Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù Cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất (Luận văn thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2019

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã ngành: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2019

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Trường Du

Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Nơi công tác: Điện lực Ngân Sơn - Công ty Điện lực Bắc Kạn

Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này

là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 4 năm 2019

Học viên thực hiện

Nguyễn Trường Du

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS Trần Xuân Minh, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo,cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan, xí nghiệp, Công ty Điện lực Bắc Kạn đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực

tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Thái Nguyên, ngày 15tháng 4 năm 2019

Học viên

Nguyễn Trường Du

Trang 5

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục viết tắt v

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS 3

1.1 Công suất & hệ số công suất cos 3

1.1.1 Các loại công suất trong hệ thống điện 3

1.1.2 Hệ số công suất cosφ 4

1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ 4

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất 5

1.4 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ 7

1.4.1 Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện 7

1.4.2 Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện 7

1.4.3 Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp 8

1.5 Kết luận chương 1 8

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CÔNG SUẤT 9

2.1 Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất truyền thống 9

2.1.1 Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên 9

2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo 12

2.1.3 Vị trí đặt thiết bị bù 20

Trang 6

2.1.4 Xác định dung lượng bù 20

2.2.Đề xuất phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất 23

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU BÙ TỤ ĐIỆN TĨNH 26

3.1 Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR 26

3.2 Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC 28

3.2.1 Phương pháp bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí (DVC) 28

3.2.2 Phương pháp bù CSPK sử dụng Thyristors (SVC) 30

3.2.3 Phương pháp bù lai DSVC 30

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÙ COS TĨNH 33

4.1 Thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng kiểu tĩnh FC-TCR 33

4.1.1.Mô hình hóa hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR 33

4.1.2 Tính toán giá trị tụ bù cố định FC 34

4.1.3 Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR 35

4.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK 36

4.1.5 Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 37

4.2.Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink 40

4.2.1 Sơ đồ mô phỏng 40

4.2.2 Kết quả mô phỏng 44

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

Trang 7

DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Thuật ngữ đầy đủ Chú thích

CSPK Công suất phản kháng

CSTD Công suất tác dụng

DSVC Dynamic - Static Var Compensation

FACTS Flexible alternating current transmission

systems

FC Fixed Capacitor

FC-TCR Fixed Capacitor - Thyristor controller

Reactor

SSSC Static Synchronous Series Controllers

kiểu tĩnh

STATCOM Static Synchronous Compensator

TCR Thyristor controller Reactor

TCSC Thyristor Controlled Series Compensation

TSC Thyristor Switched Capacitor

suất phản kháng

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất 38 Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2 39

Trang 9

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Tam giác công suất 4

Hình 2.1 Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ đóng ngắt contactor, rơ le 13

Hình 2.2 Tủ tụ bù tĩnhtrong thực tế 1 15

Hình 2.3 Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2 15

Hình 2.4 Cấu trúc SSSC 16

Hình 2.5 Cấu trúc TCSC 17

Hình 2.6 Cấu trúc STATCOM 18

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM 19

Hình 2.8 Sơ đồ mạng lưới bù công suất phản kháng 20

Hình 2.9 Dung lượng bù CSPK 21

Hình 2.10 Sơ đồ bù CSPK 22

Hình 2.11 Đặc tính V-I của SVC 24

Hình 3.1 Cấu trúc FC-TCR 27

Hình 3.2 Cấu trúc bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí 28

Hình 3.3 Nguyên lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bịchuyển mạch cơ khí 29

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV 31

Hình 4.1 Mô hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR 33

Hình 4.2 Sơ đồ mạch FC-TCR 34

Hình 4.3.Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S 38

Hình 4.4 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn 38

Hình 4.5 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth 39

Hình 4.6 Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR 40

Hình 4.7 Khối nguồn một pha cung cấp cho phụ tải 41

Trang 10

Hình 4.8 Khối Thyristor và thông số 41

Hình 4.9 Khối mô hình đối tượng điều khiển 42

Hình 4.10 Khối phát sung điều khiển 42

Hình 1.11 Khối tính toán công suất tác dụng, phản kháng P, Q 43

Hình 4.12 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 43

Hình 4.13 Đáp ứng cos của hệ thống 44

Hình 4.14 Đáp ứng điện áp điều khiển 45

Hình 4.15 Đáp ứng cos của hệ thống (khi tải thay đổi) 45

Hình 4.16 Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR 46

Hình 4.17 Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR(Khi thay đổi tải) 46

Trang 11

MỞ ĐẦU

Hiện nay, với sự phát triển ngày càng nhanh về công nghiệp và đời sống dân sinh thì nhu cầu năng lượng điện để phục vụ sản xuất và đời sống càng tăng, nên vấn đề nâng cao chất lượng điện năng là yêu cầu cấp thiết Trong các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, thì cos là một trong những yếu

tố quan trọng nhất có ảnh hưởng lớn đến tổn hao công suất và tổn thất điện áp khi truyền tải điện năng

Hệ số công suất coslà tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần (hay còn được gọi là công suất biểu kiến) trong quá trình truyền tải điện năng Công suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết

bị, đơn vị W hoặc kW Công suất toàn phần là tích số của điện áp và dòng điện trên đường dây truyền tải điện năng và bằng căn bậc 2 của công suất tác dụng

và công suất phản kháng Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhưng nó lại cần thiết cho quá trình biển đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc kVAR.Thông thường cos nhỏ hơn 1, do có sự xuất hiện của thành phần công suất phản kháng Về lý thuyết cos phi bằng 1 là tốt nhất, khi đó, công suất tác dụng sẽ bằng với công suất toàn phần Khi thành phần công suất phản kháng xuất hiện, sẽ làm cho công suất toàn phần tăng dẫn đến hệ số công suất cosgiảm khi cùng truyền 1 công suất tác dụng từ nguồn đến tải thì dòng điện trên đường dây tăng Khi dòng điện trên đường dây tăng sẽ làm cho công suất toàn phần tăng, mà công suất tác dụng không đổi, có nghĩa công suất phản kháng tăng làm tăng tổn hao công suất trên điện trở đường dây và sụt điện áp trên tổng trở đường dây, giảm chất lượng điện năng Để giảm tổn hao công suất và tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải điện năng thì việc nâng cao hệ số công suất costrở nên cấp thiết Để nâng cao hệ số công suất cos, thì phải giảm công suất phản kháng bằng cách đưa thêm vào hệ thống điện

Trang 12

một lượng công suất phản kháng ngược với lượng công suất phản kháng mà tải tiêu thụ Phương pháp nàygọi là bù hệ số công suất (bù công suất phản kháng) Trong thực tế, có nhiều phương pháp bù công suất phản kháng đã và đang được áp dụng Trong đó, phương phápsử dụng các bộ biến đổi bằng thyristor

có nhiều ưu thế vượt trội: thiết bị bù tĩnh có khả năng điều chỉnh trơn dung lượng bù, thời gian đáp ứng nhanh Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị bù bằng sử dụng thyristors là tương đối phức tạp và chất lượng bù phụ thuộc nhiều vào thuật toán điều khiển Luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất

Với những phân tích đã nêu, tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết

kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất”

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS

1.1 Công suất & hệ số công suất cos

1.1.1 Các loại công suất trong hệ thống điện

Công suất tác dụng P

Đây là đại lượng đặc trưng cho khả năng biến đổi năng lượng điện thành các dạng năng lượng khác, còn gọi là công hữu ích của thiết bị Công suất tác dụng P là phần thực của công suất biểu kiến S, có đơn vị là W hoặc kW và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.1):

P = R.I2 = U.I.cos = S.cos (1.1)

Q = X.I2 = U.I.sin = S.sin (1.2)

Công suất biểu kiến S

Còn gọi là công suất toàn phần, là công suất truyền tải trên đường dây điện đến thiết bị sử dụng và bằng tích số của giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện Công suất biểu kiến S gồm phần thực công suất tác dụng và phần ảo công suất phản kháng trong mạng điện xoay chiều, có đơn vị là VA hoặc kVA

và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.3):

S = U.I = 2 2

Trang 14

Ba loại công suất được trình bày ở trên có mối quan hệ mật thiết với nhau thông qua mối quan hệ trong tam giác vuông gọi là tam giác công suất như hình 1.1:

Hình 1.1 Tam giác công suất

1.1.2 Hệ số công suất cosφ

Hệ số công suất cosφ hay còn gọi là cosφ (PF), là hàm số lượng giác cos của góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch Hoặc hệ số công suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác dụng P (W)và công suất biểu kiến S (VA)

P

PF = cosφ =

1.2 Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ

Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến áp) Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát điện (tính bằng KVA) Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác dụng P càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích Có thể thấy rằng, việc duy trì cosφ ~1 sẽ giúp máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả Trên thực tế, hệ số công suất có giá trị bằng bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết

bị sử dụng điện) Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng

Trang 15

cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần còn thiếu khi sử dụng, khách hàng tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm thiết bị bù công suất phản kháng (thông thường tải có tính chất cảm nên thường sử dụng tụ bù)

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải, ta lại phải quan tâm đến dòng điện truyền tải trên đường dây.Dòng điện này sẽ làm tổn hao công suất tác dụng trên đường dây (nóng dây) và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây truyền tải

Nếu xét trong hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức: S= U.I

Nếu xét trong hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức: S = √3 𝑈 𝐼 , với U là điện áp dây, I là dòng điện dây

Cả trong hệ thống lưới điện 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với công suất biểu kiến S Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng gộp lại tạo nên Từ đó ta có nhận xét:

Nếu như cùng 1 tải, ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay tại tải, đường dây chỉ truyền tải dòng điện của công suất tác dụng thì chắc chắn sẽ giảm được tổn thất công suất trên đường dây (đường dây sẽ mát hơn)

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất

Theo biểu thức (1.6) và (1.7), ta có thể thấy hệ số công suất cosφ chịu sự ảnh hưởng bởi cả ba loại công suất Trong đó:

Công suất biểu kiến S còn gọi công suất toàn phần, được các nhà máy điện sản xuất và cấp phát, là đại lượng phụ thuộc vào nơi cấp và nguồn cấp phát

Công suất tác dụng P còn gọi là công suất tác dụng là công suất thực phụ tải sử dụng và thay đổi theo yêu cầu của phụ tải

Trang 16

Công suất phản kháng Q còn được gọi là công suất vô ích (vô công) gây

ra do các thành phần có tính cảm và dung của các loại phụ tải trong mạng điện như: Động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp, cuộn dây, các bộ tụ điện, Khi thành phần công suất vô công lớn làm cho công suất toàn phần tăng, dẫn đến dòng điện trên đường dây truyền tải tăng, làm tăng tổn hao năng lượng trên đường dây.Mặc dù thành phần công suất vô công gây ra tổn thất điện năng không đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ tải trong truyền tải và tiêu thụ, nhưng nó là thành phần cần thiết trong quá trình biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác Tuy nhiên, thành phần công suất vô công mà nguồn cấp cho tải có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt các thành phần cảm kháng hoặc dung kháng trong mạng điện hoặc nơi tiêu thụ

Thành phần vô công bao gồm 2 loại: là thành phần vô công mang tính cảm: Đối với các máy phát, thiết bị mang tính cảm (các loại động cơ điện, cuộn dây, ) và thành phần vô công mang tính dung:Đối với các máy phát, thiết bị mang tính dung (các loại tụ, )

Thành phần công suất vô công mang tính cảm tạo ra dòng điện vô công mang tính cảm làm cho dòng điện chậm pha so với điện áp (góc φ dương) Ngược lại thành phần công suất vô công mang tính dung tạo dòng điện vô công mang tính dung làm cho dòng điện vượt pha so vói điện áp (góc φ âm) Trong mạng điện, công suất phản kháng bằng trị số của công suất phản kháng mang tính cảm trừ đi trị số của công suất phản kháng mang tính dung

Trên thực tế, phụ tải của mạng điện thường yêu cầu các thành phần vô công mang tính cảm (các động cơ điện, các cuộn dây, trong mạng điện công nghiệp và sinh hoạt), do đó dòng điện trên đường dây truyền tải điện năng thường chậm pha so với điện áp Nếu sử dụng nhiều thiết bị yêu cầu công suất phản kháng lớn thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp tăng (góc φ tăng), dẫn đến giảm hệ số công suất làm tăng tổn hao khi truyền tải điện năng Để

Trang 17

giảm tổn hao điện năng khi truyền tải, phân phối và tiêu thụ thì buộc phải giảm công suất phản kháng truyền từ nguồn đến tải để tăng hệ số công suất cosφ từ

đó tăng được hiệu suất sử dụng năng lượng

1.4 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ

Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lên, đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên Vì vậy việc

bù công suất phản kháng cho lưới điện sẽ có những ý nghĩa quan trọng sau:

- Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện

- Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện

- Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp

1.4.1 Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện

Ta có tổn thất công suất trên đường dây được xác định theo công thức:

1.4.2 Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện

Tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức (1.9):

) ( )

U X

U

Q R U

P U

QX PR

Khi ta giảm Q trên đường dây, ta giảm được thành phần U(Q) do Q gây

ra Từ đó nâng cao chất lượng điện áp cho lưới điện

Trang 18

1.4.3 Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp

Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau:

(1.10)

Từ công thức (1.10) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng (P) của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng(Q) phải tải đi Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến

áp, nếu lượng công suất phản kháng(Q) phải truyền tải giảm thì khả năng truyền tải công suất tác dụng(P) sẽ tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện

Việc bù công suất phản kháng (Q) ngoài việc nâng cao được hệ số công suất cosφ còn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu sử dụng làm dây dẫn,tiết kiệm được chi phải đầu tư xây dựng, lắp đặt lưới điện

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 của luận văn giới thiệu những khái niệm cơ bản về các loại công suất, mối quan hệ giữa các loại công suất, khái niệm về hệ số công suất cos trong mạch điện Luận văn cũng nêu ảnh hưởng của hệ số công suất cos đến chất lượng điện năng mà cụ thể là tổn thất điện áp và tổn thất công suất khi truyền tải điện năng; ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất khi truyền tải điện năng: Giảm tổn thất điện áp; giảm tổn thất công suất; tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến

áp

Trang 19

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CÔNG SUẤT

Việc nâng cao hệ số công suất coslà nhằm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây của hệ thống cung cấp điện đến tải.Để làm được điều này, trong thực tế có 2 biện pháp:

- Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên(biện pháp tự nhiên): Đây là thực chất là nhóm các phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện để tự

bù công suất phản kháng cho nhau nhằm giảm lượng Q đòi hỏi từ nguồn

- Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù: Không yêu cầu giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà thực hiện việc bù công suất Q ngay tại đầu nguồn cung cấp cho các phụ tải nhằm giảm lượng Q phải truyền tải trên đường dây Phương pháp này được thực hiện sau khi đã thực hiện biện pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù

2.1 Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất truyền thống

2.1.1 Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên

Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để phụ tải tiêu thụ điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn cung cấp Các phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên:

- Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động

cơ có công suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ công suất phản kháng:

𝑄 = 𝑄𝑘𝑡 + ∆𝑄đ𝑚𝑘𝑝𝑡2 (2.1) Với công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với

Qđm) và có thể xác định theobiểu thức:

Trang 20

𝐼𝑘𝑡–làdòng điện không tải của động cơ

𝐾𝑝𝑡–làhệ số mang tải của động cơ 𝐾𝑝𝑡 = 𝑃

Từ đây ta có hệ số công suất được xác định theo biểu thức (2.4):

Do đó ta thấy rằng𝑘𝑝𝑡 giảm → cosφcũng giảm

Ví dụ: Một động cơcosφ = 0.85khi 𝑘𝑝𝑡= 1; cosφ = 0,6 khi 𝑘𝑝𝑡= 0.6; cosφ

= 0,5 khi 𝑘𝑝𝑡 = 0.3

Khi có động cơ không đồng bộ làm việc ở trạng thái non tải, ta cần phải dựa vào mức độ tải để quyết định việc thay thế Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng:

𝑘𝑝𝑡 <0.45 việc thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn bao giờ cũng có lợi

𝑘𝑝𝑡 >0.7việc thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ không có lợi 0.45 < 𝑘𝑝𝑡 < 0.7việc có tiến hành thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn phải dựa trên việc so sánh kinh tế

- Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn Khi đó công suất phản kháng cho động cơ không đồng bộ được xác định theo biểu thức:

𝑄 = 𝑘𝑈

2

𝜇 𝑓 𝑉

(2.5)

Trang 21

Trong đó:

k - hằng số;

U - điện áp đặt vào động cơ;

μ - hệ số dẫn từ của mạch từ;

f - tần số dòng điện;

V - thể tích mạch từ

Các phương pháp giảm điện áp đặt vào động cơ không đồng bộ 3 phatrong thực tế:

- Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y

- Thay đổi cách phân nhóm dây quấn stato

- Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp hạ áp

Chú ý: Các biện pháp này thực hiện tốt đối với các động cơ có điện áp

U< 0,3÷ 0,4 kV Bên cạnh đó khi đổi nối ∆ → Y, điện áp giảm 3 lần, dòng điện tăng 3 lần nhưng mômen sẽ giảm đi 3 lần, do đó phải kiểm tra điều kiện quá tải và khởi động sau đó

Các động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải trong thực tế có thể gặp như các động cơ của máy công cụ khi làm việc có thời gian chạy không tải xen lẫn thời gian mang tải (chiếm tới 50 - 60 %) Do vậy, nếu giảm thời gian chạy không tải hoặc non tải sẽ tránh được tổn thất công suất (nâng cao hệ số cos).Quá trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy.Thực tế vận hành cho thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ lớn hơn 10 giây thì việc cắt động cơ ra khỏi nguồn điện là có lợi.Vì vậy trong thực tế người ta có thể sử dụng các biện pháp sau để giảm tổn thất công suất (nâng cao hệ số cos): Thao tác hợp lý, hạn chế thời gian chạy không tải hoặc đặt bộ hạn chế chạy không tải

- Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với máy

có công suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ Hệ số công suất cao, có thể

Trang 22

làm việc ở chế độ quá kích từ → máy bù công suất phản kháng, góp phần sự

ổn định của hệ thống.Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp, dẫn tới ít ảnh hưởng đến dao động điện áp.Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ thuộc vào phụ tải nên năng suất làm việc cao.Tuy nhiên thực tế có nhược điểm

là cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số động

cơ

2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo

Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến hành sau khi thực hiện các biện pháp tự nhiên không đạt được yêu cầu.Thiết bị bù sử dụng hai loại thiết bị bù chính là tụ điện tĩnh (vì trong thực tế hầu hết tổng các phụ tải tiêu thụ điện đều

có tính chất cảm kháng) và máy bù đồng bộ.Hai loại thiết bị này có những ưu nhược điểm gần như trái ngược nhau Tùy theo yêu cầu của phụ tải và mạng điện cung cấp có thể lựa chọn thiết bị bù phù hợp Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ởcác hộ tiêu thụ điện Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

- Có khả năng phát và tiêu thụ được công suất phản kháng

- Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt, chủ yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (điều chỉnh được dễ dàng)

- Lắp đặt vận hành phức tạp, dễ gây sự cố (vì có bộ phần quay)

- Máy bù đồng bộ tiêu thụ công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015÷0,02 kW/kVAr

Trang 23

- Giá tiền đơn vị CSPK thay đổi theo dung lượng Nếu dung lượng nhỏ thì sẽ đắt Vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên

* Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra CSPK, đồng

thời cũng có khả năng tiêu thụ CSPK của mạng điện

*Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dưỡng và vận

hành phức tạp Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn

2.1.2.2.Tụ bù tĩnh

Giá tiền cho một đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như không thay đổi theo dung lượng, do đó thuận tiện cho chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ đặt sâu về phía phụ tải Tiêu thụ rất ít công suất tác dụng khoảng 0,003 – 0,005 kW/kVAr Vận hành lắp đặt đơn giản, ít gây ra sự cố Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ.Chỉ phát công suất phản kháng và không có khả năng điều chỉnh.Mạng điện xí nghiệp chỉ nên sử dụng tụ điện tĩnh, còn máy bù đồng bộ chỉ được dùng ở phía hạ áp (6–10 kV) của các trạm trung gian

a) Phương pháp bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhau và các bộ đóng ngắt contactor, rơ le

Hình 2.1 Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ

đóng ngắt contactor, rơ le

Trang 24

Thông thường dùng 6 cấp tụ bù (hoặc 12 cấp) tùy theo số lượng tải Trên thực tế, điện cảm L của tải luôn thay đổi, tức là XL thay đổi Vậy mong muốn cosφ ≈ 1 thì đại lượng XC cũng cần thay đổi theo

Ưu điểm: Gọn nhẹ, làm việc êm dịu, tiêu thụ công suất tác dụng ít, có

thể thay đổi dung lượng bù theo một số cấp

Nhược điểm: Không linh hoạt; độ tin cậy thấp; không thể điều chỉnh trơn

dung lượng bù nên thường gây ra hiện tượng bù thừa hoặc thiếu khi làm việc;

bị ảnh hưởng lớn bởi sóng hài bậc cao; thường xuyên phải kiểm tra chế độ làm việc của bộ đóng cắt; tuổi thọ thiết bị không cao

Trang 25

Một số hình ảnh về tủ bù cosbằng các bộ tụ điện thực tế:

Hình 2.2 Tủ tụ bù tĩnhtrong thực tế 1

Hình 2.3 Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2

Trang 26

c) Phương pháp sử dụng các thiết bị bù trong FACTS

FACTS là tập hợp nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng các phần tử điện công suất lớn Có thể chia các thiết bị này theo các đầu nối: nhóm mắc nối tiếp và nhóm mắc song song

Nhóm mắc nối tiếp:

Điều khiển công suất phản kháng chảy qua điểm kết nối thông qua điều khiển biên độ, góc pha điện áp nguồn

Bộ bù tĩnh đồng bộ nối tiếp (SSSC: Static Synchronous Series Controllers)

Cấu trúc của SSSC bao gồm bộ VSC, tụ điện 1 chiều, máy biến áp kết nốinối tiếp vào hệ thống điện.Nó dùng để điều khiển dòng công suất và cải thiện dao động công suất trên lưới Bộ SSSC sẽ bơm một điện áp Us nối tiếp với đường dây truyền tải tại điểm kết nối: Us = U1 – U2 = Ud + jUq

Hình 2.4 Cấu trúc SSSC

Vì SSSC không tiêu thụ công suất tác dụng từ nguồn nên Us bơm vào cần phải vuông góc với dòng điện đường dây Như vậy bằng cách thay đổi góc phacủa điện áp Uq(hay dấu của Uq) bơm vào đường dây SSSC sẽ phát hay hấp thụ công suất phản kháng

Khi Uq> 0 SSSC phát công suất phản kháng

Khi Uq< 0 SSSC tiêu thụ công suất phản kháng

Trang 27

Việc thay đổi điện áp này được thực hiện bằng bộ VSC nối bên thứ cấp của máy biến áp.Bộ VSC sử dụng các linh kiện điện tử công suất (GTO, IGBT)

để tạo ra điện áp từ nguồn một chiều

Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation):

TCSC là thiết bị nối tiếp trong FACTS.TCSC điều khiển điện kháng X của đường dây thông qua việc dùng thyristor điểu khiển đóng cắt dãy tụ kết nối vào đường dây

Chức năng của TCSC: Giảm dao động điện áp, tăng khả năng truyền tải đường dây bằng cách bù công suất phản kháng, hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong hệ thống điện

Hình 2.5 Cấu trúc TCSC

Nhóm mắc song song:

Điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù

Bộ bù tĩnh ( SVC: Static Var Compensation )

SVC điều chỉnh điện áp ở cực của nó bằng cách điều khiển lượng công suất phản kháng bơm vào hay hút ra từ công suất hệ thống Khi điện áp hệ thống thấp SVC phát công suất phản kháng, khi điện áp cao nó hấp thụ công suất phản kháng.Việc thay đổi công suất phản kháng thực hiện bằng việc chuyển mạch các tụ và cuộn kháng nối ở phía thứ cấp máy biến áp.Việc đóng cắt này được thực hiện bằng các thyristor

Trang 28

Bộ bù tĩnh SVC được chia làm 2 loại theo thành phần của mạch: TCR và TSC-TCR Các phần tử chính của SVC:Tụ đóng mở bằng thyristor (TSC: Thyristor Switched Capacitor).Điện cảm điều chỉnh bằng thyristor (TCR: Thyristor controller Reactor ).Tụ điện cố định (FC: Fixed Capacitor)

FC-Ưu điểm:Điều khiển điện áp và dòng công suất phản kháng tại điểm kết

nối giúp tăng khả năng truyền tải đường dây Có thể điều chỉnh trơn dung lượng

bù, tăng độ ổn định cung cấp điện, giảm dao động công suất tác dụng khi có sự

cố như ngắn mạch, mất tải đột ngột Thiết bị lắp đặt gọn nhé, không quay, làm việc ổn định, có độ linh hoạt cao

Nhược điểm: Dải điều chỉnh hạn chế do sử dụng dãy tụ điện, cảm kháng,

thuật toán điều khiển phức tạp

Bộ bù đồng bộ tĩnh mắc song song (Statcom: Static Synchronous Compensator)

Statcom điều chỉnh điện áp ở đầu cực của nó bằng cách điều khiển lượng công suất phản kháng bơm vào hay hấp thụ từ hệ thống Khi điện áp thấp Statcom phát công suất phản kháng, ngược lại khi điện áp cao Statcom tiêu thụ công suất phản kháng

Trang 29

này được lấy từ tụ điện Nguyên lý hoạt động của Statcom được thể hiện như hình dưới:

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM

Công suất tác dụng và công suất phản kháng trao đổi giữa hai nguồn U1

và U2 Trong đó: U1 là điện áp hệ thống cần điều chỉnh; U2 là điện áp phát ra từ Statcom

Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi statcom U2 là cùng pha với U1 để chỉ truyền công suất phản kháng Nếu U2< U1 thì Q chảy từ U1

đến U2 (Statcom hấp thụ CSPK).Ngược lại nếu U1< U2 thì Q chảy từ U2 đến U1

(Statcom phát CSPK)

* Ưu điểm: Công suất bé, không có phần quay nên dễ bảo dưỡng và vận

hành Có thể thay đổi dung lượng bộ tụ theo sự phát triển của tải Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ

* Nhược điểm: Nhạy cảm với sự biến động của điện áp và kém chắc

chắn, đặc biệt dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức Tuổi thọ tụ có giới hạn, sẽ bị hư sau nhiều năm làm việc.Khi đóng tụ vào mạng điện sẽ có dòng điện xung, còn lúc cắt tụ điện khỏi mạng trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành.Sử dụng tụ điện

ở các hộ tiêu thụ CSPK vừa và nhỏ (dưới 5000 kVAr)

Định dạng
Số trang	59
Dung lượng	2,27 MB