PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ THỐNG ĐIỆN

Giáo trình Lưới điện 2

PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ ( Chủ biên)

TS PHƯƠNG HOÀNG KIM

ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG

PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ

THỐNG ĐIỆN

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA – HÀ NỘI

TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ ( Chủ biên)

TS PHƯƠNG HOÀNG KIM ThS NGUYỄN NGỌC TRUNG

Ph

a LaiUong Bi Hai Phong Ninh Binh Thanh Hoa

Chem

Ha Dong

Ha Tinh Vinh Dong Hoi

Yaly Vinh SonPlei Ku

Quy Nhon SongHinh Thac Mo

Da Nhim Bao Loc Tri An

B

aRiaTr

aNocRach Gia Cai LayPhu Lam

THAIL AN D

Hoc Mon

GHI CHU

500kV DZ 500kV h ien co 220kV DZ 220kV h ien co

Tra m 500kV hien co Tra m 220kV hien co NMTD hien co NMND hien co

Nho Quan

Di Linh

Phu My Nha Be

Thuong Tin

Quang Ninh

D.Nai3&4 Nhon Trach Song May

500kV DZ 500kV (- 2010) Tra m 500kV (- 2010)

500kV DZ 500kV (- 2020) Tra m 500kV (- 2020)

Son La Soc Son

Nha Trang Dien Nguyen tu

Nam Theun 2

Ban Paam

MIEN NAM

Mien Trung

Lai Chau HOA BINH Viet Tri

Quang Tri

Da Nang Doc Soi

Sam Bor

Tan Dinh

O Mon

Thac Ba Ph

a LaiUong Bi Hai Phong Ninh Binh Thanh Hoa

Chem

Ha Dong

Ha Tinh Vinh Dong Hoi

Yaly Vinh SonPlei Ku

Quy Nhon SongHinh Thac Mo

Da Nhim Bao Loc Tri An

B

aRiaTr

aNocRach Gia Cai LayPhu Lam

THAIL AN D

Hoc Mon

GHI CHU

500kV DZ 500kV h ien co 220kV DZ 220kV h ien co

Tra m 500kV hien co Tra m 220kV hien co NMTD hien co NMND hien co

Nho Quan

Di Linh

Phu My Nha Be

Thuong Tin

Quang Ninh

D.Nai3&4 Nhon Trach Song May

500kV DZ 500kV (- 2010) Tra m 500kV (- 2010)

500kV DZ 500kV (- 2020) Tra m 500kV (- 2020)

Son La Soc Son

Nha Trang Dien Nguyen tu

Nam Theun 2

Ban Paam

MIEN NAM

Mien Trung

Lai Chau HOA BINH Viet Tri

Quang Tri

Da Nang Doc Soi

Sam Bor

Tan Dinh

O Mon Thac Ba

PHÂN TÍCH CHẾ ĐỘ XÁC LẬP HỆ

THỐNG ĐIỆN

 Tính toán thiết kế l-ới điện

 Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện

 Phân tích chế độ làm việc của đ-ờng dây dài

 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS

Lời nói đầu

Sự phỏt triển cỏc hệ thống điện là tập trung hoỏ sản xuất điện năng, trờn cơ sở cỏc nhà mỏy điện lớn phỏt triển hợp nhất thành hệ thống lớn phức tạp bao gồm cả cỏc đường dõy tải điện cao ỏp và siờu cao ỏp Do vậy việc tớnh toỏn thiết kế, phõn tớch cỏc chế độ xỏc lập đối với chỳng đũi hỏi cú cỏc phương phỏp tớnh toỏn hiện đại, đặc biệt lập tỡnh tớnh toỏn bằng mỏy tớnh; sử dụng cỏc kỹ thuật điện tử cụng suất trong điều khiển nõng cao chất lượng điện cho hệ thống truyền tải điện là yờu cầu nhất thiết đối với sinh viờn, kỹ sư, học viờn cao học và cỏc nghiờn cứu viờn chuyờn ngành “Hệ thống điờn”

Giỏo trỡnh “ Phõn tớch chế độ xỏc lập Hệ thống điện ” sẽ cung cấp cỏc kiến thức cơ bản

về cỏc vấn đề nờu trờn Nội dung giỏo trỡnh được túm tắt sơ lược qua cỏc chương như sau:

Chương 1 Phõn tớch tớnh toỏn thiết kế lưới điện

Chương này giới thiệu nội dung chớnh cho một thiết kế lưới điện khu vực, từ đú bổ sung

một số kiến thức phục vụ cho thiết kế như: tớnh toỏn cõn bằng cụng suất trong hệ thống điện,

xây dựng các phương án nối dây, chọn thiết diện dây dẫn và tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu

Chương 2 Tính toán chế độ xác lập hệ thống điện phức tạp

Nội dung của chương này là giới thiệu các hệ phương trình mô tả chế độ xác lập hệ thống điện, các phương pháp giải hệ phương trình xác định các thông số chế độ cùng với các thuật toán hiện đại và sơ đồ khối để lập trình cho máy tính

Chương 3 Đường dây siêu cao áp và hệ thống truyền tải điện

Trong chương này phân tích và tính toán chế độ đường dây đồng nhất ( không có các thiết

bị bù) và hệ thống truyền tải siêu cao áp ( bao gồm các đường dây, máy biến áp và các thiết

bị bù), nêu các biện pháp bù dọc và bù ngang nâng cao hiệu quả tải điện của đường dây siêu cao áp

Chương 4 Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS

Trong chương này giới thiệu các thiết bị điện tử công suất hiện đại được cài đặt trong các

hệ thống truyền tải điện để điều khiển linh hoạt, tác động nhanh đảm bảo ổn định và nâng cao chất lượng điện cho hệ thống điện

Chương 5 Tính toán cơ khí đường dây trên không

Trong chương 4 đề cập một số kiến thức cơ bản về cơ khí đường dây trên không như: tỷ tải

cơ học đối với đường dây trên không, độ võng, độ dài dây dẫn trong khoảng vượt và khoảng cột tới hạn

Giáo trình này được dùng cho sinh viên đại học, học viên cao học chuyên ngành hệ thống điện trong các trường đại học, nó còn có thể hữu ích cho các nghiên cứu sinh, cán bộ kỹ thuật

và kỹ sư hoạt động trong lĩnh vực này

Tập thể tác giả rất mong bạn đọc gửi những ý kiến nhận xét và góp ý về cuốn sách theo địa chỉ : Phạm Văn Hoà, Trường Đại học Điện lực, 235 Hoàng Quốc Việt, Email: hoapv@.epu.edu.vn

Xin chân thành cảm ơn

Thay mặt tập thể tác giả

PGS-TS PHẠM VĂN HOÀ

BESS Battery Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng ắc quy

FACTS Flexible AC Transmission Systems Thiết bị điều chỉnh hệ thống truyền

tải điện xoay chiều linh hoat

IPC Interphase Power Controller Thiết bị điều chỉnh công suất riêng

rẽ

POD Power Oscillation Damping Khối giảm dao động công suất

TCR Thyristor Controlled Reactor Kháng điện điều chỉnh thyristor

TSC Thyristor Switched Capacitor Bộ tụ đóng mở bằng thyristor

thyristor

UPFC Unified Power Flow Controller Thiết bị diều khiển công suất hợp

nhất

Chương 1

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN

§1.1 CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA THIẾT KẾ LƯỚI ĐIỆN Nội dung chính của thiết kế lưới điện bao gồm:

- Phân tích các phụ tải điện và tính toán cân bằng công suất;

- Xây dựng các phương án nối dây, tính toán kinh tế kỹ thuật chọn phương án tối ưu;

- Chọn máy biến áp và sơ đồ nối điện chính;

- Tính toán các chế độ vận hành đối với phương án tối ưu;

- Tính toán chọn bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải;

- Lựa chọn phương thức điều chỉnh điện áp tại các trạm biến áp;

- Tính toán các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cho lưới điện

Trong chương 1 sẽ giới thiệu một số kiến thức tổng hợp mang tính lý luận phục vụ cho tính toán thiết kế lưới điện, còn hướng dẫn chi tiết cho các nội dung nêu trên sẽ được đê cập

trong giáo trình khác

§1.2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÔNG SUẤT

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1 Cân bằng công suất trong trường hợp tổng quát

