Bài giảng Lưới điện - Chương 5b: Đường dây tải điện dài - Lễ Minh Khánh

Nội dung text: Bài giảng Lưới điện - Chương 5b: Đường dây tải điện dài - Lễ Minh Khánh

1. 5/2020 LƯỚI ĐIỆN Chương 5b. Đường dây tải điện dài Đường dây tải điện dài • Đường dây với điện áp từ 300kV (SCA) hoặc 220kV chiều dài từ 250km được coi là đường dây tải điện dài. • Mô hình các đường dây tải điện ngắn và vừa dựa trên sơ đồ các tham số tập trung để tính toán. • Với đường dây dài (từ 250km – 150mil), cần có giải pháp mô phỏng chính xác hơn ảnh hưởng của thông số trên toàn bộ chiều dài đường dây. • Có 2 cách mô phỏng đường dây tải điện dài thường được sử dụng: chia đường dây thành nhiều phân đoạn hoặc sử dụng sơ đồ mạng hai cửa với thông số rải. • Yêu cầu: xác định phân bố điện áp và dòng điện dọc theo đường dây; phân tích các đặc trưng quan trọng trong truyền tải điện trên đường dây dài. 5/2020 EE4010 2 LMK 1
2. 5/2020 Phân đoạn đường dây dài • Trong tính toán thực tế đường dây dài có thể chia làm nhiều đoạn ngắn, cho phép đánh giá thông số đường dây tại điểm phân đoạn. Số lượng phân đoạn tuỳ theo chiều dài ĐD và độ chính xác cần có của thông số cần mô phỏng. • Mỗi phân đoạn có thể thay thế bởi sơ đồ hình π, tính toán như với đường dây ngắn, khi đó các tụ, kháng hay MBA thay thế như sơ đồ tính toán thường. • Phân đoạn cũng có thể được mô tả bằng mạng 2 cửa cho biết quan hệ giữa thông số đầu vào (sending) và thông số đầu ra (receiving). Các tụ, kháng hay MBA thay thế như mạng 2 cửa, và lắp ghép với thông số phân đoạn. U1 Ux U2 I1 I2 ΔUx 1 2 U U2 U1 x L 5/2020 EE4010 3 Ví dụ phân đoạn đường dây dài Sơ đồ nguyên lý Mô hình đường dây A R1 X1 B R1 X1 C R1 X1 D R1 X1 E R1 X1 F R1 X1 G C1 C1 Mô hình phụ tải A R2 X2 X2 X2 X2 X2 X2 X2 X2 C2 C2 C2 C2 Sơ đồ kết nối A W φ A W φ Mô Mô hình hình V đường V V phụ tải dây 5/2020 EE4010 4 LMK 2
3. 5/2020 Ví dụ phân đoạn đường dây dài (2) • Đường dây 220kV dài 300km sử dụng dây dẫn ACO-300/48. -6 • R0 = 0,107 Ω/km; X0 = 0,417 Ω/km; B0 = 2,686.10 1/Ω.km • Phụ tải max cuối đường dây 130MW với cosϕ=0,8. • Lựa chọn và tính toán thông số của mô hình 1 pha ĐD với cấp ĐA 110V có 6 phân đoạn. • Chia thành 6 phân đoạn 50km, mỗi phân đoạn có: • R1 = 5,35 Ω; X1 = 20,85 Ω; B/2 = 67,15 10-6/Ω • L1 = 66,3676 mH; C1 = 0,2137 µF THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH • Hệ số thu nhỏ: • Lấy C1M = 2 µF, kZ = C/C1 = 0,2137/2 = 0,10685 (điện trở trên mô hình giảm 10 lần). ½ -3 • Lấy UM(pha) = 110V, kU = (110V.3 )/220kV = 0,866.10 -6 -3 • kS = 7,019.10 (3 pha); kI = 8,105.10 5/2020 EE4010 5 Bài tập 1 • Đường dây 500kV dài 300km có thông số dây dẫn như sau: • L0 = 0,97 (mH/km) • C0 = 0,0115 (μF/km) • f = 50Hz • Phụ tải 400MW với cosϕ = 0,85 vận hành tại điện áp 500kV. • Coi R0 và G0 của dây dẫn rất nhỏ có thể bỏ qua. 1. Chia đường dây thành 6 phân đoạn. Xác định điện áp cần điều chỉnh tại đầu đường dây và vẽ đồ thị phân bố ĐA trên đường dây. 2. Đánh giá ảnh hưởng của tần số và CS phụ tải HTĐ đến thông số vận hành của đường dây (tự làm theo file mẫu). 5/2020 EE4010 6 LMK 3
4. 5/2020 U1 U2 f ω 50 314,1592654 • Chia 6 phân đoạn: U1 = 524,209kV X B/2 15,23672 9,03208E-05 • Chia 60 phân đoạn: U1 = 524,888kV V-Distribution Full load 530 Segment QLoad QC2 Q" DQ Q' U' QC1 6 500 525 5 247,8977 22,5802 225,3175 12,84566 238,1632 506,8662 23,20462 520 4 214,9586 23,20462 191,754 11,66979 203,4237 512,6304 23,7354 3 179,6883 23,7354 155,953 10,68706 166,64 517,2658 24,16658 515 2 142,4734 24,16658 118,3069 9,908426 128,2153 520,7507 24,4933 510 1 103,722 24,4933 79,22867 9,342532 88,5712 523,0688 24,71186 0 63,85934 24,71186 39,14749 8,995678 48,14316 524,2092 505 500 No load 495 Segment QLoad QC2 Q" DQ Q' U' QC1 490 6 500 485 5 0 22,5802 -22,5802 9,782578 -12,7976 499,3119 22,51809 4 -35,3157 22,51809 -57,8338 9,982813 -47,851 497,5471 22,35919 480 3 -70,2102 22,35919 -92,5694 10,37531 -82,1941 494,7123 22,10513 475 2 -104,299 22,10513 -126,404 10,95582 -115,448 490,8191 21,75859 0123456 1 -137,207 21,75859 -158,966 11,71801 -147,248 485,8843 21,32325 Full load No load 0 -168,571 21,32325 -189,894 12,65361 -177,241 479,9294 5/2020 EE4010 7 Mô hình mạng 2 cửa • Đường dây của lưới truyền tải với sơ đồ thay thế hình Π có tổng trở và tổng dẫn: U1 Z U2 I1 IZ I2 1 2 Y/2 Y/2 • Thành lập mạng 2 cửa của ĐD: I1 I2 U U U1 AU 2 BI 2 1 A B 2 U1 ABCD U2 I1 C D I 2 I1 CU 2 DI 2 5/2020 EE4010 8 LMK 4
5. 5/2020 Mô hình mạng 2 cửa (2) • Đường dây của lưới truyền tải với sơ đồ thay thế hình Π có tổng trở và tổng dẫn: U1 Z U2 I1 IZ I2 YU2 U U 3IZ IZ I 2 12 Z 2 3 1 2 ZY Y/2 Y/2 U (1 )U 3IZ 12 22 1 ZY ZY YU1 I I I1 Y(1 )U 2 (1 )I 2 1 Z 2 3 3 4 2 • Như vậy: • Với: U1 AU 2 BI 2 ZY 1 ZY ZY A(1 )B 3ZC Y(1 )D(1 ) I1 CU 2 DI 2 23 42 • mạng 2 cửa của đường dây có A = D và AD – BC = 1 5/2020 EE4010 9 Ví dụ • Đường dây 220kV dài 130km có: • R0 = 0,036Ω/km; L0 = 0,8mH/km; C0=0,0112μF/km • Phụ tải 150MW với cosϕ=0,85 tại 210kV • XD mô hình mạng 2 cửa, tính ĐA và CS đầu đường dây. U AU BI ZY 1 ZY ZY 1 2 2 A(1 )B 3ZC Y(1 )D(1 ) 23 42 I1 CU 2 DI 2 5/2020 EE4010 10 LMK 5
6. 5/2020 Receiving end: • Q2 = 150.tg(arcos0,85) = 92,955 MVAr • S2 = 150 + j92,955 MVA • I2 = (150 – j92,955)/(1,732.210) = 0,412-0,256j kA • I2 = 485,159 A Line parameters: • Z0 = R0 + jωL0 = 0,036 + j0,251 (Ω/km) Z = 4,68 + j32,656 (Ω/km) -6 • Y0 = G0 + jωC0 = 0 + j3,517.10 (1/Ωkm) Y = 0 + j0,000457184 (1/Ωkm) 2-port network parameters: • A = 0,99254 + 0,00107j • B = 8,10599 + 56,56185j • C = -1,41191E-07 + 0,000263j • D = 0,99254 + 0,00107j Sending end: • U1 = 226,2302 + 21,4788j kV U1 = 227,2 kV ΔU% = 8,19% • I1 = 0,40956 - 0,19799j kA I1 = 454,9 A • S1 = 153,117 + 92,816j 5/2020 EE4010 11 Sơ đồ thông số rải • Với ĐD có ĐA cao và tính toán chính xác thông số, cần sử dụng sơ đồ với thông số rải. • Sơ đồ thông số rải cho phép đánh giá thông số tại một vị trí x bất kỳ trên đường dây dài. • Yêu cầu: xác định phân bố điện áp và dòng điện dọc theo đường dây, thành lập sơ đồ tính toán sử dụng mạng 2 cửa. Ux U1 U2 I1 ΔUx Ix I2 1 2 Δx x L IS IR U1 AU 2 BI 2 U1 A B U 2 US ABCD UR IC D I I1 CU 2 DI 2 1 2 5/2020 EE4010 12 LMK 6
7. 5/2020 U1 ΔZ U2 I1 Ux+Δx Ux I2 Trên một phân đoạn Δx Ix+Δx ΔIx Ix 1 2 của đường dây: ΔY ΔY ΔZ = Z0Δx; ΔY = Y0Δx ĐA giáng trên Δx: U 3IZ x Δx x x x0 L U x 3I Z x x 0 dU Khi Δx→0: x 3IZ (*) dx x 0 1 I x 1 Kirchhoff 1: Ixx I x I x U.Yx xx0 U .Y 3 x 3 x x 0 dI x 1 Khi Δx→0: U.Y ( ) dx 3 x 0 2 dU dI x Lấy đạo hàm của (*) và thay ( ) vào: x 3 Z ZYU dx2 dx 0 00x dU2 Đặt γ2 = Z Y : x 2U 0 0 0 dx2 x 5/2020 EE4010 13 U1 ΔZ U2 I1 Ux+Δx Ux I2 2 dUx 2 Ix+Δx ΔIx Ix Giải PT vi phân: 2 Ux 0 1 2 dx ΔY ΔY Được nghiệm: x  x Ux1 Ae Ae 2 Δx x Hệ số truyền sóng: L   j ZY00 (R 0 jX)(G 00 jB) 0  Y 1 x  x 1 dUx xx 0  xx  I (Ae Ae) Ix (AeAe) 12 (AeAe) 12 x 1 2 ZC 3Z0dx 3Z 0 Z0 Cho x=0: UZI2C2 UZI 2C2 Tổng trở sóng: Z0 Z A1 ;A 2 C 2 2 Y0  xx   xx Viết lại quan hệ Ux và Ix theo U2 và I2: ee ee U U3Z I x2 2C 2 2 1eexx  ee  x  x Ix U 2 I 2 3Z C 2 2 5/2020 EE4010 14 LMK 7
8. 5/2020 • Sử dụng hàm hyperbolic sinh và cosh để biểu diễn: Ux2 Ucosh  x 3Z C2 I sinh  x 1 Ix Usinhx 2  Icoshx 2  3Z C • Viết dưới dạng ma trận: U1 AU 2 BI 2 U1 A B U 2 IC D I I1 CU 2 DI 2 1 2 Với: 1 A  coshx B 3ZsinhxC  C sinhx   D coshx 3Z C • Mạng 2 cửa của đường dây dài cũng có A = D và AD – BC = 1 5/2020 EE4010 15 Tính toán ĐA trên đường dây dài • ĐA (RMS) tại vị trí x bất kỳ trên đường dây dài tính bằng công thức: x  x Ux1 Ae Ae 2  j  - hệ số truyền sóng • Biểu diễn với ĐA tức thời: x x u(t,x) 2Ae1 cos(  t+ x)+ 2Ae 2 cos(  t- x) u(t,x) 12 u(t,x) x u(t,x) 2Ae x cos(  t- x) u(t,x)1 2Ae 1 cos(  t+ x) 2 2 • Tại mỗi vị trí x, giá trị u phụ thuộc 2 thành phần u1 và u2, phân bố như dạng sóng truyền dọc trên đường dây. Khi x tăng, thành phần u1 tăng, được gọi là sóng tới; và u2 giảm, gọi là sóng phản xạ. Trong công thức α là hệ số suy hao, β là hệ số pha. • Với mỗi thành phần, giá trị cực đại đạt được khi cos(ωt±βx)=1. VD với sóng u2 tức là: ωt-βx = 2kπ hay x = (ω/β)t – (2kπ/β) • Vận tốc truyền sóng là: dx/dt = (ω/β) = (2πf/β) 5/2020 EE4010 16 LMK 8
9. 5/2020 Tổng trở sóng của ĐD dài • γ = α+jβ là hệ số truyền sóng của ĐD   j ZY00 (R 0 jX)(G 00 jB) 0 • α là hệ số suy giảm • β là hệ số pha • Bước sóng: λ=(2π/β) • Với đường dây của lưới HT thì R<<X và G<<B, có thể coi là R≈0 và G≈0. Hệ số suy giảm α=0.   L0 C 0 • Tổng trở sóng của ĐD: Z0 X 0 L 0 ZC Y0 B 0 C 0 • Đối với đường dây từ 220kV – 750kV, ZC trong khoảng từ 400 – 250Ω. • Vận tốc truyền sóng v = dx/dt = ω/β = 3.108 (m/s) • Bước sóng λ = (2π/β) = 6000km 5/2020 EE4010 17 ĐD dài không tổn thất • Khi bỏ qua R và G, hệ số truyền sóng γ = jβ. Khi đó đường dây không chịu ảnh hưởng của tổn thất CSTD (lossless). coshγx = coshjβx = cosβx sinhγx = sinhjβx = jsinβx • Phân bố ĐA dọc ĐD: Ux2 Ucos  x jI 2C 3Zsinx  1 Ix j Usinx 2  Icosx 2  3Z C • Tại đầu ĐD thì x = l: U12 Ucos  L jI 2C 3ZsinL  1 I1 j UsinL 2  IcosL 2  3Z C • Trường hợp vận hành không tải: I2 = 0 thì U2 = U1/cosβx • Trường hợp ngắn mạng cuối ĐD: U2 = 0 U1 = jI2√3ZCsinβL I1 = I2cosβL 5/2020 EE4010 18 LMK 9
10. 5/2020 CS tự nhiên của đường dây dài 2 2 • Khi CSPK tổn thất và sinh ra bằng nhau: QL = QC, tức là 3I X = U B U X L0 ZL Z C 3I B C0 • Như vậy phụ tải có tổng trở bằng tổng trở sóng của ĐD: ZL = ZC I2 = U2/√3ZC • CS của phụ tải khi đó gọi là CS tự nhiên (SIL – surge impedance load): đối với đường dây không tổn thất, CS tự nhiên tạo ra hiện tượng tự bù trên ĐD dài. 2 SIL = U2 /√3ZC • Khi đó ĐA và dòng điện dọc trên ĐD là: Ux = (cosβx + jsinβx)U2 hay Ux = U2∟βx Ix = (cosβx + jsinβx)I2 hay Ix = I2∟βx • Tức là môđun ĐA và dòng điện không đổi dọc theo chiều dài ĐD và góc pha giữa dòng điện và ĐA không đổi. Trên đường dây hoàn toàn không có CSPK. 5/2020 EE4010 19 Bài tập 2 • Đường dây 500kV dài 300km với thông số: • L0 = 0,97 (mH/km) • C0 = 0,0115 (μF/km) • f = 50Hz • Coi R0 và G0 của dây dẫn rất nhỏ có thể bỏ qua. 1. Xác định hệ số pha β, tổng trở sóng ZC, tốc độ truyền sóng ν và bước sóng λ của ĐD. 2. Phụ tải 400MW với cosϕ = 0,85. Xác định thông số đầu ĐD và mức độ ĐA cần điều chỉnh để có điện áp 500kV tại phụ tải. 5/2020 EE4010 20 LMK 10
11. 5/2020 1. Xác định hệ số pha β, tổng trở sóng ZC, tốc độ truyền sóng ν và bước sóng λ 9  L0 C 0 2 .50. 0,97.0,0115.10 0,0010493 rad / km 3 L0 0,97.10 ZC 6 290,43  C0 0,0115.10  1 1  2,994.105 km / s 9  L0 .C 0 0,97.0,0115.10  2,994.105  5988 km f 50 2. Xác định U1, I1 và kU%  L 0,0010493.300 0,31478rad  18,0355 * S L 400 j247,9 I2 0,462 j0,286 kA I 2 0,543kA 3U2 3.500 U12  U cos L j I 2C 3Z sin  L 500.0,951 j(462 j286) 3.290,43.0,31 520,1 j72,045kV U1 U 2 U1 525,066kV kU% .100% 5,013% U2 1 1 I122 j U sin   L I cos L j .500.0,31 (0,462 j0,286).0,951 0,439 j0,036 kA I 1 0,441kA 3ZC 3.290,43 5/2020 EE4010 21 Phân bố ĐA trên ĐD dài • Bỏ qua R và G, coi U2 là gốc tính toán: Ux2 Ucos  x jI 2C 3Zsin  x S* P I 2 2 • Với 2 * 3U2 3U 2 P • Ta có U U(cos  x j2 sin  x) x 2 SIL • Nếu P2 = SIL thì Ux = U2 • Nếu P2 SIL thì Ux > U2 • Thành phần P2/SIL có ảnh hưởng nhiều nhất, khi sinβx=1, tức là x = π/2β = ¼λ = 1500km. Trong trường hợp này, sự thay đổi của phụ tải sẽ có ảnh hưởng lớn nhất đến ĐA dọc đường dây. • Thành phần P2/SIL có ảnh hưởng ít nhất, khi sinβx=0, tức là x = π/β = ¼λ = 3000km. Với chiều dài này, phụ tải không có ảnh hưởng đến ĐA cuối ĐD. 5/2020 EE4010 22 LMK 11
12. 5/2020 Phân bố ĐA trên ĐD dài (2) U x 1500km, π/2 U1 U2 I1 Ix I2 P2>SIL Ux P2=SIL 1 2 x P2 SIL 4500km, 3π/2 x L P U U(cos  x j2 sin  x) x 2 SIL 5/2020 EE4010 23 Đồ thị phân bố điện áp 5/2020 EE4010 24 LMK 12
13. 5/2020 Đường dây vận hành không tải U1 U2 • Khi đường dây vận hành không tải: I2 = 0. Long Line U1 Ucos 2  L 1 2 1 I1 j UsinL 2  3Z C jQL • Do cosβL≤1 nên U1≤U2 • VD: đường dây 300km (BT2) có cosβL=0,951, U2 = 500/0,951 = 525,76kV • CSPK sinh ra trên dung dẫn đường dây: 2 2 U2 cos L.sin  L 525,76 .0,951.0.31 Q1 3UI 11 280,6MVAr ZC 290,43 • Dường dây dài trên 300km thường sử dụng kháng điện bù ngang để hạn chế hiện tượng quá điện áp và quá tải máy phát. 5/2020 EE4010 25 Tính toán với kháng bù ngang Giả thiết lắp kháng XL vào đường dây không tải: 510 U2 505 I 2 3jXL 500 Khi đó: ZC 495 U1 U(cos 2  L sin  L) XL 490 Như vậy U1 và U2 trùng pha, và XL bằng: 485 sin L X Z 480 LU C 1 cos  L U2 sin L X Z Với U1 = U2 thì XL bằng: L1 cos  L C • VD: đường dây 500kV, 300km để U1 = U2 = 500kV khi vận hành không tải thì: 2 2 sinL 0,31U2 500 XLC Z 290,431837,4  Q L 136MVAr 1cosL  10,951 XL 1837,4 5/2020 EE4010 26 LMK 13
14. 5/2020 Khả năng tải theo điều kiện ổn định • CS 2 đầu đường dây: S11 P jQ 1 3UI 11 S22 P jQ 2 3UI 22 • Xét trường hợp ĐD không tổn thất, quan hệ giữa CS truyền tải với ĐA 2 đầu ĐD là: UU1 2 PP12 sin  12max Psin  12 ZC sin L • Với ĐD có ĐA ko đổi, CS tỷ lệ với góc lệch pha δ12. Có thể thấy góc δ12 tăng theo phụ tải của ĐD. CS lớn nhất truyền tải trên đường dây ko tổn thất đạt được khi góc pha δ12 bằng 90⁰. Giới hạn truyền tải này đảm bảo CBCS được gọi là giới hạn ổn định tĩnh. • Tuy nhiên ĐD thường làm việc với một mức độ dự trữ ổn định (20-40%) để dự phòng cho các tình huống sự cố, phụ tải hoặc nguồn thay đổi có thể làm mất ổn định. Góc pha thường không vượt quá 45⁰. • Bên cạnh đó Pmax nhỏ nhất khi βL bằng π/2. Tức là đường dây dài ¼ bước sóng (1500km). 5/2020 EE4010 27 Tính toán với tụ bù dọc UU12 UU 12 PP12 sin  12 sin  12max Psin  12 ZsinLC  X' • X’ = ZCsinβL là điện kháng tương đương của ĐD không tổn thất. • Để tăng giới hạn truyền tải Pmax, có thể giảm điện kháng X’ bằng cách lắp tụ bù dọc với dung kháng XC. Khi đó điện kháng tổng sau khi bù sẽ là X’ - XC UU1 2 P sin 12 X' XC • Tỷ lệ XC/X’ là tỷ số bù, thông thường chọn 25-70%. • Tụ bù dọc cho dòng điện đường dây đi qua, vì thế cần được bảo vệ khi có ngắn mạch. • Điện dung của tụ bù dọc C kết hợp với cảm kháng L’ tạo thành mạch cộng hưởng với dao động tại tần số thấp hơn tần số đồng bộ mỗi khi có một kích động. Hiện tượng này gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ (subsynchronous resonance - SSR), có thể gây hại cho trục turbine – máy phát điện. 1 f f r s L'C 5/2020 EE4010 28 LMK 14
15. 5/2020 Giới hạn truyền tải công suất 5/2020 EE4010 29 TTCS và TTĐN trên đường dây dài • Công suất 2 đầu đường dây S11 P jQ 1 3UI 11 S22 P jQ 2 3UI 22 • Khi đó TTCS trên đường dây ΔP = P1 –P2 và ΔQ = Q1 –Q2 • TTĐN trên đường dây: • Do phát nóng: bao gồm TTCS ΔP0 do dòng điện điện dung trên đường dây, không đổi theo thời gian. Và TTCS ΔPL = ΔP – ΔP0 do dòng điện phụ tải gây ra, phụ thuộc vào sự biến đổi của phụ tải. ΔA0 = ΔP0.T và ΔAL = ΔPL.τ • Do vầng quang: được đo và phân loại theo thời tiết cùng với thời gian diễn ra trong năm T1, T2, T3 ΔAcorona = ΔP1.T1 + ΔP2.T2 + • ΔA = ΔA0 + ΔAL +ΔAcorona 5/2020 EE4010 30 LMK 15