ Tải có tính cảm (inductive)
θ < 0 → Dòng điện vượt trước Điện áp ↔ Tải có tính dung (capacitive)
6/19/2013
9
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Thành phần thứ 1:
→ Công suất trung bình tới tải:
 Công suất Thực – Công suất Tác dụng.
 |V||I| - Công suất biểu kiến [VA].
 cosθ – Hệ số công suất (PF) (Sớm pha/Trễ pha).
• Thành phần thứ 2:
 Đập mạch với tần số gấp đôi.
 Giá trị trung bình bằng 0.
 Biên độ đập mạch – Công suất Phản kháng:
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Công suất Phức:
– Phasor của Điện áp và Dòng điện: &→
→
→ Biểu thức Công suất Phức:

Định nghĩa Công suất Phức
6/19/2013
10
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Vấn đề Hiệu chỉnh PF:
 Cùng P, PF<1 → Cần S lớn hơn khi PF=1 → Dòng lớn hơn.
PF càng gần 1 thì càng tốt (Đặc biệt là các phụ tải CN cỡ lớn).
 Lắp đặt tụ bù để nâng cao PF.
 Phạt tiền Phụ tải công nghiệp vận hành ở PF thấp.
 Không phải là vấn đề với các phụ tải cỡ nhỏ, dân dụng (Lý do?).
• Ví dụ 2.3 (GT):
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Dòng công suất phức:
6/19/2013
11
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Dòng công suất phức:
 Công suất Tác dụng và Phản kháng:
 Biểu thức tính gần đúng (R = 0): → Không tổn thất (Lossless)
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Mạch 3 pha đối xứng:
THỨ TỰ
THUẬN
THỨ TỰ NGHỊCH
6/19/2013
12
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Mạch 3 pha đối xứng:
 Công suất tức thời truyền tải ra mạch ngoài là hằng số (Không

đập mạch như trong trường hợp 1 pha).
 Kinh tế trong truyền tải.
 Nguồn đấu Y – Tải đấu Y hoặc Δ.
 Với pha A:
Chọn
6/19/2013
13
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Tải hình Y:
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Tải hình Δ:
6/19/2013
14
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Phương pháp Phân tích: Phân tích đơn-pha
• Các đại lượng của pha khác có cùng Biên độ
và khác nhau về Pha.
CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Công suất 3 pha:
Chú ý: Công suất từng pha thì đập mạch nhưng Công suất cả 3 pha thì
không đổi và bằng 3 lần Công suất mỗi pha.
Công suất pha đập mạch → Có cả t/p Tác dụng và Phản kháng →
Mở rộng khái niệm Công suất Phức cho mạch 3 pha bằng cách định
nghĩa Công suất Phản kháng 3 pha:
Công suất Phức:
hay
6/19/2013
15
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI

• Mô hình Máy phát đồng bộ:
Từ thông móc vòng với cuộn a:
Định luật Faraday:
với:
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
Mạch tương đương:
X
S
– Điện kháng đồng bộ, có giá trị khác nhau
ứng với những trạng thái khác nhau (do tính
phi tuyến của đường cong từ hóa).
Khi phân tích trạng thái xác lập (Steady-
State): sử dụng giá trị bão hòa của điện
kháng đồng bộ ứng với điện áp định mức.
R
a
<< X
S
6/19/2013
16
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Máy Biến Áp:
Với MBA lý tưởng, ta có:
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Mạch tương đương quy đổi về phía Sơ cấp:
6/19/2013
17

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Mô hình đơn giản:
– Lõi có độ từ thẩm lớn và tổn thất nhỏ → Bỏ qua nhánh ngang → Mạch
quy đổi đơn giản về cả 2 phía của MBA:
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Các tham số quan trọng của MBA:
 Hiệu suất truyền tải:
 Biểu thức hiệu suất theo mức tải n:
 Mức độ điều chỉnh điện áp:
với
6/19/2013
18
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Tổ đấu dây của MBA 3 pha:
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• MBA Tự ngẫu – Autotransformer:
6/19/2013
19
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• MBA Tự ngẫu – Autotransformer:
+ Quan hệ về Dòng: + Độ lợi CS:
So với MBA 2 cuộn dây cùng CS, MBA Tự ngẫu có 1 số ưu điểm: Nhỏ hơn, Hiệu
suất cao hơn và Tổng trở trong nhỏ hơn → MBA Tự ngẫu được sử dụng rộng rãi
trong HTĐ.
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA

VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Hệ đơn vị tương đối:
Biết 2
trong 4
đại
lượng,
thường
là V
B
và
S
B
6/19/2013
20
CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Ưu điểm của Hệ đơn vị Tương đối:
– Thể hiện độ lớn tương đối giữa các đại lượng khác nhau.
– Các thiết bị cùng loại có giá trị tổng trở tương đối nằm trong 1 phạm vi
hẹp mặc dù chúng có công suất định mức khác nhau.
– Các giá trị tương đối của Dòng, Áp và Tổng trở của MBA là như nhau
bất kể quy đổi về phía nào → Xóa bỏ các cấp điện áp khác nhau.
– Các đại lượng tương đối có thể dễ dàng biểu diễn trong các chương
trình tính toán trong máy tính.
– Các định luật về mạch điện vẫn đúng và những phương trình sẽ được
đơn giản hóa.
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Tổng quan
Mô hình một sợi – đơn pha.
Tùy thuộc vào chiều dài đường dây: Ngắn – Trung –

Dài.
Mô hình đường dây Dài: Hằng số Lan truyền + Tổng
trở Sóng.
Mô hình mạch hình π.
6/19/2013
21
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mô hình Đường dây Ngắn:
– Chiều dài: ≤ 80 km (50 miles).
– Điện áp ≤ 69 kV
Bỏ qua Điện dung
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Biểu diễn dưới dạng Mạng 2 cửa:
• Phương trình:
 Dạng ma trận:
với
6/19/2013
22
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Tỷ lệ % điều chỉnh điện áp:
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Ví dụ:
‒ Đường dây truyền tải 3 pha 220kV dài 40km.
‒ r = 0,15 Ω/km; L = 1,3263 mH/km.
‒ Bỏ qua điện dung dọc đường dây. Sử dụng mô hình Đường
dây Ngắn để tìm: Điện áp và Công suất ở Nút Đầu, % Điều
chỉnh điện áp và Hiệu suất truyền tải với phụ tải:
a. 381 MVA, PF = 0,8 trễ ở 220 kV.
b. 381 MVA, PF = 0,8 sớm ở 220 kV.
6/19/2013

23
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mô hình Đường dây Trung bình:
– Chiều dài: 80 km (50 miles) < l < 250 km (150 miles).
– Giá trị điện dung đáng kể → Phân bố tập trung ở 2 đầu đường dây.
→ Mạch hình π danh định:
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Các hằng số ABCD của mô hình:
• Phương trình biểu diễn các đại lượng (Dòng, Áp) cuối đường
dây theo các đại lượng (Dòng, Áp) đầu đường dây:
6/19/2013
24
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mô hình Đường dây Dài:
– Chiều dài lớn hơn 250 km (150 miles).
– Thông số rải (Distributed parameters).
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Điện áp và Dòng điện:
với
6/19/2013
25
CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Nghiệm:
• Dòng:
Hằng số lan truyền
α – Hằng số suy giảm.
β – Hằng số pha.
với Z
C
– Tổng trở sóng (đặc tính)

CHƯƠNG 4 – MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Biểu thức Dòng và Áp theo chiều dài: