tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC và những giải pháp khắc phục

Điện năng cung cấp cho phụ tải khôngchỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo.Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp TháiNguyên.

Cán bộ HDKH : TS Ngô Đức Minh

Phản biện 1 : PGS.TS Đặng Quốc Thống

Phản biện 2 : TS Nguyễn Quân Nhu

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học

số 01, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 14 giờ 00 phút ngày 24 tháng 01 năm 2013

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của đất nước Điện năng cung cấp cho phụ tải khôngchỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được đảm bảo.Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy theo công nghệ

có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc cao (gọi tắt là sóng hài)hài gây ô nhiễm lưới Các sóng hài gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn haophụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ các thiết bị điện, làm giảm chấtlượng điện năng Do đó các sóng hài trên lưới phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn theoquy định (tiêu chuẩn) Hiện nay, ở nước ta cũng như trên thế giới chủ yếu căn cứ theo tiêuchuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC 1000-3-4 Để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới cónhiều giải pháp khác nhau, một trong số đó là sử dụng bộ lọc mà điển hình là bộ lọc tích cực

Vì vậy sau hai năm học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS.Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài là “ Phân tích ảnh hưởng của sóng hài trong trạm bùcông suất phản kháng kiểu SVC và những giải pháp khắc phục”

Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của sóng hàikhi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện nói chung và xét tại trạm bù côngsuất phản kháng SVC Thái Nguyên nói riêng, từ đó đề xuất những giải pháp khắc phục Nộidung luận văn được bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

Chương 2 Phân tích hoạt động của trạm bù SVC

Chương 3 Nghiên cứu ứng dụng lọc tích cực trong trạm bù SVC

Chương 4 Mô phỏng bằng Matlab - Simulink

Kết luận

Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS NgôĐức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành Tuy nhiên bản luận văn

không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo vàngười đọc.

Tôi xin chân thành cảm ơn khoa Sau Đại học trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS Ngô Đức Minh

đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này

Chương I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Tổng quan về truyền tải công suất trong hệ thống điện

1.1.1 Đặt vấn đề

1.1.2 Công suất phản kháng trên đường dây truyền tải

1.1.3 Bù công suất phản kháng trên đường dây truyền tải

1.1.4 Sự tiêu thụ công suất phản kháng của các thiết bị điện

1.1.5 Tình hình bù công suất phản kháng ở Việt Nam

Hình 1.1 Sơ đồ lưới điện

Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cosφ và bù công suất phản khángđược đề cập đến ở từng cấp điện áp Qua khảo sát thực tế ở một số điện lực, các giá trịcosφ ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét như sau:

- Tại các cấp điện áp 35 kV trở lên hệ số công suất cosφ có giá trị thường từ0,85 trở lên Trường hợp nguồn cấp là nhà máy điện, ví dụ như tại điện lực TháiNguyên thì cosφ có giá trị khoảng 0,85; còn trường hợp nguồn cấp là thanh cái trạm

110 kV, 220 kV thì cosφ có giá trị cao hơn, thậm chí tới 0,92 ÷ 0,95 Cũng chính vìvậy mà cosφ có giá trị tại các đầu nhánh đường dây cấp 22 kV, 10 kV, 6 kV cũng cao,không dưới 0,85 Do vậy các nhà quản lý điện lực cấp tỉnh tự cảm nhận là hệ số cosφdường như không có vấn đề gì

35 kV

6 ÷ 22 kV

0,4 kV

110, 220 kV

- Tại cuối các nhánh đường dây cấp 22 kV, 10 kV, 6 kV giá trị cosφ không còncao nữa Các máy biến áp hạ áp 22 kV, 10 kV, 6 kV xuống 0,4 kV giá trị cosφ khá thấp

do chính các phụ tải điện (đồ điện) như quạt, điều hòa nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh… cógiá trị cosφ thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng Từ cuối các nhánh đường dâycấp 22 kV, 10 kV, 6 kV và toàn bộ phía hạ thế do điện lực của các chi nhánh quản lý,

họ chủ yếu quan tâm đến cung cấp điện liên tục và thu tiền điện, ít quan tâm đến chấtlượng điện áp

1.1.6 Vấn đề bù công suất phản kháng ở một số nước trên thế gi ới

Vấn đề bù công suất phản kháng là giải pháp giảm tổn thất điện năng rấtđược coi trọng ở các nước tiên tiến Giải pháp này được quan tâm ngay từ khâuthiết kế, lựa chọn thiết bị và dây chuyền công nghệ sản xuất Mạng điện ở hầu hếtcác nước phương tây đều có trang bị tụ bù để nâng cao hệ số công suất Việc đặtthiết bị bù được thực hiện theo một số phương án cơ bản sau:

Hì nh1.2 Các phương án đặt thiết bị bù công suất phản kháng

1) Thiết bị bù lớn đặt trên thanh cái trạm biến áp hoặc tại các điểm nút củamạng điện (hình a) Phương án này cho phép giám sát và vận hành dễ dàng thiết bị bù,tuy nhiên tổn thất trên đoạn từ thanh cái 1 đến các thiết bị dùng điện không giảm vì ởđoạn này vẫn có dòng công suất phản kháng của phụ tải chạy qua Thêm vào đó, khiphụ tải phản kháng nhỏ thì có thể xảy ra hiện tượng dư thừa công suất bù Vì vậy đốivới phương án này người ta thường phải trang bị thêm hệ thống tự động điều chỉnhdung lượng tụ bù

2) Thiết bị bù tĩnh đặt trong tủ phân phối của nhóm thiết bị dùng điện (hìnhb) Phương án này cho phép giảm tổn thất trên đoạn dây từ thanh cái trạm biến áp đến

tủ phân phối của các nhóm thiết bị dùng điện, tuy nhiên hệ số công suất phụ thuộc vào

số lượng thiết bị dùng điện Trong trường hợp có ít động cơ trong nhóm thì vẫn có khảnăng dư thừa công suất phản kháng Vì vậy đối với phương án này cũng cần phải trang

bị thêm hệ thống tự động điều chỉnh dung lượng tụ bù

3) Thiết bị bù tĩnh đóng cắt ngay trên đầu vào của các thiết bị dùng điện (hìnhc) Theo phương án này một công tắc tơ sẽ điều khiển cả động cơ và tụ bù Khi động

cơ không làm việc thì tụ bù cũng sẽ được cắt khỏi mạng, do đó sẽ không cần đến cácthiết bị điều khiển

1.2 Những tồn tại và hướng khắc phục

1.2.1 Những tồn tại

1.2.2 Giải pháp khắc phục

Xu hướng hiện nay, trước sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điện tử công suất

và kỹ thuật điều khiển các Kỹ sư năng lượng đã thiết kế các trạm bù CSPK có điềukhiển đồng thời tích hợp chức năng lọc sóng hài đi kèm Kết quả đạt được đáp ứng tốtcho các yêu cầu của vận hành cũng như điều khiển hệ thống điện

1.3 Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã khái quát lại bản chất vật lý của các quá trình năng lượngtrong các khâu từ sản xuất ra đến truyền tải và tiêu thụ Trong hai đại lượng chủ yếu làcông suất tác dụng P (W) và công suất phản kháng Q (VAr) thì Q được xem như làthước đo cho điện áp còn P là thước đo cho tần số: tại một nút lưới, nếu điện áp thấp là

do thiếu Q và điện áp cao là do thừa Q Vì thế việc điều chỉnh điện áp nút được thựchiện thông qua các trạm bù và các trạm bù Q là nguồn phát sinh sóng hài cần phải đượcnghiên cứu để đưa ra những giải pháp khắc phục thích hợp

Trong chương tiếp theo sẽ đi tìm hiểu về trạm bù kiểu SVC và đề xuất giải phápkhắc phục các nhược điểm của SVC Đây cũng là mục tiêu chính của đề tài

Chương II PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA TRẠM BÙ SVC

- Lọc sóng hài Các sóng hài này có nguồn:

+ Do chính TCR của trạm thải ra

+ Do các phụ tải trong các nhà máy thép thải ra

-2 -1

-25 -15 -2 -

-38 -38

-28 CS4KH405

CS4KH403 -28

-7

-75 -76

172 E6.8

171 E 6.8

171 A60 CAO NG¹N

175 E1.19 sãc s¬n

-9 - 75 -76 - - 35 -38 -

75 -76 -96 - - - 75 -76 -96 -95

-15 -25

-9 - 35 -38 -98 -9 - 75 -76 -96

- 25 -15

25 -15 - 25 -15 - 25 -15 -25 - -15 -25 - -

38 -98 - 35

-1

TU273 TU274 TU275

-35 -35 -38

XI M¡NG TN

TU178 TU177 TU171 TU172 TU173 TU174

-38 -38

-25 -65 -64

-35 -38

-3

-15 -1

CSTU-C11

TU-C11

TD91 C46

B¾C GIANG hµ giang 2 tuy£n quang

171 A40 Th¸c Bµ

c32

T4 T3

2 74

-24

at1 at2

CS2AT2

TUC21

TBN-405 Läc bËc 5 TBN-407 Läc bËc 7

75 -76 - -9 -35 -38 - - -76 -75 - -9 - 76 -75 -9

-25 -15 - - -25 - -

-25 - - -25 - - -25 - - -25 - - -25 - -

-2 -25 -15

- -2 -25 -15

- -2 -25 -15

- -2 -25 -15 - -2

-7

-76 -75

7

-76 -75

7

-76 -75

7

-76 -75

7

-76 -75

-14 -1

Hệ thống bù SVC của trạm 220 kV Thái Nguyên được thiết kế bao gồm TCR vàcác FC Trong đó 3 bộ TCR mắc theo kiểu tam giác và 3 bộ FC tương ứng với các bộlọc sóng hài bậc 3, bậc 5 và bậc 7.

Sơ đồ mạch lực của trạm SVC được thể hiện như trên hình 2.2

  ) thì hệ thống SVC phát được công suất 60 MVAr

Các thiết bị thuộc hệ thống SVC được tập trung trong một khu vực để tiện chogiám sát hoạt động cũng như tạo sự thống nhất trong bố trí thiết bị, đường dây Khuvực thiết bị bù SVC được thể hiện trong sơ đồ nhất thứ, hình 2.3

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù tĩnh SVC

2.2.1 Các phần tử chính

Về cơ bản SVC cấu tạo từ các thành phần chính sau, hình 2.5: tụ điện có điệndung cố định (FC), tụ điện đóng mở bằng Thyristor (TSC), kháng điện đóng mở bằngThyristor (TSR) và kháng điện điều khiển bằng Thyristor (TCR)

- Hình 2.5 a) SVC là sự kết hợp của TCR và các bộ lọc thụ động FC ( FixedCapacitor)

- Hình 2.5 b) SVC là sự kết hợp của TCR (Thyristor Controlled Reactor) vàTSC (Thyristor Switched Capacitor)

Hình 2.5 Các cấu hình SVCCác thành phần chính của một trạm SVC:

2.2.1.1 Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor TCR ( Thyristor controlled

ứng với trạng thái đóng cắt mạch của TCR, TSC hoặc TSR Khi tăng dần góc mởthyristor từ 90 – 180, giá trị hiệu dụng dòng điện chạy qua TCR sẽ giảm dần từ giá trịdanh định về 0 Nhờ đó, dòng công suất phản kháng có thể được điều chỉnh liên tục.

Hoạt động đóng mở của Thyristor hầu như không có thời gian quá độ nên SVCphản ứng rất nhanh và nhạy trước sự thay đổi của điện áp Trên thực tế, độ nhạy vềđiện áp có thể đạt tới mức nhỏ hơn 0.2% và SVC có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị

số định mức trong thời gian chưa đầy 10 ms

Hiệu quả của SVC với khả năng truyền tải của hệ thống được trình bày tronghình 2.12

Hình 2.12 Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có

SVC

Giả sử SVC bù giữa đường dây như hình sau:

Hình 2.13 Thiết bị bù tĩnh SVC đặt giữa đường dây

Bình thường khi chưa bù công suất trên đường dây là: s. r

Như vậy công suất max tăng gấp 2 lần bình thường, như vây khả năng truyền tải

và độ dự trữ ổn định tăng gấp đôi như được thể hiện trên hình:

Hình 2.14 So sánh khả năng truyền tải và độ dự trữ ổn định trên đường dây

khi có bù và không có bù

2.4 Vấn đề sóng hài và bù sóng hài của trạm SVC

2.4.1 Tổng quan về sóng hài, tiêu chuẩn IEEE std 519

Sóng điều hòa hay sóng hài có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần sốcủa nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

Hình 2.15 Dạng sóng sin và dạng sóng điều hòa

Phân tích chuỗi Furier với chu kỳ T(s), tần số cơ bản f=1/T(Hz) có thể biểu diễnmột sóng điều hòa với biểu thức sau:

) (2.6)

Trong đó:

 : góc pha của sóng điều hòa bậc n.

THD là một tham số quan trọng để đánh giá sóng điều hòa và được gọi là hệ sốméo dạng (Total Harmonic Distortion)

Trong đó:

X1: là biên độ thành phần cơ bản.

Xn: là biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Theo đó có thể đánh giá về độ méo dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạngdòng điện và hệ số méo dạng điện áp

2.4.2 Các nguồn phát sinh sóng hài trên lưới

Các nguồn sinh sóng điều hòa được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến Dưới đây

là một số nguồn tạo sóng điều hòa phổ biến trong công nghiệp:

1) Máy điện

2) Thiết bị điện tử công suất

3) Các đèn huỳnh quang

4) Các thiết bị hồ quang

2.4.3 Tác hại của sóng hài

Với máy điện:

+ Máy biến áp: Các sóng điều hòa bậc cao gây ra tổn thất đồng, tổn thất từthống tản và tổn thất sắt làm tăng nhiệt độ máy biến áp do đó làm tăng tổn thất điệnnăng.

+ Động cơ điện:

- Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép động cơ tăng, làm méo momen, giảm hiệusuất máy, gây tiếng ồn, các sóng điều hòa bậc cao còn có thể sinh ra momenxoắn trục động cơ hoặc gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộphận cơ khí trong động cơ

- Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị bảo vệ (tác động sai): cácsóng điều hòa bậc cao có thể làm momen tác động của rơle biến dạng gây rahiện tượng nháy, tác động ngược, có thể làm méo dạng điện áp,dòng điệndẫn đến thời điểm tác động của rơle sai lệch

Với các thiết bị đo: ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị đo, làm cho kết quả đo

2.4.4 Tiêu chuẩn đánh giá sóng hài

Với những tác hại như vậy việc quy định một tiêu chuẩn thống nhất về cácthành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới cần được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng củachúng tới các thiết bị tiêu dùng điện khác và đảm bảo chất lượng điện năng Ở nước ta,

các đánh giá chủ yếu dựa trên hai bộ tiểu chuẩn chính là của IEEE và IEC, đối với tiêuchuẩn sóng hài dựa theo tiêu chuẩn (std) 519 do IEEE đề xuất và tiêu chuẩn 1000-4-3

do IEC đề xuất Ví dụ như bảng 2.1, 2.2, 2.3

Bảng 2.1 IEEE std 519Điện áp tại điểm nối

chung (Point Common

Couping PCC)

Nhiễu điện áp từng loại sóng điều hòa (%)

Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng điều hòa THD (%)

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 IEC 1000-3-4 cho thiết bị trên 75A ở

dòng đầu vào mỗi pha

* Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở trên

* h: bậc của sóng điều hòa

Bảng 2.3 IEC 1000-3-4Bậc sóng điều

hòa (n)

Dòng điều hòa có thể

chấp nhận được

Bậc sóng điều hòa (n)

