Nghiên cứu ứng dụng bộ bù SVC với thuật toán điều khiển mờ cho lưới truyền tải ở nước ta

c Tóm tắt các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 4 chương: Chương I: Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam và vấn

tải ở nước ta Tác giả luận văn: Lê Văn Minh Khóa: 2009 - 2011 Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Trọng Thuần

áp tại các nút phụ tải được giữ ổn định, làm giảm tổn thất cũng như nâng cao hiệu quả truyền tải trên các đường dây

Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điều khiển ta có thể áp dụng hướng điều khiển mới là: điều khiển mờ cho bộ bù SVC

Việc nghiên cứu điều khiển bộ bù SVC dùng điều khiển mờ là vấn đề cần thiết,

có ý nghĩa quan trọng, có khả năng ứng dụng vào thực tế để nâng cao chất lượng thiết

bị

b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi phạm vi nghiên cứu

Mục đích: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển mờ để nâng cao chất lượng bộ bù tĩnh

SVC nhằm nâng cao chất điện trong hệ thống điện công suất lớn

Đối tượng nghiên cứu: Bộ bù tĩnh SVC

c) Tóm tắt các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 4 chương: Chương I: Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam và vấn đề điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống

Chương II: Vai trò của thiết bị bù SVC trong hệ thống điện

Chương III: Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho bộ bù SVC

Chương IV: Mô phỏng, kết quả và đánh giá

Kết luận và kiến nghị

d) Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật toán điều khiển

- Mô hình hóa, mô phỏng trên máy tính để phân tích, kiểm nghiệm

e) Kết luận

Các vấn đề đề cập trong luận văn cho thấy khả năng ứng dụng điều khiển mờ cho các bộ bù tĩnh SVC trong việc điều khiển công suất và ổn định hệ thống điện, đồng thời nâng cao chất lượng điện áp cho phụ tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BÙ SVC VỚI THUẬT TOÁN DIỀU

KHIỂN MỜ CHO LƯỚI TRUYỀN TẢI Ở NƯỚC TA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ VĂN MINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ BÙ SVC VỚI THUẬT TOÁN DIỀU

KHIỂN MỜ CHO LƯỚI TRUYỀN TẢI Ở NƯỚC TA

Chuyên ngành : ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

MỤC LỤC

Lời cam đoan

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU

CHỈNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG

1

1.1 Khái niệm chung về hệ thống điện và lưới điện

1.1.1 Hệ thống điện

1.1.2 Lưới điện

1.1.3 Điện áp của lưới điện

1.1.4 Khả năng tải của lưới điện

1.1.5 Tiêu chuẩn đánh giá lưới điện

1.2 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam

1.2.1 Tình hình phát triển của hệ thống điện Việt Nam

1.2.2 Hiện trạng của hệ thống điện Việt Nam giai đoạn gần đây

1.2.3 Hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn 2010 đến 2015

1.2.4 Tình trạng vận hành lưới điện

1.3 Vấn đề điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống

1.3.1 Hoạt động của hệ thống điện

1.3.2 Ảnh hưởng của điện áp đến hoạt động của HTĐ

1.3.3 Quan hệ công suất phản kháng – điện áp

1.3.4 Quan hê giữa công suất phản kháng và ổn định của HTĐ

1.3.5 Điều chỉnh điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng

1.3.6 Phân cấp điều chỉnh điện áp trong HTĐ

10

10

11

14 16

CHƯƠNG 2 VAI TRÒ CỦA THIẾT BỊ BÙ SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

29

2.1 Thiết bị bù công suất phản kháng SVC

2.1.1 Vai trò của thiết bị bù ngang

2.1.2 Thiết bị bù ngang tĩnh có điều khiển – SVC

2.1.3 Đặc tính điều chỉnh của SVC

29

29

30 35 2.2 Thuật toán điều khiển bộ bù SVC trong điều chỉnh điện áp hệ thống

2.2.1 Vị trí trạm bù công suất phản kháng trên đường dây truyền tải

2.2.2 Nguyên tắc chung điều khiển điện áp của bộ bù SVC

2.3 Xây dựng bộ điều chỉnh điện áp bằng bộ bù SVC

2.3.1 Đặt vấn đề

2.3.2 Tính toán xác định dung lượng bù cho hệ thống

2.3.3 Xây dựng bộ điều chỉnh điện áp cho bộ bù SVC

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO BỘ BÙ SVC

3.2.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản

3.2.2 Các nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ

70

70

70 3.3 Bộ điều khiển PI mờ

3.3.1 Cấu trúc của bộ điều khiển PI mờ

3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ và các luật cơ sở

73

73

75 CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG, KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

81

4.1 Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC trên Simulink

4.1.1 Giới thiệu về Simulink

4.1.2 Thư viện mô phỏng điện tử công suất của Simulink

4.1.3 Xây dựng mô hình mô phỏng

4.2 Tiến hành mô phỏng

4.2.1 Mô tả đường dây tham số dải

4.2.2 Mô phỏng trong trường hợp thông số dải

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan quyển luận văn thạc sỹ khoa hoc: “Nghiên cứu ứng dụng

bộ bù công suất phàn kháng SVC với thuật toán toán điều khiển mờ cho lưới

truyền tải ở nước ta” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo GS.TS

Nguyễn Trọng Thuần Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tê

Để hoàn thành quyển luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi

trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu

nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 30 tháng 03 năm 2011

Học viên

Lê Văn Minh

Danh mục các ký hiệu , các chữ viết tắt:

HTĐ : Hệ thống điện

NMTĐ : Nhà máy thủy điện

NMNĐ : Nhà máy nhiệt điện

MBA : Máy biến áp

LHT : Lưới hệ thống

LTT : Lưới truyền tải

LPP : Lưới phân phối

VAR : Volt –Amperes Reactive

SVC : Static VAR Compensator

TSC : Thyristor Switched Capacitor

TCR : Thyristor Controller Reactor

FC – TCR : Fixed Capacitor - Thyristor Controller Reactor

HVDC : High Voltage Direct Current

FLC : Fuzzy Logic Controller

PID : Proportional – Integral – Derivative

EMTP : Electromagnetic Transients Programme

Danh mục các bảng:

Bảng 1.1 Khả năng tải của đường dây trung áp theo điều kiện phát nóng và ∆U cp

Bảng 1.2 Khả năng tải tính theo công suất tự nhiên

Bảng 1.3 Độ dài giới hạn đường dây trên không và cáp

Bảng 1.4 Các nhà máy điện tính đến năm 2008 (nguồn EVN)

Bảng 3.1 Bảng luật điều khiển

Danh mục các hình vẽ và đồ thị:

Hình 1.1 Vị trí của hệ thống điện trong nền kinh tế quốc dân

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện

Hình 1.3 Đặc tính vận hành của máy phát điện

Hình 2.7 Sơ đồ trạm bù trên đường dây truyền tải 220 kV

Hình 2.8 a) mạch tương đương; b) đồ thị vec tơ lúc chưa bù;

c) đồ thị véc tơ lúc có bù Hình 2.9 Đặc tính vôn – ampe của bộ bù tĩnh SVC

Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống truyền tải điện Hòa Bình – Hà Đông

Hình 2.11 Sơ đồ bộ bù tĩnh SVC trong hệ thống điện

Hình 2.12 Sơ đồ khối của vòng kín điều chỉnh điện áp

Hình 2.13 Mô hình mô phỏng bộ bù SVC trong hệ thống điện

Hình 2.14 Ảnh hưởng của tải lên điện áp thanh cái khi chưa có bộ bù SVC

Hình 2.15 Tác dụng của bộ bù SVC trong việc ổn định điện áp thanh cái

Hình 2.16 Đáp ứng điện áp khi thông số đường dây xác định và biến thiên

Hình 3.1 Hàm phụ thuộc của tập mờ F

Hình 3.2 Mô tả các giá trị ngôn ngữ bằng tập mờ

Hình 3.3 Quy tắc hợp thành min

Hình 3.4 Quy tắc hợp thành Prod

Hình 3.5 Luật hợp thành MISO với hai mệnh đề điều kiện

Hình 3.6 Hàm thuộc của các giá trị

Hình 3.7 Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ nhất

Hình 3.8 Hàm thuộc đầu ra của mệnh đề thứ hai

Hình 3.9 Hàm thuộc đầu ra của luật hợp thành

Hình 3.10 Giải mờ bằng phương pháp cực đại

Hình 3.11 Giải mờ bằng phương pháp điểm trọng tâm

Hình 3.12 Hàm thuộc đầu ra có dạng hình thang

Hình 3.13 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 3.14 Cấu trúc bộ điều khiển PI mờ

Hình 3.15 Hàm liên thuộc của sai lệch

Hình 3.16 Hàm liên thuộc của biến thiên sai lệch (∆e )

Hình 3.17 Các hàm liên thuộc cho Ki

Hình 3.18 Các hàm liên thuộc cho Kp

Hình 3.19 Các quy tắc mờ cho tính toán của Ki

Hình 3.20 Các quy tắc mờ cho tính toán của Kp

Hình 3.21 Bề mặt quy luật cho tính toán của Ki

Hình 3.22 Bề mặt quy luật cho tính toán của Kp

Hình 4.1 Thư viện Elements

Hình 4.2 Các khối trong SimPowerSystems trong thư viện Simulink

Hình 4.3 Các nguồn trong khối nguồn

Hình 4.4 Cấu tạo bên trong của khối SVC

Hình 4.5 Mạch lực của bộ bù SVC

Hình 4.6 Khối điều khiển bộ SVC

Hình 4.7 Bộ phát xung điều khiển đồng bộ

Hình 4.8 Cấu tạo bộ phát xung

Hình 4.9 Cấu tạo khối tuyến tính hóa

Hình 4.10 Đường đặc tính điều khiển của bộ SVC

Hình 4.11 Khối điều chỉnh dung lượng bù cho hệ thống

Hình 4.12 Mô hình mạng 2 cửa của đường dây dài

Hình 4.13 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển truyền thống

Hình 4.14 Đáp ứng của hệ thống với bộ điều khiển PI mờ

Hình 4.15 So sánh đáp ứng điện áp của bộ điều khiển PI và PI mờ

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của nền kinh tế với tốc độ cao,

nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng (khoảng 14%/năm), đặc

biệt trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội nhập nền

kinh tế khu vực và thế giới Với nhu cầu phát triển kinh tế của đất nước hiện nay

càng làm gia tăng nhanh chóng các phụ tải tiêu thụ điện, vì vậy yêu cầu được cấp

nguồn điện chất lượng tốt, ổn định cho các lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt ngày đòi

hỏi ngày càng cao

Để nâng cao chất lượng điện năng, việc áp dụng các tiến bộ khoa học trong

công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng có ý

nghĩa vô cùng quan trọng Các ứng dụng này đặc biệt rõ nét trong việc tạo ra một

nguồn công suất phản kháng có giá trị thay đổi linh hoạt đảm bảo đáp ứng sự biến

thiên của phụ tải, sự thay đổi các thông số của hệ thống Để tạo ra nguồn cung cấp

công suất phản kháng đảm bảo các yêu cầu trên, người ta dùng các bộ bù tĩnh

(SVC) có công suất phản kháng ở ngõ ra thay đổi liên tục SVC là sự kết hợp từ các

phần tử TCR, TSC, TSR và một bộ điều khiển phù hợp với mục đích sử dụng Khi

sử dụng SVC sẽ đảm bảo sự cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống, do đó

chất lượng điện năng được nâng cao, giá trị điện áp tại các nút phụ tải được giữ ổn

định, làm giảm tổn thất cũng như nâng cao hiệu quả truyền tải trên các đường dây

Việc điều khiển SVC hiện nay chủ yếu dựa vào cơ sở so sánh điện áp tại các

vị trí đặt với độ lệch điện áp được cài đặt trước để điều khiển góc mở alpha của các

thyristor trong các cụm TCR nhằm mục đích giữ điện áp nằm trong giới hạn cho

trước Với các bộ điều khiển sử dụng các phương pháp kinh điển thì luôn tồn tại

một thời gian trễ nhất định phụ thuộc vào cấu trúc bên trong khối điều khiển, sự

biến thiên các tham số hệ thống cũng ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Để đáp

ứng yêu cầu ngày càng cao về khả năng đáp ứng nhanh của hệ thống điều khiển

trong điều kiên tham số hệ thống thay đổi nhiều thì có thể áp dụng một hướng điều

khiển mới đó là: Ứng dụng bộ điều khiển mờ để điều khiển mở góc alpha của

thyristor dựa vào sự biến thiên của các yếu tố đầu vào làm ảnh hưởng đến điện áp

So với các bộ điều khiển kinh điển khác bộ điều khiển mờ có ưu điểm nổi bật là:

- Khối lượng tính toán giảm, khối lượng thiết kế giảm do không phải sử dụng

mô hình đối tượng

- Dễ hiểu hơn, trong nhiều trường hợp bộ điều khiển này làm việc ổn định,

bền vững và chất lượng điều khiển cao hơn

- Làm việc được với đồi tượng có tham số thay đổi và cấu trúc không rõ ràng

Do vậy việc nghiên cứu điều khiển SVC dụng bộ điều khiển mờ là vấn đề

cần thiết, có ý nghĩa quan trọng, có khả năng ứng dụng vào thực tế

II Lịch sử nghiên cứu

Tụ bù tĩnh có dung lương thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR

Compensator) là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới

truyền tải điện áp cao

SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

(FACTS) Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ

thống điện Yếu tố static cho thấy, SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động

hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị

hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly

Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn

hay tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng

SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh

điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng Nếu hệ thống thừa

công suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai

trò là các kháng bù ngang Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ

thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất

phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự động đóng vào Do đó, công suất phản

kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện áp của nút được cải thiện

SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao,

như lò điện SVC dùng để làm trơn dao động điện áp

III Mục đích của đề tài

Nghiên cứu đặc tính điều chỉnh của bộ bù công suất phản kháng SVC; Xây

dựng thuật toán điều khiển bộ bù SVC trong điều chỉnh điện áp thanh cái hệ thống

điện Xem xét khả năng ứng dụng logic mờ trong việc điều khiển góc mở của

thyristor trong TCR nhằm nâng cao ổn định điện áp khi các yếu tố thông số đường

dây, phụ tải thay đổi ảnh hưởng đến điện áp, tăng tốc xử lý cho SVC, thông minh

hóa SVC trong quá trình phản ứng

IV Đối tượng nghiên cứu, phạm vi đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển thiết bị bù tĩnh SVC

Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng thuật toán điều khiển mờ cho bộ bù SVC,

mô phỏng, viết chương trình trên phần mềm matlab thông qua công cụ

SIMULINK Đánh giá chất lượng của bộ điều khiển cho bộ bù SVC trong

trường hợp thông số đường dây và thông số tải gồm công suất tác dụng và

công suất phản kháng thay đổi

V Bố cục của luận văn

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu nêu trên luận văn bố cục thành 4 chương:

Chương I: Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam và vấn đề điều chỉnh cân

bằng công suất phản kháng trong hệ thống

Chương II: Vai trò của các thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện

Chương III: Xây dựng điều khiển mờ để điều khiển SVC

Chương IV: Mô phỏng và nhận xét đánh giá

Kết luận và kiến nghị

VI Ý nghĩa khoa học của luận văn

Các vấn đề đề cập trong luận văn cho thấy khả năng ứng dụng điều khiển mờ

cho các bộ bù tĩnh trong việc điều khiển công suất và ổn định hệ thống điện, đồng

thời nâng cao chất lượng điện áp cho phụ tải điện

Với năng lực hạn chế của bản thân cũng như các nguyên nhân khách quan,

chủ quan khác, luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong được

sự góp ý của quý thầy cô, các bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện

hơn Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong Bộ môn Tự động

hóa xí nghiệp công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn bè đồng

nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn Đặc

biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo GS Nguyễn Trọng Thuần

đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM VÀ VẤN ĐỀ ĐIỀU

CHỈNH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG

1.1 Khái niệm chung về hệ thống điện và lưới điện

1.1.1 Hệ thống điện

Hệ thống điện bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện

và các thiết bị khác (như thiết bị điều khiển, tụ bù, thiết bị bảo vệ…) được liên kết

với nhau thành hệ thống để vụ sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng

Tập hợp các đường dây tải điện và các trạm biến áp trong hệ thống điện được

gọi là lưới điện

Điện năng truyền tải đến hộ tiêu thụ phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng

phục vụ ( bao gồm chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện) và có chi phí

sản xuất, truyền tải và phân phối nhỏ nhất

Hiện nay điện năng nước được sản xuất từ nguồn năng lượng sơ cấp như: thủy

năng và các loại nhiên liệu than đá, dầu, khí đốt, nguyên liệu hạt nhân… trong các

nhà máy thủy điện, nhiệt điện …

Các thiết bị sử dụng điện để tạo ra các dạng sản phẩm khác nhau thì được gọi

chung là phụ tải điện

Hệ thống điện

Năng lượng

sơ cấp

Phụ tải điện

Môi trường : sản xuất, kinh tế,

xã hôi

Hình 1.1 Vị trí của hệ thống điện trong nền kinh tế quốc dân

Có nhiều cách phân loại hệ thống điện:

- HTĐ tập trung là hệ thống trong đó các nguồn điện và nút phụ tải lớn tập

trung trong một phạm vi không lớn và liên kết với nhau

- HTĐ hợp nhất trong đó các HTĐ độc lập ở cách rất xa nhau được nối liền

thành hệ thống bằng các đường dây tải điện dài siêu cao áp

- HTĐ địa phương hay cô lập là hệ thống điện riêng, như HTĐ tự dùng của

các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các HTĐ ở các vùng xa không thể nối

vào HTĐ quốc gia

HTĐ có cấu trúc phức tạp gồm nhiều loại nhà máy điện, nhiều loại lưới có điện

áp khác nhau trải rộng trong không gian lớn Hệ thống điện phát triển không ngừng

trong không gian và thời gian để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của phụ tải

Nghiên cứu, quy hoạch phát triển HTĐ cũng như để quản lý, vận hành, HTĐ được

phân chia thành các hệ thống tương đối độc lập với nhau

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện

Về mặt quản lý, vận hành, HTĐ nước ta được phân chia như sau:

- Các nhà máy điện (do các nhà máy điện tự quản lý)

- Lưới hệ thống siêu cao áp( 220kV)và trạm khu vực do các do các công ty

truyền tải quản lý

≥

- Lưới truyền tải và phân phối do các công ty lưới điện quản lý, dưới nó là các

sở điện lực

Về mặt quy hoạch HTĐ được chia làm 2 cấp:

- Nguồn điện, lưới hệ thống, trạm khu vực được quy hoạch trong tổng sơ đồ

- Lưới truyền tải và phân phối được quy hoạch riêng

Về mặt điều độ HTĐ được chia thành 3 cấp:

- Điều độ trung ương (Ao)

- Điều độ địa phương: Điều độ các nhà máy điện, điều độ các nhà khu vực,

điều độ các công ty điện

- Điều độ các sở điện

Về mặt nghiên cứu tính toán, HTĐ được chia thành:

- Lưới hệ thống

- Lưới truyền tải (35kV, 110 kV, 220kV)

- Lưới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35 kV)

- Lưới phân phối hạ áp (0,4/ 0,22kV) Điện áp 35kV có thể dung cho lưới

truyền tải và lưới phân phối Mỗi loại lưới có các tính chất vật lý và quy luật

hoạt động khác nhau, do đó các phương pháp tính được sư dụng khác nhau,

các bài toán đặt ra để nghiên cứu cũng khác nhau

1.1.2 Lưới điện

1.1.2.1 Lưới hệ thống

Lưới hệ thống bao gồm các đường dây tải điện và các trạm biến áp khu vực nối

liền các nhà máy điện tạo thành HTĐ có các đặc điểm:

- Lưới có nhiều mạch vòng kín để khi ngắt điện bảo quản đường dây hoặc sự

cố 1-2 đường dây vẫn đảm bảo liên lạc hệ thống

- Vận hành kín để đảm bảo liên lạc thường xuyên và chắc chắn giữa các nhà

máy điện với nhau và với phụ tải

- Điện áp từ 110 kV- 500kV

- Lưới được thực hiện chủ yếu bằng các đường dây chân không

- Phải bảo quản định kỳ hàng năm

Khi tính toán chế độ làm việc lưới hệ thống có thể vươn tới các trạm trung gian

1.1.2.2 Lưới truyền tải

Lưới truyền tải làm nhiệm vụ tải điện từ các trạm khu vực đến các trạm trung

gian (TTG)

Các đặc điểm của lưới truyền tải:

- Sơ đồ kín có dự phòng như: 2 lộ song song từ cùng 1 trạm khu vực, 2 lộ từ 2

trạm khu vực khác nhau hoặc 1 lộ nhưng có dự phòng ở lưới phân phối Vận

hành hở vì lý do hạn chế dòng ngắn mạch, có thiệt bị tự đóng nguồn dự trữ

khi sự cố xảy ra

- Điện áp 35, 110, 220 kV

- Thực hiện bằng các đường dây trên không là chính, trong các trường hợp

không thể làm đường dây trên không thì làm cáp ngầm

- Phải bảo quản định kỳ hàng năm

- Lưới 110 kV trở lên trung tính máy biến áp nối đất trực tiếp

1.1.2.3 Lưới phân phối

Lưới phân phối làm nhiệm vụ phân phối điên năng từ các trạm trung gian (hoặc

trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải Đặc điểm chung của

lưới phân phối:

+ Lưới phân phối gồm 2 phần:

o Lưới phân phối trung áp có điện áp 6,10,15,22 kV phân phối điện cho

các trạm phân phối trung áp/ hạ áp và các phụ tải trung áp

o Lưới hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220V

Các động cơ công suất lớn và lò điện dùng trực tiếp điện áp 6-10kV, còn phần

lớn bộ phận phụ tải dùng điện áp 0,4kV

+ Ngoài các sự cố gây mất điện trên lưới phân phối còn có yêu cầu cắt điện theo

kế hoạch để bảo quản, cải tạo và để đóng trạm mới…

+ Lưới phân phối có nhiệm vụ chính trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ phụ

tải (bao gồm chất lượng điện áp và đọ tin cậy cung cấp điện)

+ Lưới phân phối có cấu trúc kín nhưng vận hành hở Khi sự cố, phần lưới phân

phối sau máy cắt gần điểm sự cố nhất về phía nguồn bị cắt điện, sau khi cô lập

đoạn lưới sự cố, phần lưới tốt còn lại sẽ được đóng điện để tiếp tục vận hành

Chỉ có đoạn lưới sự cố bị mất điện cho đến khi sửa chữa xong Phụ tải đặc biệt

cần độ tin cậy cao được dự phòng riêng bằng đường dây trung áp hay hạ áp

+ Phụ tải của lưới phân phối có độ đồng thời thấp

1.1.3 Điện áp của lưới điện

Có 2 khái niệm về điện áp của lưới điện: Điện áp định mức và điện áp vận hành

Điện áp định mức: Là điện áp chuẩn mức để thiết kế lưới điện các thiệt bị phân

phối cũng như các thiết bị đường điện (đối với lưới phân phối trung áp và hạ áp)

Các cấp điên áp định mức như sau được dùng ở Việt Nam và trên thế giới được chia

thành các loại trung áp, cao áp, siêu cao áp và hạ áp:

- Trung áp: 6, 10, 15, 22, 35kV,

- Cao áp: 60, 90, 110, 220 kV,

- Siêu cao áp: 330, 400, 500, 750kV (220kV có thể xếp vào lưới siêu cao áp)

- Hạ áp: Lưới phân phối hạ áp cho đồng thời 2 loại điện áp: điện áp dây 380V

và điện áp pha 220V Một số nơi còn dùng cấp 220/110V

Cấp điện áp 380/220V là cấp điện áp chính để cấp điện năng cho các thiết bị

dùng điện, ngoài ra các thiết bị dùng điện công suất lớn dùng trực tiếp điên áp đến

10kV Cấp điện áp trung bình 6 – 35 kV dùng cho các trạm biến áp phân phối trung

áp/ hạ áp Cấp 35 kV và cấp điện áp cao và siêu cao dùng để tải điện đi xa

Có nhiều cấp điên áp khác nhau là vì ứng với mỗi công suất phụ tải và độ dài tải

điện khác nhau cần có cấp điện áp tương ứng cho hiệu quả kinh tế cao nhất: giá

thành đường dây, chi phí vận hành và tổn thất điện năng phụ thuộc vào điện áp và

dòng điện

Ta biết rằng giữa công suất tải điện S và điện áp U, dòng điện I có quan hệ:

S UI= kVA

Nếu công suất tải không đổi thì khi điện áp cao, dòng điện sẽ nhỏ và ngược lại

Nếu điện áp cao thì dòng điện nhỏ, sẽ được lợi về dây dẫn, nhưng xà, sứ cách

điện phải lớn Ngược lại nếu điện áp thấp được lợi về cách điện, cột xà nhỏ hơn

nhưng chi phí cho dây dẫn sẽ cao hơn Từ đó ta thấy có một cấp điện áp tối ưu cho

mỗi công suất tải S và độ dài tải điện L

Vấn đề chọn điện áp tải điện tối ưu thường gặp khi thiết kế cung cấp điện cho

phụ tải mới hay là cải tạo lưới điện cũ Để thuận tiện cho việc tính toán, ở hệ thống

điện các nước người ta lập sẵn các bảng tra, các đường cong hoặc công thức kinh

nghiệm diễn tả quan hệ giữa điên áp tối ưu và công suất và độ dài từ nguồn tới phụ

tải Ví dụ dưới đây là công thức kinh nghiệm của Liên Xô cũ:

L – chiều dài [km]; P – công suất [MW]

Điện áp vận hành: Là điện áp thực tế trên các điểm của lưới điện khi lưới điện làm

việc Do có tổn thất điện áp trên các phần tử của lưới điện nên không thể giữ điện

áp ở mọi nơi trên lưới điện bằng nhau Điện áp ở điểm đầu cao hơn điện áp ở điểm

cuối lưới điện Người ta cố gắng sao cho điện áp trung bình thanh cái bằng giá trị

định mức và độ lệch điện áp lớn nhất phải nằm trong giới hạn cho phép

Độ lệch điện áp so với định mức được tính như sau:

100%

dm dm

U U U

U

Trong đó: U là điện áp thực tế, còn U dm là điện áp định mức của thanh cái

Ở lưới điện hạ áp, cấp điện trực tiếp cho các thiết bị dùng điện cho nên độ lệch

điện áp phải nằm trong giới hạn của tiêu chuẩn chất lượng điện áp được quy định

bằng độ lệnh điện áp cho phép trên và dưới δU+,δU−

Ở lưới điện trung áp cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải cũng phải giữ độ lệch

điện áp trong phạm vi tiêu chuẩn chất lượng điện áp

Ở lưới điện trung, cao và siêu cao áp, độ tăng điện áp phải nhỏ hơn giới hạn trên

cho phép của các thiết bị phân phối, nếu không sẽ gây hạy cho cách điện và có thể

gây ra sự cố.Độ tăng cao điện áp cho phép trên các thiết bị phân phối như sau:

1.1.4 Khả năng tải của lưới điện

Khả năng tải của lưới điện là công suất lớn nhất là mà một đường dây của

lưới điện có thể tải được mà không gây ra các nguy hại cho bản thân đường dây

điện, hệ thống điện và phụ tải điện, gọi chung là khả năng tải kỹ thuật

Nguy hại cho bản thận lưới điện là phát nóng dẫn, MBA do dòng điện vượt

quá mứt chịu đựng cho phép (Icp) của dây dẫn và máy biến áp Khả năng này được

xét đến cho mọi loại lưới điện

Bảng 1.1 Khả năng tải của đường dây trung áp theo điều kiện phát nóng và ∆U cp

Công suất tải max [MVA]

Độ dài lớn nhất [km]

5,45 3,9

5,55 1,35

7,6 2,25

10 Cáp F = 240 mm2

Trên không A-120 mm2

6,15 6,5

8 6,5

8,35 2,25

13,9 3,75

26,2 7,5

Chú thích: F- tiết diện dây cáp; A- dây dẫn nhôm

CĐBT: chế độ làm việc bình thường

Công suất tải max Smax tính theo điều kiện pháp nóng cho phép

Độ dài lớn nhất tính theo Smax và ∆U cp =6%, os c ϕ=0,9 , 1 phụ tải thì đặt ở cuối, còn

5 phụ tải phân bố đều dọc đường dây

Nguy hại cho hệ thống điện là gây ra mất ổn định tĩnh và ổn định của phụ tải, khả

năng này có nguy cơ cao ở đường dây liên lạc hệ thống, ở các nút tải tải xa thiếu

công suất phản kháng Bảng 1.1 cho biết khả năng tải của đường dây đơn trung áp

Nguy hại cho phụ tải là chất lượng điện áp không đảm bảo, khả năng này cần xét

chủ yếu ở lưới truyền tải và lưới phân phối và ở mỗi cấp điện áp được xét một cách

khác nhau Khả năng của đường dây 110kV trở lên tính theo công suất tự nhiên cho

trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Khả năng tải tính theo công suất tự nhiên

