đồ án kỹ thuật điện điện tử TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BÙ SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Công suất phản kháng của tụ điện được xác định bởi dung kháng của nó, trị số điện áp làm việc hiệu dụng và tần số hệ thống: Qc = U2.ω.C Trong lưới điện ba pha, các tụ điện luôn có cùng t

MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BÙ SỬ DỤNG TRONG HỆ

THỐNG ĐIỆN 1.1 Tụ điện

Thuật ngữ tụ công suất chủ yếu dùng cho các tụ có tần số 50 hoặc 60 Hz

để bù công suất phản kháng ở những điểm tiêu thụ nhiều trong lưới dân dụng

và công nghiệp Nó cũng gồm các tụ dùng cho lò nung và tụ trung tần để cung cấp công suất phản kháng cho các lò nung chảy và cuộn dây đốt nóng bằng cảm ứng, tụ máy hàn, tụ dùng cho đèn huỳnh quang được sử dụng để bù công suất phản kháng cho máy hàn và cuộn chấn lưu của đèn huỳnh quang

Công suất phản kháng của tụ điện được xác định bởi dung kháng của nó, trị số điện áp làm việc hiệu dụng và tần số hệ thống:

Qc = U2.ω.C Trong lưới điện ba pha, các tụ điện luôn có cùng thông số và được nối hình sao hoặc hình tam giác Nếu C1 là điện dung một pha nối hình sao và C12 là điện dung một pha nối hình tam giác thì đối với cùng công suất phản kháng:

C1 = 3C12

Tăng điện áp, tăng tần số và các điều hòa chứa trong điện áp hoặc dòng điện làm tăng phụ tải dòng điện Các tụ điện có dòng điện phụ tải lớn có thể vận hành với công suất phản kháng ở Ur và fr 1,35 lần công suất phản kháng:

2

v 2





         

Nếu quá các điều kiện giới hạn kể trên, tụ lựa chọn phải được thay bằng tụ điện khác có điện áp định mức và công suất định mức cao hơn theo phương trình:

r 2 r 2 r 2 r1

Q Q V / V Trong công thức, v là số thứ tự các dao động riêng, Uv là trị số hiệu

dụng của dao động riêng thứ v của điện áp hệ thống,Um là trị số hiệu dụng của điện áp làm việc cực đại của hệ thống, fr là tần số cơ bản của điện áp hệ thống, còn Ur, Qr, fr là các số liệu trên nhãn tụ điện

Nếu điện áp có dạng không sin, công suất phản kháng do tụ điện tiêu thụ không thể đo bằng tích của điện áp và dòng điện hiệu dụng hoặc bằng oát kế thông thường Để có thể xác định điều kiện của tụ điện bằng phương trình đã cho thì cần phải phân tích điện áp bằng bộ phân tích điều hòa Nên làm nhiều phép đo với các điều kiện phụ tải khác nhau

1.2 Kháng điện

Kháng điện là các điện kháng được sử dụng để hạn chế dòng ngắn mạch Chúng được sử dụng khi muốn giảm công suất mạch của lưới hay của thiết bị tới giá trị chấp nhận theo quan điểm cường độ ngắn mạch của thiết bị hoặc khả năng cắt của máy cắt

Vì điện kháng của kháng điện mắc nối tiếp phải duy trì không thay đổi khi xảy ra ngắn mạch nên chỉ có cuộn kháng lõi không khí là thích hợp ( các kháng điện lõi không khí có thể gây ra tần số rất cao từ 150 đến 250kHz, bằng cách mắc tụ điện có thể giảm các tần số quá độ này đến giá trị cho phép) Nếu dụng lõi sắt thì khi có sự bão hòa của lõi sắt do dòng ngắn mạch tạo nên sẽ làm giảm điện kháng của cuộn dây, do đó làm giảm tác dụng bảo vệ chống ngắn mạch đi rất nhiều

Điện áp rơi và biến thiên điện áp:

Tổng trở định mức là tổng trở một pha ở tần số định mức Điện trở của kháng điện hạn chế dòng có thể bỏ qua và thường không quá 3% điện kháng XL Điện áp rơi định mức ΔUUr là điện áp cảm ứng trên kháng điện khi làm việc với dòng điện định mức và điện kháng định mức:

r r L

V I X

  Khi quy về điện áp định mức của hệ thống, điện áp rơi định mức được

ký hiệu là ΔUur và thường tính theo %:

r r

n

V : 3

V



 

Với các giá trị điện kháng và dòng điện đã cho, độ biến thiên điện áp ΔUUφ trong lưới, nghĩa là hiệu điện áp lưới phía trước và phía sau kháng điện cũng còn phụ thuộc vào cosφ Trên hình 12-6, khi hiệu điện áp ΔUUφ qua điện kháng là nhỏ trong điều kiện vận hành bình thường và tăng khi xảy ra sự cố ngắn mạch Theo tỉ lệ với dòng ngắn mạch và với mức tăng theo góc lệch pha

ở điều kiện sự cố

Theo hình 12-6, ở một tải đã cho a = I/I và với hệ số công suất cosφ cho trước, ta có:

uφ = a.ΔUuφ.cos(900 – φ) hoặc uφ = a.ΔUuφ.sin φ Công suất tiêu thụ và công suất truyền qua:

Công suất tiêu thụ của kháng điện là tích của điẹn áp rơi ΔUUr và dòng định mức Lf:

SE=3 ΔUUr.Ir (ba pha) Công suất truyền qua kháng điện là tích của điện áp pha Un/ căn 3 và dòng đinh mức Lr:

S  3 V I (ba pha)

Chọn kháng điện hạn chế dòng điện:

Nếu S là công suất ngắn mạch đã cho của lưới được giảm tới giá trị S’’

do đặt kháng điện thì điện áp rơi tính theo phần trăm cần thiết là:

k1 k 2

k1 k 2

S'' S''

V 1,1x100% S

S'' S''



 

1.3 Máy bù đồng bộ:

Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc không tải

với dòng điện kích từ được điều chỉnh để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, do đó duy trì được điện áp qui định của lưới điện ở khu vực tập trung

hộ dùng điện Chế độ làm việc bình thường của máy bù đồng bộ là chế độ quá kích thích phát công suất điện cảm vào lưới điện hay nói khác đi, tiêu thụ công suất điện dung của lưới điện Ở trường hợp này, máy bù đồng bộ có tác dụng như một bộ tụ điện và được gọi là máy phát công suất phản kháng Khi tải của các hộ dùng điện giảm, ví dụ về đêm hoặc vào những giờ không cao điểm, điện áp của lưới tăng thì máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ thiếu kích thích, tiêu thụ công suất phản kháng ( điện cảm ) của lưới điện và gây thêm điện áp rơi trên đường dây để duy trì điện áp khỏi tăng quá mức quy định Việc điều chỉnh dòng điện kích thích it để duy trì điện áp của lưới ( ở đầu cực của máy bù đồng bộ) không đổi, thường được tiến hành tự động Máy bù đồng bộ tiêu thụ rất ít công xuất tác dụng vì công suất đó chỉ dùng để bù vào các tổn hao trong nó

Máy bù đồng bộ thường có cấu tạo theo kiểu cực lõi Để dễ mở máy, mặt cực được chế tạo bằng thép nguyên khối trên có đặt dây quấn mở máy Trong trường hợp mở máy trực tiếp gặp khó khăn thì phải hạ điện áp mở máy, hoặc dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn để kéo máy bù đồng bộ đến tốc

độ đồng bộ Trục của máy bù đồng bộ có thể nhỏ vì không kéo tải cơ Cũng

do momen cản trên trục nhỏ ( chủ yếu chỉ do mà sát của ổ trục và quạt gió) nên yêu cầu làm việc ổn định với lưới điện không bức thiết, do đố có thể thiết

kế cho xd lớn, nghĩa là khe hở có thể nhỏ, kết quả có thể làm giảm suất điện động và dây quấn kích từ khiến cho kích thước máy nhỏ hơn

Công suất định mức của máy bù đồng bộ được quy định ứng với chế độ làm việc quá kích thích có trị số:

Sđm = mUđmIđm’

Khi làm việc ở chế độ thiếu kích thích tối đa, nghĩa là ứng với khi i1 = 0

và E0 = 0, công suất máy bằng:

S’ = mUđmI’

Nếu bỏ qua công hao phí thì:



Vậy:

2 dm

d

V S' m

x



So sánh công suất đó với công suất định mức ta có:

dm

S I x x Thông thường đối với máy bù đồng bộ xd* = 1,5 + 2,2 S’/Sđm = 0,45 đến 0,67 và các trị số này có thể đáp ứng yêu cầu về vận hành Trong một số trường hợp cần tăng trị số của S’ thì phải giảm xd*, bằng cách tăng khe hở và điều này khiến cho giá thành của máy cao hơn Để được kinh tế hơn, có thể thực hiện chế độ kích thích âm, khi đó E0 = 0, kết quả là I’ sẽ tăng khiến cho S’’ lớn lên

1.4 SVC(Static Var Conpensator)

SVC là nguồn phát hoặc bộ tiêu thụ công suất phản kháng có thể thay đổi được, có thể điều chỉnh để trao đổi dòng điện cảm hoặc điện dung để duy trì hoặc điều khiển các thông số cụ thể của hệ thống điện tại điểm kết nối ( điển hình là điện áp nút)

SVC bao gồm điện cảm và tụ điện ( reactor hoặc capactor) đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor SVC dùng các thyristor điều khiển không hoàn toàn thông thường, nghĩa là có thể điều khiển mở bằng cực điều khiển nhưng khóa lại một cách tự nhiên khi dòng điện qua nó bằng 0 Điện kháng được đóng mở hoặc điều khiển bằng thyristor dùng để tiêu thụ công suất phản kháng và tụ điện đóng mở bằng thyristor để cung cấp công suất phản kháng

Hình 4: Cấu tạo chung của SVC

Trong trường hợp chung, SVC được cấu tạo từ các phần tử cơ bản, như thể hiện trên hình 4 TCR( Thyristor Controlled Reactor), TSR ( Thyristor Switched Reactor), TSC ( Thyristor Switch Capacitor), một hay nhiều bộ LC được hiệu chỉnh cho các sóng hài bậc 3,5,7

- TCR ( Thyristor Controlled Reactor – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor) là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc của van thyristor( thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn)

- TSR ( Thyristor Switched Reactor – cuộn kháng đóng mở bằng thyristor) là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, nối song song, mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

- TSC ( Thyristor Switched Capacitor – tụ đóng cắt bằng thyristor) là tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện dung của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách đóng hoặc khóa các thyristor

Phối hợp ba loại phần tử trên cho phép tạo ra những kháng bù ngang

thay đổi liên tục thông số ( điện kháng, công suất ) trong phạm vi đủ rộng ( dấu âm và dấu dương ) với giá thành hạ

Các chức năng của SVC bao gồm:

- Ổn định điện áp trong những hệ thống có biến động lớn, nhanh của phụ tải, nhờ đó chất lượng điện áp được nâng cao đáng kể

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại nút được bù

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ngắn mạch trong hệ thống

- Điều khiển quá trình quá độ, nâng cao tính ổn định của hệ thống

- Giảm dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống như ngắn mạch, mất tải đột ngột…

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiển ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và điện năng

1.5 STATCOM(Static Synchronows Compensator – Bộ bù đồng bộ tĩnh)

STATCOM giống như một máy phát đồng bộ tĩnh, hoạt động như một

bộ bù tĩnh mắc song song, dòng điện cảm hoặc dòng điện dung có thể điều khiển độc lập đối với điện áp hệ thống Khác với SVC, dòng điện hay công suất phản kháng phụ thuộc và mức điện áp tại điểm kết nối, dòng và công suất của STATCOM có thể được điều khiển độc lập với điện áp, nhờ đó khả năng của STATCOM cao hơn nhiều so với SVC

Hình Cấu tạo của STATCOM

STATCOM được xây dựng trên cơ sở bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) hoặc nguồn dòng (CSI), như minh họa trên hình Về giá thành các VSI có thể xây dựng trên các module mạch lực có sẵn nên được dùng nhiều hơn Với bộ nghịch lưu nguồn áp, điện áp đầu ra xoay chiều của nó có thể được điều chỉnh về biên độ và về góc pha sao cho phù hợp với dòng công suất phản kháng theo yêu cầu tương ứng với điện áp tại điểm kết nối, điện áp phía một chiều trên tụ sẽ được điều chỉnh tự động theo yêu cầu để hoạt động như nguồn áp cho bộ biến đổi STATCOM cũng có thể được thiết kế cùng hoạt động như một bộ lọc tích cực để lọc sóng hài

STATCOM là một tập hợp các bộ điều khiển nối song song bao gồm các nguồn công suất tác dụng hoặc nguồn dự trữ ở phía bên chiều sao cho dòng điện bơm vào có thể chứa công suất tác dụng Những bộ điều khiển như vậy bao gồm:

- SSG (Static Synchronous Generator – Máy phát đồng bộ tĩnh) là bộ chuyển đổi công suất có khóa bán dẫn hai chiều được cung cấp từ một nguồn năng lượng phù hợp, có thể tạo ra một loạt các điện áp đầu ra nhiều pha có thể điều chỉnh được, kết hợp cùng hệ thống điện xoay chiều cho một mục đích trao đổi công suất tác dụng và phản kháng một cách độc lập

Rõ ràng SSG là sự kết hợp của STATCOM và một nguồn năng lượng mới để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất, như minh họa trên hình Nói chung SSG được liên kết với bất kỳ một nguồn năng lượng nào đó, có thể là acqui, tụ điện một chiều công suất lớn, các bộ biến đổi, chỉnh lưu khác… Một

bộ biến đổi DC – DC đóng vai trò là giao diện giữa nguồn năng lượng và bộ nghịch lưu DC – AC Đối với bộ nghịch lưu nguồn áp VSI nguồn năng lượng nạp điện cho tụ thông qua giao diện điện tử này và duy trì điện áp tụ điện theo yêu cầu

Hình 5:Hệ thống BESS

- BESS ( Battery Enery Storage System – hệ thống dự trữ năng lượng acquy) là một hệ thống dự trữ năng lượng dưới dạng hóa năng, sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp nối song song có khả năng điều chỉnh nhanh chóng năng lượng điện năng cung cấp hoặc tiêu thụ từ hệ thống Đối với ứng dụng truyền tải, kích cỡ của bộ dự trữ của BESS có xu hướng nhỏ (hàng chục MWh) và nếu công suất bộ biến đổi đủ lớn, nó có thể phân phối công suất tác dụng với

tỉ lệ MW/MWh cho ổn định quá độ

- Bộ biến đổi có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng trong khả năng dung lượng MWA của bộ biến đổi Khi không cung cấp công suất tác dụng cho hệ thống, bộ biến đổi thường được sử dụng để nạp accqui với tốc độ

có thể chấp nhận được

Các chức năng chính của STATCOM cũng giống của SVC nhưng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao bao gồm các chức năng sau:

- Điều khiển điện áp tại nút kết nối STATCOM để ổn định điện áp, nhờ

đó chất lượng điện áp được nâng cao

- Điều khiển dòng công suất phản kháng tại nút được bù

- Giảm quá điện áp khi xảy ra sự cố ( ngắn mạch, mất tải đột ngột… )

- Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh

- Giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SVC.

2.1 Cấu tạo

SVC ( Static Var Compensator - thiết bị bù công suất phản kháng kiểu ngang) là thiết bị bù ngang có khả năng tiêu thụ hay phát công suất phản kháng có thể điều chỉnh liên tục bằng cách tăng hay giảm góc mở của các Thyristor SVC thường được kết hợp giữa các phần tử TCR ( Thyristor controlled reactor) và TSC ( Thyristor Switched Capacitor) Sự phối hợp điều chỉnh công suất phản kháng giữa hai phần tử này có thể làm cho SVC vận hành khá linh hoạt và hiệu quả trong các chế độ vận hành khác nhau

- Thành phần cảm kháng và dung kháng có tác dụng tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành

- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như: Thyristor, các của đóng mở (GTO – Gate turn off)…

Về cơ bản SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính sau:

- TCR ( Thyristor Controlled Reactor – Cuộn kháng điều chỉnh bằng thyristor) là cuộn cảm được điều khiển bằng thyristor, mắc song song, điện kháng của nó thay đổi liên tục bằng cách điều chỉnh góc của van thyristor( thiết bị kháng có tham số được điều chỉnh trơn)

- TSR ( Thyristor Switched Reactor – cuộn kháng đóng mở bằng thyristor) là cuộn cảm đóng mở bằng thyristor, nối song song, mà điện kháng của nó được thay đổi theo bậc theo trạng thái dẫn dòng hoặc không dẫn dòng của van thyristor

- TSC ( Thyristor Switched Capacitor – tụ đóng cắt bằng thyristor) là tụ điện đóng cắt bằng thyristor, mắc song song, điện dung của nó có thể thay đổi dạng bậc thang bằng cách đóng hoặc khóa các thyristor

Hiện nay thyristor sử dụng trong TCR, TSC của SVC được đấu nối tiếp thành các bộ van có các đặc tính kỹ thuật sau:

- Điện áp ngược của mỗi thyristor là: 5,5 kV

- Dòng điện định mức của mỗi thyristor là: 3500A

- Mỗi bộ van bao gồm 11 bộ van đấu nối tiếp với nhau

Trong trường hợp đặc biệt, dùng SVC đấu trực tiếp vào lưới 110kV có thể đấu 24thyristor nối tiếp cho một bộ van Khi đó van có thể chịu được điện

áp ngược là:

Ung = 24 x 5,5 = 132kV

2.2 Nguyên lý hoạt động

2 2.1 Nguyên lý hoạt động của thyristor

Cấu tạo của thyristor được phép từ các transitor NPN và PNP như hình 5 Ngoài điều kiện về điện áp thuận chiều như các chỉnh lưu thông thường, thyristor còn cần có điện áp điều khiển tác động và cực điều khiển của thyristor

Hình 6 : nguyên lý cấu tạo của thyristor

Điều kiện để thyristor chuyển từ trạng thái khóa dang trạng thái dẫn là khi cực G được đặt 1 xung điện áp dương lớn hơn điện thế tại điểm K sẽ làm cho cả mạch thông và dòng điện Id chạy từ A tới K Dòng điện này được duy trì ngay cả khi tín hiệu xung vào cực G bị cắt và thyristor vẫn hoạt động cho đến khi điện áp đặt trên nó bị ngắt hoặc có chiều ngược lại

Nếu ghép hai thyristor song song và ngược chiều nhau, ta có thể khống chế được trị số hiệu dụng của dòng điện đi qua thyristor một cách liên tục nhờ việc thay đổi góc mở α bằng thời điểm phát tín hiệu xung điều khiển vào cực điều khiển G của van