Dòng điều hòa có thể

chấp nhận được

là có thể điều chỉnh vô cấp lượng CSPK bù đảm bảo giữ vững điện áp nút theo giá trịyêu cầu đặt ra Tuy nhiên, trong khi bù CSPK thiết bị TCR lại là nguồn phát sinh sónghài dẫn đến bộ phận FC phải thiết kế không những chỉ lọc sóng hài do các tải phi tuyến(trong các khu công nghiệp luyện thép) gây ra mà phải kể thêm cả sóng hài do TCRphát sinh Trong khi đó FC không thể lọc được triệt để các thành phần sóng hài trênlưới vì FC được thiết kế gồm 03 bộ lọc thụ động tương ứng với sóng hài bậc 3, bậc 5

và bậc 7

Từ đó những giải pháp khắc phục một số nhược điểm kể trên của trạm SVC sẽđược đề xuất trong chương 3 tiếp theo

Chương III NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LỌC TÍCH CỰC

TRONG TRẠM BÙ SVC

3.1 Đặt vấn đề

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ lọc tích cực

3.2.1 Cấu tạo bộ lọc tích cực

Sơ đồ khi lọc tích cực kết nối với lưới có thể được mô tả đơn giản như hình 3.2

Hình 3.2 lọc tích cực kết nối với hệ thống điện

Về cấu tạo, thiết bị lọc tích cực gồm 2 bộ phận: mạch chỉnh lưu/nghịch lưu xoaychiều ba pha và hệ thống tụ một chiều

- Hệ thống tụ một chiều: cung cấp điện áp cho quá trình nghịch lưu của mạchIGBT nhằm tạo ra dòng sóng hài bậc cao có cùng biên độ nhưng ngược pha với sónghài có trên lưới trong tác vụ loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao

- Mạch chỉnh lưu/nghịch lưu xoay chiều ba pha: được tạo thành từ các van bándẫn IGBT, diode,…với nhiệm vụ đóng mở van để chọn chế độ làm việc của mạch cũngnhư điều chỉnh dòng bù phát lên lưới

3.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Biểu đồ vecto điện áp và dòng điện ứng với các trạng thái hoạt động củaCLPWM được thể hiện như hình 3.4

Tải phi tuyến

Lọc tích cực

Hình 3.4 CLPWM làm việc ở chế độ chỉnh lưu bình thường.

Trong trường hợp này, dòng iL và áp uL lệch pha nhau một góc φ Ở chế độchỉnh lưu bình thường, mạch hoạt động như một thiết bị hút công suất phản kháng từlưới và bằng việc điều chỉnh linh hoạt giá trị cosφ có thể điều khiển được quá trình hútnày sao cho phù hợp với lượng công suất dư thừa trên lưới, đảm bảo điện áp đường dâyluôn ổn định xung quanh giá trị cho phép

Hình 3.5 CLPWM làm việc ở chê độ chỉnh lưu tích cực, cosφ = 1.Lúc này, dòng và áp cùng pha, cosφ = 1, lượng công suất phản khánghút xuống đạt giá trị tối đa cho phép của PWM

RiL

iLɛ

Hình 3.6 CLPWM làm việc ở chế độ nghịch lưu với cosφ = -1

Ở chế độ này, CLPWM cho kết quả dòng và áp ngược pha, công suất phảnkháng không được hấp thu về mà CLPWM phát công suất phản kháng lên lưới khi trênlưới thiếu thành phần công suất phản kháng

Chức năng xác định và bù các thành phần sóng hài được thực hiện dựa trênthuyết công suất tức thời hay còn được biết tới với tên gọi thuyết p-q – Akagi,1983 Nódựa trên các giá trị tức thời trong hệ thống điện 3 pha có hoặc không có dây trung tính

và phù hợp với trạng thái ổn định hoặc tác động nhất thời Mặt khác, do thuyết p –q

dựa trên các giá trị tức thời nên có khả năng đáp ứng nhanh một cách hoàn hảo Mộttính chất quan trọng khác của lý thuyết này là tính đơn giản trong việc tính toán do chỉliên quan tới các phép toán đại số Theo thuyết p – q, ta sẽ sử dụng phép biến đổi đại số( phép biến đổi Clarke) đối với dòng và áp ba pha trong tọa độ a-b-c để chuyển sang hệtọa độ α-β-0, từ đó có được các thành phần tức thời công suất tác dụng cũng như côngsuất phản kháng trên lưới

RiL