Luận văn Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của việc ứng dụng thiết bị bù có điều khiển SVC trong hệ thống điện của khu gang thép Thái Nguyên

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA VIỆC ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Ngành : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số :23.04.3898 VŨ THỊ THÙY NINH Thái nguyên 2008 MỤC LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Các chữ viết tắt và ký hiệu Mở đầu Chương I: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp công suất lớn I.1: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp công suất lớn I.2: Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp I.2.1. Hệ số công suất và sự điều chỉnh I.2.1.1. Hệ số công suất I.2.1.2. Điều chỉnh hệ số công suất I.2.2: Điều chỉnh điện áp I.2.2.1: Nguyên tắc điều chỉnh điện áp I.2.2.2. Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp. I.2.2.3. Đặc tính gần đúng của công suất phản kháng Chương II: Tổng quan về công nghệ FACTS II.1. Đặt vấn đề II.2. Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS II.2.1. Các ưu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS II.2.2. Phân loại thiết bị FACTS II.3. Một số thiết bị FACTS II.3.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC) II.3.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC) II.3.3.Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM) Trang 1 2 6 6 7 8 8 9 11 11 14 16 28 28 28 28 29 30 30 32 33 MỤC LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên II.3.4. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR) II.3.5. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC) II.4. Khả năng áp dụng thiết bị FACTS tại Việt Nam Chương III: Các thiết bị bù công suất phản kháng và hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC) III.1: Các thiết bị bù công suất phản kháng III.1.1: Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện III.1.2: Các thiết bị bù điều khiển bằng thyristor III.2: Hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC III.2.1: Đặc tính điều chỉnh của SVC III.2.2: Đặc tính làm việc của SVC III.3: Một số ảnh hưởng phụ của SVC Chương IV: Đánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu gang thép Thái Nguyên IV.1: Mở đầu IV.2: Căn cứ thiết kế hệ thống SVC IV.2.1: Các thông số trạm biến thế Gia Sàng và trạm biến thế cấp điện của Gang thép IV.2.2: Các thông số của biến áp lò điện IV.2.3: Trở kháng và điện kháng hạn dòng của mạch ngắn lò điện IV.2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được IV.2.5: Hệ thống cấp điện của Công ty Gang thép Thái Nguyên Việt Nam IV.3. Phân tích ảnh hưởng của cụm lò điện hồ quang tới chất lượng điện của lưới điện cung cấp điện 35 36 38 40 40 40 43 48 48 57 59 61 61 62 63 63 64 64 67 71 MỤC LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên IV.3.1: Ảnh hưởng chất lượng điện trong lưới cấp điện hiện nay của Công ty Gang thép Thái Nguyên IV.3.2: Ảnh hưởng của hệ thống cấp điện tương lai không có SVC đối với chất lượng điện năng của lưới điện IV.4: Xác định phương án SVC IV.5: Khả năng được cải thiện về chất lượng điện năng của mạng điện đối với hệ thống cung cấp điện gang thép sau này khi dã được lắp thêm SVC IV.6: Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng SVC tại khu gang thép Thái Nguyên. Kết luận chung Tài liệu tham khảo Phụ lục 72 77 84 84 86 95 96 97 CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1 CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CĐXL CSPK CSTD HTĐ HTCCĐ FACTS GTO MBA STATCOM SVC TCPAR TCR TCSC TSR TSC UPFC Chế độ xác lập Công suất phản kháng Công suất tác dụng Hệ thống điện Hệ thống cung cấp điện Flexible AC Transmission Systems - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt Gate Turn - Off Thyristor - Khóa đóng mở Máy biến áp Static Synchronous Compensator - Thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor Thyristor Controlled Phase Angle Regulator - Thiết bị điều chỉnh góc lệch pha của điện áp Thyristor Controlled Reactor - kháng điện điều khiển bằng thyristor Thyristor Controlled Series Compensator - Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor Thyristor Switched Reactor - Kháng điện đóng mở bằng thyristor Thyristor Switched Capacitor - Tụ điện đóng mở bằng thyristor Unified Power Flow Control - Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 MỞ ĐẦU 1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài Trong chế độ vận hành bình thường của HTĐ (vận hành ở trạng thái ổn định) việc sản xuất công suất tác dụng (CSTD) phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ (kể cả các tổn thất), nếu không thì tần số hệ thống sẽ bị thay đổi. Cũng vậy, có một sự gắn bó chặt chẽ giữa điều kiện cân bằng công suất phản kháng (CSPK) với điện áp các nút hệ thống. Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó quá thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng quá điện áp (điện áp quá cao), ngược lại, thiếu CSPK điện áp sẽ bị sụt thấp. Nói khác đi, cũng như đối với công suất tác dụng, CSPK luôn phải được điều chỉnh đề giữ cân bằng. Việc điều chỉnh CSPK cũng là yêu cầu cần thiết nhằm giảm nhỏ tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống. Tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản giữa điều chỉnh CSTD và điều chỉnh CSPK. Tần số hệ thống sẽ được đảm bảo bằng việc điều chỉnh CSTD ở bất kỳ máy phát điện nào (miễn sao giữ được cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất tiêu thụ). Trong khi đó, điện áp các nút hệ thống không bằng nhau, chúng phụ thuộc điều kiện cân bằng CSPK theo từng khu vực. Như vậy nguồn CSPK cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo từng khu vực. Điều này giải thích vì sao, ngoài các máy phát điện cần phải có một số lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng: Máy bù đồng bộ, tụ điện, kháng điện... Chúng được lắp đặt và điều chỉnh ở nhiều vị trí trong lưới truyền tải và phân phối điện (gọi là các thiết bị bù CSPK). Trước đây, việc điều chỉnh CSPK của các thiết bị bù thường được thực hiện đơn giản: Thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bù đồng bộ). Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô hoặc theo tốc độ chậm. Kỹ thuật thyristor công suất lớn đó mở ra những khả năng mới, trong đó việc ra đời và ứng MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 dụng các thiết bị bù tĩnh điều chỉnh nhanh công suất lớn - SVC (Static Var Compensator), TCSC (Thyristor Controled Serie Capacitor) đó giải quyết được những yêu cầu mà các thiết bị bù cổ điển chưa đáp ứng được, như tự động điều chỉnh điện áp các nút, giảm dao động công suất nâng cao ổn định hệ thống. Việc ứng dụng các thiết bị bù CSPK chất lượng cao điều khiển bằng thyristor đã trở thành một nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao tính ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) nói chung cũng như đối với các phụ tải có công suất phản kháng thay đổi nhanh như lò nung hồ quang điện. Với ý nghĩa trên, mục đích của đề tài luận văn được xác định là: + Nghiên cứu tìm hiểu các đặc điểm, tính năng hoạt động, chế độ làm việc và mô hình tính toán của các thiết bị tự động điều chỉnh linh hoạt (FACTS) đặc biệt là thiết bị bù điều chỉnh nhanh (SVC) trong HTCCĐ + Nghiên cứu, đánh giá, xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của SVC khi được lắp đặt vào HTCCĐ khu Gang thép Thái Nguyên. 2. Nội dung luận văn Với mục tiêu nêu trên, luận văn được trình bày trong bốn chương: Chương I : Đặc điểm tiêu thụ điện của hệ thống điện công suất lớn và lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng. Chương II: Tổng quan về công nghệ FACTS Chương III: Các thiết bị bù công suất phản kháng và hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 Chương IV: Đánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu Gang thép Thái Nguyên. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hiệu quả của việc ứng dụng các thiết bị bù tới lưới điện khu Gang thép Thái Nguyên. 4 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên sử dụng phối hợp các nhóm phương pháp: Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tư liệu kỹ thuật để phân tích, tổng hợp những vấn đề có liên quan tới đề tài. Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn tại xí nghiệp Năng lượng: Điều tra, khảo sát, lắp đặt kỹ thuật,... để củng cố thêm độ tin cậy, chính xác của kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn Các kết quả nghiên cứu của luận văn nhằm tìm hiểu sâu về công nghệ FACTS, đặc biệt chú ý công nghệ SVC và mô hình hoá các thiết bị FACTS trong các phương trình cơ bản tính toán chế độ xác lập (CĐXL) của HTCCĐ. Đi sâu nghiên cứu các ảnh hưởng của chế độ làm việc lò hồ quang đối với hệ thống cung cấp điện như: Dao động điện áp, méo hình sin, ảnh hưởng của sóng, sung kích vô công, tác hại của thứ tự nghịch (âm)... Từ đó để ứng dụng SVC đối với phụ tải khu gang thép Thái Nguyên để giảm thiếu các tác động nêu trên và nghiên cứu tính toán hiệu quả kinh tế của SVC đối với hệ thống điện khu gang thép Thái Nguyên. MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và 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 TS. Nguyễn Mạnh Hiến, người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 CHƯƠNG I ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƯỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN I.1: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp công suất lớn Điện năng là dạng năng lƣợng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp, nơi tiêu thụ khoảng 50 sản lƣợng điện năng của cả nƣớc. Vì vậy, việc cung cấp và sử dụng điện hợp lý trong lĩnh vực này có ý nghĩa rất to lớn đối với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Các xí nghiệp công nghiệp có đặc điểm chung là có phụ tải điện lớn; yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao; thiết bị dùng điện đƣợc tập trung với mật độ cao, làm việc với tải gần định mức, dùng cả điện áp xoay chiều và điện áp một chiều, tần số công nghiệp (50Hz); làm việc liên tục trong suốt năm và ít phụ thuộc vào tính chất mùa vụ. Tuy vậy, do quá trình công nghệ của xí nghiệp rất khác nhau nên đặc điểm tiêu thụ điện và hệ thống cung cấp điện của chúng cũng mang nhiều đặc điểm riêng biệt khác nhau. Trong phần lớn các phụ tải điện công nghiệp thì lò nung hồ quang điện là loại phụ tải tiêu thụ điện lớn nhất, quá trình vận hành của nó thƣờng kéo theo sự dao động điện áp và dao động công suất rất lớn. Để sử dụng điện năng có hiệu quả trong các lò hồ quang luyện thép thì các vấn đề phải đƣợc giải quyết một cách tổng thể và đồng bộ, đặc biệt là cần phải quan tâm đến các vấn đề ổn định điện áp, hiệu chỉnh hệ số công suất và lọc sóng điều hoà ... Ổn định điện áp cải thiện đáng kể chế độ vận hành của lò luyện, làm gia tăng công suất cực đại dẫn đến tăng năng suất sản phẩm. Ngoài ra, trong trƣờng hợp lò hồ quang ngắn cũng cho phép lò làm việc với cùng một mức công suất cực đại, nhƣng giảm thiểu đƣợc mức độ khó nóng chảy của vỏ bọc bên ngoài phôi thép, giúp hạn chế “chớp nháy” điện áp. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 Các giải pháp đƣợc sử dụng để ổn định điện áp bao gồm: việc đấu nối lò vào lƣới có điện áp cao hơn hoặc sử dụng các thiết bị phụ trợ nhƣ máy bù đồng bộ với điện kháng đệm, thiết bị điều khiển thyristor tốc độ cao hiện đại hoặc điện kháng bão hoà. Đấu nối lò điện vào lƣới điện có điện áp cao hơn thƣờng rất đắt và đôi khi là không thực tế. Đáp ứng nhanh của thiết bị bù tốc độ cao giúp giải quyết vấn đề đối nghịch giữa đặc tính lò điện và việc giảm chớp nháy của tổ hợp máy bù đồng bộ với điện kháng đệm. Vì vậy, có thể nói trong một số trƣờng hợp, việc sử dụng thiết bị bù điều khiển bằng thyristor hoặc bù bằng điện kháng bão hoà sẽ là giải pháp ổn định điện áp lò điện mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nhất. I.2: Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp Mục tiêu đầu tiên của lý thuyết bù phụ tải là giải thích mối quan hệ giữa hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ), phụ tải và thiết bị bù nhằm để đạt ba mục tiêu: + Điều chỉnh hệ số công suất + Củng cố sự điều áp + Cân bằng phụ tải. Có thể nêu đặc trƣng hoặc thiết lập mô hình của hệ thống cung cấp, phụ tải và thiết bị bù theo nhiều cách. Hệ thống cung cấp có thể đƣợc đặc trƣng nhƣ một mạch tƣơng đƣơng Thevenin với một điện trở hở mạch, một tổng trở nối tiếp các yêu cầu về dòng điện hay công suất, công suất phản kháng ( hay hệ số công suất). Thiết bị bù có thể đƣợc mô hình hoá thay đổi hay một nguồn công suất phản kháng. Việc lựa chọn mô hình sử dụng cho mỗi thành phần có thể thay đổi theo yêu cầu và đƣợc kết hợp theo nhiều cách. Các mô hình khác nhau của mỗi thành phần tƣơng đƣơng với nhau có thể chuyển đổi qua lại. Đầu tiên, lý thuyết đƣợc phát triển ở các điều kiện tĩnh hay gần tĩnh với giả thiết là các tải và các đặc tính hệ thống đƣợc hiểu ngầm là chúng không thay đổi hay thay CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 đổi chậm để sử dụng các phƣơng trình pha. Điều này làm việc phân tích trở nên đơn giản hơn. Trong hầu hết các trƣờng hợp thực tế, các phƣơng trình pha tĩnh hay gần tĩnh đủ để xác định các đặc tính bên ngoài và định mức của thiết bị bù. Đối với các phụ tải có công suất và công suất phản kháng thay đổi rất nhanh (chẳng hạn nhƣ lò hồ quang điện), các phƣơng trình pha hoàn toàn không hiệu quả, để nghiên cứu chúng cần sử dụng các phƣơng pháp đặc biệt. I.2.1. Hệ số công suất và sự điều chỉnh I.2.1.1. Hệ số công suất Có thể mô tả một pha nhƣ hình 1a, ta có tổng dẫn YL = GL + jBL đƣợc cung cấp từ điện áp U, dòng điện tải là IL, ta có: IL = U.( GL + jBL ) = U.GL + jU.BL = IR + jIX (1) Cả U và IL đều là các phần tử pha và phƣơng trình (1) đƣợc thể hiện trong đồ thị pha hình 1b, trong đó U là véc tơ điện áp chuẩn. Dòng điện tải IL có thành phần tác dụng IR cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng IX vuông góc với U góc giữa U và IL là L Công suất biểu kiến: SL = U.IL = U 2 .GL- j U 2 .BL = PL + jQL (1.2) b Hình 1.1 a) QL SL L c GL + jBL U IS IR IL IX L PL ~ . * CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 Công suất biểu kiến có một thành phần thực PL ( công suất biểu kiến có ích để chuyển thành phần nhiệt, công cơ học, ánh sáng hoặc các dạng khác của năng lƣợng ) và một thành phần công suất phản kháng QL ( công suất phản kháng không chuyển đƣợc thành các dạng năng lƣợng có ích, nhƣng sự hiện diện của nó là một nhu cầu cần thiết của tải ). Quan hệ giữa SL, PL, và QL đƣợc thể hiện ở hình 1.1c. Đối với tải trễ ( cảm ứng ) theo qui ƣớc PL dƣơng và QL âm. Dòng điện IS = IL do hệ thống cung cấp là lớn hơn dòng điện cần thiết để cung cấp riêng cho công suất thực, bởi hệ số: R L I I = Lcos 1 (1.3) Ở đây cos L là hệ số công suất, gọi thế là vì: cos L = L L S P = 22 LL L QP P (1.4) Nhƣ vậy cos L là tỷ lệ của công suất biểu kiến có thể chuyển đổi một cách hữu ích các dạng năng lƣợng khác. I.2.1.2. Điều chỉnh hệ số công suất Nguyên tắc điều chỉnh hệ số công suất là bù công suất phản kháng, tức là cung cấp tại chỗ bằng cách nối song song với tải một thiết bị bù có tổng dẫn phản kháng đơn thuần –jBL. Để minh hoạ điều này xem hình 1.2 minh hoạ việc điều chỉnh hệ số công suất. Q1 Hình 1.2 Q1 Q2 = Q1 - Qc P1 P1 Tải a) S1 S2 P1 Qc Q2 b) 2 1 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 Một phụ tải P1 + jQ1 có hệ số công suất cos 1 = 2 1 2 1 1 QP P , khi đƣợc cung cấp một lƣợng công suất phản kháng QC, hệ số công suất đƣợc cải thiện từ cos 1 thành cos 2 , với cos 2 = 2 1 2 1 1 )( CQQP P (1.5) Hình 1.3 và 1.4 minh hoạ sự thay đổi của thành phần công suất phản kháng khi tăng thêm với mỗi 10 thay đổi của hệ số công suất. Lƣu ý, trong minh hoạ ở hình 1.3, ngay cả khi hệ số công suất là 0,8 thì công suất phản kháng vẫn lớn do nguyên nhân gia tăng thêm 25 trong công suất biểu kiến ( kVA ) của đƣờng dây. Ở hệ số công suất này, 75 kVA của thiết bị bù là cần thiết để khử 75 kVAr của thành phần chậm sau. 100 kW 100 kW 48,43 kVA r 100 kW 75 kVAr 100 kW 102 kVAr 100 kW 133,33 kVAr 100 kVA cos = 1,00 142,86 kVA cos = 0,70 111,11 kVA cos = 0,90 125 kVA cos = 0,80 166,67 kVA cos = 0,60 Hình 1.3. Minh hoạ sự gia tăng nhu cầu của công suất biểu kiến và công suất phản kháng là một hàm số của hệ số công suất, khi giữ công suất tác dụng là một hằng số 100 kW 90 kW 80 kW 70 kW 60 kW 43,59 kVAr 60 kVAr 71,41 kVAr 80 kVAr Hình 1.4. Minh hoạ sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng là một hàm số của hệ số công suất, khi giữ công suất biểu kiến là một hằng số CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 Có thể quan sát từ hình 1.2b, công suất biểu kiến và công suất phản kháng trƣớc và sau khi bù đƣợc biểu thị là S1 ( kVA ) đến S2 ( kVA ) và Q1 ( kVAr ) đến Q2 ( kVAr ) bằng việc cung cấp công suất phản kháng QC, dĩ nhiên việc giảm dòng điện phản kháng đƣa đến làm giảm dòng điện tổng làm giảm tổn thất công suất. Vậy, việc hiệu chỉnh hệ số công suất đƣa đến tiết kiệm về mặt kinh tế là giảm chi phí đầu tƣ và chi phí nhiên liệu thông qua việc giảm công suất và giảm tổn thất công suất trong tất cả các phần tử ở giữa điểm lắp đặt thiết bị bù và nguồn phát, bao gồm đƣờng dây phân phối và trạm biến áp. Hệ số công suất kinh tế là điểm mà tại đó hiệu quả của việc lắp đặt thêm thiết bị bù vừa đúng bằng chi phí của thiết bị bù. Trƣớc đây, hệ số công suất kinh tế này vào khoảng 0,95. Ngày nay, do chi phớ của nhà máy và nhiên liệu cao nên ngƣời ta đó tìm cách đƣa hệ số công suất kinh tế lên đến 1. Tuy nhiên khi hệ số công suất tăng gần đến 1thì hiệu quả thiết bị bù trong việc cải thiện hệ số công suất, giảm việc truyền tải công suất biểu kiến, tăng khả năng tải, giảm tổn thất do việc tăng dòng tải trên đƣờng dây cũng giảm rõ rệt. Do vậy việc hiệu chỉnh hệ số công suất lớn đến 1trở nên đắt hơn so với chi phí kinh tế của việc lắp đặt tụ bù. I.2.2: Điều chỉnh điện áp I.2.2.1: Nguyên tắc điều chỉnh điện áp Việc điều chỉnh điện áp đƣợc xem nhƣ là thay đổi tỷ lệ ( hay trên mỗi đơn vị ) với biên độ điện áp cung cấp đi kèm với mỗi thay đổi của dòng phụ tải đƣợc xác định ( nghĩa là từ không tải đến đầy tải ). Điều này tạo nên sự sụt áp trên tổng trở cung cấp mang dòng điện tải. Nếu hệ thống cung cấp đƣợc biểu diễn bằng mạch tƣơng đƣơng Thevenin một pha ở hình 1.5 thì việc điều chỉnh điện áp đƣợc cho bởi: UUEU UE / với U là điện áp pha chuẩn. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 Khi không có thiết bị bù, sự thay đổi của điện áp cung cấp do dòng điện phụ tải IL gây ra đƣợc biểu diễn ở hình 1.5b là U : U = E – U = ZS.IL với ZS = RS + jXS ( 1.6 ) Từ phƣơng trình 1.2 ta có: IL = U jQP LL U = ( RS + jXS ) U jQP LL Do vậy: Hình 1.5: a) Mạch tƣơng đƣơng của phụ tải và hệ thống cung cấp. b) Đồ thị véc tơ pha cho hình 1.5a ( chƣa có bù ). c) Đồ thị véc tơ cho hình 1.5a ( bù cho điện áp không đổi ) a) E U IS ZS = GS + jBS YL = GL + jBL IL E U IL RU XU U ISRS jISXS L S b) U U E ISRS jISXS IC IS L IL c) Hình 1.5 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 U = U QXPR LSLS .. + j U QRPX LSLS .. = UR + j UX ( 1.7 ) Sự thay đổi điện áp có thành phần UR cùng pha với U và thành phần UX vuông góc với U, đƣợc biểu diễn trên hình 1.5b. Điều này có nghĩa là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, đó là các hàm số của biên độ và pha của dòng điện phụ tải, hay nói cách khác sự thay đổi điện áp phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải. Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho E = U , tức là làm cho sự thay đổi điện áp bằng không hay giữ cho biên độ điện áp không đổi ở giá trị E khi có tải. Điều này đƣợc thể hiện trên hình 1.5c đối với thiết bị bù phản kháng thuần. Công suất phản kháng QL ở phƣơn trình ( 1.2 ) đƣợc thay bằng tổng: QS = QL + QC và QC đƣợc chỉnh định sao cho làm quay đồ thị vectơ pha U cho đến khi E = U . Từ phƣơng trình ( 1.6 ) và ( 1.7 ) ta có: 2 E = 2.. U QXPR U SSLS + 2.. U QRPX SSL ( 1.8 ) Giá trị yêu cầu của QC đƣợc xác định bằng cách giải phƣơng trình ( 1.8) theo QS với E = U, khi đó QC = QS – QL . Từ ( 1.8 ) suy ra: a2QS 2 + bQS + c = 0 ( 1.8 ’ ) Với: a = RS 2 + XS 2 , b = 2U 2 XS, c = ( U 2 + RSPL ) 2 + XS 2 PL 2 – E2U2 Giải phƣơng trình ( 1.8 ’ ) ta đƣợc: QS = a acbb 2 42 Ta thấy rằng ở đây luôn luôn có đáp số cho QS bất kể giá trị nào của PL. Điều này dẫn đến các kết luận quan trọng sau đây: Một thiết bị bù phản kháng thuần tuý có thể loại bỏ sự biến thiên của điện áp nguồn cung cấp gây ra bởi sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 của tải, miễn là có thể điều khiển dễ dàng công suất phản kháng của thiết bị bù trong một phạm vi vừa đủ ( nói chung kể cả chậm sau hay vượt trước ). Ở một tốc độ vừa đủ thì thiết bị bù có thể hoạt động như một bộ điều áp lý tưởng ( cần phải thừa nhận rằng chỉ có biên độ điện áp là điều khiển được, cùng góc pha của nó thay đổi liên tục theo dòng phụ tải ). Ở phần trƣớc chúng ta đã biết là thiết bị bù có thể giảm công suất phản kháng do hệ thống cung cấp về không nhƣ thế nào. Đó là, thay vì làm chức năng điều chỉnh điện áp, thiết bị hoạt động nhƣ một thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất. Nếu thiết bị đƣợc thiết kế để làm điều này, chúng ta có thể thay đổi phƣơng trình ( 1.7 ) bằng: QS = QL + QC = 0. Điện áp thay đổi là: U = U PjXPR LSLS = ( RS + jXS ). U PL ( 1.9 ) Giá trị này độc lập với QL và không bị thiết bị bù điều khiển. Vì vậy: Thiết bị bù công suất phản kháng thuần tuý không thể một lúc vừa duy trì điện áp bằng không đổi vừa duy trì hệ số công suất đồng nhất. Ngoại lệ duy nhất đối với qui tắc này là PL = 0, nhƣng điều này nói chung không thực tế. Điều quan trọng cần chú ý là nguyên tắc này áp dụng cho hệ số công suất tức thời, cũng có thể có một thiết bị bù công suất phản kháng không thuần tuý dùng để duy trì cả điện áp không đổi và hệ số công suất trung bình đồng nhất. I.2.2.2. Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp. Cách biểu diễn của UX và UR trong phƣơng trình ( 1.7 ) đôi lúc đƣợc cho ở dạng hữu ích khác nhƣ sau: Nếu một hệ thống bị ngắn mạch ở thanh cái phụ tải thì công suất ngắn mạch biểu kiến sẽ là: CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 SSC = PSC + jQSC = E.ISC = * 2 SCZ E ( 1.10 ) Trong đó: ZSC = RS + jXS ISC – dòng ngắn mạch Vỡ: * SCZ = ZSC, ta có: RS = SCZ .cos SC = SCS E 2 cos SC ( 1.11 ) Và: XS = SCZ sin SC = SCS E 2 sin SC ( 1.12 ) Với: tg SC = XS / RS ( 1.13 ) Thay ( 1.11 ) v à ( 1.12 ) v ào ( 1.7 ), biến đổi UX và UR theo U và giả thiết E / U 1, ta có: SC R SU U 1 ( PL cos SC + QL sin SC ) ( 1.14 ) SC X 1 U S U ( PL sin SC - QL cos SC ) ( 1.15 ) UX thƣờng đƣợc bỏ qua, chỉ vì nó có khuynh hƣớng tạo ra sự thay đổi ở một pha tại điện áp điểm cung cấp, sự thay đổi về biên độ đƣợc thể hiện bởi UR. Phƣơng trình ( 1.14 ) tuy gần đúng, song lại có lợi vì nó đƣợc biểu diễn theo các đại lƣợng thông thƣờng, đó là: mức độ sự cố hay mức độ ngắn mạch SSC, tỷ số X/R ( tức là tg SC ), công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải PL và QL Để có kết quả chính xác, cách biểu diễn ở phƣơng trình (1.14) phải nhân với 2 2 U E . Đến đây các phƣơng trình đƣợc viết ra nhƣ thể U gắn liền với sự thay đổi toàn bộ từ 0 đến PL hay từ 0 đến QL trong phụ tải.Các phƣơng trình (1.7), ( 1.14 ) và (1.15) cũng có giá trị đối với các thay đổi nhỏ của PL và QL, do vậy: ~ * CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 SC R SU U 1 ( PL cos SC + QL sin SC ) ( 1.16 ) Nếu điện trở RS nhỏ hơn nhiều so với điện kháng XS thì cho phép bỏ qua các thay đổi điện áp gây ra bởi các thay đổi của công suất tác dụng P. Do đó, việc điều chỉnh điện áp đƣợc thực hiện theo phƣơng trình: U RU U U = SC L SC SC L S Q S Q sin ( 1.17 ) Nghĩa là, sự thay đổi điện áp trên mỗi đơn vị bằng tỷ số thay đổi công suất phản kháng theo mức độ ngắn mạch của hệ thống cung cấp.Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đồ thị nhƣ ở hình 1.6 và cho thấy đặc tính điện áp của hệ thống cung cấp ( hay đƣờng tải của hệ thống ) gần nhƣ tuyến tính. Một cách thể hiện khác là: U SC L SC L S Q E S Q E 1 1 ( nếu << SSC ) ( 1.18 ) Mặc dù đặc tính này chỉ gần đúng nhƣng rất có ích vì nó cho thấy sự hoạt động của thiết bị bù sẽ trình bày ở phần dƣới đây. I.2.2.3. Đặc tính gần đúng của công suất phản kháng * Điều áp với phụ tải cảm ứng thay đổi Độ dốc = -E / SSC Đường phụ tải hệ thống U U 0 Q L Hình 1.6. Đặc tính gần đúng của điện áp và công suất phản kháng hệ thống cung cấp. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 Trong phần này chúng ta suy đoán các thuộc tính của một máy bù lý tƣởng dùng để củng cố việc điều áp với tải cảm ứng thay đổi. Tải đƣợc giả thiết là ba pha, cân bằng và biến thiên chậm để có thể sử dụng đồ thị véc tơ mỗi pha hay phƣơng trình gần tĩnh, biến thiên của tải đƣợc giả thiết là nhỏ để cho U << U và cũng giả thiết rằng RS << XS để cho các phƣơng trình gần đúng (1.17) và ( 1.18 ) áp dụng đƣợc. Hình 1.7a cho thấy sự bố trí của hệ thống, thiết bị bù và phụ tải. Đặc tính của hệ thống đƣợc vẽ trên hình 1.7b, đƣờng đặc tính này đi xuống tức là tăng công suất phản kháng QS đƣợc cung cấp bởi hệ thống làm giảm điện áp tại điểm cung cấp, thay QL trong phƣơng trình 1.17 bằng QS = QL + QC ta có: U = E SC S S Q 1 ( 1.19 ) Hay: SC S S Q U U ( 1.20 ) Công suất phản kháng QS đƣợc cung cấp từ hệ thống đƣợc cho bởi: QS = Q + QC ( 1.21) Rõ ràng là nếu công suất phản kháng của thiết bị bù QC thay đổi nhƣ thế nào đó để giữ cho QS không đổi thì điện áp cung cấp có thể không thay đổi. Đặc biệt nếu: QS = QLmax = hằng số ( 1.22 ) Thì U không đổi với giá trị E (1 – QLmax / SSC ) nhƣ trên hình 1.7b. Khi công suất phản kháng QL của tải tăng lên, mức hấp thụ công suất phản kháng của tải giảm xuống, tổng của chúng là hằng số, khi QL = 0 thì thiết bị bù hoạt động hoàn toàn và QLmax, khi QL = QLmax thì thiết bị cắt hoàn toàn và không hấp thụ công suất phản kháng, nhƣ vậy ta có thiết bị bù cảm ứng thuần tuý giữ cho điện áp nguồn không đổi với tải cảm ứng. Bù nhƣ ở hình 1.7b đƣợc gọi là bù hoàn toàn điện áp đƣợc duy trì không đổi trong toàn bộ dải công suất phản kháng của phụ tải. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 QL 1,0 Ump QCmax QCmax QLmax - QLmax 0 c) E U QL QC QS QLmax 0 b) QS QCmax QC U 0 d) Hình 1.7. a) Mạch tƣơng đƣơng một pha cua phụ tải đƣợc bù. b) Đặc tính gần đúng điện áp / công suất phản kháng của hệ thống đƣợc bù hoàn toàn. c) Đặc tính gần đúng điện áp / công suất phản kháng của hệ thống đƣợc bù một phần. d) Đặc tính gần đúng điện áp / công suất phản kháng của thiết bị bù lý tƣởng . e) Đồ thị cân bằng công suất phản kháng ( biến thiên của Q S và QC theo QL ). e) QL QLmax QCmax QCmax QLmax - QLmax QC QS QS 0 U ZS = RS + jXS QS QC QL Thiết bị bù Tải a) E CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Sự điều áp U / U chỉ có thể giữ bằng không nếu định mức công suất phản kháng của thiết bị bù bằng hay vƣợt quá QLmax, nếu công suất phản kháng của thiết bị bù bị giới hạn bởi QLmax ( nhỏ hơn QLmax ), nhƣ vậy khi QL = 0 thì thiết bị bù hấp thụ QLmax và sự điều áp sẽ bằng: SC CL S QQ U U maxmax ( 1.23 ) Tình huống này đƣợc mô tả ở hình 1.27c, đây là bù một phần. Phƣơng trình (1,23) mô tả “ tác động đòn bẩy” mà thiết bị bù ảnh hƣởng lên điện áp hệ thống trong đó giá trị tối đa của U / U có thể gây ra bởi sự thay đổi công suất phản kháng của thiết bị bù từ 0 đến tối đa đƣợc cho bởi –QLmax / SSC. Định mức tối thiểu của thiết bị bù có thể đƣợc chọn sao cho –QLmax / SSC vừa đáp ứng với thay đổi điện áp tối đa cho phép U, do đó: QCmax = QLmax – SSC. U U mp ( 1.24 ) Bây giờ chia 1.7 ra hai thành phần riêng biệt nhƣ hình 1.7c, 1.7d, điều này đƣợc thực hiện nhờ sự hỗ trợ của sơ đồ cân bằng của công suất phản kháng nhƣ hình 1.7e. Hình 1.7c cho thấy sự biến thiên của điện áp tại điểm cung cấp với QL: Nó thể hiện đặc tính của hệ thống có bù và cần đƣợc so sánh với đặc tính của hệ thống không bù của hình 1.7b. Thiết bị bù đƣợc định mức ở QCmax < QLmax và đƣợc điều khiển một cách lý tƣởng sao cho giữ QS không đổi nhƣ phƣơng trình ( 1.22 ), miễn là không vƣợt quá giới hạn định mức của nó, tức là thiết bị bù hoạt động với chức năng một thiết bị điều áp lý tƣởng. Hình 1.27c cho thấy định mức công suất phản kháng của thiết bị bù không cần lớn hơn lƣợng biến thiên của công suất phản kháng của phụ tải, nhằm giữ cho điện áp cung cấp không đổi khi tải thay đổi. Việc này giúp ta tiết kiệm dung lƣợng máy bù trong đó công suất phản kháng của phụ tải thay đổi giữ các giá trị tối đa và một vài giá trị thập phân, ví dụ 0,5 cho mỗi đơn vị, miễn là thiết bị CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 bù có định mức theo phƣơng trình ( 1.24 ) thì dù công suất phản kháng của phụ tải bằng bao nhiêu đi nữa thì sự biến thiên điện áp cung cấp không vƣợt quá Ump. Hai thành phần của hình 1.7c có thể xác định nhƣ một phạm vi không đƣợc điều chỉnh với 0 < QL < ( QLmax - QCmax ) và một phạm vi có điều chỉnh với ( QLmax - QCmax ) < QL < QLmax. Trong phạm vi không điều chỉnh, thiết bị bù hấp thu QCmax và hạn chế sự gia tăng của điện áp đến mức tối đa cho phép Ump, trong phạm vi có điều chỉnh, thiết bị bù duy trì QS = hằng số và U = 0. Đặc tính điều chỉnh của thiết bị bù đƣợc biểu diễn ở hình 1.7d, và không có sự thay đổi điện áp với 0 < QC < QCmax, đƣờng đặc tính này phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Nếu QL nằm dƣới phạm vi điều chỉnh, thiết bị bù chỉ hấp thụ không đổi QCmax bất kể điện áp là bao nhiêu. * Cải thiện hệ số công suất Hệ số công suất trung bình của tải cảm ứng về cơ bản xấu hơn hệ số công suất của tải, ví dụ, nếu công suất phản kháng trung bình của tải QL bằng 1 /2 giá trị tối đa thì công suất phản kháng trung bình do tải cung cấp bởi hệ thống phụ tải đƣợc bù là 2QL, tức là gấp đôi. Để có sự điều áp lý tƣởng cũng nhƣ hệ số công suất trung bình đơn vị, thì thiết bị bù dung kháng là cần thiết, thay vì giữ cho QS = hằng số = QLmax nhƣ ở phƣơng trình( 1.22 ), thiết bị bù phải giữ cho QS = hằng số = 0 ( 1.25 ). Bỏ qua tác động sự thay đổi về công suất phụ tải theo trình tự nhƣ ở mục (a) sẽ cho thấy đặc tính điện áp/ công suất phản kháng của thiết bị bù lý tƣởng, các hình 1.8a đến 1.8d minh hoạ quá trình. Hình 1.8c cho thấy đặc tính thiết bị bù lý tƣởng. Dung lƣợng điện dung tối thiểu của thiết bị bù đƣợc cho bởi phƣơng trình ( 1.24 ) và ngoài phạm vi điều chỉnh của nó thiết bị bù đƣợc giả thiết phát ra công suất CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 phản kháng không đổi QCmax. Điện áp đồng nhất bây giờ đƣợc định nghĩa là để đáp ứng điều kiện bù hoàn toàn, đƣợc qui định ở phƣơng trình ( 1.25 ) và điểm vận hành trung bình là ở U = 1,0 cho mỗi đơn vị với QS = 0. Điểm vận hành U 1,0 QC QL QL QLmax QCmax a) QC QCmax U 1,0 0 c) QS QS QLmax QCmax QC U 1,0 Ump 0 QLmax QCmax QL Điều áp Không điều áp b) d) Hình 1.8: a) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng gần đúng của hệ thống chƣa bù. b) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng gần đúng của hệ thống có bù. c) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng của thiết bị bù lý tƣởng. d) Đồ thị cân bằng công suất phản kháng ( biến thiên của QS và QC theo Q ). CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Thay vì hấp thụ đủ công suất phản kháng để tạo tổng QL = QC đến QLmax thì thiết bị bù trở thành điện dung thuần tuý. Nếu thiết bị bù đƣợc thiết kế để làm thiết bị bù điều chỉnh điện áp lý tƣởng thì QS không phải luôn luôn bằng không vì công suất phụ tải thay đổi. Nói chung tác động này nhỏ. * Độ dốc của công suất phản kháng Nếu công suất phản kháng của phụ tải có thể thay đổi từ vƣợt trƣớc ( phát ) đến chậm sau ( nhận ) thì cần có thiết bị bù có đặc tính điều chỉnh điện áp – công suất phản kháng mở rộng về cả hai góc phần tƣ của hình 1.9a. Đặc tính cảm ứng của thiết bị bù ở hình 1.7c có thể hƣớng theo cách này bằng cách sử dụng tụ bù ngang cố định QCmax vượt trước QCmax chậm sau a) Vượt trước Chậm sau U Q Tụ điện thế hiệu dịch Thiết bị bù cảm ứng biến thiên b) Thiết bị bù điện dung biến thiên Điện kháng thế hiệu dịch c) Hình 1.9: a) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng gần đúng của khả năng vƣợt trƣớc và chậm sau công suất phản kháng của thiết bị bù lý tƣởng. b) Điện dung thế hiệu dịch của thiết bị bù cảm ứng biến thiên. c) Điện kháng thế hiệu dịch của thiết bị bù điện dung biến thiên. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 ( hình 1.9b ) đủ lớn thì máy bù cảm ứng cú thể hƣớng vào góc phần tƣ chậm sau ( trễ ) bằng điện cảm cố định nhƣ hình 1.9c. Nếu tụ bù ngang ở hình 1.9b đủ lớn thì máy bù cảm ứng có thể hƣớng sao cho đƣờng đặc tính của nó nằm hoàn toàn ở góc phần tƣ vƣợt trƣớc ( sớm ). Khi đƣợc kết hợp với tụ bù ngang thiết bị bù cảm ứng có khả năng duy trì điện áp không đổi và hệ số công suất trung bình đồng nhất cho phụ tải cảm ứng. Sự phân biệt giữa thiết bị bù cảm ứng và thiết bị bù điện dung có thể nhƣ giả tạo, nhƣng theo quan điểm thực tế thì đây là một điểm quan trọng bởi vì tất cả các thiết bị bù thực tế ( trừ máy bù đồng bộ ) làm việc bằng cách điều khiển các dòng điện trong một cụm tụ điện hay trong tổ hợp các điện cảm. Thiết bị bù điện kháng bão hoà chẳng hạn, ít nhất nó cũng thƣờng hƣớng một phần vào góc phần tƣ vƣợt trƣớc nhờ các tụ điện. Một điện kháng cố định mắc song song sẽ có lợi hơn một thiết bị bù biến thiên có cùng định mức công suất phản kháng. Đôi khi để tiết kiệm cần xác định kích cỡ thiết bị bù sao cho phù hợp với sự biến thiên công suất phản kháng trong phụ tải theo hƣớng thêm một điện kháng cố định mắc song song nhằm đạt đƣợc hệ số công suất trung bình cần có. Ở các hình 1.7, 1.8, 1.9 đƣờng đặc tính điện áp / công suất phản kháng của thiết bị bù và hệ thống cung cấp đều không thật thẳng và có dạng toàn phƣơng. Chúng đƣợc biểu diễn gần nhƣ đƣờng thẳng, với giả thiết rằng U không chênh lệch đáng kể so với một đơn vị công suất, những tính toán chính xác hơn đòi hỏi các dạng chính xác của phƣơng trình ( 1.7 ) và ( 1.8 ), nói cách khác, có thể làm việc này đối với các dòng điện vì công suất phản kháng. * Thiết bị bù phụ tải làm chức năng thiết bị điều áp. Các đặc tính điều khiển ở hình 1.7d và hình 1.8c có thể đƣợc đặc trƣng bởi ba thông số: 1. Điện áp điểm khớp ( knee – point ): Uk. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 2. Công suất phản kháng định mức hay tối đa: QCmax. 3. Độ lợi: KC. Độ lợi này có thể định nghĩa là mức thay đổi công suất phản kháng QC chia cho mức thay đổi điện áp U, nghĩa là KC = dU dQC ( 1.26 ) và nếu đặc tính điều khiển là tuyến tính, thì với QC < QCmax, nó đƣợc biểu thị bằng phƣơng trình: U = Uk + C C K Q ( 1.27 ) Ở hình 1.7d và 1.8c độ lợi KC là vô định, thiết bị bù hấp thụ hoặc phát ra một lƣợng công suất phản kháng vừa đúng để duy trì điện áp không đổi tại điểm cung cấp khi tải thay đổi. Bây giờ ta xác định đặc tính điều chỉnh điện áp của thiết bị bù có độ lợi điều áp. Xác định KC, vận hành ở hệ thống cung cấp có mức ngắn mạch xác định SSC, vấn đề quan trọng là biên độ điện áp điểm cung cấp biến thiên nhƣ thế nào với phụ tải (đặc biệt với công suất phản kháng của tải ). Thiết bị bù lý tƣởng ở dạng điều chỉnh điện áp có độ lợi KC là vô định. Trong thực tế hiếm có các giá trị KC quá cao. Nó có khuynh hƣớng làm giảm tính ổn định của điểm vận hành thiết bị bù, đối với một số loại thiết bị bù, thiết kế có giá trị KC cao khá tốn kém. Do vậy đặc tính KC xác định là quan trọng. Phân tích trên cơ sở từng pha với giả thiết điều kiện cân bằng. Giả thiết tỷ số XS / RS là cao và bỏ qua các dao động công suất, hệ thống đƣợc biểu diễn ở hình 1.7a, sự cân bằng công suất phản kháng đƣợc cho bởi: QL + QC = QS (1.28 ) Đƣờng đặc tính điện áp hệ thống cung cấp hay đƣờng tải đƣợc cho gần đúng ở phƣơng trình (1.20 ): U SC S S Q1 . CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Trên hình 1.10a, gradient của tải biểu diễn độ nhạy thực của điện áp cung cấp đối với sự thay đổi về công suất phản kháng QS, do đó: SCS E dQ dU S (1.29 ) Mức ngắn mạch SSC cao làm giảm độ nhạy điện áp, làm đƣờng phụ tải phẳng, lúc đó hệ thống đƣợc gọi là “cứng”. Trong trƣờng hợp không bù, QC = 0 và QS = QL do đó độ nhạy điện áp đối với công suất phản kháng của tải QL bằng với độ nhạy thực - SCS E . Khi có thiết bị bù, từ phƣơng trình ( 1.19 ) và ( 1.28 ) ta có: U SC CL S QQ E 1 ( 1.30 ) U 0 QS a) Đặc tính điện áp hệ thống U = E(1-QC/SSC) U Uk QC b) 0 Đặc tính thiết bị bù U = Uk+QC/KC Hình 1.10: a) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng gần đúng của hệ thống cung cấp. b) Đặc tính điện áp / công suất phản kháng gần đúng của thiết bị bù lý tƣởng. CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Và vì QC là hàm của U, độ nhạy sẽ đƣợc hiệu chỉnh. Công suất phản kháng của máy bù QC đƣợc xác định bởi độ lệch điện áp ( U – Uk ) theo phƣơng trình( 1.27 ) ( xem hình 1.10b ), do đó: QC = KC ( U – Uk ) ( 1.31 ) Ta đã biết rằng độ lợi máy bù KC cao thì có đƣờng đặc tính U/Q phẳng, đó là đặc tính điện áp không đổi. Tính theo đơn vị ( p.u ), nếu độ lợi khoảng 40 đơn vị có nghĩa là công suất phản kháng của máy bù thay đổi từ 0 đến 1 đơn vị ứng với thay đổi của U – Uk ( hoặc U ) là 1/40 hay 0,025 đơn vị. Trong các tính toán để cho tiện ta sử dụng hệ thống tính đơn vị tƣơng đối, trong đó QCmax là công suất phản kháng cơ bản và E là điện áp cơ bản. Ảnh hƣởng của máy bù đƣợc xác định bằng cách thay QC từ phƣơng trình (1.31) vào phƣơng trình ( 1.30 ) và rút gọn lại để có: U = E SCSC C SC S . 1 S K 1 S . 1 EK S QUK C SC LkC ( 1.32 ) Phƣơng trình ( 1.32 ) cho thấy điện áp điểm cung cấp U, biến thiên nhƣ thế nào theo công suất phản kháng của phụ tải QL, khi có máy bù miễn là với QC < QCmax, dù chỉ gần đúng nó cũng trực tiếp cho thấy ảnh hƣởng của tất cả các thông số chính khác nhƣ: Công suất phản kháng của chính phụ tải, đặc tính máy bù Uk và KC, đặc tính hệ thống E và SSC. Nếu phụ tải không đƣợc bù, chúng ta có KC = QC =0 và phƣơng trình (1.32) rút gọn thành phƣơng trình ( 1.20 ). Máy bù có hai tác động rõ ràng trong phƣơng trình ( 1.32 ): Thay đổi điện áp điểm cung cấp không tải và thay đổi sự nhạy cảm của điện áp điểm cung cấp với công suất phản kháng của phụ tải, nếu độ lợi của máy bù KC > 0 thì tính nhạy cảm điện áp giảm xuống: CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 LdQ dU = - SCS .1 E K S E C SC ( 1.33 ) Các tính toán về công suất bù cho trạm SVC của công ty gang thép Thái Nguyên có thể dựa vào lý thuyết bù vừa trình bày ở trên. CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 CHƢƠNG II TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS II.1. Đặt vấn đề Trƣớc đây các thiết bị bù thƣờng không có tự động điều chỉnh điện áp, hoặc có điều chỉnh nhƣng rất chậm (máy bù đồng bộ ) hoặc bù từng nấc. Với sự phát triển vƣợt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt kỹ thuật điện tử công suất nhƣ thyristor công suất lớn đó cho phép thực hiện c ác thiết bị bù điều khiển nhanh, thực tế các thiết bị bù dùng thyristor có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức không quá 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp. FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần nhƣ tức thời, ngăn cản dao động để ổn định điện áp, hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng. Mặt khác việc định hƣớng phát triển hệ thống đƣợc căn cứ trên cơ sở dự báo phụ tải, tuy nhiên trong quá trình vận hành không phải lúc nào cũng đảm bảo cân bằng giữa cung và cầu dẫn đến tình trạng hệ thống điện sẽ có thời điểm bị quá tải. Thêm vào đó, do khả năng tải của đƣờng dây bị giới hạn bởi các yếu tố nhiệt độ, điện dung và độ ổn định, nếu không có sự điều khiển hợp lý, sẽ không tận dụng hết khả năng tải của các đƣờng dây. Việc sử dụng thiết bị FACTS sẽ góp phần giải quyết việc vận hành hệ thống điện một cách khoa học, nâng cao hiệu quả đƣờng dây tải điện hiện có, đáp ứng yêu cầu thực tế đặt ra. Đặc biệt ở những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy. II.2. Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS II.2.1. Các ƣu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 Sử dụng thiết bị FACTS cho phép: + Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn. + Điều khiển trào lƣu công suất phản kháng theo yêu cầu + Tăng khả năng tải của đƣờng dây gần tới giới hạn nhiệt + Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nƣớc ta hiện nay. Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp. II.2.2. Phân loại thiết bị FACTS Các thiết bị FACTS có thể phân ra làm bốn loại: 1, Thiết bị điều khiển nối tiếp ( Series Controllers ): Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở đƣờng dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lƣới nhờ thiết bị bán dẫn công suất. Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi. 2. Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers): Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai. Tất cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút. 3. Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp ( Combined series – series Controllers ): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều khiển đƣợc sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất. Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng đƣợc bù độc lập cho mỗi đƣờng dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đƣờng dây đƣợc trao đổi qua nguồn liên kết. Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 khiển nối tiếp – nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải. 4. Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song ( Combined series – shunt Controllers ): Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ đƣợc điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lƣợng với các phần tử nối tiếp và song song. Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đƣờng dây với những phần tử bù nối tiếp. II.3. Một số thiết bị FACTS II.3.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor ( SVC ) SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, đƣợc tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: _ Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng ( có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành ). _ Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử nhƣ thyristor, các cửa đóng mở ( GTO – Gate turn off )... SVC đƣợc cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm: + Kháng điều chỉnh bằng thyristor ( TCR – Thyristor Controlled Reactor ): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ. + Kháng đóng mở bằng thyristor ( TSR – Thyristor Switched Reactor ): Có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyr istor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor ( TSC – Thyristor Switched Capacitor): Có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đƣờng dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phƣơng tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: UN IL IC Biểu đồ hoạt động hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC TSR TCR TSC MBA bù Sơ đồ nguyên lý CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 _ Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp. _ Điều khiển trào lƣu công suất phản kháng tại nút đƣợc bù. _ Giới hạn thời gian và cƣờng độ quá điện áp khi xảy ra sự cố ( mất tải, ngắn mạch.. ) trong HTĐ. _ Tăng cƣờng tính ổn định của HTĐ. _ Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ nhƣ ngắn mạch, mất tải đột ngột... Ngoài ra , SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành HTĐ nhƣ: _ Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. _ Tăng cƣờng khả năng truyền tải của đƣờng dây. _ Giảm góc làm việc  làm tăng cƣờng khả năng vận hành của đƣờng dây. _ Giảm tổn thất công suất và điện năng. II.3.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor ( TCSC ) Cũng tƣơng tự nhƣ phần tử SVC, phần tử TCSC ( thyristor Controlled Series Capacitor ) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đƣờng dây và hoạt động trong điều kiện ổn định của hệ thống điện, nó đƣợc tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản: _ Thành phần cảm kháng có thể thay đổi đƣợc điện dung nhờ bộ điều chỉnh van thyristor. _ Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử nhƣ các van thyristor , các khoá đóng mở GTO... Ngoài ra, TCSC cũng có một số thiết bị phụ nhƣ bộ lọc F nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau của HTĐ. CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC nhƣ hình 2.2: Các chức năng chính của TCSC bao gồm: _ Làm giảm nguy cơ sụt áp trrong ổn định tĩnh. _ Giảm sự thay đổi điện áp. _ Tăng cƣờng khả năng truyền tải của đƣờng dây _ Tăng cƣờng ổn định của HTĐ. _ Giảm góc làm việc  làm tăng cƣờng khả năng vận hành của đƣờng dây. _ Hạn chế hiện tƣợng cộng hƣởng tần số thấp trong HTĐ. Ngoài ra, TCSC cũng có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành, tuỳ theo yêu cầu và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phƣơng pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ. II.3.3. Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor ( STATCOM ) Hình 2.2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC Sơ đồ nguyên lý HT Điều Khiển Thyristor L I C MOV 90 C¶m kh¸ng 180 Vïng kh«ng H§ Dung kh¸ng Biểu đồ hoạt động Z CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 STATCOM là sự hoàn thiện của thiết bị bù tĩnh SVC, bao gồm các bộ tụ điện đƣợc điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử nhƣ thyristor và khoá đóng mở GTO, so với SVC, nó có ƣu điểm là kết cấu gọn nhẹ hơn, không đòi hỏi diện tích lớn nhƣ SVC và đặc biệt là nó điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn. Các tính năng của STATCOM cũng nhƣ của SVC nhƣng khả năng điều chỉnh, điều khiển các thông số của STATCOM ở mức cao hơn, bao gồm: _ Điều khiển điện áp tại nút đặt STATCOM có thể cố định giá trị điện áp. _ Điều khiển trào lƣu công suất phản kháng tại nút đƣợc bù. _ Giới hạn thời gian và cƣờng độ quá điện áp khi xảy ra sự cố ( mất tải, ngắn mạch... ) trong HTĐ. MBA liên kết Biểu đồ hoạt động IL IC UN Hình 2.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM DD C L Sơ đồ nguyên lý CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 _ Tăng cƣờng tính ổn định của HTĐ. _ Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ nhƣ ngắn mạch, mất tải đột ngột... Ngoài ra, STATCOM cũng có đặc điểm nổi trội so với SVC nhƣ sau: _ Có khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ đƣợc sự cố. _ Có thể phát CSPK khi điện áp thanh cái nhỏ hơn điện áp lƣới và ngƣợc lại, tiêu thụ CSPK khi điện áp thanh cái lớn hơn điện áp lƣới. II.3.4. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor ( TCPAR ) Thiết bị TCPAR là một khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đƣờng dây. MBA NỐI TIẾP U U , UQ 1 3 MBA KÍCH THÍCH 9 Hình 2.4: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR U U , U Q  CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Về mặt cấu tạo nó nhƣ một máy biến áp 3 cuộn dây nối song song với đƣờng dây truyền tải và có thể điều chỉnh góc lệch của điện áp Uf truyền tải trên đƣờng dây Các tính năng của TCPAR cũng nhƣ của các thiết bị bù có điều khiển khác nhƣng chức năng của nó là điều chỉnh góc pha của điện áp trên đƣờng dây. Khả năng điều chỉnh trào lƣu công suất là rất cao, các tính năng của TCPAR bao gồm: _ Điều khiển trào lƣu công suất phản kháng tại nút đƣợc bù _ Tăng cƣờng tính ổn định tĩnh, tính ổn định động của HTĐ. _ Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ nhƣ ngắn mạch, mất tải đột ngột... _ Cú khả năng vận hành trong chế độ sự cố và tiếp tục điều khiển khi loại trừ đƣợc sự cố. II.3.5. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất ( UPFC ) HT ®iÒu khiÓn S¬ ®å nguyªn lý Converter 1 MBA2 mba1 ub ua vdc Converter 2 Hình 2.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 ua ub ut vect¬ ®iÖn ¸p UPFC là một khái niệm mới ứng dụng các thiết bị bù đa chức năng để điều khiển điện áp tại các thanh cái độc lập, dòng công suất tác dụng P và phản kháng Q trên các đƣờng dây truyền tải, UPFC là thiết bị làm cho lƣới điện vận hành rất linh hoạt và hiệu quả. Về nguyên lý cấu tạo, UPFC đƣợc hiểu nhƣ sự kết hợp thiết bị bù dọc làm thay đổi góc pha ( Static Synchoronous Series Compensator ) là thiết bị bù ngang STATCOM, nó đƣợc cấu tạo từ hai bộ chuyển đổi ( Converter ) điều khiển thyristor có cửa đóng mở GTO. Mỗi một bộ chuyển đổi gồm có van đóng mở ( GTO ) và MBA trung gian điện áp thấp ( xem hình 2.5 ). MBA nối với bộ chuyển đổi qua thanh cái làm việc và máy cắt đƣợc mô tả trên hình. Mỗi một bộ chuyển đổi có thể ngừng hoạt động vì bất cứ nguyên nhân nào đó, bộ chuyển đổi cũng lại có thể điều khiển vận hành độc lập. Về nguyên lý, UPFC có ba chế độ vận hành , bao gồm: Chế độ 1: Chế độ điều khiển trở kháng XC. U = XCjI2 P = sin 2 CXX X X U        Chế độ 2: Chế độ điều khiển điện áp trực giao U . U = UCjI2 2I P =             2 cossin 2  U U X U C CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 Chế độ 3: Chế độ điều khiển góc pha điện áp  C. U = 2.          2 exp 2 sin 1 1  j U U U P =             2 . 2 cos2sin.2  tg X U Trong đó: +, I2: Véc tơ dòng của UPFC. +, XC: Điện kháng bù. +, U1: Véc tơ điện áp nhận +,  : Góc lệch pha giữa U2 và U1. +, X: Điện kháng của đƣờng dây truyền tải. +,  : Góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối đƣờng dây Trong 3 chế độ vận hành trên của UPFC thì chế độ 2 và chế độ 3 có ƣu điểm hơn chế độ 1 vì có thể điều khiển dòng công suất tác dụng P ngay cả khi gúc pha  rất nhỏ. Trong chế độ 1, nếu dòng trong thành phần bù dọc ( Series Compensator ) giảm thì khả năng điều khiển của UPFC cũng giảm theo. Hơn nữa, trong chế độ 1 và chế độ 2, công suất của thành phần bù ngang ( Shunt Compensator ) có thể giảm tối thiểu vì dòng công suất đi qua liên kết một chiều ( DC link ) gần nhƣ bằng 0. Ngoài ra, thành phần bù ngang có thể điều khiển đồng thời cả dòng công sất phản kháng Q và công suất tác dụng P truyền tải trên đƣờng dây. II.4. Khả năng áp dụng thiết bị FACTS tại Việt Nam Sau khi khảo sát nguyên lý làm việc và tính năng của các thiết bị FACTS, cho thấy việc ứng dụng các thiết bị này trong hệ thống điện có khả năng điều chỉnh gần nhƣ tức thời thông số hệ thống, tăng cƣờng ổn định điện áp và giảm dao động công suất. CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Trong các loại thiết bị FACTS, SVC là loại thiết bị có nhiều ƣu điểm ƣu việt hơn cả, nên nó đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới để cải thiện chế độ vận hành và nâng cao khả năng ổn định tĩnh của HTĐ. CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 CHƯƠNG III CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN (SVC) III.1.Các thiết bị bù công suất phản kháng III.1.1. Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện Trong thực tế ngƣời ta đã thiết kế và chế tạo ra các thiết bị bù chuyên dụng khác nhau nhƣ các thiết bị bù ngang (cuộn kháng bù ngang, tụ điện bù dọc, máy bù đồng bộ và các bộ bù bằng tụ tĩnh điện) nhằm giải quyết các vấn đề nêu ra ở trên. III.1.1.a. Cuộn kháng bù ngang Cuộn kháng bù ngang là loại cuộn kháng đƣợc đấu từ các thanh cái đầu đƣờng dây xuống đất với mục đích tiêu thụ công suất phản kháng do đƣờng dây sinh ra. Mỗi đoạn đƣờng dây chiều dài l luôn sinh ra một lƣợng công suất phản kháng có thể tính gần đúng là: QC = b.U 2 (MVar) Trong đó: B = bO.l (1/ ) U - điện áp làm việc trung bình của đƣờng dây (kV). bO - dung dẫn đƣờng dây, tính trên 1 km. Thực tế công suất này phân phối đều dọc theo chiều dài đƣờng dây. tuy nhiên trong tính toán ngƣời ta thƣờng coi nhƣ phân bố sang tập trung vào hai đầu đƣờng dây. Để triệt tiêu hoàn toàn công suất phản kháng do đƣờng dây sinh ra có thể đặt hai kháng điện tại hai đầu đƣờng dây, trị số công suất tƣơng ứng của mỗi kháng là: CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 41 QK = b.U 2 / 2 (MVAr) Tuy nhiên công suất phản kháng phát ra của đƣờng dây (nguồn công suất phản kháng) rất có lợi nên trong tính toán thiết kế thƣờng ngƣời ta bù không hoàn toàn (khoảng 70%). Phần còn lại có thể cân bằng với một phần công suất phản kháng tiêu thụ. Cuộn kháng bù ngang thƣờng đƣợc chế tạo có trị số cố định. Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng cuộn kháng bù ngang đóng cắt đƣợc theo từng cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất để tiêu thụ bớt công suất phản kháng và điều chỉnh đƣợc. đa số các cuộn kháng bù ngang đƣợc dùng cho các đƣờng dây trên không siêu cao áp dài. Chúng cũng đƣợc dùng cho các đƣờng cáp ngầm cao áp và siêu cao áp trong khu vực thành phố lớn. Các cuộn kháng bù ngang có thể đóng mở đƣợc, nối ở thanh cái siêu cao áp sẽ phải cạnh tranh với các bộ bù tĩnh đƣợc điều khiển bằng thyristor về các tiêu chuẩn kinh tế kỹ thuật. III1.1.2.b. Tụ bù dọc. Khi tiến hành bù dọc cho đƣờng dây bằng các tụ bù tĩnh, thì các thiết bị bù công suất phản kháng có tác dụng rất tốt đến việc tăng khả năng truyền tải điện năng của đƣờng dây. vì các đƣờng dây dài điện kháng XL rất lớn, góc truyền tải =(δU1-δU2) có trị số đáng kể. Do đó giới hạn truyền tải giảm đi. Nếu XL càng lớn bao nhiêu thì tổn thất U càng lớn và càng lớn, P = (U1.U2.sin )/ XL càng bé nếu XL lớn. Do đó khi bù dọc (bằng tụ điện) thì dao động điện áp sẽ giảm đi vì lúc này điện kháng tổng X = (XL-XC) giảm và nhƣ vậy giảm, U giảm và tổn thất điện áp giảm, khả năng truyền tải của đƣờng dây tăng lên. CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 42 Việc dùng tụ bù dọc nâng cao khả năng giữ ổn định của hệ thống do việc ta có thể làm thay đổi đƣợc góc truyền tải sao cho < 30O 35O thì khả năng dự trữ ổn định động rất cao. Khi có sự thao tác nào đó trong lƣới: nhƣ cắt ra hoặc đóng vào một phụ tải lớn thì trong lƣới sẽ có một sự dao động công suất, nhƣng nhờ có sự tác động của các thiết bị bù công suất phản kháng mà dao động công suất này nhanh chóng bị dập tắt. III.1.1.c. Tụ bù tĩnh Tụ bù tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải với mục đích sản xuất ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải. điều này làm giảm công suất phản kháng phải truyền tải trên đƣờng dây. Tụ bù tĩnh cũng thƣờng đƣợc chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành). Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt đƣợc theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra công suất phản kháng. Các tụ điện bù tĩnh đƣợc dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện nhƣ: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cƣ và nông thôn. một số các tụ bù tĩnh cũng đƣợc đặt ở các trạm truyền tải. Tính ƣu việt của các tụ bù tĩnh là chi phí thấp đặc biệt không gây tổn thất phụ và việc áp dụng rất linh hoạt, tuy nhiên khuyết điểm chủ yếu của chúng là cung cấp đƣợc ít công suất phản kháng khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lƣợng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phƣơng với điện áp. Tuy nhiên nếu dùng chúng kết hợp nguồn công suất phản kháng khác thì không có trở ngại gì tới việc dùng rộng rãi các tụ bù ngang. III.1.1.d. Máy bù đồng bộ CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Máy bù đồng bộ là một máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Máy bù đồng bộ là phƣơng pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục công suất phản kháng. Các máy bù đồng bộ thƣờng đƣợc dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đƣờng dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp. Các máy bù đồng bộ ngày nay thƣờng đƣợc trang bị hệ thống kích thích từ nhanh, có bộ kích từ chỉnh lƣu. Có nhiều phƣơng pháp khởi động khác nhau, một phƣơng pháp hay dùng là khởi động đảo chiều. Máy bù đồng bộ cỡ MVA liên tục cho việc phát công suất phản kháng. Trong khi vận hành phát công suất phản kháng thì có khả năng quá tải ngắn hạn khá lớn. Khả năng tiêu thụ công suất phản kháng 60% công suất đặt. Điều này có nghĩa là phạm vi vận hành thƣờng là 160% công suất đặt. Dung lƣợng công suất phản kháng đƣợc điều chỉnh một cách liên tục. Mỗi cấp điều chỉnh điện áp xảy ra khoảng vài phần mƣời giây và cao hơn nữa phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau. Các tổn thất công suất tác dụng của các máy bù đồng bộ đƣợc làm mát bằng hydrogen khoảng 10W/kVAr. Có thể nói máy bù đồng bộ là thiết bị bù có thể điều chỉnh trơn duy nhất trƣớc khi có kỹ thuật điều khiển công suất lớn bằng thyristor. ƣu điểm của loại này là phạm vi điều chỉnh rộng từ phát đền tiêu thụ công suất phản kháng, điều chỉnh bằng cách thay đổi kích từ. Nhƣợc điểm của loại này là giá thành cao và gây tổn thất phụ, tốc độ điều chỉnh chậm. III.1.2. Các thiết bị bù điều khiển bằng thyristor Các thiết bị bù giới thiệu ở trên không có tự động điều chỉnh, hoặc có điều chỉnh nhƣng rất chậm (nhƣ máy bù đồng bộ) hoặc điều chỉnh từng nấc. Sự phát triển vƣợt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất với các CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 thiết bị thyristor công suất lớn đã cho phép thực hiện các thiết bị bù điều chỉnh nhanh (thƣờng không quá 1/4 chu kỳ tần số công nghiệp). Hiện nay các thiết bị bù có điều khiển đƣợc xác nhận là rất tốt không những trong lƣới công nghiệp mà cả trong hệ thống điện truyền tải. Các thiết bị bù điều chỉnh có hiệu quả rất cao, đảm bảo ổn định đƣợc điện áp và nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện. Đối với các đƣờng dây siêu cao áp các thiết bị bù có điều khiển đôi khi là thiết bị không thể thiếu đƣợc. Chúng làm nhiệm vụ chống quá điện áp, giảm dao động công suất và nâng cao tính ổn định tĩnh và động. Nhƣợc điểm của các thiết bị bù có điều khiển là giá thành cao. để lựa chọn và lắp đặt các thiết bị này cần phải phân tích tính toán tỷ mỷ và so sánh phƣơng án trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Các thiết bị bù tĩnh đƣợc điều khiển băng thyristor là loại thiết bị bù ngang tĩnh (phân biệt với máy bù quay), công suất phản kháng đƣợc tiêu thụ hoặc phát ra bởi các thiết bị này có thể thay đổi đƣợc bằng việc đóng mở các thyristor. III.1.2.a. Thiết bị bù bù ngang có điều khiển (SVC) TCR Hình 3.1a TSR Hình 3.1b TSC Hình 3.1c CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Thiết bị bù ngang có điều khiển trong trƣờng hợp chung đƣợc cấu tạo từ ba phần tử cơ bản: Thyristor Contronled Reactor (TCR) là cuộn kháng có điều khiển bằng thyristor. TCR có thể điều chỉnh liên tục dung lƣợng bù bằng cách thay đổi góc đóng mở của Thyristor một cách liên tục từ 90O 180O, hình 3.1a. Thyristor switched reactor (TSR) là cuộn kháng đóng cắt tự động bằng thyristor. TSR chỉ có thể đóng hoặc mở dùng thyristor, khi đó XK chỉ nhận một trong hai giá trị (XK= 0 hoặc XK= XKmax), hình 3.1b. Thyristor switched capacitor (TSC) là tụ điện đóng cắt bằng thyristor, điện dung của tụ chỉ có thể thay đổi là 0 hoặc XCmax, hình 3.1c. TSR và TSC thực chất là các bộ kháng và tụ điện đóng cắt nhanh bằng thyristor. Điều đáng chú ý hơn cả là TCR, một thiết bị kháng có tham số đƣợc điều chỉnh trơn 1 3 4 . . . 2 Hình 3.2. 1- Máy biến áp. 2- TCR. 3- Các TSR. 4- các TSC. . . . CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 (từ 0 đến giá trị cực đại). Khi tổ hợp các phần tử nói trên, nói chung có thể tạo ra thiết bị bù ngang thay đổi đƣợc liên tục thông số (điện kháng, công suất) trong phạm vi giới hạn bất kỳ. Ví dụ nhƣ sơ đồ hình 3.2. Có thể giải thích nguyên lý làm việc của SVC trong trƣờng hợp này nhƣ sau: tín hiệu điều chỉnh góc mở lấy từ phía điện áp cao qua biến điện áp TU, qua bộ tự điều chỉnh (TĐC) điều khiển các thyristor. Đầu tiên điều khiển các TSC và TSR để điều chỉnh thô, sau đó điều chỉnh TCR để lợi dụng tính chất điều chỉnh liên tục của nó để điều chỉnh CSPK qua SVC đến trị số thích hợp. Trong phạm vi thay đổi đƣợc của CSPK, điện áp tại nơi lắp đặt SVC sẽ đƣợc giữ là hằng số. III.1.2.b. thiết bị bù dọc có điều khiển (ASC - Advanced series compensator) Bù dọc có điều khiển thƣờng là phƣơng tiện dùng để cải tạo thông số của đƣờng dây. những đƣờng dây dài, bị hạn chế về khả năng tải theo điều kiện ổn định hoặc tổn thất điện áp sẽ đƣợc cải thiện đáng kể nhờ áp dụng bù dọc. C L R TCR Hình 3.3 CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Trong sơ đồ hình 3.3 thì phần tử chính là tụ C ghép song song với TCR, điện trở phi tuyến R có nhiệm vụ bảo vệ quá điện áp cho tụ trong chế độ ngắn mạch. Hoạt động của bù dọc có điều kiện là nhằm tạo ra điện kháng X thay đổi đƣợc, theo sơ đồ hình 3.3 ta tính đƣợc: CL X 1 X 1 X 1 đặc tính thay đổi của điện kháng tƣơng đƣơng X theo điện kháng XL của TCR đƣợc chỉ ra trên hình 3.4. Để thiết bị bù dọc có thông số điều chỉnh trơn và ổn định, thƣờng chọn phạm vi điều chỉnh của TCR từ XL = XL0 đến XL = ∞ (với XL0 > XC ; XL0 là điện kháng của TCR ứng với lúc thyristor mở hoàn toàn; XL = ∞ là điện kháng của TCR ứng với thyristor đã đóng hoàn toàn). Kết luận XC XL XL0 +XC - XC - kXC X 0 Hình 3.4 CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 Do có thể thay đổi đƣợc thông số của các thiết bị điện (bù dọc và bù ngang) có điều khiển, mà nâng cao đáng kể hiệu quả điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống điện. Nếu so với máy bù đồng bộ - là một thiết bị bù phổ biến thì SVC có quán tính nhỏ, độ bền cao, không gây tổn thất và ít phải chăm sóc bảo quản khi vận hành. SVC không chỉ làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp mà nó còn đóng vai trò rất tích cực trong việc giữ ổn định, nâng cao chất lƣợng vận hành hệ thống. Qua những phần giới thiệu tổng quan ở trên, trong đề tài này tôi tập trung nghiên cứu về hiệu quả của thiết bị bù có điều khiển áp dụng trong hệ thống điện nói chung và lƣới điện công nghiệp nói riêng tới vấn đề nâng cao chất lƣợng điện áp. III.2.Hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC III.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC Nhƣ đã biết phần tử đáng chú ý nhất của SVC là TCR. Nhờ có TCR trị số của SVC thay đổi đƣợc liên tục. Tác động điều chỉnh cho TCR đặt vào cực điều khiển của các thyristor. Nhờ thay đổi góc mở của các thyristor mà dòng điện (thành phần cơ bản) qua kháng đƣợc thay đổi liên tục từ 0 đến trị số cực đại. điều này tƣơng ứng với sự thay đổi liên tục công suất phản kháng trên SVC. Đặc tính điều chỉnh của SVC có thể xây dựng đƣợc dựa vào nguyên lý làm việc của thyristor. Trên hình 3.5 mô tả đơn giản sơ đồ và hoạt động của thyristor loại một thyristor và loại hai thyristor mắc song song ngƣợc. Thyristor hoạt động tƣơng tự nhƣ chỉnh lƣu, tuy nhiên ngoài điều kiện điện áp đặt lên bản thân thyristor thuận chiều, còn yêu cầu thêm một xung điện áp đặt lên cực CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 điều khiển. Xung này có thể không cần kéo dài mà thyristor vẫn mở cho đến khi điều kiện thuận chiều điện áp không còn nữa. Sang chu kỳ mới, điện áp thuận chiều nhƣng mạch cũng chỉ mở khi có xung đƣa đến cực điều khiển. Rõ ràng, khi thay đổi thời điểm phát xung ở mỗi chu kỳ, ta có thể thay đổi đƣợc dạng của đƣờng cong dòng điện. Nếu coi thành phần cơ bản của dòng điện là thành phần làm việc, thì biên độ của thành phần này thay đổi theo góc mở của thyristor. Khi thyristor mở hoàn toàn (góc mở = 900) biên độ của thành phần cơ bản sẽ lớn nhất (bằng dòng ban đầu), khi góc mở = 180O dòng qua mạch bằng 0. Còn khi thay đổi đột ngột góc mở = 90O sang = 180O ta nhận đƣợc trạng thái đóng cắt của hai phần tử TSR hoặc TSC. CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Để thấy rõ hơn ta xét sơ đồ cơ bản của một cuộn kháng có điều khiển bằng thyristor - góc pha thuần tuý (hình 3.6a). mỗi nhánh của ba pha bao gồm một cuộn dây điện cảm L nối tiếp với hệ thống hai thyristor mắc song song ngƣợc (TCR). Các thyristor T1, T2 sẽ thay phiên nhau làm việc ứng với mỗi chu kỳ của điện áp. Hình R1 UV R2 Ur Uđk UV R2 Ur Uđk R1 t UV t Uđk t Ur UV Uđk t t t Hình 3.5: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của thyristor CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 3.6b minh hoạ nguyên lý vận hành. Góc cắt của thyristor quyết định biên độ của thành phần dòng điện tần số cơ bản. Các thành phần dòng điện bậc cao ( bậc 3, bậc 5, bậc 7 ) có trị số nhỏ, đƣợc làm triệt tiêu nhờ các bộ lọc ( hình 3.6 a và b ) Khi thay đổi trị số góc cắt 1, 2 ( 1 luôn bằng 2) sẽ thay đổi đƣợc trị số hiệu dụng của dòng điện đặt lên kháng điện. Tăng góc cắt thì biên độ của thành phần cơ bản của dòng điện sẽ giảm đi. Đặc tính điều chỉnh của SVC đƣợc coi là quan hệ giữa biên độ của thành phần cơ bản của dòng điện với góc cắt . Để có đƣợc đƣờng đặc tính ta phân tích dòng điện toàn phần thành chuỗi Fourier: Theo lý thuyết khai triển chuỗi Fourier, nếu hàm tuần hoàn f(t) với chu kỳ thời gian là T, thì chuỗi Fourier của nó có dạng: 1k kk 0 tkBtkA 2 A tf sincos)( Trong đó: T 2 ; A0 - thành phần một chiều (bậc 0); 2 k 2 kk BAC - biên độ của thành phần bậc k. Khi k=1 ta có thành phần cơ bản CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 uN icb t t udk udk1 udk2 udk2 udk1 udk1 t t i udk udk1 udk2 udk2 udk1 udk1 t t i t i a b c d e g h 090α 090α 090α constα Hình 3.6a u + - L iL CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 53 Đối với các sóng hài của dòng điện sau khi khai triển ra chúng ta quan tâm tới thành phần cơ bản của nó (bậc 1). Theo công thức toán học ta có: ,...,;.sin).( ,...,;.cos).( ).( 21kdtt k tf 1 B 21kdtt k tf 1 A dttf 1 A k k 0 Áp dụng cho dòng điện chạy qua TCR nhƣ trên hình 3.7a, với dòng điện tần số công nghiệp f2 T 2 . Với mục đích biểu diễn hàm f(t) qua góc cắt α (ở đây ký hiệu là T0). Lấy hệ trục toạ độ nhƣ hình 3.7b ta có: Hình 3.6b. Đồ thị véc tơ dòng điện và điện áp; a - véc tơ điện áp nguồn (lƣới); b - véc tơ dòng điện cơ bản (k = 1) khi góc mở 0α ; c,e - các điện áp điều khiển; d,g - véc tơ dòng điện cơ bản (k = 1) khi góc mở 0α ; h- véc tơ dòng điện cơ bản (k = 1) khi góc mở α bất kỳ. CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 54 4 T vãi coscos 4 T 4 T 4 T 0- vãi coscos )( 2 T tTT T π2 t T π2 K TtTvoi0 TtT T π2 t T π2 K tf 000 00 000 (3-1) Hàm f(t) hay dòng điện toàn phần sau khi khai triển Fourier trên đoạn OABC có dạng: k 0 t T πk2 oscItitf )()( I UN T U,I T UN I90 I120 090 0120 T0 0 O A C Hình 3.7a B Hình 3.7b: Đồ thị vectơ dòng điện và điện áp trên TCR CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 55 Thành phần cơ bản của dòng điện ứng với k = 1, ta có t T π2 II T T π2 101 2 01 cos cos (3-2) Từ biểu thức (3-2) ta thấy rằng: Khi 1 thi 10 0T Khi )90 (hay 0 2 π T 0 thì 0 1 Tức là trong khoảng thay đổi liên tục của góc cắt T0 từ 0 đến 90 0 thì 1 cũng thay đổi liên tục từ 1 đến 0. Đây cũng chính là quan hệ thay đổi biên độ của thành phần cơ bản, bởi vì )(/ 0101 TII . Điều này có thể đƣợc minh hoạ trên đồ thị hình 3.8. 1 0 90 )( 01 T 0T Hình 3.8. Đặc tính điều chỉnh của TCR CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 56 Bây giờ ta xét quan hệ điều chỉnh thông số điện kháng và công suất của TCR. Ta có kmin X U I 0 , ở đây Xkmin đƣợc hiểu là trị số điện kháng của kháng điện ứng với lúc góc cắt T0 = 0 nghĩa là ứng với trị số kháng điện không điều khiển. Theo kết quả nhận đƣợc ở trên ta có thể biểu diễn đƣợc biên độ của thành phần cơ bản theo góc cắt T0. 1 k 1101 U X U II X kminmin (3-3) Cách viết theo (3-3) cho phép hiểu TCR nhƣ là cuộn kháng có trị số thay đổi đƣợc. Có nghĩa là khi điều chỉnh SVC thì hiệu quả của việc điều chỉnh tƣơng đƣơng với việc làm thay đổi trị số của kháng điện đến trị số 1k X /X kmin (3-4). Từ biểu thức (3-4) thấy rằng khi 1 thay đổi từ 1 tới 0 thì Xk thay đổi từ Xkmin (tƣơng ứng với góc cắt bằng không) tới k X nghĩa là loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng kháng điện (điều khiển hết phạm vi cho phép - góc cắt T0 = 90 0 ). Trong thực tế để mở rộng phạm vi điều chỉnh của SVC thƣờng dùng sơ đồ phối hợp với TSR và TSC. Nhờ đó trị số điện kháng đẳng trị có thể thay đổi trong 1 giới hạn đủ rộng từ Xkmax tới Xkmin tuỳ theo cấu tạo của từng loại SVC. ở đây Xkmax tƣơng ứng với góc cắt lớn nhất. Cũng tuỳ theo mục đích điều chỉnh mà các giá trị Xkmax và Xkmin có thể nhận dấu tuỳ ý. Bài toán đặt ra là nếu xét theo trị số công suất phản kháng thì liệu ta có đặc trƣng tƣơng tự nhƣ trên đã xét hay không, ta thấy: CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 57 min max max min k 2 k k 2 k X U Q X U Q (3-5) Tức là nếu giữ nguyên điện áp nút thì CSPK cũng thay đổi từ Qmin đến Qmax. Vì vậy, khi điều chỉnh SVC bằng thyristor dòng công suất phản kháng qua SVC cũng thay đổi. Điều đó cho phép ổn định đƣợc hệ thống. III.2.2. Đặc tính làm việc của SVC Ở chế độ làm việc bình thƣờng của hệ thống điện, SVC làm nhiệm vụ tự động điều chỉnh để giữ nguyên điện áp nút. Tín hiệu điều khiển là độ lệch điện áp đo đƣợc từ TU, tín hiệu này điều khiển góc mở của các thyristor làm thay đổi trị số của thành phần cơ bản dòng điện đi qua kháng nhờ đó công suất tiêu thụ (công suất phản kháng) trên SVC thay đổi. Khi điện áp tăng tác dụng điều chỉnh làm dòng điện tăng, công suất tiêu thụ bởi SVC lớn hơn sẽ hạ thấp đƣợc điện áp nút. Khi điện áp bị giảm thấp, dòng điện qua kháng giảm, SVC giảm công suất tiêu thụ (hoặc phát công suất phản kháng lên hệ thống khi điện áp đẳng trị có tính dung). Nhờ đó tăng cao đƣợc điện áp. Trên hình 3.9c là đặc tính điều chỉnh theo điện áp của SVC thuần kháng, chỉ nhận công suất phản kháng; hình 3.9d là đặc tính tƣơng đối tổng quát hơn của SVC. SVC trong trƣờng hợp này có thể phát hoặc nhận công suất phản kháng. Một cách tƣơng tự ta cũng có đƣờng đặc tính của điện kháng X k theo điện áp (hình 3.9a, hình 3.9c). CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 58 Trong phạm vi thay đổi đƣợc của công suất (phạm vi của TCR) điện áp nút đƣợc giữ ở trị số đặt U0. Trong thực tế, với mục đích phối hợp điều chỉnh, ngƣời ta chế tạo SVC có đặc tính điều chỉnh mềm (có độ dốc) nhƣ trên hình (3.10). Khi đó trong phạm vi điều chỉnh đƣợc của công suất, điện áp nút đƣợc phép dao động với độ lệch U. nhờ có độ dốc của đƣờng đặc tính mà trong phạm vi điều chỉnh đƣợc có thể phân bố công suất cho các SVC làm việc song song hoặc làm việc với các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng khác. B UC BU TĐC UH B UC BU TĐC UH Hình 3.9. CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 59 III.3. Một số ảnh hưởng phụ của SVC Dựa vào biểu thức dòng điện qua SVC ta thấy rằng đồng thời với thành phần cơ bản, các thành phần bậc lẻ khác cũng tồn tại trong SVC. Căn cứ vào biểu thức khai triển ta cũng có các hàm quan hệ )( 0k T biểu diễn biến thiên trị số tƣơng đối biên độ của các thành phần lẻ bậc k. Qua phân tích thấy rằng biên độ của các thành phần bậc lẻ phụ thuộc rất mạnh theo góc cắt 0 (T0). Đặc điểm này dẫn đến các chú ý khi vận hành không cho dừng lại U0 Q U0 Q U U Xkmin Hình 3.9b Hình 3.9d U0 X Hình 3.9a Xkmax Xkmin U0 X Hình 3.9c Xkmax U U maxkQ minkQ maxkQ minkQ CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 60 làm việc ở các góc cắt nguy hiểm (biên độ của các sóng hài bậc cao chỉ đạt biên độ cực đại ứng với 1 số góc cắt T0 nào đó). Bởi vậy, trong SVC thƣờng có thêm bộ lọc để khử các thành phần bậc cao, đặc biệt là thành phần bậc ba. Nói chung trị số lớn nhất của thành phần bậc ba cũng không vƣợt quá 15% biên độ dòng điện cực đại qua kháng. Ngoài ra, cần nhận thấy rằng các hiệu ứng phụ của SVC có ảnh hƣởng đến chất lƣợng điện năng:  Gây tổn hao phụ.  Gây dao động tần số.  Nhiễu thông tin. Qmin Qmax Q U0 U U Hình 3.10 CHƢƠNG III: CÁC THIẾT BỊ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 61 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN IV.1: Mở đầu: Lò điện hồ quang xoay chiều luyện thép là phụ tải xung kích phi tuyến tính đặc biệt.Khi lò điện hồ quang xoay chiều vận hành, điểm phát hồ quang luôn thay đổi theo phế thép nóng chảy, theo đó chiều dài hồ quang của nó cũng luôn biến đổi, đồng thời do sập liệu, điều chỉnh điện cực, thổi ôxy... các thao tác này làm cho dòng điện biến đổi nhanh và không ổn định. Thực tiễn và phân tích cho thấy: Dòng điện hồ quang trong lò điện xoay chiều chứa chủ yếu phân lƣợng dòng điện sóng hài bậc hai đến bậc bảy, đồng thời còn có phân lƣợng thấp tần sẽ tạo ra dao động tốc độ lớn đối với điện áp của lƣới cấp điện và dẫn đến biến đổi chớp nhoáng, đồng thời lò điện lấy công suất hữu công và vô công từ hệ thống cấp điện một cách biến động rất lớn sẽ dẫn dến sụt điện áp và dao động điện áp lƣới; giảm công suất đƣa vào lò điện (vì công suất hữu công đƣa vào lò điện tỷ lệ thuận với bình phƣơng điện áp) trực tiếp ảnh hƣởng đến sản lƣợng thép ra lò; ngoài ra sự mất cân bằng của ba pha điện cực do thao tác và sập liệu dẫn đến ngắn mạch không đối xứng giữa ba pha điện cực, ngoài ra còn sinh ra dòng thứ tự âm nghịch sóng cơ bản tạo ra ba pha mất cân bằng. * Tác hại của sóng hài đối với thiết bị điện thể hiện qua các điếm sau: 1. Sóng hài ảnh hƣởng đến sự quay của động cơ: Sóng hài ảnh hƣởng đến động cơ quay là do dẫn đến tổn thất phụ, sau đó là sinh ra trấn động cơ giới, tiếng ồn và quá áp sóng hài 2. Sóng hài ảnh hƣởng đến biến thế của lƣới cấp điện 3. Ảnh hƣởng của sóng hài đối với cơ cấu đổi dòng: Sự biến động bất thƣờng của điện áp lƣới xoay chiều làm cho mạch xung không đều của góc điều khiển bộ biến dòng, đồng thời bằng sự phản hồi dƣơng sẽ phóng đại biến đổi méo lệch điện áp của hệ thống làm cho bộ biến dòng làm việc không ổn định. Còn với bộ nghịch biến thì có thể CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 62 sinh ra thất bại đổi pha liên tục mà không thể công tác đƣợc thậm chí hỏng thiết bị đổi pha 4. Ảnh hƣởng của sóng hài đến tụ bù song song và cáp điện 5. Sóng hài gây nhiễu thông tin 6. Ảnh hƣởng của sóng hài đến công tơ điện 7. Sóng hài ảnh hƣởng đến rơ le bảo vệ, hệ thống tự động và máy tính điện tử * Sung kích vô công sẽ dẫn đến những ảnh hƣởng xấu sau: 1. Làm cho điện áp thanh cái cấp điện sụt áp và dao động, giảm mức làm việc của thiết bị động cơ 2. Khi điện áp thanh cái cấp điện dao động sẽ làm biến đổi mô men quay phụ phải loại động cơ dị bộ, công suất hữu công đƣa vào phụ tải cũng vì thế mà giảm xuống, ảnh hƣởng đến lực ra của thiết bị và sản xuất 3. Xung kích vô công nhanh kiểu lò hồ quang điện sẽ dẫn đến dao động điện áp thanh cái đột biến, kích thích mắt ngƣời, bị nhiễu hình đối với ti vi và máy tính * Biểu hiện tác hại của thứ tự âm chủ yếu nhƣ sau: 1. Dƣới sự tác động đồng thời của sóng hài và thứ tự âm làm cho rất nhiễu bảo vệ và cơ cấu tự động. Dùng bộ lọc thứ tƣ âm làm nguyên kiện khởi động trong hệ thống điện lực sinh ra động tác sai lệch. 2. Do hƣớng quay của thứ tự âm sóng cơ bản và thứ tự dƣơng sóng cơ bản ngƣợc chiều nhau nên khi đua vào động cơ ( dị bộ và đồng bộ ) sinh ra sức điện động phụ làm rung máy và tổn thất phụ Lò điện xoay chiều sinh ra dòng điện sóng hài cấp cao lớn, thứ tự âm, và điện áp xung vô công dao động và đột biến ảnh hƣởng nghiêm trọng đến bản thân hộ sử dụng và sự vận hành an toàn của các thiết bị trên lƣới điện, làm giảm chất lƣợng điện của lƣới. Vì vậy cần phải căn cứ vào các tiêu chuẩn của chất lƣợng điện để hạn chế và có giải pháp tổng hợp để xử lý khắc phục IV.2: Căn cứ thiết kế hệ thống SVC CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 63 Tài liệu cơ sở chủ yếu để thiết kế hệ thống SVC này lấy từ công ty Gang Thép Thái Nguyên, tất cả tài liệu thiết kế đều lấy số liệu mới nhất. Số liệu về hệ thống cấp điện: IV.2.1: Các thông số trạm biến thế Gia Sàng và trạm biến thế cấp điện của Gang Thép: * Trạm biến áp 110 kV của lƣới điện quốc gia dung lƣợng đoản mạch khi sử dụng phƣơng thức vận hành lớn nhất và phƣơng thức vận hành nhỏ nhất là: Smax = 943 MVA ; Smin = 719.4 MVA * Trạm biến thế Thái Nguyên 110 kV đến Gia Sàng 110 kV; 50 MVA, dùng hai đƣờng dây AC 120 dẫn, độ dài 11 km, trở kháng dây đơn 5.26 * Máy biến thế cho khu lò điện 50 MVA đổi áp có tải, điện áp 110/ 35/ 6 kV, điện áp đoản mạch cao trung: 9.5% ; cao thấp: 17.43% ; trung thấp: 6.53%, dòng điện không tải 0.23% * Biến thế 50 MVA bên 35 kV dẫn đến thanh cái 35 kV lò điện, sử dụng dây dẫn AC 240 đơn, độ dài 4 km, trở kháng 1.68 * Lò điện mới vào sản xuất; phía 6 kV của biến thế 50 MVA không tải IV.2.2: Các thông số của biến áp lò điện nhƣ sau: Lò điện hồ quang 12 tấn, biến áp 9000 kVA, điện áp đoản mạch xem bảng (1) sau: Điện áp thứ cấp (V) 320 272 231 UK (%) 8.21 9.96 11.37 Điện áp đoản mạch của lò điện 30 tấn hiện có xem bảng (2). Trị số điện áp đoản mạch biến thế 16000 kVA lò 30 tấn Điện áp thứ cấp (V) 353 305 245 137 UK (%) 6.83 8.72 10.91 23.61 *Lò điện 30 tấn mới, biến áp 25000 kVA, điện áp đoản mạch 8% CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 64 * Lò tinh luyện 40 LF, bién áp 7000 kVA, điện áp đoản mạch 8% IV.2.3: Trở kháng và điện kháng hạn dòng của mạch ngắn lò điện: * Lò điện xoay chiều 12 tấn ( Biến thế 9000 kVA ), trở kháng mạch ngắn của điện áp thứ cấp lớn nhất: 0.9 + j 2.7 ( m ) * Lò điện xoay chiều 30 tấn ( Biến thế 16000 kVA ), trở kháng mạch ngắn của điện áp thứ cấp lớn nhất 0.8 + j 2.8 ( m ) * Lò điện xoay chiều 30 tấn mới ( Biến thế 25000 kVA ), trở kháng mạch ngắn điện áp lớn nhất của bên thứ cấp 0.65 + j 2.65 ( m ) * Lò tinh luyện 40 tấn LF ( Biến thế 7000 kVA ), trở kháng mạch ngắn của điện áp thứ cấp lớn nhất 0.5 + j 2.5 ( m ) IV.2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt đƣợc: Yêu cầu cần đạt đƣợc là, các chỉ tiêu về chất lƣợng điện năng, theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện và quy phạm trang bị điện hiện hành IV.2.4.1. Trị số cho phép của dòng điện sóng hài: Dòng điện sóng hài các cấp trạm Gia Sàng đƣa vào hệ thống 110 kV thoả mãn đƣợc yêu cầu về sóng hài trên lƣới điện theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện. Trong tiêu chuẩn trị số cho phép của dòng điện sóng hài các cấp, dƣới dung lƣợng đoản mạch cơ bản giả định nhƣ bảng 3: Điện áp tiêu chuẩn 110 kV Dung lƣợng mạch ngắn cơ bản M.V.A Trị số cho phép dòng điện sóng hài và số cấp sóng hài Ihp (A) 2 3 4 5 6 7 110 750 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 Do trong bảng 3 dung lƣợng mạch ngắn nhỏ nhất của điểm khảo sát tính toán không giống với dung lƣợng mạch ngắn nhỏ nhất tiêu chuẩn giả định CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 65 ( 750 MVA ). Trong bảng 3 theo tiêu chuẩn nhà nƣớc trị số dòng điện sóng hài cho phép trƣớc hết phải tính đổi theo phụ lục. Công thức tính đổi nhƣ sau: Ih = 2 1 k k S S . Ihp (1) Với Sk1: Dung lƣợng mạch ngắn nhỏ nhất của điểm liên kết chung Sk2: Dung lƣợng mạch ngắn tiêu chuẩn MVA Ihp: Trị số cho phép của dòng điện sóng hài cấp h trong bảng 3 Ih: Trị số cho phép của dòng điện sóng hài cấp h khi dung lƣợng mạch ngắn là Sk1 Do dung lƣợng mạch ngắn khi phƣơng thức vận hành nhỏ nhất của trạm 110kV lƣới điện quốc gia đã biết là: 719.4 MVA; qua tính toán dung lƣợng đoản mạch dƣới phƣơng thức vận hành nhỏ nhất của điểm khảo sát tính toán trạm Gia Sàng 110kV là 629.3 MVA; Trị số dòng điện sóng hài cho phép nhỏ nhất tính đổi nhƣ bảng 4: Trị số cho phép của của dòng điện sóng hài các cấp trạm 110 Gia Sàng qua tính đổi dung lƣợng đoản mạch nhỏ nhất Cấp sóng hài h 2 3 4 5 6 7 Trị số cho phép sóng hài tính đổi (A) 10.1 8.06 5.03 8.06 3.36 5.71 Theo yêu cầu phụ lục quốc gia, dòng điện sóng hài cấp thiết cho phép tại điểm liên kết còn phải tính đổi theo công thức (2) Ihi = Ih. 1 tS iS (2) Trong đó: Ih: Trị số cho phép dòng điện (A), sóng hài cấp h tính đổi theo công thức (1) CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 66 Si: Dung lƣợng của bộ i (lấy 50 MVA) MVA St; Dung lƣợng thiết bị cấp điện tại điểm liên kết chung (lấy 70 MVA) : Hệ số tăng của vị trí pha lấy theo bảng 5 Bảng 5: Trị số lấy của hệ số tăng theo vị trí pha h 3 5 7 9 11 13 α 1.1 1.2 1.4 1.8 1.9 2.0 Trị số dòng cho phép sóng hài trạm 110kV Gia Sàng tính đổi theo công thức (2) nhƣ sau: Bảng 6: Trị số cho phép sóng hài các bậc 110kV Trạm Gia Sàng điểm khảo sát: Số cấp sóng hài 2 3 4 5 6 7 Trị số dòng sóng hài cho phép Ihi(A) 8.54 5.94 4.25 6.09 2.84 4.49 IV.2.4.2. Trị số cho phép của điện áp sóng hài Căn cứ vào qui định “Chất lƣợng điện – Sóng hài trên lƣới chung của Trung Quốc”. Trị số hạn định điện áp sóng hài của các cấp điện áp trên hệ thống cung cấp điện, nhƣ bảng 7 ( Điện áp pha ) Tức trị số cho phép tỷ lệ lệch méo sóng hài của thanh cái 110kV trạm biến thế Gia Sàng là 2% CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 67 Bảng 7: Trị số điện áp sóng hài cho phép của các cấp điện áp Điện áp lƣới điện (kV) Tỷ lệ biến lệch sóng hài điện áp % Tỷ lệ điện áp sóng hài các bậc Bậc lẻ Bậc chẵn 35 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 IV.2.4.3. Dao động điện áp và trị số đột biến: Điện áp thanh cái 110kV trạm biến thế Gia Sàng do cụm lò điện sinh ra phải thoả mãn theo yêu cầu “Dao động điện áp cho phép và của chất lƣợng điện” theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện bao gồm: * Điện áp 110kV dao động nhỏ hơn: 2% * Điện áp 110kV biến đổi đột biến < 0.6% IV.2.4.4. Trị số cho phép điện áp thứ tự nghịch: Độ không cân bằng điện áp thanh cái 110kV, điểm đo đạc tại trạm biến thế Gia sàng do cụm lò điện gây ra đáp ứng yêu cầu cần qui định về “Độ không cân bằng điện áp” phải nhỏ hơn 1.3%. IV.2.4.5: Yêu cầu hệ số cos tại điểm đặt công tơ Hệ số cos công suất bình quân tại điểm đo 110kV Gia Sàng lớn hơn 0.92 IV.2.5: Hệ thống cấp điện của Công ty Gang thép Thái Nguyên Việt Nam Công ty Gang thép Thái Nguyên hiện nay có một trạm biến thế 110 Gia sàng do nguồn trạm 110kV quốc gia cung cấp theo hai đƣờng. Trạm biến áp Gia sàng có hai máy biến thế 110kV; một máy có dung lƣợng 50 MVA, dẫn bằng dây AC 120 kép, bắc trên cao, dài 11 km. Một máy biến thế dung lƣợng 20 MVA, lấy từ trạm biến áp Thái Nguyên, dài 11 km, bằng dây AC240 đơn. Trong đó máy biến thế 50MVA điện áp 110kV/35kV/6kV, hiện máy 50 MVA cấp cho hai lò điện 35kV, 1 lò 12 tấn máy biến CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 68 thế 9000kVA, một lò 30 tấn máy biến thế 16.000 kVA, sản lƣợng thép 30 tấn/một mẻ. Sắp tới tăng thêm một lò điện 30 tấn các công suất máy biến thế 25.000 kVA, một lò tinh luyện LF 40 tấn, máy biến thế 7000 kVA và cơ cấu hệ thống bù vô công tĩnh SVC, máy biến thế 20 MVA chủ yếu cung cấp cho cụm lò điện 6 kV và phụ tải trong nhà máy ( ảnh hƣởng của nó đối với chất lƣợng điện rất nhỏ có thể bỏ qua không tính ), hai máy biến thế 110 kV, 6 kV vận hành riêng rẽ không ảnh hƣởng gì tới nhau, hệ thống cấp điện và các thông số định mức của thiết bị, vận hành và sơ đồ cấp điện nhƣ hình 1: 35 kV AC 120 11 km 110 kV 6 kV B1 B4 9 MVA 8.2% 12 T K B3 25 MVA 8.0 % 30 T Không hoạt động Hình 1: B5 16 MVA 6.8% 30T B2 7 MVA 8.0% 40 T LF 35 kV SVC Míi t¨ng 110 kV Tr¹m Th¸i Nguyªn Tr¹m Gia sµng 12 % 110 kV CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 69 Máy biến áp ba cuộn dây B1: 110 / 35 / 6 kV có UN CT% = 9.5 % ; UN CH % = 17.43 UN TH % = 6.53 % ; Sđm = 50 MVA. Máy biến áp hai cuộn dây B2: 35 / 6 kV có UN = 8 % ; Sđm = 7 MVA. Máy biến áp hai cuộn dây B3: 35 / 6 kV có UN = 8.0 % ; Sđm = 25 MVA. Máy biến áp hai cuộn dây B4: 35 / 6 kV có UN = 8.2 % ; Sđm = 9 MVA. Máy biến áp hai cuộn dây B4: 35 / 6 kV có UN = 6.8 % ; Sđm = 16 MVA. Cuộn kháng có Xk % = 12 % Ta có sơ đồ đẳng trị nhƣ hình vẽ ( tính trong hệ đơn vị cơ bản không tên ) Chọn Scb = 100 MVA ; Ucb = Utb Đƣờng dây AC 120 ( l = 11 km ), tra phụ lục 11 sách thiết kế nhà máy điệnvà trạm biến áp ( Nguyễn Hữu Khải ) nối khoảng cách hình học giữa các pha là 5m thì x0 = 0.423 ( Ω / km ) XH = N cb S S ( Với SN = 943 MVA ) => XH = 943 100 = 0.106 - Điện kháng máy biến áp B1 : UC % = 2 1 ( UN CT% + UN CH % - UN TH % ) = 2 1 ( 9.5 + 17.43 – 6.53 ) = 10.2 % - Điện kháng hệ thống : UNH % = 2 1 ( UN CH % + UN TH % - UN CT % ) = 2 1 ( 17.43 + 6.53 – 9.5) = 7.23 % CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 70 =>X1 = X2 = x0.l. 2 cb cb U S = 0.423. 11. 2115 100 = 0.035 UNT % = 2 1 ( UN CT% + UN TH % - UN CH % ) = 2 1 ( 9.5 + 6.53 – 17.43) = -0.7 % ( ~ 0 % ) XH X1 X2 X3 X4 X5 X6 X8 X9 X7 40 T 30 T mới 6 110 35 Sơ đồ đẳng trị hệ thống trong hệ đơn vị cơ bản không tên 110 X10 30 T cũ X11 12 T 35 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 71 X3 = XC = 100 %NCU . dm cb S S = 50 100 . 100 2.10 = 0.204 X4 = XH = 100 %NHU . dm cb S S ~ 0 X5 = XT = 100 %NTU . dm cb S S = 50 100 . 100 23.7 = 0.1446 Đƣờng dây AC 240 ( l = 4 km ) Tra phục lục 11 sách thiết kế nhà máy điện và trạm biến áp (Nguyễn Văn Khải) và khoảng cách giữa các pha bằng 3m thì x0 = 0.369 Ω∕ km X6 = x0.l. 2 cb cb U S = 0,369. 4. 237 100 = 0.108 Máy biến áp B2 ( 40 T) X7 = XB2 = 100 %NU . dm cb S S = 7 100 . 100 8 = 1.143 Kháng điện : X8 = XK = 100 %KU . dm cb S S = 25 100 . 100 12 = 0.48 Máy biến áp B3 ( 30 T mới ) X9 = XB3 = 100 %NU . dm cb S S = 25 100 . 100 8 = 0.32 Máy biến áp B4 ( 12 T ) X10 = XB4 = 100 %NU . dm cb S S = 9 100 . 100 2.8 = 0.91 Máy biến áp B5 ( 30 T cũ ) X11 = XB5 = 100 %NU . dm cb S S = 16 100 . 100 8.6 = 0.43 IV.3. Phân tích ảnh hƣởng của cụm lò điện hồ quang tới chất lƣợng điện của lƣới điện cung cấp điện: CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 72 IV.3.1: Ảnh hƣởng chất lƣợng điện trong lƣới cấp điện hiện nay của Công ty Gang thép Thái Nguyên IV.3.1.1: Ảnh hƣởng của sóng hài đến lƣới cung cấp điện Hệ thống XH X3 X5 X4 X6 6kV 35 kV 35 kV 110 kV 110 kV Nguồn sóng hài Trạm Thái Nguyên Trạm Gia sàng Hình 2: Các giá trị tham số lƣới điện hệ thống cấp điện hiện có của Gang thép Thái Nguyên X1 X2 CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 73 Trạm biến áp Gia sàng của mạng cung cấp điện Gang thép Thái Nguyên bên 35 kV cấp cho hai lò điện hồ quang xoay chiều (12 tấn và 30 tấn). Căn cứ vào các đƣờng đấu dây chính của hệ thống, trở kháng đoản mạch trong phƣơng thức vận hành nhỏ nhất của hệ thống ( khi vận hành theo phƣơng thức này lò điện ảnh hƣởng lớn nhất đến chất lƣợng điện ). Các thông số thiết bị cấp điện của hệ thống, thông số về thiết bị của Bảng 8: Dòng điện sóng hài và tổng sai lệch điện áp sóng hài xẩy ra của hệ thống dẫn vào lò điện hồ quang, hệ thống cấp điện hiện nay Số bậc sóng hài h 2 3 4 5 6 7 Dòng điện sóng hài phía 35kV (A) 36.4 39.4 15.1 17.0 9.10 8.70 Dòng điện sóng hài phía vào 110kV (A) 11.6 12.5 4.80 5.41 2.90 2.77 Trị số dòng điện sóng hài cho phép điểm đo trạm 110kV Gia sàng (A) 8.54 5.94 4.25 6.09 2.84 4.49 Tổng mức sai lệch điện áp sóng hài trạm 110kV Thái Nguyên 1.62% Tổng mức sai lệch điện áp sóng hài trạm 110kV Gia sàng 1.87% Trị số cho phép: 2% Tổng mức sai lệch điện áp sóng hài trạm 35kV Thái Nguyên 1.95% Tổng mức sai lệch điện áp sóng hài 35kV lò điện 3.54% Tổng mức sai lệch điện áp sóng hài 6kV trạm Gia sàng 2.11% CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 lò điện là nguồn dòng sóng hài và trở kháng ngắn mạch, đã ®-îc phân tích đẳng trị. Các thông số của mạng xem hình 2 Dùng trình tự phân tích sóng hài nhập từ Canada để tính toán, mô phỏng dòng điện sóng hài lớn nhất và khả năng dẫn đến tỷ lệ tổng biến lệch điện áp sóng hài lớn nhất trên thanh cái của các cấp điện áp, kết quả tính toán, mô phỏng dòng điện sóng hài và điện áp sóng hài xem bảng 8: Kết quả tính toán dòng điện, điện áp sóng hài trong bảng 8 cho thấy: Dòng điện sóng hàibậc 2, 3, 4, 6 khảo sát tại trạm biến áp 110kV Gia sàng dẫn vào hai lò điện hồ quang của hệ thống cấp điện hiện có của Gang thép Thái Nguyên vƣợt tiêu chuẩn dẫn đến mức sai lệch điện áp sóng hài của thanh cái này dã đạt tới 1.87% gần với trị số yêu cầu 2% của giới hạn tiêu chuẩn IV.3.1.2: Ảnh hƣởng của dao động và đột biến của điện áp đối với lƣới điện. Hệ thống XH X3 X5 X4 X6 6kV 35 kV 35 kV 110 kV 110 kV Trạm Thái Nguyên Trạm Gia sàng X1 X2 X10 X11 Hình 3: Tham số đẳng trị mạng hệ thống CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 75 Trị số dao động và đột biến điện áp lớn nhất có thể sinh ra trên các thanh cái cấp điện của Gang thép Thái Nguyên đƣợc xác định phải căn cứ vào dung lƣợng ngắn mạch nhỏ nhất mà lƣới điện quốc gia cấp ở trạm 110kV Thái Nguyên và các tham số đẳng trị của lƣới hệ thống để tính toán dung lƣợng ngắn mạch nhỏ nhất trên các thanh cái cấp điện, các tham số đẳng trị của lƣới hệ thống nhƣ chỉ ra ở hình 3. Bảng 9: Dung lượng ngắn mạch ở phương thức vận hành nhỏ nhất các cấp điện áp của hệ thống cấp điện Gang thép Thái Nguyên Dung lƣợng ngắn mạch lớn nhất Smax Dung lƣợng ngắn mạch nhỏ nhất Smin Thanh cái 110kV trạm Thái Nguyên lƣới quốc gia 943MVA 719.4 MVA Thanh cái 110kV trạm Gia sàng 794.3 MVA 629.3 MVA Thanh cái biến áp 35kV Gia sàng 316.6 MVA 286.6 MVA Thanh cái lò điện 35kV Gia sàng 228 MVA 212 MVA Từ các tham số trên tính toán trị số dao động và đột biến của điện áp sinh ra khi hai lò điện hồ quang xung kích vô công lớn nhất xem bảng 10 Từ bảng 10 dao động và đột biến điện áp sinh ra bởi hai lò điện xoay chiều của hệ thống cấp điện hiện nay có thể thấy, dao động điện áp lớn nhất ở điểm khảo sát 110kV trạm Gia sàng là 3.00%, vƣợt quá va trị số cho phép 2%; đột biến điện áp lớn nhất là 0.972% đã vƣợt quá xa yêu cầu của tiêu chuẩn quốc gia đối với đột biến phụ tải là 0.6% CHƢƠNG IV: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG SVC TẠI KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 76 Bảng 10: Xung kích vô công của hai lò điện xoay chiều hiện có dẫn đến dao độngvà đột biến điện áp Lƣợng xung kích vô công lớn nhất Qmax 34.43 MVAr Lƣợng tăng xung k