Tính toán chế độ làm việc của hệ thống điện

Để thực hiện được các chức năng nêu trên, trước tiên chúng ta phải nhận dạng về hệ thống điện, phân tích tính toán các thông số chế độ hoạt động của nó,trên cơ sở đó áp dụng để thực hiện

- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

2 PGS TS Trần Bách Lưới điện và Hệ thống điện (Tập 1 ) Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thụât , Nà Nội , 2004

3 PGS TS Trần Bách Lưới điện và Hệ thống điện (Tập 2 ) Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thụât , Nà Nội , 2005

4 PGS TS Trần Bách Lưới điện và Hệ thống điện (Tập 3 ) Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thụât , Nà Nội , 2006

5 TS Trần Quang Khánh Mạng điện.Tính chế độ xác lập của mạng và hệ thống điện phức tạp Nhà Xuất Bản Khoa học và Kỹ thụât , Nà Nội ,

PhÇn më đầu

1 Giíi thiÖu ……….….1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA LÀO…….… 3

1.1 T×nh h×nh ph¸t triÓn hÖ thèng ®iÖn Lµo ……… …3

1.2 Giíi thiệu chung về hÖ thèng ®iÖn Viªng ch¨n……… …3

1.3 HÖ thèng ®−êng d©y truyÒn t¶i…….……….….…5

1.4 Dù ¸n ®ang x©y dùng hiÖn nay……… ….7

1.5 Dự án đang chuẩn bị xây dựng trong tương lai……… …8

1.6 Sản xuất và phân phối……… … 8

1.7 Mua, nhËp ®iÖn n¨ng……… …….9

1.8 Tæn thÊt ®iÖn n¨ng……… 9

1.9 Thống kẻ sản xuất, mua nhập, bán xuất nước ngoài và cung cấp điện năng trong nước………10

CHƯƠNG 2: LÝ THUY ẾT TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN………12

2.1 Tầm quan trọng của bài toán giải tích lưới điện……….12

2.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật tính toán hệ thống điện……… 14

2.1.2 Một số vấn đề cần quan tâm trong chế độ xác lập……… ….15

2.2 Mô hình các phần tử trong bài toán giải tích lưới điện……….16

2.2.1 Mô hình lưới điện chuẩn……… ………16

2.2.2 Mô hình đường dây tải điện……… 18

2.2.3 Mô hình máy biến áp điện lực……… 23

2.2.3.1 Máy biến áp điều chỉnh dưới tải diều chỉnh mô dun……… 24

2.2.4 Sơ đồ thay thế của các thết bị bù (kháng điện và tụ điện)………….29

2.3 Giải tích chế độ xác lập……….31

CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP

HỆ THễNG ĐIỆN………52

3.1 Phương phỏp Gauss - Seider ……….52

3.1.1 Cơ sở toỏn học ……….52

3.1.2 Áp dụng phương phỏp Gauss - Seidel cho bài toỏn giải tớch chế độ xỏc lập……… 54

3.1.3 Tốc độ hội tụ của phương phỏp Gauss - Seidel Cơ sở và kinh nghiệm cài đạt hệ số gia túc trong phộp lập……….59

3.2 Phương phỏp Newton - Raphson……… 60

3.2.1 Cơ sở toỏn học……… 60

3.2.2 Áp dụng phương phỏp Newton – Raphson cho thi toỏn giải tớch chế độ xỏc lập……… 62

3.2.3 Cơ sở lý thuyết và ỏp dụng phương phỏp tỏch biến nhanh cho bài toỏn giải tớch chế độ xỏc lập……….71

3.3 Cỏc phương trỡnh dũng điện và cụng suất trờn cỏc nhỏnh……….76

CHƯƠNG 4: SO SÁNH HAI PHƯƠNG PHÁP NEWTON - RAPHSON VÀ GAUSS – SEIDEL……… 80

4.1 So sỏnh hai phương phỏp ……… ………80

4.2 Kết luận……… ………82

CHƯƠNG 5: Sử dụng chơng trình tính toán chế độ xác lập hệ thống điện Lào ……… ……… 83

5.1 Cấu trúc chương trình tính toán chế độ xác lập……… 83

5.1.1 Số liệu đầu vào……….83

5.1.2 Tính toán và xử lý số liệu……….86

5.2 Sử dụng chương trình tính toán chế độ xác lập

hệ thống điện Lào……… 92

5.2.1 Cấu trỳc của cột hệ thống tại Viờng Chặn……… ………….92 5.2.1.1 Số liệu nhánh……….……… 93 5.2.1.2 Số liệu thông số kỹ thuật của máy biến áp

ba pha hai cuộn dây……….95 5.3 Số liệu vào chương trình……… 96 5.4 Kết quả tính chế độ xác lập của hệ thống điện Lào………… ………… 98 Các kết quả đạt đợc của luận văn ……… 102

Phần mở đầu

1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền kinh tế Lào,

vấn đề phát triển hệ thống điện cũng được phát triển nhanh chóng Các nguồn

điện, đường dây tải điện, trạm biến áp được phát triển và xây dựng nhiều hơn,

các thiết bị cũ, lạc hậu trong hệ thống điện dần dần được thay thế bởi các

thiết bị hiện đại có khả năng tự động, thích nghi cao Đặc biệt công tác vận

hành, điều khiển, hiệu chỉnh các thiết bị bảo vệ càng được quan tâm hơn

Để thực hiện được các chức năng nêu trên, trước tiên chúng ta phải nhận

dạng về hệ thống điện, phân tích tính toán các thông số chế độ hoạt động của

nó,trên cơ sở đó áp dụng để thực hiện các bài toán khác như: Nghiên cứu Quy

hoạch, thiết kế, vận hành hệ thống điện, tối ưu hoá chế độ làm việc, tính toán

ổn định và nghiên cứu các sự cố

Luận văn: “ Nghiên cứu bài toán tính toán chế độ xác lập của hệ thống

điện” là một trong những nghiên cứu cơ sở để nghiên cứu các bài toán khác

về hệ thống điện

1- Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nghiên cứu các phương pháp lặp để giải hệ phương trình phi tuyến

mô tả chế độ của hệ thống điện

- Tìm hiểu cách sử dụng chương trình tính toán chế độ xác lập bằng

ngôn ngữ lập trình Delphi để tính toán chế độ xác lập hệ thống điện

của Lào

2- Tóm tắt nội dung của luận văn

Nội dung chính của luận văn bao gồm các phần như sau:

