Phân tích đánh giá ảnh hưởng nhà máy thủy điện đắkđrinh đến các chế độ vận hành của hệ thống điện miền trung

Nhà máy thủy điện Đăkđrinh bơm một lượng công suất tương đối lớn vào hệ thống điện Miền Trung do đó trào lưu công suất sẽ thay đổi làm cho thông số chế độ thay đổi trị số dòng ngắn mạch … cũng sẽ có những thay đổi Trước yêu cầu cấp thiết phải đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Miền Trung khi đưa nhà máy thủy điện Đăkđrinh vào vận hành tác giả sử dụng giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Newton Raphson và phần mềm PSS E để phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhà máy thủy Điện Đakđrinh đến các chế độ vận hành hệ thống điện Miền Trung Khi Đăkđrinh phát max hay min góp phần làm giảm tổn thất công suất đáng kể trong hệ thống điện miền Trung giảm được lượng công suất nhận về từ trạm biến áp 500kV Dốc Sỏi Dòng điện sự cố trên hệ thống điện khi bị sự cố ngắn mạch có thay đổi khi có nhà máy thủy điện Đăkđrinh tùy vào vị trí mà mức độ tăng dòng điện sự cố có khác nhau với mức tăng dòng điện sự cố tương đối nhỏ qua phân tích ta thấy sự cố trên BUS 75772 có dòng điện sự cố lớn nhất ta thấy dòng sự cố nhỏ hơn rất nhiều so với dòng ngắn mạch định mức của tất cả các máy cắt 110kV Inmđm 40kA 220kV Inmđm 31 5kA đảm bảo được các thiết bị đóng cắt làm việc tốt

Tác giả:

PHẠM ĐÌNH PHƯỚC

Đề tài luận văn:

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH ĐẾN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

Tác giả luận văn:

PHẠM ĐÌNH PHƯỚC

Đề tài luận văn:

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH ĐẾN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN

…

Người hướng dẫn khoa học:

Tiến sĩ: LÊ ĐÌNH DƯƠNG

Đà Nẵng – Năm 2018

Mã số: 60.52.02.02

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trinhg nào khác

Tác giả luận văn

Phạm Đình Phước

TÓM TẮT

Đề tài luận văn:

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH ĐẾN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG

Học viên: PHẠM ĐÌNH PHƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202; Khóa: 34; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt:

- Nhà máy thủy điện Đăkđrinh bơm một lượng công suất tương đối lớn vào hệ thống điện Miền Trung, do đó trào lưu công suất sẽ thay đổi làm cho thông số chế độ thay đổi, trị số dòng ngắn mạch, … cũng sẽ có những thay đổi Trước yêu cầu cấp thiết phải đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Miền Trung khi đưa nhà máy thủy điện Đăkđrinh vào vận hành, tác giả sử dụng giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Newton-Raphson và phần mềm PSS/E để phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhà máy thủy Điện Đakđrinh đến các chế độ vận hành hệ thống điện Miền Trung

- Khi Đăkđrinh phát max hay min góp phần làm giảm tổn thất công suất đáng

kể trong hệ thống điện miền Trung, giảm được lượng công suất nhận về từ trạm biến

áp 500kV Dốc Sỏi

- Dòng điện sự cố trên hệ thống điện khi bị sự cố ngắn mạch có thay đổi khi có nhà máy thủy điện Đăkđrinh, tùy vào vị trí mà mức độ tăng dòng điện sự cố có khác nhau với mức tăng dòng điện sự cố tương đối nhỏ, qua phân tích ta thấy sự cố trên BUS 75772 có dòng điện sự cố lớn nhất, ta thấy dòng sự cố nhỏ hơn rất nhiều so với dòng ngắn mạch định mức của tất cả các máy cắt 110kV (Inmđm = 40kA), 220kV (Inmđm = 31,5kA), đảm bảo được các thiết bị đóng cắt làm việc tốt

Từ khóa (Keyword) - Hệ thống điện miền Trung; nhà máy thủy điện Đắkđrinh; phương pháp lặp Newton-Raphson; phần mềm PSS/E.

ABSTRACT:

ANALYSIS OF INFLUENCE OF HOUSE ĐẮKĐRINH HYDROELECTRIC PLANT TO THE OPERATING MODE OF THE POWER SYSTEM OF

CENTRAL Summary:

- Đăkđrinh hydroelectric pumped a amounts of relatively large capacity on power system Central, so the power flow will change makes change mode parameter, value line, will also have the change Before the necessary requirements to ensure the safety of the Central electrical system when put into the Đăkđrinh hydro power plant operators, authors use the electric network analysis using Newton-Raphson published iteration method and the PSS/E software to the analysis reviews the impact

of hydro Đakđrinh power to the operating mode of the Central electrical system.Through calculations the author reviews the following

- When Đăkđrinh play max or min contributing significant power losses in electric systems in Central, reduce the amount of power from substations Gravel Slope

- Power Line problems on the system power when being short circuit incident has changed as has the Đăkđrinh hydroelectric plant, depending on the position that the level of increase in cell lines have different issues with the current relatively small incident through analysis, I see trouble on the BUS 75772 has the biggest issues, I see the line of smaller incidents compared to current norms of all 110 kV breaker (Inmđm

= 40 kA), 220 kV (Inmđm = 31.5 kA) ensure the switches work well

Keyword (Keyword) - central power system; Đắkđrinh hydroelectric plant;

Newton-Raphson published iteration method; PSS/E software

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 01

1 Lý do chọn đề tài 01

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và

thực tiễn đề tài 01

3 Nội dung luận văn 02

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG, NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN 03

1.1 Tổng quan hệ thống điện miền Trung 03

1.2 Giới thiệu máy phát nhà máy thủy điện Đắkđrinh 06

1.2.1 Hồ chứa 06

1.2.2 Đập dâng 07

1.2.3 Đập tràn 07

1.2.4 Cửa nhận nước 08

1.2.5 Đường hầm dẫn nước 08

1.2.6 Nhà máy 09

1.2.7 Trạm phân phối 110kV 09

1.2.8 Máy phát thủy lực 09

1.3 Nguyên lý làm việc và chương trình làm việc của máy phát điện 10

1.3.1 Nguyên lý làm việc 10

1.3.2 Chương trình làm việc máy phát 16

1.4 Nhận xét, kết luận 20

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN 22

2.1 Mở đầu 22

2.2 Các phương pháp tính toán chế độ xác lập hệ thống điện 22

2.2.1 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Gauss - Seidel 22

2.2.2 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Newton-Raphson 25

2.3 Lựa chọn phần mềm ứng dụng tính toán chế độ xác lập hệ thống điện 27

2.3.1 Đặt vấn đề 27

2.3.2 Phân tích và lựa chon phần mềm tính toán 28

2.3.3 Tính toán hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E 29

2.3.3.1.Tính toán phân bổ công suất 29

2.3.3.2 Cách mô phỏng dữ liệu hệ thống điện trong chương trình PSS/E 30

2.3.3.3 Thay đổi dữ liệu trong file 37

2.3.4 Tính toán phân bổ công suất 38

2.3.5 Tính toán ngắn mạch 41

2.3.6 Xây dựng dữ liệu tính toán hệ thống điện Việt Nam 42

2.4 Nhận xét, kết luận 45

Chương 3 - PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH ĐẾN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG 46

