(Luận văn) tính toán phân tích lưới điện 110 kv khu vực tỉnh vĩnh phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ facts

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát các khối chính của một hệ thống điện Trong đó: - Khối nguồn được đại diện bằng 03 loại nhà máy điện tập trung, công suất lớn gồm: nhà máy nhiệt điện chạy than, n

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM VĂN NGỌC

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH LINH HOẠT

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH LINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ FACTS

(FACTS – FLEXIBLE ALTERNATING CURRENT TRANSMISSION SYSTEM)

Họ và tên học viên: Phạm Văn Ngọc Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Đức Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số: 60.52.02.02

THÁI NGUYÊN, NĂM 2016

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ

TÊN ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH LINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ FACTS

(FACTS – FLEXIBLE ALTERNATING CURRENT TRANSMISSION SYSTEM)

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Văn Ngọc Sinh ngày 02 tháng 02 năm 1980 Học viên lớp cao học khóa 16 - chuyên ngành Kỹ thuật điện - Trường Đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc

Tác giả xin cam đoan: Đề tài “Tính toán phân tích Lưới điện 110 kV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS“ do thầy giáo TS Ngô Đức Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của

riêng tôi Nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Ngọc

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và

hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Ngô Đức Minh, luận văn với đề tài “Tính toán phân tích Lưới điện 110 kV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS“ đã hoàn thành

Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Ngô Đức Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả

hoàn thành luận văn này

Phòng đào tạo, các thầy giáo, cô giáo Khoa điện- Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giúp tôi trang bị những tri thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tôi đang công tác đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho nghiên cứu đề tài

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên,

hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2016

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Ngọc

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 2

Mục lục 3 Danh mục các bản vẽ, đồ thị 7 Danh mục các bảng 10

Danh mục các chữ viết tắt 10

Mở đầu 11

Chương I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN 14

1.1 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN 14

1.1.1 Cấu trúc sơ đồ,[1-5] 14

1.1.2 Các phần tử chính trong lưới truyền tải,[1-4] 15

1- Máy phát điện 15

2- Đường dây truyền tải điện 15

1.1.3 Những công nghệ mới trên lưới truyền tải - Thiết bị bù công suất phản kháng, [1-5] 19

1.2 TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT 21

1.2.1 Phân tích dòng công suất,[1-6] 21

1.2.2 Đặc tính tự nhiên của phụ tải, [1-5] 22

1.2.3 Điều khiển công suất phản kháng, [1-6] 24 25

1.2.4 Công suất ngắn mạch, [1], [2], [4] 27

1.2.5 Tính chất tải và chiều dòng công suất, [1], [2], [4], [6] 28 luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

1.2.6 Các thành phần công suất, [1], [2], [4] 31

1.2.7 Tải sớm pha và tải chậm pha, [1], [2], [5] 33

1.2.8 Điều chỉnh hệ số công suất [1], [2], [4], [6] 34

1.2.9 Bù và điều chỉnh điện áp, [1], [2] 36

1.2.10 Hệ thống tải đường dây, [1], [2] 38

1.2.11 Điều chỉnh công suất và tần số [1], [2] 39

1.2.12 Mối quan hệ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, cấp điện áp và góc pha, [1], [2], [4], [6] 41

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 42

Chương II: GIẢI TÍCH LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT 43

2.1 GIƠÍ THIỆU CHUNG 43

2.2 KHÁI NIỆM VỀ DÒNG CÔNG SUẤT 43

2.2.1 Các công thức cơ bản [2] 43

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT 47

2.3.1 Các biến số và phân loại nút 47

2.3.2 Thuật toán tính phân bố dòng công suất 48

2.3.2.1 Thuật toán cổ điển 48

2.3.2.2 Thuật toán Newton–Raphson 49

2.3.2.3 Đặt giá trị ban đầu cho các biến 53

2.3.2.4 Giới hạn công suất phản kháng của máy phát: 54

2.4 ỨNG DỤNG MATLAB GIẢI TÍCH LƯỚI ĐIỆN 55

2.4.1 Mô phỏng lưới có hai loại nút: nút V và nút PQ 57 luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

2.4.2 Mô phỏng lưới có 3 loại nút: nút V, nút PQ và nút PV 65

1- Trường hợp thứ nhất: 65

2- Trường hợp thứ hai: 67

3- Trường hợp thứ ba, phụ tải các nút khác thay đổi: 68

2.5 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG BẰNG STATCOM 69

2.5.1 Thiết bị bù tĩnh – STATCOM 69

2.5.2 Mô tả toán học STATCOM trên sơ đồ 3 pha a, b, c 72

2.5.3 Điều khiển điện áp nút bằng STATCOM 74

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 74

Chương III: TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC 76

3.1 GIỚI THIỆU LƯỚI ĐIỆN 110 KV VĨNH PHÚC 76

3.1.1 Mô tả cấu trúc lưới 76

3.1.2 Nguồn điện 76

3.1.3 Thông số Lưới điện 110kV 77

3.1.3.1- Thông số trạm biến áp: 77

1 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Quang Minh (E1.36) 77

2 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Phúc Yên (E25.1) 78

3 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Thiện kế (E25.4) 78

4 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Lập Thạch (E25.3) 79

5 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Vĩnh Yên (E4.3) 80

6 Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Vĩnh Tường (E25.5) 81

7 Thông số TBA 110kV Hội Hợp và tình hình mang tải (E25.6) 82 luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

8 Thông số và phương thức kết dây TBA 110kV Việt Trì (E4.1) 83

3.1.3.2 Thông số đường dây 84

3.2 GIẢI TÍCH LƯỚI 110 KV VĨNH PHÚC 84

3.2.1 Phân tích đặc điểm lưới 84

3.2.2 Áp dụng thuật toán Newton-Raphson giải tích lưới 110 kV Vĩnh Phúc theo mô hình nút V và PQ 85

Phân tích một số chế độ vận hành và đề xuất giải pháp nếu có: 91

1- Mô phỏng chế độ tải thực tế: 91

2- Mô phỏng chế độ tải định mức: 92

3.2.3 Áp dụng thuật toán Newton-Raphson giải tích lưới 110 kV Vĩnh Phúc theo mô hình nút V , nút PQ và nút PV 95

1- Chế độ nguồn 2 bị hạn chế công suất (nút PV) 95

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

1 KẾT LUẬN 99

2 KIẾN NGHỊ 100

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Hình 1.6 Thiết bị bù điện tử Hình 1.7a,b Mô tả thiết bị bù nhiều cấp nối tiếp Hình 1.8 Cấu trúc mạch lực UPFC

Hình 1.9 Đặc tính tải tự nhiên Hình 1.10 Mô hình tính toán công suất ngắn mạch Hình 1.11 Mô hình Thevenin với tải thuần trở Hình 1.12 Mô hình Thevenin với tải thuần cảm Hình 1.13 Mô hình Thevenin với tải thuần dung Hình 1.14 Mô hình hệ thống đối xứng

Hình 1.15 Đồ thị vector các thành phần công suất Hình 1.16 Mô hình mạch một pha

Hình 1.17 Đồ thị vecter dòng áp với các loại tải khác nhau Hình 1.18 Sơ đồ pha điều chỉnh hệ số công suất

Hình 1.19 Mô hình hệ thống điện đơn giản Hình 1.20 Quan hệ dòng áp truyền dẫn của hệ thống Hình 1.21 Bù cho điện áp không đổi

Hình 1.22 Mô hình hệ thống điện luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Hình 1.23 Mô tả hệ thống điện hình qua đồ thị vecter Hình 2.1 Mô hình nút trong giải tích lưới

Hình 2.2 Công suất cân bằng tại nút k Hình 2.3 Mô tả thuật toán tính lặp NR Hình 2 4 Mô hình lưới 5 nút, 7 đường dây Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán NR

Hình 2.6 Kết quả mô phỏng giải tích lưới có 2 loại nút V và PQ Hình 2.7 Thông số vận hành sau cải tại lưới bước 1

Hình 2.8 Chế độ vận hành tạm thời khi sự cố đứt một đường dây tuyến L24 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng khi chọn giải pháp bù CSPK

Hình 2.10 Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV

ở chế độ P=-100 MW, U=110 kVHình 2.11a,b Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV

ở chế độ tăng công suất phát Hình 2.11 Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV

ở chế độ có sự thay đổi phụ tải các nút _ tải nút 5 giảm 50%

Hình 2.13 Mô tả cấu trúc STATCOM

Hình 2.14 sơ đồ mạch điện thay thế STATCOM kết nối tại nút k Hình 2.15 Sơ đồ mạch điện thay thế 3 pha của một STATCOM Hình 3.1 Sơ đồ lưới điện 110 kV tỉnh Vĩnh Phúc

Hình 3.2 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc Với chế độ vận hành thực tế ngày 25/9/2015

Hình 3.3 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

trong chế độ tải định mức, cos =0,85

Hình 3.4 Giản đồ điện áp trong chế độ tải định mức, cos =0,85

Hình 3.5 Giản đồ dòng điện các nhánh trong chế độ tải định mức, cos =0,85

Hình 3.6 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc ở chế độ tải định mức, cos =0,85 sau khi tái cấu trúc nâng cấp đường dây

Hình 3.7 Mô phỏng điện áp nút và phân bố công suất lưới 110kV Vĩnh phúc

ở chế độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV) Hình 3.7 Giản đồ điện áp nút ở chế độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV)

Hình 3.8 Giản đồ phân bố dòng điện ở chế độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV)

Hình 3.9 Mô phỏng điện áp nút và phân bố công suất Lưới 110kV Vĩnh phúc ở chế

độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV) có bù CSPK bằng STATCOM luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

CSPK: Công suất phản kháng CSTD: Công suất tác dụng PV: Nút nguồn

PQ: Nút tải

V: Nút cân bằng

NR: Thuật toán Newton- Raphson

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

MỞ ĐẦU

Trong hệ thống điện, bài toán điều độ dòng công suất trên các đường truyền dẫn là vấn đề quan trọng được quan tâm ngay từ khi thiết kế đến vận hành nhằm đảm bảo cho hệ thống điện hoạt động ổn định trên cơ sở thỏa mãn tính kinh tế và kỹ thuật đặt ra Tuy nhiên khâu thiết kế và xây lắp được xem như là phần cứng, trong khi đó quá trình vận hành là phần mềm Bài toán cân bằng công suất luôn phải đối mặt với thông số phụ tải là không cố định, điện áp nút thay đổi…và do đó phân bố dòng công suất trên các nhánh (đường truyền) thay đổi, thậm trí đổi chiều, hay nói cách khác trên lưới thường xuyên diễn ra quá trình phân bố công suất Nếu quá trình này diễn ra sai lệch vượt khỏi phạm vi cho phép so với với kịch bản quy định nghĩa

là hoạt động của hệ thống đã không kiểm soát được

Vấn đề kiểm soát hoạt động lưới điện đã có nhiều công cụ toán học được nêu

ra Trong luận văn này, thuật toán Newton-Raphson được lựa chọn bởi có nhiều ưu điểm như: phù hợp với đối tượng áp dụng là giải tích lưới điện, độ hội tụ nhanh, các bước giải tường minh phản ánh rõ bản chất vật lý và các quá trình năng lượng trong

hệ thống điện

Trước đây, các hoạt động điều khiển, điều chỉnh lưới điện chủ yếu được thực hiện bởi các thiết bị tập trung, thụ động là:

- Điều khiển điện áp đầu cực máy phát

- Điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp trung gian

- Bù công suất phản kháng tại các nút trên lưới Hiệu quả mang lại từ các thao tác trên rất hạn chế Ngày nay, hầu hết các Quốc gia phát triển trên thế giới đều áp dụng công nghệ FACTS để giải quyết vấn

đề này Ở Việt Nam đã bước đầu áp dụng tại Trạm 220 KV Thái Nguyên và Việt Trì

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) được đề xuất đầu tiên vào năm 1988 ở viện EPRI (Electric Power Research Institute) tại Hoa Kỳ Đây là khái niệm về một hệ thống điện linh hoạt Có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển, đáp ứng nhanh chóng theo đầu vào cũng như khi thay đổi luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

điểm làm việc

Công nghệ FACTS dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage Source Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất lớn Do sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị điển tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT,… đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện nhằm nâng cao khả năng điều khiển dòng công suất (DCS) cả về độ lớn, phương chiều và chất lượng trong lưới điện kín Đây là thế mạnh chính giúp cho FACTS ra đời và phát triển bền vững Cho đến nay, FACTS đang ngày càng phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới Vì thế, vấn đề tiếp cận

và ứng dụng công nghệ FACTS là tất yếu cho giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng trong hệ thống điện Việt Nam Được sự giúp đỡ của nhà trường, phòng đào tạo, với

sự hướng dẫn của thầy giáo TS Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài “Tính toán phân tích Lưới điện 110 kV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS“

Mục đích nghiên cứu

Tính toán phân tích lưới truyền tải 110 kV từ đó áp dụng cho một lưới điện

110 kV trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc

Đề xuất giải pháp áp dụng công nghệ FACTS cho lưới điện 110 KV

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Cấu trúc hệ thống Giới thiệu thuật toán Newto-Raphson (NR) và áp dụng thuật toán cho giải tích lưới trên sơ đồ chuẩn

Mô tả toán học một thiết bị trong FACTS là STATCOM và ứng dụng nó bù công suất phản kháng trong lưới điện

Khảo sát một lưới điện 110kV tại Vĩnh Phúc, áp dụng phương pháp Rapshon kết hợp phần mềm Matlab cho giải tích lưới điện này

Newton-Phân tích đánh giá kết quả tính toán và so sánh với số liệu thực tế

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt lưới 110 KV bằng thiết bị bù SVC hoặc STATCOM

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài, vận dụng kiến thức chuyên môn tích lũy được kết hợp với bổ túc thêm của người HDKH để thực hiện nội dung yêu cầu của đề tài

Khảo sát số liệu thực tế kết hợp với mô phỏng để đánh giá kết quả

Đánh giá đóng góp của đề tài, giá trị khoa học và thực tiễn đạt được

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Phân tích lưới 110kV có đề cập số liệu thực tế giúp cho học viên nắm vững

về hoạt động của một lưới điện 110 kV cụ thể Liên hệ gắn kết giữa lý thuyết và thực tiễn

Cuối cùng là dựa trên nền tảng kiến thức đã phân tích áp dụng cho giải tích một lưới điện thực tế 110kV thuộc khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và các giải pháp khắc phục nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy và tính kinh tế hệ thống

Nội dung nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho đào tạo đại học và sau đại học chuyên ngành HTĐ

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Chương I TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1.1 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1.1 Cấu trúc sơ đồ,[1-5]

Một hệ thống điện hoàn chỉnh có thể được mô tả gồm ba khối chính, đó là khối nguồn, khối truyền tải và khối phân phối như sơ đồ trên sơ đồ hình 1.1

Nhìn một cách tổng quát, hệ thống điện có thể được chia thành bốn phần chính: khối nguồn, lưới truyền tải, lưới phân phối và phụ tải dùng điện được minh họa trên hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát các khối chính của một hệ thống điện Trong đó:

- Khối nguồn được đại diện bằng 03 loại nhà máy điện tập trung, công suất lớn gồm: nhà máy nhiệt điện chạy than, nhà máy nhiệt điện hạt nhân và nhà máy thủy điện

- Lưới truyền tải được đại diện bởi hai cấp điện áp cao là 400(500) kV

và 132(110) kV thường được áp dụng đối với các nước tân tiến

- Lưới phân phối được đại diện bởi một số các nút phụ tải được sử dụng với các mức điện áp được 33(35) kV, 11(22) kV, 415(400) V và luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

- Ngoài ra có thể nói rõ thêm về các phụ tải công nghiệp sẽ sử dụng điện ba pha ở 22 kV và với dân dụng thì sử dụng điện một pha 220 V

Trong lưới truyền tải, một số công nghệ mới trong FACTS (Flexible alternating current transmittion system) được áp dụng đó là đường truyền HVDC áp dụng cho đường truyền xa, công suất lớn và Một SVC hoặc STATCOM có thể được

sử dụng để cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng tại một vị trí mạng cách xa các máy phát điện đồng bộ Ở cấp độ phân phối, ví dụ 35kV và 22kV, một D-STATCOM có thể được sử dụng để cung cấp hỗ trợ độ lớn điện áp, cải thiện hệ số công suất và hủy bỏ sóng hài Ngày nay, trong lưới có sự tham gia của các nguồn máy phát một chiều DC generator cũng như xoay chiều công suất vừa và nhỏ đặc trưng cho sự tham gia ngày càng nhiều của các nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo, việc hòa lưới của những nguồn này luôn được kết hợp với các bộ biến đổi điện tử công suất VSC

Ngoài ra, một sự khác biệt được rút ra từ thực tế cho thấy máy phát điện lớn,

ví dụ như thủy điện, hạt nhân và than đá được kết nối trực tiếp vào lưới truyền tải, trong khi đó các nguồn phân tán công suất nhỏ, ví dụ như điện gió, điện sinh khối,

vi khí, thủy điện nhỏ, pin nhiên liệu và pin mặt trời, được kết nối trong lưới phân phối Nói chung, nguồn phân tán được xem như là một cách thân thiện môi trường tạo ra điện năng, với một số máy phát điện sử dụng năng lượng tái tạo tự nhiên từ thiên nhiên như một nguồn năng lượng sơ cấp, ví dụ như gió, năng lượng mặt trời, thủy điện siêu nhỏ và sóng Một số máy phát điện khác sử dụng nguồn năng lượng không thể tái tạo, nhưng vẫn thân thiện với môi trường, năng lượng sơ cấp như oxy

và khí đốt Máy phát điện Diesel là một ví dụ về sử dụng năng lượng không tái tạo, không thân thiện môi trường

Để thấy được các bước tiến bộ trong hệ thống điện, một lần nữa trong đề án này cần phân tích rõ các phần tử chính của hệ thống

1.1.2 Các phần tử chính trong lưới truyền tải,[1-4]

1- Máy phát điện

Các nhu cầu lớn về điện năng kết hợp với sự thay đổi tự nhiên liên tục và không có khả năng để lưu trữ năng lượng điện với số lượng đáng kể làm nên sự đa dạng của các nguồn phát trong lưới điện Quan điểm truyền thống là việc sử dụng luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

các nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau cùng với sự liên tục cung cấp điện và một

cơ chế giá ổn định hơn

Hầu hết lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới được sản xuất bởi máy phát điện đồng bộ 3 pha (Kundur, 1994) Tuy nhiên, máy phát điện cảm ứng

ba pha sẽ tăng số lượng khi nguồn năng lượng gió (HEIER, 1998) ngày càng trở nên phổ biến rộng rãi Tương tự, máy phát điện tĩnh ba pha hay một pha dưới dạng các pin nhiên liệu và pin mặt trời sẽ góp phần đáng kể vào sản xuất điện toàn cầu trong tương lai Tuy nhiên, hiện tại các các máy điện đồng

bộ công suất lớn vẫn nắm vai trò chủ đạo trong việc cung cấp và ổn định hệ thống điện 2- Đường dây truyền tải điện

Lưới điện hoạt động ở mức điện áp cao như 500kV và 220kV sẽ hiệu quả hơn (Weedy, 1987) Máy biến áp tăng áp có trách nhiệm tăng điện áp lên tới mức truyền tải và máy biến áp giảm áp được chịu trách nhiệm cho việc giảm điện áp xuống mức phân phối từ 66 kV trở xuống

Truyền tải điện cao áp được thực hiện bằng đường dây tải điện xoay chiều trên không và đường dây tải điện một chiều trên không Thiết bị phụ trợ như thiết bị chuyển mạch (đóng cắt), thiết bị bảo vệ và thiết bị hỗ trợ bù công suất phản kháng là cần thiết cho sự hoạt động đúng của hệ thống truyền dẫn Mạng lưới truyền tải điện cao thế thường kết nối với nhau để cung cấp đường dẫn dự phòng đáng tin cậy Trên hình 1.2 minh họa cho một lưới truyền tải mạng điện đơn giản

Hình 1.2 Lưới truyền tải điện (500-220) kV luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

o Đường dây trên không:

Đường dây tải điện trên không được sử dụng trong mạng truyền tải và mạng cung cấp Hệ thống đường dây có thể được xây dựng theo cấu trúc mạch kép, với hai hệ thống dây dẫn ba pha chung trên một hàng cột, như thể hiện trong hình 1.3

Hình 1.3 Kết cấu đường dây truyền tải mạch kép Hoặc cũng được xây dựng theo cấu trúc mạch đơn đường dây ba pha trên một hàng cột như thể hiện trong hình 1.4a

Các đường dây truyền tải mạch đơn và kép sẽ hình thành hệ thống truyền tải liên tục Trong một số trường hợp đặc biệt có tới sáu mạch ba pha vẫn có thể được thực hiện trên cùng một hàng cột

Trong đường dây truyền tải điện áp cao, mỗi pha bao gồm hai dây dẫn trên một pha, tùy thuộc vào điện áp định mức của chúng, để giảm tổng trở kháng của đường dây và tăng khả năng truyền dẫn (hai dây khi Uđm = 220 kV hoặc bốn dây khi Uđm ≥ 500 kV, hình 1.4b Phía trên đỉnh cột có một hoặc hai dây cáp thép (sky wire) được sử dụng cho mục đích bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

a) b) luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

o Cáp dẫn điện

Đối với lưới truyền tải hầu như chỉ sử dụng đường dây trên không, trong khi đó cáp lại được sử dụng hầu hết trong lưới phân phối Trường hợp lưới truyền tải trong khu vực đông dân cư, hệ thống đường cáp ngầm được sử dụng thay cho hệ thống đường dây trên không được xem là giải pháp tốt nhất Cáp có rất nhiều loại và được sản xuất cho các ứng dụng khác nhau, hình 1.5

(a) (b)

Hình 1.5 Mô tả kết cấu cáp dẫn điện cao thế ( a) Ba lõi dẫn, vỏ, vùng chống thấm ; ( b ) một lõi dẫn, vỏ Cáp có đai thông thường được sử dụng phổ biến cho ba pha, hoạt động điện áp thấp lên đến khoảng 5kV, Đối với cáp có kết cấu tăng cường, cách điện dạng nhựa cáp có thể áp dụng cho cấp điện áp cao hơn đến 46 kV Với cấp điện áp cao hơn đến 220kV dùng trong cáp trạm phân phối nhà máy điện, cáp có kết cấu một pha riêng biệt, cách điện dạng khí FS6

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Về cấu tạo, máy biến áp điện có thể được xem như bao gồm một hoặc nhiều lõi sắt và hai hoặc ba cuộn dây đồng cho mỗi pha Các cuộn dây ba pha có thể được kết nối theo một số tổ nối dây khác nhau, ví dụ: Y-Y, Y-Δ và Δ- Δ

Máy biến áp ba pha hiện đại sử dụng một trong các loại lõi từ tính sau: ba pha đơn, một đơn vị ba pha với ba chân hoặc một đơn vị ba pha có năm chân

1.1.3 Những công nghệ mới trên lưới truyền tải - Thiết bị bù công suất phản kháng, [1-5]

Thiết bị công suất phản kháng là một thành phần thiết yếu của hệ thống truyền tải (Miller, 1982) Nó được sử dụng để điều chỉnh điện áp, tăng cường sự ổn định và làm tăng chất lượng truyền tải Các chức năng này thường được thực hiện theo kiểu kết nối song song hay nối tiếp với sự phối hợp của tụ điện và cuộn kháng phi tuyến Tuy nhiên, khi có một luận chứng kinh tế kỹ thuật được thỏa mãn, thiết

bị bù công suất phản kháng được cung cấp bởi các bộ biến đổi điện tử tiến bộ hơn hẳn so với các thao tác bởi phương tiện cơ khí, cho phép kiểm soát gần như tức thời của công suất phản kháng, độ lớn điện áp và trở kháng đường dây truyền tải tại điểm bù

Đại diện cho cho thiết bị bù điện tử là hai dạng SVC và STATCOM được phát triển mạnh trong thời gian gần đây thiết bị được sử dụng để cung cấp bù công suất phản kháng (Hingorani và Gyugyi, 2000), hình 1.6

a) b) Hình 1.6 Thiết bị bù điện tử

a) Cấu trúc mạch lực thiết bị bù SVC b) Cấu trúc mạch lực của STACOM

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Hình 1.6a cho thấy một cấu trúc SVC ba pha kết nối Δ các thyristor điều khiển cuộn kháng (TCR) kết nối với phía thứ cấp của biến áp

Hình 1.6b cho thấy một cấu trúc tương tự nhưng đối với ba pha STATCOM sử dụng bán dẫn GTO Trong các ứng dụng điện năng thấp hơn, chuyển mạch IGBT có thể được sử dụng để thay cho GTO

Hình 1.7a và hình1.7b mô tả sự tương đồng giữa các đóng cắt cơ khí

và đóng cắt van bán dẫn cho nguyên tắc bù có nhiều cấp

Hình 1.7a,b Mô tả thiết bị bù nhiều cấp nối tiếp Một số điều khiển điện tử công suất khác đã được xây dựng để cung cấp điều khiển thích nghi với thông số quan trọng của hệ thống điện ngoài biên độ điện áp, công suất phản kháng và trở kháng Ví dụ, dịch chuyển pha điện tử được sử dụng để kích hoạt hoạt động kiểm soát dòng điện Ngày nay, một phần duy nhất của thiết bị này là khả năng kiểm soát cường độ điện áp

và công suất hoạt động và phản ứng Đó là UPFC, bộ điều khiển điện tinh vi nhất từng được xây dựng (Gyugyi, 1992) Trong hình thức đơn giản nhất của

nó là UPFC gồm hai VSCs, chung một tụ điện một chiều

Trên hình 1.8 mô tả cấu trúc của một UPFC, trong đó một VSC được kết nối song song còn VSC thứ hai được nối tiếp với lưới điện

Hình 1.8 Cấu trúc mạch lực UPFC luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

1.2 TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT 1.2.1 Phân tích dòng công suất,[1-6]

Mặc dù trong thực tế các mạng điện luôn trong một trạng thái hoạt động liên tục, nó rất hữu ích để giả định rằng tại một thời điểm, quá độ được tạo ra bởi các hoạt động đóng ngắt hoặc thay đổi cấu trúc liên kết sẽ mất đi và mạng điện đạt đến một trạng thái cân bằng, tức là trạng thái ổn định Các công cụ phân tích được sử dụng để đánh giá các trạng thái ổn định của hệ thống điện là phụ tải hoặc dòng năng lượng , và dưới hình thức cơ bản nhất nhằm đạt các mục tiêu sau đây (Arrillaga và Watson, 2001):

• Để xác định độ lớn điện áp, góc pha tại các nút trên toàn mạng;

• Để xác định dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng trong tất cả các nhánh của mạng;

• Để xác định công suất phản kháng và công suất tác dụng cung cấp từ mỗi máy phát điện;

• Xác định tổn thất điện năng trong mỗi nhánh của mạng

Trong trạng thái hoạt động ổn định, các thành phần dự kiến của mạng được

mô tả bằng trở kháng của chúng và tải thường được tính bằng đơn vị MW và MVAr Định luật Ohm và kirchhoffs được sử dụng để mô tả mạng lưới điện như một đối tượng duy nhất, độ lớn điện áp nút và góc là các biến trạng thái Các dòng điện là một giá trị phi tuyến bởi vì tại một nút cho trước, việc cung cấp công suất tỷ

lệ bậc một với trở kháng tải và tỷ lệ bình phương với điện áp nút, mà bản thân nó không được biết ở thời điểm bắt đầu nghiên cứu Vì vậy, phải sử dụng các phép tính lặp Các nghiệm của hệ phương trình phi tuyến tính biểu diễn cho dòng chảy công suất đó là kết quả của việc sử dụng phương pháp Newton- Raphson Các máy phát điện được biểu diễn như là nguồn cung cấp điện tại nút bởi vì trong trạng thái ổn định được giả định là máy phát điện tại một tốc độ không đổi và AVR được giả định để giữ độ lớn điện áp nút tại một giá trị xác định

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) cung cấp các điều khiển thích nghi của một hoặc nhiều tham số mạng tại các điểm nút quan trọng trong lưới điện Nói chung, các bộ điều khiển có thể điều chỉnh hoặc là độ lớn điện

áp nút hoặc công suất tác dụng trong giới hạn thiết kế của chúng Các bộ điều khiển luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

tiên tiến nhất, tức là UPFC, có khả năng kiểm soát đồng thời độ lớn điện áp nút, công suất tác dụng và công suất phản kháng, tiếp theo phải kể đến các STATCOM, SVC, TCSC Mô hình toàn diện của bộ điều khiển FACTS phù hợp cho các giải pháp dòng chảy năng lượng hiệu quả, quy mô lớn đã được phát triển gần đây (Fuerte-Esquivel, 1997)

1.2.2 Đặc tính tự nhiên của phụ tải, [1-5]

Nghiên cứu đồ thị phụ tải là một khâu thiết yếu trong phân tích cũng như quản lý hệ thống điện, phụ tải của hệ thống thay đổi liên tục theo thời gian một cách ngẫu nhiên Thay đổi quan trọng xảy ra từ giờ này sang giờ khác, ngày qua ngày, tháng qua tháng, năm này sang năm khác ( Gross và Galiana , 1987 ) Hình 1.9 cho thấy một tải điển hình đo trong trạm biến áp phân phối cho một khoảng thời gian bốn ngày

Hình 1.9 Đặc tính tải tự nhiên Các tính chất ngẫu nhiên của hệ thống điện có thể được bao gồm trong các nghiên cứu dòng chảy năng lượng và điều này cho thấy các ứng dụng hữu ích trong việc nghiên cứu và lập kế hoạch trong phát triển “năng lượng trên thị trường cạnh tranh” Một số phương pháp có thể để mô hình hóa tải ngẫu nhiên trong một nghiên cứu dòng điện là:

- Mô hình hóa các tải như một chức năng phân phối, ví dụ: phân phối bình thường tải trong tương lai được dự báo bằng phương tiện phân tích chuỗi thời gian luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

dựa trên các giá trị lịch sử, sau đó nghiên cứu dòng điện bình thường được thực hiện cho mỗi điểm dự báo;

- Các trường hợp tương tự như trong dự báo phụ tải có thể đạt được bằng cách sử dụng Neural Networks

Trong thực tế sản xuất hiện nay sử dụng rất nhiều các thiết bị (phụ tải) mà khi làm việc gây ra sự méo dạng không sin cho dòng điện gây ảnh hưởng chất lượng điện năng trên lưới Dạng tải như vậy có tên gọi chung là tải phi tuyến Mặt khác, trong mạng truyền tải cũng như phân phối, một số thiết bị điện cũng gây ra sự méo biến dạng cho dòng điện và điện áp vận hành Đại diện cho cả hai dạng trên đó là:

• Thiết bị điện tử công suất

• Lò điện hồ quang

• Tập trung lớn của các loại đèn tiết kiệm năng lượng

• Máy biến áp bão hòa

• Máy điện quay

Một số tác dụng xấu thường gặp gây ra bởi các thiết bị phi tuyến tính là:

• Sự phá hủy của các quá trình công nghiệp nhạy cảm

• Tổn thương vĩnh viễn đến lưới điện phân phối và thiết bị tiêu dùng

• Chi phí bổ sung trong thiết bị bù và thiết bị lọc

• Mất doanh thu cho lưới phân phối

• Tổn thất điện năng tăng thêm trong mạng

• Phát nóng phụ cho máy điện quay

• Gây nhiễu vào mạch giao tiếp lân cận

• Tác động sai lệch của thiết bị bảo vệ

Nhiệm vụ đặt ra là phải có các giải pháp giảm tối đa các thành phần sóng hài

do xuất hiện tải phí tuyến Trong thực tế, một số thiết bị mang lại lợi ích tích cực cho điều khiển công suất trên lưới thì mặt trái là cũng chính nó lại phát sinh sóng hài Nhược điểm này cho đến nay các thiết bị bù điện tử sử dụng Thyristor vẫn chưa khắc phục được

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

1.2.3 Điều khiển công suất phản kháng, [1-6]

Trong một hệ thống điện xoay chiều lí tưởng điện áp và tần số tại tất cả các điểm là hằng số, và hệ số công suất là không đổi Đặc biệt các thông số này sẽ độc lập về độ lớn và tính chất của tải Trong một hệ thống lý tưởng, mỗi tải có thể được thiết kế cho hiệu suất tối ưu ở một cấp điện áp cho trước, hơn là hiệu suất chỉ đủ trên một phạm vi không thể đoán trước của điện áp Hơn nữa, có thể sẽ không có sự liên quan giữa tải khác nhau như là kết quả của sự thay đổi dòng điện ở mỗi tải (Miller, 1982)

Trong các hệ thống ba pha, dòng điện pha và điện áp cũng phải được cân bằng Sự ổn định của hệ thống chống lại sự dao động và sự cố cũng phải được đảm bảo Tất cả các tiêu chí này tạo nên một khái niệm về chất lượng điện năng Một định nghĩa chính tắc cho chất lượng điện năng không tồn tại, nhưng nó là hữu ích để

sử dụng với số lượng như những biến động tối đa trong cung cấp điện áp hiệu dụng trung bình qua một thời gian nhất định của thời gian, hoặc độ méo sóng hài (THD), hoặc tính khả dụng (tức là tỷ lệ phần trăm của thời gian bị gián đoạn cung cấo điện xét trong một khoảng thời gian trung bình nào đó, ví dụ một năm)

Việc duy trì tần số liên tục đòi hỏi một sự cân bằng chính xác giữa tổng năng lượng được cung cấp bởi máy phát điện và tổng năng lượng tiêu thụ trên tải mà không phụ thuộc vào điện áp Tuy nhiên, điện áp đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của truyền tải điện, như chúng ta sẽ thấy Giá trị điện áp là rất nhạy cảm với các dòng công suất phản kháng và do đó sự kiểm soát của công suất phản kháng là quan trọng Đây là chủ đề của bù công suất Bù tại các tải riêng

lẻ được gọi là bù tải, bù kết hợp với điều chỉnh công suất phản kháng trên hệ thống truyền tải cao áp đường dài là bù tập trung

Bù tải là quản lý công suất phản kháng để nâng cao chất lượng nguồn cung cấp tại một tải riêng biệt hoặc nhóm tải Thiết bị bù chẳng hạn như thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất thường được cài đặt ở gần cơ sở tiêu thụ Trong bù tải có ba mục tiêu chính:

Hiệu chỉnh hệ số công suất và cân bằng tải là mong muốn, ngay cả khi điện

áp cung cấp là khó điều chỉnh, ngay cả khi không có nhu cầu nâng cao điều chỉnh điện áp Điều lý tưởng là các yêu cầu công suất phản kháng của một tải cần được cung cấp tại địa phương, chứ không phải của một trạm điện từ xa Hầu hết các tải công nghiệp có hệ số công suất chậm pha; nghĩa là chúng tạo ra công suất phản kháng Do đó dòng trên tải có xu hướng lớn hơn so với dòng công suất tác dụng Trong khi đó chỉ có công suất tác dụng là hữu ích trong việc chuyển đổi năng lượng

và các dòng quá tải hiện nay đại diện cho một sự lãng phí đối với người tiêu dùng, những người đã phải trả chi phí cho những năng lượng không được sử dụng

Khi các hệ số công suất tải thấp, máy phát điện và mạng lưới phân phối không thể được sử dụng với hiệu suất cao nhất có thể, và sự kiểm soát của điện áp trên toàn mạng có thể trở nên khó khăn hơn Nhà nước sẽ phạt nặng cho các đơn vị công nghiệp sử dụng thiết bị có hệ số công suất thấp và khuyến khích các đơn vị sử dụng thiết bị có hiệu chỉnh hệ số công suất

Trong điều chỉnh điện áp cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện thường bị ràng buộc bởi quy chế để duy trì điện áp trong giới hạn xác định, thông thường các sai số ± 5% ở điện áp thấp, trung bình trong khoảng thời gian một vài phút hoặc vài giờ Những hạn chế nghiêm ngặt hơn được áp đặt nơi có phụ tải lớn, mức độ quan trọng khác nhau có thể nhanh chóng gây ra điện áp nguy hại đến sự vận hành của thiết bị bảo vệ, hoặc nhấp nháy gây khó chịu cho mắt

Cách dễ nhất để cải thiện điều chỉnh điện áp sẽ là để 'tăng cường' hệ thống điện bằng cách tăng độ lớn và số lượng các máy phát điện đơn vị và bằng cách liên kết các mạng với nhau Cách này là khá tốn kém và bị hạn chế bởi các yếu tố quy hoạch về môi trường Nó cũng làm tăng mức độ sự cố và đòi hỏi thiết bị chuyển mạch cần thiết Nó sẽ tốt hơn để tăng độ lớn của hệ thống truyền tải và cung cấp theo nhu cầu tối đa của công suất thực và tính an toàn của nguồn, và để quản lý công suất phản kháng bằng phương pháp bù với các thiết bị khác có thể được triển khai linh hoạt hơn so với các tổ máy phát điện tạo ra, mà không làm tăng sự cố Xem xét tương tự áp dụng trong cân bằng tải Hầu hết các hệ thống điện xoay chiều là ba pha, và được thiết kế cho chế độ làm việc cân bằng Hoạt động không cân bằng làm phát sinh các thành phần của dòng điện trong sai thứ tự pha (thứ tự luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

ngược và thứ tự không) Thứ tự này có thể gây ảnh hưởng không mong muốn, bao gồm cả tổn thất thêm trong động cơ và các tổ máy phát điện, mô-men xoắn dao động trong máy xoay chiều, tăng gợn trong chỉnh lưu, sự cố của một số loại thiết bị,

độ bão hòa lõi thép của máy biến áp, phát sinh sóng hài quá mức và dòng điện trung tính

Các vấn đề của sóng hài trong các dạng sóng điện áp cung cấp là một đơn vị quan trọng trong chất lượng của nguồn cung cấp Sóng hài trên tần số điện cơ bản thường được loại bỏ bằng bộ lọc Tuy nhiên, vấn đề về sóng hài thường phát sinh cùng với vấn đề bù và một số loại bù thậm chí tạo ra sóng hài mà phải bị triệt tiêu nội bộ hoặc lọc

Việc bù lý tưởng sẽ:

- Cung cấp các yêu cầu công suất phản kháng chính xác của tải,

- Thiết lập một đặc tính điện áp không đổi ở thiết bị đầu cuối của nó,

- Có khả năng hoạt động độc lập trong ba pha

Trong thực tế, một trong những yếu tố quan trọng nhất trong việc lựa chọn thiết bị bù là tỷ lệ cơ bản của sự thay đổi trong dòng tải, hệ số công suất, hoặc trở kháng Ví dụ, với một động cơ cảm ứng chạy 24 giờ/ngày với một tải không đổi (chẳng hạn như một máy bơm), nó thường sẽ đủ để có một tụ điều chỉnh hệ số công suất không đổi Mặt khác, một ổ đĩa như một Palăng I có một tải liên tục mà sẽ thay đổi tùy theo các gánh nặng và hướng của xe, nhưng sẽ không thay đổi trong thời gian một hoặc hai phút trong du lịch Trong một trường hợp như vậy, hệ số công suất tụ có thể được đưa vào và cắt ra khi cần thiết Một ví dụ của một tải với sự thay đổi cực kỳ nhanh chóng là một lò điện hồ quang, nơi các yêu cầu công suất phản kháng thay đổi thậm chí trong một chu kỳ, và trong một thời gian ngắn khi mồi hồ quang, nó rất thất thường và không cân bằng Trong trường hợp này là nguồn bù thay đổi được là cần thiết, chẳng hạn như một TCR hoặc bù bão hòa cuộn kháng, để cung cấp một phản hồi kịp thời

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất trạng thái ổn định nên được triển khai theo các yếu tố kinh tế bao gồm cả giá bán, kích thước của tải và hệ số công suất không được đền bù Đối với tải gây biến động trong việc cung cấp điện áp, mức độ biến động được đánh giá là những "điểm kết nối" (PCC), mà thường là các điểm trong luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

mạng, nơi gặp nhau của hồi đáp khách hàng và nhà cung cấp: đây có thể là ví dụ của điện áp cao cung cấp cho một nhà máy cụ thể

Tải yêu cầu bồi thường thiệt hại bao gồm cả lò hồ quang, lò cảm ứng, hàn hồ quang, hàn cảm ứng, luyện cán thép, máy cán, động cơ lớn ( đặc biệt là những máy

mà tần suất tắt bật là lớn ), máy xúc, và một số nhà máy khác Tải phi tuyến như chỉnh lưu cũng tạo ra sóng hài và có thể yêu cầu các bộ lọc sóng hài, phổ biến nhất cho các sóng hài bậc 5 và bậc 7 nhưng đôi khi bậc cao cũng tốt Sóng hài bậc 3 thường không được lọc nhưng loại bỏ bằng cách cân bằng tải và bằng cách giữ chúng trong các cuộn dây biến áp nối tam giác

Cả hệ số công suất và điều chỉnh điện áp có thể được cải thiện nếu một số các truyền động quay trong một nhà máy là động cơ đồng bộ thay vì động cơ cảm ứng,

vì các động cơ đồng bộ có thể được điều khiển để cung cấp hoặc hấp thụ một lượng công suất phản kháng vì thế chúng được sử dụng như một nguồn bù cho các lõm điện áp gây ra bởi:

- Yêu cầu công suất phản kháng và liên tục trong thời gian ngắn

- Mức điện áp và giới hạn của biến đổi điện áp

- Độ chính xác của điều chỉnh điện áp

- Thời gian đáp ứng của bù cho một sự cố

- Méo sóng hài tối đa với các thiết bị bù

- Hiệu suất với điện áp cung cấp không cân bằng hoặc với tải không cân bằng

- Yếu tố môi trường: độ ồn; trong nhà / ngoài trời lắp đặt; nhiệt độ, độ ẩm, ô nhiễm, gió và các yếu tố địa chấn; rò rỉ từ máy biến áp, tụ điện, hệ thống làm mát

- Các yêu cầu và cách bố trí của cáp

- Sắp xếp bảo vệ cho các bù và phối hợp với các hệ thống bảo vệ khác, bao gồm cả giới hạn công suất phản kháng nếu cần thiết

- Thao tác và biện pháp bảo vệ khi phóng điện

Động cơ khởi động cũng có thể tránh được bằng cách sử dụng một "khởi động mềm", đó là một quá trình chuyển đổi thyristor điều khiển cho động cơ tăng dần điện áp khởi động cho động cơ thay vì kết nối đột ngột ở điện áp đầy đủ

1.2.4 Công suất ngắn mạch, [1], [2], [4]

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Công suất ngắn mạch là một thuật ngữ dùng để mô tả độ lớn của một nguồn cung cấp điện: đó là, khả năng của nguồn để cung cấp cho cả dòng và điện áp Nó được định nghĩa qua biểu thức vật lý:

Dòng ngắn mạch Isc = điện áp hở mạch E / Trở kháng Xs [A , kA]

Công suất ngắn mạch SN = điện áp hở mạch Ex dòng ngắn mạch Isc [VA, kVA / pha]

Mô hình đánh giá công suất ngắn mạch được thể hiện trên hình 2.1

Hình 1.10 Mô hình tính toán công suất ngắn mạch Công suất ngắn mạch cung cấp một giá trị duy nhất mà có thể được sử dụng

để lựa chọn giá trị của dòng máy cắt, cần thiết tại một điểm cụ thể trong một hệ thống điện Máy cắt phải cắt được dòng sự cố, máy cắt có một cuộn dập hồ quang (bởi một luồng khí nén) Khó khăn của việc dập tắt hồ quang phụ thuộc vào cả dòng và áp Vì vậy, nó được xem như là một thước đo kích thước hoặc độ lớn của công suất ngắn mạch Mức độ sự cố được sử dụng cho việc này Đánh giá của một ngắn mạch luôn luôn vượt quá mức độ sự cố ở những điểm mà các điểm ngắn mạch được kết nối với điểm ngắn mạch khác có thể không có khả năng cắt các dòng sự

cố, điều này sẽ rất nguy hiểm Trong mạng cao áp, máy cắt ngắn mạch thường là phương tiện cuối cùng của bảo vệ, và nếu điểm ngắn mạch không được cô lập thì các thiệt hại có thể là lớn hơn

1.2.5 Tính chất tải và chiều dòng công suất, [1], [2], [4], [6]

Tại bất kỳ điểm nào mà một tải được kết nối với một hệ thống điện, hệ thống điện có thể được thay thế bởi một mạch tương đương Thevenin Trên hình 1.11 có một điện áp đặt vào E và trở kháng Zs = Rs + jXs Trong đó Xs thường là lớn hơn nhiều so với Rs và Zs xấp xỉ bằng jXs ( như trong sơ đồ ) Các dòng ngắn mạch Isc luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

là « E / Xs và công suất ngắn mạch là SN = E.Isc = E2 / Xs trong từng pha., hai vector E và Isc là gần như vuông pha

