mô hình thiết bị trong nghiên cứu ổn định hệ thống điện

Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ... 2.5 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU  AC  Hành lang tuyến lớn hơn do phải truyền tải cả ba pha  Nếu k/c nhỏ hơn 700km thì dùng AC

MỤC LỤC

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH CÁC THIẾT BỊ TRONG NGHIÊN CỨU ÔN ĐỊNH HTĐ

 Hệ đơn vị tương đối

 Đường dây tải điện

 Thông thường đối với S cb

ba pha, V cb điện áp dây

 Đối với HTĐ, gồm có 4 đại lượng S cb , V cb , Z cb , I cb

2.1 Hệ đơn vị tương đối

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

cb

cbcbcb

cbcb

I 3

V Z

; V 3

S

Một HTĐ bao gồm nhiều cấp điện áp khác nhau, nhiều đại lượng với hệ đơn vị khác nhau do đó cần có sự biến đổi các đại lượng về một cấp điện áp => dùng hệ đơn vị tương đối

) ( ) ( ) (

; ) / ( ) / (

)

(

; ) / (

) / ( ) (

; ) (

) ( )

pu

đvtđ

cb pu cb

pu

đvtđ

Z

Z Z

Z kA A I

kA A I

I

I

kV V V

kV V V V

V MVA S

MVA S

) cb ( kV S

V Z

2

cb

2cb

cb 

) (

) (

) (

vi

vi

đon X

đon X pu

X

cb



2.1 Hệ đơn vị tương đối

 Trong hệ đơn vị tương đối,

giá trị pha và 3 pha là giống

nhau, vẫn dùng các công

thức:

 Nếu công suất tải ba pha

có thể được tính theo công

pu V I V Z I

S    * ;    

cb P

* cb P )

)3(

*2

)3(

P P

S

V S

V Z

)3(cb

*cb2cb

2LL

cb

Ppu

S

S V

V Z

Z Z

2.1 Hệ đơn vị tương đối

 Thay đổi các đại lượng cơ bản

 Thông số của MPĐ, MBA được cho bởi nhà phân phối, thường cho bởi hệ đvtđ cơ bản định mức của MPĐ và MBA.

 Khi tính toán HTĐ thường chọn một đại lượng cơ bản chung, ví dụ Scb=100MVA, Do đó cần phải chọn điện áp cơ bản Thông thường chọn Vcb cho mỗi cấp là điện áp định mức của mỗi cấp

cb cu cb cu cb

S V

Z Z

V

V S

S Z

cb moi cb moi cb

S V

Z Z

Z

Z

 Các giá trị trong hệ đvtđ có giá trị nhỏ

 Các giá trị trong đvtđ của MBA, MPĐ đơn giản không cần quan tâm đến các phía cao áp, hạ áp, …

 Vẫn áp dụng các công thức tính toán thông thường

 Rất thuận lợi trong tính toán của một HTĐ phức tạp

2.1 Ví dụ các đại lượng cơ bản của MPĐ

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

ĐLưới 110kV

Tải mang tính dung : S=P-jQ

P vượt trước S một góc 



2.2 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN

2.2 Mô hình đường dây truyền tải

 Ba pha không đối xứng

 Đường dây đảo pha

 Đường dây phân pha

d

2.2 Mô hình đường dây truyền tải ngắn và trung bình

 Đường dây ngắn, U<35kV

 V1=AV2+BI2

 I1=CV2+DI2

 Trong đó:

 A=(1+ZY/2), B=Z, C=Y(1+YZ/4), D=(1+ZY/2)

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

Z=(R+jX)

Y/2Y/2

V2, I2V1, I1

V2, I2V1, I1

2.2 Mô hình đường dây truyền tải dài

x

x

(

)x()

x()

x

x

(

I z x

V V

I x z V V

dV



)xx()x()xx(

)xx()

x()xx(

V y x

I I

V x y I I

 Tương tự: dòng điện

)x()

x(2

dI z





0 V dx

V

d

)x(22

x

( A e A e

) C j g )(

L j r zy

x2x1

x2x1)

x()

x(

e A e A Z

1 I

e A e A z

y

e A e A z dx

dV z

1 I

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

 Để tìm các hệ số A 1 ,A 2 giả sử

rằng ta biết điện áp cuối

đường dây khi x=0, V (x) =V R và

2

I Z V A

R C R 2

R C R 1

)

x

(

e 2

I Z V e 2

I Z V e 2

I Z V

C ) x (

R x x C R x x ) x (

I 2

e e V 2

e e Z

1 I

I 2

e e Z V 2

e e V

 Khả năng mang tải tự nhiên ( natural load or surge impedance load - SIL )