Chơng1: Tổng quan về hệ thống điện của Lào, giới thiệu đôi nét về sự

phát triển hệ thống điện Lào

Chơng 2: Lý thuyết tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện

Chơng 3: Các phương pháp giải tích chế độ xác lập của hệ thống điện

Chơng 4: So sánh hai phương pháp Newton-Raphson và Gauss-Seidel

tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện

Chơng 5: Sử dụng chương trình tính chế độ xác lập hệ thống điện Lào

Kết luận

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hệ thống điện của Lào

1.1 Tình hình phát triển hệ thống điện Lào

Điện năng ngày càng được sử dụng rộng rãi và đóng vài trò rất quan

trọng trong mọi lĩnh vực đời sống, kinh tế, xã hội của Lào

Đất nước Lào có nhiều núi cao và hệ thống sông ngòi, đó là điều kiện

tốt, tiềm năng rất lớn, thích hợp cho việc phát triển, xây dựng các nhà máy thủy

điện trên toàn đất nước Nhận thức được điều đó, Đảng, nhà nước Lào có kể

hoạch khảo sát và xây dựng nhiều nhà máy thủy điện từ miền Bắc đến miền

Nam để cung cấp điện năng cho phụ tải tiêu thụ đang tăng trưởng và một phần

để xuất khẩu

Cùng với sự phát triển nguồn điện, lưới điện cũng được phát triển và mở

rộng mạnh mẽ về cấp điện áp vận hành, cũng như bán kính cung cấp điện

Hiện nay công ty điện lực Lào có quy hoạch phát triển và mở rộng mạng lưới

điện để cung cấp điện năng cho nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước Hệ

thống truyền tải điện cao áp ở Lào đã vận hành ở cấp điện áp 115 kV có tổng

chiều dài 1.610 km Điện năng được sản xuất từ các nhà máy thuỷ điện Nam

Ngum , Nam Leuk , Nam Mang nhờ hệ thống truyền tải cung cấp điện năng

cho các phụ tải ở một số tỉnh miền Bắc, miền Nam, thành phố Viêng Chăn và

xuất khẩu sang Thai Lan Trong tương lai không xa sẽ có dự án xây dựng

đường dây truyền tải nối với đường dây truyền tải của các nước Asean

Phần cơ bản,xương sống hệ thống điện Lào, đó là hệ thống điện Vien Chan

1.2 Giới thiệu chung về hệ thống điện Viêng Chăn

Lào có biên giới giáp với các nước Việt Nam, Trung Quốc, Miên Ma,

Thái Lan và Cam Pu Chia Trong đó, phía đông giáp Việt Nam với chiều dài

khoảng 2.069 km, phía bắc giáp Trung quốc với chiều dài khoảng 505 km, phía

tây bắc giáp Miên Ma có chiều dài khoảng 236 km, phía tây giáp Thai Lan có

chiều dài khoảng 1.835 km, phía nam giáp Cam Pu Chia có chiều dài khoảng

492 km Đất nước Lào có diện tích 236.800 km2 , có dân số khoảng 6.521.998

người và bảo gồm 17 tỉnh

Hệ thống điện Lào đã được thành lập từ năm 1959, thời kỳ đó chỉ có một

nhà máy điện nhỏ, có sản lượng nhỏ chỉ đủ cung cấp cho quân đội Pháp và một

số phụ tải trung tâm Viêng Chăn Trong thời kỹ 1966 đến 1971 hệ thống điện

Lào đã được mở rộng khi hoàn thành dự án xây dựng nhà máy thuỷ điện Nam

Ngum 1 có công suất 30 MW và xây dựng nhà máy điện chạy dầu có công suất

10 MW

Năm 1975 ở miền Bắc đã xây dựng nhà máy thủy điện nhỏ Nam Đông

(tỉnh Luang Pra Bang) có công suất phát là 0,9 MW, ở miền Nam đã xây dựng

nhà máy thủy điện Sê La Băm (tỉnh Chăm Pa Sắc) có công suất phát là

2,04MW, cả nước có công suất phát là 42 MW Sản lượng điện toàn quốc đạt

241 triệu kWh/năm, cung cấp cho 19.000 hộ gia đình

Giai đoạn 1976-1979 đã mở rộng nhà máy thủy điện Nam Ngum từ 30

MW đến 110 MW, cả nước có công suất phát là 122 MW đạt sản lượng 898

triệu kWh/năm, cung cấp điện năng cho 25.000 hộ gia đình và xuất sang Thái

Lan tăng 4 lần so với năm 1975

Giai đoạn 1983-1990 mở rộng công suất phát của nhà máy thủy điện

Nam Ngum từ 110MW đến 150 MW, cả nước có công suất phát 162 MW, đạt

sản lượng 900 triệu kWh/năm có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng của đất

nước và xuất khẩu

Giai đoạn 1991-1999 là thời kỳ hệ thống điện của Lào phát triển khá

nhanh, nhiều nhà máy thủy điện đã được xây dung: nhà máy thủy điện Xê Xết

1(xây dựng xong năm 1991), có công suất 45 MW; nhà máy thủy điện Thân

Hịn Bun (xây dựng xong năm 1998), có công suất 210 MW; nhà máy thủy

điện Huổi Hỏ (xây dựng xong năm 1999), có công suất 150 MW, tăng công

suất phát toàn quốc từ 162MW lên đến 570 MW

Trong giai đoạn này dự án tăng công suất phát của nhà máy thủy điện Sê

la băm đã tăng công suất phát từ 2,04MW đến 5MW (xong năm 1994) Song

song với sự phát triển nguồn, mạng lưới truyền tải cũng được mở rộng: Dự án

xây dựng đường dây 115 kV từ nhà máy thủy điện Nam Ngum đến tỉnh Luang

Pra Bang hoàn thành năm 1993, dự án xây dựng lưới điện (Southern Project

Electrification) của miền Nam (năm 1993) và dự án xây dựng lưới điện (Power

Grid Install) năm 1998 Sản lượng điện toàn quốc đạt 1.200 triệu kWh/năm,

cung cấp cho 225.882 hộ gia đình, gấp 11,8 lần so với năm 1975

Giai đoạn 2000-2007 hoàn thành việc xây dựng 2 nhà máy thủy điện

trong tỉnh Viêng Chăn: Nhà máy thủy điện Nam Leuk (xây dựng xong năm

2000), có công suất phát 60 MW, nhà máy thủy điện Nam Mang 3 (xây dựng

xong năm 2005), có công suất phát 40 MW

Năm 2004 đã thực hiện dự án mở rộng nhà mày thủy điện Nam Ngum

từ 150MW lên 170MW Cũng thời gian này, thực hiện giai đoạn 1: mở rộng

lưới điện hệ thống điện miền Bắc, hệ thống điện miền Nam Đặc biết đã thực

hiện dự án xây dựng đường dây 115 kV từ thành phố Tha Khach (tỉnh Kham

Muom) đến mỏ vàng Se Pon, nâng sản lượng điện cung cấp cho toàn quốc gia

lên 1.400 triệu kWh/năm, cung cấp cho 408.206 hộ gia đình, gấp 21,4 lần so

với năm 1975

1.3 Hệ thống đường dây truyền tải

Điện năng dưới sự quản lý của chính phủ Để đóng góp vào sự phát triển

kinh tế xã hội đảm bảo mức độ tăng trưởng 11%, Công ty điện lực Lào đã phát

triển đường đây cao áp 115kV có tổng chiều dài 1.610 km (năm 2006 chỉ có

1.168 km), tăng khoảng 442 km; lưới trung áp 22 kV bao gồm 9.800 km tăng

795 km và lưới hạ áp 0.4 kV gồm: 8.855 km, tăng 537 km

1 Có thể thấy sự mở rộng các đường dây 115 kV ở các địa phương từ

năm 2006 đến năm 2007 qua bảng tổng kết sau:

(km)

Năm 2007 (km)

Na Xay Thong-Phone Tong Phone Tong-Tha Na Leng

Na Xay Thong-Tha Ngon Nam Mang-Kok Sa Ad Kok Sa Ad-Tha Na Leng Nam Leuk-Nam Ngum

Hệ thông điện miền bắc Thalat-Non Hai

Thalat-Vang Vieng Xieng Ngeu-Sayabury Vang Vieng-Luang Pra Bang Nam Leuk-Phone Savan

Hệ thông điện miền nam Nam Leuk- Pak San Tha Kek-Nakonpanom Pak Bo-Keng Kok

Se Xet-Song Mek Pak Se-Khon Pa Peng

L−íi h¹ ¸p N¨m 2006 N¨m 2007 (km) (km)

742 1,233

752 1,385 1,491

851 1,308

641 1,194

598

846 1,226

670 1,348

1.4 Dù ¸n ®ang x©y dùng hiÖn nay:

HiÖn nµy ®ang x©y dựng lưới điện 0,4kV, 22kV vµ ®−êng d©y 115kV:

* ë miền Bắc (6tØnh) giai ®o¹n 2 (Northern Area Rural Power Distribution 2):

- X©y dùng ®−êng d©y 115 kV cã chiÒu dµi 272 km

- X©y dùng l−íi ®iÖn 22 kV cã chiÒu dµi 915 km

- Xây dựng lưới điện 0.4 kV có chiều dài 439 km

* ở miền Nam (7tỉnh), đang xây dựng lưới điện 0.4kV, 22kV,115kV giai đoạn

2 (Rural Electrification Project 2):

- Xây dựng đường dây 115 kV có chiều dài 300 km

- Xây dựng lưới điện 22 kV có chiều dài 1.447 km

- Xây dựng lưới điện 0.4 kV có chiều dài 1.059 km

1.5 Dự án đang chuẩn bị xây dựng trong tương lai:

Dự án đang nghiên cứu xây dựng lưới điện 500kV để nối với các Nước

trong khu vực như : Việt Nam, Thái Lan và các nước Asean

1.6 Sản xuất và phân phối :

1.6.1 Sản xuất:

Trong năm 2007 sản lượng điện năng: 1.715 triệu kWh

1.6.2 Việc phân phối điện năng

Xuất khấu sang Thái Lan 704 triệu kWh

Trong nước 1.011 triệu kWh, được biểu diễn trong bảng sau:

Các loại khách hàng Số lượng Sử dụng (triệu kWh) Tiền (triệu Kip)

1.7 Mua, nhập điện năng

Mặc dù Công ty điện lực Lào đã sản suất điện năng để đáp ứng cho các phụ

tải, tuy nhiên để cung cấp cho các tỉnh giáp biên giới (với sản lượng 1.715 triệu

kWh trong năm 2007), Công ty điện lực vẫn nhập điện năng từ các nước Việt

Nam, Thái Lan

1.8 Tổn thất điện năng

Trong những năm qua, tổn thất điện năng cả nước vẫn còn cao và tăng

thêm hàng năm Vấn đề này đã trở thành cấp bách, Công ty điện lực Lào cần

phải nghiên cứu, giải quyệt Tổn thất năng lượng có 2 mặt kỹ thuật và không

kỹ thuật

Trong quá trình thực hiện giải pháp giảm tổn thất năng lượng, một số chi

nhánh tỉnh, đặc biệt ở 6 tỉnh miền Bắc có khả năng giảm được(ví dụ: Xiêng

Khoang tổn thất năng lượng còn 6,2%.Còn ở chi nhánh một số tỉnh miền Nam

tổn thất năng lượng tương đối cao (Chăm Pa Sắc: 26,64%)

Tỷ lệ tổn thất năng lượng so với sự cung cấp

21.30 12.55 13.45 10.92 9.91 6.20 10.27 12.59 18.61 21.46 15.19

Salavan

Champasak

21.34 23.57

15.19 26.64

1.9 Thèng kÎ s¶n xuÊt, mua nhËp , t¸i xuÊt n−íc ngoµi vµ cung cÊp ®iÖn

n¨ng trong n−íc

1 B¶ng thèng kÎ s¶n xuÊt, mua nhËp, t¸i xuÊt n−íc ngoµi vµ cung cÊp

®iªn m¨ng trong n−íc cña C«ng ty ®iÖn lùc Lµo

n−íc ngoµi

Cung cÊp trong n−íc

ChØ sè t¨ng tr−ëng (%)

