Báo cáo nghiên cứu khoa học: " QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN ÁP" potx

QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN ÁP ELECTROMAGNETIC RELATIONS IN TRANSFORMER TYPED CONTROLLED SHUNT REACTORS Lê Thành Bắc Trường Đại học Bách khoa, Đại h

QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG KHÁNG BÙ NGANG

CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN ÁP ELECTROMAGNETIC RELATIONS IN TRANSFORMER

TYPED CONTROLLED SHUNT REACTORS

Lê Thành Bắc Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Bài báo trình bày các bước thiết lập quan hệ điện từ giữa các thông số của các cuộn dây trong kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp với các đại lượng, thông số đường dây và góc mở của các thyristor khi thực hiện điều khiển kháng Trên cơ sở các quan hệ điện từ được thiết lập ứng dụng phần mềm Matlab để khảo sát sự biến đổi của các dòng điện trong các cuộn dây kháng điện trong quá trình quá độ khi công suất truyền tải trên đường dây biến đổi và kháng được điều khiển theo hàm để bù 100% công suất phản kháng dư trên đường dây truyền tải Các kết quả nhận được cho thấy kháng điều khiển kiểu biến áp có thời gian tác động rất nhanh và không làm méo dạng dòng điện trên lưới

The paper presents the steps in establishing electromagnetic relations of transformer typed controlled shunt reactors windings’s parameters to transmission line parameters, firing delay angle of thysistor in the control of the reactors Based on the established electromagnetic relations, the changing of the reactor winding currents is shown by the Matlab-Simulink software when the transformer typed controlled shunt reactors is applied to the power system to make full

compensation (100%) charging capacity after the change of transmission lines power transfer

The results show that the transformer typed controlled shunt reactors responding time is very fast and the control does not make current distortion in the power system

1 Đặt vấn đề

Liên tục trong mấy năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế kéo theo tăng nhu cầu tiêu thụ điện ở nước ta hàng năm luôn ở mức 16–17% Để có lời giải hợp

lý cho vấn đề thiếu hụt năng lượng thì việc giải bài toán giảm tổn thất và nâng cao chất lượng hệ thống truyền tải điện đang được đặt ra như là đòi hỏi vô cùng cấp bách Hướng nghiên cứu ứng dụng các loại thiết bị mới trong đó có kháng điều khiển vào hệ thống truyền tải Việt Nam nhằm ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ ổn định hệ thống là một giải pháp cần thiết và mang tính khả thi cao Kháng bù ngang có điều khiển kiểu máy biến áp là loại kháng điều khiển tích hợp khá nhiều ưu điểm như: tác động nhanh, không gây méo dạng dòng điện lưới, có tổn hao rất nhỏ, được mắc cố định vào lưới truyền tải, có độ tin cậy làm việc rất cao và giá thành không đắt hơn đáng

2

kể so với máy biến áp cùng cấp điện áp [1,3] Để có thể sớm ứng dụng loại thiết bị này vào hệ thống điện nước ta thì trước mắt rất cần thiết những nghiên cứu cụ thể và chi tiết phục vụ công tác lắp đặt, vận hành và tiến tới tự thiết kế chế tạo

Bài báo trình bày những nghiên cứu về quan hệ điện từ trong kháng bù ngang có điều khiển kiểu máy biến áp và thực hiện mô phỏng trên Matlab – Simulink nhằm khảo sát đánh giá quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của kháng khi được điều khiển theo hàm

xác định

2 Nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp

Sơ đồ nguyên lý và mạch điện thay thế một pha của kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp trên hình 1 Điện áp trên 3 cuộn dây tương ứng: cuộn lưới Uf, cuộn

bù U3 và cuộn điều khiển U2 Cả ba điện áp này đồng pha nhau do cùng được quấn chung trên một trụ của lõi thép Tương ứng 3 dòng điện tại cùng thời điểm là dòng điện cuộn lưới I1, dòng điện cuộn bù I’3 (quy đổi về cuộn lưới là I3) và dòng điện cuộn điều khiển I’2 (quy đổi về cuộn lưới là I2) Số vòng dây 3 cuộn lần lượt là W1, W3 và W2 Công suất 1 pha của cuộn dây lưới phía cao áp là Svào = UfI1, phía hạ áp là: Sra = S3 +

S2 =U3I’3 + U2I’2 (1)

Bỏ qua tổn thất công suất trong kháng thì: Svào = Sra ↔ UfI1 = U3I’3 + U2I’2 (2)

Ở chế độ làm việc bình thường khi điện áp lưới Uf = const thì U2 = f(α); I2 = f(α) với là góc mở các van T, từ (2) ta thấy dòng điều khiển I1 luôn phụ thuộc vào I2: I1 = f(I2) hay nói cách khác ta cần điều khiển dòng I2 theo hàm yêu cầu khi phụ tải trên đường dây thay đổi

Trong chế độ không tải dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ra (IC) lớn nhất làm cho điện áp ở cuối đường dây dài tăng cao, nên ta cần bù dòng kháng I1 cực đại mang tính cảm để khử dòng dung tương ứng Theo quan hệ (2) thì dòng điều khiển qua van I2 lúc này cũng cực đại, ứng với góc mở αmin Ở chế độ tải bằng tự nhiên (Ptn) dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ra (IC) bằng với dòng điện IL (dòng điện cảm đặc trưng cho công suất phản kháng trên đường dây khi có tải) IC = IL (Qc= QL đường dây tự bù 100%) Khi đó ta chỉ cần bù dòng kháng I1 nhỏ, lúc này dòng điện qua cuộn lưới của kháng là cực tiểu (I1=I1.min) Theo quan hệ (2) thì dòng qua cuộn điều khiển và qua van I2 lúc này cũng cực tiểu, ứng với góc mở αmax (T1 và T2 đóng hoàn toàn)

Còn ở chế độ khi làm việc với tải trong khoảng từ 0 đến Ptn thì dòng điện trong cuộn điều khiển W2 có quan hệ hàm số với góc mở van I2= f(α)

3 Các quan hệ điện từ trong kháng điều khiển kiểu máy biến áp

Đối với kháng có công suất lớn thì thành phần điện trở ở các cuộn dây rất bé so với thành phần điện kháng, do đó khi xét đến quan hệ dòng điện giữa các cuộn dây ta bỏ qua thành phần điện trở mà chỉ quan tâm đến thành phần điện kháng của nó Khi đó, sơ

đồ thay thế của kháng điều khiển kiểu biến áp được cho trong hình 1,b

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế 1 pha của kháng bù ngang kiểu biến áp

Trong đó: X 1 là điện kháng của cuộn dây lưới; X 2 là điện kháng cuộn dây điều khiển đã quy đổi; X 3 là điện kháng cuộn bù đã quy đổi; L 3 , C 3 là điện cảm và điện dung cuộn lọc sóng hài bậc 3; L 5 , C 5 là điện cảm và điện dung cuộn lọc sóng bậc 5; L 7 , C 7 là điện cảm và điện dung cuộn lọc sóng bậc 7

Các hệ số quy đổi từ cuộn điều khiển và cuộn bù về cuộn lưới tương ứng là

K21=Uf.đm/U2.đm và K31=Uf.đm/U3.đm, với U2.đm và U3.đm là điện áp định mức của cuộn dây điều khiển W2 và cuộn dây bù W3

Khi kháng làm việc (tương tự máy biến áp có 3 cuộn dây) thì thành phần hỗ cảm giữa các cuộn dây (hình 1b) được xem tương đương như 3 điện kháng khép kín hình tam giác và được xác định theo [5,6] như sau:

- Hỗ cảm giữa cuộn dây lưới và cuộn dây điều khiển:

min 0 1 2 1 2 7

12 (8.10 fN F)/ X

- Hỗ cảm giữa cuộn dây lưới và cuộn dây bù:

min 0

2 2 1 2 7

13 8.10 f.N F / X

- Hỗ cảm giữa cuộn điều khiển và cuộn bù:

1 2 7

23 8.10 f.N F / (1 )X

Trong đó: F1, F2, F3 là các tiết diện quy đổi của cuộn điều khiển, cuộn bù về cuộn lưới và của cuộn điều khiển về cuộn bù; N1 là số vòng dây cuộn lưới; f là tần số lưới điện; ℓ0 là chiều cao trụ mạch từ; Xmin là điện kháng vào nhỏ nhất của kháng điện tương ứng với các van điều khiển mở hoàn toàn làm ngắn mạch cuộn điều khiển, lúc này công suất bù của kháng cực đại (Xmin=U f2/Q k.đm và tương ứng I1=Imax, I2=I2.max) Với δ gọi là hệ số cấu trúc của kháng kiểu biến áp, thường lấy từ 0,5 đến 0,8 phụ thuộc cách bố trí và khoảng cách cách điện giữa 3 cuộn dây của kháng bù ngang [5] Quan hệ của các thành phần điện kháng trong kháng điện là:

X12 = X13 + X23 ; X1 = 0,5(X12 + X13 – X23 ) = X13 ;

X2 = 0,5(X12 + X23 – X13 ) = X23 ; X3 = 0,5(X13 + X23 – X12 )

W 1

Uf

С 3

W 2

Т 1

W 3

С 5 С 7

L 3 L 5 L 7

MC

Т 2

i 1 =i k

i’2

i’3

a)

Uf

i1=ik

X3

X2

X1

T1

T2

M13

M12

M23

i3

i2

b)

4

Từ các biểu thức (4), (5), (6) ta có quan hệ giữa điện kháng của các cuộn dây với thành phần hỗ cảm là: X1 = δ X12; X2 = (1-δ)X12; X3 = 0 Hỗ cảm giữa các cuộn dây chính (cuộn lưới, điều khiển, bù) với các cuộn dây trên mạch lọc các sóng hài do dòng điện bậc k gây ra:

.

1 0,5k X X X k X

.

2 0,5k X X X k(1 )X

Nếu chỉ xét các thành phần hỗ cảm do các dòng điện sóng hài bậc k gây ra trong cuộn lưới và cuộn bù thì: X12 = Xmin; X13 = Xmin (1+δ ) ; X23 = δXmin Thay vào các phương trình trên ta có:

.

1 0,5.k X (1 )X X kX

5 ,

.

.

3 0,5.k X (1 )X X k X

X k      

Do đó trở kháng tương đương của vòng gồm cuộn lưới và cuộn bù dưới tác dụng của sóng hài bậc k sẽ là:























1

min min

min

min min

3 1

3 1 3

1

X k X k kX

X k kX X

X

X X X

k k

k

Từ hình 1b và các biểu thức trên, các quan hệ dòng điện chạy trong các cuộn dây kháng điện:

Dòng điện hài bậc k chảy trong cuộn bù:









1

1

max

3

3 1 3

X

X I

k

k

Dòng điện hài bậc k chảy trong cuộn lưới:











1

max

1

3 1 1

X

X I

k

k

Trong đó hệ số  k  I k / Imax Ta có tỷ số 2 dòng điện sóng hài bậc k chạy trong cuộn lưới và cuộn bù: I k.1/I k.3 

Điện kháng của cuộn điều khiển X2 (1)Xmin, với sơ đồ hình 1,b thì tổng trở của kháng tương ứng với góc mở  của thyristor theo [5] là:

1 2 1

1

2 min

3 2

3 2 12 3 2

3 2 1





























X X

X X X

X X

X X X

Phương trình cân bằng điện áp khi kháng bù làm việc là:

1 1 2

2X U j I X I

Hay theo [6] thì















2

4 ) 2 1

( 1

) 1

(

2 2

12 1 12

2

















Từ (3) và (12) ta có dòng điện trong cuộn điều khiển khi kháng làm việc là:

) 2 1 ( 4

) 2 1

(

4 ) 2 1

( 1

2 2

max 2















































Tỷ số giữa dòng điện trong cuộn điều khiển với dòng cực đại trong cuộn dây lưới:

2 2

2 2

max

2 1

2

4 ) 2 1

( 1

) 2 1

( 4

) 2 1

( 1





















































I

I

Điện áp trên cuộn điều khiển khi có dòng trong cuộn dây điều khiển:

12

2 ) 1 (





X

U X

I

Ta có công suất 1 pha của kháng tương ứng với góc mở  của thyristor và hệ số điều khiển bù  của kháng là:

) 1 (

1 2 1

min

2 2 2

min 2 max





























X

U X

U X I X I Q

kh

f kh k đm

k

Vậy ứng với góc mở  của thyristor, hệ số kết cấu kháng  , điện áp của lưới

Uf, điện kháng vào nhỏ nhất Xmin (tương ứng khi kháng bù với công suất định mức) và hàm điều khiển mức bù  thì căn cứ vào các biểu thức trên ta có thể xác định dễ dàng dòng điện trong các cuộn dây và công suất tương ứng của kháng bù ngang kiểu biến áp

4 Quan hệ của góc điều khiển thyristor trong kháng điện với phụ tải đường dây

Công suất phản kháng dư của đường dây có độ dài sóng  ssinh ra khi có tải [2,4] là:

  2

s1- /

tn tt đt

Q    (17)

Nếu muốn kháng bù hết 100% công suất phản kháng trên đường dây nhằm giảm tổn thất công suất trên đường dây khi truyền tải, tức cân bằng công suất Qđd = Qđt- Qtt +

Q2 - Qk = 0 Trong đó Qtt, Qđt , Q2, Qk lần lượt là công suất từ trường (do dòng tải gây ra trên điện kháng đường dây), công suất điện trường của đường dây (do dung dẫn gây ra), công suất phản kháng cung cấp cho tải, công suất bù của kháng bù ngang Để bù 100% công suất phản kháng có trên đường dây (Qđd=0) thì hàm điều khiển của kháng bù ngang Qk phải có dạng là:

β  1 -  P / Ptn2 Q2/( Ptnλs) (18) Trong trường hợp nếu có Q2 = P2.tanφ = 0, tức là đường dây không truyền tải công suất phản kháng cho tải thì để kháng bù hết công suất phản kháng dư cần hệ số bù:

) / ( 1 ) / (

1 P P tn   I I tn



 ) (19)

Từ luật điều khiển (18) ta có công suất phản kháng của kháng cần cung cấp cho

6













P

P P P P

Q P

P P

Q

tn

s s tn s tn s tn tn s

tn

2 2

2









































Mà công suất 1 pha của kháng bù ngang luôn là: Qk = IkUf sin k  IkUf

Nên:

tn

tn s s tn tn

s s

tn f

k

P

tg p P P P

tg p P

P P

U





2 2

2











pha cần bù tương ứng với lúc công suất truyền tải trên đường dây P sẽ là :

tn f

s tn tn

s k

P U

P tg P P P







f

s tn tn

f s k

U

P I

P

I U















2 2

(21)

Ta thấy hàm phụ thuộc của dòng kháng Ik theo công suất tác dụng được truyền tải trên đường dây là hàm bậc 2 Và nếu thay P = UfIcosφ với φ là góc lệch pha của dòng

và áp, thì dòng điện pha của kháng là:

tn f

s tn f

tn f

s k

P U

P I

U P I

U

I  2 2cos2 sin 2



f

s tn tn

f s k

U

P I

P

I U















2 2

Trong đó: I là dòng điện truyền tải trên đường dây; Uf là điện áp pha lưới điện tại nút đặt kháng; Ptn = U2/zs công suất tự nhiên của đường dây; Zs tổng trở sóng của đường dây; Ik là dòng điện kháng cần bù theo hàm (18)

kh f

s tn tn

f s kh

k tn

s s tn đm

k

U

P I

P

I U X

I tg p P

P P

Q

Q

2 2

2 2

2













































Thay Xkh từ (10) vào (23) ta có:

1 sin

cos

2 min

2 2

2 2























































U

P I

P

I U tg

p P

P

P

f

s tn tn

f s tn

s

s

2

s tn f đm k

U   khi thay vào (24) ta được quan hệ điện từ giữa các thông số đường dây truyền tải với góc điều khiển các van T và các thông số của kháng bù ngang kiểu máy biến áp theo hàm điều khiển (18) là:

) 1 ( sin

cos

2 2 2 2

2 2



























































s tn f f

s tn tn

f s tn

s s

tn

P

U U

P I

P

I U tg

p P

P

Như vậy, với một giá trị dòng điện tải I và góc lệch pha tải φ với mỗi kháng bù ngang lắp trên một đường dây truyền tải với hệ số yêu cầu bù cho trước ta có được ngay giá trị góc mở α tương ứng của các van thyristor trong cuộn điều khiển W2

5 Ứng dụng khảo sát quan hệ điện từ khi kháng điều khiển kiểu biến áp lắp đặt trên phân đoạn Đà Nẵng – Pleiku của đường dây 500 kV

Đường dây 500kV phân đoạn Đà Nẵng – Pleiku mạch 1 [3,4] có các tham số như sau: Chiều dài: L = 259km; Độ dài sóng:λ = 0,271rad; dây 4xAC330 có điện trở tổng 7,1743Ω; Điện kháng cảm: 73,0380Ω; Tổng trở sóng: zs = X/ λ = 73,0380/0,271 = 269,5129Ω; Công suất tự nhiên: Ptn=U2/zs= 5002 106/269,513 = 927,6MW; Công suất điện trường của phân đoạn:Qđt=Ptn λ=927,6 0,271=251,4Mvar Giả thiết rằng đường dây không truyền tải công suất phản kháng cho tải (Q2=0) lúc này kháng được điều khiển theo hàm (19), công suất của kháng cần lắp đặt để bù 100% công suất phản kháng

dư của đường dây ở phân đoạn Đà Nẵng – Pleiku là 251,4 Mvar ứng với thời điểm không tải và sẽ điều chỉnh về 0 khi tải tự nhiên Ta bố trí kháng ở 2 đầu phân đoạn nên dung lượng mỗi kháng Qk.đm=Qđt/2 =125,7Mvar, dòng điện pha cực đại trong cuộn lưới kháng Imax = Q k.đm/( 3.500)145,1A, Điện áp định mức của cuộn điều khiển U2.0=15

kV, cuộn bù U3.đm=15 kV Chọn hệ số kết cấu kháng  0,5

Từ các biểu thức quan hệ điện từ đã thành lập ở trên, ta xây dựng các đường đặc tính của dòng trong cuộn lưới của kháng Ik, dòng trong cuộn điều khiển I2 và góc mở thyristor  theo sự thay đổi dòng điện tải I từ 0 đến Itn trên hình 2 khi điều khiển kháng theo hàm (19)

Đặc tính Góc mở, dòng kháng theo dòng tải

0 20 40 60 80 100

120

140

160

180

200

220

%I/It n

I k (A), I ĐK (A), Độ

Dòng kháng Dòng điềuu khiển Góc mở thyristor

Hình 2 Đặc tính dòng điện kháng I k ,, dòng điện trong cuộn điều khiển I 2 và góc mở α thực hiện

điều khiển theo hàm (19) khi phụ tải P biến thiên từ 0 đến P tn

Thực hiện mô phỏng trên Matlab với kháng bù ngang lắp đặt ở 2 đầu phân đoạn đường dây 500 kV Đà Nẵng-Pleiku khi lần lượt đóng tải cho đường dây ở các mức khác nhau ta được kết quả trên hình 3 sau:

8

Hình 3 Dòng điện tương ứng trong 3 cuộn dây của kháng bù ngang kiểu biến áp khi thực hiện

điều khiển kháng theo hàm (19):1-Dòng trong cuộn điều khiển; 2-Dòng trong cuộn bù; 3-Dòng trong cuộn lưới Từ 0 -> 0,1s đóng không tải đường dây, từ 0,1s -> 0,3s đóng tải ở 20%P tn , từ 0,3s -> 0,5s công suất truyền tải tăng lên 50%P tn , từ 0,5s -> 0,6s tăng công suất truyền tải lên đến P tn

6 Kết luận

Bài báo đưa ra kết quả nghiên cứu là các biểu thức biểu diễn cho quan hệ điện từ giữa các đại lượng dòng điện, điện áp trên các cuộn dây lưới, cuộn dây bù và cuộn dây điều khiển của kháng bù ngang kiểu biến áp với góc điều khiển của các van thyristor và các thông số của kháng Xây dựng biểu thức quan hệ giữa các thông số của kháng điều khiển với các thông số đường dây truyền tải khi thực hiện điều khiển quá trình bù tự động theo một hàm xác định Các kết mô phỏng quá trình quá độ của các dòng điện trong các cuộn dây của kháng khi thay đổi công suất truyền tải của đường dây đã cho thấy thời gian tác động của kháng rất nhanh, chỉ khoảng 0,05s đến 0,08s sau khi đóng tải là các dòng điện trong các cuộn dây đã vào xác lập (xem hình 3)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Le Thanh Bac, Reducing Overvoltage on the Transmission Line by Fast Acting Controlled Shunt Reactors -"Journal of Science and Technique" -Military

Technical Academy, №129, III- 2009 (pp 50-57)

[2] Jack Golten & Andy Verwen, Contronl System Design and Simulation, Mc

GRAW-HILL, 1992

[3] Lê Thành Bắc, Hiệu quả kinh tế-kỹ thuật khi sử dụng kháng bù ngang có điều khiển trên đường dây truyền tải dài, Tạp chí Khoa học & Công nghệ -Đại học

Đà Nẵng, №33, 2009 (pp 1-10)

1

2

3

[4] Lê Thành Bắc, Оценка эффективности стабилизации напряжения и

уменьшения потерь мощности при применении УШРТ в системе электропередачи 500 кВ Вьетнама / Г.Н Александров, Ле Тхань Бак // Научно – технические ведомости СПбПТУ 2006, №6-том 1 С.45–54

[5] Г Н Александров, М А Шакиров , Трансформаторры и реакторы ,

Санкт-Петербург Издательство Политехнического университета-2006

[6] Г.Н Александров, Статический тиристорный компенсатор на основе управляемого шунтирующего реактора трансформаторного типа // Журнал РАН Электричество, 2003.– № 2.– С 38 –46