 SIL=V o 2 /Z C (W)

 Nếu V 0 là điện áp pha=>

công thức trên là SIL pha

 Nếu V 0 là điện áp dây=>

công thức trên là SIL 3 pha

2.2 Mô hình đường dây truyền tải dài

10/16/2015

Nguyễn Đăng Toản

 Các mô hình đường dây khác

HVDC…

2.2.1 Đường dây tải điện

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

HVDC

kháng bù ngang

2.3 Mô hình phụ tải (LOADs )

10/16/2015

2 3 Mô hình phụ tải

 Đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ổn định

 Với ổn định góc thường dùng mô hình tải tĩnh ZIP - Mô hình tải tĩnh của IEEE

f k p

V p V p P P

2 1 0

3 2

2 1 0

Nguyễn Đăng Toản

2 3 Mô hình phụ tải

 Trong đó

 P, Q: là công suất tác dụng phản kháng tại một nút tải

 P 0 , Q 0 : là công suất tác dụng và phản kháng tại nút tải ở chế

độ ban đầu định mức

 p 1 , p 2 , p 3 và q 1 , q 2 , q 3 : là các thành phần diễn tả điện kháng không đổi, dòng điện không đổi và công suất không đổi với

tổng của chúng bằng 1.0 (p 1 + p 2 + p 3 =1, q 1 + q 2 + q 3 =1)

 k p f ∆f , k q f ∆f là các thành phần phụ thuộc tần số

 Trong công thức dưới

 P 0 , Q 0 là công suất tác dụng và phản kháng tại giá trị điện áp V=1.0(pu),

Quá trình quá độ (sau 5s)

Tác động của ULTC (at t=35 s)

Quá trình quá độ (sau 5s)

Tác động của ULTC (at t=35 s)

Sụp đổ điện áp (lúc t=80s)

Tác động của OEL(t=65s)

Điện áp của nút 11 Công suất phản kháng của G3

0 5 35 65 80 100(s)

 Nếu MBA lý tưởng (không

tổn thất) được biểu diễn

như khi tính toán trào lưu

(Siemens -biến đổi về pu)

 Với S 0 = P 0 +j Q 0 là tổn hao không tải của MBA

 Y mba =1/(Z mba )=1/(R mba +jX mba ) (Siemens/ pu)

 a: tỉ số biến đổi tương đối

điều chỉnh điện áp) chia cho số vòng dây định mức (của cuộn điều chỉnh điện áp)

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

2.5 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU

2.5 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU

SO SÁNH ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU

2.5 ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN MỘT CHIỀU

 AC

 Hành lang tuyến lớn hơn do phải truyền tải cả ba pha

 Nếu k/c nhỏ hơn 700km thì dùng AC

 Phụ thuộc vào độ lệch góc pha giữa hai đầu,(giới hạn truyền tải giảm khi chiều dài tăng)

 Đ/dây càng dài thì tổn thất công suất phản kháng càng lớn,

 Bù đường dây: Cần các loại như SVC, TCSC, STATCOM…

 Có dòng điện điện dung và hiệu ứng mặt ngoài

SO SÁNH ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU

 Bù đường dây: không cần

 Không có dòng điện điện dung

kháng

với đ/d siêu cao áp

SO SÁNH ĐƯỜNG DÂY TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU VÀ MỘT CHIỀU

 Tạo ra sóng hài, đòi hỏi mạch lọc

 Cần công suất phản kháng cho bộ

chỉnh/nghịch lưu và điều khiển khó khăn hơn (50% tổng P)

 Chế tạo MC một chiều khó khăn hơn

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

 Sơ đồ đơn cực, kết nối B-B, Lưỡng cực

2.6 Một số khái niệm về FACTS

 FACTS dựa trên sự phối hợp giữa thiết bị điện tử công suất và

năng truyền tải và làm cho HTĐ dễ dàng điều khiển được

một thiết bị tích hợp tinh vi - là một khái niệm mới và được đề

Research Institute -US)

 FACTS chủ yếu tập trung vào các thiết bị điện tử công suất với điện áp và dòng điện cao để nhằm mục đích

 Là tăng khả năng truyền tải và điều khiển dòng công suất ở htđ cao áp trong cả điều kiện xác lập và quá độ

 Nâng cao chất lượng điện năng ở phía phân phối (DFACTS)

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

2.6 Một số khái niệm về FACTS

 Những thực tế về việc làm cho HTĐ có thể điều khiển điện tử đã bắt đầu thay đổi cách xây dựng

và thiết kế các thiết bị của Nhà máy điện, cũng như là xây dựng các qui chế để mà qui hoạch và vận hành các đường dây truyền tải và hệ thống phân phối

 Những sự phát triển này cũng có thể ảnh hưởng đến sự thực hiện các giao dịch về năng lượng

giữa các công ty, vì từ nay chúng ta có khả năng điều khiển nhanh dòng chảy của năng lượng

 Một số FACTS trên thế giới ví dụ: USA, Sweden, Japan,

UK, Brazil, USA/Mexico, Australia, China…

 Loại dựa trên Thyristor

 Đầu phân áp của máy biến áp ( over/under load tap changer)

 Bộ điều chỉnh góc pha (phase shifter)

 Thiết bị ngang bù tĩnh (SVC_Static Var Compensator)

 Thiết bị bù dọc tĩnh (TCSC- Thyristor Controlled Series Capacitor)

 Thiết bị cản cho cộng hưởng tần số thấp

 Thiết bị bù pha công suất (IPC),

 HVDC (CSC)

 Loại dựa trên công nghệ GTO (Switched at frequency: 60/50 Hz)

 Thiết bị bù tĩnh (STATCOM)

 Thiết bị điều khiển bù dọc tĩnh (SSSC)

 Thiết bị điều khiển dòng công suất tích hợp (UPFC)

 Loại dựa trên công nghệ IGBT (Switched at higher frequencies)

 STATCOM (shunt and series connected)

 HVDC – VSC (HVDC- light, hoặc HVDC-Plus)

2.6 Một số khái niệm về FACTS

2.6 Một số khái niệm về FACTS

 Ngay từ những ngày đầu tiên, các công ty đã quan sát, thí nghiệm và chứng minh rằng, FACTS có những lợi ích sau:

 Điều khiển dòng công suất thứ tự thuận

 Điều khiển dòng công suất 3 pha

 Tối ưu hóa dòng công suất

 Giảm quá độ điện từ

 Nâng cao khả năng ổn định

 Ổn định quá độ

 Dao động công suất

 Điện áp…

 Chất lượng điện năng

 Đo lường và xác định trạng thái

 Đó là những lý do để chúng ta nâng cấp các đường dây

hiện tại với các thiết bị FACTS nhằm nâng cao khả năng

truyền tải điện năng

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

 Cực ẩn (tua bin hơi nước, …)

 Rô to dài, quay nhanh, ít cặp

cực

 Cực lồi (MPĐ thủy điện)

 Rô to ngắn, quay chậm, nhiều

Nguyên lý làm việc Rotor của MPĐ được kéo bởi động cơ sơ cấp (tuabin

thủy lực hoặc tuabin hơi, tuabin gas)

Một dòng điện DC chạy trong cuộn dây Rotor sinh ra

một từ trường quay trong MPĐ

Từ trường quay cảm ứng một điện áp 3 pha trong

cuộn dây stator của MPĐ

RotorN

fe  m

I jX R V

E

d

d q

I V

P



d

q

X

V E

d

2

X V

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

X

V cos X

V E sin I V

sin X

V E cos I V

dd

qdq

2.7.1 Chế độ xác lập của MPĐ cực ẩn

 Tuabin sẽ điều khiển: P m

 Bởi công suất cơ Pmsinh ra

bởi tuabin sẽ có ảnh hưởng

trực tiếp đến Pe

 Bộ phận tự động điều chỉnh

điện áp (Automatic Voltage

Regulator-AVR)

 Điều khiển điện áp đầu cực V

hưởng đến Eq,

 Các giới hạn

 Giới hạn dòng điện rotor: max Ikt-> max Eq, min Ikt

 Giới hạn dòng phần ứng: (stator)

-> max Ia

 Công suất của tuabin – min và max

Pm

 Giới hạn ổn định P phụ thuộc vào Eq

2.7.2 Chế độ xác lập máy phát điện cực lồi

 Sơ đồ véc tơ như hình vẽ

 P/t đặc tính công suất :

 X d ,X q là điện kháng dọc và ngang trục của MPĐ

 I a là dòng điện tải của MPĐ

 Khi biết công suất ở điều kiện ban đầu cho trước ta tính được 

V

Eq

Ia

Iq

Id

jXqIq





XdId

2 sin 2

q d

q d d

q

X X

X X V X

V

E

) sin(

cos

cos



















a d q

d d q

I X V

E

hay

I X V

E

)

       sin sin cos (cos ) cos( sin      a q a q q q I X I X I X V







sin

cos 1

a q

a q I X V

I X tg



2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

HTĐ V

 Khi xảy ra sự cố thì quá trình

quá độ điện từ làm cho sức

điện động Eq tăng lên, và làm

cho điện áp đầu cực giảm

 Hiện nay các MPĐ đều trang

bị thiết bị tự động điều chỉnh điện áp AVR nên E’ lại càng giảm chậm

 MPĐ không bị bão hòa mạch

 Nếu máy phát nối với thanh góp

vô cùng lớn

 Điện áp quá độ

 Khi một máy phát đột nhiên

bị ngắn mạch thì dòng điện trong quá trình quá độ bị giới hạn bởi giá trị X ’

d ,

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

I jX V

X'

V E'

X'

V E

2.7.3 Chế độ quá độ của MPĐ cực ẩn

 Nếu máy phát điện nối với

thanh góp vô cùng lớn qua

đường dây như hình:

 Điện áp quá độ

 Khi một máy phát đột nhiên bị ngắn mạch thì dòng điện trong quá trình quá độ bị giới hạn bởi giá trị X’

dvà điện kháng đường dây,

I( jX’d+jXL)

) jX jX

( V

X X'

V E'

Ld

số chế độ

 Dùng biến đổi sao -> tam giác

 Giá trị y10,y12, y20 được tính như sau thông qua biến đổi sao/tam giác

s12

LsLd'sd'

d'20

LsLd'sd'

L10

Z Z Z jX Z jX

Z y

Z Z Z jX Z jX

jX y

Z Z Z jX Z jX

Z y

 Đặc tính công suất

 Viết dưới dạng phương trình dòng nút ta có

 Viết dưới dạng mạng hai cửa ta có

y I

V y E y y

I

12 20

' 12 2

12

' 12 10 1

E Y Y

Y Y I

22 21

12 11 2

Y E

P

I E

Re

P

12 12

' 11 11

12

'12

'e

% 100 P

P P

max

0max

12 12

11 11 Y

 Ví dụ: Cho 1 MPĐ đồng bộ có các thông số như sau

 Xd=1,0 (pu), Xq=0,6 (pu), Xd’=0,3 (pu)

 Bỏ qua điện trở phần ứng, MPĐ được nối với thanh góp vô cùng lớn có điện áp V=100

 (tính tương tự khi nối qua đường dây có Xdây= 0,25 (pu), điện áp thanh góp

vô cùng lớn vẫn như cũ

 MPĐ mang tải P= 0,5pu với cos=0,8 chậm sau

 Xác định điện áp quá độ và phương trình đặc tính công suất trong trường hợp cực ẩn, góc ban đầu

 Gợi ý:

 Vẽ sơ đồ thay thế, Tính S,

 Dòng điện chạy trong mạch, Tính E’

 Tính P=> tính được Pmax=> tính được góc ban đầu

10/16/2015

 Sơ đồ nguyên lý:

 Sơ đồ thay thế:

 Công suất tải là:

 Dòng điện chạy trong mạch là:

5 , 0 cos

00

1

87 , 36 625 ,

00

*

*

pu V

00

00

00

'

'

68 , 7 1226 , 1 15 , 0 1125 , 1 8 , 0

* 1875 , 0 6 , 0

* 1875

,

0

1

)] 13 , 53 sin(

) 13 , 53 [cos(

1875 , 0 )

13 , 53 ( 1875

,

0

1

) 87 , 36 90 ( 1875 , 0 1 87 , 36 625 , 0

* 90 3

,

0

1

87 , 36 625 , 0

* 3 , 0 0 1

j

j I

jX

V

1

V E'

d

742 , 3 3

, 0

1 1226 , 1

0

0

68 , 7 742 , 3

5 , 0 arcsin arcsin

742 , 3 5

, 0

P P

P

ai t

e tai

m



 sin

10/16/2015

Ví dụ khi có thêm đường dây

 Sơ đồ nguyên lý:

 Sơ đồ thay thế:

 Công suất tải là:

 Dòng điện chạy trong mạch là:

66V=1,025-30 ???

) ( 87 , 36 625 , 0 87 , 36 8 , 0

5 , 0 cos

00

1

87 , 36 625 ,

00

*

*

pu V

00

00

00

'

'

84 , 12 2372 , 1 275 , 0 20625 , 1 8 , 0

* 34375 , 0 6 , 0

* 34375

,

0

1

)] 13 , 53 sin(

) 13 , 53 [cos(

34375 , 0 )

13 , 53 ( 34375

,

0

1

) 87 , 36 90 ( 34375 , 0 1 87 , 36 625 , 0

* 90 55

,

0

1

87 , 36 625 , 0

* 25 , 0 3 , 0 0 1

j

j j I

jX jX

V

1

V E'aydd

249 , 2 25

, 0 3 , 0

1 2372 , 1

0

0

84 , 12 ) 249 , 2 / 5 , 0 arcsin(

) / arcsin(

249 , 2

P P P

ai t

e tai m



 sin

Bài tập về nhà

 Ví dụ: Cho 1 MPĐ đồng bộ có các thông số như sau

 X d ’=0,3 (pu)

cùng lớn qua MBA có X mba =0,2, hai đường dây song song, mỗi đường dây có X dây = 0,3 (pu) có điện áp V=1,025-3 0

 Dòng điện chạy trong mạch, Tính E’

 Tính P=> tính được Pmax=> tính được góc ban đầu

2.7.4 Chế độ quá độ của MPĐ cực lồi

 Khi nghiên cứu ảnh hưởng

của rotor cực lồi, trong quá

trình quá độ thì điện kháng

quá độ dọc trục là X’ d và

thành phần điện kháng

vuông góc vẫn giữ là X q . Sơ

đồ véc tơ như sau:

 Từ đó ta có công suất trong quá trình quá độ

X X V sin X

V E Pe

qd'qd'2d

'q'

Ia X cos V E

I X cos V E

d'q

'

dd'q

trường hợp cực lồi

X

cos V E ) sin(

cos V X X E X

E

d

d'dd

 Đặc tính công suất của MPĐ cực ẩn và cực lồi

Dac tinh cong suat cua MPD cuc an va cuc loi

dac tinh cong suat cua MPD cuc an dac tinh cong suat cua MPD cuc loi

2.7.4 Chế độ quá độ của MPĐ cực lồi

 Nếu ko có việc điều khiển kích từ, điện áp đầu cực MPĐ sẽ thay đổi khi mà P MPĐ thay đổi tùy theo điều kiện của HTĐ.

 Điều khiển thường là phản hồi âm bởi vì khi điện áp đầu cực tăng lên, thì dòng điện kích từ sẽ giảm xuống và ngược lại

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

Kích từ

Bộ điềuChỉnhAVR

Bộ ổn Định côngsuất

Tới HệThống

regulator (AVR) lấy tín hiệu điện áp đầu cực đưa vào đầu

vào của bộ kích từ chính.

điều chỉnh theo yêu cầu của bộ kích từ chính

hoặc là khuếch đại quay

AVR

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

2.8 Hệ thống kích từ

 Có ba loại kích từ cơ bản sau đây:

 Loại này hiện nay thường ko được sản xuất nữa vì

nó có đáp ứng chậm, Độ khuếch đại nhỏ, yêu cầu việc bảo dưỡng vòng trượt, và chổi than,

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

MP kích từ

MPĐ chính

để cung cấp dòng điện kích từ cho MPĐ đồng bộ

 Một ưu điểm quan trọng là MPĐ AC có thể là loại không chổi than, không dùng vòng trượt, và ko đặt trên trục của MPĐ đồng bộ

2 Mô hình các thiết bị điện trong nghiên cứu ổn định htđ

AVR

MP kích từ

MPĐ chính

 Gồm các thiết bị điện tử công suất, hoàn toàn không có

phần quay, Nguồn cấp cho loại này là từ BU, BI, hoặc là từ đầu cực của MPĐ, ht tự dùng

 Dòng 3 pha được cung cấp đến bộ chỉnh lưu và đầu ra của

bộ chỉnh lưu DC được đưa vào rotor của MPĐ qua hệ thống vòng trượt không cần chổi than

 Đáp ứng nhanh, Có hệ khuếch đại lớn

 Không có phần quay, Vận hành và bảo dưỡng đơn giản

 Tính hệ đơn vị tương đối

 Mô hình đường dây:

 Mô hình máy biến áp:

 Mô hình tải:

82