Tài liệu Phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong trạm bù công suất phản kháng kiểu svc và những giải pháp khắc phục

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP --------------------------------------VŨ THỊ VÒNG PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA SÓNG HÀI TRONG TRẠM BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU SVC VÀ NHỮNG GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 60.52.50 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 2 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn, ngoài nỗ lực bản thân, tác giả đã nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các Thầy, các Cô trong suốt quá trình giảng dạy và khoa Đào tạo sau đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình, chu đáo của thầy TS. Ngô Đức Minh Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Ngày 28 tháng 12 năm 2012. Học viên Vũ Thị Vòng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................. 6 DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................... 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ........................................................................... 8 LỜI NÓI ĐẦU.................................................................... Error! Bookmark not defined. Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................................................................................................................. 13 1.1. Tổng quan về truyền tải công suất trong hệ thống điện ...................................... 13 1.1.1. Đặt vấn đề .................................................................................................... 13 1.1.2. Công suất phản kháng trên đường dây truyền tải ........................................ 14 1.1.3. Bù công suất phản kháng trên đường dây truyền tải .................................... 15 1.1.4. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện ............................... 17 1.1.5. Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam ......................................... 20 1.1.6. Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế gi ới ................. 23 1.2. Những tồn tại và hướng khắc phục ..................................................................... 27 1.2.1. Những tồn tại ................................................................................................ 27 1.2.2. Giải pháp khắc phục ..................................................................................... 28 1.3. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 28 Chƣơng II. PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM BÙ SVC ............................. 29 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 4 2.1. Trạm bù SVC Thái Nguyên ................................................................................ 29 2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù tĩnh SVC .................................. 34 2.2.1. Các phần tử chính......................................................................................... 34 2.2.1.1. Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled Reactor). ............................................................................................................. 35 2.2.1.2. Các bộ tụ cố định FC (Fixed Capacitors) .............................................. 38 2.2.1.3. Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switch Capacitor) . 39 2.2.2. Nguyên lý hoạt động .................................................................................... 40 2.3. Hiệu quả bù ......................................................................................................... 41 2.4. Vấn đề sóng hài và bù sóng hài của trạm SVC ................................................... 43 2.4.1. Tổng quan về sóng hài, tiêu chuẩn IEEE std 519 ....................................... 43 2.4.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trên lưới ........................................................ 46 2.4.3. Tác hại của sóng hài ..................................................................................... 47 2.4.4. Tiêu chuẩn đánh giá sóng hài ....................................................................... 49 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 51 Chƣơng III. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LỌC TÍCH CỰC TRONG TRẠM BÙ SVC ................................................................................................................................ 52 3.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 52 3.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ lọc tích cực ................................................. 52 3.2.1. Cấu tạo bộ lọc tích cực ................................................................................. 54 3.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực ..................................................... 54 3.3. Cấu trúc điều khiển của bộ lọc tích cực .............................................................. 61 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 5 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................... 64 Chƣơng IV. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB – SIMULINK .................................... 65 4.1. Mô phỏng hoạt động của trạm SVC .................................................................... 65 4.1.1. Cấu trúc mô phỏng trạm SVC ...................................................................... 65 4.1.1.1. Khối TCR .............................................................................................. 67 4.1.1.2. Khối TSC .............................................................................................. 67 4.1.1.3. Cấu trúc mạch điều khiển ...................................................................... 69 4.1.2 Kết quả mô phỏng trạm SVC ........................................................................ 74 4.2. Mô hình mô phỏng bộ lọc tích cực ..................................................................... 81 4.2.1 Cấu trúc mô phỏng ........................................................................................ 82 4.2.2 Mô hình sử dụng bộ lọc tích cực kết hợp SVC ............................................. 85 4.2.3 Kết quả mô phỏng lọc AF ............................................................................. 86 4.2.4. Kết quả mô phỏng bộ lọc tích cực kết hợp SVC ......................................... 89 4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................................... 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 6 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng SVC TCR TSR TSC FC Static Var Compensator (Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh) Thyristor Controlled Reactor (Kháng điều chỉnh bằng thyristor) Thyristor Switched Reactor (Kháng đóng mở bằng thyristor) Thyristor Switched Capacitor (Bộ tụ đóng mở bằng thyristor) Fixed Capacitor (Tụ điện có điện dung cố định) Total Harmonic Distortion THD (Hệ số méo dạng) Fast Fourier Transform FFT (Biến đổi nhanh Fourier) Pulse Width Modulation PWM (Điều chế độ rộng xung) Active Harmonic Filter AHF (Bộ lọc sóng hài tích cực) Active Filter AF FACTS IEEE (Bộ lọc tích cực) Flexible AC Transmission System (Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt) Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ thuật Điện điện tử Mỹ) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. IEEE std 519 .................................................................................................. 49 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở dòng đầu vào mỗi pha. .......................................................................................................................... 50 Bảng 2.3. IEC 1000-3-4 ................................................................................................. 50 Bảng 4.1 Các khối sử dụng trong mô hình .................................................................... 66 Bảng 4.2. Các thiết bị chính của khối TCR và TSC ...................................................... 68 Bảng 4.3. Các khối sử dụng trong mô hình mô phỏng .................................................. 82 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ lưới điện. .............................................................................................. 21 Hì nh 1.2. Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng ................................. 24 Hình 2.1. Sơ đồ nhất thứ trạm 220kV Thái Nguyên. ..................................................... 30 Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực trạm SVC. ............................................................................ 31 Hình 2.3. Hệ thống bù tĩ nh SVC. ................................................................................... 32 Hình 2.4. Giao diện chương trì nh giám sát, điều khiển hệ thống bù SVC. ................... 33 Hình 2.5. Các cấu hình SVC .......................................................................................... 34 Hình 2.6. Sơ đồ cấu tạo và hoạt động TCR ................................................................... 35 Hình 2.7. Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR. ........................................................... 36 Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện của TCR một pha với các góc mở (a) α = 900; (b) α = 1000; (c) α = 1300; (d) α = 1500. ..................................................... 37 Hình 2.9. Nhánh FC của hệ thống SVC ......................................................................... 39 Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo của TSC ................................................................................. 39 Hình 2.11. Sơ đồ thay thế tương đương của SVC ......................................................... 41 Hình 2.12. Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC. ........ 42 Hình 2.13: Thiết bị bù tĩ nh SVC đặt giữa đường dây .................................................... 42 Hình 2.14. So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây khi có bù và không có bù ............................................................................................................... 43 Hình 2.15. Dạng sóng sin và dạng sóng điều hòa. ......................................................... 43 Hình 2.16. Phân tích Fn thành an và bn ........................................................................... 45 Hình 2.17. Phổ của sóng điều hòa. ................................................................................. 45 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 9 Hình 3.1. Mô hì nh hệ thống điện với tải phi tuyến và bộ lọc tí ch cực mắc song song.. 53 Hình 3.2. lọc tích cực kết nối với hệ thống điện ............................................................ 54 Hình 3.3. Sơ đồ tương đương của bộ lọc tích cực khi nối vào lưới. .............................. 55 Hình 3.4. CLPWM làm việc ở chế độ chỉnh lưu bình thường. ...................................... 56 Hình 3.5. CLPWM làm việc ở chê độ chỉnh lưu tích cực, cosυ = 1. ............................. 56 Hình 3.6. CLPWM làm việc ở chế độ nghịch lưu với cosφ = -1 .................................. 56 Hình 3.7. Các thành phần công suất theo thuyết p – q trong hệ tọa độ abc. .................. 57 Hình 3.8. Bù các thành phần công suất trong hệ tọa độ abc. ......................................... 60 Hình 3.9. Mô hình các khối của bộ lọc tích cực. ........................................................... 61 Hình 3.10. Cấu trúc bộ điều khiển lọc tích cực.............................................................. 62 Hình 3.11. Cấu trúc của bộ lọc tích cực và lưới. ........................................................... 63 Hình 4.1. Cấu trúc môphỏng trạm SVC ......................................................................... 65 Hình 4.2. Cấu trúc mô phỏng khối TCR ........................................................................ 67 Hình 4.3. Cấu trúc mô phỏng khối TSC ........................................................................ 68 Hình 4.4. Cấu trúc mô phỏng khối điều khiển SVC ...................................................... 70 Hình 4.5. Khối đo lường ................................................................................................ 71 Hình 4.6. Khối điều chỉ nh điện áp sử dụng bộ điều khiển PI ........................................ 71 Hình 4.7. Khối tí nh toán góc mở thyristor ..................................................................... 73 Hình 4.8. Khối phát xung điều khiển các Thyristor của TCR ....................................... 74 Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống khi không có SVC ......................................................... 75 Hình 4.10. Mô phỏng hệ thống khi có SVC .................................................................. 75 Hình 4.11. Sơ đồ mô phỏng khối đo thành phần sóng hài ............................................. 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 10 Hình 4.12. Dòng điện một pha sơ cấp biến áp Ia sau khi được lọc .............................. 77 Hình 4.13. Sóng hài bậc 3 sau khi lọc ............................................................................ 78 Hình 4.14. Sóng hài bậc 5 sau khi lọc ............................................................................ 78 Hình 4.15. Sóng hài bậc 7 sau khi lọc ............................................................................ 79 Hình 4.16. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 7 ............................................................ 80 Hình 4.17. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 5 ............................................................ 80 Hình 4.18. Đo THD dòng điện khi bỏ lọc bậc 3 ............................................................ 81 Hình 4.19. Mô hình mô phỏng hệ thống điện với thiết bị lọc tích cực AHF (Active Harmonic Filter) ............................................................................................................. 82 Hình 4.20. Mô hình khối lọc tích cực ............................................................................ 84 Hình 4.21. Bộ lọc tích cực sử dụng cùng thiết bị SVC .................................................. 86 Hình 4.22. Biên dạng điện áp và dòng điện của nguồn. ................................................ 87 Hình 4.23. Biên dạng điện áp và dòng điện của bộ lọc tích cực. ................................... 87 Hình 4.24. Biên dạng điện áp và dòng điện của tải. ...................................................... 87 Hình 4.25. Biên dạng điện áp và dòng điện của tụ. ....................................................... 88 Hình 4.26. Sóng hài ở tải a) và nguồn b) tại thời điểm chỉ có tải I được đấu vào lưới điện ................................................................................................................................. 88 Hình 4.27. Sóng hài ở tải (a) và nguồn (b) khi cả 2 tải được đấu vào lưới điện ............ 89 Hình 4.28.Sóng hài ở tải a) và nguồn b) khi lưới đã hoạt động ổn định ........................ 89 Hình 4.29. Kết quả mô phỏng lưới điện khi chỉ có hệ thống bù SVC ........................... 90 Hình 4.30. Kết quả mô phỏng với lưới điện khi có bộ lọc tích cực tham gia lọc sóng hài cùng SVC ....................................................................................................................... 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 11 LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy theo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc cao (gọi tắt là sóng hài) hài gây ô nhiễm lưới. Các sóng hài gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao phụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ các thiết bị điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó các sóng hài trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn theo quy định (tiêu chuẩn). Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới chủ yếu căn cứ theo tiêu chuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3-4. Để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc mà điển hình là bộ lọc tích cực. Vì vậy sau hai năm học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài là “ Phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC và những giải pháp khắc phục”. Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của sóng hài khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện nói chung và xét tại trạm bù công suất phản kháng SVC Thái Nguyên nói riêng, từ đó đề xuất những giải pháp khắc phục. Nội dung luận văn được bố cục như sau: Chương 1. Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Chương 2. Phân tích hoạt động của trạm bù SVC Chương 3. Nghiên cứu ứng dụng lọc tích cực trong trạm bù SVC Chương 4. Mô phỏng bằng Matlab – Simulink. Kết luận. Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành. Tuy nhiên bản luận văn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 12 không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và người đọc. Tôi xin chân thành cảm ơn khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 13 Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. Tổng quan về truyền tải công suất trong hệ thống điện 1.1.1. Đặt vấn đề Để đánh giá vấn đề sử dụng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không người ta đánh giá thông qua hệ số công suất PF (Power Factor). Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Biểu thức tính toán hệ số công suất: (1.1) Phần lớn các thiết bị dùng điện khi tiêu thụ công suất tác dụng (CSTD) P để sinh công đều có tiêu thụ công suất phản kháng (CSPK) Q kèm theo. - Công suất tác dụng P (công suất hữu công) là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các thiết bị sử dụng điện. - Công suất phản kháng Q (công suất vô công) không sinh công nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới hoạt động được, chẳng hạn nó là công suất từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ… Do đó trong vận hành người ta mong muốn sử dụng CSPK của lưới điện càng ít càng tốt miễn sao thiết bị vẫn hoạt động bình thường. Trong quá trình truyền tải công suất Q từ nơi sản xuất điện (các nhà máy thủy điện, nhiệt điện…) đến các thiết bị sử dụng thì có gây tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp. Mặt khác CSPK cung cấp cho tải tiêu thụ không nhất thiết phải lấy từ nguồn vì vậy để tránh truyền tải một lượng CSPK lớn người ta đặt gần các tải tiêu thụ các thiết bị phát CSPK để cung cấp trực tiếp cho tải, việc thực hiện như vậy gọi là bù CSPK. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 14 1.1.2. Công suất phản kháng trên đƣờng dây truyền tải Quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây siêu cao áp liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây. Điện trường của đường dây thường ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (với đường dây 500kV- không quá ±10%). Song từ trường đường dây tạo ra có thể biến thiên trong một giới hạn rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải trên đường dây. Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng điện trường tính trên đơn vị chiều dài của một pha đường dây bằng: 1 2 w E  C.U p 2 (1.2) Trong đó: U p là điện áp pha của đường dây Công suất của điện trường đường dây 3 pha có chiều dài l: 3 3 QE  .w E .l  .C.U p 2 .l 2 2 (1.3) Trị số trung bình cho một chu kỳ của năng lượng từ trường tính trên đơn vị chiều dài của một pha đường dây (khi tải dòng điện I) bằng: 1 2 w M  L.I 2 (1.4) Công suất từ trường 3 pha của đường dây có chiều dài 1: 3 3 QM  .w M .l  .L.I 2 .l 2 2 (1.5) Công suất phản kháng của đường dây được xác định như là hiệu công suất của điện trường và từ trường: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 15 3 2 3 2 Q  QE  QM  .l.(C.U p 2  L.I 2 )  .l.C.U p 2 (1  L.I 2 ) C.U p 2 (1.6) Khi công suất phản kháng của đường dây bằng không (trong trường hợp công suất của điện trường và từ trường bằng nhau) ta có : L.I 2 0 C.U p 2 (1.7) C UP   IH L ZC (1.8) 1 Từ đó : I  UP - zC gọi là tổng trở sóng của đường dây. Với các đường dây trên không không phân pha trị số điện trở sóng Z C khoảng 400  , khi phân mỗi pha thành 4 dây trị số này giảm xuống còn 270  . - Dòng điện chạy trong đường dây ở trường hợp này được gọi là dòng điện tự nhiên ( I H ), nó tương ứng với trường hợp chạy trong đường dây có chiều dài vô cùng lớn được nối với nguồn điện áp, khi ấy trên đường dây chỉ có sóng tới mà không có sóng phản xạ. Đối với đường dây có chiều dài hữu hạn có thể xảy ra trường hợp tương tự khi điện trở phụ tải tác dụng có trị số tổng trở sóng của đường dây Z C . Chế độ làm việc của đường dây trong trường hợp này gọi là chế độ tải công suất tự nhiên. Ở chế độ này đường dây không phát thêm cũng không tiêu thụ công suất phản kháng. Công suất tự nhiên của đường dây: PH  3.U p 2 (1.9) ZC 1.1.3. Bù công suất phản kháng trên đƣờng dây truyền tải Khi đường dây không tải (không tiêu thụ công suất tác dụng) lượng công suất phản kháng của điện trường phát ra rất lớn có thể gây quá điện áp ở một số phần của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 16 đường dây. Để hạn chế mức quá điện áp không tải người ta dùng các kháng điện bù ngang. Khi tăng dần công suất tác dụng tải trên đường dây, lượng công suất phản kháng thừa do đường dây phát ra sẽ giảm dần. Do vậy, các kháng điện bù ngang cần phải được cắt ra. Việc cắt kháng điện bù ngang ra khỏi đường dây cần được kiểm tra sao cho ở thời điểm cắt kháng điện, điện áp ở bất kỳ điểm nào ở trên đường dây cũng không được vượt quá giới hạn tối đa cho phép. Khi công suất tải bằng công suất tự nhiên thì các kháng điện phải được cắt ra hoàn toàn hoặc phải làm sao cho lượng công suất phản kháng của thiết bị bù từ bên ngoài đưa vào hoặc rút ra khỏi đường dây phải bằng không. Yêu cầu này có thể được thực hiện bằng nhiều cách: - Sử dụng kháng điện có điều khiển giới hạn điều chỉnh ( Q  Qdd ). Đây là phương án tốt nhất cả về kỹ thuật lẫn kinh tế. - Dùng kháng điện có công suất cố định kết hợp với máy bù đồng bộ. Phương án này đảm bảo yêu cầu thay đổi công suất phản kháng từ (QK  QB ) đến  (QK  QB ) , trong đó QK là công suất phản kháng điện, QB là công suất phản kháng máy bù đồng bộ. Trong phương án này công suất kháng điện có thể bé hơn phương án 1 tuy nhiên giá tiền thiết bị cao hơn. - Dùng kháng điện có công suất cố định kết hợp với thiết bị bù tĩnh có khả năng thay đổi công suất bù liên tục. Phương án này đảm bảo yêu cầu thay đổi công suất phản kháng từ QK đến  (QBT  QK ) , trong đó QBT là công suất của thiết bị bù tĩnh. - Điều khiển bằng đóng cắt các điện kháng có công suất cố định trong quá trình vận hành. Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh nhảy bậc và khả năng điều chỉnh không cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 17 Đối với đường dây dài, để đảm bảo các yếu tố kỹ thuật cho vận hành ổn định của hệ thống và nâng cao năng lực truyền tải của đường dây cần sử dụng các biện pháp kỹ thuật đặc biệt. Đó là: - Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha đường dây để giảm bớt điện kháng và tổng trở sóng, tăng công suất tự nhiên và khả năng tải của đường dây. - Bù thông số của đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang để giảm cảm kháng và dung dẫn của đường dây tương đương với việc làm cho chiều dài tính toán của đường dây như được rút ngắn lại. - Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở góc trạm trung gian trên đường dây. Với đường dây 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang không được quá 600km. - Đặt máy bù đồng bộ hoặc thiết bị bù tĩnh ở trạm rút công suất trung gian hoặc trạm cuối. Ở các đường dây dài cao áp hoặc siêu cao áp, khi không tải hoặc non tải, lượng công suất phản kháng do đường dây phát ra rất lớn có thể gây quá điện áp ở một số phần của đường dây. Để hạn chế mức quá áp, tăng khả năng quá tải của đường dây, nâng cao ổn định người ta sử dụng phương án bù dọc và bù ngang. 1.1.4. Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện Như đã biết, các thiết bị điện từ khi làm việc sẽ tiêu thụ từ lưới một dòng điện bao gồm các thành phần: phụ tải, tổn thất, dòng điện tản (dòng rò) và dòng từ hoá. Tức là cùng với việc tiêu thụ một lượng công suất tác dụng để sinh công, các thiết bị điện còn tiêu thụ một lượng công suất phản kháng. Lượng công suất phản kháng mà các thiết bị điện tiêu thụ phụ thuộc vào đặc tính của chúng, các động cơ không đồng bộ, máy biến áp vv… là những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Theo số liệu thống kê, thì lượng công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ tiêu thụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 18 chiếm tỷ trọng lớn nhất (khoảng 65÷ 75%), tiếp theo là máy biến áp khoảng 15÷ 20% và các đường dây 5÷ 8%. Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất tính bằng tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S): cos  P P  S 3UI (1.10) Trong thực tế vận hành giá trị cosυ thường được xác định theo công thức: cos tb  1 (1.11) A 1  ( x )2 Ar Trong đó: - Ar, Ax : Điện năng tác dụng và phản kháng trên thanh cái trạm biến áp. - P : Công suất tác dụng. Để thuận tiện cho việc phân tích và tính toán, đôi khi người ta thường dùng khái niệm hệ số tgυ thay cho hệ số cosυ, đó là tỷ lệ giữa công suất phản kháng và công suất tác dụng: tgυ = Q/P. Tuy nhiên hệ số tgυ chỉ được áp dụng trong các bước tính trung gian, kết quả cuối cùng lại được chuyển về hệ số cosυ tương ứng. Khi cosυ của thiết bị điện càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, nó góp phần cải thiện chế độ làm việc của lưới. Hệ số cosυ của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của các phụ tải điện. Khi hệ số cosυ thấp sẽ dẫn đến sự tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện như: a) Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn: Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 19 P  3I 2 R  P2  Q2 R  Pr  Px U2 (1.12) Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn nên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng. Đặc biệt đối với máy biến áp thành phần tổn thất công suất phản kháng chiếm tỷ lệ rất lớn. Chẳng hạn đối với máy 320 kVA 10/0,4 thì ΔP% = 2,4 còn ΔQ% = 3,2. b) Tăng tiết diện dây dẫn Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định: I S 3U  P2  Q2 (1.13) 3U Từ biểu thức trên chúng ta nhận thấy: với cùng một điều kiện phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp với P = const, nếu tăng lượng công suất phản kháng Q buộc phải tăng tiết diện dây dẫn, do đó sẽ làm tăng chi phí của mạng điện. Theo số tính toán, khi hệ số công suất giảm 20% (từ 1 xuống 0,8) thì lượng tổn thất công suất tăng lên khoảng 1.56 lần và khối lượng dây dẫn tăng lên 25%. Ví dụ minh họa dưới đây cho thấy ảnh hưởng của hệ số cosυ đối với sự thay đổi của công suất toàn phần. cosυ = 1 cosυ = 0,8 cosυ = 0,7 P = 100 kW P = 100 kW P = 100 kW Q=0 Q = 75 kVAr Q = 100 kVAr S = 100 kVA S = 125kVA S = 141 kVA Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 20 Kết quả tính toán ở ví dụ trên cho thấy khi hệ số cosυ giảm từ 1 xuống 0,7 thì giá trị công suất toàn phần tăng lên 1,41 lần. c) Làm hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng Cũng từ biểu thức (1.3) trên ta thấy, nếu vẫn giữ dòng I = const thì khi Q tăng buộc phải giảm P để đảm bảo điều kiện đốt nóng cho phép của các phần tử hệ thống điện. Còn nếu vẫn giữ nguyên giá trị P = const thì nếu công suất phản kháng quá lớn sẽ có thể gây quá tải cho các thiết bị điện vì công suất toàn phần S phải tăng lên. Điều đó sẽ làm giảm tuổi thọ thậm chí có thể phá hủy thiết bị. Việc giảm công suất tác dụng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải của mạng điện. d) Giảm chất lƣợng điện Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Như đã biết, tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức: U  PR  QX  U r  U x U (1.14) Thành phần tổn thất phản kháng ΔUx tỷ lệ thuận với công suất phản kháng. Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lượng điện. Điều đó làm tăng thêm chi phí do phải trang bị các cơ cấu điều chỉnh điện áp trong hệ thống. Khi chất lượng điện giảm quá mức cho phép sẽ dẫn đến sự thay đổi chế độ làm việc của các phần tử hệ thống điện. Sự thay đổi này có thể làm giảm năng suất của các thiết bị gây thiệt hại về kinh tế cho các ngành sản xuất. 1.1.5. Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam Sơ đồ mạng điện ở các địa phương có dạng như trên hình 1. Nguồn cấp là từ thanh cái trạm 110 kV, 220 kV hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng đường dây tải điện theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ tải điện áp được hạ xuống 35 kV, 22 kV hay 10 kV, 6 kV. Nếu là 35 kV thì tồn tại các Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn