Thiết kế bộ tụ bù cho trạm biến áp dùng phần mềm EMTP

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và nhất là sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, nguồn điện là thứ thiết yếu nhất trong mọi sinh hoạt cũng phải đảm bảo chất lượng, ổn định và công suất đạt yêu cầu mà chỉ cần chi trả một lượng tiền hợp lý. Thế nên vấn đề công suất phát ra và truyền tải, tiêu thụ vẫn đang là vấn đề “nóng hổi” được bàn đến và nghiên cứu trong tất cả các trường có chuyên nghành điện. Tổn hao công suất ảnh hưởng đến chất lượng và kinh tế nên có các giải pháp được đưa ra nhưng một trong những biện pháp hữu hiệu nhất là bù công suất phản kháng cho hệ thống điện.

Mục Lục

Chương 1 Dẫn nhập: 3

Chương 2 Làm quen với phần mềm ATPDraw và những kinh nghiệm khi sử dụng phần mềm: 5

2.1 Giới thiệu về ATPDraw: 5

2.2 Các chức năng trong ATPDraw: 5

2.3 Một số ứng dụng quan trọng: 6

2.4 Thực hiện mô phỏng ví dụ với ATPDraw: 6

Chương 3 Áp dụng vào bài toán thực tế: 14

3.1 Tính toán bù: 14

3.2 Tính toán MBA: 16

3.3 Tính toán thông số động cơ: 17

3.4 Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm ATPDraw 18

3.4.1 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 1 PHA 18

3.4.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 3 PHA 22

3.5 Giải pháp khắc phục dòng xung kích: 27

3.5.1 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 1 PHA 29

3.5.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 3 PHA 32

3.6 Chọn thiết bị đóng cắt bộ tụ bù: 35

3.6.1 Chọn CB tổng bộ tụ bù : 35

3.6.2 Chọn Contactor mỗi cấp tụ bù : 36

Chương 4 Kết luận: 37

Chương 1 Dẫn nhập:

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế và nhất là sự phát triểnvượt bậc của khoa học kỹ thuật, nguồn điện là thứ thiết yếu nhất trong mọisinh hoạt cũng phải đảm bảo chất lượng, ổn định và công suất đạt yêu cầu

mà chỉ cần chi trả một lượng tiền hợp lý Thế nên vấn đề công suất phát ra

và truyền tải, tiêu thụ vẫn đang là vấn đề “nóng hổi” được bàn đến và nghiêncứu trong tất cả các trường có chuyên nghành điện Tổn hao công suất ảnhhưởng đến chất lượng và kinh tế nên có các giải pháp được đưa ra nhưngmột trong những biện pháp hữu hiệu nhất là bù công suất phản kháng cho

Ưu điểm của bù tụ tĩnh so với các trường hợp khác:

 Chi phí cho một kVAr rẻ hơn

 Giá cho một kVAr tĩnh thường là cố định

 Tổn thất công suất cho trường hợp này thường ít (0.3-0.5%)

 Vận hành đơn giản, độ tin cậy cao, khi một cấp tụ hư hỏng thì cáccấp còn lại vẫn còn khả năng bù

 Lắp đặt, bảo dưỡng đơn giản



Ý nghĩa bù công suất phản kháng:

 Giảm tổn thất công suất

 Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện

 Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp

Các tiêu chí bù công suất phản kháng

 Yêu cầu về cosφ

 Đảm bảo mức điện áp cho phép

 Giảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép

 Về vấn đề kinh tế

Lợi ích khi đặt bù và chọn thiết bị

Chi phí khi đặt bù (tập trung, phân phối, thiết bị, phương pháp )

về kinh tế Do đó việc bù công suất phản kháng là cần thiết

Việc bù công suất phản kháng có thể thực hiện với nhiều nguồn bùkhás nhau nhưng theo phận tích và đánh giá trên thì bù bằng tụ bù tĩnh làkhả quan và giá thành rẻ nhất, đáp ứng yêu cầu kinh tế và kỹ thuật và được

áp dụng rộng rãi

Khi phân tích lựa chọn các thiết bị cần thiết có liên quan trong quá trình

bù công suất phản kháng bằng tụ bù ta kết hợp cả yếu tố kỹ thuật và kinh tế

để hài hòa và đảm bảo yêu cầu khi đó thì trách nhiệm của nhà kỹ sư và nhàkinh doanh sẽ đạt được lợi ích cân đối và tốt đẹp

Chương 2 Làm quen với phần mềm ATPDraw và những

kinh nghiệm khi sử dụng phần mềm:

2.1 Giới thiệu về ATPDraw:

Đối với tất cả những người nghiên cứu khoa học nói chung, mô phỏng

là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tượng, hệ thống hay cácquá trình kỹ thuật – vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tượng hay hệthống thực Được trang bị một công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết vềcác phương pháp mô hình hoá, người nghiên cứu sẽ có khả năng rút ngắn

và giảm chi phí nghiên cứu, thử nghiệm sản phẩm một cách đáng kể Điềunày đặc biệt có ý nghĩa khi đối tượng nghiên cứu là các hệ thống thiết bị kỹthuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn Trước tình hình đó, hàng loạt các phầnmềm như là một công cụ hỗ trợ đã ra đời, làm đơn giản hơn rất nhiều khi cầnkiểm tra hay tính toán một hệ thống điện Với cùng mục đích, phần mềm ATPgiúp người nghiên cứu dễ dàng làm việc trên các hệ thống điện, từ hạ áp chođến cao áp Ứng dụng chủ yếu của ATP là mô hình hoá và mô phỏng cáchiện tượng quá độ có thể xảy ra trên hệ thống điện với độ tin cậy cao

2.2 Các chức năng trong ATPDraw:

• Chủ yếu là sử dụng phương pháp tích phân hình thang để giải các

hệ phương trình của các thành phần hệ thống trong miền thời gian

• Điều kiện ban đầu khác không, được xác định một cách tự độngbằng phương pháp tính toán ở chế độ xác lập hoặc người sử dụng cóthể đưa vào các điều kiện ban đầu để làm cho các thành phần đơn giảnhơn

• TACS (Transient Analysis of Control Systems) và MODELS (asimulation language) có khả năng mô hình hoá hệ thống điều khiển vàcác thành phần bằng các đặc tính phi tuyến

• Mô phỏng hiện tượng hỏng hóc, xung sét và các dạng đóng cắt kể

cả chuyển mạch của các van

• Tính toán tính đáp ứng của tần số đối với hệ thống bằng cách sửdụng đặc tính quét tần số FREQUENCY SCAN

• Phân tích harmonic (sóng hài) trong miền tần số bằng cách sửdụng HARMONIC FREQUENCY SCAN

o Quá điện áp do sét đánh (Lightning overvoltage).

o Quá độ do đóng cắt và sự cố (Switching transients and faults)

o Quá điện áp đồng bộ và tĩnh (Statistical and systematic

overvoltage)

o Quá độ thay đổi nhanh trong GIS và nối đất

o Xây dựng mô hình máy điện (Machine modeling)

o Ổn định quá độ và khởi động động cơ (Transient stability, motor startup)

o Các dao động xoắn trục (Shaft torsional oscillations)

o Đóng cắt máy biến áp và kháng điện/tụ điện (Transformer and shunt reactor/capacitor switching)

o Phân tích harmonic, cộng hưởng lưới (network resonances)

o Thử nghiệm thiết bị bảo vệ

2.4 Thực hiện mô phỏng ví dụ với ATPDraw:

Sau khi cài đặt ATPDraw, phần mềm sẽ xuất hiện icon ATPDraw trênDesktop, D-Click vào biểu tượng để chạy chương trình, chương trìnhATPDraw có giao diện:

Trên giao diện chính có các danh mục chính:

 File: sử dụng để quản lý các file

 Edit: dùng để hiệu chỉnh và thay đổi những thực thể

 Liblary: sử dụng để quản lý các trang

 Tools: Là những công cụ chọn lựa và tính toán hệ thống

 View: Quản lý màn hình

 Settings: Xác định dữ liệu hệ thống

 Help: yêu cầu giúp đỡ và đưa ra những gợi ý

 ATP: để thực hiện thao tác mô phỏng (xuất hiện thẻ khi có file

mở sẵn)

Mở một ví dụ trong ATPDraw có sẵn để làm quen:

Ở đây ta dùng ví dụ trong project của chương trình: click vào file/open/Exa_1.acp

Sau khi mở file Exa_1.acp ta được một hình vẽ mô phỏng đơn giản, đầy đủ:

Ta thấy xuất hiện thẻ ATP, để chạy mô phỏng ta chọn ATP/run ATPhoặc ấn phím tắt F2.

Tuy nhiên sau khi chạy xong ta sẽ không thấy có thêm gì do ATPDrawgiờ mới chỉ tao ra file *.pl4 để trong thư mục ATP , vậy nên muốn xem đồ thị

ta cần bổ sung thêm lệnh Plot (vẽ đồ thị) cho chương trình

Vào thẻ ATP, chọn Edit Commands => click vào New => Sửa tên ởmục Name => và click vào Browse tìm tới file PlotXY.exe => click Update =>click Exit

Ta được như hình:

Chọn ATP / Plot hoặc ấn tổ hợp phím tắt Ctrl + Alt + 0 để thực hiện lệnh plot:

Cửa sổ PlotXY xuất hiện: chọn Load , tìm tới file *pl4 cần mở, ở đây tavừa chạy file Exa_1.acp, ATPDraw sẽ tạo ra file exa_1.pl4.

Khảo sát dòng điện và điện áp :

Ví dụ : Thực hiện mạch cơ bản sauDùng ATPDraw vẽ mạch :

R=40 Ω

H= 20mH

Vdc=5V

Chú ý cài đặt thông số linh kiện :

VALUE : nhập thông số giá trị (giá trị điện trở, giá trị nguồn áp, giá trị của cuộn cảm, tụ …)

Name : chú ý mục này để khi vẽ đồ thị ta biết được đồ thị này tương ứng cho thông số nào

Output : Giá trị cần xuất ra để vẽ đồ thị (ở đây số 3 là xuất ra dòng và áp)

Sau khi chạy ATP mạch trên, ta mở PlotXY để vẽ đồ thị :

Kết quả như hình :

Điện áp quá độ tại R và L

Dòng điện quá độ

Nhiều lúc ta vẽ đồ thị không thấy được quá trình quá độ, cần lưu ý chỉnh thông số của Switch đóng ngắt nhanh hơn :

Chương 3 Áp dụng vào bài toán thực tế:

Máy biến áp 6.5MVA 22kV/1kV, cung cấp cho 2 động cơ 1900kW cos φ =0.85.

Yêu cầu bù lên cosφ=0.95

Tính toán và lựa chọn thiết bị.

3.1 Tính toán bù:

Ta có:

P=1900x2=3800kW=3.8 MW

 S=P/cosφ=4.47 MVA

Vậy công suất phản kháng cần bù là

Vậy ta chọn bộ tụ bù 4 cấp : 2x 3(pha) x TAFL-106200KS (200kVAr)

Qbuthuc =√3UIbu

 Ibu=Qbuthuc/(√3U)= 1200/(√3*1000)= 692.8A

 Dòng điện qua mỗi cấp I=692.8/4= 173.2 A

Tính toán giá trị C dùng để mô phỏng ATP:

Với 2 Động cơ 1900 kW 1000V cosφ=0.85 hiệu suất η =0.95

3.4 Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm ATPDraw

Mô phỏng hệ thống bằng phần mền ATPDraw, Kết quả mô phỏng cho phép xác định được các giá trị biên độ điện áp và dòng điện, phân tích được các tình huống nguy hiểm có thể xảy ra với tụ điện.

3.4.1 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 1 PHA

Dòng xung kích tổng Ixk=6912 A => Gấp 7 lần dòng làm việc bình thường(970A).

Theo lý thuyết tính toán:

 Kết quả sát với tính toán lý thuyết , tuy nhiên do điện cảm L trong mạchquá bé nên dòng điện xảy ra dao động không đưa về xác lập, ta cần mắc thêm cuộn cảm L để mạch làm việc.

3.4.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 3 PHA

Dòng xung kích nhận được:

Ixk_A= 5890 A

Ixk_B= 2731 A

Ixk_C= 3580 A

Nhận xét: Pha A có dòng xung kích lớn nhất do đóng bộ tụ vào lúc pha A

cực đại tại đỉnh Kết quả nhận được sát với kết quả tính toán theo lý thuyết

Dòng điện qua Contactor:

(file new3p.pl4; x-var t) 0 c:TU1A -BUSBAA 5 c:TU1B -BUSBAB 10 c:TU1C -BUSBAC 15 20 25 30 35 [ms] 40 -1500

3.4.2.2 Đóng 1 bộ tụ khi 1 bộ tụ được đóng trước

(file new3p.pl4; x-var t) 0 c:TU1A -BUSBAA 10 c:TU1B -BUSBAB c:TU1C -BUSBAC 20 30 40 [ms] 50 -6000

Nhận xét: Mạch trở nên dao động không xác lập khi đóng tụ tứ 2 vào, để

mạch hoạt động cần phải tăng điện kháng L trước tụ bù

Ixk_A= 2455 A

Tần số dao động nội tại: 765 Hz

 Pha A có dòng xung kích lớn nhất do đóng bộ tụ vào lúc pha A cực đại tại đỉnh Kết quă nhận được sát với kết quả tính toán

3.4.2.4 Trường hợp 2 pha contactor bị đóng trễ:

Xét trường hợp 3 pha contactor đóng tại 3 đỉnh của điện áp nguồn

Nhận Xét : Mạch có dao động tuy nhiên không đáng kể Dòng xung kích

NHẬN XÉT CHUNG:

 Dòng xung kích Inrushcurrent cực đại nhận được 7726 A

 Điện áp xung kích cao nhất là xấp xỉ 1600V (cho cả 2 mạch mô phỏng

1 và 3 pha)

Khi đóng tụ điện vào lưới điện áp và dòng điện có thể rất lớn gây ra cáchiện tượng xấu có thể gây nguy hiểm cho tụ điện và hệ thống mà tụ đượcđấu nối

Với kết quả mô phỏng trên thì cho giá trị dòng điện xung kích rất lớnđồng thời kèm theo quá điện áp có biên độ rất lớn nên có thể gây ra đánhthủng thiết bị khi thao tác vào thời điểm có những giá trị cao này Điều nàyrất nguy hiểm cho thiết bị cũng như lưới điện

Với kết quả tính toán và kết quả mô phỏng có sai số không lớn Quakết quả phân tích thì khi đóng tụ vào lúc tụ đã được nạp điện thì sẽ có biên

độ và dòng điện quá độ cực kỳ lớn so với trường hợp tụ chưa được nạp vàđặc biệt là thời điểm đóng tụ với điện áp nguồn có biên độ là cực đại Với cáckết quả trên nêu ta đóng vào lúc các thời điểm này thì sẽ gây ra các nguyhiểm cho tụ với các thiết bị

Nếu ta chọn ngay Contactor thì loại phù hợp là AF 580 Do giá trị vềmặt kinh tế nên ta sẽ chọn giải pháp lắp thêm cuộn cảm Nếu ta gắn thêmcuộn cảm thì ta sẽ hạn chế được dòng xung kích xuống còn 5kA

Loại Contactor ta có thể chọn là AF 185

Bảng báo giá Contactor:

Ta dễ dàng thấy chênh lệch giữa LC1F185 và LC1F400 là gần 10 triệu.Trong khi đó mỗi cấp tụ ta phải có 1 contactor nên chênh lệch giữa hai cấpcontactor là lên tới hơn 40 triệu Trong khi đó nếu ta gắn thêm cuộn cảm thìgiá sẽ tiết kiệm và hiệu quả về mặt kinh tế hơn rất nhiều

Tính toán giá trị điện cảm L cần thiết mắc vào mạch tụ bù:

Với:

 n = 4 (số cấp tụ bù)

 Chọn I = 5000 A (dòng xung kích mong muốn đạt được)

Mô phỏng mạch khi mắc thêm cuộn kháng L

3.5.1 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 1 PHA

Kết quả mô phỏng:

3.5.1.1 Đóng cả 4 bộ tụ bù

3.5.1.2 Đóng 1 tụ khi 1 bộ được đóng trước

Dòng xung kích Ixk=3063 A => Gấp 12 lần dòng làm việc bình thường

3.5.2 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG 3 PHA

Ixk_B= 2823 A

Ixk_C= 3566 A

Nhận xét: Pha A có dòng xung kích lớn nhất do đóng bộ tụ vào lúc pha A

cực đại tại đỉnh Kết quả nhận được sát với kết quả tính toán theo lý thuyết

Dòng điện qua Contactor:

(file new3p+l.pl4; x-var t) 0 c:TU1A -BUSBAA 10 c:TU1B -BUSBAB 20 c:TU1C -BUSBAC 30 40 50 60 70 [ms] 80 -1500

(file new3p+l.pl4; x-var t) 0 c:TU1A -BUSBAA 10 c:TU1B -BUSBAB 20 c:TU1C -BUSBAC 30 40 50 60 70 [ms] 80 -4500

Nhận xét: Mạch xác lập khi đóng tụ tứ 2 vào, dòng xung kích bé hơn 5000A

đạt yêu cầu mong muốn

Icm (kA)

Icw (A)

3.6.2 Chọn Contactor mỗi cấp tụ bù :

Tên Contacto r

Uimpma x (V)

Uimp (kV)

Bù nền

185 0

Bù cấp 2

185 0

Bù cấp 3

185 0

Bù cấp 4

185 0

Chương 4 Kết luận:

Việc xuất hiện dòng xung kích là một hiện tượng nguy hiểm gây ảnhhưởng đến quá trình làm việc của thiết bị trong hệ thống đồng thời ảnhhưởng đến chất lượng điện năng của người tiêu dùng Tuy nhiên, việc vậnhành lưới điện không thể tránh khỏi các trường hợp gây ra trường hợp này

Để có thể nâng cao được yêu cầu về chất lượng điện năng cũng như đảmbảo an toàn cho các thiết bị trong lưới Chính vì vậy với đề tài tốt nghiệp em

đã sử dụng phần mềm ATPDraw/EMTP để mô phỏng, phân tích tìm hiểu cáctình huống tạo nên dòng xung kích trong khi dùng bộ tù bù nhằm bù côngsuất phản kháng cho hệ thống Từ đó nêu biện pháp khắc phục hiện tượng,đảm bảo chất lượng điện năng cho lưới

+ Tính toán hệ thống tụ bù

+ Phân tích quá trình quá áp, quá dòng điện khi đóng cắt các bộ tụ

+ Ứng dụng phần mềm ATPDraw/EMTP để mô phỏng, phân tích hệ thống Với mong muốn hoàn chỉnh nội dung đề tài, em mong được sự nhận xét góp

ý của các thầy cô để bổ sung hoàn thiện cũng như chỉnh sửa các phần nộidung còn chưa chính xác, còn hạn chế và nâng cao hiểu biết các kiến thứctrong lĩnh vực chuyên môn ngành điện

Tài liệu tham khảo:

1 Control equipment for MV capacitor banks - Denis Koch

2 IEC International Standards

3 Biến đổi năng lượng điện cơ; Hồ Phạm Huy Ánh, Nguyễn Hữu Phúc, Phạm Đình Trực, Nguyễn Quang Nam, Nguyễn Ngọc Tú, NXB ĐHQG

Tp Hồ Chí Minh, Tp Hồ Chí Minh, 2011

4 Power Circuits and Electromechanics; M.A Pai, Stipes Publishing, Champaign, 2004

5 Application Guide: Contactors for capacitor switching; ABB

đóng cắt Schneider