Khảo sát ảnh hưởng của bộ điều chỉnh điện áp dưới tải lên ổn định điện áp htđ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------oOo--------

VÕ QUỐC HƯNG

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH
ĐIỆN ÁP DƯỚI TẢI LÊN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
HTĐ

CHUYÊN NGÀNH : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ NGÀNH
: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NAÊM 2006


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHAN THỊ THANH BÌNH................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : .......................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................

..................................................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
..................................................................................................................................
Luận văn thạc só được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày………tháng……..năm 2006.


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Tp. HCM, ngày 15 tháng 11 năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Võ Quốc Hưng

Phái: Nam.

Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1981
Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

Nơi sinh: T.T.Huế.
MSHV:01805445.

I- TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP

DƯỚI TẢI LÊN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HTĐ.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
– Tổng quan về ổn định điện áp.
– Các yếu tố ảnh hưởng lên ổn định điện áp.
– Khảo sát ảnh hưởng của bộ điều chỉnh điện áp dưới tải lên ổn định điện áp
HTĐ.
– Mô phỏng minh họa ảnh hưởng của bộ điều chỉnh điện áp dưới tải trong HTĐ.
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 12/03/2006.
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/11/2006.
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S PHAN THỊ THANH BÌNH
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

T.S PHAN THỊ THANH BÌNH
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
Ngày
TRƯỞNG PHỊNG ĐT – SĐH

tháng

năm

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Thành Phố
Hồ Chí Minh và đặc biệt là cô T.S Phan Thị Thanh Bình đã tận tình hùng dẫn
và giúp đỡ tôi thực hiện luận văn này.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 11 năm 2006.

Võ Quốc Hưng


CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
OLTC (= ULTC = LTC): On Load Tap Changer (= Under Load Tap
Changer = Load Tap Changer) : bộ điều chỉnh điện áp dưới tải (= bộ điều
chỉnh điện áp có tải = bộ thay đổi đầu phân áp có tải).
AVR: Automatic Voltage Regulator: bộ điều chỉnh điện áp tự động.
SVC: Static Var Compensator: thiết bị bù tónh.
SIL: Surge Impedance Loading: tải đặc tính tổng trở.
EHV: Extra High Voltage: siêu cao áp.
GMD: Geometric Mean Distance: khoảng cách hình học.
GMR: Geometric Mean Radius: bán kính hình học.
MSC: Mechanically Switched Capacitor: tụ điện chuyển mạch cơ khí.
TCR: Thyristor Controlled Reactor: máy bù được điều khiển bằng
thyristor.
TSC: Thyristor Cotrolled Capacitor: tụ điện được điều khiển bằng
thyristor.
HDVC: High Voltage Direct Current: điện một chiều cao áp.
MXL: Maximum Excitation Limiter: bộ giới hạn kích từ lớn nhất.
OXP: Overexcitation Protection: bảo vệ quá kích từ.
RTD: Resistance Temperature Detector: máy dò nhiệt điện trở.
AGC: Automatic Generation Control: điều khiển phát tự động.
URD: Underground Residential Distribution: phân phối liên quan đến

đất.
DB: Deadband: dải không hoạt động.
VB: Busbar Voltage: điện áp thanh cái.
LV: Low Voltage: điện áp thấp.


HV: High Voltage: điện áp cao.
MV: Medium Voltage: trung áp.
SVR: Secondary Voltage Regulation: điều chỉnh điện áp thứ cấp.
VSA: Voltage Security Assessment: đánh giá an toàn điện áp.


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

3

I. KHÁI NIỆM

3

II. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

3

II.1. Khung thời gian đối với mất ổn định điện áp và các cơ cấu 4
II.2. Ổn định điện áp và bài toán dòng chảy công suất
II.2.1. Phương pháp Newton – Raphson

8
9

II.2.2. Phương thức phân tích mô hình dòng chảy công suất13
II.2.3. Các phương pháp tách riêng nhanh
II.3. Giới thiệu đường cong P – V và Q – V

16
17

II.4.1. Đường cong P – V

17

II.4.2. Đường cong V – Q

21

III. SỤP ĐỔ ĐIỆN ÁP

23

III.1. Viễn cảnh sụp đổ điện áp

23

III.2. Các đặc điểm thông thường dựa trên liên quan thực tế

25

III.3. Ngăn ngừa sụp đổ điện áp

26

III.3.1. Biện pháp thiết kế hệ thống

26

III.3.2. Biện pháp vận hành hệ thống

28

CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

30

I. ĐIỀU KHIỂN VÀ BÙ CÔNG SUẤT HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI 30
I.1. Khó khăn trong việc truyền tải công suất phản kháng

30


I.2. Các đặc điểm của hệ thống truyền tải

31

I.3. Các thiết bị bù công suất phản kháng

34

I.3.1. Tụ điện nối tiếp

34

I.3.2. Tụ điện và máy bù rẽ nhánh

37

I.3.3. Hệ thống bù tónh

39

I.3.4. Tụ điện đồng bộ

42

II. HỆ THỐNG PHÁT

43

II.1. Khả năng công suất phản kháng của máy phát

43

II.2. Điều khiển và bảo vệ máy phát

46

II.3. Điều khiển phát tự động (AGC)

49

III. ĐẶC TÍNH PHỤ TẢI VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
ÁP Ở HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

51

III.1. Tổng quan lưới truyền tải con và phân phối

52

III.2. Đặc tính động và tónh của các thành phần phụ tải

54

III.3. Bù công suất phản kháng ở phụ tải

59

III.4. Máùy biến áp OLTC và bộ điều chỉnh điện áp phân phối

60

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN

ÁP DƯỚI TẢI LÊN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HTĐ

62

I. BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP DƯỚI TẢI

62

I.1. Chọn tỷ số biến đổi của máy biến áp

62

I.2. Nguyên tắc điều khiển tự động OLTC

64

I.2.1. Đối với máy biến áp đơn

65

I.2.2. Đối với máy biến áp song song

66

I.3. Mô hình hệ thống điều khiển OLTC

68

I.4. Thuật toán điều khiển OLTC

70


I.5. Nhược điểm của các OLTC

71

II. ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP DƯỚI TẢI
TRONG HTĐ

72

II.1. OLTC của máy biến áp phân chia công suất chính

72

II.2. OLTC của lưới truyền tải

74

II.3. Điều khiển điện áp bằng OLTC và tụ điện

76

II.4. Các OLTC nối tiếp

77

III. CÁC BIỆN PHÁP ĐIỀU KHIỂN KHẨN CẤP ĐỐI VỚI OLTC 78
CHƯƠNG IV: ÁP DỤNG

81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

90

TÀI LIỆU THAM KHẢO

91

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG


1

MỞ ĐẦU
Ổn định điện áp là mối quan tâm chính trong việc lập kế hoạch và vận
hành của hệ thống điện. Ổn định điện áp là khả năng duy trì điện áp chấp nhận
được tại tất cả các nút trong hệ thống điện dưới các điều kiện thông thường và
lúc có nhiễu.
Trước đây, khả năng truyền tải công suất bị giới hạn bởi ổn định góc quay
rôto hoặc bởi khả năng quá nhiệt của quá trình truyền tải. Bây giờ, vấn đề này
đã được giảm bớt bởi việc xóa ngắn mạch nhanh, hệ thống kích thích mạnh mẽ…
Ổn định điện áp liên quan đến khả năng truyền tải của hệ thống điện. Mất
ổn định điện áp và sụp đổ điện áp đưa đến kết quả là làm một số hệ thống chính
ngừng hoạt động.
Ổn định điện áp sẽ còn là một thách thức cho việc dự đoán tương lai của hệ
thống điện và quả thực là làm tăng sự quan trọng. Các điện lực trong những năm
gần đây bị bắt buộc hạn chế tryền công suất lớn nhất có thể có truyền tải qua hệ

thống mặc dù sự thay đổi giới hạn của cấu trúc của việc phát và tryền tải trong
điều kiện thuận lợi.
Sự thiếu hụt công suất phản kháng tryền từ các máy phát và các đường dây
truyền tải làm cho mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp đó là kết quả trong
một số sự cố hệ thống điện chính trong những năm gần đây. Kể từ đó, cần có
một sự hiểu biết hoàn toàn về hiện tượng ổn định điện áp và việc lập kế hoạch
để ngăn ngừa sự mất ổn định điện áp.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ổn định điện áp như: khả năng công suất
phản kháng và giới hạn điều chỉnh điện áp của máy phát; đặc tính của tải; các
thiết bị bù công suất phản kháng; bộ điều chỉnh điện áp hệ thống phân phối và
tác dụng của việc điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp. Việc thay đổi đầu phân
áp máy biến áp là một trong những phương pháp hữu hiệu trong việc điều chỉnh

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


2

điện áp tại mọi cấp điện áp. Phần lớn các máy biến áp ở các cấp truyền tải hoặc
ở phía phân phối đều có trang bị thiết bị tự động điều chỉnh điện áp dưới tải
(OLTC – On Load Tap Chager). OLTC có thể điều chỉnh bằng tay hoặc tự động.
Vị trí các đầu phân áp của máy biến áp LTC có thể điều chỉnh hàng ngày,
hàng giờ tùy theo yêu cầu của hệ thống. Trong luận văn này sẽ tập trung khảo
sát ảnh hưởng của máy biến áp OLTC lên ổn định điện áp.

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng

3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP
I. KHÁI NIỆM:
Ổn định điện áp: là khả năng của một hệ thống điện duy trì ổn định điện
áp chấp nhận được tại tất cả các nút trong hệ thống điện dưới các điều kiện hoạt
động thông thường hoặc sau khi phải chịu tác động của nhiễu.
Mất ổn định điện áp: một hệ thống bắt đầu một trạng thái mất ổn định
điện áp khi một nhiễu, nhu cầu phụ tải tăng lên hoặc có sự thay đổi hoàn cảnh
của hệ thống là nguyên nhân dẫn đến không thể ngăn chặn và không kiểm soát
được trong việc giảm điện áp. Yếu tố chính dẫn đến việc mất ổn định điện áp là
sự bất lực của hệ thống điện trong việc đáp ứng yêu cầu về công suất phản
kháng. Trọng tâm của vấn đề này thường là sự giảm điện áp xảy ra khi công
suất tác dụng và công suất phản kháng chảy qua điện kháng cảm ứng kết hợp
với lưới truyền tải. Mất ổn định điện áp về cơ bản là một hiện tượng cục bộ, tuy
nhiên hậu quả của nó có thể có một tác động lan rộng.
Một hệ thống là mất ổn định điện áp nếu tại ít nhất một nút của hệ thống
điện áp của nút đó giảm khi công suất phản kháng bơm vào cùng nút đó là tăng
lên.
Sụp đổ điện áp: là phức tạp hơn nhiều so với mất ổn định điện áp và
thường là kết quả của một chuỗi các sự kiện thêm vào việc mất ổn định điện áp
dẫn đến điện áp thấp xuống ở một bộ phận quan trọng của hệ thống.
Một hệ thống điện ở trạng thái hoạt động và phải chịu một nhiễu nhất định
trải qua sụp đổ điện áp nếu các điện áp cân bằng sau khi có nhiễu là thấp hơn
các giới hạn chấp nhận. Sụp đổ điện áp có thể toàn bộ (sự mất tín hiệu tạm thời)
hoặc một phần.
II. ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP:

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


4

II.1. Khung thời gian đối với mất ổn định điện áp và các cơ cấu:
Mất ổn định điện áp và sụp đổ điện áp là quá trình động kéo dài một
khoảng thời gian từ 1 giây đến 10 phút. Biểu đồ thời gian đáp ứng được sử dụng
để mô tả hiện tượng động. Hình 1 - 1 cho thấy nhiều sự phối hợp và điều khiển
hệ thống điện đóng vai trò trong việc ổn định điện áp. Tuy nhiên, chỉ một số sẽ
tham gia đáng kể trong một viễn cảnh hoặc liên quan đặc biệt. Các đặc điểm hệ
thống và nhiễu sẽ được xác định hiện tượng nào là quan trọng.
Hình vẽ 1 - 1 cho thấy phân loại của ổn định điện áp các khung thời gian
dài hạn và tức thời. Hầu như luôn luôn có một sự phân chia rõ ràng giữa hai
khung thời gian.

Ổn định điện áp tức thời

Ổn định điện áp dài hạn

Hoạt động động
cơ cảm ứng

Tăng truyền công suất /tải
MBA OLTC & Bộ điều chỉnh
Hoạt động máy phát/kích từ
điện áp phân phối
Đa dạng tải/

Điều khiển động cơ sơ cấp
bộ ổn định nhiệt
Tụ điện/máy bùcơ
Khởi động
Giới hạn kích từ
cấu chuyển mạch
tuabin khí
Sa thải tải dưới áp
SVC

DC

Người vận hành nhà máy điện

Thay đổi phát/AGC
Hoạt động quán
Quá tải đường
Hoạt động lò hơi dây/MBA
tính máy phát
Bộ biến đổi DC
Người vận hành hệ thống
OLTC
Đặt rơle bảo vệ bao gồm bảo vệ quá tải
1 phút

0.1

1

10

100
Thời gian - giây

10 phút

1 giờ

1000

10000

Hình 1 – 1: Hiện tượng ổn định điện áp và thời gian đáp ứng

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


5

Sau đây, chúng ta mô tả 3 viễn cảnh của 2 phân loại của mất ổn định điện
áp.
Viễn cảnh 1: ổn định điện áp tức thời: khung thời gian là 0 đến 10 giây –
ngoài ra đó là khung thời gian của ổn định góc rôto tức thời. Sự khác biệt giữa
mất ổn định điện áp và mất ổn định góc rôto là không phải luôn luôn rõ ràng và
các khía cạnh của hai hiện tượng có thể tồn tại.
Khi điện áp rất xấu dốc xuống (như là trong suốt thời gian ngắn mạch được
khắc phục chậm), yêu cầu công suất phản kháng của các động cơ cảm ứng tăng,
góp phần làm sụp đổ điện áp trừ phi ngắt các tiếp điểm ac hoặc tiếp điểm bảo
vệ các động cơ. Theo sau các sự cố, các động cơ rất khó để gia tốc lại. Các động

cơ ngừng chạy có thể là nguyên nhân các động cơ gần đó ngừng chạy. Trong
việc nghiên cứu mô phỏng, động cơ có thể được xem như là các thiết bị động.
Đặc tính của dãy tụ điện bù (công suất phản kháng tỷ lệ với bình phương điện
áp) được thêm vào vấn đề.
Điện áp sụp đổ nhanh hơn tần số – sự sụp đổ điện áp ảnh hưởng đến các
phụ tải nhạy điện áp, làm chậm sự sụp đổ tần số và làm chậm sự sa thải phụ tải
dưới tần số. Ngoài ra, các rơle dưới tần số có thể không hoạt động ở điện áp
thấp. Sa thải phụ tải dưới điện áp có thể cần thiết. Các tải động cơ cảm ứng bao
gồm các thiết bị điện động cơ phụ trợ là quan trọng vấn đề liên quan.
Viễn cảnh 2: ổn định điện áp dài hạn: khung thời gian là vài phút, điển
hình là 2 - 3 phút. Can thiệp của những người vận hành là không khả thi.
Viễn cảnh này kéo theo tải cao, đưa công suất cao từ nơi phát ở xa và một
nhiễu lớn đột ngột. Hệ thống là ổn định tức thời bởi các phụ tải nhạy áp. Nhiễu
này (mất đi một số máy phát trong một vùng tải hoặc mất đi các đường dây
truyền tải chính) nguyên nhân làm tổn thất công suất phản kháng cao và điện áp
sụp xuống trong các vùng tải. Các bộ thay đổi đầu phân áp trên các máy biến áp

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


6

phân chia công suất lớn OLTC và các bộ điều chỉnh điện áp phân phối nhạy với
điện áp thấp và hoạt động để khôi phục các điện áp phân phối – do đó khôi
phục các cấp độ công suất tải.
Sự khôi phục công suất tải nguyên nhân làm giảm hơn nữa điện áp truyền
tải. Các máy phát gần là quá kích thích và quá tải, nhưng các bộ giới hạn quá
kích từ (hoặc các người vận hành nhà máy điện) trả lại dòng điện kích từ đến

các giá trị tỷ lệ khi kết thúc thời gian quá tải (một đến hai phút). Các máy phát ở
xa hơn chắc chắn rồi phải cung cấp công suất phản kháng. Hệ thống phát và
truyền tải không còn cung cấp cho phụ tải tải và tổn thất công suất phản phản
kháng và sự suy sụp điện áp xảy ra sau đó nhanh. Một phần hoặc toàn bộ điện
áp sụp đổ theo sau. Giai đoạn cuối cùng kéo theo động cơ cảm ứng ngừng chạy
và các hoạt động rơle bảo vệ. Phụ thuộc vào kiểu tải (bao gồm điều kiện không
kết nối ở điện áp thấp) sự sụp đổ có thể là một phần hoặc toàn bộ.
Viễn cảnh 3: mất ổn định dài hạn: sự mất ổn định tiến triển trong suốt một
giai đoạn dài hơn và chịu sự điều khiển bởi một sự tăng tải rất lớn hoặc một sự
truyền công suất tăng lên nhanh lớn. Sự tăng lên của tải được đo lường
megawatt/phút, có thể rất nhanh. Các hành động của người vận hành, như là đưa
vào đúng lúc các thiết bị công suất phản kháng hoặc sa thải tải có thể cần thiết
để ngăn ngừa sự mất ổn định. Các yếu tố như là giới hạn thời gian quá tải của
đường dây truyền tải (10 phút) và sự mất đi tính đa dạng tải vì điện áp thấp có
thể là quan trọng (do tải được điều khiển bằng bộ ổn định nhiệt năng lượng
không đổi). Giai đoạn cuối cùng của sự mất ổn định kéo theo sự hoạt động của
thiết bị nhanh hơn như là đã mô tả ở viễn cảnh 1 và 2.
Ổn định điện áp có thể được xem là ổn định tải. “Tải” ở đây là tải được
thấy tại các nút điện áp cao hệ thống truyền tải và bao gồm các tác động của

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Höng


7

các truyền tải con và hệ thống phân phối. Sự phục hồi tải có thể tạm thời giảm
xuống bởi điện áp thấp là một giải pháp của hướng ổn định điện áp.
Tải tác dụng (thực) là được phục hồi bởi ba cơ cấu:

- Các động cơ cảm ứng đáp ứng nhanh để phù hợp tải cơ của chúng trong
vài giây sau khi có sự thay đổi đột ngột của điện áp. Ngay tức thì theo sau một
sự thay đổi đột ngột trong hệ thống nguồn, các động cơ cảm ứng hoạt động như
là các tải tổng trở; điều này rõ ràng được biết ở mạch điện tương đương, xem hệ
số trượt không thể thay đổi tức thời bởi vì quán tính của động cơ. Đối với sự suy
sụp điện áp chậm, các động cơ đáp ứng nhanh theo hướng các hoạt động chậm
của các thiết bị khác, hoạt động như là các tải công suất tác dụng hằng số.
- Thay đổi đầu phân áp tự động trên các máy biến áp công suất lớn và các
bộ điều chỉnh điện áp phân phối hoạt động trên 10 giây đến vài phút để phục
hồi điện áp ở phía phụ tải và do đó phục hồi các tải nhạy áp. Tải công suất phản
kháng và đầu ra công suất phản kháng của việc bù rẽ nhánh là được phục hồi.
- Các tải điện trở năng lượng hằng số được phục hồi bởi điều khiển bằng
tay hoặc bộ ổn định nhiệt. Đối với các phụ tải liên kết điều này dẫn đến sự mất
đi tính đa dạng tải trên một giai đoạn của thời gian theo sau sự giảm điện áp.
3 kiểu tải này có thể được thấy ở một nút phụ tải phân chia công suất chính
ở hình 1 – 2.
P, Q
V
Hoạt động thay đổi đầu
phân áp điều chỉnh
điện áp phía thấp
Động cơ
cảm ứng
động

M
Các tải khác

Tải năng lượng
không đổi

Hình 1 – 2: Ba cơ cấu phục hồi tải của các phụ tải nhạy điện áp

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


8

II.2. Ổn định điện áp và bài toán dòng chảy công suất:
Bài toán dòng chảy công suất là trọng tâm của việc phân tích ổn định điện
áp. Các kỹ thuật giải quyết lưới điện tương tự là được sử dụng đối với các
chương trình trạng thái ổn định (chương trình dòng chảy công suất, chương trình
ngắn mạch) và các chương trình động. Bài toán dòng chảy công suất là được kết
hợp chặt chẽ với việc phân tích ổn định điện áp.
Bài toán dòng chảy công suất giải quyết phương trình ma trận phức hợp:

S*
YV = I = *
V

(1.1)

- Y: ma trận tổng dẫn của lưới
- V: vector điện áp nút phức hợp chưa biết
- I: vector dòng điện bơm vào nút
- S = P + jQ: vector công suất biểu kiến bơm vào nút tương ứng với tải và
sự phát đã biết tại các nút
Phương trình 1.1 là được bổ sung bằng các phương trình điều khiển trao đổi

vùng hoặc AGC, các giới hạn công suất phản kháng của máy phát, điều khiển
điện áp nút, điều khiển bộ thay đổi đầu phân áp, các kết nối HDVC, các thiết bị
bù tónh, etc. Các phương trình thỉnh thoảng được gọi là các phương trình điều
khiển.
Phương pháp Newton – Raphson và các phương pháp tách riêng nhanh là
hai hướng chính để giải quyết bài toán dòng chảy công suất.
Ma trận tổng dẫn nút: ma trận tổng dẫn nút mô hình lưới điện. Các số
hạng đường chéo Ykk là tổng của tất cả các tổng dẫn kết nối đến nút k bao gồm
các tổng dẫn đến đất. Các tải tổng trở là bao gồm trong Ykk. Các số hạng đường
chéo Ykm là tổng dẫn giữa các nút k và m.
Các kiểu nút: 3 kiểu nút cơ bản là được sử dụng:

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


9

- Nút PQ: một nút PQ là một nút tải mà ở đó tải phức hợp (tác dụng và
phản kháng) là được biết. Tải được biết này thường là hằng số, tương ứng với sự
điều chỉnh tải hoặc điện áp tải. Điện áp nút phức hợp là không biết.
- Nút PV: một nút PV là một nút máy phát mà ở đó độ lớn công suất tác
dụng và độ lớn điện áp là được biết. Thường thì độ lớn công suất tác dụng và độ
lớn điện áp là được giữ không đổi bởi các sự điều khiển máy phát. Góc điện áp
tại đầu cực máy phát không được biết. Nút này phụ thuộc vào giới hạn công suất
phản kháng và được biến đổi thành một nút PQ khi mà các giới hạn bị đạt tới.
- Nút Slack: một nút chắc chắn là được chọn làm nút chuẩn khi góc điện áp
bằng 0. Ngoài ra sự khác biệt giữa tổn thất ước tính và tổn thất tính toán chắc
chắn được quy cho một hoặc nhiều nút. Hai nhiệm vụ này thường được quy cho

một nút máy phát lớn đơn lẻ được xem như là nút chuẩn. Một nút chuẩn là một
nút vô hạn với điện áp không đổi và khả năng công suất tác dụng và công suất
phản kháng là không bị giới hạn. Cả độ lớn và góc điện áp là được biết ở nút
này.
II.2.1. Phương pháp Newton – Raphson:
Thuật toàn gần như phổ biến và đáng tin cậy để giải quyết bài toán dòng
chảy công suất là phương pháp Newton – Raphson. Từ phương trình 1.1, chúng
ta có thể viết phương trình đối với nút k (hàng k):

&I k =

n

∑ Y& km V& m

(1.2)

m =1

n

& * I& k = V
& k* ∑ Y
& km V
&m
Pk − jQ k = V

(1.3)

m =1

Hoaëc

Pk + jQ k =

n

∑ Ykm Vk Vm [cos(θ km − γ km ) + j sin(θ km − γ km )]

(1.4)

m =1

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


10

Ở đây: θ km = θ k − θ m và γ km = arctan(B km / G km )
Chúng ta chắc chắn phải phân biệt giữa công suất được biết hoặc công suất
trong danh mục và các công suất được tính toán sử dụng phương trình 1.3 và 1.4.
Sự chênh lệch là không đối xứng trở nên nhỏ khi sự hội tụ của quá trình lặp là
đạt đến. Phương trình là:

∆Pk = PkSpecified − Pk
∆Q k = Q Specified
− Qk
k

(1.5)

Phương pháp Newton – Raphson giải quyết phương trình ma trận được chia
ra:

∆θ  ∆P 
J  =  
∆V  ∆Q 

(1.6)

Ở đây ∆P và ∆Q là vector không đối xứng, ∆V là vector độ hiệu chỉnh độ
lớn điện áp chưa biết và ∆θ là vector độ hiệu chỉnh góc điện áp chưa biết. J là
ma trận Jacobian các số hạng đạo hàm từng phần được phân tích tính toán từ
phương trình 1.3. Trong phương trình 1.4, các điện áp là dưới dạng cực, điều đó
là phổ biến đối với dòng chảy công suất.
Các số hạng Jacobian: để tránh tính toán dưới dạng lượng giác, tọa độ
vuông góc là được sử dụng ngay cả khi các biến là ở dạng tọa độ cực. Các định
nghóa sau là được sử duïng:

& km = G km + jBkm
Y
& k = e k + jfk
V
a km + jb km = (e m + jfm )(G km + jB km )
= (G km e m − B km fm ) + j(Bkm e m + G km fm )

(1.7)

8 số hạng đạo hàm từng phần là cần thiết – 4 số hạng ngoài đường chéo và
4 số hạng đường chéo. Các số hạng sự hiệu chỉnh độ lớn điện áp là thay đổi nhỏ

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


11

trở thành đơn giản hơn; các số hạng bù là ở trong vector hiệu chỉnh độ lớn điện
áp. Các số hạng đạo hàm từng phần là như sau:

∂Pk
= Vk Vm (G km sin θ km − B km cos θ km ) = a km fm − b km e k
∂θ m
Vk

∂Pk
= Vk Vm (G km cos θ km + B km sin θ km ) = a km e k + b km fk
∂Vm

∂Q k
∂Pk
= − Vm
∂θ m
∂Vm

(1.8)
(1.9)

(1.10)

∂Q k ∂Pk
=
∂Vm ∂θ m

(1.11 )

∂Pk
= −Q k − B kk Vk2
∂θ k

(1.12)

Vm

Vk

∂Pk
= Pk + G kk Vk2
∂Vk

∂Q k
= Pk − G kk Vk2
∂θ k
Vk

∂Q k
= Q k − B kk Vk2
∂Vk

(1.13)
(1.14)
(1.15)

Caùc giá trị bắt đầu: trong bất kỳ phương pháp lặp nào, chúng ta trước tiên
chắc chắn phải đoán một đáp án. Một sự đoán “bắt đầu chính xác” đối với các

& k = 1 + j0 . Các giá trị điện áp phức hợp từ một lưới
điện áp chưa biết thường là V
tương tự được giải quyết trước có thể thay thế là được sử dụng (“bắt đầu trường
hợp cơ bản”). Một dòng chảy công suất một chiều có thể được sử dụng để đạt sự
ước lượng góc ban đầu. Chương trình dòng chảy công suất BPA sử dụng một vài
phép lặp dòng chảy công suất tách riêng trước các phép lặp Newton – Raphson.
Đối với các trường hợp tình trạng xấu, các giá trị bắt đầu đúng là rất cần thiết.

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


12

Thuật toán giải quyết: các bước cơ bản trong việc giải quyết dòng chảy
công suất là:
1. Các điện áp phức hợp tại các giá trị bắt đầu, biến đổi thành tọa độ
vuông.
2. Tính toán các biến akm và bkm. Tính toán các số hạng Jacobian ngoài
đường chéo sử dụng các phương trình 1.8 – 1.11.
3. Dựa vào phương trình 1.2, tổng hợp các quan hệ akm và bkm để đạt được

dòng bơm vào tại mỗi nút. Sử dụng phương trình 1.3 để đạt được công suất phản
kháng và công suất tác dụng bơm vào được tính toán.
4. Sử dụng sự bơm vào công suất ở bước 3 để tính toán các số hạng
Jacobian đường chéo sử dụng phương trình 1.12 – 1.15.
5. Sử dụng sự bơm vào công suất ở bước 3 và phương trình 1.5 để tính toán
các công suất không đối xứng.
6. Nếu tất cả các công suất không đối xứng nằm trong sai số, dừng phép
lặp và tính toán các dòng chảy đường dây, tổn thất, và số lượng đầu ra khác.
Nếu không thì đến bước 7.
7. Giải phương trình 1.6 sử dụng các phương pháp khử gaussian.
8. Cập nhật các điện áp phức hợp dựa vào:

θ 
V 
 

mới

cũ

θ 
∆θ 
=   + µ 
V
∆V 

Ở đây µ là cung cấp điều khiển kích thước bước nhảy. Thông thường bằng
1 nhưng là sẽ giảm khi dòng chảy công suất là tiến gần đến không hội tụ.
9. Biến đổi các điện áp mới dưới dạng lượng giác. Chuyển đến bước 2 đối
với phép lặp kế tiếp.

Các phương trình điều khiển có thể được bao gồm trong các phép lặp
Newton – Raphson hoặc là bắt buộc ở phía ngoài vòng lặp chính.

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


13

Phân tích độ nhạy: mỗi khi sự hội tụ đạt được. Phương trình 1.6 là một mô
hình tuyến tính của lưới xoay quanh điểm giải quyết. Các sự thay đổi (độ nhạy)
của các điện áp phức hợp đến các sự thay đổi nhỏ trong công suất phản kháng
và công suất tác dụng có thể được tính toán. Các độ nhạy là các đạo hàm tổng.
Quan hệ của ma trận Jacobian thực tế là một ma trận độ nhạy.
Phân tích độ nhạy có thể được sử dụng để thiết kế điều khiển điện áp và bù
công suất phản kháng. Gần với khả năng của một đường cong P – V hoặc Q – V,
các độ nhạy tính ra rất lớn và rồi thì đảo ngược điểm. Jacobian trở thành điểm
duy nhất tại công suất lớn nhất. Điểm này được gọi là điểm rẽ đôi.
Đối với vấn đề ổn định điện áp, phân tích độ nhạy chắc chắn là được sử
dụng cẩn thận. Mô hình tuyến tính là chỉ hợp lý với các thay đổi nhỏ.
II.2.2. Phương thức phân tích mô hình dòng chảy công suất:
Phương trình 1.6 có thể được viết lại như sau:

∆P   J Pθ
∆Q  =  J
   Qθ

J PV  ∆θ 
J QV  ∆V 

(1.16)

Ở đây Jacobian được chia tương ứng một điều kiện dòng chảy công suất
được giải quyết và bao gồm sự mô hình thiết bị được tăng cường. Bằng cách cho
∆P = 0, chúng ta có thể viết:

∆P = 0 = J Pθ ∆θ + J PV ∆V hoaëc ∆θ = − J −P1θ J PV ∆V

[

]

∆Q = J QV − J Qθ J P−1θ J PV ∆V = J R ∆V

(1.17)

Ở đây:

[

J R = J QV − J Qθ J −P1θ J PV

]

(1.18)

Ngoài ra:

∆V = J −R1∆Q

Luận văn cao học

(1.19)

HVTH:Võ Quốc Hưng


14

JR là một ma trận Jacobian suy giảm của hệ thống, JR quan hệ trực tiếp đến
độ lớn điện áp nút và sự bơm vào công suất phản kháng.
Cho λi là eigenvalue ith của JR với ξi và ηi là eigenvector cột phải và
eigenvector hàng trái tương ứng. Sự thay đổi công suất phản kháng ith là:

∆Q mi = K i ξ i

(1.20)

Ở đây:

K 2i ∑ ξ 2ij = 1

(1.21)

j

Với ξij là phần tử jth của ξi.
Sự thay đổi điện áp phương thức ith tương ứng là:

∆Vmi =

1
∆Q mi
λi

(1.22)

Độ lớn của mỗi eigenvalue λi xác định độ yếu của điện áp phương thức
tương ứng. Độ lớn của λi nhỏ hơn thì điện áp phương thức tương ứng yếu hơn.
Nếu λi = 0, điện áp phương thức ith sẽ sụp đổ bởi vì bất kỳ sự thay đổi nào trong
phương thức công suất phản kháng sẽ là nguyên nhân sự thay đổi phương thức
điện áp vô cùng.
Nếu tất cả các eigenvalue là dương, hệ thống được xem xét là ổn định điện
áp. Đây là sự khác biệt đối với các hệ thống động ở đó các eigenvalue với phần
thực âm là ổn định. Mối quan hệ giữa ổn định điện áp hệ thống và các
eigenvalue của ma trận Jacobian là được hiểu tốt nhất bởi quan hệ các
eigenvalue với độ nhạy V – Q của mỗi nút, JR có thể được chọn như là một ma
trận đối xứng và vì thế các eigenvalue của JR là tiến tới thực hoàn toàn. Nếu tất
cả các eigenvalue là dương, JR là xác định dương và độ nhạy V – Q là dương,
cho biết hệ thống là ổn định điện áp.

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


15

Hệ thống được xem xét là mất ổn định điện áp nếu ít nhất một eigenvalue

là âm. Một eigenvalue của JR bằng 0 cho biết rằng hệ thống là sắp mất ổn định
điện áp. Hơn thế nữa, eigenvalue của JR nhỏ xác định trạng thái hệ thống tiến
gần đến mất ổn định.
Hệ số tham gia của nút k đến phương thức i được xác định:

Pki = ξ ki η ik

(1.23)

Đối với tất cả các eigenvalue nhỏ, các hệ số tham gia nút xác định các
vùng tiến gần đến mất ổn định điện áp.
Thêm vào sự tham gia nút, phân tích phương thức hầu như tính toán sự tham
gia nhánh và tham gia máy phát. Tham gia nhánh cho biết các nhánh là quan
trọng trong việc ổn định phương thức đã cho. Điều này cung cấp sự hiểu biết
trong các hành động ngăn chặn khả thi khi mà các sự kiện ngẫu nhiên có thể dẫn
đến mất ổn định điện áp. Tham gia máy phát cho thấy các máy chắc chắn tiếp
tục có độ dự trữ công suất phản kháng để đảm bảo ổn định ở phương thức đã
cho.
Đối với một hệ thống thực tiễn với vài nghìn nút điều đó là không thực tế
và không cần thiết để tính toán tất cả eigenvalue. Chỉ tính toán eigenvalue nhỏ
nhất của JR là không đủ bởi vì thường có nhiều hơn một phương thức yếu kết hợp
với các phần khác của hệ thống và phương thức đó kết hợp với eigenvalue nhỏ
nhất là cách thức phiền phức khi mà hệ thống căng thẳng. Eigenvalue nhỏ nhất
m của JR là phương thức ổn định kém nhất của hệ thống. Nếu eigenvalue m lớn
nhất, phương thức quyết định m, là phương thức đủ mạnh, các phương thức này
là không tính toán có thể bỏ qua bởi vì chúng được biết là không mạnh hơn
phương thức m.

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Hưng


16

Một kỹ thuật Implicit Invers Lopsided Simultaneous Iteration là được sử
dụng để tính toán eigenvalue nhỏ nhất m của JR và các eigenvector phải và trái
kết hợp.
Tương tự như phân tích độ nhạy, phân tích phương thức chỉ hợp lý đối với
mô hình tuyến tính. Phân tích phương thức có thể được áp dụng tại các điểm dọc
đường cong P – V hoặc tại các điểm thời gian trong mô phỏng động.
II.2.3. Các phương pháp tách riêng nhanh:
Các phương pháp tách riêng cho thuận lợi về sự kết nối không chắc chắn
về mặt vật lý (trong suốt hoạt động bình thường) giữa công suất tác dụng và độ
lớn điện áp và công suất phản kháng và góc điện áp. Trong phương pháp
Newton – Raphson, điều này mang lại các giá trị nhỏ đối với các số hạng đường
chéo trong phương trình 1.16. chúng ta có thể đặt các số hạng đường chéo bằng 0
và lựa chọn giải quyết 2 bài toán con. Độ chính xác hoàn toàn là không được
đảm bảo bởi các phương trình không đối xứng (phương trình 1.3 và 1.5) có ý
nghóa cơ bản rằng các định luật Kirchoff chắc chắn là thỏa mãn. Sự hội tụ độ tin
cậy là một sự liên quan then chốt.
Các kỹ thuật tách riêng trong việc sử dụng sự dang rộng là các phương
pháp “tách riêng nhanh”. Các phương pháp này bắt đầu với sự dựa vào các công
thức Newton – Raphson. Hơn nữa sự giả định dẫn đến các giá trị không đổi đối
với các ma trận JPθ và JQV. Các ma trận không đổi có ý nghóa rằng chúng là chỉ
được tính toán một lần, và việc tìm thừa số tam giác của phép khử gaussian là
được thực hiện chỉ một lần.
Các phương trình tách riêng nhanh là:

∆P / V = B' ∆θ

∆Q / V = B'' ∆V

(1.24)

Các phép toán xấp xỉ đối với các ma trận không đổi B’ và B’’ là như sau:

Luận văn cao học

HVTH:Võ Quốc Höng