155,289,801 156,617,600 176,722,000 222,510,033 787,968,903 766,405,400 708,703,800 749,762,200 694,416,900 709,716,277 716,277,200 683,588,000 387,250,600 363,607,900 490,542,990 595,192,720 562,586,811 459,818,078 595,786,249

60,662,478 63,567,000 68,071,731 76,385,944 85,715,646 96,184,868 105,118,000 107,373,000 124,008,965 127,466,238 130,385,347 128,151,280 125,533,604 139,100,930 149,196,361 164,576,091 220,666,369 252,737,409 264,788,396

Cung cÊp trong n−íc

4.57 6.62 10.88 10.88 10.88 8.50 2.10 13.42 2.71 2.24 -1.74 -2.09 9.75 6.77 9.35 25.42 12.69 4.55

829,250,624 675,546,863 792,430,900 710,211,695 405,197,069 598,140,993 862,938,275 796,379,635 771,434,261 434,656,874 507,054,590 520,460,000

303,405,519 337,472,311 379,541,423 433,860,457 513,272,507 565,546,838 639,858,582 710,330,142 766,738,823 883,722,502 902,762,784 1,025,820,000

12.73 10.09 11.08 12.52 15.47 9.24 11.61 9.92 7.36 13.24 2.11 12.00

* Kết luận:

- Với sự phát triển nguồn điện và mở rộng nhanh chóng lưới điện Hệ

thống điện Lào càng ngày càng trở thành hệ thống điện lớn, phức tạp

hơn

- Để có thể thiết kế, vận hành đảm bảo kỹ thuật, kinh tế cũng như giải

quyết tốt vấn đề giảm tổn thất điện năng trong hệ thống điện cần phải

nghiên cứu tốt phương pháp mô hình hoá và tính toán chế độ xác lập

hệ thống điện

CHƯƠNG 2:

Lý thuyết tính toán chế độ xác lập hệ thống điện

2.1 Tầm quan trọng của bài toán giải tích lưới điện

Trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, nhu cầu điện

năng ngày càng cao dẫn đến hệ thống điện ngày càng phát triển và mở rộng

Các phần tử được đưa vào hệ thống ngày càng tăng về cả chất lượng và số

lượng Do đó có nhiều bái toán cần được nghiên cứu trong hệ thống điện

Trước hết phải kể đến bài toán giải tích lưới điện, đó là bài toán xác định các

thông số chế độ của lưới điện và cũng là bài toán cơ sở để nghiên cứu các bài

toán khác như: bài toán quy hoạch, thiết kế, vận hành, tính toán kiểm tra lựa

chọn trang thiết bị và tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống điện

Trong quy hoạch phát triển hệ thống điện cần giải quyết nhiều bài toán

tối ưu về lựa chọn các thành phần và công suất của các loại nguồn điện, phạm

vi cung cấp điện tập trung và phân tán, phát triển lưới điện truyền tải và phân

phối gắn với quy hoạch nguồn điện, các vấn đề liên quan đến khai thác hệ

thống, đánh giá độ tin cậy của hệ thống Để thực hiện điều này, trước hết

chúng ta phải giải bài toán tính chế độ xác lập của hệ thống điện để xác định

được lưu lượng công suất, điện áp các nút, điểm nối các đường dây,vị trí đặt

trạm biến áp cần được xây dựng để cung cấp cho phụ tải đảm bảo độ tin cậy

làm việc của hệ thống

Trong công tác vận hành, bài toán tính toán chế độ của hệ thống điện có

vai trò hết sức quan trọng Diễn biến xảy ra trong hệ thống điện rất phức tạp,

nó thay đổi liên tục phụ thuộc vào diễn biến của phụ tải và các chế độ của hệ

thống Do đó, tại các trung tâm điều khiển hệ thống điện, công việc tính toán

phân tích các thông số chế độ của hệ thống điện được thực hiện thường xuyên

để lập phương thức vận hành cho từng thời điểm Chẳng hạn như tại thời điểm

cao điểm, cần phải tính các thông số điện áp tại các nút, dòng điện trong các

nhánh để xác định được lưu lượng công suất, từ đó có thể biết được công suất

phát của các nguồn điện, đường dây nào quá tải, điện áp các nút có đảm bảo

không…từ các số liệu thông tin đó người vận hành có thể lập ra phương thức

vận hành hợp lý cho hệ thống điện tương ứng với chế độ đó

Trong thiết kế lựa chọn các trang thiết bị điện, việc tính toán chế độ của

hệ thống điện cũng được thực hiện trước tiên Khi đánh giá, lựa chọn phương

án thiết kế, việc tính toán, phân tích các chế độ, tính tổn thất công suất, tổn thất

điện áp của lưới điện góp phần tích cực váo việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế

của hệ thống và từ đó đưa ra được phương án tối ưu nhất Đồng thời, khi lựa

chọn các phần tử của hệ thống, kết quả của việc tính toán các chế độ như xác

định dòng điện làm việc tính toán và dòng điện làm việc cưỡng bức chạy qua

các phần tử cho ta thực hiện các điều kiện lựa chọn các phần tử, các khí cụ điện

của hệ thống điện để đảm bảo cho hệ thống điện làm việc tin cậy và kinh tế

Nghiên cứu ổn định của hệ thống điện, thực chất là giải các bài toán về

phân tích, điều khiển các quá trình quá độ mà các thông số chế độ như: dòng

điện, điện áp, công suất, tốc độ quay của rô to của các máy phát điện thay đổi

theo thời gian Tuy nhiên, bài toán sẽ hoàn toàn vô nghĩa và không thể giải

được nếu không biết được thông tin của chế độ xác lập ban đầu Khái niệm ổn

định tĩnh phải gắn liền với chế độ xác lập cụ thể Còn ổn định động thực chất là

nghiên cứu khả năng dịch chuyển an toàn từ chế độ xác lập này này sang chế

độ xác lập khác Từ đó có thể thấy rõ vai trò quan trọng của tính toán chế độ

xác lập trong các bài toán nghiên cứu ổn định hệ thống điện Việc xác định

thông số của chế độ xác lập ban đầu cũng chính là tính toán điểm xuất phát của

quá trình quá độ Ngoài ra, trong những điều kiện gần đúng cho phép, ở mỗi

thời điểm, chế độ quá độ hệ thống có thể tính toán như ché độ xcá lập xấp xỉ

Khi đó việc áp dụng các phương pháp tính toán các đặc trưng công suet, phân

bố dòng, áp trong chế độ xác lập vẫn có ý nghĩa trong chế độ quá độ

Như vây, cách thiêt lập mô hình lưới điện và tính toán chế độ xác lập là

bài toán rất cần thiết được quan tâm trước khi đi sâu vào nghiên cứu các bài

toán ổn định của hệ thống điện

Tóm lại, bài toán phân tích tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện

rất quan trọng, nó là cơ sở, tiền đề cho việc nghiên cứu các bài toán khác của

hệ thống điện Do đó cần phải hiểu rõ, nắm bắt được các phương pháp, những

thuật toán áp dụng để giải bài toán tính chế độ xác lập của hệ thống điện Đặc

biệt, hiện nay với sự phát triển mạnh của công nghệ máy tính, cho phép chúng

ta thực hiện trên máy tính các bài toán tính toán chế độ đối với các hệ thống có

kích thước lớn, với độ chính xác cao

2.1.1 Giới thiệu chung về kỹ thuật tính toán hệ thống điện

Qúa trình đang hoạt động của hệ thống điện chính là một trong các chế độ

làm việc của hệ thống điện, chế độ làm việc của hệ thống điện bao gồm chế dộ

xác lập và chế độ qúa độ Trong các chế độ xác lập và chế độ qúa độ người ta

lại phân ra nhiều loại chế độ như:

Vấn đề đặt ra là cần phải tính toán phân tích các chế độ để hệ thống làm

việc một cách tin cậy Qúa trình phát triển của bản thân hệ thống điện như:

việc sử dụng các công nghệ mới, thiết bị mới làm gia tăng không ngừng độ

phức tạp của hệ thống điện gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật tính toán,

công cụ tính toán, giám sát hiện đại nhất Đố là vì mục đính hàng đầu của tính

toán phân tích hệ thống là để phục vụ cho việc kiểm soát điều chỉnh, điều

khiển qúa trình làm việc của nó, cũng vì hệ thống điện là một hệ thống điện

phức tạp, có quá trình diễn biến nhanh và vai trò kinh tế cực kì to lớn

Trong giai đoạn phát triển hiện nay, tính toán phân tích hệ thống điện ngày

càng chú trọng đến các áp dụng thời thực, tức là theo kịp các diễn biến thực

trong vận hành hệ thống Cơ sở cho tính khả thi của việc triển khai các áp dụng

này là sự xuất hiện của hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dũ liệu

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) Như tên gọi của nó, hệ

thống này đảm bảo việc thu thập và xữ lý dữ liệu thời thực từ hệ thống đo

lường từ xa RTU (Remote Terminal Units), phục vục cho khâu tính toán phân

tích và lấy quyết định điều khiển Sau đó cũng chịu trách nhiện thi hành tự

động có giám sát các điều khiển này trên hệ thống công nghiệp SCADA có vai

trò khác nhau trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau trong đó có hệ thống

điện, và dễ thấy rắng sự phát triển của nó gắn liền vối sự phát triển của công

nghệ thông tin, máy tính điện tử, viễn thông

Trước các vấn đề trên thì việc nghiên cứu các kỹ thuật tính toán phân tích

hệ thống điện và lập các chương trính tính toán chế độ hệ thống điện là cần

thiết

2.1.2 Một số vấn đề cần quan tâm trong chế độ xác lập.

Tập hợp các quá trình điện xảy ra trong một thời điểm hoặc một khoảng

thời gian vận hành gọi là chế độ của hệ thống điện.Đặc trưng của chế độ hệ

thống điện là các thông số chế độ của hệ thống điện như: U, I, φ, P, Q, f…

Các thông số này luôn biến đổi theo thời gian, là hàm số của thời gian Để biết

được một chế độ làm việc của một hệ thống điện ta cần phải tính toán các

thông số chế độ của hệ thống điện đó, các thông số chế độ có quan hệ qua lại

với nhau thông qua các thông số hệ thống (r, x, b…), những quan hệ này có thể

là tuyến tính hoặc phi tuyến

Với hệ thống điện làm việc ở chế độ xác lập thì vấn đề cần quan tâm là:

+ Chất lượng điện năng (Có đặc trưng bởi điện áp và tần sô)

+ Độ tin cậy cung cấp điện

+ Hiệu qủa kinh tế

+ An toàn cho người và thiết bị

Để đảm bảo các yêu cầu trên ta phải cân bằng công suất giữa nguồn và phụ

tải, điều chỉnh tần số và điện áp, tính toán ổn định tĩnh, ổn định động cho hệ

thống điện nghĩa là trước hết ta phải giải tích chế độ xác lập của lưới điện

2.2 Mô hình các phần tử trong bài toán giải tích lưới điện

2.2.1 Mô hình lưới điện chuẩn

Lưới điện thực tế bao gồm nhiều cấp điện áp và có cấu trúc phúc tạp

(Hình tia, mạch vòng) được cung cấp từ nhiều nguồn khác nhau tỉ số biến áp

của các máy biến áp có thể nhận các giá trị tùy ý (theo đầu phân áp vận hành),

khi đó, về nguyên tắc không thể qui đổi mạch điện về một cấp điện áp, bởi

giữa hai phần mạng diện cấp điện áp khác nhau không tồn tại một cấp điện áp

duy nhất Để thiết lập hệ phương trình mô tả trạng thái của lưới điện người ta

áp dụng khái niệm nhánh và sơ đồ tính toán gồm các nhánh chuẩn gọi là lưới

chuẩn Nhánh chuẩn được định nghĩa là nhánh nối giữa hai nút i và j như hình

vẽ:

Mỗi nhánh chuẩn bao gồm một tổng trở Zij nối tiếp với một máy biến áp

lý tưởng (máy biến áp này không có tổn hao ) có hệ số biến áp phức là Kij Về

modul có trị số Kij, hệ số biến áp bằng tỷ số giữa càc vòng dây của máy biến áp

thực (và phụ thuộc đầu phân áp lựa chọn lúc vận hành), khi nối trong mạchsẽ

bằng tỷ số modul điện áp hai phía Kij=U’i/Ui Còn pha phụ thuộc vào tổ đấu

dây của máy biến áp

Khi đó sơ đồ tính toán có thể coi như bao gồm toàn các nhánh chuẩn

(lưới chuẩn ) Các nhánh bình thường (đường dây truyền tải ) tương ứng với các

nhánh chuẩn có tỷ số biến điện áp bằng một

Ngoài ra tai các nút của sơ đồ còn có nguồn (biểu diễn bằng dòng điện

bên trong J hoặc điện áp đầu cực U) Trên hình vẽ sau, thể hiện một phần của

lưới chuẩn cho mạng điện phức tạp:

Nhận xét: Vị trí tương đối của máy biến áp lý tưởng và tổng trở Z Phân

biệt ra hai hướng khác nhau của mỗi nhánh

Xét một nhánh chuẩn, gọi nút đầu của nhánh là i và nút cuối của nhánh

là j thì ta có hai trường hợp sau:

j

J k

J i

k i

J l l j J

a) Máy biến áp lý tưởng nối trực tiếp với nút đầu i

Sự khác nhau chủ yếu trên sơ đồ với mạch thông thường là sự có mặt của

máy biến áp lý tưởng trong mọi nhánh Hệ số biến áp là một thông số nhánh

nên có thể nhận giá tị bất kỳ Do đó số cấp điện áp của sơ đồ là không hạn chế,

trong khi đối với mỗi máy biến áp có thể xét chính xác hệ số biến áp cả về

modul và góc pha Kij = Kij ejγ

2.2.2 Mô hình đường dây tải điện

Với bất kỳ một mạng lưới điện nào cũng đều phải có phần tử đường dây,

nên phải xác định các tham số của nó và các sơ đồ thay thể phục vụ cho quá

trình tính toán Có rất nhiều loại đường dây được phân cấp theo cấu trúc của

mạng, ở đây ta chỉ xét đến đường dây cung cấp và truyền tải điện

Các thông số điện trở tác dụng (R), cảm kháng (X), điện dẫn tác dụng

(G) và điện dẫn phản kháng (B) phân bố theo chiều dài đường dây (L)

Tính toán chính xác mức độ ảnh hưởng của chúng khá phức tạp và chỉ

cần thiết khi tính chế độ làm việc của đừơng dây siêu cao áp

Đối với các đường dây truyền tải 110 kV và lớn hơn có chiều dài nhỏ

hơn 250 ữ 300 km thường không xét đến sự phân bố đều của các thông số,

đồng thời có thể sử dụng các thông số tập trung là điện trở tác dụng (R), cảm

kháng (X), điện dẫn tác dụng (G) và điện dẫn phản kháng (B) của đường dây

trong tính toán chế độ xác lập của mạng điện

Các đường dây truyền tải 110kV và lớn hơn thường dược biển diễn bằng

sơ đồ thay thế hình Π

Sơ đồ thay thế hình Π của đường dây

Trong đó tổng trở Z= R + jX đặt tập trung ở giữa, còn tổng dẫn ngang

Yc = G + jB được chia thành hai phần bằng nhau và đặt ở hai đầu đường dây

B A

ℓ

A

R

B/2G/2

BX

Đối với các đường dây trên không điện áp 110 ữ 220kV thường không

xét đến điện tác dụng (G) do đó sơ đồ thay thể của đường dây có dạng như

hình vẽ sau:

T

Trong tính toán, thiết kế và lựa chọn dây dẫn ta phải chú ý đến tổn thất vầng

quang điện

Vầng quang phụ thuộc vào ba yếu tố là điện áp đường dây(Uđd), đường

kính dây dẫn và điều kiện khí quyển Vầng quang chỉ xuất hiện trên các đường

dây điện áp 110kV trở lên, khi cương độ điện trường bề mặt dây dẫn đạt

20kV/cm, trên các đường dây 330kV và cao hơn tổn thất vầng quang có thể đại

tới hằng chục kilôwat trên kilômêt Trong thực tế, khi thiết kế đường dây để

hạn chế vầng quang điện người ta qui về điều kiện tối thiểu của tiết diện theo

cấp điện áp của mạng điện

Ví dụ: đối với mạng điện áp 110kV tiết diện tối thiểu là 70mm2 và mạng

điện áp 220kV tiết diện tối thiểu là 240mm2

Trong thực tế, chỉ xét đến vầng quang điện đối với đường dây trên không

Đối với các mạng điện địa phương điện áp từ 35 kV trở xuống do điện

dung (C) của đường dây với đất nhỏ nên trong sơ đồ thường bỏ qua luôn điện

dẫn phản kháng (B) như hình vẽ sau:

Để phân tích chế độ xác lập của các đường dây điện áp siêu cao (Uđd ≥

330kV) có chiều dài lớn hơn 250 ữ 300km cũng có thể dùng sơ đồ thay thể

hình Π, song trong khi xác định các tham số của sơ đồ thay thể hình Π cần

phải xét đến sự phân bố của điện trở tác dụng (R), cảm kháng(X), điện dẫn tác

dụng (G) và phản kháng (B) dọc theo chiều dài của đường dây

Nếu xét đường dây dài như một mạng 4 cực, chúng ta có thể viết các

quan hệ dòng và áp như sau:

I1 = C.U2 +D.I2 I2 = A.U1 - C.I1

Trong đó A, B, C, D là các thông số của mạng 4 cực Đối với mạng 4

cực đối xứng thì: A=D và A.D - B.C =1 Các thông số A, B, C và D được xác

đường dây

Zo =ro + j xo là tổng trở dọc tính trên một đơn vị dài đường dây

Yo = go + j bo là tổng dẫn ngang tính trên một đơn vị dài đường dây thay

Thay thế bằng sơ đồ tạp trung hình Π có ưu điểm là thông số phần tử ít

mà đảm bảo được độ chính xác chấp chấp nhận được Tuy nhiên, nhược điểm

là không theo dõi được sự phân bố của hệ thông chế độ dọc theo chiều dài

đường dây Để đơn giản cho việc tính toán ta chia đường dây ra làm nhiều đoạn

.Trên mỗi đoạn ta thay bằng sơ đồ tham số tập trung hình Π

Ta xem đường dây dài như một mạng 4 cực hợp nhất gồm n phần tử

mạng 4 cực hình Π

Fi =

Thì ma trân các thông số của mạng 4 cực hợp nhất được xác định như sau:

F = Π F1=

2.2.3 Mô hình máy biến áp điện lực

+ Máy biến áp hai cuộn dây

Trong hệ thống điện thường dùng máy biến áp điều áp dưới tải để điều

chỉnh áp Có hai loại máy biến áp điều áp dưới tải được áp dụng:

+ Máy biến áp điều chỉnh dọc dùng để điều chỉnh công suất phản kháng

tức là mức điện áp trên lưới, hệ số biến áp là số thực

+ Máy biến áp điều chỉnh góc pha dùng để điều chỉnh công suất tác

dụng trong hệ thống điện và có hệ số biến áp là số phức

2.2.3.1 Máy biến áp điều chỉnh dưới tải, điều chỉnh mô đun

Khi tính toán nhánh máy biến áp này được thay thế bởi một mày biến áp

lý tưởng (không có tổn thất) có hệ số biến đổi t mắc nối tiếp với một tổng dẫn

Y như hình vẽ

Y được tính về phía cao thế của máy biến áp (giả thiết rằng đầu phân áp

đặt ở phía cao, vì trong thực tế ở phía cao dòng nhỏ hơn tuận tiện cho việc tạo

Vì máy biến áp lý tưởng không có tổn thất nên công suất máy biến áp lý

tưởng từ nút i: Si đúng bằng -Sj công suất ra khỏi máy biến áp lý tưởng về phía

nút j từ đó suy ra:

Formatted: Bullets and Numbering

Ii = - Conj(t).Ij (1)

Với Ij = (Uj – t.Ui).Y = -t.Y.Ui+Y.Uj (2)

Nhân cả hai vế của phương trình (2) Với –Conj(t) Và thay vào (1) ta có Ii = t

Conj(t).Y.Ui- Conj(t).Y.Uj

Với chú ý rằng : t Conj(t) =t2 ta nhận được hệ phương trình sau:

Ma trận này được cộng thêm vào ma trận tổng dẫn Y của lưới điện như sau:

Ma trạn tổng dẫn Y của lưới điện đã được thành lập không có phần tử máy biến

áp điều áp dưới tải nối giữa hai nút i và j, sau đó các tổng dẫn Yii, Yij, Yji và Yjj

được hiệu chỉnh lại theo các thông số của máy biến áp như sau:

Yi = Yii + t2.Y

Yj = Yji = - t.Y

Yjj = Yjj + Y

Trường hợp Y được tính về phía không phải phía đặt đầu phân áp thì sơ

đồ thay thế máy biến áp như hình vẽ dưới đây:

Sơ đồ thay thế hình Π:

Từ hệ phương trình (*), tráo đối vai trò của hai nút i, j và coi tỷ số biến

áp của máy biến áp lý tưởng là t=1/a ta cũng nhận được hệ phương trình sau:

i jj ij

ij ii

j

i

U

U a Y a Y

a Y Y

U

U Y

Y

Y Y

I

I

2/ /

k

j

i

n+1

* Trường hợp máy biến áp điều chỉnh mô đun và góc pha

Khi đó tỷ số biến đổi của máy biến áp là một số phức và góc pha còn

phụ thuộc vào tổ đấu dây của máy biến áp, vấn đề này ta xẽ xét riêng ở mục

sau vì trong trường hợp này tổ đấu dây của máy biến áp xẽ làm mất đi tính đối

xứng của ma trận tổng dẫn nút và điều này xẽ ảnh hưởng đến thuật giải và

phương pháp xử lý dữ liệu của chương trình

* Trường hợp máy biến áp ba cuộn dây

Sơ đồ thay thế của máy biến áp ba cuộn dây (hình vẽ a) có sơ đồ thay thế

/

a Y Y

Y

a Y Y

Y

Y Y Y

jj jj

ji ij

ii ii

=

Vậy ta coi sơ đồ thay thế của may biến áp ba cuộn day như một sơ đồ

lưới chuẩn đấu hình sao

Trong đó ZC, ZT, ZH lần lượt là tổng trở cuộn cao áp, trung áp và cuộn hạ

áp

KCT là hệ số biến áp giữa cuộn cao và cuộn trung áp KCT = UC/UT

KCH là hệ số biến áp giữa cuộn cao và cuộn hạ áp KCH = UC/UH

Phương trình trạng thái của lưới điện 4 nút trên đây như sau:

0 0 Ykk Ykn+1 Uk Jk

Yn+li Yn+lj Yi+lk Yn+ln+1 Un+1 0

Ta tháy rằng với nút phụ n+1 có Jn+1 = 0 chính vì vậy ta có thể dùng

phép khử Kron để loại nút n+1 ra khỏi lưới mà vẫn không ảnh hưởng đến

nguồn dòng tại các nút khác

Thực hiện khử Kron:

1 , 1

, 1 1 , , ,

.+ +

+ +

ư

=

n n

i n n i i

Y Y Y

1 , 1

, 1 1 , , ,

.+ +

+ +

ư

=

n n

j n n j j

Y Y Y Y

1 , 1

, 1 1 , , ,

.

+ +

+ +

ư

=

n n

k n n k k

Y Y Y Y

1 , 1

, 1 1 , , ,

.

+ +

+ +

ư

=

n n

j n n i j j

Y

Y Y Y

=

1 , 1

, 1 1 , , ,

.

+ +

+ +

ư

=

n n

k n n i i k

Y Y Y Y

1 , 1

, 1 1 , , ,

.

+ +

+ +

ư

=

n n

k n n j k j k j

Y

Y Y Y Y

Sau khi khử nút n+1 ta có phương trình trạng thái như trên Điều đó cho

phép ta mô tả máy biến áp 3 cuộn dậy bằng một mạng 3 cực như hình vẽ trên

Như vậy với cách xử lý trên thì ta tránh được việc phải thêm nút phụ khi

lưới điện cập nhật thêm máy biến áp 3 cuộn dây

2.2.4 Sơ đồ thay thế của các thiết bị bù (kháng điện và tụ điện).

Để bù công suất phản kháng do các phụ tải và các phần tử của mạng

điện tiêu thụ, cũng như để bù các thông số phản kháng của đường dây, có thể

sử dụng các thiết bị bù như các bộ tụ, các máy bù đồng bộ, các kháng điện…

Các bộ tụ, các máy bù đồng bộ được sử dụng để phát công suất phản

kháng vào các nút của mạng điện

Các thiết bị bù này được nối vào các thanh góp của các trạm và được gọi

là bù song song hay bù ngang

Trong sơ đồ thay thế các thiết bị bù công suất phản kháng thường được

biểu diễn giống như các nguồn cung cấp Trong trường hợp này các giá trị

công suất phản kháng do các thiết bị bù phát ra được cho ở các sơ đồ thay thế

Các thiết bị bù các thông số phản kháng của mạng điện là các bộ tụ mắc

nối tiếp với đường dây (bù dọc), các kháng điện nối song song (bù ngang)

Trong sơ đồ thay thế các thiết bị này được biển diễn bằng các thông số phản

kháng tương ứng: dung kháng của các bộ tụ và diện dẫn phản kháng của các

Q

U C

U C

X

cdd

cdd c

3

210

1 =

=

XcBc

2.3 Giải tích chế độ xác lập

2.3.1 Lý thuyết chung

Giải tích chế độ làm việc của lưới điện là xuất phát từ các phương trình

mô tả chế độ làm việc để xác định dòng, điện áp và dòng công suất trong lưới

điện bằng cách giải các phương trình này Bài toán giải tích lưới điệnđược

thực trong nghiện cứu quy hoạch hệ thống điện, chắng hạn khi mở rộng thêm

nguồn hoặc phụ tải Khi đó tính toán giải tích lưới điện được thực hiện để xem

xét khả năng đáp ứng của lưới điện giúp cho việc lựa chọn vị trị cấu trúc, thông

số các phần tử mới cho lưới điện

Giải tích chế độ làm việc cũng là một phần của tính toán tối ưu hoá chế

độ làm việc của hệ thống điện là đầu vào của bài toán phần tích ổn định hay

nghiên cứu sự cố của hệ thống điện

Đối tượng của giải tích lưới điện là các phương trình chế độ làm việc, sử

dụng mô hình toán học tuyến tính cho các phần tử lưới nhưng phi tuyến cho

nguồn và phụ tải điện Sự phi tuyến này là do dạng phi tuyến của luật Kirchoff

cho dòng công suất, mà ở chế độ làm việc phụ tải điện được cho bởi công suất

thực (P) và công suất phản kháng (Q) hằng số, còn các nguồn điện thường làm

việc với công suất tác dụng (P) xác định và ở một điện áp được điều chỉnh xác

định Dưới đây chúng ta sẽ xây dựng hệ phương trình đại số mô tả chế độ làm

việc của hệ thống điện Đó sẽ là mô hình toán học cơ bản cho các bài toán giải

tích chế độ hệ thống điện

2.3.2 Hệ phương trình cân bằng dòng nút

Nếu chế độ làm việc của lưới điện là đối xứng ba pha, thì chúng ta chỉ

cần nghiên cứu trên một lưới một pha, đó là lười điện của thành phần thứ tự

thuận, chúng ta sẽ xây dựng mô hình chế độ làm việc cho trường hợp thường

gặp này của lưới điện

Formatted: Bullets and Numbering

Để phân tích các lưới điện này, nhất là khi áp dụng máy tính điện tử thì

mô hình nút là mô hình rất cơ bản và tiện lợi Mô hình này mô tả quan hệ giữa

các đại lượng điện ở các nút của lưới điện như điện áp nút và dòng điện nút

Điện áp nút là một đại lượng quen thuộc, còn dòng điện nút hiểu là dòng điện

trong nguồn điện hoặc phụ tải điện nối vào nút (phần tử ngoài lưới điện) Dòng

này có thể là biểu diễn tương đương của nguồn áp đặt vào một nút hoặc đặt vào

hai nút của lưới điện Biểu diễn này áp dụng định lý tương đương của Norton,

nguồn áp đặt giữa hai nút có thể chuyển thành nguồn dòng tương đương nối

giữa hai nút này Trường hợp thường gặp là nguồn áp đặt giữa một nút và điểm

trung tính như hình vẽ a) và ta có thế tính toán nguồn dòng tương đương ở

I Y

Trường hợp nguồn áp đặt giữa hai nút của lưới chỉ khác là trong sơ đồ

trên, nút đầu dưới của nhánh không phải có điện áp bằng 0 mà bằng một giá trị

Uo nào đó Kết quả tính toán trên giữ nguyên, chỉ thay U = U1- Uo trong các

công thức (U1 là điện áp nút đầu trên của nhánh) Để tổng quát ta coi điểm đất

hay điểm trung tính của lưới điện là một nút như mọi nút khác, đánh số 0 và có

điện áp Uo = 0 nếu được đo so với chính điện thế của nó

Cần lập hệ phương trình mô tả quan hệ giữa J, I, U của các nút và nhánh

Ui - Điện áp pha tại nút i

Qui ước dấu của dòng điện Ij như sau:

Ij có chiều đi ra khỏi nút j: +Ij

Ij có chiều đi vào nút j: -Ij

Theo định luật Kirchoff ta có quan hệ giữa dòng nhánh và dòng nút

(theo qiu ứơc của dòng điện nh− hình vẽ)

0 -1 -1 -1 0 I3 = -J2

0 0 1 0 -1 I4 -J3

I5