Bài giảng giải tích hệ thống điện nâng cao phần mở đầu võ ngọc điều

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


Hệ Thống Điện

2


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


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


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


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


Mô Hình Hệ Thống Điện

Off-line
(Quy hoạch)
Không ràng buộc thời gian

On-line
(Điều khiển & Vận hành)
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


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


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


Mô Hình Hệ Thống Điện
95%

Normal
Normal

Restoration

Alert

In Extreme

Emergency
Control Phase

Decision Phase

     
Power Flow Analysis

Normal Operation,
Normal

AGC Frequency control
Control of Power System
10


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


Công Suất Phức

i(t)

v(t ) = Vmax cos (ωt + θV )
v(t)

i (t ) = I max cos (ωt + θ I )

p (t ) = v(t ) ×i (t )
= Vmax ×I max ×cos(ωt + θV ) ×cos(ωt + θ I )
1
= ×Vmax ×I max ×cos(θV − θ I ) + cos(2ωt + θV + θ I ) 
2
12


Công Suất Phức
Định nghĩa

φ = θV − θ I
T

Pavg

1
= ∫ p (t )dt
T 0
1
= Vmax I max cos φ
2

v( t) ⇔ V =
i (t ) ⇔ I =

Vmax
2
I max
2

e

jθ v

e jθ I
13


Công Suất Phức
1
2
= V I cos φ

Công suất thực: P = Vmax I max cos φ
= Re( VI*)

Công suất kháng:
Q = Im(VI*)

Công suất phức:

S ≡ VI *

S = VI* = P + jQ

Q

S
P
14


Bảo Toàn Công Suất Phức
Ví dụ 1
+
S1

V

S3
C

S2

-

S1 − S 2 = S 3
1
Z=
⇒ y = jωC
j ωC
15

Bảo Toàn Công Suất Phức
I = Vy
S = VI * = − jωC V

2

P3 = 0
Q3 = −ωC V

2

Tụ phát công suất kháng

16


Bảo Toàn Công Suất Phức
Bài tập tự làm:
1)
L
Kiểm tra xem nếu L tiêu thụ công suất kháng
2)

1
V1

L

2

V2

Tìm giá trị L theo công suất tiêu thụ. Già thiết: |V1| = |V2|
17


Bảo Toàn Công Suất Phức
Ví dụ 2:

G2

G1
1

SG1 = 1 + j1

0.5 + j 0.2

S D1 = 1 − j1

SG 2 = 0.5 + j 0.5

2
− 0.5 + j 0.2

S D 2 = 1 + j1

S13

S23 = − j 0.7

S31

S32 = − j 0.7

3

*
S13 = − S31

j1

Thuần kháng

G3
Q: S13 , S 23 , S 31, S 32 , S G 3

S13 ≠ − S31

Sij

=

− S*ji for i ≠ j
18


Bảo Toàn Công Suất Phức
Giả thiết:

Sij = − S *ji

S13 + S D1 + S12 = 1 + j1
S13 + 1 − j1 + 0.5 + j 0.2 = 1 + j1

S13 = 1 + j1 − 1 + j1 − 0.5 − j 0.2
= −0.5 + j1.8
S31* = 0.5 − j1.8
S31 = 0.5 + j1.8


*
vì
S
=
−
S

13
31


S 23 = 0.5 + j 0.5 − (1 + j1) − (−0.5 + j 0.2) = − j 0.7

S32 = − j 0.7

SG 3 = S31 + S32 − j1 = 0.5 + j 0.1
19

Bảo Toàn Công Suất Phức
Ví dụ 3:

a

a

Ia

~

n/

n
~
b

~
c

Ic
Ib

c

N
b

Công suất tiêu thụ tải N là bao nhiêu?
S = Van′ I a* + Vbn′ I b* + Vcn′ I c*  Theo lý thuyết 2 đồng hồ,

lấy pha b làm dây chung
*
*
*
S = Vab I a + Vbb I b + Vcb I c
Một pha chỉ đúng khi hệ
*
*
= Vab I a + Vcb I c
thống đối xứng
20


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


Ba Pha Cân Bằng
Z1

Z3

a/

a
Z4

Z2

n
Z1

b

Z2

Z2

Z3

Z1

c

1∠0 ~

1∠ − 240

+



Z3

a

+

−
~

N−

−
~

Z4

1∠ − 120

+

Z4

b/
c/

Nếu điện kháng bằng nhau và các
góc pha lệch nhau 120o
22

Ba Pha Cân Bằng
a

a

Ia

~

Z
n/

c

~

Ic
b

Ib

Z

~

c

N

Z

n

b

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


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

Thứ Tự Pha
a

b

c

a

c

b

t

t

a
Thứ tự dương

1∠ − 240
c

a
~ 1∠0

n



~

~

Thứ tự âm



1∠ − 120
b



1∠ − 240
b

~ 1∠0
n



~

~

1∠ − 120
c

25