Nghiên cứu bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện trong mạng phân phối

Nghiên cứu bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng điện trong mạng phân phối

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học nông nghiệp I

LỜI CAM ðOAN

- Tôi xin cam ñoan rằng, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là

trung th ực và chưa hề ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam ñoan rằng, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã ñược cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn

g ốc

Tác giả

ðoàn Văn ðiện

LỜI CẢM ƠN

Qua m ột thời gian thực hiện, ñến nay ñề tài: "Nghiên cứu bù công suất

phản kháng nâng cao chất lượng ñiện trong mạng phân phối" ñã ñược hoàn

thành Trong th ời gian thực hiện, tôi ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ quý báu

c ủa các cá nhân, tập thể trong và ngoài trường

Tôi xin bày t ỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ts Trần Quang Khánh về sự quan

tâm, giúp ñỡ tôi rất tận tình trong phương pháp và các nội dung nghiên cứu

Tôi xin chân thành c ảm ơn tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Cung cấp và Sử

d ụng ñiện Khoa Cơ ðiện - Trường ðại học Nông nghiệp I - Hà Nội, tập thể cán bộ

Khoa ðiện-ðiện tử, Trường ðại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, công tác, nghiên cứu và hoàn

thành lu ận văn

Cu ối cùng tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn ñến gia ñình, ñã ñộng viên và

giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành nội dung luận

v ăn

Chương 1 VAI TRÒ, ðẶC ðIỂM CHUNG CỦA LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI

Chương 2 MỤC TIÊU VÀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG CHO PHỤ TẢI - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 12

Chương 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG QUA LẠI GIỮA THIẾT BỊ BÙ VÀ

Chương 4 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ FACTS TỰ ðỘNG ðIỀU CHỈNH

Chương 5 TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG BẰNG

6.1 Phân tích kinh tế tài chính và ñánh giá hiệu quả kinh tế bù CSPK 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng khi ñóng dãy tụ mắc

nối tiếp

22

Bảng 3.5 Dạng dòng ñiện của một số tải phi tuyến và hệ số méo của

chúng

27

Bảng 6.1 Kết quả phân tích kinh tế tài chính bù CSPK lộ 471-Văn Lâm

Hưng Yên

93

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 3.6a Sóng hài bậc cao của bộ ñiều chỉnh 1 chiều với tải công suất lớn 26 Hình 3.6b Sóng hài bậc cao của bộ ñiều chỉnh 1 chiều với tải công suất nhỏ 26

Hình 3.8c đáp ứng tần số 31

Hình 3.12 Sơ ựồ nguyên lý máy cắt có bộ phận ựiện trở cài trước 41

Hình 4.8a đặc tắnh ựiều chỉnh dòng ựiện TCR theo góc ựiều khiển 57

Hình 4.9 Nguyên lý cấu tạo và hoạt ựộng của tụ ựóng mở bằng Thyristor 59

Hình 4.19a Sơ ñồ mạng ñiện mô phỏng 68

Hình 5.2 Sơ ñồ khối thuật toán tính chế ñộ xác lập lưới phân phối 78

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

IGBT Transistor trường cực cổng cách ly - Insulated Gate Bipolar

Transitor

STATCOM Thiết bị bù ngang ñiều khiển bằng Thyristor - Static Synchronous

Compensator SVC Thiết bị bù ngang ñiều khiển bằng Thyristor - Static VAR

Compensator TCR Kháng ñiện ñiều khiển bằng Thyristor – Thyristor Controlled

Reactor TSR Kháng ñiện ñóng cắt bằng Thyristor - Thyristor Switched Reactor TSC Tụ ñiện ñóng mở bằng Thyristor - Thyristor Switched Capactor TCSC Thiết bị bù dọc ñiều khiển bằng Thyristor - Thyristor Controlled

Series Compensator

MỞ ðẦU

ðặc ñiểm của ñiện năng là các ñặc tính của nó phụ thuộc ñồng thời vào việc sản xuất, truyền tải, phân phối, các nhà chế tạo thiết bị và người vận hành sử dụng Chất lượng ñiện là một chủ ñề có ý nghĩa chiến lược ñối với toàn ngành ñiện, từ các nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dưỡng, quản lý tới các nhà sản xuất và chế tạo thiết bị… Do tính chất cạnh tranh của nền kinh tế ñòi hỏi chất lượng ñiện phải ñược thường xuyên ñảm bảo tốt Hơn nữa việc sử dụng ngày càng rộng rãi các phụ tải nhạy cảm với chất lượng ñiện như máy tính, thiết bị ño lường ñiều khiển, hệ thống thông tin liên lạc ñòi hỏi phải ñược cung cấp ñiện với chất lượng cao Việc suy giảm chất lượng ñiện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị giảm ảnh hưởng trực tiếp ñến kinh tế, tài chính không những của những hộ dùng ñiện mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới các Công ty sản xuất, quản lý và truyền tải ñiện năng

Phụ tải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, … của lưới phân phối thường

có hệ số công suất thấp Vì vậy, ngoài công suất tác dụng lưới ñiện còn phải truyền tải một lượng khá lớn công suất phản kháng Việc truyền tải này làm tăng tổn thất ñiện năng trên các phần tử của chúng như máy biến áp, ñộng cơ không ñồng bộ, ñường dây, … ðiều ñó làm xấu các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lưới ñiện và làm xấu chất lượng ñiện áp ở các hộ tiêu thụ ñiện Vì thế bài toán giảm lượng công suất phản kháng truyền tải trong lưới ñiện nói chung và lưới ñiện các Công ty, Xí nghiệp nói riêng luôn luôn ñược quan tâm khi thiết kế và vận hành Một trong những biện pháp giảm công suất phản kháng truyền tải trên lưới ñiện nâng cao chất lượng ñiện năng là bù công suất phản kháng Tuy nhiên, việc tính toán dung lượng

bù, vị trí lắp ñặt, phương pháp ñiều khiển dung lượng bù như thế nào ñể cân bằng tải, cản dịu dao ñộng công suất, duy trì ñiện áp ñịnh mức và ñem lại hiệu quả kinh

tế cao nhất là những bài toán chưa có lời giải chính xác

Trong khi ñó vấn ñề bù công suất phản kháng trong mạng ñiện phân phối ở các ñịa phương trong cả nước hiện nay chưa ñược quan tâm một cách ñúng mức.Việc lắp ñặt thiết bị bù thường chỉ là giải pháp tình thế, không có sự tính toán

hợp lý Trạng thái làm việc trong quá trình ñóng cắt – quá trình thường dẫn tới phá hỏng tụ do các xung quá ñiện áp và dòng ñiện ðặc biệt hầu hết các thiết bị bù không có cơ cấu tự ñộng ñiều chỉnh nên làm giảm hiệu quả bù, thậm chí có thể gây thiệt hại do quá bù

Mục ñích nghiên cứu của luận văn:

Trong phạm vi của luận văn này tác giả trình bày nghiên cứu tương tác của thiết bị bù ñối với các phần tử trong mạng ñiện, mô phỏng các quá trình quá ñộ khi ñóng cắt tụ bù, nghiên cứu vấn ñề bù công suất phản kháng nâng cao chất lượng ñiện bằng phương pháp bù ứng ñộng, các phương pháp tính toán bù công suất phản kháng, thuật toán và chương trình giải bài toán bù công suất phản kháng bằng máy tính ñiện tử áp dụng cho lưới phân phối nói chung