3.1 Giới thiệu chung 46

3.2 Ảnh hưởng của Nhà máy Đắkđrinh đến hệ thống điện Miền Trung 46

3.2.1 Ảnh hưởng của Nhà máy Đắkđrinh đến hệ thống điện Miền Trung trong các chế độ vận hành bình thường 46

3.2.1.1 Ảnh hưởng đến tổn thất công suất trong hệ thống 46

3.2.1.2 Ảnh hưởng đến điện áp các nút trong hệ thống 47

3.2.2 Ảnh hưởng của Nhà máy Đắkđrinh đến hệ thống điện Miền Trung trong chế độ sự cố 51

3.2.3 Ảnh hưởng của Nhà máy Đắkđrinh đến sự làm việc của các thiết bị điện hiện tại trong hệ thống 53

3.3 Nhận xét, kết luận 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

Các từ viết tắt

PSS/ADEPT Phần mềm tính toán vận hành lưới điện phân phối

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.4: Sơ đồ mạch tương đương và đồ thị góc pha của máy

phát

14

Hình 2.2 Trình tự tính toán bài toán ngắn mạch của phần mềm

PSSE

41

PL1.1a Sơ đồ HTĐ Việt Nam theo quy hoạch tổng sơ đồ 7

PL1.1b Sơ đồ tính toán bài toán OPF cho HTĐ Miền Trung

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 Thống kê phụ tải hệ thống điện miền Việt Nam năm

2018

3

Bảng 1.2 Quy hoạch nguồn phát theo tổng sơ đồ 7 đến năm 2020 5

Bảng 1.3 Quy hoạch nguồn phát theo tổng sơ đồ 7 đến năm 2030 6

Bảng 3.1: Tổn thất công suất của hệ thống điện miền Trung theo các chế độ làm việc của Đăkđrinh

46

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Công trình thủy điện Đakđrinh nằm trên sông Đakđrinh là một nhánh của sông Trà Khúc Công trình có vị trí đập dâng thuộc địa phận xã Sơn Mùa và xã Sơn Dung, huyện Sơn Tây, tỉnh Quảng Ngãi Một phần hồ chứa thuộc xã Đak Nên và Đắkđrinh huyện KonPlong tỉnh Kon Tum Nhà máy đặt tại xã Sơn Tân, huyện Sơn Tây, tỉnh Quảng Ngãi với tổng công suất lắp máy 125 MW, gồm 2 tổ máy Sản lượng điện bình quân năm của nhà máy khoảng 540 triệu kWh sẽ được phát lên lưới điện Quốc gia qua đường dây 110kV

Khi đưa nhà máy thủy điện Đăkđrinh vào vận hành, nhà máy sẽ bơm một lượng công suất tương đối lớn vào hệ thống điện Miền Trung, do đó trào lưu công suất sẽ thay đổi làm cho thông số chế độ thay đổi, trị số dòng ngắn mạch, … cũng sẽ có những thay đổi Kết quả có thể xảy ra thông số chế độ vượt các giới hạn cho phép, trị

số chỉnh định của các bảo vệ rơle không còn phù hợp với giá trị dòng ngắn mạch Với những lý do nêu trên cần thiết phải có những tính toán đánh giá ảnh hưởng của nhà máy đối với các chế độ làm việc của hệ thống

Trước yêu cầu cấp thiết phải đảm bảo an toàn cho hệ thống điện Miền Trung khi

đưa nhà máy thủy điện Đăkđrinh vào vận hành, đề tài “Phân tích và đánh giá ảnh hưởng nhà máy thủy điện Đắkđrinh đến các chế độ vận hành của hệ thống điện Miền Trung” được lựa chọn làm đề tài luận văn thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điện

2 MỤC ĐÍCH, ĐỒI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:

- Với những lý do ở trên, ở đây ta vạch đề tài với mục đích chính là: “Phân tích đánh giá ảnh hưởng nhà máy thủy điện Đăkđrinh đến các chế độ vận hành của hệ thống điện Miền Trung” Đối tượng nghiên cứu chính ở đây là nhà máy thủy điện Đắkđrinh đang kết lưới điện với hệ thống điện miền Trung Thực hiện được yêu cầu đặt ra ta vạch ra những nhiệm vụ chính phải làm:

+ Phân tích hệ thống điện Miền Trung đồng thời phân tích các chế độ làm việc của hệ thống điện Miền Trung

+ Phân tích và tính toán các phương pháp tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện và ta chọn lựa phần mềm dùng để phân tích - tính toán.

+ Phân tích - đánh giá ảnh hưởng của nhà máy thủy điện Đăkđrinh đến tất cả các chế độ vận hành của HTĐ Miền Trung.

- Phương pháp nghiên cứu chính ở để tài này ta dùng phần mềm mô phỏng và tính toán cho từng chế độ làm việc của nhà máy thủy điện Đắkđrinh và hệ thống điện miền Trung Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài này giúp ta đánh giá được tổn thất điện áp, tổn thất điện năng và chế độ sự cố ngắn mạch trên một phần cho từng chế độ vận hành của nhà máy thủy điện Đắkđrinh khi kết lưới điện với hệ thống điện miền Trung

3 NỘI DUNG LUẬN VĂN:

Nội dung của đề tài được phân thành 3 chương Bố cục chính của luận văn gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan hệ thống điện miền Trung, nhà máy thủy điện Đắkđrinh, nguyên lý làm việc và chương trình làm việc của máy phát điện

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện và lựa chọn phần mềm ứng dụng tính toán.

- Chương 3: Phân tích và đánh giá ảnh hưởng nhà máy thủy điện Đăkđrinh đến các chế độ vận hành của hệ thống điện miền Trung

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MIỀN TRUNG, NHÀ MÁY

THỦY ĐIỆN ĐẮKĐRINH, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CHƯƠNG TRÌNH LÀM VIỆC CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN

1.1 Tổng quan hệ thống điện miền Trung

Miền Trung có hệ thống điện bao gồm các tỉnh, thành phố duyên hải miền Trung

từ Quảng Bình đến Khánh Hoà và 4 tỉnh Tây Nguyên HTĐ miền Trung liên kết với HTĐ Quốc gia qua các trạm biến áp 500kV (T500), Hà Tĩnh, Đà Nẵng, Pleiku, Dốc Sỏi, Thạnh Mỹ (hình PL1.1) Qua quá trình vận hành, đường dây 500kV khu vực miền Trung đã chứng tỏ được vai trò cực kỳ quan trọng không những trong việc tạo liên kết cho hệ thống điện Quốc gia, nâng cao chất lượng cung cấp điện, nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc khai thác và vận hành hệ thống mà còn giữ vai trò điều phối điện năng giữa các miền trong đất nước Hai mạch của đường dây 500kV đi qua khu vực miền Trung và Tây Nguyên trở thành mạch trung chuyển quan trọng đảm bảo vận hành an toàn và ổn định kể cả trong trường hợp một trong hai đường dây bị sự cố Theo số liệu thống kê từ Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc Gia (A0), tính đến hết tháng 5 năm 2018, phụ tải hệ thống điện Việt Nam được thể hiện trong bảng 1.1 Trong đó công suất hệ thống điện quốc gia tăng trưởng lớn nhất vào tháng 07/2017 với mức tăng 16,86.0% so với cùng kỳ năm 2016 Mức tăng thấp nhất rơi vào tháng 3/2017 (5,68%)

Bảng 1.1 Thống kê phụ tải hệ thống điện miền Việt Nam năm 2018

tỉ trọng phụ tải công nghiệp tăng, cũng như việc Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN)

đã áp dụng nhiều chính sách quản lý phụ tải như đưa hệ thống công tơ 3 giá vào hoạt động Điều này làm tăng độ đồng đều của phụ tải góp phần tạo điều kiện thuận lợi cho vận hành và làm tăng tính kinh tế trong vận hành HTĐ.

Về nguồn của hệ thống điện miền Trung hiện nay có nhiều loại nhà máy điện như: Nhiệt điện than, Nhiệt điện dầu, Thuỷ điện, Tuabin khí Từng loại nhà máy điện

có mỗi chế độ vận hành không giống nhau vì mỗi nhà máy có đặt thù công nghệ vận hành riêng phát điện khác nhau:

- Nhiệt điện than, dầu, GT+CC (Gasturbine + CombineCycle):

+ Vận hành theo đặc tính công suất (P&Q) của tổ máy

+ Vận hành trong khoảng thời gian dài theo yêu cầu HTĐ Gasturbine.

- Nhà máy thủy điện có những chế độ vận hành:

+ Vận hành theo đặc tính vận hành Tuabin

+ Có thể chạy bù, ngừng và phát thường xuyên

+ Điều tần

- Chạy khí hoặc dầu:

+ Theo đặc tính công suất (P&Q) máy phát

- Thuỷ điện: Huy động theo điều tiết hồ chứa, các kế hoạch tiểu tu hay đại tu thường được bố trí vào mùa khô

- Gasturbine chạy dầu: Chạy ở chế độ phủ đỉnh, chống quá tải, bù áp hoặc yêu cầu đặc biệt khác Huy động lấy sản lượng nếu thiếu điện năng trong mùa khô Kế hoạch sửa chữa theo EOH (giờ vận hành tương đương)

- Gasturbine chạy khí và đuôi hơi: Huy động cao mùa khô, giảm khai thác trong mùa lũ (đảm bảo công suất đỉnh, chống quá tải, bù điện áp ) Kế hoạch sửa chữa theo EOH (giờ vận hành tương đương)

Hệ thống điện miền Trung có đường dây siêu cao áp 500 kV Bắc - Nam mạch 1 được chính thức đưa vào vận hành ngày 27/05/1994 mở ra một bước phát triển mới cho ngành điện Qua quá trình vận hành, đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 1 đã chứng tỏ được vai trò cực kỳ quan trọng không những trong việc tạo liên kết cho hệ thống điện Quốc gia, nâng cao chất lượng cung cấp điện, nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc khai thác và vận hành hệ thống mà còn giữ vai trò điều phối điện năng giữa các miền trong đất nước.

Tuy nhiên, từ năm 2004 trở đi do điều kiện thời tiết và tốc độ tăng trưởng phụ tải lớn dẫn đến nhu cầu trao đổi điện năng giữa miền Bắc và miền Nam, nhu cầu cung cấp điện của miền Trung đã vượt khả năng tải của đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 1 Được sự đồng ý của chính phủ, EVN đã đầu tư xây dựng đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 2 và đến ngày 23/09/2005 đã chính thức khánh thành Đường dây 500kV Bắc - Nam mạch 2 đã góp phần cung cấp năng lượng cho các tỉnh miền Bắc vào đầu năm

2005 và các năm tiếp theo.

Ngoài ra hai đường dây này còn làm nhiệm vụ trao đổi điện năng giữa các miền của Đất Nước, đảm bảo vận hành ổn định, an toàn kể cả trong trường hợp một trong hai đường dây bị sự cố ngừng cung cấp điện.

Hệ thống lưới điện truyền tải 220kV và 110kV phát triển không ngừng, luôn luôn đáp ứng được nhu cầu truyền tải công suất phục vụ cho việc cung cấp điện [11]

Bảng 1.2 Quy hoạch nguồn phát theo tổng sơ đồ 7 đến năm 2020

4 Nhiệt điện khí (sử dụng LNG chiếm 2,6%) 12.375MW 16,5%

- Định hướng nguồn điện đến năm 2030 (Quy hoạch điện IV Chính Phủ)

Bảng 1.3 Quy hoạch nguồn phát theo tổng sơ đồ 7 đến năm 2030

4 Nhiệt điện khí (trong đó sử dụng LNG

hệ thống điện Quốc Gia Ao)

1.2 Giới thiệu Nhà máy thủy điện Đắkđrinh [9].

1.2.1 Hồ chứa

Hồ chứa thuỷ điện Đakđrinh một công trình quan trọng nó dùng để tích và cấp nước cho các tổ máy để sản xuất điện và còn điều tiết lượng nước trong một năm để vận hành nhà máy Có các thông số sau:

- Mức nước kiểm tra (P= 0,02%): 414,88m

- Mức nước HL lớn nhất khi lượng Qxả max: 90,36m

- Mực nước hạ lưu nhỏ nhất (Khi 1 máy làm việc): 75,56m

- Diện tích mặt hồ ứng với MNDBT: 9,124km2

- Dung tích toàn bộ hồ chứa: 248,51 triệu m3

Dùng để xả lượng nước thừa trong hồ chứa vào mùa lũ Đập tràn có lưu lượng

xả thiết kế phải đảm bảo xả hết tần suất lưu lượng lũ lớn nhất để bảo vệ công trình một cách an toàn (không cho nước lũ tràn qua đập dâng) Cửa van cung nâng hạ trong dòng chảy Có các thông số sau:

- Mức hạ lưu lớn nhất khi lượng Qxả max: 337,66m

- Kích thước cửa van cung( rộng x cao): 15 x 17,5m

- Kích thước cửa van sửa chữa, sự cố phẳng(bxh): 15x17m

- Điều khiển cửa van bằng 2 kích nâng thuỷ lực loại:  500/  250/8200

kiểm tra tuyến năng lượng định kỳ Trong trường hợp sự cố, cửa van vận hành có công dụng đóng nhanh cửa nhận nước khi van cầu của tổ máy không đóng được hoặc vỡ đường ống áp lực Có các thông số sau:

- Kích thước cửa nhận nước (bxLxh): 8,8x20,4x50,5m

- Kích thước cửa van vận hành(rộng x cao ): 4,0x4,0m

Dùng để dẫn nước từ CNN vào tuabin của tổ máy Trên đường hầm dẫn nước

có bố trí các tháp điều áp dùng để giảm áp lực lên van cầu và cánh hướng cũng như bảo vệ quá áp do quán tính của nước trong chế độ dừng bình thường cũng như dừng sự

cố tổ máy (giảm áp lực nước va) Ngoài ra còn đảm bảo lưu lượng nước trong chế độ liên tục thay đổi công suất của tổ máy Có các thông số sau:

- Chiều dài hầm vỏ bê tông phun D = 4,5m: 8075,93m

- Chiều dài hầm vỏ bê tông cốt thép: 1993,19m

- Cao trình tim hầm ở vị trí tháp điều áp: 224,94m

1.2.6 Nhà máy

Là phần chính của công trình dùng để lắp đặt 2 tổ máy thuỷ lực cùng phần lớn các thiết bị công nghệ của Nhà máy Có các thông số sau:

Nhà máy vị trí bờ phải, kiểu hở

- Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy: 51,95m3/s

- Kích thước Nhà máy (rộng x dài): 19,0x45,8m

- Số tổ máy 02, công suất 1 tổ: 62,5MW

- Sản lượng điện trung bình năm: 540.925 triệu kW

1.2.7 Trạm phân phối 110kV

Trạm phân phối 110kV Nhà máy thủy điện Đakđrinh sử dụng sơ đồ nối dây hai thanh cái, trong trạm bố trí các thiết bị máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, máy biến điện áp, máy biến dòng điện, chống sét van

Trạm có nhiệm vụ truyền tải toàn bộ công suất từ hai tổ máy H1, H2 lên lưới điện Quốc gia thông qua hai đường dây xuất tuyến 171 và 172 Mỗi đường dây xuất tuyến có thể truyền tải toàn bộ công suất của Nhà máy

+ Phạm vi thay đổi tần số với Uđm:  1  fđm

+ Phạm vi thay đổi điện áp với Sđm, nđm:  5  Uđm

+ Tốc độ lồng tốc với thời gian tối đa : 855 V/ph

1.3 Nguyên lý làm việc và chương trình làm việc của máy phát điện

1.3.1 Nguyên lý làm việc

Máy phát điện đồng bộ là một thành phần rất quan trọng của hệ thống điện, chúng có hai loại từ trường đó là từ trường cực từ do dòng điện kích từ tạo ra và

từ trường phần ứng do dòng điện phần ứng tạo ra Hai từ trường này quay đồng

bộ nhau Dòng điện một chiều trong rotor được cung cấp bằng hệ thống kích từ

Có nhiều kiểu khác nhau của hệ thống kích từ, hệ thống kích từ của các máy phát ngày nay thường lấy nguồn từ máy biến áp kích từ nối với điện áp đầu

cực máy phát, qua bộ tự động điều chỉnh điện áp kích từ (AVR) để cấp điện cho cuộn kích từ Nguồn năng lượng sơ cấp được đưa vào quay turbin để quay rotor máy phát

Phương trình đặc tính góc công suất của máy phát [7]:

E  U  0 

Hình 1.1: Hệ thống gồm máy phát nối với hệ thống Công suất tác dụng của máy phát được tính như sau:

( ) (1.1) Trong đó:

+ E: Sức điện động của máy phát

+ U: Điện áp đầu cực máy phát

+ , : Điện kháng dọc và ngang trục của máy phát

+  : Góc lệch rotor máy phát

Có thể viết lại: P= + Công suất tác dụng P của máy đồng bộ có hai phần, một phần công suất

tỷ lệ với sin  và phụ thuộc vào kích từ; một phần công suất tỷ lệ với sin2 

không phụ thuộc vào kích từ Như vậy đối với máy phát đồng bộ cực lồi khi mất kích từ công suất tác dụng vẫn có một lượng nhỏ là

sin 

xdb

UE m

P  Với máy đồng bộ cực ẩn vì nên.

Động cơ Máy phát Động cơ Máy phát

Hình 1.2: Đặc tính góc công suất máy điện đồng bộ

Đặc tính góc công suất phản kháng, công suất phản kháng của máy điện Q= ( ) (1.2)

Khi: -  ' <  < +  ' máy phát công suất phản kháng vào lưới, ngoài phạm vi trên máy tiêu thụ công suất phản kháng

Chế độ xác lập (CĐXL) và chế độ quá độ (CĐQĐ) của HTĐ có mối quan

hệ nhất định Tuy nhiên mô hình QTQĐ khác về cơ bản so với CĐXL [6]:

Khi ở CĐXL các sức điện động được coi là không đổi, do mất cân bằng công suất trong chế độ quá độ nên mô men quay roto của các máy phát thay đổi, dẫn đến sự biến thiên thông số trạng thái (điện và từ) của hệ thống Từ đó góc pha và biên độ các sức điện động thay đổi theo thời gian phụ thuộc quy luật chuyên động cơ học Quán tính điện từ trong các cuộn dây điện cảm của máy phát, máy kích thích, các hệ thống tự động điều chỉnh gây ra QTQĐ điện từ phức tạp, cần phải xem xét đến trong chế độ quá độ

Như vậy với những yếu tố phức tạp kể trên, hệ phương trình vi phân đầy

đủ mô tả QTQĐ trong HTĐ nói chung là phi tuyến cấp cao

Cần có sự thay đổi, đơn giản hóa mô hình theo những mức độ khác nhau phù hợp với mục đích yêu cầu của bài toán Đây cũng là một đặc điểm rất đáng chú ý khi xem xét các vấn đề về ổn định HTĐ

- Phương trình chuyển động quay roto các máy phát hình 1.3

Trong đó:

+ TJ : Hằng số quán tính

+ Trong đơn vị tương đối, phương trình có dạng đơn giản hơn:

(1.4) Đôi khi để tiện lợi trong cách viết người ta còn tính PJ bằng đơn vị radian

Để tiện lợi trong cách viết ta còn có thể tính PJ bằng đơn vị radian, nghĩa là:

JJ (rad) = 0TJ(s) Khi đó phương trình có dạng chuyển động gọn nhất:

Cách biểu diễn mỗi góc lệch tương đối i so với trục đồng bộ như hình 1.3 thể hiện Còn ký hiệu góc lệch tương đối giữa máy phát i và máy phát j là =

- Khi đó mỗi góc lệch , theo nghĩa nào đó lại được gọi là góc lệch tương đối

Để phương trình có dạng chuẩn Cô-si (bậc nhất với các đạo hàm nằm bên trái) ngoài ra người ta sử dụng tốc độ chuyển động tương đối s = d  /dt = 0 -  Như vậy hệ phương trình chuyển động tương đối roto các máy phát trong hệ thống phức tạp có dạng:

Nghiên cứu ổn định của quá trình quá độ, đặc biệt chỉ phân tích những vấn

đề liên quan trong khoảng thời gian ngắn vào khoảng 1s hoặc nhỏ hơn, máy điện

có thể được mô tả bằng nguồn áp sau điện kháng quá độ có độ lớn không đổi dù

có sự thay đổi về góc Sự biểu diễn này bỏ qua ảnh hưởng của sự lồi lõm và giả thiết từ thông móc vòng không đổi và sự thay đổi nhỏ về tốc độ Điện áp sau điện kháng quá độ được xác định từ:

+ E’: Điện áp sau điện kháng quá

Sự lồi lõm và biến thiên của từ thông móc vòng có thể được đưa vào tính toán bằng việc biểu diễn những ảnh hưởng của đại lượng xoay chiều 3 pha của máy điện đồng bộ do tác động của các thành phần dọc và ngang trục Điện áp sau điện kháng đồng bộ ngang trục được xác định:

Eq = Et + raIt + jxqIt (1.9)

Với xq là điện kháng đồng bộ ngang trục.

Hình 1.4: Sơ đồ mạch tương đương và đồ thị góc pha của máy phát

Từ thông hình sin sinh ra bởi dòng điện kích từ tác động dọc trục Điện áp cảm ứng sinh ra bởi dòng kích từ chậm sau từ thông này 90 0 vì thế gọi là điện áp ngang trục Điện áp này có thể được xác định:

ET = Et + raIt + jxdId + jxqIq (1.10)

Trong đó Id, Iq: là thành phần dọc và ngang trục ở đầu cực máy phát

Hình 1.5: Giản đồ vectơ điện áp máy phát Với thành phần ngang trục của điện áp sau điện kháng quá độ từ đồ thị góc pha là:

E’q = Eq - j(xq - x’d)Id ( 1.11)

Từ đó từ thông móc vòng sẽ không thay đổi một cách tức thời theo sau sự nhiễu loạn, E’q cũng không thay đổi một cách tức thời, mà E’q tỉ lệ với từ thông móc vòng Tốc độ thay đổi của E’q dọc theo trục ngang phụ thuộc vào điện áp kích từ được điều khiển bởi bộ điều chỉnh và bộ kích từ, điện áp này tỉ lệ với dòng kích từ và hằng số thời gian mạch hở của quá trình quá độ dọc trục được cho bởi:

(1.12)

Với:

+ Efd: Là số hạng đặc trưng cho điện áp kích từ tác động dọc trục

+ T’d0: Là hằng số thời gian hở mạch dọc trục của quá trình quá độ

1.3.2 Chương trình làm việc máy phát điện

Máy phát điện vận hành làm việc trong chế độ đồng bộ ổn định, vận tốc rotor và từ trường quay phần tĩnh bằng nhau và bằng với tốc độ đồng bộ Do đó

từ trường quay phần tĩnh không quét qua rotor, trong rotor chỉ có dòng kích từ một chiều

Trong chế độ làm việc bình thường các thông số máy phát như công suất tác dụng, phản kháng, hệ số công suất, dòng điện phần tĩnh và phần ứng, sức điện động ngang trục và điện áp đầu cực máy phát thay đổi không vượt qua giới hạn cho phép [12]

MW

Giới hạn tuabin

Giới hạn dòng stator Giới hạn

ổn định tĩnh

Giới hạn dòng kt

MVar Hình 1.6: Đặc tính P - Q máy phát

Hệ thống điều tốc của máy phát làm việc và thay đổi công suất năng lượng

sơ cấp, kéo máy phát về tần số định mức Khả năng điều chỉnh phụ thuộc từng tổ máy và phụ thuộc vào độ dự trữ sơ cấp Trường hợp xảy ra các dao động bé như

sự thay đổi phụ tải, sự cân bằng giữa mômen cơ của tuabin và mô men điện từ của máy phát bị mất đi, máy phát thay đổi tốc độ

Khi có sự mất cần bằng công suất phản kháng hoặc có sự biến động về điện

áp trong hệ thống, máy phát điện có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng bằng việc thay đổi giá trị của dòng điện kích từ máy phát Giới hạn về khả năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng được thể hiện trên (hình 1.6)

Máy phát vận hành phát công suất phản kháng khi dòng kích từ lớn (quá kích thích) và tiêu thụ công suất phản kháng khi dòng kích từ nhỏ (thiếu kích thích) Tất cả các máy phát đều có trang bị hệ thống tự động điều chỉnh kích từ

(Automatic Voltage Control - AVR) nhằm giữ cho điện áp tại đầu cực máy phát không đổi ở một giá trị đặt trước khi phụ tải hệ thống thay đổi

Chế độ không đồng bộ xuất hiện là do mất cân bằng mô men, chế độ đồng

bộ tồn tại được là nhờ có sự cân bằng giữa mô men cơ Mcơ của turbin và mô men điện của máy phát tức mô men đồng bộ Mđb Khi có cân bằng mô men, mô men thừa bằng không

Các nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng mô men [12]:

- Thứ 1: Là khi dòng kích từ If tức sức điện động Eq giảm xuống làm cho

mô men đồng bộ giảm, trên trục rotor xuất hiện mô men thừa và vận tốc rotor tăng lên lớn hơn vận tốc đồng bộ

- Thứ 2: Là khi thay đổi phụ tải đột ngột, mô men cản đặt trên trục máy phát thay đổi đột ngột làm cho mô men đồng bộ thay đổi Phụ tải thay đổi càng lớn thì sự mất cân bằng mô men càng mạnh, chế độ không đồng bộ xuất hiện, sự

ổn định trở lại của máy phát phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và mức độ thay đổi phụ tải.

- Thứ 3: Là khi ngắn mạch, điện áp tụt xuống làm cho mômen điện từ giảm, mômen thừa xuất hiện và động cơ tăng tốc lớn hơn vận tốc đồng bộ Sau khi cắt ngắn mạch, điện áp phục hồi, máy phát có thể trở lại ổn định hoặc không

+ Tần số hệ thống bị thay đổi lớn ảnh hưởng đến các hộ tiêu thụ

+ Điện áp giảm thấp, có thể gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp tại các nút phụ tải

Vì vậy khi vận hành HTĐ cần phải đảm bảo các yêu cầu cao về tính ổn định Việc nghiên cứu mức độ ổn định của máy phát sẽ có ý nghĩa trong công tác vận hành hệ thống điện.

Chế độ hòa đồng bộ tổ máy phát [8]:

- Việc đóng các máy phát điện vào làm việc trong hệ thống điện có thể tạo nên dòng cân bằng lớn và dao động kéo dài Tình trạng không mong muốn đó xảy ra là do:

- Tốc độ góc quay của máy phát được đóng vào khác với tốc độ góc quay đồng bộ của các máy phát đang làm việc trong hệ thống điện

- Điện áp ở đầu cực của máy phát được đóng vào khác với điện áp trên thanh góp của nhà máy điện

- Điều kiện để các máy phát điện đồng bộ có thể làm việc song song với nhau trong hệ thống điện là:

+ Rotor của các máy phát phải quay với một tốc độ gần như nhau

+ Điện áp ở đầu cực các máy phát phải gần bằng nhau

+ Góc lệch pha tương đối giữa các rôto không được vượt quá giới hạn cho phép.

Để đóng máy phát điện đồng bộ vào làm việc song song với các máy phát khác của nhà máy điện hay hệ thống, cần phải sơ bộ làm cho chúng đồng bộ với nhau Hòa đồng bộ là quá trình làm cân bằng tốc độ góc quay và điện áp của máy phát được đóng vào với tốc độ góc quay của các máy phát đang làm việc và điện

áp trên thanh góp nhà máy điện, cũng như chọn thời điểm thích hợp đưa xung đi đóng máy cắt của máy phát.

Có 2 phương pháp hòa đồng bộ : hòa đồng bộ chính xác và hòa tự đồng bộ.

Như vậy trình tự thực hiện hòa đồng bộ chính xác như sau: Trước khi đóng một máy phát vào làm việc song song với các máy phát khác thì máy phát đó phải được kích từ trước, khi tốc độ quay và điện áp của máy phát đó xấp xỉ với tốc độ quay và điện áp của các máy phát khác cần chọn thời điểm thuận lợi để đóng máy phát sao cho lúc đó độ lệch điện áp giữa các máy phát gần bằng không, nhờ vậy dòng cân bằng lúc đóng máy sẽ nhỏ nhất.

