Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG DU NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRƯỜNG DU NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH THÁI NGUYÊN - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Nguyễn Trường Du Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nơi công tác: Điện lực Ngân Sơn - Công ty Điện lực Bắc Kạn. Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất”. 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 15 tháng 4 năm 2019 Học viên thực hiện Nguyễn Trường Du Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 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, Công ty Điện lực Bắc Kạn 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 15tháng 4 năm 2019 Học viên Nguyễn Trường Du Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan ...................................................................................................... i Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục viết tắt .............................................................................................. v Danh mục các bảng .......................................................................................... vi Danh mục các hình .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS ............ 3 1.1. Công suất & hệ số công suất cos ....................................................... 3 1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện ............................................. 3 1.1.2. Hệ số công suất cosφ ......................................................................... 4 1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ ........................................................ 4 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất............................................ 5 1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ ................................. 7 1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện ..................... 7 1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện ...................... 7 1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp ................. 8 1.5. Kết luận chương 1 ............................................................................... 8 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CÔNG SUẤT ................................... 9 2.1. Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất truyền thống................................................................................................. 9 2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên ...................................... 9 2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo .................................... 12 2.1.3. Vị trí đặt thiết bị bù ......................................................................... 20 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2.1.4. Xác định dung lượng bù .................................................................. 20 2.2.Đề xuất phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất ................. 23 2.3. Kết luận chương 2 .............................................................................. 25 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU BÙ TỤ ĐIỆN TĨNH ................................................................................ 26 3.1. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR......................... 26 3.2. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC ............... 28 3.2.1. Phương pháp bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí (DVC) .. 28 3.2.2. Phương pháp bù CSPK sử dụng Thyristors (SVC)......................... 30 3.2.3. Phương pháp bù lai DSVC .............................................................. 30 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÙ COS TĨNH ...................................................................................... 33 4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng kiểu tĩnh FCTCR............................................................................................................ 33 4.1.1.Mô hình hóa hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR .............. 33 4.1.2. Tính toán giá trị tụ bù cố định FC ................................................... 34 4.1.3. Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR ................................ 35 4.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK................................................................................. 36 4.1.5. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols ..... 37 4.2.Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink ........... 40 4.2.1. Sơ đồ mô phỏng .............................................................................. 40 4.2.2. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 44 4.3. Kết luận chương 4 .............................................................................. 47 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 48 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC 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 Chú thích 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 VAr Volt-ampere reactive Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Hệ số công suất Bù công suất kiểu tĩnh Đơn vị công suất phản kháng http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ...... 38 Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 ........... 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tam giác công suất...................................................................... 4 Hình 2.1. Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ đóng ngắt contactor, rơ le ........................................................ 13 Hình 2.2. Tủ tụ bù tĩnhtrong thực tế 1....................................................... 15 Hình 2.3. Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2 ................................................ 15 Hình 2.4. Cấu trúc SSSC ........................................................................... 16 Hình 2.5. Cấu trúc TCSC .......................................................................... 17 Hình 2.6. Cấu trúc STATCOM ................................................................. 18 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM ............................. 19 Hình 2.8. Sơ đồ mạng lưới bù công suất phản kháng ............................... 20 Hình 2.9. Dung lượng bù CSPK ............................................................... 21 Hình 2.10. Sơ đồ bù CSPK ....................................................................... 22 Hình 2.11. Đặc tính V-I của SVC ............................................................. 24 Hình 3.1. Cấu trúc FC-TCR ...................................................................... 27 Hình 3.2. Cấu trúc bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí ............... 28 Hình 3.3. Nguyên lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bị chuyển mạch cơ khí ....................................................................................... 29 Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV......................................................... 31 Hình 4.1. Mô hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR.......................... 33 Hình 4.2. Sơ đồ mạch FC-TCR ................................................................. 34 Hình 4.3.Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S .............................................. 38 Hình 4.4. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ........................................ 38 Hình 4.5. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth .......................................... 39 Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR ..................... 40 Hình 4.7. Khối nguồn một pha cung cấp cho phụ tải ............................... 41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 4.8. Khối Thyristor và thông số ....................................................... 41 Hình 4.9. Khối mô hình đối tượng điều khiển .......................................... 42 Hình 4.10. Khối phát sung điều khiển ...................................................... 42 Hình 1.11. Khối tính toán công suất tác dụng, phản kháng P, Q .............. 43 Hình 4.12. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống ............................................... 43 Hình 4.13. Đáp ứng cos của hệ thống..................................................... 44 Hình 4.14. Đáp ứng điện áp điều khiển .................................................... 45 Hình 4.15. Đáp ứng cos của hệ thống (khi tải thay đổi) ......................... 45 Hình 4.16. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR ......................................................................................... 46 Hình 4.17. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR(Khi thay đổi tải) ............................................................. 46 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Hiện nay, với sự phát triển ngày càng nhanh về công nghiệp và đời sống dân sinh thì nhu cầu năng lượng điện để phục vụ sản xuất và đời sống càng tăng, nên vấn đề nâng cao chất lượng điện năng là yêu cầu cấp thiết. Trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, thì cos là một trong những yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng lớn đến tổn hao công suất và tổn thất điện áp khi truyền tải điện năng. Hệ số công suất coslà tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần (hay còn được gọi là công suất biểu kiến) trong quá trình truyền tải điện năng. Công suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết bị, đơn vị W hoặc kW. Công suất toàn phần là tích số của điện áp và dòng điện trên đường dây truyền tải điện năng và bằng căn bậc 2 của công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho quá trình biển đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR.Thông thường cos nhỏ hơn 1, do có sự xuất hiện của thành phần công suất phản kháng. Về lý thuyết cos phi bằng 1 là tốt nhất, khi đó, công suất tác dụng sẽ bằng với công suất toàn phần. Khi thành phần công suất phản kháng xuất hiện, sẽ làm cho công suất toàn phần tăng dẫn đến hệ số công suất cosgiảm khi cùng truyền 1 công suất tác dụng từ nguồn đến tải thì dòng điện trên đường dây tăng. Khi dòng điện trên đường dây tăng sẽ làm cho công suất toàn phần tăng, mà công suất tác dụng không đổi, có nghĩa công suất phản kháng tăng làm tăng tổn hao công suất trên điện trở đường dây và sụt điện áp trên tổng trở đường dây, giảm chất lượng điện năng. Để giảm tổn hao công suất và tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải điện năng thì việc nâng cao hệ số công suất costrở nên cấp thiết. Để nâng cao hệ số công suất cos, thì phải giảm công suất phản kháng bằng cách đưa thêm vào hệ thống điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn một lượng công suất phản kháng ngược với lượng công suất phản kháng mà tải tiêu thụ. Phương pháp nàygọi là bù hệ số công suất (bù công suất phản kháng) Trong thực tế, có nhiều phương pháp bù công suất phản kháng đã và đang được áp dụng. Trong đó, phương phápsử dụng các bộ biến đổi bằng thyristor có nhiều ưu thế vượt trội: thiết bị bù tĩnh có khả năng điều chỉnh trơn dung lượng bù, thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị bù bằng sử dụng thyristors là tương đối phức tạp và chất lượng bù phụ thuộc nhiều vào thuật toán điều khiển. Luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất. Với những phân tích đã nêu, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất” Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS 1.1. Công suất & hệ số công suất cos 1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện Công suất tác dụng P Đây là đại lượng đặc trưng cho khả năng biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, còn gọi là công hữu ích của thiết bị. Công suất tác dụng P là phần thực của công suất biểu kiến S, có đơn vị là W hoặc kW và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.1): P = R.I2 = U.I.cos = S.cos (1.1) Công suất phản kháng Q Đây là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng trong hệ thống cung cấp điện và thiết bị điện. Mặc dù không sinh ra công hữu ích (công suất vô công), nhưng là thành phần cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng. Công suất phản kháng Q sinh ra do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, có đơn vị: VAR hoặc kVAR. Xét trong hệ thống điện 1 pha công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S và được xác định theo biểu thức (1.2): Q = X.I2 = U.I.sin = S.sin (1.2) Công suất biểu kiến S Còn gọi là công suất toàn phần, là công suất truyền tải trên đường dây điện đến thiết bị sử dụng và bằng tích số của giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện. Công suất biểu kiến S gồm phần thực công suất tác dụng và phần ảo công suất phản kháng trong mạng điện xoay chiều, có đơn vị là VA hoặc kVA và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.3): S = U.I = P2 + Q2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN (1.3) http://lrc.tnu.edu.vn Ba loại công suất được trình bày ở trên có mối quan hệ mật thiết với nhau thông qua mối quan hệ trong tam giác vuông gọi là tam giác công suất như hình 1.1: Hình 1.1. Tam giác công suất P = S.cosφ (1.4) Q = S.sinφ (1.5) S2 = P2 + Q2 (1.6) 1.1.2. Hệ số công suất cosφ Hệ số công suất cosφ hay còn gọi là cosφ (PF), là hàm số lượng giác cos của góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch. Hoặc hệ số công suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác dụng P (W)và công suất biểu kiến S (VA). PF = cosφ = P S (1.7) 1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến áp). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát điện (tính bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác dụng P càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích. Có thể thấy rằng, việc duy trì cosφ ~1 sẽ giúp máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả. Trên thực tế, hệ số công suất có giá trị bằng bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện). Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần còn thiếu khi sử dụng, khách hàng tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm thiết bị bù công suất phản kháng (thông thường tải có tính chất cảm nên thường sử dụng tụ bù). Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải, ta lại phải quan tâm đến dòng điện truyền tải trên đường dây.Dòng điện này sẽ làm tổn hao công suất tác dụng trên đường dây (nóng dây) và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây truyền tải. Nếu xét trong hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức: S= U.I Nếu xét trong hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức: S = √3. 𝑈. 𝐼 , với U là điện áp dây, I là dòng điện dây. Cả trong hệ thống lưới điện 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với công suất biểu kiến S. Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng gộp lại tạo nên. Từ đó ta có nhận xét: Nếu như cùng 1 tải, ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay tại tải, đường dây chỉ truyền tải dòng điện của công suất tác dụng thì chắc chắn sẽ giảm được tổn thất công suất trên đường dây (đường dây sẽ mát hơn). 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất Theo biểu thức (1.6) và (1.7), ta có thể thấy hệ số công suất cosφ chịu sự ảnh hưởng bởi cả ba loại công suất. Trong đó: Công suất biểu kiến S còn gọi công suất toàn phần, được các nhà máy điện sản xuất và cấp phát, là đại lượng phụ thuộc vào nơi cấp và nguồn cấp phát. Công suất tác dụng P còn gọi là công suất tác dụng là công suất thực phụ tải sử dụng và thay đổi theo yêu cầu của phụ tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Công suất phản kháng Q còn được gọi là công suất vô ích (vô công) gây ra do các thành phần có tính cảm và dung của các loại phụ tải trong mạng điện như: Động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp, cuộn dây, các bộ tụ điện, ...Khi thành phần công suất vô công lớn làm cho công suất toàn phần tăng, dẫn đến dòng điện trên đường dây truyền tải tăng, làm tăng tổn hao năng lượng trên đường dây.Mặc dù thành phần công suất vô công gây ra tổn thất điện năng không đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ tải trong truyền tải và tiêu thụ, nhưng nó là thành phần cần thiết trong quá trình biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác. Tuy nhiên, thành phần công suất vô công mà nguồn cấp cho tải có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt các thành phần cảm kháng hoặc dung kháng trong mạng điện hoặc nơi tiêu thụ. Thành phần vô công bao gồm 2 loại: là thành phần vô công mang tính cảm: Đối với các máy phát, thiết bị mang tính cảm (các loại động cơ điện, cuộn dây, ...) và thành phần vô công mang tính dung:Đối với các máy phát, thiết bị mang tính dung (các loại tụ, ...). Thành phần công suất vô công mang tính cảm tạo ra dòng điện vô công mang tính cảm làm cho dòng điện chậm pha so với điện áp (góc φ dương). Ngược lại thành phần công suất vô công mang tính dung tạo dòng điện vô công mang tính dung làm cho dòng điện vượt pha so vói điện áp (góc φ âm). Trong mạng điện, công suất phản kháng bằng trị số của công suất phản kháng mang tính cảm trừ đi trị số của công suất phản kháng mang tính dung. Trên thực tế, phụ tải của mạng điện thường yêu cầu các thành phần vô công mang tính cảm (các động cơ điện, các cuộn dây, ... trong mạng điện công nghiệp và sinh hoạt), do đó dòng điện trên đường dây truyền tải điện năng thường chậm pha so với điện áp. Nếu sử dụng nhiều thiết bị yêu cầu công suất phản kháng lớn thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp tăng (góc φ tăng), dẫn đến giảm hệ số công suất làm tăng tổn hao khi truyền tải điện năng. Để Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn giảm tổn hao điện năng khi truyền tải, phân phối và tiêu thụ thì buộc phải giảm công suất phản kháng truyền từ nguồn đến tải để tăng hệ số công suất cosφ từ đó tăng được hiệu suất sử dụng năng lượng. 1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q). Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lên, đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì vậy việc bù công suất phản kháng cho lưới điện sẽ có những ý nghĩa quan trọng sau: - Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện. - Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện. - Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp. 1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện Ta có tổn thất công suất trên đường dây được xác định theo công thức: P2  Q2 P2 Q2   R  2 R  2 R  ( P )  (Q ) U2 U U (1.8) Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần P(Q)do Q gây ra. 1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện Tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức (1.9): U  PR  QX P Q  R  X  U ( P )  U (Q ) U U U (1.9) Khi ta giảm Q trên đường dây, ta giảm được thành phần U(Q) do Q gây ra. Từ đó nâng cao chất lượng điện áp cho lưới điện. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau: (1.10) Từ công thức (1.10) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng (P) của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng(Q) phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu lượng công suất phản kháng(Q) phải truyền tải giảm thì khả năng truyền tải công suất tác dụng(P) sẽ tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện... Việc bù công suất phản kháng (Q) ngoài việc nâng cao được hệ số công suất cosφ còn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu sử dụng làm dây dẫn,tiết kiệm được chi phải đầu tư xây dựng, lắp đặt lưới điện. 1.5. Kết luận chương 1 Chương 1 của luận văn giới thiệu những khái niệm cơ bản về các loại công suất, mối quan hệ giữa các loại công suất, khái niệm về hệ số công suất cos trong mạch điện. Luận văn cũng nêu ảnh hưởng của hệ số công suất cos đến chất lượng điện năng mà cụ thể là tổn thất điện áp và tổn thất công suất khi truyền tải điện năng; ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất khi truyền tải điện năng: Giảm tổn thất điện áp; giảm tổn thất công suất; tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CÔNG SUẤT Việc nâng cao hệ số công suất coslà nhằm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây của hệ thống cung cấp điện đến tải.Để làm được điều này, trong thực tế có 2 biện pháp: - Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên(biện pháp tự nhiên): Đây là thực chất là nhóm các phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện để tự bù công suất phản kháng cho nhau nhằm giảm lượng Q đòi hỏi từ nguồn. - Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù: Không yêu cầu giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà thực hiện việc bù công suất Q ngay tại đầu nguồn cung cấp cho các phụ tải nhằm giảm lượng Q phải truyền tải trên đường dây. Phương pháp này được thực hiện sau khi đã thực hiện biện pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù. 2.1. Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất truyền thống 2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để phụ tải tiêu thụ điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn cung cấp. Các phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên: - Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ công suất phản kháng: 2 𝑄 = 𝑄𝑘𝑡 + ∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡 (2.1) Với công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Qđm) và có thể xác định theobiểu thức: 𝑄𝑘𝑡 ≈ √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN (2.2) http://lrc.tnu.edu.vn 𝐼𝑘𝑡 –làdòng điện không tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 –làhệ số mang tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 = 𝑃 𝑃đ𝑚 . ∆𝑄đ𝑚 - làlượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định mức so với khi không tải, được xác định theo biểu thức (2.3): ∆𝑄đ𝑚 = 𝑄đ𝑚 − 𝑄𝑘𝑡 ≈ 𝑃đ𝑚 đ𝑚 𝑡𝑔𝜑đ𝑚 − √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡 (2.3) trong đó 𝜂đ𝑚 - hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức. Từ đây ta có hệ số công suất được xác định theo biểu thức (2.4): cos 𝜑 = 𝑃 𝑃 1 = = 2 𝑆 √𝑃2 + 𝑄2 𝑄𝑘𝑡 +∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡 √1 + ( ) (2.4) 𝑘𝑝𝑡 𝑃đ𝑚 Do đó ta thấy rằng𝑘𝑝𝑡 giảm → cosφcũng giảm. Ví dụ: Một động cơcosφ = 0.85khi 𝑘𝑝𝑡 = 1; cosφ = 0,6 khi 𝑘𝑝𝑡 = 0.6; cosφ = 0,5 khi 𝑘𝑝𝑡 = 0.3 Khi có động cơ không đồng bộ làm việc ở trạng thái non tải, ta cần phải dựa vào mức độ tải để quyết định việc thay thế. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng: 𝑘𝑝𝑡 <0.45 việc thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn bao giờ cũng có lợi. 𝑘𝑝𝑡 >0.7việc thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ không có lợi. 0.45 < 𝑘𝑝𝑡 < 0.7việc có tiến hành thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn phải dựa trên việc so sánh kinh tế. - Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn. Khi đó công suất phản kháng cho động cơ không đồng bộ được xác định theo biểu thức: 𝑄=𝑘 𝑈2 𝑓. 𝑉 𝜇 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN (2.5) http://lrc.tnu.edu.vn