ðối tượng phạm vi nghiên cứu:

ðối tượng nghiên cứu chung của ñề tài là các lưới ñiện phân phối thuộc phạm vi xây dựng, quản lý của các ñịa phương, có phương thức quản lý, vận hành ñộc lập Trong ñiều kiện thời gian hạn hẹp, chúng tôi tập trung nghiên cứu với lưới ñiện phân phối ở khu vực miền Bắc, ñó là các lưới trung áp trên không cấp ñiện cho các phụ tải thuộc khu vực công, nông nghiệp, có sơ ñồ mạng hở hoặc mạng kín vận hành hở

Ý nghĩa thực tiễn của luận văn:

Vấn ñề chất lượng ñiện trong lưới phân phối ñang là mối quan tâm của không chỉ ngành ñiện mà còn của các hộ phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện cao, hàm lượng sóng hài ít, ñộ dao ñộng ñiện áp thấp Việc áp dụng công nghệ bù ứng ñộng vào lưới phân phối ñược triển khai ở nhiều nước trên thế giới ñã và ñang ñược sử dụng rất hiệu quả ðối với Việt Nam hầu như mới chỉ áp dụng trên lưới truyền tải, trong khi ñó với sự xuất hiện của các phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện áp cao ngày càng nhiều, nhất là trong thời buổi thị trường ñiện cạnh tranh Cùng với việc trong tương lai xuất hiện thêm các phụ tải ñặc biệt như tàu ñiện ngầm nhà máy sản xuất

phối là tất yếu Kết quả nghiên cứu trong luận văn cũng góp phần hỗ trợ trong tắnh toán dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu trong mạng ựiện

Nội dung luận văn:

Với mục tiêu nêu trên, luận văn ựược trình bày trong 6 chương:

Chương 1 Vai trò, ựặc ựiểm chung của lưới ựiện phân phối và sự tiêu thụ công

Chương 5 Tắnh toán bù công suất phản kháng bằng máy tắnh ựiện tử

Chương 6 đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật

Chương 1 VAI TRÒ, ðẶC ðIỂM CHUNG CỦA LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI

VÀ SỰ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Vai trò, ñặc ñiểm chung của lưới phân phối

Ở Việt Nam, do lịch sử phát triển, lưới ñiện của các miền khác nhau và lưới ñiện phân phối tồn tại ở nhiều cấp ñiện áp khác nhau như 6, 10, 15, 22 và 35 kV Trong ñó lưới 22 kV chiếm tỷ lệ lớn nhất 31,9%, tiếp ñến lưới 35 kV: 28,1%; lưới

15 kV: 20,2%; lưới 10 kV: 16% và lưới 6 kV chiếm 3,9% Lưới 22 kV mới ñược cải tạo lại hoặc xây dựng mới từ năm 1994 (theo quyết ñịnh số: 149 NL/KHKT ngày 24/03/1993 của Bộ Năng lượng) nên vận hành tương ñối ổn ñịnh xác suất sự

cố xảy ra ít so với các cấp ñiện áp khác Các ñường dây còn lại ña số ñược xây dựng

từ rất lâu, tiết diện dây dẫn nhỏ bán kính cung cấp lớn ñiển hình là các lưới 6 kV, 10 kV không còn phù hợp với ñặc ñiểm và tình hình phụ tải hiện nay, chất lượng ñiện áp cung cấp thấp sự cố thường xuyên xảy ra Hiện nay các Công ty ðiện lực trên toàn quốc ñang thực hiện các dự án nâng cấp cải tạo quy chuẩn về lưới 22 kV

và ñây sẽ là cấp ñiện áp phân phối chính [13]

Hình 1.1 Cấu trúc lưới phân phối

Nói chung lưới phân phối hiện nay của nước ta còn rất nhiều phức tạp, phương thức cấp ñiện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp ñiện áp phân phối, và hai cấp ñiện áp phân phối Việc phát triển lưới ñiện có tính chắp vá do khó khăn về tiền

vốn, phụ tải phát triển nhanh ña dạng và chưa có quy hoạch tổng thể Tương tác giữa phụ tải và hệ thống cung cấp chưa ñược quan tâm ñúng mức Ví dụ các khu công nghiệp ñóng tàu, luyện thép, các tòa nhà thương mại có sử dụng số lượng lớn máy tính, ñiều hòa, máy photocopy, các làng nghề, ñầm nuôi tôm, và trong tương lai là hệ thống các tàu ñiện ngầm… là những nơi có phụ tải làm ảnh hưởng trực tiếp

và suy giảm chất lượng cung cấp ñiện của hệ thống, các ñường dây cung cấp quá dài, mang tải lớn vượt khả năng cung cấp của cấp ñiện áp ñang sử dụng Ngoài ra các thiết bị vận hành trên lưới phân phối cũng như phụ tải chưa có quy ñịnh về các chỉ tiêu kỹ thuật ñể nâng cấp chất lượng lưới như: Các thông số kỹ thuật, hiệu suất thiết bị, phụ tải ñiện chưa có quy ñịnh về hệ số công suất, chế ñộ làm việc, hàm lượng sóng hài cũng như chưa có chương trình quản lý phụ tải ñưa ñến việc chất lượng cung cấp kém

Do vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết trong ñó việc nghiên cứu bù CSPK ñể giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất ñiện năng, cải thiện ñiện áp, hệ số công suất, cân bằng tải, hạn chế tối ña các dao ñộng ñiện áp lớn do các phụ tải tiêu thụ CSPK thay ñổi nhiều và các nhiễu loạn trên lưới

do ảnh hưởng của sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lượng cung cấp và tăng hiệu quả kinh tế là một vấn ñề thời sự ñang ñược ngành ñiện quan tâm

ðặc ñiểm chung của lưới phân phối:

1 Chế ñộ vận hành bình thường của lưới phân phối là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá ðể tăng cường ñộ tin cậy cung cấp ñiện một số khu vực cũng

có cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành hở

2 Trong mạch vòng các xuất tuyến ñược liên kết với nhau bằng dao cách ly hoặc thiết bị nối mạch vòng các thiết bị này vận hành ở vị trí mở trong trường hợp cần sửa chữa hoặc sự cố ñường dây thì việc cung cấp ñiện không bị gián ñoạn lâu dài nhờ việc chuyển ñổi nguồn cung cấp bằng thao tác ñóng dao cách ly phân ñoạn hoặc tự ñộng chuyển ñổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng

3 Phụ tải lưới phân phối ña dạng và phức tạp, các phụ tải sinh hoạt, dịch vụ, tiểu thủ công nghiệp hầu hết cùng trong một hộ phụ tải

So với mạng hình tia, mạch vòng có chất lượng ñiện tốt hơn, ñó chính là lý

do tồn tại mạch vòng, song lại gây phức tạp về vấn ñề bảo vệ Rơle Cấu trúc mạch vòng chỉ thích hợp cho những máy biến áp có công suất lớn và có số lượng trạm trên mạch vòng ít Mặt khác cùng với một giá trị ñầu tư thì hiệu quả khai thác mạch vòng kín so với mạch hình tia là thấp hơn Ngoài ra chất lượng phục vụ của mạng hình tia ñã liên tục ñược cải thiện ñặc biệt là những thập niên gần ñây với sự xuất hiện của các thiết bị có công nghệ mới và các thiết bị tự ñộng, việc giảm bán kính cung cấp ñiện, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng cho nên chất lượng ñiện mạng hình tia ñã ñược cải thiện lên rất nhiều

Kết quả của các nghiên cứu và thống kê từ thực tế vận hành ñã ñưa ñến kết luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia bởi các lý do:

- Vận hành ñơn giản;

- Trình tự phục hồi lại lưới sau sự cố dễ dàng hơn;

- Ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt ñiện cục bộ

Với các lý do trên nên trong phần tiếp theo của nội dung luận văn chúng tôi chỉ tập trung ñi sâu tìm hiểu việc bù công suất phản kháng trên lưới phân phối hở và các lợi ích của việc bù công suất phản kháng

1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng

Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch có ñiện trở và ñiện kháng:

Dòng ñiện i lệch pha với u một góc ϕ:

i = Imsin(ωt - ϕ); hay i = Im(sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt); (1.2)

p+jq

Hình 1.2a Sơ ñồ cung cấp ñơn giản.

từ trường Yêu cầu CSPK chỉ có thể giảm ñến tối thiểu chứ không thể triệt tiêu ñược

vì nó cần thiết ñể tạo ra từ trường, yếu tố cần thiết trong quá trình chuyển hoá ñiện năng

Sự tiêu thụ CSPK trên lưới ñiện có thể ñược phân chia một cách gần ñúng như sau:

- ðộng cơ không ñồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65%;

- Máy biến áp tiêu thụ 22-25%;

- ðường dây tải ñiện và các phụ tải khác 10%

Như vậy ñộng cơ không ñồng bộ và máy biến áp là hai loại máy ñiện tiêu thụ nhiều CSPK nhất Công suất tác dụng P là công suất ñược biến thành công như cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng ñiện, còn CSPK Q là công suất từ hoá trong máy ñiện xoay chiều, nó không sinh ra công Quá trình trao ñổi CSPK giữa máy phát ñiện và phụ tải là quá trình dao ñộng Việc tạo ra CSPK cung cấp cho các

phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn mà có thể cung cấp trực tiếp cho các phụ tải từ tụ ñiện hay máy bù ñồng bộ…

Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu là ở các Công ty, Xí nghiệp công nghiệp, cosϕ của chúng dao ñộng từ 0,5 ñến 0,8 nghĩa là cứ 1 kW công suất tác dụng thì chúng yêu cầu từ 0,75 ñến 1,7 kVAr công suất phản kháng Bởi vì, trong xí nghiệp công nghiệp phụ tải chủ yếu là các ñộng cơ KðB và MBA do vậy muốn giảm công suất phản kháng phải chú ý ñến các phụ tải này

Nhu cầu công suất phản kháng ở các hộ phụ tải sinh hoạt, dân dụng không nhiều vì cosϕ của chúng thường lớn hơn 0,9

Nhu cầu công suất phản kháng ở các MBA công suất nhỏ là 10% công suất ñịnh mức của chúng, ở MBA lớn là 3%, còn các MBA siêu cao áp có thể là từ 8-10% ñể hạn chế dòng ngắn mạch

Ví dụ sau ñây minh họa ảnh hưởng của hệ số công suất ñến công suất toàn phần:

100 kW

100 kW

Hình 1.3 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần

Bảng 1.1 Quan hệ giữa hệ số công suất và công suất toàn phần

1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng

Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy ñiện là rất hạn chế do cosϕ của các máy phát từ 0,8-0,85 và cao hơn nữa Vì lý do kinh tế người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải Các máy phát chỉ ñảm ñương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các

Trong hệ thống phải tính ñến một nguồn công suất phản kháng nữa, ñó là các ñường dây, ñặc biệt là các ñường dây siêu cao áp

Các ưu nhược ñiểm của các nguồn công suất phản kháng:

a) Ưu ñiểm của tụ ñiện:

- Chi phí tính theo 1VAr của tụ ñiện rẻ hơn máy bù ñồng bộ, ưu ñiểm này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ ñiện rất nhỏ, khoảng 0,05-0,1 W/kVAr; trong khi ñó máy bù ñồng bộ tương ñối lớn, khoảng 3-15 W/kVAr tuỳ theo công suất ñịnh mức của máy

- Tụ ñiện vận hành ñơn giản, ñộ tin cậy cao hơn máy bù ñồng bộ

- Tụ ñiện lắp ñặt ñơn giản, có thể phân ra nhiều cụm ñể lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn ñường cong phân bố ñiện áp Không cần người trông nom vận hành Việc bảo dưỡng, sửa chữa ñơn giản

b) Nhược ñiểm của tụ ñiện so với máy bù ñồng bộ:

- Máy bù ñồng bộ có thể ñiều chỉnh trơn còn tụ ñiện ñiều chỉnh từng cấp

- Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ CSPK, tụ ñiện chỉ phát ra CSPK

- Công suất phản kháng do tụ ñiện phát ra phụ thuộc vào ñiện áp vận hành, thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp)

c) Các nhược ñiểm của tụ ñiện ngày nay ñã ñược khắc phục:

- ðể ñiều chỉnh trơn dung lượng công suất phản kháng người ta sử dụng thiết

bị bù tĩnh SVC (Static VAr Compensator)

- ðể có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng người ta dùng SVC, tổ hợp TSC và TCR (Thyristor Controlled Reactor)

- ðể bảo vệ quá áp và kết hợp ñiều chỉnh tụ bù theo ñiện áp người ta ñặt các

bộ ñiều khiển ñóng cắt tụ theo ñiện áp

Với các ưu ñiểm vượt trội so với máy bù ñồng bộ, ngày nay người ta thường dùng các bộ SVC ñể bù công suất phản kháng Vấn ñề này xin ñược trình bày chi tiết ở phần sau của nội dung ñề tài

1.4 Phối hợp công suất phản kháng

Trong hệ thống ñiện, bù công suất phản kháng phân ra làm hai loại: Bù

c ưỡng bức hay bù kỹ thuật: là bù một lượng công suất phản kháng nhất ñịnh ñể ñảm

bảo cân bằng CSPK trong hệ thống ñiện Công suất này có thể ñiều chỉnh ñể thích ứng với các chế ñộ vận hành khác nhau của hệ thống ñiện CSPK của các nhà máy ñiện và các thiết bị bù (máy bù ñồng bộ, tụ ñiện) phải dư thừa so với yêu cầu của phụ tải ở chế ñộ max ñể dự phòng cho sự cố Một phần công suất bù, thường là phần cố ñịnh có thể ñược phân tán xuống lưới truyền tải ñể giảm tổn thất trong lưới Tuy nhiên cần phải cân nhắc vì như vậy ñộ tin cậy của công suất bù này sẽ bị giảm

và ñể an toàn trong hệ thống ñiện phải tăng dự trữ công suất phản kháng lên

Ngoài ra công suất phản kháng còn có thể thiếu cục bộ Do vậy cần phải bù trực tiếp và hơn nữa khi bù cưỡng bức, một lượng công suất phản kháng ñáng kể vẫn phải lưu thông trong lưới phân phối, gây ra tổn thất công suất và tổn thất ñiện

năng khá lớn ðể khắc phục các vấn ñề này người ta thực hiện bù kinh tế Trong

những năm gần ñây, người ta lại càng quan tâm ñến việc tăng cường sự hoạt ñộng của hệ thống ñiện như giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và tìm cách sử dụng tốt hơn các thiết bị sẵn có trên lưới ñể hạn chế mua thiết bị mới

Khi thực hiện bù kinh tế người ta tính toán ñể ñạt ñược các lợi ích, nếu lợi ích thu ñược cho việc lắp ñặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp ñặt thì việc bù kinh tế sẽ ñược thực hiện

Các lợi ích khi lắp ñặt bù:

- Giảm ñược công suất tác dụng yêu cầu ở chế ñộ max của hệ thống ñiện do

ñó giảm ñược dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng ñược ñộ tin cậy) của hệ thống ñiện

- Giảm nhẹ tải cho các máy biến áp trung gian và các ñường trục trung áp do giảm chuyển tải công suất phản kháng và hiệu quả là thời gian cải tạo nâng dung lượng, tăng tiết diện dây dẫn ñược kéo dài hơn

- Giảm ñược tổn thất ñiện năng

- Cải thiện ñược chất lượng ñiện áp cung cấp cho các phụ tải

- Cải thiện hệ số công suất

- Cân bằng tải

Các yếu tố có liên quan là sự lạm phát, thiếu nhiên liệu và trượt giá, lãi suất của vốn vay ñể ñầu tư nâng cấp lưới ñiện… ðể giải quyết vấn ñề này cần phải làm tốt công tác quản lý công suất phản kháng

Quản lý công suất phản kháng có thể ñược xác ñịnh như sau: ðiều khiển ñiện

áp máy phát, ñiều chỉnh nấc phân áp của các máy biến áp có ñiều áp dưới tải, chọn nấc phân áp cho các biến áp phụ tải, bù công suất phản kháng và ñóng ngắt các cuộn kháng, tụ ñiện bù ngang cũng như lắp ñặt thêm các cuộn kháng hay thay ñổi công nghệ ñiều khiển bù sao cho giảm ñược tổn thất công suất và tổn thất ñiện năng trên hệ thống hoặc ñiều khiển ñiện áp một cách tốt nhất

Phần lớn các thiết bị ñiện trong quá trình làm việc ñều tiêu thụ một lượng công suất phản kháng Giá trị công suất phản kháng tiêu thụ bởi các thiết bị ñiện phụ thuộc vào hệ số mang tải của chúng Vì vậy ñể giảm ñến mức tối thiểu sự tiêu thụ CSPK của thiết bị cần phải thiết lập quy trình vận hành hợp lý, chọn công suất phù hợp làm tốt ñiều này sẽ mang lại những lợi ích kinh tế

ðặt thiết bị bù CSPK là một trong những giải pháp quan trọng ñể nâng cao chất lượng ñiện Trong số các nguồn CSPK thì tụ ñiện tĩnh tỏ ra chiếm ưu thế về kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên tụ bù rất nhạy cảm ñối với sự thay ñổi của các tham

số chế ñộ cũng như tham số hệ thống Vì vậy cần có sự nghiên cứu tính toán áp dụng ñể nâng cao tính kinh tế kỹ thuật và kéo dài tuổi thọ của thiết bị

Chương 2 MỤC TIÊU VÀ LÝ THUYẾT CƠ BẢN VỀ BÙ CSPK

CHO PHỤ TẢI - MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

2.1 Mục tiêu bù phụ tải và bù tự nhiên

2.1.1 Các mục tiêu trong việc bù phụ tải

Bù phụ tải là giảm CSPK chuyển tải trên xuất tuyến và ñể củng cố chất lượng nguồn ñiện trong các hệ thống ñiện xoay chiều Thuật ngữ “bù phụ tải” ñược

sử dụng khi việc quản lý CSPK cho một tải duy nhất hay một nhóm các phụ tải Trong bù phụ tải có 3 mục tiêu chính:

1 ðiều chỉnh hệ số công suất;

2 Củng cố việc ñiều áp;

3 Cân bằng phụ tải

Việc ñiều chỉnh hệ số công suất thường là thực hiện việc cấp CSPK càng gần tải càng tốt Hầu hết các phụ tải công nghiệp và nông nghiệp có hệ số công suất trễ tức là chúng tiêu thụ CSPK Vì thế dòng tải có khuynh hướng lớn hơn dòng ñiện cần thiết ñể cung cấp riêng cho công suất sinh công ðiều này lãng phí do phải tăng tiết diện dây dẫn, gây tổn thất ñiện áp

ðiều áp là một vấn ñề quan trọng và ñặc biệt trong các lưới ñiện có các phụ tải có nhu cầu CSPK luôn thay ñổi Sự biến thiên về nhu cầu CSPK sẽ gây ra sự biến thiên ñiện áp tại ñiểm cung cấp làm ảnh hưởng ñến hoạt ñộng của các phụ tải ñấu nối vào ñiểm ñó và làm tăng nhiễu loạn của các phụ tải lân cận Ở một số nước người ta quy ñịnh ñộ thay ñổi ñiện áp trong khoảng ±5% trong thời gian vài phút hoặc vài giờ Nó ñặc biệt ảnh hưởng ñến các tải lớn biến thiên nhanh gây ra ñộ dốc ñiện áp lớn Có hại cho việc vận hành các thiết bị bảo vệ và hiện tượng chớp nháy gây khó chịu mắt người Trong trường hợp này thiết bị bù ñóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ñiện áp trong khoảng quy ñịnh

ða số các hệ thống ñiện xoay chiều là 3 pha và ñược thiết kế vận hành ở chế

ñộ cân bằng Hoạt ñộng không cân bằng làm tăng các thành phần thứ tự nghịch và thứ tự không của dòng ñiện Các thành phần này làm tăng các loại tổn thất trong

ñộng cơ và trong máy phát, gia tăng ñộ gợn sóng trong các bộ chỉnh lưu Một số thiết bị làm việc phụ thuộc vào việc vận hành cân bằng ñể hạn chế sóng hài

Số lượng sóng hài trong sóng ñiện áp là thông số quan trọng của chất lượng nguồn ñiện ñược ñặc trưng bởi phổ của các dao ñộng hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp cơ bản

2.1.2 Bù tự nhiên cho phụ tải

Như ñã nêu trên, mục tiêu của việc bù CSPK là ñể ñiều chỉnh hệ số công suất, cải thiện ñiện áp và cân bằng phụ tải Tiêu thụ CSPK không hợp lý làm cho hệ

số công suất giảm thấp, cấu trúc lưới và phương thức vận hành hệ thống không hợp

lý cũng làm cho ñiện áp xấu ñi và phụ tải các pha không ñối xứng cũng làm tăng tổn thất và tiêu thụ CSPK lớn hơn so với yêu cầu thực tế, chính vì thế trước khi nghiên cứu bù nhân tạo (sử dụng các thiết bị bù) chúng ta cần phải nghiên cứu bù tự nhiên trước ñể khắc phục các thiếu sót trong quản lý, vận hành, phân phối, trong tiêu thụ ñiện ñưa tới việc tiêu thụ CSPK quá mức sau ñó mới nghiên cứu bù nhân tạo

Bù tự nhiên trong hệ thống ñiện bao gồm những vấn ñề sau:

- Nghiên cứu và thực hiện các biện pháp ñiều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao thấp ñiểm và hệ số ñiền kín của phụ tải ñảm bảo cho các ñường dây và trạm biến áp, không bị non tải, không tải hay quá tải

- Nghiên cứu các phương thức vận hành tối ưu

Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ ñiện:

Bù tự nhiên trong các xí nghiệp tiêu thụ ñiện là nghiên cứu sắp xếp ñiều chỉnh việc sản xuất trong xí nghiệp ñể ñảm bảo cho các thiết bị tiêu thụ ñiện (ñộng

cơ, máy biến áp, máy hàn…) không thường xuyên không tải hoặc non tải

2.2 Lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng cho phụ tải

Như ta ñã biết, ñể cải thiện hệ số công suất hay các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác của mạng ñiện, cần một bộ tụ ñiện hay máy bù ñồng bộ làm nguồn phát công suất phản kháng Cách giải quyết này ñược gọi là bù công suất phản kháng

Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng ñiện phản kháng (chậm pha so với ñiện áp 1 góc 90o) từ máy phát ñưa ñến qua hệ thống

truyền tải/phân phối Do ñó kéo theo tổn thất công suất và gây nên hiện tượng sụt

áp

Mặt khác dòng ñiện qua tụ nhanh pha hơn ñiện áp nguồn 1 góc 90o ngược pha với thành phần phản kháng của dòng tải IL Nếu thành phần dòng ñiện này triệt tiêu lẫn nhau IC = IL thì không còn tồn tại dòng phản kháng ñi qua phần lưới phía trước vị trí ñặt tụ

Hình 2.1 Nguyên lý bù công suất phản kháng

trong ñó: R – phần tử tiêu thụ công suất tác dụng của tải;

L – phần tử tiêu thụ công suất phản kháng của tải;

C – phần tử có tính dung của thiết bị ñiều chỉnh hệ số công suất

Từ giản ñồ hình 2.1b tụ C rõ

ràng ñã cung cấp toàn bộ dòng ñiện phản

kháng cho tải Vì lý do ñó ñôi khi ta gọi

tụ C là máy phát CSPK Ở hình 2.1c có

trình bày thêm thành phần dòng ñiện tác

dụng và ñối với hệ thống, tải dường như

có hệ số công suất bằng 1 Nói chung việc

bù hoàn toàn CSPK trong lưới ñiện là

không mang lại hiệu quả kinh tế

Q’

Q C S

Hình 2.2 minh họa nguyên lý bù bằng cách giảm CSPK Q ñến giá trị nhỏ hơn Q’ bằng các bộ tụ có CSPK QC Hệ quả là công suất biểu kiến S ñược giảm

xuống còn S’ ðiều này có nghĩa là hệ số công suất của lưới cũng tăng lên

2.3 Một số phương pháp tính toán bù hiện có

ðể giải bài toán bù công suất phản kháng trong lưới ñiện hiện nay ñã có hàng loạt phương pháp ñược soạn thảo Tuy nhiên do cách ñặt vấn ñề Mục tiêu ñặt ra và các quan ñiểm khác nhau về các yếu tố ảnh hưởng ñến lời giải bài toán như sự biến thiên theo thời gian của phụ tải, về kết cấu hình dáng lưới ñiện, về ñiện áp lưới ñiện,

về tính chất của các loại thiết bị bù… nên các phương pháp và thuật toán giải bài toán bù công suất phản kháng trong lưới ñiện ñều có dạng và hiệu quả khác nhau Nội dung chủ yếu theo một số hướng cụ thể như sau:

2.3.1 Phương pháp xác ñịnh dung lượng bù theo biểu ñồ CSPK của phụ tải

Dung lượng tụ bù nền: Qbnền= Qmin

Dung lượng tụ ñiều khiển ñược xác ñịnh:

7,0Q

các hộ tiêu dùng ñiện ñể cung cấp CSPK

cho chúng, ta giảm ñược lượng CSPK

phải truyền tải trên ñường dây do ñó nâng

cao ñược hệ số cosϕ của mạng

Hình 2.3 Bù ñóng cắt theo thời gian.

Dung lượng cần bù xác ñịnh theo công thức:

α = 0,9 ÷1 – là hệ số xét ñến khả năng nâng cao cosϕ bằng những phương pháp không ñòi hỏi ñặt thiết bị bù

2.3.3 Mô hình tính bù CSPK theo ñiều kiện cực tiểu tổn thất công suất

Bằng việc giải tích mạng ñiện, tính toán phân bố công suất ứng với mỗi chế ñộ xác lập, ta tính ñược ñiện áp tại các nút và tổn thất ∆P, ∆Q của lưới ñiện

Khi ñặt một giá trị Qbi nào ñó vào nút i thì khi ñó hao tổn là:

10RU

)QQ

i 2

i

bi i 2 2

i

10XU

)QQ(

i

bi i 2 2

gj(Qb1, Qb2,…, Qbn) = ∑

=

m 1

) Q , , Q , Q (

2.3.4 Bài toán bù theo ñiều kiện ñiều chỉnh ñiện áp

Trước khi bù thì tổn thất ñiện áp trong mạng là:

X Q R P U 10

n

U 10

1

Như vậy sau khi ñặt bù thì tổn thất trên ñường dây còn lại là:

Ta nhận thấy, ñể ñiện áp ở những ñiểm gần cuối của mạng ñạt yêu cầu thì ở ñầu nguồn phải gia tăng thêm một lượng ñiện áp ∆E tương ñương với ∆Ub

1U

2 n b

Với: X là ñiện kháng của ñường dây tính ñến ñiểm ñặt bù, Ω

Nếu công suất cần bù quá lớn thì có thể chia ra làm nhiều ñiểm ñặt bù Ta có

2.3.5 Phương pháp bù theo ñiều kiện cực tiểu các chi phí

Xét mạng ñiện gồm n nút (không kể nút nguồn cung cấp), ñối với mỗi nút i,

ký hiệu công suất cực ñại của phụ tải Sti = Pti + jQti, công suất bù Qbi, ñối với mỗi nhánh i tổng trở nhánh Zi = Ri + jXi, công suất truyền tải ñến cuối ñường dây: Si =

Pi+ jQi (Vì mạng có sơ ñồ hở nên luôn có thể ký hiệu thứ tự nhánh theo số hiệu nút cuối của nó)

Tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i xác ñịnh theo công thức:

i 2 i

2 i

áp ñịnh mức tại nút i) Tổn thất tổng trong toàn mạng sẽ là:

n

1 i

2 i i i

Vi = k0i + kiQbi,[ñồng]; (2.18) trong ñó: ki là suất vốn ñầu tư tính cho một ñơn vị công suất bù, ñ/kVAr;

k0i là phần vốn không phụ thuộc vào dung lượng bù, ñồng/trạm

Vốn ñầu tư tổng cho thiết bị bù:

n

1 i i 0 n

1 i

∆ bi i i 0

∑

=

→ min; (2.20) Cần chú ý k0i ≠ 0 chỉ khi Qbi ≠ 0, ngược lại k0i = 0 ðể thể hiện ñiều này, trong hàm mục tiêu có sử dụng các biến nguyên yi với:

0Qkhi0

bi

bi

atc - hệ số tiêu chuẩn thu hồi vốn ñầu tư ban ñầu

ðây là trường hợp riêng của hàm phi tuyến, có chứa các ñiểm rời rạc tại gốc toạ ñộ Hệ ràng buộc cần thiết lập bao gồm:

- Mỗi nút có phương trình cân bằng CSPK dạng:

2 k

; Dk = 2

n

kU

X

- Giới hạn dung lượng bù tại các nút có thể viết dưới dạng:

Qbi.min ≤ Qbi ≤ Qbi.max ; i = 1, 2, 3, , n; (2.24)

- Giới hạn về tổng vốn ñầu tư cho thiết bị bù:

n

Σ bi i i

0 k Q ) V

- Giới hạn về thời gian thu hồi vốn: V - (C - C0).Tth < 0 (2.26) trong ñó: C0 - chi phí tổn thất hàng năm khi chưa tính bù

Bài toán ñược giải theo phương pháp quy hoạch phi tuyến xấp xỉ hoặc phương pháp tuyến tính hoá, sai số của phép xấp xỉ có thể khống chế ñược theo yêu

cầu

Tuy nhiên, với Qbi tìm ñược cần phải kiểm tra với các ñiều kiện ràng buộc sau:

2.3.6 Bù công suất phản kháng dựa trên chỉ tiêu tối ña hoá các tiết kiệm

ðiều yêu cầu là tối ưu dung lượng và vị trí lắp ñặt của n tụ bù trên một xuất tuyến phân phối ba pha hình tia nhằm tối thiểu hoá tổn thất công suất và tổn thất ñiện năng Cụ thể hơn là chúng ta tìm các vị trí i (i = 1, 2, , n) và các kích cỡ Qbi (i

= 1, 2, , n) của các tụ bù ngang theo hình 2.4 ñể cực ñại hoá các tiết kiệm ròng bằng tiền ñạt ñược cho chương trình lắp ñặt tụ

P 1 +jQ 1 Q b1

………

P i +jQ i Q bi

Hình 2.4 Bù phân bố tại các ñiểm tải

Các tiết kiệm ròng ñạt ñược từ việc giảm tổn thất công suất và tổn thất ñiện năng:

Với Cp, C∆, Kc là các hệ số kinh tế, giá của mỗi ñơn vị tổn thất công suất, tổn thất ñiện năng và dung lượng tụ bù

DP, DA - ðộ giảm công suất ñỉnh, ñộ giảm tổn thất ñiện năng do tác dụng của n tụ bù ngang

Mô hình này có thể giải bằng phương pháp lặp cho từng bài toán nhỏ, tìm biến tối ưu cục bộ (vị trí, kích cỡ, thời gian ñóng cắt tối ưu) từ ñó xác ñịnh lời giải tối ưu toàn cục

Các phương pháp chủ yếu áp dụng ñối với mạng hình tia ñơn giản hoặc các mạng có phụ tải nối trực tiếp trên ñường dây

Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chỉ ñược xét ñến một cách ñộc lập ở từng phương pháp

Chính vì vậy, việc phân tích ñể ñi ñến lựa chọn một phương pháp tính toán phù hợp với ñối tượng cụ thể là hết sức quan trọng và có ý nghĩa

Chương 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG QUA LẠI GIỮA THIẾT BỊ BÙ VÀ CHẾ ðỘ LÀM VIỆC CỦA CÁC PHẦN TỬ MẠNG ðIỆN

Các hệ thống tụ bù thường có dung lượng từ 20-50MVAR khi ñược mắc vào lưới truyền tải và từ 50-1000kVAr khi mắc vào lưới phân phối Tuy rằng các hiện tượng quá ñộ trong quá trình ñiều khiển ñóng cắt tụ ñược mô tả bằng các phương trình vi phân nhưng trong thực tế ñể xác ñịnh các thông số quá ñộ xung áp, xung dòng ở các thời ñiểm khác nhau trong quá trình ñóng cắt là rất khó khăn Hiện nay

có rất nhiều các phương pháp xác ñịnh các thông số tính toán của tác ñộng khi ñóng cắt tụ Trong khuôn khổ của nội dung luận văn tác giả chủ yếu sử dụng công cụ Matlab & Simulink ñể mô phỏng và tính toán

3.1 Tác ñộng quá ñộ trong quá trình ñóng cắt tụ

3.1.1 Quá ñộ khi ñóng ñiện vào trạm tụ làm việc ñộc lập

Khi ñóng ñiện vào trạm tụ bù chênh lệch giữa ñiện áp tức thời của lưới và của tụ sẽ xuất hiện một xung dòng và xung ñiện áp có biên ñộ có thể rất lớn, phụ thuộc vào thời ñiểm ñóng ñiện Giá trị của xung dòng và tần số dao ñộng ñược tính

theo biểu thức:

L

CUU

Ipk = S− C ;

LC π 2

1

trong ñó: US: ñiện áp (pha) tức thời của hệ thống, kV;

UC: ñiện áp (pha) tức thời trên dàn tụ, kV;

C: ñiện dung trạm tụ, F;

L: ñiện cảm nguồn, H

Kết quả thể hiện mô phỏng các quá trình quá ñộ cho trường hợp ñiện áp lưới

22 kV, tổng trở hệ thống 5 Ω, trạm tụ 500 kVAr với ñiều kiện ban ñầu UC(0) = 0 ñược ñóng vào các thời ñiểm khác nhau Hình 3.1b và 3.1c cho thấy dạng sóng của xung ñiện áp và xung dòng qua tụ trong trường hợp nguy hiểm nhất Bảng 3.1 cho thấy biên ñộ xung ñiện áp và xung dòng tính theo ñơn vị tương ñối (p.u) ứng với các thời ñiểm ñóng ñiện khác nhau

Hình 3.1a Sơ ñồ mô phỏng ñóng ñiện

vào dãy tụ làm việc ñộc lập.

Bảng 3.1 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng

Qua các số liệu có thể thấy, ứng với trường hợp UC(0) = 0 - trường hợp ñóng ñiện thực tế, khi toàn bộ ñiện áp trên tụ trước khi ñóng ñiện ñã ñược xả qua các ñiện trở phóng ñiện bên trong các ñơn vị tụ thì quá ñiện áp có thể lên tới 1,8-1,9 pu trong khi xung dòng ñiện có thể lên tới 8,0 pu, khi ñóng ñiện ở thời ñiểm ñiện áp lưới và ñiện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t = 5ms)

3.1.2 Quá ñộ khi ñóng ñiện vào trạm tụ song song

Khi ñóng một trạm tụ vào lưới ñang có những trạm tụ khác ñang làm việc Kết quả mô phỏng các quá trình quá ñộ cho trường hợp ñiện áp lưới là 22 kV, tổng trở hệ thống 5 Ω, trạm tụ 500 kVAr ñược ñóng song song với trạm tụ khác 500 kVAr ñang làm việc trên lưới, với ñiều kiện ban ñầu UC2(0) = 0, ñược ñóng vào các thời ñiểm khác nhau Hình 3.2b và hình 3.2c cho thấy dạng sóng của xung ñiện áp

và xung dòng qua tụ trong trường hợp nguy hiểm nhất

Bảng 3.2 cho thấy biên ñộ xung ñiện áp UC1 tính theo ñơn vị tương ñối (pu), ứng với các thời ñiểm ñóng ñiện khác nhau

Hình 3.2a Sơ ñồ mô phỏng ñóng ñiện

vào dãy tụ mắc song song.

Bảng 3.2 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng.

Quá ñiện áp có thể lên tới 1,48 pu, trong khi xung dòng ñiện lên ñến 4,33

pu, khi ñóng ñiện ở thời ñiểm ñiện áp lưới và ñiện áp trên tụ chênh lệch nhiều nhất (t = 5ms)

3.1.3 Quá ñộ với hiện tượng phóng ñiện trước

Khi máy cắt ñóng ñiện trạm tụ, hiện tượng phóng ñiện trước có thể xuất hiện trong buồng cắt, hồ quang phát sinh ngay trong cả trước khi hai tiếp ñiểm tiếp xúc với nhau Dòng ñiện hồ quang có tần số rất cao nên khi ñi qua giá trị 0 thì nó sẽ bị tắt và ñiện áp trên tụ vẫn giữ nguyên giá trị mà nó nhận ñược ở lần phóng ñiện ñầu tiên ðến khi tiếp ñiểm ñóng lại hoàn toàn, ñiện áp trên tụ mới bắt ñầu dao ñộng ðể

mô phỏng các quá trình xảy ra của hiện tượng phóng ñiện trước, dùng ba tiếp ñiểm thể hiện ba giai ñoạn của hiện tượng xảy ra:

t1: thời ñiểm ñóng máy cắt;

t2: thời ñiểm xảy ra phóng ñiện;

t3: thời ñiểm hai tiếp ñiểm tiếp xúc nhau

Hình 3.3a Sơ ñồ mô phỏng quá ñộ với

hiện tượng phóng ñiện trước.

3.1.4 Quá ñộ với hiện tượng phóng ñiện trở lại

Hiện tượng phóng ñiện trở lại xảy ra khi ñộ bền ñiện môi trong buồng cắt của máy cắt thấp hơn so với tốc ñộ tăng của ñiện áp phục hồi giữa hai tiếp ñiểm trong quá trình cắt trạm tụ bù ra khỏi lưới Hình 3.4a của mô phỏng cho thấy giữa hai nửa chu kỳ sau khi máy cắt cắt ra, ñiện áp phục hồi trên hai tiếp ñiểm lên ñến hai lần ñiện áp (pha) của lưới, và nếu ñến 2,67 pu, và dòng xung có giá trị 14,93 pu (Bảng 3.4) ðể mô tả quá trình xảy ra của hiện tượng phóng ñiện trở lại sử dụng 3 tiếp ñiểm cho 3 giai ñoạn:

t1: thời ñiểm ngắt máy cắt;

t2: thời ñiểm phóng ñiện trở lại;

t3: thời ñiểm kết thúc quá trình phóng ñiện

Hình 3.4a Sơ ñồ mô phỏng quá ñộ với

hiện tượng phóng ñiện trở lại

Bảng 3.4 Giá trị biên ñộ xung áp và xung dòng

3.1.5 Quá ñộ trên lưới phân phối khi ñóng trạm tụ bù

Các kết quả trên là cơ sở ñể tiến hành ñánh giá tác ñộng của việc ñóng trạm

tụ bù trên lưới phân phối ñến các phụ tải công nghiệp

Zn = 6%

Thanh c¸I 400V

MBA 1500kVA

Zn = 6%

Cuén kh¸ng 3%

26HP

100HP Tr¹m tô

200kVAR XuÊt tuyÕn cÊp ®iÖn cho nhµ m¸y

Hình 3.5 Quá ñộ trên lưới phân phối khi ñóng tụ bù

Mô phỏng ñược thực hiện với lưới phân phối có các thông số như trên hình 3.5, các kết quả trên hình thể hiện dạng sóng quá ñộ ñiện áp tại trạm tụ bù phía thanh cái 10 kV, ñiểm nối chung PCC (point of common coupling), thanh cái hạ áp cấp ñiện cho các phụ tải công nghiệp là các bộ biến tần thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ theo

kỹ thuật ñiều chế ñộ rộng xung PWM ASD 100 HP có cuộn kháng 3% và không có cuộn kháng cho trường hợp PWM ASD 25 HP Các xung quá ñiện áp này rõ ràng sẽ

có các ảnh hưởng tiêu cực ñến chế ñộ làm việc của các bộ PWM ASD, thậm chí có thể làm các thiết bị này dừng làm việc

3.2 Ảnh hưởng của sóng hài lên các thiết bị ñiện

Sóng hài ñược ñặc trưng của dao ñộng hoàn toàn trên phổ tần số công nghiệp

cơ bản Thành phần sóng hài trong nguồn AC ñược ñịnh nghĩa là thành phần sin của một chu kỳ sóng có tần số bằng số nguyên lần tần số cơ bản của hệ thống

Dßng cung cÊp

1 5 7 11 13

2261 632 78 147 41

100 28 4 7 2

Hình 3.6a Sóng hài bậc cao của bộ ñiều

chỉnh một chiều tải công suất lớn

10kV 50Hz

400V

2.5MVA 5.4%

DC-Driver

P=450kW Q=845kVAr

S 1 = 957kVA cosϕ = 0.426

S tæng = 1056kVA

BËc sãng hµi

Dßng cung cÊp

1 5 7 11 13

1225 515 122 108 28

100 41 10 9 2

Hình 3.6b Sóng hài bậc cao của bộ ñiều chỉnh một chiều tải công suất thấp

Sóng hài làm méo dạng ñiện áp lưới có thể do các nguyên nhân sau:

- Các tải công nghiệp: các thiết bị ñiện tử công suất, lò hồ quang, máy hàn,

bộ khởi ñộng ñiện tử, ñóng mạch máy biến áp công suất lớn…

- Các tải dân dụng: ñèn phóng ñiện chất khí, tivi, máy photocopy, máy tính,

lò vi sóng…

Bảng 3.5 trình bày dạng sóng của một số tải phi tuyến và hệ số méo của chúng ðộ méo ñiều hòa phụ thuộc chế ñộ vận hành của thiết bị do sự ñối xứng của dạng sóng dòng ñiện, phân tích phổ của chúng chỉ chứa các ñiều hòa bậc lẻ Phổ có thể gián ñoạn hoặc liên tục, có tính ngẫu nhiên hoặc lặp lại

Với nhiều biện pháp khác nhau, người ta có thể giảm một số sóng hài ñến một giá trị nhỏ không ñáng kể - việc khử bỏ hoàn toàn chúng tất nhiên không thể hoàn toàn thực hiện ñược

Bảng 3.5 Dạng sóng dòng ñiện của một số tải phi tuyến và hệ số méo của chúng

Hình 3.7b Sóng cơ bản và sóng hài bậc ba lệch pha

Những loại sóng này có thể ñược biểu diễn như sau:

i1 = Im1.sinωt; i3 = Im3.sin(3ωt - δ3); i5 = Im5.sin(5ωt - δ5); i7 = Im7.sin(7ωt - δ7)

trong ñó: Imh là biên ñộ của sóng hài bậc h

Kết quả là:

Itổng = Im1.sinωt + Im3.sin(3ωt - δ3) + Im5.sin(5ωt - δ5) + + Imh.sin(hωt - δh); (3.4)

ðiều này chứng tỏ tổng của các sóng hình sin này tạo ra một sóng méo Hay

có thể coi sóng méo này là sự xếp chồng của thành phần sóng cơ bản với các sóng ở tần số và biên ñộ khác

a Ảnh hưởng của sóng hài lên máy biến áp

Ảnh hưởng của các sóng hài trên các máy biến áp là các dòng ñiều hoà gây nên sự gia tăng tổn thất ñồng và tổn thất từ thông tản, các ñiều hoà gây nên sự gia tăng tổn thất sắt Ảnh hưởng toàn bộ là sự gia tăng nhiệt ñộ máy biến áp Tiêu chuẩn IEEE C57.12.00-1980 ñề nghị một giới hạn ñối với sóng hài dòng ñiện trong máy biến áp Giới hạn ñược cho là 0.5pu ñối với hệ số ñiều hoà dòng ñiện Tiêu chuẩn cũng ñề nghị trị số quá ñiện áp hiệu dụng cực ñại mà máy biến áp có thể chịu ñựng ở trạng thái xác lập 5% ở tải ñịnh mức và 10% ở không tải

ðiều cần lưu ý là các tổn thất máy biến áp bị gây nên bởi cả các ñiện áp ñiều hoà và các dòng ñiện ñiều hoà là phụ thuộc vào tần số Các tổn thất gia tăng cùng với sự gia tăng tần số do vậy các thành phần ñiều hoà tần số cao hơn là quan trọng hơn các thành phần tần số thấp hơn trong việc gây nên sự nóng trong các máy biến

áp

b Các máy ñiện quay

Cũng như các thiết bị khác vấn ñề quan tâm trước tiên về các dòng ñiện và ñiện áp ñiều hoà trong máy ñiện quay là sự tăng nhiệt ñộ do các tổn thất sắt và tổn thất ñồng tại các tần số ñiều hoà Các thành phần ñiều hoà cũng có thể ảnh hưởng ñến hiệu suất máy và mômen

Sự tác ñộng khác nhau giữa các sóng và mật ñộ từ thông ñược phát ra bởi các dòng ñiện ñiều hoà trong một ñộng cơ cảm ứng 3 pha trên một ñiện áp cung cấp không sin có thể làm phát sinh tiếng ồn Các sóng hài cũng sinh ra sự phân bố từ thông tổng hợp trong khe hở không khí mà trong các ñiều kiện cụ thể có thể ñưa tới hiện tượng ñược gọi là Cogging (từ chối khởi ñộng) hay Crauling (tốc ñộ dưới ñồng bộ) trong các môtơ cảm ứng

Các cặp sóng hài chẳng hạn các sóng hài bậc 5 và bậc 7 có thể tạo ra các dao ñộng cơ khí gia tăng trong một tổ hợp máy phát – turbin Các dao ñộng cơ khí xảy

ra khi các mômen xoắn dao ñộng gây ra bởi sự tác ñộng lẫn nhau giữa các dòng ñiện ñiều hòa và từ trường tần số cơ bản kích thích 1 tần số cộng hưởng cơ khí Chẳng hạn một cặp ñiều hòa bậc 5 và bậc 7 ñưa ñến kết quả 1 sự kích thích có tính xoắn trên roto máy phát tại ñiều hòa bậc 6 là 300Hz Nếu cặp tần số dao ñộng cơ khí tồn tại gần với tần số kích thích ñiện thì các ñáp ứng cơ khí cộng hưởng cao có thể bị phát triển Mặc dầu không có các tiêu chuẩn về các giới hạn dòng ñiện hay ñiện áp ñiều hòa cho các ñộng cơ, một số nhà thiết kế ñề xuất 1 giới hạn là 5% cho các ñiện áp ñiều hòa ñể dùng cho các ñộng cơ cảm ứng trong việc xem xét sự gia nhiệt trong máy ñiện

c Các thiết bị ñóng ngắt

Cũng như hầu hết các thiết bị khác, các dòng ñiện ñiều hòa có thể làm gia tăng nhiệt và các tổn thất trong các thiết bị ñóng ngắt Ngoài các ảnh hưởng của việc tăng nhiệt, các thành phần ñiều hòa trong sóng dòng có thể ảnh hưởng ñến khả năng cắt dòng của các thiết bị ñóng ngắt Vấn ñề là các thành phần ñiều hòa có thể ñưa ñến việc biên ñộ của di/dt cao tại các ñiểm không dòng ñiện có thể làm cho việc cắt trở nên khó khăn hơn

Các máy cắt không cắt ñược các dòng ñiện do việc các cuộn cắt không có khả năng vận hành thích hợp trong các ñiều kiện hiện diện các sóng hài khắc nghiệt Khi cuộn cắt hỗ trợ trong việc chuyển ñộng của hồ quang ñiện ñến ñiểm dốc xuống của hồ quang nơi việc cắt thực hiện, việc vận hành không hiệu quả làm kéo dài hồ quang và hậu quả cuối cùng là hỏng máy cắt Các vấn ñề tương tự có thể hiện hữu trong các thiết bị ñóng cắt dòng ñiện khác

Không có tiêu chuẩn xác ñịnh ñược công bố trong công nghiệp về mức của các dòng ñiện mà các thiết bị ñóng cắt dòng ñiện yêu cầu ñể cắt Tất cả các thí nghiệm về sự cắt ñược thực hiện tại tần số ñịnh mức của nguồn cung cấp

d Các bộ tụ ñiện

Các tụ ñiện thường rất nhạy cảm với các sóng hài của nguồn cung cấp do dung kháng của tụ giảm dần khi tần số tăng lên Trong thực tế, ñiều này có nghĩa là chỉ một giá trị nhỏ của sóng hài ñiện áp có thể tạo nên giá trị dòng ñiện lớn ñi qua mạch chứa tụ Sự hiện diện các thành phần sóng hài làm méo dạng ñiện áp hoặc dòng ñiện khác với dạng cơ bản của nó (thường là dạng sin); hàm lượng sóng hài càng nhiều, mức ñộ méo dạng càng lớn Nếu tần số dao ñộng riêng của hệ thống tụ bù-cảm kháng mạng ñiện ñạt giá trị gần bằng với một sóng hài riêng biệt nào ñó, hiện tượng cộng hưởng riêng sẽ xảy ra ñiện áp và dòng ñiện của sóng hài liên quan

sẽ ñược khuếch ñại lên Do ñó có thể gây ảnh hưởng ñến chế ñộ làm việc của các thiết bị dùng ñiện thậm chí gây nguy hiểm ñối với các thiết bị mắc trên thanh cái này

Ví dụ:

Mạch cộng hưởng song song:

Tần số cắt:

1 1 1

CL2

1f

π