Phân tích chế độ xác lập hệ thống điện

PHẠM VĂN HOÀ (Chủ biên)

PHÂN TÍCH CHÊ'ĐỘ XÁC LẬP

HỆ THỐNG ĐIỆN ■ ■

GHI CH u

■ SOOkV DZ 5 0 0 k V (- 2 0 2 0

■ 5 0 0 k V D Z 5 0 Ok V ( - 2 0 10

■ 5 0 0 k V D Z SO Ok V h ien

' 22 Ok V DZ 2 2 Ok V h ien

T ra m 5 0 0k V (- 2 0 2 0 )

T ra m 5 00 k V (- 2 0 1 0 )

T ra m 5 00 k V h icn co

T ra m 2 2 0 k V h icn co

NMTD hicn co

NM N D hicn co

T RUN Cỉ Q u o c

'Quang Ninh

on£ Tin

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

PGS. TS. PHẠM VĂN HOÀ (Chủ biên)

TS. PHƯƠNG HOÀNG KIM

ThS. NGUYỄN NGỌC TRƯNG

PHÂN TÍCH CHÉ Đ ộ XÁC LẬP

HỆ THỐNG ĐIỆN

• Tính toán thiết kế lưới điện

• Tính toán chế độ xác lộp hệ thống điện

• Phăn tích chế độ làm việc của đường dây dài

• Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS

• Cơ khí đường dây

Giáo trình dùng cho sinh viên, học viên cao học các trường Đại học

học kỹ thuật, chuyên ngành Hệ thong điện

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA - HÀ NỘI

Mã số: 100 - 2010/CXB/05 - 09/BKHN

Biên mục trên xuất bản phấm cùa Thư viện Quốc gia Việt Nam

Phạm Văn Hoà

Phân tích chế độ xác lập hệ thống điện : Giáo trình dùng cho sinh

viên, học viên cao học các trường Đại học kỹ thuật, chuyên ngành Hệ

thống điện / Phạm Văn Hoà (ch.b.), Phương Hoàng Kim, Nguyễn Ngọc

Trung. - H. : Bách khoa Hà Nội, 2010. - 232tr. : hình vẽ, bảng ; 24cm

Thư mục: tr. 228-229

1. Hệ thống điện 2. Tính toán 3. Thiết kế 4. Giáo trình

621.31 - del 4

BKB0016p-CIP

2

LỜI NÓI ĐÀU

Sự phát triển các hệ thống điện là tập trung hoá sàn xuất điện năng

trên cơ sờ các nhà máy điện lớn phát triền hợp nhất thành hệ thống lớn phức

tạp bao gồm cả các đường dây tài điện cao áp và siêu cao áp. Do vậy việc

tính toán thiết kế, phân tích các chế độ xác lập đối với chúrg đòi hòi có các

phương pháp tính toán hiện đại, đặc biệt lập trình tính toán bàng máy tính;

sử dụng các kỹ thuật điện từ công suất trong điều khiển nâng cao chất lượng

điện cho hệ thống truyền tài điện là yêu cầu nhất thiết đối với sinh viên, kỹ

sư, học viên cao học và các nghiên cứu viên chuyên ngành “Hệ thống điện”.

Giáo trinh “Phân tích chế độ xác lập Hệ thống điện” sẽ cung cấp các

kiến thức cơ bản về các vấn đề nêu trên. Nội dung giáo trình được tóm tát

sơ lược qua các chương sau:

Chương 1. Phăn tích tính toán thiết k ế lưới điện

Chương này giới thiệu nội dung chính cho một thiết kế lưới điện khu

vực, từ đó bổ sung một số kiến thức phục vụ cho thiết kế như: tính toán cân

bang công suất trong hệ thống điện, xây dụng các phương án nối dãy, chọn

thiết diện dây dẫn và tính toán kinh tế - k ỹ thuật đề chọn phương án tối ưu.

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

Nội dung cùa 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 sô chê độ cùng với các thuật toán hiện đại và sơ đồ khối đê lập

trình cho máy tính.

Chương 3. Đuờng dây siêu cao áp và hệ thông truyền tải điện

Trong chương này phân tích và tính toán chê độ đường dây đồng nhất

(không có các thiết bị bù) và hệ thống truyền tài 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 quà tài điện của đường dây siêu cao áp.

Chương 4. H ệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS

Trong chuơng này giới thiệu các thiêt bị điện tư công suât hiện đại được

cài đặt trong các hệ thống truyền tải điện để điều khiển linh hoạt, tác động

nhanh đàm bào ồn định và nâng cao chất lượne điện cho hệ thống điện.

3

Chương 5. Tính toán cơ kh í đường dây trên không

Chương 5 đề cập một số kiên thức cơ bán 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 chi: 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 già

PGS - TS PHẠM VĂN HOÀ

4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIÉT TẮT

TIẾNG VIỆT:

CĐXL Chế độ xác lập

DSCA Đường dày siêu cao áp

HTĐ Hệ thống điện

MBA Máy biến áp

TDK Tự động điều chình kích từ

TIÊNG ANH:

BESS Battery Energy Storage

System

Hệ thống lưu trữ năng lượng

ăc quy

FACTS Flexible AC Transmission

Systems

Thiết bị điều chinh hệ thống

truyền tải điện xoay chiều

linh hoạt

IPC Interphase Power Controller Thiết bị điều chinh công

suất riêng rẽ

IPFC Interline Power Flow

Controller

MOV Metal Oxide Varistor Biến trở

PI Propotional Integra] Khối tỷ lệ tích phân

POD Power Oscillation Damping Khối giảm dao động công suất

SPS Static Phase Shift Bộ chuyên bán dẫn tĩnh

SSG Static Synchronous

Generator

Máy phát đồng bộ tĩnh

s ssc Stai ' Synchronous Series

■ '0 . ipensator

Thiết bị bù dọc đồng bộ tĩnh

s v c Stauc Var Compensator Máy bù tĩnh điều khiển bằng

thyristor

5

STATCOM Static Synchronous

Com pensator

Máy bù done bộ tĩnh

TCVL Thyristor - Controlled

Voltage Limiter

Máy giới hạn điện áp điêu

khiển bằng thyristor

TCR Thyristor Controlled Reactor Kháng điện điều chinh

thyristor

TCPAR Thyristor - Controlled Phase

Argument Regulator

Thiết bị điều chình góc pha

điều khiển bằng thyristor

TCPST Thyristor - Controlled

Phase Shifting Transformer

Máy biên áp chuyên pha

điều chinh bằng thyristor

đóng cat

TCSC Thyristor Controlled Series

Capacitor

Tụ bù dọc điều khiên bằng

thyristor

TCSR Thyristor - Controlled

Series Reactor

Máy bù dọc điều khiển bằng

điện kháng

TCVR Thyristor - Controlled

Voltage Regulator

Máy điều chinh điện áp điều

khiền bang thyristor

TSC Thyristor Switched

Capacitor

Bộ tụ đóng mờ bằng

thyristor

TSR Thyristor Switched Reactor Kháng đóng mờ bàng UPFC

thyristor

TSSC Thyristor — Switched Series Máy bù dọc bằng tụ điện

TSSR Thyristor — Switched Series

Reactor

Máy bù dọc bằng kháng điện

UPFC Unified Power Flow

Controller

Thiết bị điều khiển công

suất hợp nhất

6

Chương 1

PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN THIẾT KÉ

LƯỚI ĐIỆN

§1.1. CÁC NỘI DUNG CHÍNH CỦA THIÉT KẾ LƯỚI ĐIỆN

Nội dung chính cùa thiết kế luới điện bao gồm:

- Phân tích các phụ tải điện và tính toán cân bằng còng 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 phàn kháng tại các nút phụ tải;

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

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

Trong chương l sẽ giới thiệu một số kiến thức tồng họp 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 đề cập trong giáo trình khác.

§1.2. TÍNH TOÁN CÂN BẰNG CÒNG SUẤT

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.2.1. Cân bang công suất trong truòng họp tổng quát

Đặc điểm cùa hệ thống điện (HTĐ) là chuyển tái tức thời điện năng từ

nguồn đen hộ tiêu thụ và không có khả năng tích trữ lại điện năng với một

7

lượng lớn, có nghĩa là quá trình sàn xuất và tiêu thụ điện xảy ra đồng thời

iheo một nguyên tắc đàm bảo cân bang công suất. Tại từng thời đíêm của

chế độ xác lập cùa hệ thống, các nguồn phát điện phải phát ra công suât

đúng bằng công suất tiêu thụ, trong đó bao gồm cả tồn thất công suất trong

lưới điện.

Xét trường hợp tổng quát HTĐ bao gồm các nhà máy điện và các phụ

tái điện. Sự cân bàng công suất phải được đàm bào về công suất tác dụng

cũng như công suất phán kháng, v ấn đề này được xem xét cụ thể như sau:

1. Cân bằng công suất lác dụng

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

bang công suất như sau:

SPp = mSPpl + IAP + ZP,d + Pdp (1.1)

Trong đó:

£Pf : tồng công suất tác dụng phát ra từ các nguồn;

£Pp, : tổng công suất tác dụng các phụ tải ở chế độ cực đại;

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

ZAP : tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp,

có thề tính gần đúng bằng 5% của mXPpt;

XP,d : tổng công suất tác dụng tự dùng trong các nguồn phát điện, tính

gần đúng bằng 10% cùa IP p ;

Pdp : tông công suất tác dụng dự phòng cho toàn hệ thống, lấy gần

đúng 10% của m £P pI.

Từ phương trình cân bàng nêu trên dễ dàng xác định được tồng công

suất tác dụng phát ra từ các nguồn IPp khi đã biết công suất tác dụng của

các phụ tải.

2. Căn bung công suất phàn kliáng

Sự cân bằng công suất tác dụng được thể hiện bang phương trình cân

bằng công suất như sau:

£ Q f + Qb = m Z Ọ pl + £ A Q b + I A Q l - £ A Ọ C + X Q ld + Q Jp (1.2)

Trong đó:

SQ p: Tông công suất phản kháng các nguôn;

(IQ p = £tgcpFPf ,tg<pf = —— C0S <*>F ,cos(pF là hệ số công suất máy phát)

COSiPp

SQp,: Tổng công suất phán kháng phụ tải;

( XQ = StgtpP , tgcp = ^ C0S - , COS <p là hệ số công suất phụ tải)

coscp

IA Q b : Tổng tồn thất công suất phản kháng trong máy biến áp, có giá

trị khoáng 15% của mSQ

SAQL ,SAQC : Tống tổn thất công suất phàn kháng trên các đường dây

và tông công suât phản kháng do chính các đường dây sinh ra. Hai đại lượng

này có giá trị tuơng đương nhau, do vậy có thê tính gần đúng trong tính toán

cân bàng công suất là XAQL - £AQc = 0

I Q td: Tổng công suất phàn kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;

J l - c o s ’ cp,

(£Q,d = I t g(P,dP,d;tg(P,d = — — ---------,cos(ptd là hệ sô công suât

coscpld

tự dùng).

Qdp: Tông công suất phàn kháng dự phòng cho toàn hệ thống;

J 1 - C 0 S " < P HT

(Qdp = tgtPm-PdpitgVHT = --------------,cos(pdp là hệ sô công suât cùa

c o sọ HT

hệ thống).

: Tổng côna suất bù sơ bộ. Đầy là lượng công suất bù bắt buộc,

gọi là bù cưỡng bức đề đàm bảo càn bàng công suất phàn khána theo

phương trình cân bằng công suất (1.2).

Vậy từ phương trình cần bằng (1.2) dễ dàng xác định được tổng công

suất bù cuỡng bức. Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại

các phụ tài theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có cosip thấp và càng xa thì

càng được phân chia bù công suất phàn kháng nhiều, nhưng hệ số costp

không được quá 0,95.

Ví dụ /. /.

Tổng phụ tài đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (348 + j2 15,76)

MVA. Đè cấp cho tông phụ tải này dự định xây dựrm hai nhà máy nhiệt điện

như sau:

9

NĐ1: 3xlOOMW; COS<pr = 0,8; cosự1(J= 0,75

NĐ2: 3x50MW ; cospF = 0.8; C0 S(Z!ld = 0,75

Liệu hai nhà nláy trên đã đàm bảo cân bàng công suất với phụ tài hay

không?

Bài giài:

1. Cân bằng công suất tác dụng

mIPpl= 348 MW; IAP = 5%.348 =17,4 MW; Pdp= 10%.348 = 34,8 MW

Từ phương trình cân bằng (1.1) ta có:

ZPF-S P ,d = 348 + 17,4 + 3 4 ,8 o 0 ,9 I P f = 400,2 MW

=>IPp= 444,67 MW

Với nguồn hai nhiệt điện nêu trên, khả năng phát công suất là:

3 X 100 + 3 X 50 = 450 MW

Vậy có thể kết luận được rằng hai nguồn nhiệt điện nêu trên hoàn toàn

thỏa mãn cho phụ tài và dự phòng hệ thống.

2. Cân bằng công suất phản kháng

18(V, £ Ồ : , „ , 75;

F 0,8 6 0,75

Ĩ.Qf = 0,75.444,67 = 333,50 MVAR; triLQ , =215,76 MVAR;

Ĩ.ÁQb =15% .215,76 = 32,36 MVAR;

< 4 = 0 ,7 5 . 34,8 = 26,1 MVAR

Từ phương trình cân bằng (1.2) tính được công suất bù sơ bộ là:

Q ĩ = (m ĩ.Q r,+ l A Q B +Ĩ.Q,d + QJp) - Z Q F =

= (2 15 ,7 6 + 3 2 ,3 6 + 0 ,1 .0 ,8 8 2 .4 0 0 ,2 + 2 6 ,1 )-3 3 3 ,5

= - 2 3 ,9 8 M VAR

Vậy không cần bù công suất phản kháng, tự nguồn công suất phản

kháng của nhà máy đảm bảo cấp đủ cho phụ tài.

10

1.2.2. Cân bằng công suất trong trường họp 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 nổi với HTĐ đã có.

Trong tnrờng hợp này việc tính toán cân bằng công suất có đặc thù riêng

cùa nó. Thật vậy, đề cấp điện cho một số phụ tải, thuận tiện nhất là xây

dụng thêm một nhà máy điện cho chúng nếu có điều kiện. Nhà máy này

được kêt nối với HTĐ đã có nhằm hỗ trợ công suất cùng hệ thống: nhà máy

câp điện cho các phụ tải không đú thì cần thiết lấy công suất từ hệ thống về,

ngược lại nêu nhà máy có còng suất dư thừa thì nó lại cấp công suất thêm cho

hệ thông. Do vậy các phương trình cân bằng công suất tác dụng cũng như

công suất phàn kháng còn tham gia công suất hệ thống; cụ thề 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:

■*" ^HT = m ^Ppt + Ptd + Pdp (1 3 )

Trong đó:

Pp: còng suất tác dụng phát ra từ nhà máy;

Pld: công suât tác dụng tự dùng nhà, giá trị của nó phụ thuộc vào loại

nhà máy: nhà máy thủy điện có giá trị 0,8 đến 1,5% Pf nhà máy nhiệt điện

là tù 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 càn bàng 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 trinh cân bằng

công suất phàn kháng sẽ là:

Q F + Q h t + Q b = m£Qp, + Z A Q a + Q ,d + Q J P (1.4)

Trong đó:

Q p: công suất phàn kháng của nhà máy;

11

(Q f = tg<pFPF,tgipF =

l - C O S 2 (pF , ,

-------------- ,coscpF là hệ sò còng suât máy phát)

cos<pF

Q ld: tồng công suất phản kháng tự dùng trong các nguồn phát điện;

- J 1 - C O S ip d , .

(Q,d = tgtptdp,d;tg<p,d --------------------, COS cptli là hệ sô công suât cùa

của hệ thống, thường có giá trị khoáng 0,9)

Các đại lượng khác như cũ (xem mục 1.2.1)

Từ phương trinh cân bang (1.4) dễ dàng xác định được tổng công suất

bù sơ bộ . Từ lượng công suất bù tổng này đem phân chia bù tại các phụ tải

theo nguyên tắc: hộ phụ tải càng có COS <p thấp và càng xa thì càng được phân

chia bù công suất phản kháng nhiều, nhưng hệ so COS ộ) không được quá 0,95.

Ví dụ 1.2.

Tồng phụ tài đã xét đến hệ số đồng thời có giá trị là (362 + j224) MVA.

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

COS(p,d

tự dùng).

Qht : công suất lấy từ/phát về hệ thống;

,C0S(pHT là hệ số công suất

C 0 S (p HT

NĐ1: 3xl00M W ; cospF= 0,85; cos(3td = 0,7

Nhà máy được nối với HTĐ.

Hãy tính toán cân bằng công suất.

Bài giài:

1. Cân băng công suất tác dụng:

m ỵpia = 362 MW; IA p = 5%.362 = 18,1 MW:

Pj = 10%.362 = 36,2 MW; P,J = 10%.300 = 30 M \v

Từ phương trình cân bang (1.3) ta có:

hữữ+ PHT = 362 +18,1 + 36,2 => PHT = 116,3 M \v

12

2. Cân bang công suất phàn kháng:

0,62;

t g e v = — 0 ,9 2 =0,484; Qht = 0,484.116,3 = 56,29 MVAR

Ĩ.Qf =0,62.300 = 186 MVAR; mĩ.Qpl =224 MVAR;

XAQb = 15%.224 = 33,6 MVAR;

Qdp = 0,484.36,2 = 17,52 MVAR

Từ phương trình cân bằng (1.4) tính được công suất bù sơ bộ là:

Qt, — (m £ Q pl + + Qư + Qdp) — + Qht ) =

= (2 2 4 + 3 3 ,6 + 0 ,8 8 2 .3 0 + 1 7 ,5 2 )-(1 8 6 + 56,29)

= 59,29 M V AR

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

1.2.3. Cân bằng công suất trong trường họp trạm biến

áp cấp điện cho các phụ tải

Tại các khu vực thường thiết kế một trạm điện cấp cho các phụ tài của

khu vực đó, mà trạm điện được cấp điện từ hệ thống. Giả thièt việc câp điện

tù 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.

I. Cân bãng công suất tác dụng

Trong trường hợp trạm biến áp cấp điện cho các phụ tải khu vực thi

công suất trạm P-Trạm chì cấp công suất cho các phụ tài cộng thêm tổn thất

trong lưới, phân tự dùng của trạm là không đáng kê, còn công suât dự phòng

là không phái xét vì đây chi là cấp điện nội bộ khu vực. Do vậy:

2. Căn bằng công suất phản kháng

Phưưng trinh cân bằng công suất phản kháng trong trường họp này

đơn giàn như sau:

^ T r ạ m = m ĩ . P p, + Ĩ . A P (1.5)

13

( Q l r a m - l ê ^ r a m ^ T r a m ■ V h n m -

COS Ợ*Ỵrạm

,cos<pjnm là hệ số công

( 1.6)

suất trạm biến áp, thường lấy khoáng 0,85).

Vi dụ 1.3.

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 đê đảm bảo cấp điện cho các phụ tải.

Bài giài:

1. Cân băng công suất tác dụng:

mĩ.Qpt = 96 MVAR; 1&QR = 1596.96 = 14,4 MVAR;

Q l =(96 + 14,4 )-1 0 0 ,91 = 9,49 MVAR

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

§1.3. CHỌN THIÉT DIỆN DÂY DẪN VÀ DÂY CÁP ĐIỆN

Dây dẫn và dây cáp là một thành phần chù yếu của lưới điện. Thiết

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 chi tiêu về chọn thiết diện dây dẫn và áp

dụng chúng cho từng loại lưới điện.

= 155 MW; IA/> = 5%.155 = 7,75 MW;

PTtfm = 155 + 7,75 = 162,75 MW

2. Căn băng công suât phàn kháng:

'g^rạm = 0,62; e T„ m = 0,62.162,75 = 100,91 MVAR

0,85

14