Đặc điểm của hệ thống điện (HTĐ) là chuyển tải tức thời điện năng từ nguồn đến hộ tiêu thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với một lượng lớn, có nghĩa là quá trình sản xuất và tiêu thụ điện xảy ra đồng thời theo một nguyên tắc đảm bảo cân bằng công suất Tại từng thời điểm của chế độ xác lập của hệ thống, các nguồn phát điện phải phát ra công suất đúng bằng công suất tiêu thụ, trong đó bao gồm cả tổn thất công suất trong lưới điện

Xét trường hợp tổng quát HTĐ bao gồm các nhà máy điện và các phụ tải điện Sự cân bằng công suất phải được đảm bảo về công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng Vấn đề này được xem xét cụ thể như sau:

1 Cân bằng công suất tác dụng

Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân bằng công suất như sau:

PF mPptPPtd Pdp (1.1)

trong đó

PF - tổng công suất tác dụng phát ra từ các nguồn;

Ppt- tổng công suất tác dụng các phụ tải ở chế độ cực đại;

m - hệ đồng thời xuất hiện các phụ tải cực đại;

P- tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp, có thể tính gần đúng bằng 5% của mPpt;

Ptd- tổng công suất tác dụng tự dùng trong các nguồn phát điện, tính gần đúng bằng 10% của PF;

Pdp – tổng công suất tác dụng dự phòng cho toàn hệ thống, lấy gần đúng 10% của mpt

P



Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất tác dụng phát ra

từ các nguồn PF khi đã biết công suất tác dụng của các phụ tải

1 Cân bằng công suất phản kháng

Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bằng phương trình cân bằng công suất như sau:

QF Qb mQptQB QL Qc Qtd Qdp

(1.2) trong đó :

QF- tổng công suất phản kháng các nguồn;

F F 2 F

F F

cos

cos1tg

,Ptg

Qpt- tổng công suất phản kháng phụ tải;

Q

2 pt

QB- tổng tổn thất công suất phản kháng trong máy biến áp, có giá trị khoảng 15% của mQpt;

QL,QC- tổng tổn thất công suất phản khảng trên các đường dây và tổng công suất phản kháng do chính các đường dây sinh gia Hai đại lượng này có giá trị tương đương nhau,

do vậy có thể tính gần đúng trong tính toán cân bằng công suất là QLQC 0;

Qtd- tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;

td td 2 td

td td

cos

cos1tg

;Ptg

dp HT

cos

cos1tg

;Ptg

Qb- tổng công suất bù sơ bộ Đây là lượng công suất bù bắt buộc, gọi là bù cưỡng bức

để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng theo phương trình cân bằng công suất (1.2) Vậy từ phương trình cân bằng (1.2) dễ dàng xác định được tổng công suất bù cưỡng bức

Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại các phụ tải theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosφ thấp và càng xa thì càng được phân chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng

hệ số cosφ không được quá 0,95

VÍ DỤ 1.1

Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (348+j215,76) MVA Để cấp cho tổng

phụ tải này dự định xây dựng hai nhà máy nhiệt điện như sau:

75,0cos

;8,0cos

;MW50x:2NĐ

75,0cos

;8,0cos

;MW100x:1NĐ

td F

td F

Bài giải :

1.Cân bằng công suất tác dụng:

MW8,34348

*

%10P

;MW4,17348

*

%5P

;MW348

P

cân bằng (1.1) ta có:

MW67,444

P

MW2,400P

9,08,344,17348P

P

F

F td

,268,34.75

,3276,215

*

%15

Q

;

M VAR76

,215Q

m

;

M VAR50

,33367,444

*75

,

0

Q

;882,075

,0

75,01tg

;75,08

,0

8,01

tg

dp

B

pt F

2 td

2 F

,23

5,333)1,262,400

*882,0

*1,036,3276,215

(

Q)QQQ

Qm

1.2.2 Cân bằng công suất trong trường hợp nhà máy nối hệ thống

Trên thực tế rất ít khi có trường hợp thiết kế một HTĐ hoàn toàn mới, mà thường xảy ra

trường hợp thiết kế một nhà máy nối với HTĐ đã có Trong trường hợp này việc tính toán cân bằng công suất có đặc thù riêng của nó Thật vậy, để cấp điện cho một số phụ tải tuận tiện nhất là xây dựng thêm một nhà máy điện cho chúng nếu có điều kiện Nhà máy này được kết nối với HTĐ đã có nhằm hỗ trợ công suất cùng hệ thống: nhà máy cấp điện cho các phụ tải không đủ thì cần thiết lấy công suất từ hệ thống về, ngược lại nếu nhà máy có công suất dư thừa thì nó lại cấp công suất thêm cho hệ thống Do vậy các phương trình cân bằng công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng còn có tham gia công suất hệ thống; cụ thể như dưới đây

1.Cân bằng công suất tác dụng

Phương trình cân bằng (1.1) trong trường hợp này sẽ trở thành như sau:

PF PHT mPpt PPtd Pdp (1.3)

trong đó:

P - công suất tác dụng phát ra từ nhà máy; F

P - công suất tác dụng tự dùng nhà, giá trị của nó phụ thuộc vào loại nhà máy: nhà máy tdthủy điện có giá trị 0,8 đến 1,5% PF, nhàmáy nhiệt điện là từ 7 đến 15% PF;

PHT – công suất lấy từ/phát về hệ thống

Các đại lượng khác như cũ ( xem mục 1.2.1)

Từ phương trình cân bằng nêu trên dễ dàng xác định được tổng công suất tác dụng lấy từ/phát về hệ thống

2.Cân bằng công suất phản kháng

Trong trường hợp “nhà máy-hệ thống” này phương trình cân công suất phản kháng sẽ là :

QFQHT Qb mQpt QB Qtd Qdp

(1.4) trong đó:

Q - công suất phản kháng của nhà máy; F

F F 2 F

F F

cos

cos1tg

,Ptg

Qtd- tổng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;

td td 2 td

td td

cos

cos1tg

;Ptg

HT HT

cos

cos1tg

;Ptg

hệ số cosφ không được quá 0,95

VÍ DỤ 1.2

Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (362+j224) MVA

Để cấp cho tổng phụ tải này dự định xây dựng nhà máy nhiệt điện như sau:

NĐ1: x100MW;cosF 0,85;costd 0,7

Nhà máy được nối với HTĐ

Hãy tính toán cân bằng công suất

Bài giải :

1.Cân bằng công suất tác dụng:

*

%10P

;MW1,18362

*

%5P

;MW362

P

m

td

dp pt

2,361,18362P

2 Cân bằng công suất phản kháng:

M VAR52

,172,36

*484

,33224

*

%15

Q

;

M VAR224

Qm

;

M VAR186

300

*62

,

0

Q

M VAR29

,563,116

*484,0Q

;484,09

,0

9,01tg

;882,075

,0

75,01tg

;62,085

,0

85,01

tg

dp

B

pt F

HT 2

HT

2 td

2 F

,59)29,56186()52,1730

*882,06,33224

(

)QQ()QQQQ

Vậy cần bù công suất phản kháng là 59,29MVAR

1.2.3 Cân bằng công suất trong trường hợp trạm biến áp cấp điện cho các phụ tải

Tại các khu vực thường thiết kế một trạm điện cấp cho các phụ tải của khu vực đó, mà trạm điện được cấp điện từ hệ thống Giả thiết việc cấp điện từ hệ thống cho trạm điện là không hạn chế, tức là đáp ứng hoàn toàn công suất cho các phụ tải Khi đó việc tính toán cân bằng công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng là như dưới đây

1.Cân bằng công suất tác dụng

có cấp công suất cho các phụ tải cộng thêm tổn thất trong lưới, phần tự dùng của trạm là không đáng kể, còn công suất dự phòng là không phải xét vì đây chỉ là cấp điện nội bộ khu vực Do vậy

PTram mPptP (1.5)

2.Cân bằng công suất phản kháng

Phương trình cân bằng công suất phản kháng trong trường hợp này đơn giản như sau:

QTram Qb mQpt QB

(1.6) trong đó :

QTram- công suất phản kháng trạm biến áp;

( Tram

Tram Tram 2 Tram

Tram Tram

cos

cos1tg

,Ptg

Tổng phụ tải đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (155+j96) MVA

Các phụ tải được cấp điện từ một trạm biến áp

Hãy xác định công suất trạm cần có để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải

Bài giải :

1.Cân bằng công suất tác dụng:

MW75,16275,7155P

;MW75,7155

*

%5P

;MW155

P

công suất phản kháng:

M VAR49

,991,100)4,1496

(

Q

;

M VAR4

,1496

*

%15Q

;

M VAR96

Q

m

M VAR91

,10075,162

*62,0Q

;62,085

,0

85,01tg

b

B pt

Tram 2

Vậy cần bù công suất phản kháng là 9,49MVAR

§1.3 CHỌN THIẾT ĐIỆN DÂY DẪN VÀ DÂY CÁP ĐIỆN

Dây dẫn và dây cáp là một thành phần chủ yếu của lưới điện Tiết diện dây và dây cáp

được lựa chọn theo những tiêu chuẩn kỹ thuật cũng như kinh tế Tùy theo loại lưới điện và cấp điện áp mà ta phải theo tiêu chuẩn nào là chính, là bắt buộc, còn tiêu chuẩn khác là phụ,

là để kiểm tra

Sau đây sẽ giới thiệu một số chỉ tiêu về chọn thiết diện dây dẫn và áp dụng chúng loại lưới điện

1.3.1 Các chỉ tiêu lựa chọn tiết diện dây dẫn

1.Chọn tiết diên dây dẫn theo mật độ kinh tế của dòng điện

Mật độ kinh tế của dòng điện Jkt là một giá trị dòng mà 1mm2 dây dẫn mang tải sẽ đem lại chi phí tính toán là nhỏ nhất Ta sẽ xem xét chi tiết hơn về đại lượng này

Trước hết xét vốn đầu tư đường dây V Vốn đầu tư V phụ thuộc vào chiều dài đường dây,

cụ thể là :

Vv0. (1.7)

trong đó: v0- vốn đầu tư 1km đường dây (đ/km);

 - chiều dài đường dây ( km);

Vốn đầu tư v0 cho 1 km đường dây bao gồm các chí phí không liên quan đến tiết diện dây dẫn như chi phí thăm dò, đền bù, chuẩn bị thi công, cột điện, sứ cách điện,… và chi phí tỷ lệ thuận với tiết diện dây dẫn Do vậy ta có thể biểu diễn V bằng biểu thức sau:

VabF. (1.7a)

trong đó: a- chi phí xây dựng 1 km đường dây phần không liên quan đến

tiết diện dây ( đ/km);

b- hệ số biễu diễn quan hệ giữa vốn đầu tư xây dựng 1 km

đường dây với tiết diện dây dẫn F (đ/km.mm2)

Phí tổn do tổn thất điện năng trên đường dây trong toàn năm được thể hiện qua công thức sau:

      

F.I3 R.I3 P.A

(1.8) trong đó: Imax- dòng điện làm việc max trên đường dây (A);

ρ - điện trở suất của dây dẫn (Ώ.mm2/km);

- giá điện năng tổn thất (đ/kWh);

F - tiết diện dây dẫn (mm2);

 - thời gian tổn thất công suất cực đại (giờ/năm)

Phí tổn vần hàng hàng năm của đường dây:

F.I3 bFaaYV.a

 (1.9) trong đó: avh- hệ số thể hiện chi phi hàng năm cho sửa thường kỳ đường dây hành năm, lương công nhân,…

Vậy cuối cùng ta có hàm chi phí tính toán hàng năm:

F I3 bFa.aaVaY

tc vn max

kt 2

2 max tc

vh tt

aab

3I

F0F

I3 b.aaF

Từ công thức (1.11) có thể đưa ra một số nhận xét như sau:

1) Mật độ kinh tế của dòng điện không phụ thuộc vào điện áp của mạng;

2) Trị sô mật độ kinh tế dòng điện phụ thuộc rất nhiều yếu tố, thay đổi theo tình hình phát triển kinh tế và chính sách của từng nước Trị số mật độ kinh tế dòng điện có thể tra cứu

ở các tài liệu hướng dẫn thiết kế lưới điện hay tham khảo bảng 1.1

3) Từ mật độ kinh tế dòng điện có thế tính toán chọn tiế diện dây dẫn

Bảng 1.1 Mật độ kinh tế dòng diện, A/mm 2

Loại dây dẫn Mật đô kinh tế ứng Tmax,(giờ)

1000-3000 3000-5000 >5000 1.Dây dẫn và thanh dẫn trần

3,0 1,6

3,5 1,9

2,1 1,1

2,5 1,4

3,1 1,7

1,8 1,0

2,0 1,2

2,7 1,6

2 Các chỉ tiêu kỹ thuật khi lựa chọn tiết diên dây dẫn

* Chỉ tiêu về vầng quang điện

Một tiết diện dây dẫn được chọn phải đảm bảo tổn thất do vầng quang là chấp nhận được

Điều kiện này được thể hiện qua chỉ tiêu tiết diện tối thiểu hay điện áp vầng quang tối thiểu như dưới đây

- Chỉ tiêu tiết diện tối thiểu: tiết diện dây dẫn phải đảm lớn hơn tiết diện tối thiểu, FFmin Tiết diện tối thiểu Fmin theo quy định la dây dẫn AC-70 đối với điện áp định mức lưới 110

kV, AC-95 khi điện áp 220 kV

- Chỉ tiêu điện áp vầng quang tối thiểu :

r

alg.r.m84

Uvq   Luoi (1.12) trong đó: m- hệ số xù xì (độ nhẵn) của dây dẫn;

(dây dẫn một sợi m=0,83÷0,98, nhiều sợi vặn xoắn m=0,83÷0,87)

r - bán kính ngoài của dây dẫn (cm);

a- khoảng cách giữa các pha của dây dẫn

Công thức (1.12) tính Uvq áp dụng khi các dây dẫn ba pha bố trí trên đỉnh tam giác đều; Nếu chúng đặt trên cùng mặt phẳng thì đối với pha giữa giảm 4%, còn hai pha bên tăng thêm 6%

* Chỉ tiêu về phát nóng

Một tiết diện dây dẫn được chọn còn phải đảm bảo về chỉ tiêu phát nóng khi sự cố Khi có

sự cố, chẳng hạn đối với mạch vòng bị sự cố một đoạn nào đó hay khi dây lộ kép bị sự cố một lộ thì khi đó dòng điện trên dây dẫn sẽ là dòng điện cưỡng bức, lơn hơn lúc bình thường, dây dẫn phải chịu phát nóng hơn Vậy dân dẫn được chọn phải đảm bảo chỉ tiêu phát nóng như sau:

Imaxcb  k1 k2 Icp (1.13)

trong đó: Imaxcb - dòng điện cưỡng bức lớn nhất;

Icp - dòng điện cho phép của dây dẫn trong điều kiện chuân

(nhiệt độ ch 250C), do nhà chế tạo cho;

k1- hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ;

ch bt cp xq bt cp 1

trong đó: btcp- nhiệt cho phép lúc bình thường, btcp=700C;

xq- nhiệt độ môi trường xung quanh (Việt nam xq=350C)

k2- hệ số xét sự đặt gần nhau của dây dẫn (nếu có), k2=0,92

* Chỉ tiêu tổn thất điện áp

Khi một lưới điện đã được lựa chọn loại dây dẫn cũng như tiết diện của chúng thì nhất thiết tổn thất điện áp kể từ đầu nguồn tới phụ tải xa nhất phải đảm bảo nhỏ hơn một giá trị cho phép lúc bình thường cũng như lúc sự cố:

*Chỉ tiêu về ổn định nhiệt khi ngắn mạch

Đặc trưng về nhiệt đối với dây dẫn khi ngắn mạch là nhiệt độ cuối 2(đơn vị là 0

C) và xung lượng nhiệt BN (đơn vị là A2

sec) Cách xác định hai giá trị này sẽ được đề cập trong giáo trình khác Điều kiện ổn định nhiệt của dây dẫn khi ngắn mạch là:

N

t

C.FI

I   (1.15)

trong đó: cp

2

 - nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch,0C (xem bảng 1.1)

F - tiết diện dây dẫn, mm2;

I - dòng ngắn mạch, A;

tcat- thời gian tồn tại ngắn mạch, sec;

;C

1.3.2 Lựa chọn tiết diện dây dẫn cho các loại lưới điện

1)Đường dây tải điện trên không điện áp từ 35 kV trở lên

Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không điện áp từ 35 kV trở lên được tiến hành qua các bước như sau:

1 Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện;

2 Kiểm tra điều kiện vầng quang (đối với điện áp 110 kV trở lên);

3 Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;

4 Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố

2)Lưới điện cung cấp từ 1kV trở lên đến 35 kV

Lựa chọn tiết diện dây dẫn trên không cho lưới điện cung cấp điện áp từ 1 kV đến 35 kV được tiến hành qua các bước như sau:

1 Chọn tiết diện theo mật độ kinh tế dòng điện;

2 Tính toán tổn thất điện áp lúc bình thường và khi các sự cố

3 Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố đường dây;

3)Đường dây cáp điện lực

Lựa chọn tiết diện dây cáp điện được tiến hành qua các bước như sau:

1 Chọn loại cáp theo vị trí lắp đặt (trong hầm cáp, treo trên tường, chôn trong đất);

2 Chọn tiết diện cáp theo mật độ kinh tế dòng điện;

3 Kiểm tra điều kiện phát nóng lúc bình thường:

Imaxbt  k1 k2 Icp (1.16)

trong đó: Imaxbt - dòng điện làm việc bình thường lớn nhất lớn nhất;

Các hệ số k1,k2 được tính như đã giới thiệu trong 3.1.1, riêng đối với tính k1 theo công thức (1.13a) phải lấy xq=450C đối với Việt nam khi cáp chôn dưới đất

4 Kiểm tra điều kiện phát nóng khi sự cố (đối với cáp lộ kép):

Imaxcb  kqtk1 k2 Icp (1.17)

trong đó: Imaxcb - dòng điện cưỡng bức lớn nhất lớn nhất;

kqt - hệ số quá tải cho cáp

Trong điều kiện làm việc bình thường dòng điện qua cáp không vượt quá 80% dòng điện cho phép (đã hiệu chỉnh), khi sự cố có thể cho phép cáp quá tải 30% trong thời gian không quá 5 ngày đêm; kqt=1,3

5 Kiểm tra ổn định nhiệt khi ngắn mạch theo công thức (1.15)

§1.4 TÍNH TOÁN KINH TẾ-KỸ THUẬT CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU

Bài toán tính toán kinh tế-kỹ thuật để chọn phương án tối ưu trong thiết kế lưới điện rất phong phú Trong khuôn khổ của giáo trình này chỉ thiệu một phương pháp tính toán đơn giản: phương pháp hàm chi phí tính toán không xét yếu tố thời gian, có nghĩa vốn đầu tư và xây dựng chỉ xảy ra trong một năm và chi phí vận hành hàng năm là cố định

Hàm chi phí tính toán được thể hiện như sau:

∆A - tổn thất điện năng ; (kWh)

 - giá điện năng tổn thất (đ/kWh);

Trong trường hợp các phương án có cùng số lượng máy biến áp (MBA) thì trong tính toán vốn đầu tư V chỉ xét đầu tư cho đường dây Vốn đầu tư cho đường dây lộ đơn được tính theo công thức:

V  v0  (1.19)

trong đó:  - độ dài đường dây; (km);

v0 - suất vốn dầu tư cho 1 km đường dây; đ/km

Suất vốn đầu tư cho 1 km đường dây là vốn cho kể cả khảo sát, thiết kế, thi công, dây dẫn, móng, cột,

Hệ số avh có thể lấy khoảng 4%, còn hệ số atc có thể lấy khoảng 12,5%

Tổn thất điện năng được tính theo công thức sau:

AP. (1.20)

trong đó:

P - tổn thất công suất tác dụng toàn lưới, bằng tổng tổn thất công suất tác dụng các đoạn dây; (kWh)

 - thời gian tổn thất công suất cực đại, được tính theo công thức :

0,124104Tmax2.8760 (1.21)

Tmax – thời gian sử dụng công suất cực đại trong năm;

Phương án nào có hàm chi phí tính toán Z nhỏ thì là tối ưu, nếu các chỉ tiêu về kỹ thật đều đảm bảo Ngoài chỉ tiêu về kinh tế phương án tối ưu còn thể hiện ở các chỉ tiêu kỹ thuật: tổn thất điện áp lúc bình thường cũng như lúc sự cố, tổn thất công suất tổng, tin cậy,

2.1.1 Khái quát chung

Bài toán tính chế độ xác lập (CĐXL) hệ thống điện (HTĐ) nhằm xác định dòng công suất, dòng điện trên các nhánh và điện áp tại các nút ứng với mỗi chế độ phụ tải cũng nh- công suất phát của các nguồn với các tổ hợp giá trị khác nhau Đối với HTĐ đơn giản công việc tính toán có thể thực hiện bằng tay, còn đối với HTĐ phức tạp nhiều nguồn, nhiều phụ tải, nhiều cấp điện áp với cấu trúc lới bất kỳ thì việc tính toán bằng tay không thể thực hiện đ-ợc Khi đó cần có các ph-ơng pháp tính lập trình theo ch-ơng trình máy tính Tính toán chế độ xác lập HTĐ bằng các ch-ơng trình máy tính gồm hai vấn đề: lập hệ ph-ơng trình mô tả chế

độ xác lập của HTĐ , giải hệ ph-ơng trình Trong ch-ơng này sẽ phân tích kỹ l-ỡng hai vấn

đề này

2.1.2 Sơ đồ thay thế của hệ thống điện trong tính toán độ xác lập

Phân tích chế độ xác lập của hệ thống điện ba pha đối xứng đ-ợc tiến hành trên sơ đồ thay thế một pha của hệ thống Sơ đồ thay thế biểu diễn cấu trúc hình học và các quá trình năng l-ợng của các phần tử trong hệ thống

Các phần tử trong hệ thống điện đ-ợc chia thành các phần tử tích cực và các phần tử thụ

động

Các phần tử tích cực là các máy phát điện và các phụ tải tiêu thụ điện năng Các phần tử thụ động là các đ-ờng dây trên không, các đ-ờng dây cáp, các máy biến áp trong các trạm, cũng nh- các thiết bị bù nối tiếp và bù song song Tất cảc các phần tử thụ động đ-ợc giả thiết

là tuyến tính

Thông th-ờng, trong tính chế độ xác lập, các phần tử thụ động đ-ợc biểu diễn bằng các sơ

đồ thay thế hình ,  các nhánh của phần các tử thụ động trong sơ đồ thay thế đ-ợc chia thành các nhánh dọc và các nhánh ngang Các nhánh ngang nối giữa các nút sơ đồ với trung tính, nghĩa là nút có điện thế bằng không Các nhánh dọc nối với tất cả các nút, trừ nút có điện thế bằng không, nghĩa là các nhánh dọc không nối với trung tính Các nhánh dọc gồm có

điện trở tác dụng và cảm kháng của các đ-ờng dây truyền tải điện năng, các cuộn dây của các máy biến áp và dung kháng của các thiết bị bù nối tiếp Các nhánh ngang là tổng dẫn của các

đ-ờng dây truyền tải điện năng với đất, của các kháng và các tụ nối đất trong một số tr-ờng hợp, tổn thất công suất trong lõi thép của máy biến áp đ-ợc biểu diễn bằng tổng dẫn nối ngang

Trong tất cả các ch-ơng trình hiện đại dùng để tính toán chế độ xác lập, sơ đồ thay thế của

hệ thống không quy về một cấp điện áp, đồng thời tính đến các tỷ số biến đổi phức của các máy biến áp Điều đó t-ơng ứng với giả thiết rằng, sơ đồ thay thế của máy biến áp gồm có tổng trở nối dọc và máy biến áp lý t-ởng Nếu nh- có các máy biến áp điều chỉnh bổ sung thì các suất điện động của chúng đ-ợc tính trong tỷ số máy biến áp phức Cần l-u ý rằng, tính

chính xác hơn các máy biến áp điều chỉnh bổ sung là vấn đề phức tạp, không cần xét đến trong khi tính các chế độ xác lập

Các phần tử tích cực của hệ thống điện là các máy phát trong các nhà máy điện, chúng phụ thuộc công suất tua bin PT và suất điện động Eq tạo ra bởi hệ thống kích từ Trong tr-ờng hợp chung, cần có xét các quan hệ bên trong của chính máy phát Trong tính toán l-ới điện th-ờng hay chỉ giới hạn đến nút đầu cực máy phát mà ở đó thể hiện bằng công suất phát của chúng Thực tế các thông số đầu ra của máy phát có liên quan rất mật thiết đến công suất tua bin và suất điện động tạo bởi kích từ của máy phát Các ph-ơng trình mô tả mối quan hệ bên trong cho mối máy phát là nh- sau:

; cos U X

X 1 X

X E E

; cos X

U E X

U Q

; P sin X

U E P

; P

P P

0 I 0 U

0 q

d q d

q q Q

q Q q

2 F

T q

Q F

Fdm 0 F T

(2.1)

Trong đó :

- góc lệch pha giữa điện áp thanh cái đầu cực máy phát và sđđ Eq;

- hệ số điều chỉnh tĩnh của thiết bị điều chỉnh công suất tua bin;

Xd,Xq- các điện kháng máy phát thành phần dọc và ngang;

Eq, EQ- các sđđ của máy phát thành phần trục ngang và sđđ cực ẩn;

kU,kI,k- các hệ số điều chỉnh điện áp, dòng điện và tần số;

PF, QF - công suất tác dụng, phản kháng của máy phát

Khi hệ thống có nhà máy điều tần (tại nút cân bằng) tần số đ-ợc giữ không đổi

)PP

;

0

( F  T có thể bỏ qua các ph-ơng trình liên quan đến công suất tác dụng trong (2.1) Với máy phát có Tự động Điều chỉnh Kích từ (TĐK) tác động mạnh, cho phép chọn KUrất lớn thì Eq thay đổi kịp thời đảm bảo độ lệch nhỏ giữa U và U0, nghĩa là có thể coi điện áp

đầu cực máy phát không đổi; Khi đó có thể bỏ qua đ-ớc các ph-ơng trình có liên quan đến

QF, có nghĩa là tại nút đó có một công suất phát phản kháng bình th-ờng Với máy phát có TĐK tác động tỷ lệ, sđđ E’q không đổi sau kháng điện X’d, các ph-ơng trình (2.1) vẫn có thể

đ-ợc bỏ qua nếu trong ph-ơng trình nút phát này được tính đến trước X’d, khi đó Ui=E’qi Trên cơ sở phân tích trên, trong tính toán chế độ xác lập, các máy phát có thể đ-ợc cho nh- sau :

1 Công suất không đổi về trị số P F =const, Q F =const, các biến sẽ làUF,F

Trong tr-ờng hợp này công suất của các máy phát chỉ khác dấu so với tr-ờng hợp cho công suất không đổi của phụ tải tiêu thụ điện Cho công suất tác dụng không đổi phù hợp với điều

kiện làm việc thực của máy phát trong hệ thống, bởi vì công suất tác dụng có thể giữ không

đổi về trị số do điều chỉnh tần số ở các máy phát Cho công suất phản kháng không đổi phù hợp với các chế độ thực của hệ thống, do không có các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng trong các máy phát

biến sẽ làQF,F

Trong tr-ờng hợp này các ẩn số là công suất phản kháng và pha của điện áp Các nút nh-

vậy đ-ợc gọi là nút cân bằng về công suất phản kháng Cho modul không đổi của điện áp và công suất phản kháng tự do phù hợp với các điều kiện làm việc thực của máy phát hay các máy bù đồng bộ có các thiết bị điều chỉnh điện áp để giữ cho modul điện áp UF=const

3.Modul và pha không đổi của điện áp U F =const, F =const, các biến sẽ làPF,QF

Đối với các nút này, các ẩn số là công suất tác dụng và phản kháng, nghĩa là PF=var, QF= var Ph-ơng pháp cho ác số liệu ban đầu nh- vậy phù hợp với các nút cân bằng về công suất tác dụng và phản kháng Những nút đó đ-ợc gọi là nút cân bằng công suất trong hệ thống Công suất của các nút cân bằng đ-ợc xác định theo điều kiện cân băng công suất trong hệ thống có tính đến tổn thất công suất trong các mạng điện

Trong tính toán chế độ xác lập có thể cho một hoặc một số nút cân bằng Mỗi nút cân bằng t-ơng ứng với một nhà máy điện điều khiển tần số, nghĩa là nhà máy điện sẽ đảm nhận phần công suất tác dụng không cân bằng và đồng thời duy trì tần số không đổi trong hệ thống Cho một hay một số nút cân bằng phù hợp với giả thiết rằng tần số trong hệ thống là không đổi Khi phân tí ch chế độ xác lậ p, các phụ tải đi ện có thể đ - ợc bi ểu diễn nh - sau:

pt

pt,

U 

Phụ tải cho bằng công suất không đổi là chính xác đối với các hệ thống điện có đủ các thiết

bị điều chỉnh điện áp Trong các hệ thống đó, điện áp ở các hộ tiêu thụ đ-ợc giữ không đổi nhờ sử dụng rộng rãi các máy biến áp có điều chỉnh điện áp d-ới tải, cũng nh- các máy biến

áp điều chỉnh đ-ờng dây hay các máy biến áp điều chỉnh bổ sung Ngoài ra, còn sử dụng rộng rãi các ph-ơng tiện điều chỉnh cục bộ (các bộ tụ điều khiển, các máy bù đồng bộ,v,v…) Trong các điều kiện đó, điện áp ở hộ tiêu thụ và công suất toàn phần của phụ tải không thay đổi chế

độ Trên thực tế, cho phụ tải bằng công suất không đổi là giả thiết rằng điện áp bằng điện áp danh định

2.Dòng điện không đổi về modul và pha I pt = I’ pt +j I” pt = const

Góc pha của dòng điện đ-ợc xác định so với điện áp nút cơ sở Cho phụ tải bằng dòng điện không đổi và modul và pha th-ờng đ-ợc sử dụng trong khi phân tích chế độ xác lập các mạng phân phối Trong các mạng cung cấp, điện áp của các nút khác nhau nhiều về trị số và pha Vì vậy , ph-ơng pháp biểu diễn phụ tải này có thể dẫn đến sai số lớn trong tính toán chế độ xác lập của các mạng cung cấp

3 Các đ-ờng đặc tính tĩnh, nghĩa là công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải phụ thuộc vào điện áp P pt (U),Q pt (U)

Biểu diễn này phản ánh đầy đủ nhất các tính chất của phụ tải so với các tr-ờng hợp cho bằng dòng điện không đổi hay công suất không đổi, nh-ng phức tạp trong khi tính

4 Tổng dẫn hay tổng trở không đổi Ypt G pt  jB pt Const;Zpt = R pt +jX pt =const

Cách biểu diễn này t-ơng đ-ơng với phụ tải bằng các đ-ờng đặc tính phụ thuộc bình ph-ơng vào điện áp Trên thực tế, tổng dẫn hay tổng trở của phụ tải phụ thuộc vào giá trị điện áp đặt vào phụ tải Vì vậy cách biểu diễn này không đảm bảo độ chính xác cao cho các kết quả tính toán

phụ tải kéo

Điện khí hoá giao thông là dạng đặc biệt của phụ tải có giá trị và vị trí nối thay đổi theo thời gian Các phụ tải này đ-ợc biểu diễn ở dạng Ipt (q), trong đó q là đại l-ợng ngẫu nhiên Phân tích chế độ có xét đến tính chất ngẫu nhiên của phụ tải đ-ợc áp dụng để tính chế độ của các hệ thống cung cấp điện cho đ-ờng sắt

Đ2.2 Hệ ph-ơng trình mô tả chế độ xác lập hệ thống điện bằng ma

trận tổng dân Y , tổng trở Z

Xét một hệ thống điện (HTĐ) một cấp điện áp gồm n+1 nút, trong đó có n nút độc lập và

một nút cân bằng ( nút thứ n+1) Ngoài ra còn có một nút đất ký hiệu là 0 dành cho các nhánh ngang nh- tụ bù ngang, kháng bù ngang, dung dẫn và điện dẫn ngang của đ-ờng dây Nhìn từ

khía cạnh nút i nào đó thì HTĐ có thể thể hiện đơn giản nh- trên hình 2.1

Y io - điện dẫn ngang tại nút i ;

I - dòng điện chảy từ nút i sang nút j ; ij

I i0 - dòng điện chảy từ nút I xuống đất theo nhánh điện dẫn ngang

Theo định luật KiếcKhốp I ta có :

i n

áp dụng định luật KiếcKhốp cho đoạn nhánh triển khai công thức trên ta có:

i

nh ij j i

nh i

i j n

i j j

nh ij i

n

i j j

nh ij i

.

1 1

1 1

i j ij i

nh ij

(2.2a)

- điện dẫn t-ơng hỗ gữa nút i và j : Y ij   Y ijnh (2.2b)

( nếu giữa nút i và j không có kết nối thì Yij = 0 )

Từ công thức (2.2) triển khai thành hệ ph-ơng trình đầy đủ nh- sau:

j 1 n 2

2 , 1 n 1 1 , 1

n

n 1 n 1 n , n n n , n j

nj 2

2 1 1

i 1 n 1 n , n n , j

ij 2

2 i 1 1

i

2 1 n 1 n , 2 n n , 2 j

j 2 2

22 1 21

1 1 n 1 n , 1 n n , 1 j

j 1 2

12 1 11

JUY

UYU

YU

YUY

JUYUYU

YU

YU

YU

YU

YU

YU

Y

JUYUYU

YU

YU

giá trị cho tr-ớc mà nó chỉ đ-ợc xác định sau khi giải tích HTĐ trên cơ sở cân bằng dòng tại nút cân bằng ; J n1bằng tổng dòng các nhánh đ-ợc nối vào nút cân bằng:

j , 1 n 1



(2.4)

Nh- vậy với giá trị dòng các nút Ji;i1n cho tr-ớc hệ ph-ơng trình (2.3) chỉ gồm n

ẩn phức Ui;i1n Do vậy cần thiết đ-a hệ ph-ơng trình (2.3) về hệ ph-ơng trình gồm n

ph-ơng trình là đủ Thực vậy, không mất bản chất toán học ta thế các biến Ui;i1n bằng

biến Ui Ui Ucb, đ-ợc goi điện áp chênh lệch giữa nút i và cân bằng Với sự thay thế biến này, từ hệ ph-ơng trình (2.3) có thể viết thành ph-ơng trình (2.5) nh- sau:

nj 2

2 1

1

i n n , j

ij 2

2 i 1

1

i

2 n n , 2 j

j 2 2

22 1

21

1 n n , 1 j

j 1 2

12 1

11

JUYU

YU

YU

YU

YU

YU

YU

Y

JUYU

YU

YU

n

2 1

nn 2

1

n 22

21

n 12

11

J

JJ

U

U

UxYY

Y

YY

Y

YY

Ma trận tổng trở Z là ma trận nghịch đảo của ma trận tổng dẫn, là ma trận vuông kích

th-ớc (nxn), cũng là ma trận đối xứng (Zij Zji ) Ma trận tổng trở Z là ma trận dầy đặc (các phần tử th-ờng là khác không) vì nó là kết quả của phép nghịch đảo của ma trận tổng dẫn Y,

chứ không thể hiện gì về cấu hình nối của l-ới điện

A nh

A nh

U

U

*25,125,00

25,01

25,0

025,025,1

3 2 1

A

1

2

3 Hình 2.2 Sơ đồ l-ới điện cho ví dụ

(

Z

;)2,13j9

(

Z

;)3,10j3

; kA 182 , 0 j 273 , 0 J

; kA 091 , 0 j 136 , 0 J

3 2 1

,

11

1

;048,0036,02,139,9

1

;048,0025,04,164

,

8

1

;039,0020,05,205,10

1

;079,00381,03,103

2 1

j j

Y

j j

Y j

j Y

j j

Y j

j Y

nh

nh nh

A

nh A nh

;1,0092,0

;126,0076,023 3 33

23 2 12 22 12

1

11

j Y

Y

Y

j Y

Y Y Y j

Y Y

Y

nh nh

A

nh nh A nh nh

Tõ hÖ ph-¬ng tr×nh (2.3) ta thÊy ph-¬ng tr×nh nót i ®-îc viÕt nh- sau :

i j ij i

,

0

(

182,0273,

0

(

)091,0136

,

0

(

08,0051,0)041,0031,0(0

)041,0031,0(138,0092,0)049,0036

,

0

(

0)

049,0036,0(126,0076

,

0

3 2 1

j j j

U U

U x j

j

j j

j

j j

công suất là : ;

ˆ

ˆ

U j U

jQ P U

thôi Điều này cần hết sức l-u ý để tránh tính toán sai sót

Các thông số áp, công suất, tổng trở và tổng dẫn thể hiện d-ới dạng véc tơ nh- trên hình 2.3 Từ hình 2.3 có thể viết :

n iị i

ij j i ij

j i j i ij ii

i

ii

jQ P

j U

U Y j

U

Y

S U

U Y

1

1

sincos

sin

cos

ˆ

.ˆ

i j 1 j

ij j i ij j i ii

ii 2 i i

1 n

i j 1 j

ij j i ij

j i ii

ii 2 i i

SinYUUSin

YU

Q

CosYUUCos

YU

j i ij

j i

ij j i

ij j i ij

j i ij

j i

ii ii

ii ii

ii ii

Cos

Sin Sin

Sin

Sin

Cos Cos

Cos

Cos Sin

Sin Cos

)90(

90

90

;sin90

i

j 1j

ij j i ij

j i ii

ii

2 i i

1 n

i j 1 j

ij j i ij j i ii

Y U

Q

Sin Y U U Sin

Y U

i j 1 j

ij j i nh

ij j i ii

ii 2

i

i

1 n

i j 1 j

ij j i nh ij j i ii

ii 2

i

i

CosYUUCos

YU

Q

SinYUUSin

YU

P

(2.6b)

Cần l-u ý rằng trong các công thức tính trên các giá trị góc phải để ở đơn vị Radian

Nh- vậy một HTĐ với n nút độc lập, một nút cân bằng sẽ đ-ợc mô tả bằng 2n ph-ơng trình, trong đó n ph-ơng trình là công suất tác dụng Pi cho các nút độc lập, n ph-ơng trình còn lại là công suất phản kháng Qi cho các nút độc lập Các biến ẩn của hệ ph-ơng trình là điện áp các nút,bao gồm modun và góc lệch của chúng: U1,U2, ,U n,1,2, ,n

Nút cân bằng (nút thứ n+1) điện áp cho tr-ớc U cb U cb0, còn các công suất tác dụng Pcb

và công suất phản kháng Qcb tại nút cân bằng đ-ợc xác định sau khi giải tích HTĐ trên cơ sơ cân bằng công suất tại nút cân bằng Giá trị công suất nút cân bằng bằng tổng công suất các nhánh nối vào nút cân bằng:

j cb cb

cb j j cb

;)4,164,8(

;)5,205,10(

;)3,103,5(

23 12

3 2

1

j Z

j Z

Z j

Z j

Z

nh nh

nh A nh

A nh

135 , 0 Y 138 , 0 j 092 , 0 Y

; 147 , 0 Y 126 , 0 j 076 , 0 Y

051 , 0 Y 041 , 0 j 031 , 0 Y

; 06 , 0 Y 048 , 0 j 036 , 0 Y

054 , 0 Y 048 , 0 j 025 , 0 Y

; 044 , 0 Y 039 , 0 j 020 , 0 Y

088 , 0 079 , 0 079 , 0 0381 , 0 0381 , 0 Y 079 , 0 j 0381 , 0 Y

33 33

22 22

11 11

nh 23

nh 23

nh 12

nh 12

nh 3 A

nh 3 A

nh 2 A

nh 2 A

nh 1 A

nh 1 A

R arctg

,

15

6 ,

11

arctg

; radian 715 , 0 967 , 40 2 , 13

9 , 9 arctg

; radian 526 , 0 135 , 30 5 , 20

5 , 10

arctg

; radian 526 , 0 135 , 30 4 , 16

4 , 8 arctg

; radian 528 , 0 254 , 30 3 ,

; 590 , 0 Sin

; radian 631 , 0 131 , 36 08

; 735 , 0 Sin

; radian 826 , 0 349 , 47 1 , 0

553 , 34

* 1416 , 3 553 , 34 126

23

0 12

0 3

A

0 2

A 0

1

A

33 33

0 33

22 22

0 22

11 11

0 11

*095,0

*

;056,0590,0

*095,0

*

092,0678,0

*135,0

*

;099,0735,0

*135,0

*

121,0824,0

*147,0

*

;083,0567,0

*147,0

*

33 33

33

33

22 22

22

22

11 11

Y

Cos Y

Sin

Y

Cos Y Sin

Y

Víi c¸c th«ng sè tÝnh to¸n trªn, hÖ ph-¬ng tr×nh (2.6b) ®-îc thay b»ng sè sÏ lµ:

*.)526,0(

*044,0

)717,0(

*051,0

)526,0(

*044,0

*.)715,0(

*060,0

*06,0.)528,0(

*088,0

*051,0.)526,0(

*044,0

)717,0(

*051,0

)526,0(

*044,0

*.)715,0(

*060,0

*

*06,0

*.)528,0(

*088,0

*

3 3

3 2

3

3 2 3

2

2 2

1 2 1

2 2

2

2 1 2

1 1

1 2

1

2 3 2

3 3

3 2

3

3 2 3

2

2 2

1 2 1

2 2

2

2 1 2

1 1

1 2

U Cos

U U U

Cos U

U

Cos U

U Cos

U U U

Cos U

U Cos

U U

U

Sin U

U Sin

U U U

Sin U

U

Sin U

U Sin

U U U

Sin U

U Sin

U U U

A

A A

A

A A

Nếu UA= 121 kV thỡ hệ phương trỡnh trờn sẽ là:

*051,0

*.)526,0(

*324,5

)717,0(

*051,0

*

)526,0(

*324,5

*)715,0(

*060,0

*

*06,0

*.)528,0(

*648,10

*051,0

*.)526,0(

*324,5

)717,0(

*051,0

*

)526,0(

*324,5

*)715,0(

*060,0

*

*06,0

*.)528,0(

*648,10

3 3

3 2

3

3 2 3

2

2 2

1 2 1

2 2

2

2 1 2

1 1

1 2

1

2 3 2

3 3

3 2

3

3 2 3

2

2 2

1 2 1

2 2

2

2 1 2

1 1

1 2

U Cos

U U

Cos U

U

Cos U

Cos U

U U

Cos U

U Cos

U U

Sin U

U Sin

U U

Sin U

U

Sin U

Sin U

U U

Sin U

U Sin

U U

0 nếu nh- nhánh j không nối với nút i

mij = 1 nếu nh- dòng điện trong nhánh j rời khỏi nút i

-1 nếu nh- dòng điện trong nhánh j đi vào nút i

Ví dụ sơ đồ l-ới hình 2.2 đ-ợc thể hiện bằng graph nh- trên hình 2.4, ta có ma trận M nh- sau:

Nhánh 1 2 3 4 5

Nút 1 - 1 0 0 1 0

2 M= 0 -1 0 -1 -1

3 0 0 -1 0 1

2.4.2 Ma trận nối vòng-nhánh N

Nh- chúng ta đã biết, nếu nh- graph có m nhánh và n nút, thì số vòng độc lập k của graph

bằng : k = m-n+1

Để thành lập ma trận nối vòng-nhánh, cần tiến hành chọn các vòng độc lập của graph,

đánh số thứ tự và chọn chiều đi cho chúng

Quan hệ giữa các nhánh và các vòng độc lập của graph có huớng đuợc mô tả băng ma trận nối vòng- nhánh N, các hàng là các vòng độc lập, còn các cột là các nhánh Mỗi phần tử nij ở hàng i và cột có một trong các giá trị sau:

0 nếu nh- nhánh j không có trong vòng i

nij = 1 nếu nh- chiều nhánh j trùng với chiều vòng i

-1 nếu nh- chiều nhánh j ng-ợc chiều vòng i

Ví dụ graph nh- trên hình 2.4, ta có ma trận N nh- sau:

nh nh nh

Z Z

Z Y

Z

Z Z Z

1 2

) 041 , 0 j 031 , 0 ( ) 138 , 0 j 092 , 0 ( ) 049 , 0 j 036 , 0 (

0 )

049 , 0 j 036 , 0 ( 126 , 0 j 076 , 0 (

1 1 0

0 1 1

1 0 0

0 1 0

0 0 1

x

x

4 , 15 j 6 , 11 1

2 , 13 j 9 , 9 1 4 , 16 j 4 , 8 1 5 , 20 j 5 , 10 1 3 , 10 j 3 , 5 1

x 1 0 1 0 0

1 1 0 1 0

0 1 0 0 1

Y 

2.Tổn thất điện áp trên các nhánh :

Tổn thất điện áp trên các nhánh thể hiện bằng ma trận cột đ-ợc tính qua ma trận nối

nút-nhánh chuyển vị và ma trận cột điện áp chêch lệch các nút nh- sau:

Dòng điện trong các nhánh đ-ợc xác định bằng tích ma trận đ-ờng chéo tổng dẫn nhánh

với ma trận cột tổn thất điện áp các nhánh:

I nh  Y nh  U  (2.10)

Dạng đầy đủ:

2 nh

1 nh

nhm

2 nh

1 nh

U

UUxY

YY

Chúng ta tiến hành viết ph-ơng trình dòng- áp theo định luật ôm trên đoạn mạch cho hai tr-ờng hợp này và tr-ờng hợp nhánh không phải là MBA( đ-ờng dây) nh- sau :

- Tr-ờng hợp dòng điện đi từ điện áp cao sang điện áp thấp:

ij j i

B ij

j i

Z

UKU

ij

j i

2 2

B ij

j i

Z

UKUK

KZK

UU

ij

j i

Z

UU

b) Dòng điện từ điện áp thấp sang điện áp cao(MBA tăng áp)

Xột một nỳt i bất kỳ, cú thể bao gồm nguồn dũng Ji và nối với cỏc nỳt j bằng cỏc loại nhỏnh: đất, đường dõy, MBA tăng ỏp, MBA hạ ỏp (hỡnh 2.6)

- Nhánh nối với các nút j cùng cấp điện áp Các nhánh loại này nằm trong tập hợp α

- Nhánh nối với nút 0 Đó là nhánh tổng trở phụ tải, nhánh điện dẫn/dung thành phần ngang của dây dẫn nút 0 có điện áp Uj = 0 Các nhánh loại này trong một tập hợp chung ký hiệu là

nh ij i

nh ij nh

ij

j nh ij nh

ij i j nh ij nh

ij i

j nh ij nh

ij

i

i nh ij j i

nh ij j i

nh ij j

i

J U Y K U

Y U

Y K Y

hay

U Y K Y

U U Y K Y

K U U Y Y

U

J Y U K U Y

U K U K Y

2

2 2

,

nh ij

Y    (2.12)

gọi là điện dẫn riêng của nút i

khi không phải là nhánh MBA khi là nhánh MBA

K

K

Hình 2.6 Sơ đồ đặc tr-ng nút i

0

ij

ij

Y K

Khi đó ph-ơng trình trạng thái nút i sẽ là :

Y iiU  i   Y ij U  j  J i (2.14)

Triển khai công thức (2.14) cho toàn l-ới ta đ-ợc hệ ph-ơng trình có dạng (2.3), trong đó các hệ số điện dẫn đã xét đến các nhánh có MBA Cần l-u ý ở đây là: nút i có liên kết nút j thì tồn tại điện dẫn Y , còn không liên kết thì ij Y =0 ij

Trờn đõy từ cỏc mục Đ2.2 đến Đ2.5 giới thiệu cỏc hệ phương trỡnh mụ tả chế độ xỏc lập của HTĐ Đõy là các hệ ph-ơng trình đại số tuyến tính hay phi tuyến dạng số thực hay số phức Vậy thực chất việc giải tích chế độ xác lập HTĐ là giải các hệ ph-ơng trình này Ph-ơng pháp giải các hệ ph-ơng trình này đã giới thiệu trong các ch-ơng trình toán học, ở đây chỉ nhắc lại một cách tóm tắt và chủ yếu đi vào áp dụng giải tích cho mạng điện

Để giải một hệ ph-ơng trình có hai nhóm ph-ơng pháp giải, đó là:

 Ph-ơng pháp trực tiếp : ph-ơng pháp nghịch đảo ma trận tổng dẫn, phương phỏp tớnh

trực tiếp ma trận tổng trở, ph-ơng pháp khử Gauss Các ph-ơng pháp này chủ yếu sử dụng khi hệ ph-ơng trình là tuyến tính

 Ph-ơng pháp lặp : ph-ơng pháp lắp Gauss (Gauss-Seidel), ph-ơng pháp lặp

Newton-Raphson Các ph-ơng pháp này chủ yếu sử dụng khi hệ ph-ơng trình là phi tuyến Sau đây sẽ giới thiệu chi tiết các ph-ơng pháp giải nêu trên

Đ2.6 Ph-ơng pháp nghịch đảo MA TRẬN tổng dẫn Y

Hệ ph-ơng trình mô tả chế độ xác lập HTĐ viết d-ới dạng tổng dẫn Y đã thiết lập trong mục 2.2 nh- sau :

J U

   T

ij

1

YD

25 , 0 25 , 1 25 , 0 25 , 0

0 25 , 1 25 , 0 0 , 1

0 25 , 0

25 , 0 0

25 , 0 25 , 1 25

, 1 0

0 25 , 1 0

25 , 0

25 , 1 25 , 0

25 , 0 0

0 , 1 25 , 0 25 , 1 0

25 , 0 25 , 0 25

, 1 25 , 0

25 , 0 0 , 1

A A A

A

A A A

A

A A

A A

A A A

A

A A A A

A A

A A

A A A A

A A A

A

A A

D

1 Y

Z

22 21

13 11 23

21

13 11 23

22

13 12

12 11

32 31 33

31

13 11 33 32

13 12

32 31

22 21 33 31

23 21 33

32

23 22

1

846,0222,00445,0

222,0112,1222,0

0445,0222,0846,0

1875,1312,00625,0

312,0562,1312,0

0625,0312,01875,1

25,125,00

25,01

25,0

025,025,1

3 2 1

U U

U x

406 , 1 0782 , 0 0782 , 0 562

,

1

25 , 1 ).

25 , 0 )(

25 , 0 ( 25 , 1 ).

25 , 0 )(

25 , 0 ( 25 , 1 1 25 ,

1

25 , 1 25 , 0 0

25 , 0 1

25 , 0

0 25 , 0 25 , 1

222,2

048,2312846,0222,00445,0

222,0112,1222,0

0445,0222,0846,0

778,7

952,7

851,2

222,2

048,2101010

3 2

U U

¸p dông c«ng thøc (2.9) tÝnh ®-îc tæn thÊt ®iÖn ¸p trªn c¸c nh¸nh:

174,0

851,2

222,2

048,2

851,2

222,2

048,2

*

110

011

100

010

001

5 4 3 2 1

U U U U U U

044,0

851,2

111,4

048,2

629,0

174,0

851,2

222,2

048,2

25,0

25,01

5,01

)9,078,15(10)49,0036,0)(

08,0051,0()04,0031,0(

)126,0076,0()08,0051,0)(

138,0092,0)(

126,0076,0(

4 2

2

j

j j

j j

j j

j j

,

0

(

182,0273

,

0

(

)091,0136

,

0

(

08,0051,0)041,0031,0(0

)041,0031,0(138,0092,0)049,0036

,

0

(

0)

049,0036,0(126,0076

,

0

3 2 1

j j j

U U

U x j

j

j j

j

j j

1 1

08,0051,0)041,0031,0(0

)041,0031,0(138,0092,0)049,0036,0(

0)

049,0036,0(126,0076,

j j

j

j j

Y

)32,402,2()57,742,4()27,352,1

(

)85,166,0()27,352,1()2,793,3(

j j

j

j j

j

j j

j Z

250,2746,3

540,1983,1

)066,0182,0(

)182,0273,0(

)091,0136,0(

)26,1159,6()32,402,2()85,166,0(

)32,402,2()57,742,4()27,352,1(

)85,166,0()27,352,1()2,793,3(

j j j

j j

j x

j j

j

j j

j

j j

j U

250,2254,117

54,1017,119634

,2528,3

250,2746,3

54,1983,1121121121

3 2 1

j j j

j j j

U U

U U

)138,0j092,0()049,0j036

,

0

(

)049,0j036,0()126,0j076

,

0

(

)041,0j031,0()049,0j036

,

0

(

0)

126,0j076

,

0

(

)041,0j031,0()138,0j092

,

0

(

0)

049,0j036

,

0

(

)041,0j031,0(0

)049,0j036,0()126,0j076

,

0

(

)08,0j051,0(0

0)

126,0j076

,

0

(

)08,0j051,0()041,0j031

,

0

(

0)

049,0j036

,

0

(

)041,0j031,0(0

)138,0j092,0()049,0j036,0(

)08,0j051,0(0

)041,0j031,0()049,0j036,0(

)08,0j051,0()041,0j031,0(

)041,0j031,0()138,0j092,0

đồ lưới Đó là phương pháp dòng điện đơn vị và phương pháp mở rộng sơ đồ Dưới đây sẽ giới thiệu hai phương pháp xác định ma trận tổng trở Z trực tiếp từ sơ đồ lưới

2.7.1 Phương pháp dòng điện đơn vị

Trước hết ta phân tích ý nghĩa các tổng trở trong ma trận tổng trở Z :

Tổng trở riêng nút i nào đó,Z là tỷ số giữa điện áp nút i là ii U dòng tại nút i là i Iiứng khi nút i hở mạch nếu là nút tải, còn là nút nguồn thì có suất điện động và tổng trở của nó ;

Tổng trở tương hỗ giữa nút i với các nút j,Z là tỷ số giữa điện áp nút j là ij U và dòng tại jnút i là Ii ứng khi nút j hở mạch, áp một điện áp U các suất điện động nguồn bị nối tắt, jcón các nút phụ tải bị hở mạch Vây ta có:

i

j ij i

j 0 I i

i

I

UZI

Từ ý nghĩa nêu trên để xác các giá trị tổng trở riêng và tổng trở tương hỗ nêu trên cho một

sơ đồ lưới điện ta tiến hành như sau: để xác định các tổng trở cột i của ma trận tổng trở Z ( kích thước nxn với lưới có n nút), tại nút i bơm một dòng đơn vị (Ii =1), các suất điện động nguồn bị nối tắt, các nút tải hở mạch, giải tích lưới điện được điện áp các nút Ui i1n; sau đó tính các tổng trở theo công thức (2.17) Vì dòng điện có giá trị đơn vị nên các tổng trở bằng chính điện áp tương ứng (Zii Ui;Zji U j j1n ji)

- Tại nút 1 bơm dòng I1=1, các suất điện động nguồn nối tắt, các nút tải hở mạch;

- Giải tích lưới điện sẽ được điện áp các nút U1,U2, ,Un;

- Theo công thức (2.17) xác định được tổng trở riêng nút 1 và tổng trở tương hỗ giữa nút 1 với các nút còn lại Nhưng vì dòng I1=1, nên tổng trở chính là điện áp; cụ thể là

n 1 2 21 1

11 U ;Z U , ,Z U

Z        

Như vây ta xác định được các tổng trở cột 1 của ma trân tổng trở Z

Để xác định các tổng trở cột 2,3,…,n của ma trận tổng trở Z ta tiến hành tương tự với việc bơm dòng đơn vị cho nút tương ứng

Phương pháp xác định ma trận tổng trở Z nêu trên được gọi là phương pháp “ Dòng điện đơn vị” Phương pháp này có nhược điểm cơ bản là phải giải tích lưới điện n lần; đành rằng

đó chỉ là giải tích lưới có một nguồn dòng nên không mấy khó khăn

VÍ DỤ 2.6

Cho sơ lưới điện hình 2.7a với sơ đồ thay thế hình 2.7b (bỏ qua tổn thất và các nhánh ngang) Giá trị điện kháng các nhánh như sau:

;4,0jX

;2,0jX

;25,0jX

23 14

8 , 0 j ) X X (

1

Y

Y

; 8 j Y

; 5 , 2 j Y

; 5 j Y

; 4 j Y

; 4 j X

1

Y

F B F

F

34 24

23 14

Biến đổi sơ đồ hình 2.8 nhƣ sau:

- Biến đổi tam giác 2-3-4 thành sao với các điện dẫn 2,3,4 :

j

5,2j

*8j5,

,2j

8j

*5,2j8j5jY

;0625,9j8

j

5,2j

*5j5,

ZU6840,0j3603,1j)319,0j//

2845,0j(//

)8,0

;2845,0j)

0

I

2135,0319,0j2845,0j

2845,0j

*4528,

13 1 3

41 14

14 1 4

Z6242,0j)4j(2393,0684,0jYIU

U

Z6306,0j)4j(2135,0684,0jYIU

Z  ; và như vậy tạo thành lưới điện mới có (k+1) nút, đương nhiên khi đó ma trận tổng trở mới Z(k1)*(k1) sẽ có kích thước là (k+1)*(k+1) Vấn đề đặt ra là tính toán các phần tử của ma trận tổng trở mới Z(k1)*(k1)sẽ được tính toán như thế nào? Chúng được xác định như sau:

- Đóng thêm nhánh cây Znhp,k1 với p là nút cũ không làm thay đổi k hàng, k cột cũ của ma trận tổng trở mới;

- Xác định giá trị tổng trở các phần tử cột mới (k+1): đặt nguồn dòng đơn vị vào nút (k+1)

và tìm áp tất cả các nút Nút các nút cũ giống như khi đặt nguồn dòng vào nút p, do vậy giá trị