Tài liệu Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2019 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Lương Trung Hiếu Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên. Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2019 Học viên thực hiện Lương Trung Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trần Xuân Minh, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này. Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2019 Học viên Lương Trung Hiếu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii MỤC LỤC ...................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT ...................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ ............................................ viii MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 1 2. Nội dung nghiên cứu của đề tài................................................................... 1 3. Kết quả dự kiến ........................................................................................... 1 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 2 5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu ....................................................................... 2 6. Bố cục đề tài ................................................................................................ 2 7. Kế hoạch thực hiện...................................................................................... 2 Chương 1. TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP .................................................................................................... 3 1.1. Tổng quan chung ...................................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa lưới điện trung áp ............................................................... 3 1.1.2. Phân loại lưới điện trung áp .................................................................. 3 1.1.3. Vai trò của lưới điện trung áp ............................................................... 4 1.1.4. Các phần tử chính của lưới điện trung áp ............................................. 4 1.1.5. Cấu trúc của lưới điện trung áp ............................................................. 6 1.1.6. Đặc điểm của lưới điện trung áp ......................................................... 10 1.2. Hiện trạng lưới điện trung áp tại Việt Nam ........................................... 11 1.2.1. Tình hình phát triển lưới điện trung áp ............................................... 11 1.2.2. Tình hình phát triển phụ tải điện ......................................................... 11 1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................. 12 iv Chương 2. SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỬ SÓNG HÀI.... 14 2.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 14 2.2. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao ..................................................... 14 2.2.1. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao và quy định giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện .................................................... 19 2.2.2. Một số nguồn tạo sóng điều hòa bậc cao trong công nghiệp .............. 21 2.3. Phương pháp khử sóng hài bậc cao........................................................ 26 2.3.1. Bộ lọc sóng điều hòa bậc cao .............................................................. 26 2.3.2. Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực .............................. 2.3.3. Bộ lọc hỗn hợp .................................................................................... 38 2.3.4. Các thiết bị bù công suất phản kháng ................................................. 39 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................. 47 Chương 3. THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CHO PHỤ TẢI PHI TUYẾN ............................................. 48 3.1. Đặt vấn đề............................................................................................... 48 3.2. Lý thuyết về phương pháp lọc tích cực .................................................. 48 3.2.1. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số ........................... 49 3.2.2. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian ...................... 50 3.3. Mô hình bể điện phân ............................................................................. 55 3.4. Cấu trúc của bộ lọc tích cực ................................................................... 59 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................. 71 Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ... 72 4.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4] ............ 72 4.1.1. Nguồn xoay chiều 3 pha...................................................................... 72 4.1.2. Khối mạch lực ..................................................................................... 72 4.1.3. Khối điều khiển dòng .......................................................................... 74 4.1.6. Khâu lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha .............................. 79 4.1.7. Khâu đo dòng điện, điện áp ................................................................ 80 v 4.2. Sơ đồ và kết quả mô phỏng .................................................................... 80 4.2.1. Mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực ................................... 81 4.2.2. Mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực ............................................ 85 4.4. Kết luận chương 4 .................................................................................. 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 93 vi DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT Thuật ngữ đầy đủ Chữ viết tắt CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng DSVC Dynamic - Static Var Compensation FACTS Flexible alternating current transmission systems FC Fixed Capacitor FC-TCR Fixed Capacitor - Thyristor controller Reactor PF Power factor SSSC Static Synchronous Series Controllers SVC Static Var Compensation STATCOM Static Synchronous Compensator TCR Thyristor controller Reactor TCSC Thyristor Controlled Series Compensation TSC Thyristor Switched Capacitor Chú thích Hệ số công suất Bù công suất kiểu tĩnh Đơn vị Var Volt-ampere reactive công suất phản kháng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp ................. 20 Bảng 2.2. Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện ............. 20 Bảng 2.3: IEC 1000-3-4 ............................................................................ 21 Bảng 3.1: Modul vector biên trái, biên phải bằng các thành phần điện áp us, us ............................................................................ 69 Bảng 3.2: Thuật toán điều chế vector không gian ..................................... 70 Bảng 4.1. Tỷ lệ các thành phần dòng điều hòa trong dòng điện nguồn .......... 83 Bảng 4.2: Giá trị các thành phần sóng điều hòa trong dòng điện nguồn......... 88 viii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia ................................................... 7 Hình 1.2: Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn ............................. 8 Hình 1.3: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp ................ 8 Hình 1.4: Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập ....... 8 Hình 1.5. Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục ............................................... 9 Hình 1.6: Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phòng chung........................ 9 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện ............................................... 10 Hình 2.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) ............................................................................... 15 Hình 2.2: Các thành phần sóng điều hòa ................................................ 16 Hình 2.3: Phân tích Fn thành an và bn ...................................................... 17 Hình 2.4: Phổ của các thành phần điều hòa ............................................ 18 Hình 2.5: Mô hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha ......................................... 22 Hình 2.6: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha......... 22 Hình 2.7: Chỉnh lưu cầu Đi ốt 1 pha, dạng dòng điện và phổ ................ 22 Hình 2.8: Mô hình chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha ......................................... 23 Hình 2.9: Dòng điện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha......... 23 Hình 2.10: Chỉnh lưu cầu Đi ốt 3 pha, dạng dòng điện và phổ ................ 24 Hình 2.11: Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha ................................................ 24 Hình 2.12: Dòng điện pha A ..................................................................... 25 Hình 2.13: Dạng dòng điện iA và phổ ....................................................... 25 Hình 2.14: Bộ lọc RC ............................................................................... 27 Hình 2.15: Bộ lọc LC ................................................................................ 28 Hình 2.16: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ động ......... 28 ix Hình 2.17: Đáp ứng dòng, áp tại vị trí B1 và B2 khi chưa có bộ lọc thụ động ............................................................................ 29 Hình 2.18: Phổ điện áp tại B1 và B2 ........................................................ 29 Hình 2.19: Sơ đồ mô phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ động .................. 30 Hình 2.20: Phổ điện áp tại B1 ................................................................... 30 Hình 2.21: Bộ lọc tích cực song song ....................................................... 33 Hình 2.22: Cấu trúc bộ lọc song song....................................................... 34 Hình 2.23: Bộ lọc tích cực nối tiếp .......................................................... 35 Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý AFS............................................................... 35 Hình 2.25: Bộ lọc tích cực 3 dây .............................................................. 36 Hình 2.26: Bộ lọc tích cực 4 dây có điểm giữa ........................................ 36 Hình 2.27: Bộ lọc tích cực 4 dây .............................................................. 37 Hình 2.28: Cấu trúc VSI ........................................................................... 37 Hình 2.30: Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a) song song và b) nối tiếp .......................................................... 38 Hình 2.31: Cấu trúc UPQC ....................................................................... 39 Hình 2.32: Cấu trúc SSSC ........................................................................ 41 Hình 2.33: Cấu trúc TCSC ........................................................................ 42 Hình 2.34: Cấu trúc SVC .......................................................................... 43 Hình 2.35: Cấu trúc Stacom ...................................................................... 44 Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của Statcom ................................ 44 Hình 2.37: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................ 45 Hình 2.38: Trạng thái hấp thụ công suất của bộ bù .................................. 46 Hình 2.39: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ................... 47 Hình 3.1: Phương pháp FFT ................................................................... 50 Hình 3.2: Thuật toán xác định dòng bù trong hệ dq ............................... 51 Hình 3.3: Thuật toán lựa chọn sóng điều hòa cần bù trong hệ dq .......... 52 Hình 3.4: Mô hình bộ lọc tích cực theo lý thuyết pq. ............................. 52 x Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống bể mạ ............................................................. 56 Hình 3.6: Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng ........................................... 57 Hình 3.7: Giải pháp bù sát nút phụ tải .................................................... 58 Hình 3.8: Mô hình bể mạ ........................................................................ 58 Hình 3.9: Đặc tính biến thiên của sức điện động bể mạ ......................... 59 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý mạch lực sử dụng bộ lọc tích cực ................ 59 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ lọc ................................... 60 Hình 3.12: Sơ đồ mạch lực của bộ lọc ...................................................... 60 Hình 3.13: Sơ đồ thay thế mạch lực của bộ lọc ........................................ 60 Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán tính dòng bù theo lý thuyết p-q ............... 64 Hình 3.15: Thực hiện véc tơ us bất kỳ bằng 2 vector điện áp chuẩn ........ 65 Hình 3.16: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S1.........67 Hình 3.17: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S2.........67 Hình 3.18: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S3.........67 Hình 3.19: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S4.........68 Hình 3.20: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S5.........68 Hình 3.21: Biểu đồ xung của vector điện áp thuộc góc phần tư thứ nhất S6.........68 Hình 4.1: Khối nguồn ba pha .................................................................. 72 Hình 4.2: Khối mạch lực của bể mạ ....................................................... 72 Hình 4.3: Khối điều áp xoay chiều 3 pha ............................................... 73 Hình 4.4: Khối chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Đi ốt...................................... 73 Hình 4.5: Khối điều chỉnh dòng điện tải................................................. 74 Hình 4.6: Bộ biến đổi và tham số ........................................................... 74 Hình 4.7: Mạch điều khiển của bộ lọc .................................................... 75 Hình 4.8: Chuyển hệ toạ độ từ abc -> αβ ............................................... 75 Hình 4.9: Khâu tính công suất pq ........................................................... 76 Hình 4.10: Khối tính toán công suất ổn định điện áp trên tụ.................... 76 Hình 4.11: Khối tính toán công suất bù .................................................... 77 xi Hình 4.12: Khâu tính toán dòng bù pq .................................................... 77 Hình 4.13: Khâu chuyển tọa độ αβ sang abc ............................................ 78 Hình 4.14: Khâu tính toán độ méo dạng .................................................. 79 Hình 4.15: Khâu lấy tín hiệu..................................................................... 79 Hình 4.16: Khâu đo dòng điện, điện áp .................................................... 80 Hình 4.17: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể điện phân chưa có bộ lọc tích cực ........................................................... 81 Hình 4.18: Dạng dòng điện nguồn ............................................................ 81 Hình 4.19: Dạng dòng điện nguồn pha A ................................................. 82 Hình 4.20. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 8 (V) ........ 82 Hình 4.21. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 16 (V) ..... 82 Hình 4.22. Phân tích sóng điều hòa dòng điện nguồn pha A tại E = 22 (V) ...... 83 Hình 4.23. Hệ số công suất khi chưa có bộ lọc ........................................ 84 Hình 4.24: Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống cho tải bể mạ có sự tham gia của bộ lọc tích cực ................................................... 85 Hình 4.25: Điện áp nguồn cấp cho bể mạ ................................................. 85 Hình 4.26: Dòng điện nguồn sau khi bộ lọc tác động .............................. 86 Hình 4.27: Dòng điện nguồn pha A sau khi bộ lọc tác động.................... 86 Hình 4.28: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=8 (V) khi bộ lọc tác động ............................................................................. 87 Hình 4.29: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=16 (V) khi bộ lọc tác động ............................................................................. 87 Hình 4.30: Phổ sóng điều hòa dòng điện pha A tại E=22 (V) khi bộ lọc tác động ............................................................................. 87 Hình 4.31: Công suất Q của nguồn và tải sau khi có bộ lọc tác động ...... 89 Hình 4.32: Hệ số công suất sau khi bộ lọc tác động ................................. 90 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho các phụ tải không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo. Trong điều kiện vận hành, truyền tải điện năng, do trên các phụ tải có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Các thành phần sóng điều hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó, các thành phần dòng điều hòa bậc cao trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần điều hòa bậc cao. Giải pháp 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 tích cực dựa trên thiết bị điện tử công suất và điều khiển để thực hiện nhiều chức năng khác nhau. Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng lưới điện cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu bộ lọc tích cực để cải thiện chất lượng điện năng cho luới điện phân phối”. 2. Nội dung nghiên cứu của đề tài - Tổng quan về lưới điện phân phối (lưới điện trung áp). - Phân tích sóng hài bậc cao. - Thiết kế bộ lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao cho lưới điện phân phối. - Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống. 3. Kết quả dự kiến - Bộ lọc tích cực. - Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống. 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Lưới điện phân phối (lưới điện trung áp); - Bộ lọc tích cực; - Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống trên nền Matlab/Simulink. 5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu Xây dựng mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống trên nền Matlab/Simulink. 6. Bố cục đề tài Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm 4 chương sau: Chương 1: Tổng quan về lưới điện phân phối Chương 2: Sóng hài bậc cao và phương pháp lọc sóng hài bậc cao. Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho lưới điện phân phối cung cấp cho phụ tải phi tuyến. Chương 4: Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống. 7. Kế hoạch thực hiện Toàn bộ nội dung của luận văn được thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày có quyết định. Kế hoạch thực hiện được cụ thể như sau: STT Nội dung nghiêncứu Thời gian Ghi thực hiện chú 1 Nghiên cứu tổng quan về lưới điện phân phối 1 tháng 2 Nghiên cứu về sóng hài bậc cao 1 tháng 3 Phương pháp khử sóng hài bậc cao 1 tháng 4 Xây dựng mô hình toán của đối tượng điều khiển; 1 tháng 5 6 Thiết kế điều khiển bằng bộ lọc tích cực, mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lượng hệ thống; Hoàn thiện luận văn 1 tháng 1 tháng 3 Chương 1 TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI - LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP 1.1. Tổng quan chung 1.1.1. Định nghĩa lưới điện trung áp Lưới điện trung áp (LĐTA) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐTA là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1]. Tính đến nay lưới điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nước, tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel. 1.1.2. Phân loại lưới điện trung áp Lưới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [1] [[11]]. Phân loại LĐTA trung áp theo 3 dạng: - Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: + Lưới phân phối thành phố; + Lưới phân phối nông thôn; + Lưới phân phối xí nghiệp. - Theo thiết bị dẫn điện: + Lưới phân phối trên không; + Lưới phân phối cáp ngầm. - Theo cấu trúc hình dáng: + Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn. + Lưới kín vận hành hở; + Sơ đồ hình lưới; 4 1.1.3. Vai trò của lưới điện trung áp Lưới điện trung áp làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện. Lưới điện trung áp được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện. Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép. Lưới điện trung áp trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện: - Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải. - Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối. Mỗi sự cố trên lưới điện trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội. - Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải). - Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên lưới điện trung áp. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này. - Lưới điện trung áp gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng. 1.1.4. Các phần tử chính của lưới điện trung áp Các phần tử chủ yếu trong LĐTA bao gồm [11], - Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện. - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. 5 - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao. - Thiết bị đo lường: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường... - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,... - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,... Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt...) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù...) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện trung áp. Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc. Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải. 6 Nhờ các thiết bị phân đoạn, đường dây tải điện được chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện. Không phải lúc nào các phần tử của lưới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử của lưới không làm việc để lưới điện trung áp vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. 1.1.5. Cấu trúc của lưới điện trung áp Cấu trúc của LĐTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [11], - Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy đủ. Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành. - Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện. Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. 7 Ngoài ra, cấu trúc LĐTA còn có thể có các dạng như: - Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành. Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐTA phải ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. - Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐTA được cắt điện để thao tác. Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở. - Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc. Cấu trúc động được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực. LĐTA trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ. Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐTA: - Lưới hình tia (Hình 1.1): Lưới này có ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin cậy rất thấp. MC ĐD Nguồn P1 P2 P3 P4 Hình 1.1: Sơ đồ lưới phân phối hình tia P… Pn