Theo Quy trình thao tác do Bộ Công thương ban hành, tiêu chuẩn để thực hiện việc hoà đồng bộ như sau [14]:

- Góc lệch pha của điện áp giữa hai phía điểm hoà:  30 0 ;

- Chênh lệch tần số giữa hai phía điểm hoà:  f  0,25 Hz;

- Chênh lệch điện áp giữa hai phía điểm hoà:  U  10%

Hòa máy phát vào hệ thống điện:

Việc đóng điện vận hành máy phát làm thay đổi trào lưu công suất trong hệ thống điện làm cho hệ thống điện có một số thay đổi trong việc phân bổ công suất, điện áp, tổn thất điện năng, giới hạn truyền tải cũng như sự ổn định quá độ Các ảnh hưởng đó cần phải được nghiên cứu cẩn thận để rút ra các tình huống vận hành bất lợi cho hệ thống và đưa ra các khuyến cáo cho công tác vận hành giúp cho hệ thống vận hành tin cậy Mặt khác các biến động trong hệ thống như đóng cắt phụ tải, sự cố, cũng làm cho máy phát dao động Cần tính toán các biến động lớn điển hình để đánh giá sự tính ổn định của máy phát Do đó để chuẩn bị đóng điện tổ máy phát cần phải tính toán mô phỏng các tình huống sau:

- Tính toán phân bổ công suất, lựa chọn phương thức vận hành cho hệ thống điện khi đóng điện máy phát

- Xem xét ảnh hưởng của tổ máy đến các thiết bị hiện có như dòng ngắn mạch, bảo vệ rơle, khả năng tải của thiết bị

- Khi có sự cố trong hệ thống cần xem xét tổ máy đưa vào ảnh hưởng đến

sự ổn định của hệ thống như thế nào

Phương án đóng điện máy phát vào hệ thống điện

Trên cơ sở các tính toán mô phỏng, một phương án đóng điện được lập ra,

nó bao gồm [13]:

- Chọn vị trí đặt nấc phân áp của máy biến áp tăng áp có bộ điều áp làm việc không điện Ví trí nấc phân áp này phải đảm bảo trong mọi chế độ vận hành điện áp đầu ra giữ được trị số trong phạm vi cho phép với các thông số điều chỉnh của máy phát không vượt quá giới hạn điều chỉnh

- Cài đặt thông số chỉnh định rơle của bảo vệ máy phát, đường dây liên kết

và thay đổi trị số chỉnh định rơle của các thiết bị hiện có trong hệ thống do thay đổi kết cấu hệ thống khi có sự tham gia của máy phát

- Chọn chế độ hòa đồng bộ: Việc hòa đồng bộ cần điều chỉnh tốc độ và điện áp của máy phát gần bằng với tốc độ và điện áp của hệ thống Các máy phát liên kết với hệ thống qua đường dây liên kết, khi tiến hành hòa đồng bộ cần phải chọn vị trí phóng điện lên đường dây và vị trí đóng hòa đồng bộ để ảnh hưởng đến máy phát và hệ thống là thấp nhất

1.4 Nhận xét, kết luận

Hệ thống điện miền Trung đang được hiện đại hóa về mặt thiết bị và điều khiển

Sự liên kết ngày càng mở rộng của hệ thống điện Quốc gia làm cho tính phụ thuộc lẫn nhau giữa các thành phần của hệ thống ngày càng lớn Khi công suất truyền tải giữa các khu vực ngày càng cao, đòi hỏi phải xem xét đến vấn đề ổn định của hệ thống Khi các tổ máy tại các khu vực mất đồng bộ phải bị cắt ra thì có thể dẫn đến quá tải các tổ máy khác, các đường dây truyền tải làm phát sinh nguy cơ tan rã hệ thống Do đó vấn

đề cần quan tâm lúc này là:

- Kịp thời phát triểm thêm các nhà máy điện của các nguồn điện, tăng cường công tác tuyên truyền tiết kiệm điện, sử dụng điện có hiệu quả để giảm áp lực thiếu nguồn

- Cần quan tâm và đầu tư thời gian nhiều hơn cho công tác nghiên cứu các chế

độ làm việc tin cậy của hệ thống liên kết diện rộng như phối hợp bảo vệ rơle, phân tích

an toàn hệ thống điện, phân tích ổn định nhằm đưa ra các giải pháp tăng tính an toàn của hệ thống điện

Quá trình vận hành của máy phát điện là một quá trình phức tạp, đặc biệt khi kết nối vào hệ thống lớn, sự biến động cục bộ sẽ ảnh hưởng đến một phần hoặc toàn bộ hệ thống do đó cần tiến hành các tính toán cần thiết để chuẩn bị đóng điện máy phát: Tính toán phân bổ công suất, lựa chọn phương thức vận hành cho hệ thống điện khi đóng điện máy phát như ảnh hưởng của nhà máy đến các thiết bị hiện tại trong hệ thống cũng như đến phương thúc vận hành hệ thống điện ở chế độ xác lập và quá độ

Máy phát điện nhìn chung làm việc trong hai chế độ đó là chế độ làm việc bình thường tương ứng với sự cân bằng mômen cơ của trục turbin và mô men điện từ của máy phát Máy phát điện trong chế độ vận hành bình thường được biểu diễn bằng phương trình góc - công suất Trong chế độ quá độ, có sự mất cân bằng mô men xảy

ra Để khảo sát sự làm việc của máy phát và hệ thống người ta đưa ra hệ phương trình chuyển động của hệ thống điện

Sự liên kết ngày càng mở rộng của hệ thống điện Việt Nam làm cho tính phụ thuộc lẫn nhau giữa các thành phần của hệ thống ngày càng lớn Trường hợp các tổ máy tại các khu vực mất đồng bộ phải bị cắt ra thì có thể dẫn đến quá tải các tổ máy khác, các đường dây truyền tải làm phát sinh nguy cơ tan rã hệ thống Do đó cần thực hiện nghiên cứu các chế độ làm việc của hệ thống liên kết diện rộng như phối hợp bảo

vệ rơle, phân tích an toàn hệ thống điện, phân tích ổn định nhằm đưa ra các giải pháp tăng tính an toàn của hệ thống điện

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ XÁC LẬP CỦA HỆ

THỐNG ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN PHẦN MỀM ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN

2.1 Mở đầu.

Hệ phương trình cân bằng hệ thống có thể được thiết lập bằng nhiều phương pháp mà phổ biến nhất là phương pháp điện áp nút và phương pháp dòng điện vòng Tuy nhiên phương pháp điện áp nút là thuận tiện hơn cho việc tính toán phân tích hệ thống điện vì nó đơn giản trong thuật toán và lập trình trên máy tính Hơn nữa số phương trình điện áp nút cũng ít hơn số phương trình dòng điện vòng

Thiết lập phương trình cân bằng hệ thống dưới dạng tổng dẫn nút sẽ cho kết quả

là một hệ phương trình đại số tuyến tính phức chứa biến là các dòng nút Khi các dòng điện nút được xác định, từ phương trình trên có thể tìm được điện áp nút