Tải và sơ đồ pha:

Trong một hệ thống điện xoay chiều có tải, điện trở R sẽ tạo ra năng lượng và tạo ra sự lệch pha giữa điện áp hai đầu và điện áp hở mạch E một góc δ được gọi là góc tải, hình 1.11 và gây nên sụt giảm điện áp trên mạch tương đương Thevenin

Hình 1.11 Mô hình Thevenin với tải thuần trở

Hình 1.12 Mô hình Thevenin với tải thuần cảm

Hình 1.13 Mô hình Thevenin với tải thuần dung Điện áp rơi trên trở kháng là jXs.I, nó là trực giao với các thiết bị đầu cuối điện áp V (= RI) Do tính trực giao, V << E, mặc dù XSI có thể là một phần khá lớn của E Lưu ý rằng góc công suất Ф bằng 0 cho tải điện trở; Ф Là góc giữa V và I Một tải thuần cảm không tạo ra công suất và không thay đổi góc pha giữa V luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

dòng tải cảm do điện áp rơi jXsI là cùng pha với cả E và V Bạn có thể hỏi, "việc sử dụng một tải không có năng lượng để làm gì?" Một ví dụ là cuộn kháng shunt thường được sử dụng để giới hạn điện áp trên lưới truyền tải và cung cấp, đặc biệt

là tại các địa điểm từ xa từ máy biến áp hoặc máy phát điện Bởi vì điện dung shunt của đường dây, điện áp có xu hướng tăng khi tải nhẹ (ví dụ như vào ban đêm) Bằng cách kết nối một tải cảm (shunt reactor), điện áp có thể giảm xuống đến giá trị chính xác của nó Bởi vì các cuộn kháng không tạo ra công suất có ích (mà chỉ tạo ra công suất phản kháng), không có chi phí năng lượng ngoài một lượng nhỏ do tổn thất trong các cuộn dây và lõi từ

Một tải thuần dung cũng không tạo ra công suất tác dụng và độ lệch pha giữa

V và E: tức là δ = 0, hình 1.13 Điện áp rơi jXs.I là ngược pha với E và V, và điều này gây ra điện áp hai đầu V để vượt trước E Một lần nữa bạn có thể hỏi "việc sử dụng một tải không tạo ra công suất để làm gì?" Một ví dụ là tụ shunt thường được

sử dụng để tăng điện áp trên hệ thống truyền tải và phân phối, đặc biệt ở các vị trí

xa từ máy biến áp và máy phát điện Bởi vì trong đường dây điện cảm nối tiếp, điện

áp có xu hướng giảm khi tải nặng (ví dụ: giữa buổi sáng), và khi đó tụ shunt sẽ được kết nối

Cuộn kháng và tụ shunt thường được điều khiển bằng thyristor, để cung cấp phản ứng nhanh Điều đó là cần thiết cho tải thay đổi liên tục như lò hồ quang điện hoặc ròng rọc Tất nhiên việc sử dụng các thyristors gây ra dòng chứa sóng hài và chúng thường phải được lọc

Các hệ thống đối xứng:

Hệ thống đối xứng là một ví dụ quan trọng cũng là ví dụ đơn giản nhất - của một hệ thống điện liên kết với nhau, hình 1.14

Hình 1.14 Mô hình hệ thống đối xứng luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Nó bao gồm hai máy phát điện đồng bộ cùng một đường truyền Nó có thể được sử dụng, ví dụ như là một mô hình đơn giản của một hệ thống điện trong đó các trạm phát chính là tại hai địa điểm, cách nhau bởi một đường truyền được mô hình hóa bởi một trở kháng JX có tính cảm đơn giản Các tải (động cơ cảm ứng, hệ thống chiếu sáng và sưởi ấm, vv, được kết nối song song với các máy phát điện, nhưng trong các mô hình đơn giản không được thể hiện, vì các kỹ sư hệ thống truyền tải điện là chủ yếu quan tâm đến các dòng điện dọc theo đường dây, và điều này được kiểm soát bởi các nguồn năng lượng tại trạm phát (ví dụ: turbine hơi, turbine nước, turbine khí, turbine gió vv)

Mặc dù các sơ đồ mạch của một hệ thống đối xứng giống như hai nguồn nối với nhau bằng một tải cảm, công suất có thể chảy theo hai hướng Hệ thống đối xứng có thể được sử dụng để lấy được các phương trình dòng điện, đó là một trong các phương trình cơ bản quan trọng nhất trong hệ thống điện; Nếu Es và Er là điện

áp hở mạch ở hai máy phát điện, thì

sin

s r

E E P

 (1.1) trong đó δ là góc pha giữa Es và Er Lưu ý rằng trong hình 1.14 có hai góc hệ số công suất: Фs giữa Es và I ở cuối điểm phát, và giữa Er và I ở cuối điểm nhận

P là công suất tác dụng tính bằng W, kW hoặc MW

Q là công suất phản kháng tính bằng var, kVAr, hoặc MVAr

S = | S | là công suất biểu kiến tính bằng VA, kVA hoặc MVA chọn V là pha chuẩn, và giả sử rằng các tải có tính cảm thì:

I=Ie -jФ =IcosФ – jIsinФ (1.3)

Khi Ф = tan-1 (X/R) = tan-1 (Q/P) -j Ф ngược pha và chậm pha hơn so với điện áp Khi ta kết hợp I* với V, ta được:

P=VIcosФvàQ=VisinФ (1.4)

P và Q là đại lượng dương Một tải có công suất phản kháng dương sẽ ‘

hấp thụ ‘ VAR Ngược lại,với tải dung thì ta có:

I = Ie +jФ = I cos Ф + jI sin Ф (1.5)

Trong trường hợp này, dòng điện sớm pha hơn điện áp P vẫn dương, nhưng khi ta liên hợp I* thì Q âm Chúng ta nói rằng một tải điện dung tạo hoặc cung cấp các VAR

Bảng 1.1 Phát và hấp thụ công suất phản kháng giữa tải và nguồn

Trễ pha PF ( I trễ pha hơn V)

Sớm pha PF ( I sớm pha hơn V)

trong đó, cos là được gọi là hệ số công suất

Chú ý rằng góc pha chỉ áp dụng khi điện áp và dòng điện là hình sin, và biểu thức này cho hệ số công suất là vô nghĩa nếu cả điện áp và dạng sóng hiện tại là không theo hình sin Một biểu thức tổng quát hơn cho hệ số công suất với dòng điện không theo hình sin và dạng sóng là:

ow

AverageP er Ptb PF

RMSvolts RMSamps x V I

  (1.7) luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

1.2.7 Tải sớm pha và tải chậm pha, [1], [2], [5]

Hình 1.16 Mô hình mạch một pha

(a) Tải điện trở (b) tải điện cảm (c) Sơ đồ pha Hình 1.17 Đồ thị vecter dòng áp với các loại tải khác nhau Hình 1.16 và hình 1.17 cho thấy một mạch với một hệ thống cung cấp mà mở mạch điện áp là E và ngắn mạch trở kháng là Zs = 0 + jXs, khi Xs = 0,1 Q Trở kháng tải là Z = 1 Q nhưng hệ số công suất có thể được thống nhất trễ pha 0.8 hoặc sớm pha 0.8 Đối với một trong ba trường hợp, điện áp cung cấp điện có thể được điều chỉnh để giữ cho điện áp hai đầu V = 100 V Đối với mỗi trường hợp I sẽ xác định giá trị của E, hệ số công suất Ф, các góc δ, P, công suất phản kháng Q, và công suất biểu kiến S

Hệ số công suất Trong hình 2.8, ta có E cos δ = V = 100 và E sin δ = XsI = 0,1 x 100/1 = 10 V Do đó E = 100 + J10 = 100.5ej5.71° V Các hệ số công suất là Ф= cos(1)-1 = 0, δ = 5.71 °, và S = P + JQ = VI * = 100 x 100eJ0 ° = 10kVA, với P = 10

kW và Q = 0

Hệ số công suất cuối Trong hình 1.17, dòng điện xoay tiêu cực (tức là chiều kim đồng hồ) để một góc pha của Ф = cos-1 (0,8) = -36,87 ° Mặc dù I = 100 A và XSI vẫn là 10 V, định hướng mới của 'kéo dài' các pha E để có cường độ lớn hơn: E

= V + jXsI = (100 + j0) + j0.1 x 100e -J36.87 ° = 106,3 e j4.32 V Khi hệ số công suất là tụt một cao hơn điện áp cung cấp điện là cần thiết cho điện áp tải cùng Các góc độ luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

tải là δ = 4,32 ° và S = VI * = 100 x 100E + J36 87 = 8000 + j6000VA Do đó S = 10kVA, P = 8kW và Q = + 6kVAr (hấp thụ)

Hệ số công suất đầu Góc công suất đầu gây ra một sự giảm giá trị của E cần thiết để giữ không đổi V: E = 100 + j0.1 x 100E + J36 87 ° = 86 ° 94.3eJ4

V Các góc độ tải là δ = 4.86 °, và S = 10000e -'36-87 ° = 8000 - j6000; nghĩa

là P = 8kW và Q = 6 kVAr (tạo ra)

Như vậy, khi nạp năng lượng và hiện đang giữ như cũ, các tải cảm ứng với hệ số công suất của nó trễ đòi hỏi một nguồn điện áp cao hơn E, và các tải điện dung với công suất đầu của nó đòi hỏi một nguồn điện áp thấp hơn Ngược lại, nếu các nguồn điện áp E được giữ không đổi, sau đó tải điện dung

sẽ có một điện áp hai đầu thấp V và tải điện dung sẽ có một điện áp hai đầu cao hơn Như một bài tập, lặp lại các tính toán cho E = 100 V và V xác định trong mỗi trường hợp, giả định rằng Z = 1 Q với mỗi một trong ba hệ số công suất khác nhau Tương tự, có thể tụ điều chỉnh hệ số công suất (kết nối song song với tải dung) sẽ không chỉ nâng cao hệ số công suất mà đồng thời sẽ làm tăng điện

áp Mặt khác, nếu điện áp quá cao, nó có thể được giảm bằng cách kết nối cuộn cảm song song Trong các hệ thống điện cao áp hiện đại, nó có thể điều khiển điện áp bằng cách thay đổi số lượng quy nạp hoặc điện dung hiện tại rút

ra từ hệ thống vào thời điểm mà điện áp cần phải được điều chỉnh Điều này được gọi là bồi thường phản ứng hoặc kiểm soát VAR tĩnh Trong hệ thống nhỏ, cô lập (như một hệ thống điện ô tô hoặc máy bay được cung cấp từ một hoặc hai máy phát điện) điều này nói chung không cần thiết bởi vì điện áp hở mạch của máy phát điện E có thể được thay đổi bằng cách điều chỉnh tải hoặc bằng cách sử dụng một bộ điều chỉnh điện áp máy phát

1.2.8 Điều chỉnh hệ số công suất [1], [2], [4], [6]

Phụ tải trong hình 1.15 có thể được thể hiện như một tổng dẫn Y = G + JB cung cấp từ một điện áp V, trong đó Y = 1/Z , G là điện dẫn, tức là phần thực của các nhận vào Y, và B là dung dẫn, tức là một phần phản ứng của nhận vào Y Phụ tải thể hiện dưới dạng dòng điện I có thể viết

I = Ir - jIx = V (G - JB) = VG - jVB (1.8)

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Cả V và I cùng pha và phương trình này được thể hiện trong sơ đồ pha Hình 1.15 Trong đó V là pha tham khảo Điện áp V và I đang ở chung với hình 1.17a, nhưng hình 1.15 cho thấy các thành phần của I và bỏ qua E và điện áp rơi trên việc cung cấp trở kháng Các góc giữa V và I là Ф là góc hệ số công suất Các thành phần công suất được tính

P = V2G và Q = V2B (1.9) Công suất hữu ích P được chuyển thành nhiệt, công năng cơ khí, quang năng ánh sáng, hoặc các hình thức khác của năng lượng Công suất vô công Q không thể được chuyển đổi thành các dạng năng lượng hữu ích nhưng nó lại là một yêu cầu cần thiết vốn có của phụ tải Ví dụ, trong động cơ cảm ứng AC nó gắn liền với việc sản xuất của thông lượng và thường được gọi là "công suất từ hóa"

Các nguồn cung hiện tại vượt quá phần thực tế do các hệ số 1/cosФ, trong đó cos Ф là hệ số công suất: đó là, tỷ lệ giữa công suất hữu ích P và công suất biểu kiến S Hệ số công suất đánh giá cho một phần của công suất biểu kiến được chuyển thành công suất hữu ích chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác trong quá trình sinh công

Hình 1.18 Sơ đồ pha điều chỉnh hệ số công suất Các nguyên tắc điều chỉnh hệ số công suất là để bù đắp cho công suất phản kháng; đó là, để cung cấp tại chỗ cho nó bằng cách kết nối song song với tải một nguồn phát công suất bù ngược với thành phần công suất vô công mà tải thu nhận Một tải điện cảm sẽ được bù bởi một điện dung + jBy và tải điện dung sẽ được bù bằng một điện cảm -jBy Một phương thức bù có thể được thể hiện như trên hình 1.18 và biểu thức tính

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Một trường hợp đặc biệt, khi công suất vô công được bù hoàn toàn (bù đủ), dòng điện trên truyền dẫn sẽ là nhỏ nhất Is = Ir chỉ với mục đích duy nhất là phục

vụ cho các quá trình sinh công trên thiết bị dùng điện, tất nhiên vẫn có một phần tổn thất trên điện trở của truyền dẫn Trong thực tế, giải pháp bù đủ ít được áp dụng Mặt khác, công suất vô công trên tải cũng không phải là cố định nên công nghệ bù được áp dụng phải có khả năng điểu chỉnh công suất bù (dung lượng bù) Hiện tại các thiết bị bù được phân loại theo nhiều cách khác nhau:

- Thiết bị bù quay là các máy điện đồng bộ thường được áp dụng cho bù tập trung, bù công suất lớn tại các trạm truyền tải

- Thiết bị bù tĩnh là hệ thống các tụ điện hay điện cảm hoặc hỗn hợp không có điều khiển và có điều khiển

- Thiết bị bù điện tử có thể điểu khiển dòng bù vượt trước hay chậm sau điện áp, công suất bù thay đổi liên tục đáp ứng mục tiêu bù đặt ra

là đường tải hệ thống

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Hình 1.20 Quan hệ dòng áp truyền dẫn của hệ thống Các tải có thể được đo bằng dòng của nó, nhưng trong hệ thống điện khi nói

là volt-ampe để chỉ công suất phản kháng Q đại diện cho mức độ sụt giảm điện áp

Từ hình 1 20

ΔV=E- V=ZSI (1.11) trong đó I là giá trị tải hiện tại:

I V

Hình 1.21 Bù cho điện áp không đổi luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si