ĐẶT VẤN ĐỀ Cấu trúc của HTĐ bao gồm ba bộ phận chủ yếu: NMĐ, các mạng lưới truyền tải và các hộ tiêu thụ điện. Trong tất cả các bài toán tính toán HTĐ như: tính toán trào lưu công suất, tính toán dòng điện ngắn mạch, tính toán ổn định…thì việc mô phỏng các phần tử của HTĐ là công việc đặt nền móng ban đầu và đóng vai trò quyết định đến tính đúng sai của bài toán. Bài toán tính toán HTĐ dù là tính bằng tay (cho các bài toán đơn giản) hay tính bằng máy (cho các bài toán phức tạp) thì cũng cần phải có phương pháp mô phỏng các phần tử của HTĐ hợp lý, chính xác và phản ánh được các phản ứng của thiết bị đó trong thực tế đối với các chế độ nghiên cứu khác nhau.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CÁC PHẦN TỬ TRÊN HTĐ 2.1 Những giả thiết cơ bản Để thiết lập sơ đồ mô phỏng các phần tử trên HTĐ cần có các giả thiết nhằm đơn giản hoá nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác cho các ứng dụng thực tế [9]. a, Tần số hệ thống không thay đổi: thực tế sau khi xảy ra ngắn mạch công suất của các máy phát thay đổi đột ngột.
Sự thay đổi này dẫn đến mất cân bằng mô men quay (giữa mô men phát động của tua-bin và mô men hãm điện từ của máy phát), tốc độ quay bị thay đổi trong quá trình quá độ. Tuy nhiên, ngắn mạch được tính toán ở giai đoạn đầu nên sự biến thiên tốc độ còn chưa đáng kể. Giả thiết này làm đơn giản đáng kể phép tính, ví dụ các điện kháng sẽ có trị số không đổi. b, Bỏ qua bão hoà từ: bình thường lõi thép của nhiều thiết bị điện làm việc ở trạng thái gần bão hoà.
Trong trạng thái ngắn mạch mức độ bão hoà từ có 11 thể tăng cao hơn. Tuy nhiên để đơn giản coi mạch từ không bão hoà, khi đó điện cảm của phần tử là hằng số và mạch điện là tuyến tính. Trên thực tế, do số phần tử mang lõi thép chỉ chiếm số lượng ít trong HTĐ, ở tình trạng ngắn mạch điện áp đặt vào cuộn dây ít khi bị tăng cao nên sai số không nhiều. c, Hệ thống sức điện động ba pha của nguồn là đối xứng: khi ngắn mạch không đối xứng, phản ứng phần ứng các pha lên từ trường quay không hoàn toàn giống nhau.
Tuy nhiên, từ trường vẫn được giả thiết quay đều với tốc độ không dổi. Khi đó, sức điện động ba pha luôn đối xứng. Thực tế, hệ số không đối xứng của các sức điện động không đáng kể. d, Có thể áp dụng nguyên lý bảo toàn từ thông cho các mạch có cuộn dây điện cảm (từ thông móc vòng tổng không đột biến).
Với giả thiết này, các máy điện quay (máy phát, động cơ đang làm việc) tương ứng với mô hình nguồn sức điện động tỷ lệ với các từ thông móc vòng. Các từ thông này không đột biến nên các sức điện động quá độ cũng không đột biến và có thể xác định theo thông số mạch trước khi xảy ra sự cố.2 Mô hình các phần tử cơ bản của HTĐ 2.1 Nhánh chuẩn Lưới điện hiện đại bao gồm nhiều cấp điện áp, với cấu trúc phức tạp (cấu trúc mạch vòng, hình tia…) được cung cấp từ nhiều nguồn. Các phần tử trong HTĐ ngày càng đa dạng với nhiều thiết bị mới. Để có mô hình toán học với tính vạn năng cần chuẩn hoá các nhánh và cách biểu diễn sơ đồ.
Người ta thường sử dụng nhánh chuẩn nối giữa nút i và nút j như Hình 2.1: kij Zij Uj Ui U’ i i j I’ij Iij Hình 2.1: Sơ đồ thay thế của nhánh ij trong HTĐ Đặc trưng của nhánh là tổng trở Z ij nối nối tiếp với một MBA lý tưởng với hệ số k ij phức bao gồm phần thực và phần ảo, biến đổi cả mô đun và góc pha, vì khi thay đổi lưới thì cũng thay đổi góc pha của điện áp tại i và j. MBA 12 lý tưởng không có tổn thất, không có tổng trở, chỉ có tỷ số biến đổi. Mô đun của hệ số biến áp k ij bằng tỷ số giữa các vòng dây của MBA thực, khi nối trong mạch sẽ bằng tỷ số mô đun điện áp hai phía. Góc pha của k ij phụ thuộc ' Ui vào tổ đấu dây của MBA k ij =.
Ui Các phần tử không liên quan đến hệ số biến áp (điện trở, điện kháng) có thể coi là nhánh chuẩn có hệ số biến áp bằng 1, góc lệch pha bằng 0. Z ij bao gồm điện trở, điện dung và điện cảm. Mọi phần tử trong HTĐ trong tính toán đều có thể biểu diễn qua nhánh chuẩn.2 Lưới chuẩn Lưới chuẩn được hiểu là tập hợp các nhánh chuẩn, sơ đồ tính toán chuẩn được định nghĩa là bao gồm toàn các nhánh chuẩn. Tại các nút của sơ đồ còn có các nguồn biểu diễn bằng dòng điện bên trong J hoặc điện áp đầu cực U.3 Mô hình các phần tử cơ bản của HTĐ trong chế độ xác lập a, Đường dây trên không và cáp: Với đường dây trên không và các đường dây cáp (gọi chung là đường dây) có cấp điện áp 330 kV ≥ U ≥ 66 kV thì được thay thế bằng một nhánh bao gồm ba phần tử với ba thông số R, X, B như Hình 2.2: Sơ đồ thay thế của đường dây Trong đó: R = r0.l là tổng trở đường dây (Ω), X = x0.l là điện kháng đường dây (Ω), B = -j.l là tổng điện dung ký sinh sinh ra (1/Ω), r0 là điện trở đơn vị của đường dây (Ω/km), 13 l là chiều dài của đường dây (km), x0 là điện kháng đơn vị của đường dây (Ω/km), b0 là dung dẫn đơn vị của đường dây (1/Ωkm).
Hệ số biến áp kij = 1 b, MBA điện lực: o MBA hai cuộn dây: được thay thế bằng sơ đồ hình Γ với tổn hao không tải của MBA thay bằng nhánh R0 , X0. Các trị số điện trở, điện kháng được quy về một phía của MBA và tính trong hệ đơn vị có tên. Phía còn lại được nối với sơ đồ ngoài thông qua MBA lý tưởng có hệ số biến áp là k. MBA lý tưởng với ý nghĩa là thay đổi góc pha và tỷ số biến, góc pha phụ thuộc vào tổ đấu dây của MBA.
KC-H cao XB RB hạ cao hạ X0 R0 Hình 2.3: Sơ đồ thay thế của MBA hai cuộn dây o MBA ba cuộn dây: được thay thế như trên Hình 2. MBA ba cuộn dây phía trung và hạ trong sơ đồ thay thế được nối với 2 MBA lý tưởng, hệ số biến áp của MBA lý tưởng phụ thuộc vào đầu phân áp và bằng tỷ số giữa các vòng dây. Các thông số của nhánh ZC, ZT, ZH, Z0 được tính toán theo số liệu thí nghiệm UN%, ∆Pcu , ∆PFe, ∆QFe và I0%. T RT XT KC-T T C RC X C C X0 XH H RH H R0 KC-H Hình 2.4: Sơ đồ thay thế của MBA ba cuộn dây 14 c, Kháng điện, tụ điện: Kháng điện và tụ điện được thay thế đơn giản bằng các nhánh có điện kháng và dung kháng tương ứng, nhánh chuẩn có kij = 1.
Kháng điện đóng vai trò như phụ tải điện tiêu thụ công suất phản kháng, tụ bù tĩnh ngược lại đóng vai trò như nguồn phát công suất phản kháng lên lưới. Điện kháng của kháng điện được tính như sau: U 2đm Xk = (2.1) Q kdm Uđm là điện áp dây định mức (kV) Qkđm là công suất ba pha định mức của kháng điện (MVAr) Đối với tụ bù tĩnh bù công suất phản kháng lên HTĐ, nhà sản xuất thường cho các giá trị định mức Uđm (điện áp dây) và Qđm tương ứng. Từ đó giá trị dung kháng được tính theo công thức sau: U 2đm XC = − (2.2) Q Cdm d, Máy phát điện: Trong sơ đồ tính toán chế độ xác lập MPĐ có thể được thay thế như sau: Xd U Eq Hình 2. Sơ đồ thay thế của MPĐ trong chế độ xác lập Trong đó: Eq là sức điện động đồng bộ của MPĐ.
Xd là điện kháng đồng bộ của MPĐ. Nếu MPĐ cực ẩn thì Xd = Xq nếu MPĐ cực lồi thì Xd ≠ Xq. e) Phụ tải điện: 15 Phụ tải điện thường được xác định dưới dạng công suất lấy từ nút của lưới, có thể là nút thanh cái điện áp cao (110, 220 kV) của TBA đặc trưng cho phụ tải toàn khu vực hoặc có thể là nút thanh cái trung, hạ áp (3-35 kV hay 380 V). Tuỳ theo bài toán trong yêu cầu thiết kế hay vận hành, mức độ chính xác khác nhau mà phụ tải được mô phỏng là giá trị trung bình, trị số cực đại hay là đường cong đặc tính tĩnh của phụ tải.
Tính toán chế độ của lưới cung cấp điện trong chế độ vận hành thì thường phải xét đến đặc tính tĩnh của phụ tải. - Dạng đặc tính tĩnh: Phụ tải được mô phỏng theo đặc tính tĩnh là quan hệ phi tuyến theo điện áp thanh cái và tần số của HTĐ. Nút tải được coi là nơi lấy công suất ra theo quan hệ hàm số với tần số và điện áp nút xác định bằng thực nghiệm và thống kê: Pi(Ui, f) = ϕ i(Ui, f) và Q i(Ui, f) = ηi (Ui, f), cụ thể như sau: P(U, f) = P0 (a0 + a1 U + a2 U2)(α0 + α 1f) Q(U, f) = Q0 (b0 + b 1 U + b2 U2)(β0 + β1f). Trong đó: U, f là giá trị điện áp và tần số được tính trong hệ đơn vị tương đối.
P, Q là công suất thực dụng và công suất phản kháng của phụ tải. Trong chế độ xác lập ta có công suất ứng với giá trị điện áp và tần số định mức P 0 , Q0. Các hệ số tiệm cận là a, b, α, β thoả mãn điều kiện: a 0 + a1 + a2 = b0 + b1 + b2 = 1 α 0 + α1 = β0 + β1 = 1 Khi xem phụ tải là hằng số: P = const, Q = const. Tương ứng với a0 = 1, b0 = 1, α 0 = 1, β0 = 1 và các hệ số còn lại bằng 0.
- Dạng tổng trở Z cố định: Đây là trường hợp đơn giản hoá mô hình phụ tải, phụ tải được tính như một nhánh nối đất. 16 Trị số tổng trở tải khi cho P0 và Q 0 ứng với Uđm là: U 2đm U 2đm Z = R +jX = 2 (P0 + jQ 0 ) = 2 (cos ϕ + jsin ϕ) (2.3) S0 S0 U U P+jQ R+jX P+j Q Hình 2.