Công suất tự nhiên (MW) Đường dây trên không với số sợi trong 1 pha

Đối với lưới trung áp có trung tính không tiếp đất, độ dài tổng của các đường dây

thuộc một trạm trung gian bị hạn chế bởi điều kiện hạn chế dòng điện chạm đất Io

do điện dung của đường dây gây ra Với lưới 6kV Io phải nhỏ hơn 30A, lưới 10kV

nhỏ hơn 20A, lưới 22kV nhỏ hơn 15A, lưới 35kV nhỏ hơn 10A

Đối với lưới cáp và trên không độ dài giới hạn của đường dây cho trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Độ dài giới hạn đường dây trên không và cáp

Điện áp , kV Tiết diện dây

-

200 km

2,7 km 2,4 – 2,2 – 2,0 – 1,9 –

-

85 km

Từ bảng trên ta thấy lưới cáp 22kV và 35kV phải nối đât trung tính vì độ dài cần

thiết lớn hơn nhiều độ dài giới hạn trong bảng

1.1.5 Tiêu chuẩn đánh giá lưới điện

Lưới điện được đánh giá theo 4 tiêu chuẩn chính:

1 An toàn điện

2 Chất lượng điện năng

3 Độ tin cậy cung cấp điện

4 Hiệu quả kinh tế

Ba tiêu chuẩn đầu là để phụ vụ khách hang, trong đó an toàn điện bao gồm an toàn điện chung, nguy cơ cháy nổ, hành lang an toàn Ngoài ra còn có tiêu chuẩn

mỹ quan Ngành điện phải thỏa mãn các tiêu chuẩn trên cho khách hàng và xã hội Tiêu chuẩn 4 thuộc về ngành điện Hiệu quả kinh tế bao gồm:

- Tránh được nguy cơ làm hại thiết bị ( do quá tải, quá hạn)

- Chi phí vận hành ít nhất gồm chi phí do sản xuất điện năng và chi phí vận hành Trong chi phí vận hành có chi phí lao động, chi phí do sự cố và chi phí khắc phục sự cố…

- Thất thu ít nhất( do mất trôm điện năng…)

Đối với HTĐ thì có thêm tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, chi phí bảo quản – vận hành Các tiêu chuẩn trên được quán xuyến theo quy hoạch, thiết kế cũng như vận hành

1.2 Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam

1.2.1 Tình hình phát triển của Hệ thống điện Việt Nam

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển kinh tế với tốc độ cao, nhu cầu tiêu thụ điện của nước ta tăng trưởng không ngừng, đặc biệt trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, từng bước hội nhập nền kinh tế khu vực và thế giới Để đảm bảo cung cấp điện an toàn và ổn định, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh

tế xã hội của cả nước, hệ thống điện Việt Nam đã có những bước phát triển mạnh

mẽ Trong giai đoạn 1995-2004, sản xuất điện năng năm 2004 tăng gấp 3,16 lần năm 1995 với tốc độ tăng trưởng bình quân giai đoạn 1995-2004 là 13,6%/năm Cũng giai đoạn 1995-2004, điện năng thương phẩm tăng gấp 3,5 lần Tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm đạt bình quân đạt 15,1% Năm 2004, nhu cầu phụ tải tăng trưởng ở mức cao, công suất cực đại của toàn hệ thống lên đến 8.376 MW Sản lượng điện thương phẩm năm 2004 đạt 39,7 tỷ kWh, đạt 101,03% so với kế hoạch, tăng 13,3% so với năm 2003

Căn cứ Tổng sơ đồ phát triển điện lực Việt Nam giai đoạn 2001-2010 có xét tới 2020 (Tổng sơ đồ V hiệu chỉnh) đã được Chính phủ phê duyệt, dự kiến sẽ đưa vào vận hành một loạt các nhà máy điện lớn trong cả nước như: TĐ Sơn La, Huội

Quảng, Bản Chát, Đồng Nai 3,4, NĐ Quảng Ninh, Mông Dương, cụm NĐ Phú Mỹ,

Ô Môn Hệ thống điện 500kV có những bước tăng trưởng nhảy vọt, dần trở thành trục xương sống của lưới truyền tải, nối liền các trung tâm phụ tải với các trung tâm phát điện Thêm vào đó để đảm bảo độ tin cậy cấp điện đồng thời khai thác hiệu quả các nhà máy điện, HTĐ Việt Nam đang và đã liên kết, trao đổi điện với các nước trong khu vực

Từ giữa năm 1994, với việc đưa vào vận hành đường dây siêu cao áp (ĐDSCA) 500 kV Bắc - Trung - Nam có chiều dài gần 1500 km, HTĐ Việt Nam trở thành HTĐ hợp nhất với đầy đủ các đặc trưng của hệ thống lớn Một mặt, HTĐ hợp nhất cho phép khai thác tối đa các ưu điểm vận hành kinh tế (phối hợp các nguồn thuỷ - nhiệt điện, tối ưu hoá công suất nguồn ), mặt khác, cho phép nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Việc hợp nhất hệ thống còn là tiền đề thuận lợi cho việc phát triển các loại nguồn điện công suất lớn và việc đấu nối vào hệ thống Tuy nhiên hệ thống điện hiện nay có kết cấu phức tạp, nhiều cấp điện áp truyền tải, chất lượng điện năng chưa đảm bảo, chưa thực sự đáp ứng nhu cầu sử dụng, thường xuyên xảy ra mất điện nhất là vào các tháng cao điểm mùa khô

1.2.2 Hiện trạng hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn gần đây

1.2.2.1 Nguồn điện

Với việc đưa vào các nhà máy điện mới vào vận hành, tính đến cuối năm

2008, tổng công suất đặt các nhà máy điện (NMĐ) của nước ta là 15826 MW, công suất khả dụng 15250 MW, trong đó thủy điện 34,9 %, nhiệt điện than 9,9

%, tua bin khí (TBK) 19,2 %, các nhà máy điện ngoài EVN chiếm 29,9 %, còn lại diesel, thủy điện nhỏ và NĐ dầu và nhập khẩu chiếm 6,1 %

Tính đến năm 2008 các nhà máy điện gồm:

Bảng 1.4 Các nhà máy điện tính đến năm 2008 (nguồn EVN)

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

(MW)

Công suất khả dụng (MW)

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

(MW)

Công suất khả dụng (MW)

Thủ Đức 165 153 Cần Thơ 35 33

5 Diesel và Thuỷ điện

TT Tên nhà máy điện Công suất lắp đặt

- Hệ thống 500 kV: Hệ thống điện 500 kV bắt đầu vận hành từ năm 1994, đó

là đường dây 500 kV Bắc – Nam dài gần 1500 km với hai trạm 500 kV là Hòa Bình

và Phú Lâm công suất mỗi trạm là 900 MVA Tổng công suất các trạm biến áp 500

kV là 2700 MVA Trong năm 1999, hệ thống 500 kV bổ sung thêm 19,8 km đường

dây mạch kép Yaly – Playcu, cuối năm 2002, đã đóng điện và đưa vào vận hành

trạm biến áp 500 kV Hà Tĩnh với công suất 450 MVA, nâng tổng số công suất các

trạm 500 kV trên tuyến Bắc Nam lên 3150 MVA Vào năm 2005 đường dây 500 kV

Bắc – Nam mạch hai được đưa vào vận hành

- Hệ thống 220 kV: Trong giai đoạn từ năm 2001 đến 2004, các trạm 220 kV

được đóng điện đưa vào vận hành đó là Sóc Sơn, Việt Trì, Tràng Bạch, Vật Cách,

Hoành Bồ, Huế, Bình Hòa, Bạc Liêu, các đường dây 220 kV Việt Trì – Vĩnh Lạc,

Tràng Bạch – Vật Cách – Đồng Hòa, Ninh Bình – Thanh Hóa mạch 2, Đà Nẵng –

Hòa Khánh – Huế, các nhánh rẽ từ Phú Mỹ đấu nối vào Bà Rịa – Long Bình, Cai

Lậy – Rạch Giá mạch 2, Đa My – Hàm Thuận – Bảo Lộc, Rạch Giá – Bạc Liêu

1.2.3 Hệ thống điện Việt Nam trong giai đoạn 2010 đến 2015

Xuất phát từ tốc độ tăng trưởng nhu cầu tiêu thụ điện năng 13%/năm trong

giai đoạn từ 2001 đến năm 2005 và 11% /năm theo dự báo trong Tổng sơ đồ phát

triển điện lực giai đoạn VI từ năm 2006 đến 2015 và căn cứ vào tốc độ thực tế về tăng trưởng tiêu thụ điện năng kết hợp với việc xem xét kế hoạch phát triển kinh tế

xã hội và kế hoạch phát triển các khu công nghiệp của các địa phương trong cả nước dẫn đến chương trình phát triển nguồn điện và lưới điện được tính toán và chuẩn xác lại cho phù hợp với dự báo nhu cầu điện năng, qua đó các dự án về nguồn điện và lưới điện được xây dựng lắp đặt như sau:

Hệ thống 500 kV: trong giai đoạn 2004 – 2006 đã đưa vào vận hành mạch

500 kV hai từ Phú Lâm ra Nho Quan trong đó đoạn Phú Lâm – Playcu đưa vào vận hành cuối 2005, Playcu – Đà Nẵng vào cuối năm 2004 và Đà Nẵng – Nho Quan vào cuối năm 2006

Đến năm 2010, hệ thống điện 500 kV sẽ phát triển để đấu nối các nhà máy điện lớn như Quảng Ninh (đường dây Quảng Ninh – Thường Tín và trạm 500 kV Quảng Ninh) và Ô Môn (tăng cường mạch hai 500 kV Ô Môn – Phú Lâm dài 180 km) Trong giai đoạn này hầu hết các trạm 500 kV sẽ được tăng công suất 2 máy biến áp để đảm bảo cung cấp đầy đủ công suất và vận hành an toàn trong các trường hợp bình thường cũng như sự cố

- Hệ thống 220 kV: Nhằm để đồng bộ với hệ thống nguồn điện, tăng cường

độ tin cậy cung cấp điện và đáp ứng được nhu cầu phụ tải giai đoạn đến năm 2010

hệ thống lưới truyền tải điện 220 kV tương đối phủ kín các khu vực kinh tế trọng điểm như kinh tế Hà Nội – Hải Hưng – Hải Phòng – Quảng Ninh với việc tăng cường các mạch kép 220 kV như Hòa Bình – Hà Đông, Phả Lại – Sơn La, Phả Lại – Sóc Sơn … khu Nam, Bắc Hà Nội với các đường dây mạch kép Nam Định – Thái Bình – Hải Phòng, Việt Trì – Yên Bái …

Khu vực miền trung với việc tăng cường đường dây 220 kV Huế - Đồng Hới, các đường dây 220 kV đấu nối cụm thủy điện trên song Srepok như Buôn Kướp – Krong Buk, Buôn Kướp – Ban tau srah, Buôn Kướp – Srêpok 3

Khu vực miền Nam là khu vực có nền kinh tế cao nhất cả nước cũng tiến hành lắp đặt các đường dây Hóc Môn – Hỏa Xa, Long Bình – Thủ Đức, Trà Nóc – Sóc Trăng, Phú Mỹ - Cát Lái, Rạch Giá – Bạc Liêu … Cùng với việc xây dựng các

mạch đường dây mới các trạm biến áp 220 kV nhằm giảm quá tải cũng được xây dựng trong giai đoạn này

1.2.4 Tình trạng vận hành lưới điện

1.2.4.1 Tình trạng vận hành lưới điện

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và những yêu cầu

và những yêu cầu vê năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng cho sự phát triển kinh tế thì hệ thống điện Việt Nam cũng không ngừng cải tạo hoàn thiện hơn Song song việc xây dựng, các vấn đề nâng cao chất lượng điện năng cũng được quan tâm, nhằm nâng cao hiệu quả cung cấp điện

Thật vậy, trong những năm gần đây, sự biến đổi thất thường của khí hậu, vào mùa khô ở miền bắc thường xẩy ra thiếu điện cho sản xuất và sinh hoạt Nguyên nhân chủ yếu là do nhu cầu điện tăng cao trong khi lượng nước về các hồ thủy điện giảm thấp, trong khi đó các thủy điện lớn ở miền bắc như Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang phải xả nước để phục vụ thủy lợi cung cấp nước phục vụ sản xuất vụ Đông Xuân càng làm cho mực nước các hồ xuống thấp Một số nhà máy điện mới đưa vào vận hành còn trong giai đoạn chạy thử, vận hành chưa ổn định như nhiệt điện Cà Mau I, nhiệt điện Uông Bí mở rộng, Nhiệt điện Phú Mỹ… sản lượng điện phát ra chưa đạt như mức dự kiến, vì vậy việc thiếu điện vào các giờ cao điểm thường xuyên diễn ra Hoặc điện được cấp nhưng chất lượng điện năng cũng không đảm bảo

Trong mùa khô thường phải tăng cường truyền tải điện từ miền nam, miền trung ra miền bắc qua đường dây 500 kV Khả năng huy động nguồn công suất càng cao thì xuất hiện hiện tượng sụp đổ điện áp càng lớn Do đó nhu cầu nâng cao chất lượng điện áp, đảm bảo một nguồn năng lượng điện ổn định là cần thiết cho sinh hoạt và sản xuất

1.2.4.2 Yêu cầu nâng cao chất lượng điện năng

Như đã nêu ở trên ta thấy rằng hệ thống điện Việt Nam là một hệ thống điện lớn Với một quy mô phát triển như vậy đã nẩy ra một số vấn đề phức tạp phải giải quyết mà ở các hệ thống nhỏ không có như:

- Yêu cầu về độ ổn định, chất lượng điện áp và tần số vì phạm vi ảnh hưởng

là rất lớn

- Yêu cầu về khả năng điều khiển dòng công suất trao đổi giữa các khu vực

- Vấn đề ổn định điện áp trên đường dây siêu cao áp (ĐDSCA), đặc biệt là trên các đường dây dài, cùng với nó là vấn đề bù công suất phản kháng (CSPK) trên đường dây

Trong chế độ vận hành của các ĐDSCA, việc bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang có vai trò rất quan trọng trong các giải pháp nhằm nâng cao tính ổn định cho hệ thống

Với việc áp dụng các thành tựu đã đạt được của công nghệ bán dẫn vào lĩnh vực truyền tải điện, các linh kiện điện tử công suất lớn, điện áp cao như Thyristor, việc áp dụng các bộ tụ bù SVC nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống, ổn định các giá trị điện áp có ý nghĩa vô cùng quan trọng

1.3 Điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện

1.3.1 Hoạt động của hệ thống điện

Chế độ làm việc và cân bằng công suất của HTĐ

Khi HTĐ hoạt động, điện năng được sản xuất ra trong các nhà máy điện truyền lên lưới hệ thống, từ lưới này điện năng đi qua lưới truyền tải (hay là lưới cung cấp) đến lưới phân phối Lưới phân phối cấp điện trực tiếp cho một bộ phận thiết bị dùng điện đồng thời cấp điện cho lưới hạ áp thông qua các trạm phân phối, lưới hạ áp cấp điện trực tiếp cho các thiết bị dùng điện

Khi HTĐ hoạt động, tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ (hoặc trong một phần của HTĐ)và xác định trạng thái của nó trong một thời điểm hoặc trong 1

khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ của hệ thống điện

Chế độ của HTĐ đặc trưng bới các thông số chế độ, đó là: công suất tác dụng

P, công suất phản kháng Q, điện áp U, góc pha của điện áp θ, dòng điện I tại mọi điểm của HTĐ Các thông số này biến thiên liên tục trong thời gian do nhu cầu điện

năng của phụ tải luôn biến dổi theo quy luật của sản xuất và đời sống và do các sự kiện bất thường khác (gọi chung là sự cố) như: Ngắn mạch, hỏng hóc ngẫu nhiên các tổ máy phát hoặc đường dây điện…

Chế độ xác lập là chế độ làm việc bình thường của HTĐ, trong đó các thông

số chế độ được coi là không đổi Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế

độ biến đổi nhanh, mạnh Chế độ quá độ bình thường là chế độ xảy ra khi yêu cầu công suất của phụ tải biến đổi mạnh, còn chế độ quá độ sự cố là chế độ xảy ra khi

khi xảy ra sự cố trong HTĐ… HTĐ phải đáp ứng các chế độ này bằng hệ thống điều khiển và rơle – tự động hóa

Điện năng có đặc điểm là không thể dự trữ được Phụ tải yêu càu đến đâu thì HTĐ đáp ứng đến đó, do đó công suất phát của các nhà máy điện phải luôn thay đổi theo sự thay đổi nhu câu công suất tác dụng P và điện áp của các nhà máy điện phải luôn thay đổi để đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng Q của phụ tải

Công suất tác dụng và công suất phản kháng của nguồn điện phải luân cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải trong mọi thời điểm vận hành

Nếu công suất tác dụng của nguồn điện nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần

số sẽ giảm và ngược lại Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng Khi tần số

nằm trong phạm vi cho phép quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng thì có

nghĩa là đủ công suất tác dụng Nếu tần số cao hơn thi công suất nguồn thừa so với

phụ tải, ngược lại nếu tần số thấp hơn thì công suất nguồn thiếu so với phụ tải Cân bằng công suất tác dụng có tính chất hệ thống, tần số ở mọi nơi trên HTĐ luôn như nhau Để có thể đáp ứng tức thời mọi biến đổi của nhu cầu, công suất nguồn phải có

dự trữ một lượng công suất nhất định, trong đó phần lớn là dự trữ nóng (dưới dạng

các máy phát chạy non tải), một phần có thể là dự trữ lạnh, tổ máy ở trạng thái nghỉ, khi sự cố xảy ra mới khởi động, tổ máy dự trữ lạnh phải có thời gian khởi động và

nhận tải nhanh, lượng công suất dự trữ này được điều khiển nhờ hệ thồng điều chỉnh tần số Như vậy công suất đặt của nguồn điện phải lớn hơn yêu cầu phụ tải một lượng công suất dự trữ sự cố P dtsc

Ngoài công suất sự trữ sự có còn có thể phải đặt thêm công suất dự trữ bảo quản P dtbq để có thể bảo quản các tổ máy mà không ảnh hưởng đến phụ tải

Công suất dự trữ sự cố được xác định ở thời điểm phụ tải cực đại năm, ở chế

độ này cân bằng công suất được xác định như sau:

- là tổng công suất định mức của nguồn điện, nếu nhà máy điện dã cũ thì dùng công suất khả phát

- : tổng công suất tự dùng của nhà máy điện Khi tính toán sơ bộ lấy theo

số liệu như sau: Nhiệt điện 5-10% (

Khác với công suất tác dụng, cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống vừa có tính chất địa phương Có nghĩa là chỗ này của HTĐ có thể đủ

công suất phản kháng nhưng chỗ khác lại thiếu

Công suất phản kháng được đáp ứng một phần bởi các nhà máy điên, đây là phần quan trọng có khả năng biến đổi nhanh đáp ứng được sự biến đổi của yêu cầu Phần còn lại được cấp nhờ các tụ bù, kháng điện được…đặt một cách hợp lý trong

HTĐ HTĐ cần một lượng công suất phản kháng dự trữ chung để điều chỉnh mức

điện áp hệ thống khi nhu cầu biến đổi hoặc sự cố nhà máy điện

Công suất bù Qb xác định từ điều kiện cân bằng công suất phản kháng trong chế độ max năm của HTĐ:

(1.5)

Q =∑Q +∑∆ +Q ∑∆ +Q ∑Q +Q −∑Q −Q F

Trong đó:

- ∑Q pt =∑P tg pti. ϕpti là công suất yêu cầu của phụ tải

- ∑Q F =∑P tg dmi. ϕdmilà công suất nguồn điện phát được trong chế độ định mức

- ∑Q td =∑P tg tdi. ϕtdilà công suất phản kháng tự dùng

- ∑∆Q llà tổn thất công suất trong lưới điện

- ∑∆Q B là tổn thất công suất phản kháng trong các máy biến áp = 20%∑S pt

- ∑Q Clà công suất phản kháng do đường dây sinh ra

- Q dt là công suất phản kháng sự trữ (7-8)% (∑Q pt +∑∆Q B +∑Q t )

Chú ý là dự trữ công suất tác dụng và công suất phản kháng không bằng nhau về tỉ lệ phần trăm.Tính toán công suất bù và bố trí chúng trong HTĐ là bài toán rất phức tạp

Trong các bài tập thiết kế hệ thống đơn giản thì có thể áp dụng trực tiếp công thức trên, với giả thiết ban đầu là ∑∆ =Q t ∑Q C

Nếu ∑Q F tính theo công thức: ∑Q F =∑P tg pt ϕpt thì không có thành phần nữa vì nó đã bao hàm trong dự trữ công suất tác dụng rồi Cần bằng công suất phản kháng được điểu chỉnh nhờ hệ thống điều chỉnh điện áp

dt

Q

Cân bằng công suất là điều kiện cần của chế độ xác lập, để có thể tồn tại chế

độ xác lập còn phải có điều kiện đủ, đó là điều kiện ổn định tĩnh Trong vận hành

HTĐ luôn bị các kích động nhỏ, đó là sự biến đổi nhỏ cân bằng công suất tác dụng Các kích động này tác động lên cân bằng công suất cơ - điện ở trục tuabin của các

tổ máy phát, làm cho tốc độ quay cơ học của tuabin biến đổi Nếu sau khi bị kích động này, máy phát có khả năng khôi phục lại chế độ ban đầu thì máy phát có khả năng ổn định tĩnh Khả năng ổn định tĩnh của HTĐ phụ thuộc vào cấu trúc của nó

và vào chế độ làm việc HTĐ phải có độ dự trữ ổn định tĩnh nhất định, nghĩa là công suất tải thực max trên một đường dây phải nhỏ hơn công suất cực đại mà một đường dây có thể tải được theo điều kiện ổn định tĩnh một khoảng cách ít nhất bằng

độ dự trữ ổn định tĩnh

Khi làm việc bình thường, tốc độ quay điện của các máy phát điện bằng nhau

và bằng tốc độ đồng bộ, (là tốc độ điện = 2 .50π ), và chúng có gia tốc như nhau (cùng tăng hoặc cùng giảm khi có biến đổi cân bằng công suất) ta nói chúng quay đồng bộ với nhau Khi 1 tổ máy bị mất ổn định tĩnh, tốc độ của nó lệch khỏi tốc độ đồng bộ và có gia tốc ngược với các tổ máy còn lại, nó rơi vào chế độ phi đồng bộ Trong chế độ này xảy ra biến động lớn đối với công suất tác dụng và điện áp dẫn đến các thiết bị bảo vệ tác động làm tan rã hệ thống điện, tất cả các tổ máy của HTĐ (hoặc một phần HTĐ) ngừng hoạt động gây ra tổn thất rất lớn về mọi mặt Do đó, đảm bảo ổn định tĩnh là rất quan trọng

Khi trong HTĐ xảy ra ngắn mạch trên các đường dây của lưới hệ thống , cân bằng công suất biến đổi rất lớn và đột ngột (gọi là các kích động lớn) Nếu HTĐ khi

bị kích động lớn mà vẫn hồi phục được chế độ ban đầu thì ta nói HTĐ có khả năng

ổn định động; ổn định động được bảo đảm nhờ cấu trúc hợp lý của nó và nhờ có các

thiết bị rơle – bảo vệ tác động nhanh và các thiết bị tự động chống sự cố khác, ổn định động là điều kiện làm việc lâu dài của HTĐ

1.3.2 Ảnh hưởng của điện áp đến hoạt động của HTĐ

Điện áp trong HTĐ luôn biến động trong thời gian do:

- Sự biến đổi không ngừng của phụ tải trước hết là công suất phản kháng, đây

là sự biến đổi tự nhiên và chậm

- Sự biến đổi nhanh do:

+ Sự dao động thường xuyên hoặc ngẫu nhiên của phụ tải

+ Sự cố trong HTĐ gây ra quá trình quá độ điện từ và có thể làm cho 1 hoặc một số phần tử ngừng hoạt động đột ngột

+ Sự thay đổi cấu trúc lưới

+ Hoạt động của các bảo vệ và tự động,

+ Khởi động hoặc ngừng các tổ máy

Sự biến đổi điện áp dẫn đến hậu quả chất lượng điện năng ở các thiết bị dùng điện không đạt yêu cầu Ảnh hưởng đến công tác của HTĐ:

- điện áp tăng quá cao gây nguy hiểm cho thiết bị HTĐ, ví dụ điện áp trên đường dây dài trong chế độ không tải điện áp tăng rất cao gây nguy hiểm cho thiết bị và quá tải máy phát điện;

- Điện áp thấp làm giảm ổn định tĩnh của hệ thống tải điện, giảm khả năng ổn định động và ổn định tổng quát, nếu quá thấp có thể gây mất ổn định phụ tải Mức điện áp trong HTĐ ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và tổn thất điện năng trong HTĐ nhất là trên lưới cao và siêu cao áp

Vì thế cần phải thực hiện điều chỉnh điện áp liên tục trong quá trình vân hành HTĐ Nhiệm vụ của điều chỉnh điện áp:

- Đảm bảo chất lượng điện năng cho thiết bị dùng điện

- Đảm bảo hoạt động của hệ thống trong chế độ bình thường cũng như chế độ sự

cố Nếu điện áp cao quá giới hạn cho phép sẽ làm thiết bị hỏng hoặc già hóa nhanh chóng Nếu thấp quá sẽ gây ra quá tải đường dây và MBA, ảnh hưởng đến

ổn định của nhà máy điện và phụ tải

- Đạt hiệu quả kinh tế, giảm ∆P và ∆A

1.3.3 Quan hệ công suất phản kháng – điện áp

Nhu cầu công suất phản kháng thay đổi gây ra sự biến đổi điện áp Ta biết tổn thất điện áp được tính theo cộng thức sau:

Trong lưới điện cao thế và nhất là trung - hạ thế, R khá lớn có thể so sánh với

X, trong lưới điện cáp còn lớn hơn X nhiều, do đó dòng công suất tác dụng cũng ảnh hưởng đến điện áp Nhưng không thể dùng cách điều chỉnh dòng công suất tác dụng để điều chỉnh điện áp được, vì công suất tác dụng là yêu cầu của phụ tải để sinh ra năng lượng, chỉ có thể đưa đến từ các nhà máy điện Còn công suất phản kháng không sinh công, nó chỉ là dòng công suất gây ra từ trường dao động trên lưới điện, rất cần thiết nhưng có thể cấp tại chỗ cho phụ tải Do đó trong các lưới này phải điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng

Điều chỉnh điện áp và điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng do đó là đồng nhất với nhau Khi điện áp tại một điểm nào đó của HTĐ nằm trong phạm vi cho phép thì có nghĩa là công suất phản kháng của nguồn đáp ứng đủ yêu cầu của phụ tải tại điểm đó Nếu điện áp cao là thừa công suất phản kháng, còn nếu điện áp thấp thì là thiếu công suất phản kháng

Công suất phản kháng thường thiếu trong chế độ max cần phải có thêm nguồn, còn trong chế độ phụ tải min lại có nguy cơ thừa do điện dung của đường dây và cáp gây ra, cần phải có thiết bị tiêu thụ

Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống vừa có tính chất địa phương, điện áp ở các điểm khác nhau có thể rất khác nhau Do đó điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng phải thực hiện trên cả hệ thống lẫn ở cấp địa phương Ở cấp hệ thống điều chỉnh mức điện áp trung bình của hệ thống, còn điều chỉnh địa phương nhằm đạt được yêu cầu điện áp cụ thể của địa phương

Phương thức điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh điện áp hay cân bằng công suất phản kháng thực hiện theo hai cách: 1- Điều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn công suất phản kháng (nhà máy điện, máy bù đồng bộ, các bộ tụ bù và kháng điện có điều khiển…), tăng hoặc giảm theo yêu cầu, đối với nhà máy điện và máy bù đồng bộ, công suất phản kháng được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh dòng kích từ, đối với

tụ bù và kháng điện bằng cách thay đổi điện dung của tụ và điện kháng của kháng điện

2- Điều chỉnh dòng công suất phản kháng hay là phân bố lại công suất phản kháng trên lưới theo yêu cầu bắng cách điều chỉnh đầu phân áp ở các MBA, thiết bị bù dọc

Điều chỉnh cân bằng công suất phản kháng được thực hiện một phần tự động, phần còn lại điều khiển bằng tay từ xa hoặc tại chỗ

1.3.4 Quan hệ giữa cân bằng công suất phản kháng và ổn định của HTĐ

Công suất cực đại của hệ thống tải điện đi xa gồm máy phát điện và đường đây dài siêu cao áp có quan hệ sau: