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

6/19/2013

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
• Mơn học CƠ SỞ về Hệ thống Điện.
• Giáo trình:
– Tiếng Việt: Đã có nhưng chất lượng khơng tốt.
– Tiếng Anh: Có rất nhiều:
• GT chính: Hadi Saadat, Power System Analysis 2nd Edition,
McGraw Hill 2002.
• GT bổ xung: J. D. Glover and S. Sarma Mulukutla, Power System
Analysis and Design 3rd Edition, Thompson Learning 2002.
• GT khác: John J. Grainger & William D. Stevenson, Jr., Power
System Analysis International Edition, McGraw Hill 1994.

1


6/19/2013

Về Mơn học Power System A&D
• u 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 mơn.
– 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 Tốn.
Tiếng Anh (Để đọc GT và TLTK).
Khả năng lập trình (C\C++…) ứng dụng trong
Matlab (Khơng bắt buộc).
• Phần mềm: Matlab, Microsoft Excel,
Microsoft Mathematics…
• Website: en.wikipedia.org…
•
•
•
•

2


6/19/2013

Mục tiêu của Mơn học
• Trang bị kiến thức cơ sở về Hệ thống Điện,
phục vụ cho các môn học sau.
• Cung cấp kiến thức phục vụ cơng việc phân
tích và Thiết kế Hệ thống Điện.
• Nắm được cách thức xây dựng các Chương

trình tính tốn quy mơ lớn.
• Sử dụng các phần mềm tính tốn Chun
dụng và Khơng Chun 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: RI2 @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.

3


6/19/2013

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:
• Khơng vành góp → Phát cơng suất lớn ở điện áp cao (30kV)
• Cơng 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.

4


6/19/2013

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).

5


6/19/2013

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


6/19/2013

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 tốn trào lưu cơng 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
• Cơng suất trong mạch AC.
• Cơng suất tức thời p(t) = 2 thành phần:
– Tiêu thụ năng lượng.
– Mượn và trả năng lượng từ nguồn.

• Cơng suất trung bình (thực) P và Cơng suất
phản kháng Q → Cơng suất biểu kiến S.
• Cân bằng cơng suất.
• Hiệu chỉnh Hệ số cơng suất.
• Dịng cơng suất phức.
• Mạch điện 3 pha.

7


6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Cơng suất trong mạch xoay chiều 1 pha:

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Hai thành phần của cơng suất tức thời:

– θ = θv – θi
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)

8


6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Thành phần thứ 1:
→ Cơng suất trung bình tới tải:
 Cơng 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 đơi.
 Giá trị trung bình bằng 0.
 Biên độ đập mạch – Công suất Phản kháng:

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Cơng suất Phức:
– Phasor của Điện áp và Dịng điện:
→

&→
Định nghĩa Cơng suất Phức

→ Biểu thức Công suất Phức:

9

6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Vấn đề Hiệu chỉnh PF:
 Cùng P, PF<1 → Cần S lớn hơn khi PF=1 → Dịng 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
• Dịng cơng suất phức:

10


6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Dịng cơng suất phức:
 Công suất Tác dụng và Phản kháng:

 Biểu thức tính gần đúng (R = 0): → Khơng tổn thất (Lossless)

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Mạch 3 pha đối xứng:

THỨ TỰ

THUẬN

THỨ TỰ NGHỊCH

11


6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Mạch 3 pha đối xứng:
 Cơng 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

12


6/19/2013

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Tải hình Y:

CHƯƠNG 2 – KIẾN THỨC CƠ BẢN
• Tải hình Δ:

13


6/19/2013

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
• Cơng suất 3 pha:

Chú ý: Cơng suất từng pha thì đập mạch nhưng Cơng suất cả 3 pha thì
khơng đổi và bằng 3 lần Cơng suất mỗi pha.
Cơng 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

14


6/19/2013

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Mơ hình Máy phát đồng bộ:
Từ thơng móc vịng với cuộn a:
Định luật Faraday:

với:

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
Mạch tương đương:
XS – 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 (SteadyState): sử dụng giá trị bão hòa của điện
kháng đồng bộ ứng với điện áp định mức.

Ra << XS

15


6/19/2013

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:

16


6/19/2013

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• Mơ 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:
với

 Mức độ điều chỉnh điện áp:

17


6/19/2013

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:

18


6/19/2013

CHƯƠNG 3 – MÁY PHÁT, MBA
VÀ HỆ ĐƠN VỊ TƯƠNG ĐỐI
• MBA Tự ngẫu – Autotransformer:

+ Quan hệ về Dịng:

+ 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 VB và
SB

19


6/19/2013

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 cơng 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 tốn trong máy tính.
– Các định luật về mạch điện vẫn đúng và những phương trình sẽ được
đơn giản hóa.

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Tổng quan
Mơ hình một sợi – đơn pha.
Tùy thuộc vào chiều dài đường dây: Ngắn – Trung –

Dài.
Mơ hình đường dây Dài: Hằng số Lan truyền + Tổng
trở Sóng.
Mơ hình mạch hình π.

20


6/19/2013

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mơ 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

21


6/19/2013

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY

• Tỷ lệ % điều chỉnh điện áp:

CHƯƠNG 4 – MƠ 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 mơ hình Đường
dây Ngắn để tìm: Điện áp và Cơng suất ở Nút Đầu, % Điều
chỉnh điện áp và Hiệu suất truyền tải với phụ tải:
a.
b.

381 MVA, PF = 0,8 trễ ở 220 kV.
381 MVA, PF = 0,8 sớm ở 220 kV.

22


6/19/2013

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mơ 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 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Các hằng số ABCD của mơ hình:

• Phương trình biểu diễn các đại lượng (Dịng, Áp) cuối đường

dây theo các đại lượng (Dòng, Áp) đầu đường dây:

23


6/19/2013

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Mơ hình Đường dây Dài:
– Chiều dài lớn hơn 250 km (150 miles).
– Thơng số rải (Distributed parameters).

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Điện áp và Dịng điện:

với

24


6/19/2013

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Nghiệm:
Hằng số lan truyền

• Dịng:

α – Hằng số suy giảm.
β – Hằng số pha.

với ZC – Tổng trở sóng (đặc tính)

CHƯƠNG 4 – MƠ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
• Biểu thức Dịng và Áp theo chiều dài:

25