Chế độ xác lập của hệ thống điện trong trạng thái làm việc bình thường Hệ thống được giả định vận hành đối xứng và được biểu diễn bằng sơ đồ 1 pha Hệ thống bao gồm nhiều nút và nhánh, các tổng trở được tính theo đơn vị tương đối

Trong tính toán phân tích hệ thống điện, số liệu ban đầu tại nút thường cho là công suất chứ không phải là dòng điện Vì vậy hệ phuơng trình cân bằng trong hệ thống điện thường được thiết lập theo biến công suất, được gọi là hệ phương trình cân bằng công suất, trở thành hệ phương trình phi tuyến và có thể được giải dựa trên sự kết hợp giữa việc sử dụng đại số ma trận và giải tích mạng điện bằng các thuật toán lặp với sự trợ giúp của máy tính

2.2 Các phương pháp tính toán chế độ xác lập hệ thống điện [9], [15]

2.2.1 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Gauss - Seidel

Một nút i của mạng điện, đường dây truyền tải được biểu diễn bằng sơ đồ thay thế hình  , trở kháng biểu diễn trong đơn vị tương đối

Áp dụng định luật Kirchoff cho nút này ta có:

Ii = yi0Ui + yi1(Ui - U1) + yi2(Ui - U2)+ + yin(Ui - Un)

= (yi0 + yi1 + yi2 + + yin)Ui - yi1U1 - yi2U2 - - yinUn (2.1)

Công suất tác dụng và phản kháng tại nút i là:

Pi + jQi =UiIi* (2.2) Nên ta có:

∑ ∑ (i≠j)

Từ biểu thức trên, bài toán giải tích mạng điện với hệ phương trình đại số phi tuyến sẽ được giải quyết bằng kỹ thuật lặp

Trong biểu thức trên, có 2 biến chưa biết tại mỗi nút Trong phương pháp lặp gauss-seidel sẽ giải tìm nghiệm Ui và thứ tự lặp trở thành:

∑

∑ (i≠j) (2.3) Trong đó:

+ yij: điện dẫn thực tế trong đơn vị tương đối

+ Picho

và Qicho

: Công suất tác dụng và phản kháng được cho tại nút i của mạng trong đơn vị tương đối Dòng điện bơm vào nút i giả thiết có giá trị dương Vì vậy đối với các thanh góp có công suất tác dụng và phản kháng bơm vào thanh góp, chẳng hạn thanh góp máy phát, Picho và Qicho có giá trị dương Đối với các nút tải, dòng công suất chạy ra khỏi thanh góp, vì vậy Picho

và Qicho có giá trị âm

- Trường hợp cần tìm Pi, Qi chưa được cho tại một số nút (ví dụ nút cân bằng hay nút P-V) ta sử dụng công thức:

∑ ∑ (2.4)

∑ ∑ (2.5)

+ Phương trình cân bằng công suất nút thường được biểu diễn thông qua các phần tử của ma trận tổng dẫn Trong ma trận tổng dẫn nút Ybus:

- Các phần tử ngoài đường chéo chính: Yii = -yij

- Các phần tử trong đường chéo chính: Yii =  yij

Khi đó ta có:

∑

∑ (i≠j)

- Vì cả hai thành phần của điện áp đã được xác định đối với nút cân bằng,

có 2(n-1) phương trình cần giải quyết bởi phương pháp lặp Trong điều kiện vận hành bình thường, độ lớn điện áp tại các nút gần với giá trị 1.0pu hoặc lân cận giá trị điện áp tại nút cân bằng Độ lớn điện áp tại nút tải hơi thấp hơn tại nút cân bằng do yêu cầu tiêu thụ Q, ngược lại điện áp tại nút phát thì cao hơn Cũng vậy, góc pha tại nút tải thấp hơn nút chọn làm mốc do nhu cầu tiêu thụ P, ngược lại góc pha tại nút phát thì cao hơn do P chạy vào nút Vì vậy phương pháp Gauss - Seidel chọn giá trị đầu của điện áp 1.0 + j.0 cho các nút là thõa mãn, và kết quả nghiệm hội tụ sẽ phù hợp với thực tế

Đối với nút P - Q, công suất Picho và Qicho đã biết trước, tương ứng với giá trị đầu, (2.6) được giải đối với các thành phần thực và ảo của điện áp

Đối với nút điều khiển điện áp P - V, Picho

và |Ui| đã biết, đầu tiên dùng (2.7) tìm nghiệm Qi(k+1)

công suất:  = 0.001pu

Khi bài toán hội tụ, công suất tác dụng và phản kháng tại nút cân bằng được xác định theo công thức (2.6) và (2.7)

2.2.2 Giải tích mạng điện bằng phương pháp lặp Newton-Raphson

Newton-Raphson là phương pháp tốt hơn phương pháp Gauss-Seidel và ít nghiêng về phân kỳ đối với các bài toán có điều kiện xấu Đối với hệ thống điện lớn, phương pháp Newton-Raphson có hiệu quả hơn Số bước lặp cần thiết để giải bài toán không phụ thuộc vào kích thước của hệ thống, nhưng có hạn chế là yêu cầu nhiều hàm tính toán cho mỗi bước lặp

Với bài toán giải tích mạng điện, khi độ lớn công suất tác dụng và điện áp

đã cho trước đối với nút điều khiển điện áp (P-V), phương trình cân bằng công suất nút được biểu diễn trong tọa độ cực

Với thanh góp điển hình hình i, dòng vào nút I cho bởi biểu thức:

Trong phương trình trên j bao gồm cả nút i Giả sử Yịj = |Yij| ij và Uj =

|Uj| j Biểu diễn trên hệ tọa độ cực ta có:

∑| | | | (2.9) Công suất biểu kiến liên hợp tại nút i là:

(2.10) Thay thế Ii từ (2.9) vào trong (2.10):

| | ∑| | | |

= ∑ | | | || | - + (2.11)

∑ | || || | (2.12)

∑ | || || | (2.13) Phương trình (2.12) và (2.13) tạo thành hệ phương trình đại số phi tuyến

có các biến độc lập, độ lớn điện áp tính theo hệ đơn vị tương đối và góc pha tính bằng radian Ta có hai phương trình cho mỗi nút tải, cho bởi (2.12) và (2.13) và một phương trình cho mỗi nút điều khiển điện áp tính theo (2.12)

Khai triển (2.12) và (2.13) thành chuỗi Taylor có chứa các đạo hàm riêng

bậc nhất và bỏ qua các thành phần có chứa các đạo hàm riêng bậc cao ta có hệ

Vị trí nút điều khiển của điện áp với độ lớn điện áp đã cho thì nếu hệ thống

có m thanh góp được điều khiển điện áp, m phương trình chứa  |U| và  Q các

cột tương ứng của ma trận Jacobi sẽ bị loại trừ

Khi đó ta có n-1 ràng buộc công suất tác dụng và n-1-m ràng buộc công

|Ui(k+1)| = |Ui(k)| +  |Ui(k)|

Thuật toán giải mạng điện theo phương pháp Newton-Raphson gồm các

bước sau:

1 Nút tải: cho trước Picho và Qicho, độ lớn và góc pha điện áp chọn bằng giá

trị của nút cân bằng, hoặc chọn: |Ui(0)

6 Giá trị mới của độ lớn điện áp và góc pha

7 Quá trình tiếp tục cho đến khi độ lệch  Pi(k)

và  Qi(k)

nhỏ hơn sai số cho

dễ tính và dễ lập trình, thậm chí ngày nay nó vẫn sử dụng với hệ thống không lớn lắm, phương pháp này gọi là phương pháp Gauss -Seidel Đồng thời phương pháp Newton cũng được đưa ra Phương pháp này có ưu điểm hơn về mặt hội tụ Sau khi cách loại trừ trật tự tối ưu và kỹ thuật lập trình ma trận vevtơ thưa làm cho tốc độ tính toán và số lượng lưu trữ ít hơn, thì phương pháp Newton trở nên rất phổ biến

Ngày nay với hệ thống lớn tới 2000 nút hay hơn nữa thì phương pháp này luôn được dùng Phương pháp dùng ma trận ZNút với các vòng lặp Gauss - Seidel cũng có tính hội tụ như phương pháp Newton nhưng ma trận ZNút là ma trận đầy đủ nên cần bộ nhớ hơn để cất giữ chúng, đó là hạn chế chính của phương pháp này

Cần phải tiến hành các công việc tính toán mô phỏng hệ thống, tính toán các quá trình xác lập và quá độ của hệ thống điện để đảm bảo cho sự vận hành tối

ưu, an toàn, liên tục của hệ thống điện:

- Qúa trình xác lập của hệ thống: Tính toán phân bố công suất, điện áp, dòng điện trên các nhánh ở các chế độ làm việc khác nhau và các sơ đồ kết dây khác nhau của hệ thống Như vậy sẽ giúp cho tạo một phương thức vận hành kinh tế và chất lượng điện năng tối ưu nhất

- Quá trình quá độ được tính khi có các dao động trong hệ thống: Sự cố ngắn mạch trên một phần, khi có sự cắt/đóng tải đột ngột để có phương án bảo vệ rơle và tiến hành sa thải, huy động nguồn, để loại trừ các dao động ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ thống

- Các phần mềm tính toán hầu hết dựa trên cơ sở thuật toán lặp Newton - Raphsson và Gauss - Seidel Trong phần này sẽ giới thiệu một số phần mềm tính toán mô phỏng hệ thống điện

2.3.2 Phân tích và lựa chọn phần mềm tính toán

Hiện nay có nhiều phần mềm khác nhau để tính toán các chế độ của hệ thống điện như: phần mềm PSS/E, CONUS ETAP, POWERWORD, PSS/ADEPT

Mỗi phần mềm đều có một số chức năng và phạm vi ứng dụng khác nhau Phần mềm PSS/E là phần mềm mạnh có nhiều chức năng như mô phỏng hệ thống điện, tính toán trào lưu công suất, tính toán ngắn mạch, ổn định hệ thống điện, [6] hiện nay đang được các công ty điện lực ở Việt Nam ứng dụng Việc triển khai quản lý và tính toán tổn thất điện năng trên lưới điện truyền tải thông qua chương trình phần mềm PSS/E (ĐZ, MBA) sẽ góp phần giúp các công ty truyền tải điện tính toán được tổn thất điện năng trên hệ thống truyền tải điện một cách chính xác, kiểm soát và phân tích được tổn thất điện năng để từ đó đề ra các biện pháp giảm tổn thất điện năng hiệu quả hơn tại từng đơn vị và toàn Tổng công ty Chương trình có thể liên kết dữ liệu với phần mềm quản lý và phối hợp rơle bảo vệ ASPEN ONELine rất tiện dụng Để đánh giá ảnh hưởng của nhà máy thủy điện Đăkđrinh đến các chế độ vận hành của hệ thống điện Việt Nam, tác giả

sử dụng phần mềm PSS/E do những ưu điểm của nó đã nêu ở trên

PSS/E là phần mềm của Công ty Power Technologies, Inc (Mỹ) tính toán

mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống điện, được dùng ở nhiều nước trên thế giới PSS/E là hệ thống các file chương trình và dữ liệu có cấu trúc để thực hiện các công việc tính toán mô phỏng hệ thống điện:

- Tính toán phân bổ công suất

- Tính toán hệ thống khi xảy ra các sự cố

PSS/E dựa trên các lý thuyết về năng lượng để xây dựng các mô hình cho các thiết bị trong hệ thống điện Việc mô hình hóa các thiết bị và thực hiện tính toán phụ thuộc rất nhiều vào giới hạn của các thiết bị tính toán Trước kia, do các máy tính có khả năng còn hạn chế nên việc tính toán trở nên khó khăn, chỉ thực hiện đối với các hệ thống nhỏ và độ tin cậy tính toán không cao Ngày nay, với các kỹ thuật hiện đại, máy tính có các tiện nghi như bộ nhớ ảo, bộ nhớ phân trang

và tốc độ tính toán rất lớn nên việc tính toán mô phỏng trở nên dể dàng và hiệu quả hơn

Sử dụng trong PSS/E để tiến hành mô phỏng và tính toán các quá trình xảy

ra trong hệ thống gồm các bước sau:

- Phân tích các thiết bị vật lý (máy phát, đường dây truyền tải, máy biến

áp, bộ điều tốc, rơle, ) để thực hiện việc mô phỏng và tính toán các thông số đặc trưng và hàm truyền của nó

- Chuyển các mô hình vật lý đã được nghiên cứu thành dữ liệu đầu vào cho chương trình PSS/E

- Chương trình của PSS/E được sử dụng để xử lý dữ liệu, thực hiện tính toán và in kết quả

- Chuyển đổi kết quả tính toán thành các thông số cho các thiết bị thực đã dùng để mô phỏng trong bước 1

Các ứng dụng của chương trình:

- Tính phân bổ công suất: (Power Flow Calculaton)

- Yêu cầu tính toán: Cho nhu cầu phụ tải ở tất cả các thanh cái của hệ thống điện và công suất phát của các nhà máy trong hệ thống Tính phân bổ công suất trên tất cả các đường dây và máy biến áp trong hệ thống

- Phân tích sự cố trong hệ thống điện: (Fault analysys)

Cho phép tính toán chế độ làm việc của hệ thống ở tình trạng sự cố như: Các dạng ngắn mạch, đứt dây, ở bất cứ điểm nào trong hệ thống điện

Tính toán mô phỏng ổn định động: Ta đã biết việc mỗi hệ thống điện, thiết

bị điện có một khả năng tải nhất định Khi có các dao động lớn thì hệ thống điện

có thể xảy ra các dao động lớn dẫn đến làm mất ổn định của hệ thống PSS/E cho phép tính toán mô phỏng các chế độ làm việc của hệ thống khi có những dao động lớn xảy ra Từ kết quả tính toán, cho phép kỹ sư điều hành cáo biện pháp khắc chế nguy cơ tan rã hệ thống do mất ổn định

2.3.3 Tính toán hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E [15]

2.3.3.1.Tính toán phân bổ công suất

- Tính toán phân bổ công suất dựa vào trạng thái làm việc cân bằng của hệ thống điện Ở trạng thái này, điện áp thứ tự nghịch và không là bằng không, việc tính toán chỉ thực hiện với mô hình thứ tự thuận của tất cả các thành phần của hệ thống

- Dữ liệu đầu vào cơ bản của việc tính toán phân bổ công suất là: