Tài liệu Nghiên cứu thiết kế thiết bị bù trung thế ổn định điện áp lưới điện

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN HỒNG MẠNH NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ BÙ TRUNG THẾ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN DUY CƯƠNG Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của em. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Mạnh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Phòng Đào tạo, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hoàn thành bản luận văn của mình. Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong khoa Điện của trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng dẫn và góp ý của thầy PGS-TS. Nguyễn Duy Cương đã giúp cho đề tài hoàn thành mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các thầy, cô. Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để tôi tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện hơn nữa trong quá trình công tác sau này. Tác giả luận văn Nguyễn Hồng Mạnh 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 TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lý do thực hiện đề tài....................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .................................................. 2 4. Dự kiến các kết quả đạt được ........................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 3 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 3 7. Cấu trúc của luận văn ....................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN, CÁC TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH .......................................................................................4 1.1 Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn.......................................................... 4 1.1.1 Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ ................................................................. 4 1.1.2 Nguồn trạm 110kV ...................................................................................... 4 1.2 Lưới điện ........................................................................................................ 5 1.2.1 Thống kê lưới điện hiện trạng ..................................................................... 5 1.2.2 Tình hình vận hành hệ thống lưới phân phối .............................................. 7 1.2.3 Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 .............................. 8 1.3 Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 đã thực hiện .......................................................... 9 1.3.1 Các tồn tại trong việc nâng cao chất lượng điện năng ................................ 9 1.3.2 Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất đã thực hiện ............................................................................................................. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .........................................................................................................14 2.1 Công suất & hệ số công suất ........................................................................ 14 2.1.1 Giới thiệu về các loại công suất ................................................................ 14 2.1.2 Hệ số công suất ......................................................................................... 15 2.2 Ý nghĩa của hệ số công suất ......................................................................... 15 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất.................................................... 16 2.4 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất .................................................. 17 2.4.1 Giảm tổn thất công suất trong mạng điện ................................................. 18 2.4.2 Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện ..................................................... 18 2.4.3 Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp ......................... 18 2.5 Hệ thống bù công suất phản kháng .............................................................. 18 2.5.1 Bù CSPK sử dụng cấu trúc FC-TCR ........................................................ 19 2.5.2 Vị trí đặt thiết bị bù ................................................................................... 20 2.5.3 Xác định dung lượng bù ............................................................................ 21 2.6 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 24 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CSPK .......................25 3.1 Hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR .............................................. 25 3.1.1 Sơ đồ tổng quan......................................................................................... 25 3.1.2 Tính toán giá trị tụ bù cố định FC ............................................................. 28 3.1.3 Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR........................................... 28 3.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK ..................................................................................................... 29 3.2.1 Bộ tạo xung điều khiển Thyristor ............................................................. 30 3.2.2 Bộ điều khiển phản hồi cos𝜑 (Khối TH-KĐTG)...................................... 33 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................................................................41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CS : Công suất CSPK : Công suất phản kháng CSTT : Công suất tiêu thụ ĐB : Đồng bộ DSVC : Dynamic - Static Var compensation DVC : Dynamic Var Compensation FC : Fixed Capacitor KĐB : Không đồng bộ SSSC : Static Synchronous Series Controllers STATCOM : Static Synchronous Compensator SVC : Static Var Compensation TCR : Thyristor controller Reactor TSC : Thyristor Switched Capacitor Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Công suất các NMTĐ hiện có tỉnh Bắc Kạn ..............................................4 Bảng 1.2. Hiện trạng mang tải trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn .........5 Bảng 1.3. Thống kê khối lượng lưới hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn ....................6 Bảng 1.4. Mang tải các tuyến đường dây trung áp .....................................................7 Bảng 1.5. Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371, E26.1 ............8 Bảng 3.1. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất ................37 Bảng 3.2. Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 .....................38 Bảng 4.1. Giá trị tham số trên đường dây tải điện ....................................................42 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. Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhau và các bộ đóng ngắt contactor, rơ le ...............................................................................13 Hình 2.1. Tam giác công suất....................................................................................15 Hình 2.2. Cấu trúc FC-TCR ......................................................................................20 Hình 2.3. Sơ đồ mạng lưới bù CSPK ........................................................................21 Hình 2.4. Dung lượng bù CSPK ...............................................................................22 Hình 2.5. Sơ đồ bù CSPK .........................................................................................23 Hình 2.6. Xác định dung lượng bù ............................................................................23 Hình 3.1. Hệ thống bù CSPK FC-TCR .....................................................................25 Hình 3.2. Sơ đồ mạch FC-TCR .................................................................................26 Hình 3.3. Sơ đồ tương đương khi lưới và tải mang tính chất dung ..........................27 Hình 3.4. Sơ đồ tương đương khi lưới và tải mang tính chất cảm ............................27 Hình 3.5. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển pha đứng ..........................................31 Hình 3.6. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển phản hồi cosφ ............................................33 Hình 3.7. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Kp ............................................34 Hình 3.8. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Ki .............................................35 Hình 3.9. Đáp ứng của hệ thống khi thay đổi hệ số Kd ............................................36 Hình 3.10. Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ...........................................................37 Hình 3.11. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ......................................................38 Hình 3.12. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth .........................................................38 Hình 3.13. Mắc nối tiếp các Thyristor để phân áp ....................................................39 Hình 3.14. Sử dụng BAX cho mạch khuếch đại và truyền xung ..............................40 Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng ................................41 Hình 4.2. Đường dây tải điện ....................................................................................41 Hình 4.3. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi chưa tải hoặc non tải .......42 Hình 4.4. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn khi có tải ................................43 Hình 4.5. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có tụ bù ..................................43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 4.6. Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có cả tụ bù và kháng bù .........44 Hình 4.7. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển Thyristor xây dựng trên Simulink ........44 Hình 4.8. Điện áp răng cưa, điện áp điều khiển, và điện áp sau khối so sánh ..........45 Hình 4.9. Phân chia xung ..........................................................................................45 Hình 4.10. Xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển hệ số Cos Phi trên Matlab/Simulink ....................................................................................46 Hình 4.11. Đo công suất tác dụng và công suất phản kháng ....................................46 Hình 4.12. Hệ số cos phi ...........................................................................................47 Hình 5.1. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSVC đề xuất .........................................................49 Hình 5.2. Sơ đồ cấu trúc của khối điều khiển trong hệ thống bù lai DSVC .............49 Hình 5.3. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống bù lai DSVC ............................50 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Lý do thực hiện đề tài Sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng được xác định là nhiệm vụ trọng yếu có vai trò cực kỳ quan trọng đảm bảo an ninh năng lượng, thúc đẩy phát triển tăng trưởng kinh tế. Hiện tại, Công ty Điện lực Bắc Kạn đang quản lý vận hành 1.707,05 km đường dây trung thế và 1.063 TBA phân phối. Là tỉnh miền núi phụ tải thường không tập trung xuất tuyến các đường dây trung thế sau trạm 110kV dài (có đường dây trục chính lên đến 180km không kể các nhánh rẽ), việc đầu tư các trạm 110kV đến gần trung tâm phụ tải là rất tốn kém. Do đường dây truyền tải dài dẫn đến phát sinh lượng công suất phản kháng Q gọi là công suất vô công gây ra. 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. Thành phần công suất vô công gây ra tổn thất điện năng 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. 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 khác trong lưới trung thế hoặc nơi tiêu thụ. Như chúng ta đã biết công suất truyền từ nguồn đến tải luôn tồn tại 2 thành phần: Công suất tác dụng và công suất phản kháng. Công suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết bị, đơn vị W hoặc kW. Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR. Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên được gọi là công suất biểu kiến, đơn vị VA hoặc kVA. Tỷ lệ giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến gọi là Hệ số công suất Cos phi (Cosφ). Chúng ta cần nâng cao hệ số Cos phi này nhằm giảm tổn hao công suất, tổn thất điện áp trên đường truyền. Việc nâng cao hệ số Cos phi thường được thực hiện bù ngang và bù dọc với các phương pháp bù tĩnh (bù trực tiếp, thường dùng bù trước 1 phần công suất phản kháng mà không xảy ra dư công suất phản kháng) hoặc bù ứng động (tự động điều chỉnh hệ số công suất phản kháng). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Đối với một đường dây truyền tải có chiều dài lớn (khoảng 100 km) khi đầy tải tổn thất trên đường dây tăng, điện áp cuối đường dây giảm. Khi non tải do tồn tại điện dung ký sinh điện áp cuối đường dây tăng đáng kể. Để khắc phục tình trạng nêu trên Công ty Điện lực Bắc Kạn đã đầu tư lắp đặt thử nghiệm MBA tăng áp ở gần cuối đường dây trung thế để điều chỉnh ổn định điện áp. Tuy nhiên, việc đầu tư trên chỉ mới đem lại việc ổn định điện áp, còn lại các thành phần công suất vô công chưa được xử lý, mặt khác việc đầu tư MBA tăng áp rất tốn kém về kinh phí đầu, diện tích sử dụng đất cho việc lắp đặt thiết bị và sẽ tăng một lượng tổn thất do bản thân thiết bị gây ra… Xuất phát từ những lý do trên tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế thiết bị bù trung thế ổn định điện áp lưới điện” để làm nội nghiên cứu cho mình. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Đề tài này đặt mục tiêu chính là nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất, ổn định điện áp làm việc cho lưới điện. - Mục tiêu cụ thể Thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng với cấu trúc kết hợp giữa bù có cấp và vô cấp cho một tuyến đường dây trung thế tại tỉnh Bắc Kạn; 3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học Vận dụng kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên môn để đề xuất các giải pháp bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất, ổn định điện áp lưới truyền tải điện năng. - Ý nghĩa thực tiễn Phân tích đánh giá các giải pháp kỹ thuật để xây dựng các hệ thống điều chỉnh công suất phản kháng trên lưới điện trung thế tỉnh Bắc Kạn và định hướng phát triển xây dựng cho lưới điện toàn Tập đoàn Điện lực Việt Nam trong những năm tiếp theo. 4. Dự kiến các kết quả đạt được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hệ thống bù công suất phản kháng với cấu trúc bù có cấp; hệ thống bù công suất phản kháng với cấu trúc kết hợp giữa bù có cấp và vô cấp; thuyết minh nguyên lý hoạt động của các hệ thống đề xuất; tính toán các tham số cơ bản của hệ thống bù ứng động với một đối tượng cụ thể; mô hình hóa hệ thống, mô phỏng, hiệu chỉnh, đánh giá chất lượng; so sánh kinh tế, kỹ thuật giữa phương án truyền thống và phương án đề xuất. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết Sử dụng các kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành cho các phân tích, thiết kế, tính toán. Kết quả thiết kế, tính toán được kiểm chứng, đánh giá qua mô phỏng sử dụng phần mềm chuyên dụng hiện đại. Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn. - Nghiên cứu thực tiễn Nghiên cứu phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất mới cho lưới điện truyền tải bằng cách bù điện kháng hoặc bù điện dung 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Lưới điện 35 kV do Công ty Điện lực Bắc Kạn đang quản lý (Đường dây 35 kV, lộ 371, E26.1) 7. Cấu trúc của luận văn Chương 1: Hiện trạng lưới điện tỉnh Bắc Kạn, các tồn tại trong vận hành Chương 2: Cơ sở lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu. Chương 3: Ứng dụng cơ sở lý thuyết để khắc phục các tồn tại trên lưới điện tỉnh Bắc Kạn Chương 4: Sơ đồ và kết quả mô phỏng hệ thống bù lên lưới điện tỉnh Bắc Kạn Kết luận và kiến nghị Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN, CÁC TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH 1.1 Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn 1.1.1 Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ Hiện tại trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn có 3 nhà máy thủy điện đang vận hành đấu nối ở cấp điện áp 35 kV gồm: NMTĐ Tà Làng (huyện Ba Bể), NMTĐ Thượng Ân (huyện Ngân Sơn) và NMTĐ Nậm Cắt (huyện Bạch Thông). Các nhà máy thủy điện có tổng công suất 10,1 MW, cụ thể công suất các NMTĐ được thống kê trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Công suất các NMTĐ hiện có tỉnh Bắc Kạn Địa điểm STT Tên NMTĐ Xã Huyện P(MW) 1 Tà Làng Đồng Phúc Ba Bể 4,5 2 Thượng Ân Thượng Ân Ngân Sơn 2,4 3 Nậm Cắt Đôn Phong Bạch Thông 3,2 Tổng 10,1 (Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018) 1.1.2 Nguồn trạm 110kV Lưới trung áp tỉnh Bắc Kạn được cấp điện từ 02 trạm biến áp 110 kV với tổng công suất đặt 75 MVA, cụ thể: Trạm 110 kV Bắc Kạn (E26.1) có công suất 2x25MVA-110/35/22 kV cấp điện cho TP Bắc Kạn, huyện Bạch Thông, Chợ Mới, Na Rì, Ngân Sơn, Ba Bể và Pác Nặm thông qua 06 lộ đường dây 35 kV và 03 lộ đường dây 22 kV. Trong điều kiện bình thường với phụ tải hiện có, máy T1-25 MVA cấp điện cho phía 35 kV với Pmax khoảng 23,3MW, máy T2-25MVA cấp điện cho phía 22kV với Pmax khoảng 13,3. Trạm 110kV Chợ Đồn (E26.2) có công suất 1x25 MVA- 110/35/22 kV cấp điện cho các phụ tải thuộc huyện Chợ Đồn thông qua 05 lộ đường dây 35kV hiện tại trạm mang tải với Pmax khoảng 11,7 MW. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chi tiết mang tải các trạm biến áp 110 kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn được trình bày trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Hiện trạng mang tải trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn TT Tên trạm Dung Điện áp lượng (KV) Bắc Kạn (E26.1) 25MV 1 T1 Bắc Kạn (E26.1) 25MV T2 2 A Chợ Đồn (E26.2) A 25MV A Pmax Pmin Mang tải (MW) (MW) (%) 110/35/22 23,3 1 92,0 110/35/22 13,3 1 53,2 110/35/22 11,7 -0.3 46,8 Ghi Chú (Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018) * Nhận xét nguồn điện 110 kV cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn Theo số liệu vận hành, các trạm 110kV cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn hiện tại chưa đầy tải. Tuy nhiên, trong thời gian tới khi các khu, cụm công nghiệp, các nhà máy khai thác, chế biến quặng, khoáng sản… đi vào hoạt động theo tốc độ tăng trưởng phụ tải hiện tại sẽ cần bổ sung thêm nguồn 110kV để đáp ứng đầy đủ và chất lượng cho phụ tải. 1.2 Lưới điện 1.2.1 Thống kê lưới điện hiện trạng Hệ thống lưới trung áp cung ứng điện trên địa bàn tỉnh hiện tại đang vận hành ở cấp điện áp 35 kV và 22 kV. Riêng hệ thống lưới điện áp 22 kV cấp điện chủ yếu cho TP. Bắc Kạn, Khối lượng đường dây trung áp ngành điện quản lý chiếm tỷ lệ 97,1%, khách hàng quản lý chiếm 2,9%. Trong đó chủ yếu là đường dây 35kV chiếm 96,4% khối lượng đường dây trung áp. Đường dây 22 kV chỉ cấp điện cho khu vực TP.Bắc Kạn. Trạm biến áp phân phối toàn tỉnh có 1.036 trạm với tổng dung lượng 169,135kVA. Với đặc thù là một tỉnh miền núi dân cư phân bố phân tán, không đồng đều, mật độ phụ tải thấp, nên công suất các trạm biến áp phân phối của ngành điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn thường thấp bình quân chỉ có 104,0 kVA/trạm. Trạm biến áp vận hành 35/0,4 kV chiếm tỷ trọng lớn trên 89,7% tổng số trạm biến áp toàn tỉnh. Trạm biến áp vận hành 22/0,4 kV hiện chỉ có ở TP.Bắc Kạn, Lưới điện hạ áp trên địa bàn toàn tỉnh đạt 2.029 km trong đó chủ yếu là dây bọc (98%) còn lại là dây trần và cáp ngầm chiếm không đáng kể. Tổng hợp số liệu thống kê khối lượng lưới điện hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Thống kê khối lượng lưới hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn Số TT Khối lượng Nội dung Đường dây cao áp 110kV TBA 110kV MBA 110kV Dung lượng Đường dây trung áp Lưới 35kV Lưới 10kV Lưới 22kV Đường dây hạ áp TBA phân phối (tổng) TBA 35kV/0,4kV TBA 22/0,4kV Tổng dung lượng Dung lượng TBA 35kV Dung lượng TBA 22kV MBA tự ngẫu AT 35 Dung lượng Tụ bù VII Tổng dung lượng Trung áp 22kV 1 Dung lượng Trung áp 35kV 2 Dung lượng Hạ áp 3 Dung lượng I II 1 2 III 1 2 3 IV V 1 2 3 4 5 VI VI.1 Đơn vị km Trạm Máy MVA km km km km km Trạm Trạm Trạm kVA kVA kVA Trạm kVA Điểm đặt kVAr Điểm đặt kVAr Điểm đặt kVAr Điểm đặt kVAr Tài sản Tài sản KH ĐL 134,79 02 03 75 1.707,5 61,89 1.660,8 55,31 134,79 02 03 75 1.766,37 1.714,36 46,7 2.029,99 856 768 88 89.086,5 68.791,5 20.295 2 12.000 357 32.320 4 3,000 17 9,600.0 335.0 14.720 52,01 2.029,09 1,063 922 141 169.135 132.569 36.566 2 12.000 367 32.917 4.0 3,000.0 17.0 9,600.0 348.0 15,007.0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 6.6 2.1 207.0 154.0 53.0 80.048,5 63.777,5 16.271 10 597 10.0 597.0 Tổng http://lrc.tnu.edu.vn VIII Máy cắt Recloser IX Tủ RMU 24kV X Chỉ báo sự cố Máy 59.0 59.0 Tủ 51 4 55 Điểm đặt 12.0 12.0 (Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018) 1.2.2 Tình hình vận hành hệ thống lưới phân phối Các đường dây trung áp trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn tiết diện đường trục chủ yếu là AC95. Hiện tại, chưa có tuyến nào bị quá tải. Một số tuyến có chiều dài đường trục lớn (lộ 371, lộ 373 trạm 110 kV Bắc Kạn) nên tổn thất cao. Nhìn chung độ tin cậy cung cấp điện chưa tốt do lưới vận hành chủ yếu là hình tia, độc đạo nên ít có khả năng hỗ trợ cung cấp điện. Tổng hợp hiện trạng mang tải các tuyến đường dây trung áp trong bảng 1.4. Bảng 1.4. Mang tải các tuyến đường dây trung áp ST T Tên đường dây Loại dây Chiề u dài (km) AC50,70,95,12 0 707,2 1 E26.1 Lộ 371 2 Lộ 372 AC50, 70, 95 42,4 3 Lộ 373 AC50, 70, 95 380,0 4 Lộ 374 AC120 45,4 5 Lộ 376 AC120 27,2 6 Lộ 378 AC120 6,2 7 Lộ 471 8 Lộ 472 9 Lộ 474 10 11 E26.2 Lộ 371 Lộ 373 M120, AC120 M120, AC120 M120, AC120 AC95 AC95 13,5 18,1 25,7 107,7 73,6 Mang tải (MW) Pma Pt x b 6,7 5,0 2,5 1,0 3,7 2,1 10,5 9,0 7,3 4,7 0,1 0,1 2,5 2,2 5,1 4,4 5,6 5,1 5,5 3,2 1,8 1,5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Man g tải % 40,2 10,3 17,6 49,0 38,5 0,4 25,8 31,3 34,0 26,0 8,4 U A (%) (%) 5,4 3 1,8 3 4,8 3 3,5 3 1,5 3 1,5 3 1,4 8 2,0 9 1,6 9 2,6 4 2,9 8,3 3 2,5 3 6,5 9 3,8 0 3,4 2 3,4 2 1,7 3 2,3 7 1,7 4 3,1 4 3,3 http://lrc.tnu.edu.vn Tên đường dây ST T Loại dây Chiề u dài (km) 12 Lộ 375 AC120 52,6 13 Lộ 377 AC70 33,1 14 Lộ 379 AC120 34,4 Mang tải (MW) Pma Pt x b 3,9 3,2 0,6 0,5 1,6 1,0 Man g tải % 18,5 2,7 7,5 U A (%) (%) 4 2,1 4 2,0 4 1,7 4 5 2,6 6 2,3 0 1,8 5 (Nguồn: Công ty điện lực Bắc Kạn 2018) 1.2.3 Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 Đường dây 35kV lộ 371, E26.1 có tổng chiều dài 707,2 km, trong đó đường dây trục chính (tính từ trạm 110kV Bắc Kạn đến TBA Khau Bang, xã Bằng Thành, huyện Pắc Nặm) 105,1 km, các nhánh rẽ 602,1 km dây dẫn chủ yếu sử dụng dây nhôm lõi thép có tiết diện 120mm2, 95mm2, 70mm2, 50mm2 Hiện tại đường dây đang cấp điện cho phụ tải toàn huyện Pác Nặm, huyện Ngân Sơn, phần lớn phụ tải các xã của huyện Ba Bể và một số xã của huyện Bạch Thông (các xã Nguyên Phúc, Cẩm Giàng, Sỹ Bình, Vũ Muộn, Cao Sơn, Phương Linh, Tú Trĩ, Vị Hương và Thị trấn Phủ Thông). Lộ đường dây được kết nối mạch vòng cấp điện hỗ trợ với lộ 371- E26.2, lộ 373, 376 - E26.1. Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371- E26.1 trong bảng 1.5. Bảng 1.5. Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371, E26.1 Số TT 1 2 3 Nội dung Đơn vị Số lượng Đường dây trung áp km 707,2 ĐDK km 704,6 Cáp ngầm km 2,6 Đường dây hạ áp km 859,7 ĐDK km 859,7 Cáp ngầm km TBA 35kV/0,4kV Trạm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Ghi chú 368,0 http://lrc.tnu.edu.vn 4 5 6 7 Dung lượng kVA 36.135,5 TBA 35kV/0,4kV Trạm 368,0 Dung lượng kVA 36.135,5 TBA tự ngẫu AT 35 Trạm 2,0 Dung lượng kVA 12.000,0 Tụ bù trung áp 35kV Dung lượng Tụ bù hạ thế 0,4kV Điểm đặt kVAr 3,0 1.650,0 Điểm đặt 89,0 Dung lượng kVAr 2.970,0 8 Trạm cắt Recloser Trạm 26,0 9 Cầu dao 35kV Bộ 122,0 1.3 Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 đã thực hiện 1.3.1 Các tồn tại trong việc nâng cao chất lượng điện năng Thông qua các thông số vận hành của nguồn và lưới điện phân phối trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn được cập nhật chi tiết ta nhận thấy mặc dù Công ty Điện lực Bắc Kạn thực hiện nhiều biện pháp nâng cao hệ số công suất truyền tải cho lộ đường dây 371, E26.1 như điều chuyển, hoán đổi các MBA cho phù hợp công suất, lắp đặt các bộ tụ bù tĩnh, bù động có cấp. Năm 2018, thực hiện chương trình lắp đặt thử nghiệm MBA tự ngẫu cho 02 đường dây trung thế 35 kV có chiều dài lớn, nhằm nâng cao chất lượng điện áp truyền tải và giảm tổn thất điện năng cho đường dây. Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên còn có những nhược điểm chưa tối ưu được việc nâng cao hệ số công suất như: - Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng bù tĩnh thường xảy ra việc bù thừa hoặc bù thiếu; - Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng bù động phần lớn đang thực hiện bù phía hạ thế sau MBA chỉ bù được trong phạm vi công suất phụ tải hạ thế của một MBA. - Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng phương pháp lắp đặt MBA tự ngẫu chi phí đầu tư cao, vận hành phức tạp và chưa nâng cao được hệ số công suất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn truyền tải. 1.3.2 Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất đã thực hiện Các phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số CS truyền thống  Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt được lượng CSPK mà chúng cần có ở nguồn cung cấp. 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) Công suất phản kháng khi không tải (chiếm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Qđm) và có thể xác định theo công thức: (2.2) 𝑄𝑘𝑡 ≈ √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡 𝐼𝑘𝑡 - dòng điện không tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 - hệ số mang tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 = 𝑃 𝑃đ𝑚 ∆𝑄đ𝑚 - lượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định mức so với khi không tải. ∆𝑄đ𝑚 = 𝑄đ𝑚 − 𝑄𝑘𝑡 ≈ 𝑃đ𝑚 đ𝑚 𝑡𝑔𝜑đ𝑚 − √3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡 (2.3) Với 𝜂đ𝑚 - hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức. sin 𝜑 = 𝑃 𝑃 1 = = 2 𝑆 √𝑃2 + 𝑄2 𝑄𝑘𝑡 +∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡 √1 + ( ) (2.4) 𝑘𝑝𝑡 𝑃đ𝑚 Do đó ta thấy rằng 𝑘𝑝𝑡 giảm → cos 𝜑 cũng giảm. Khi có động cơ không đồng bộ làm việc non tải 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 bao giờ cũng có lợi. 𝑘𝑝𝑡 > 0.7 việc thay thế sẽ không có lợi. 0.45 < 𝑘𝑝𝑡 < 0.7 việc có tiến hành thay thế phải dựa trên việc so sánh kinh tế. Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn. Công suất phản kháng cho động cơ KĐB: 𝑄=𝑘 Trong đó : 𝑈2 𝑓. 𝑉 𝜇 (2.5) k - hằng số; U - điện áp đặt vào động cơ; μ - hệ số dẫn từ của mạch từ; f - tần số dòng điện; V - thể tích mạch từ Phương pháp giảm điện áp trong thực tế: - Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y - Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato. - Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp hạ áp. Chú ý: Các biện pháp này thực hiện tốt đối với các động cơ có điện áp U< 0,3 ÷ 0,4 kV. Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải các động cơ máy công cụ khi làm việc có thời gian chạy không tải xen lẫn thời gian mang tải (chiếm tới 50 - 60 %). Nếu giảm thời gian không tải cũng giảm được tổn thất. Quá trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy. Thực tế vận hành thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ lớn hơn 10 giây thì việc cắt khỏi mạng có lợi. Biện pháp: Thao tác hợp lý, hạn chế thời gian chạy không tải hoặc đặt bộ hạn chế chạy không tải. Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với máy có công suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Hệ số công suất cao, có thể làm việc ở chế độ quá kích từ → máy bù công suất phản kháng, góp phần sự ổn định của hệ thống. Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp, dẫn tới ít ảnh hưởng đến dao động điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ thuộc vào phụ tải nên năng suất làm việc cao. Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số động cơ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn