Báo cáo môn học Thiết bị bù

NG 2 1.1 Tổng quan công suất phản kháng Công suất phản kháng ( Reactive power ) là một phần công suất được tạo ra bởi từ trường trong tuabin máy phát điện , nó rất quan trọng đặc biệt với các tải cảm. Công suất phản kháng góp phần quan trọng tạo nên từ trường trong quá trình khởi động , nếu như không có nó đồng nghĩa với việc không khởi động được các phụ tải có tính cảm . Công suất phản kháng có thể được hiểu là năng lượng vô công, được sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong trong hệ thống điện xoay chiều . I. TỔNG QUAN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Hình 1 : Trực quan công suất phản kháng 1.2 Công thức tính công suất phản kháng Q = S .sin φ =U.I .sin φ Trong đó P : công suất tác dụng ( W ) S : công suất biểu kiến (VA) φ : pha lệch giữa S và P Đơn vị tính công suất phản kháng là VAR (volt amperes reactive), 1 kvar = 1000 var. I. TỔNG QUAN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Hình 2 : Giản đồ vecto bù công suất phản kháng 1.3 Khái niệm hệ số công suất Hệ số công suất là tỷ lệ giữa công suất thực và công suất biểu kiến tính bằng volt-ampe Là tỷ lệ giữa điện trở và trở kháng trong mạch điện xoay chiều. Hay là cosin của góc giữa dòng điện và điện áp Công thức tính hệ số công suất : Cos φ = P / S Trong đó:  P: công suất hiệu dụng (W) S: công suất biểu kiến (VA) I. TỔNG QUAN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.4 Ý nghĩa của hệ số công suất Đối với bên bán điện : Nếu cos phi thấp đồng nghĩ với việc phải truyền tải một lượng S cao hơn mới có thể cung cấp được lượng P yêu cầu từ phụ tải, dẫn tới việc tăng công suất của máy biến áp, các đường dây tải điện ( Vì I lớn), và tổn thất điện áp trên đường dây lớn, gây tốn kém và lãng phí, giảm chất lượng điện năng Đối với bên mua điện: Cos phi thấp dẫn tới việc không sử dụng hiệu quả lượng tiền điện phải trả ( Trả cho công suât S được truyền tới nhưng chỉ dùng được phần công suất P trong S đó), lãng phí kinh tế. Xét ở phương diện nguồn cung cấp : Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy biến áp hoặc máy phát điện). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát điện (tính bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác dụng càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích. Xét ở phương diện đường dây truyền tải : Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta cần quan tâm đến dòng điện truyền trên đường dây . Dòng điện này sẽ làm nóng dây và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây truyền tải I. TỔNG QUAN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.5 Nâng cao hệ số công suất Nâng cao hệ số công suất Mục đích Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điệ n Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến á p Phương pháp nâng cao hệ số công suất Phương pháp nâng cao hệ số Cosphi tự nhiên Phương pháp nâng cao hệ số Cosphi nhân tạo I. TỔNG QUAN CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2.1 Ý nghĩa việc bù công suất phản kháng Tổn thất điện áp của lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào công suất truyền tải và thông số đường dây. Khi vận hành phải đảm bảo sao cho sự thay đổi điện áp tại từng vị trí trên lưới so với định mức nằm trong phạm vi điện áp cho phép. Trong lưới truyền tải điện, chúng ta sử dụng các thiết bị bù (tụ bù ngang, tụ bù dọc ) nhằm mục đích cải thiện điện áp các nút, ngoài ra việc bù công suất phản kháng còn có thêm ý nghĩa :  - Tăng khả năng tải của đường dây  - Cải thiện tính ổn định của điện áp các nút  - Phân bố lại công suất phản kháng trong hệ thống dẫn đến giảm tổn thất hệ thống  - Tăng độ dự trữ ổn định của hệ thống II. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 8 2.2 Bù dọc T ụ bù mắc nối tiếp với phụ tải: có tác dụng giảm điện áp giáng trên đường dây (giảm tổn thất điện áp và công suất trên đường dây), dàn đều điện áp trên đường dây bằng với điện áp cho phép và tăng khả năng truyền tải đối với đường dây. II. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 9 Hình 3 : Tụ bù dọc trên đường dây Tụ bù dọc 2.3 Bù ngang Bù ngang là biện pháp nối rẽ các thiết bị bù (bộ kháng điện, hoặc máy bù đồng bộ ) vào trên lưới truyền tải điện: nhằm tiêu thụ công suất phản kháng, nâng cao hệ số công suất Cosφ, tăng khả năng tải công suất,giảm tổn thất và góp phần điều chỉnh và ổn định điện áp của lưới điện . I I . TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 10 Hình 4 : Tụ bù ngang và kháng bù ngang trên đường dây Tụ bù ngang Kháng bù ngang 2.4 Thiết bị bù bao gồm máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh Có khả năng điều chỉnh phát và tiêu thụ công suất phản kháng Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt, chủ yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (có thể điều chỉnh dễ dàng) - Máy bù đồng bộ tiêu thụ công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015÷0,02 kW/kVAr. - Giá tiền đơn vị công suất phản kháng thay đổi theo dung lượng. 11 Máy bù đồng bộ Tụ điện tĩnh Chỉ phát công suất phản kháng và không có khả năng điều chỉnh Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ Tiêu thụ rất ít công suất tác dụng khoảng 0,003 – 0,005 kW/kVAr Giá tiền cho một đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như không thay đổi theo dung lượng → thuận tiện cho chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ đặt sâu về phía phụ tải II.GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC THIẾT BỊ BÙ 12 II.GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC THIẾT BỊ BÙ 2.5 Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC - Static Var Compensator) Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator) Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller) Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor (TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator ) 3.1 Khái niệm, Cấu tạo TCPAR III.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA TCPAR Khái niệm : Thiết bị TCPAR là 1 khái niệm mới ứng dụng thyristor để điều chỉnh góc lệch pha của điện áp pha của đường dây. Nó có tác dụng điều khiển công suất truyền tải trên đường dây. 13 Cấu tạo : Gồm 3 thành phần chỉnh là máy biến áp kích thích, bộ chuyển đổi và máy biến áp nối tiếp MBA kích thích có 3 cuộn dây sơ cấp nối hình sao, đặt ngang với đường dây. Phía thứ cấp gồm 3 cuộn dây, mỗi cuộn nối với các bộ điều khiển thysistor Các bộ điều khiển thysistor nối nối tiếp với nhau và với cuộn sơ cấp của máy biến áp nối tiếp. Máy biến áp nối tiếp có cuộn thứ cấp đặt nối tiếp với đường dây Hình 5 : Cấu tạo của TCPAR 14 3.2 Nguyên lý hoạt động Với cách bố trí như trên, sẽ có một thành phần điện áp U C vuông góc với điện áp pha. Và bằng cách thay đổi biên độ của điện áp U C này, ta có thể thay đổi được độ lệch pha của điện áp đầu và cuối đường dây, từ đó thay đổi được công suất truyền tải trên đường dây III.CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA TCPAR ’ Hình 6 : Giản đồ vecto nguyên lý bù của TCPAR IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR 4.1 Mô hình toán của TCPAR Thiết bị TCPAR đ ư ợc nối vào giữa 2 pha k và m nh ư trong hình với biến áp kích thích đ ư ợc đ ư a ra từ pha k. Điện áp thêm vào có thể đ ư ợc coi như 1 nguồn điện áp lí t ư ởng trong mạch này với trở kháng đ ư ờng dây . Phần thêm vào thu đ ư ợc bằng cách thay thế bằng 1 nguồn dòng t ư ơng đ ư ơng mắc song song trên đ ư ờng dây các dòng và đ ư ợc cho bởi công thức: Dòng nguồn và dòng sun đ ư ợc thêm vào trong mạch t ư ơng ứng với công suất them vào và đ ư ợc cho bởi công thức: ) 15 Hình 7 : Mô hình đơn giản của TCPAR Ta có ph ư ơng trình công suất tác dụng và công suất phản kháng của TCPAR đ ư ợc kết nối giữa pha k và pha m có thể thu được bằng cách đơn giản hóa đại số và được cho bởi công thức : 4.1 Mô hình toán của TCPAR 16 IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR 4.1 Mô hình toán của TCPAR Hoặc giả sử TCPAR lắp đ ặt giữa hai nút i và j, sơ đ ồ thay thế TCPAR như sau 17 Với Pi, Qi là công suất tác dụng và công suất phản kháng thêm vào tại cái nút i và j Với T=tan Hình 8 : Sơ đồ thay thế của TCPAR đối với đường dây Các tính năng của TCPAR Các tính năng của TCPAR bao gồm: Điều khiển trào lưu công suất trên đường dây . Tăng cường tính ổn định tĩnh của hệ thống điện. Tăng thêm tính ổn định động của hệ thống. Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện. Có khả năng vận hành liên tục trên hệ thống 18 5. Mô phỏng Ở đây ta sử dụng một mô hình thiết bị bù UPFC có một chức năng điều chỉnh góc pha tương đương như TCPAR V.MÔ PHỎNG 19 Hình 9 : Mô hình đơn giản của khối UPFC Cấu tạo : Mô hình gần giống với TCPAR, nhưng tương tác trực tiếp với đường dây, gồm 2 khối được đơn giản hóa gồm Khối STATCOM : lấy công suất tác dụng từ đường dây truyền qua mạch DC tới khối SSSC. Ngoài ra còn có thể hoạt động độc lập như một khối bù ngang, điều chỉnh điện áp tại nút bù. Khối SSSC : Nhiệm vụ thêm vec tơ điện áp nối tiếp với đường dây và có thể điều chỉnh được góc pha của vecto này. 5. Mô phỏng V.MÔ PHỎNG 20 Hình 10 : Mô hình đơn giản và giản đồ vecto nguyên lý của khối UPFC UPFC có thể điều khiển truyền tải công suất thông qua điều chỉnh điện áp tại nút bù ngang và góc lệch pha giữa điện áp đầu và cuối đường dây như được thể hiện ở hình bên dưới, qua đó điều chỉnh linh hoạt công suất truyền tải 5. Mô phỏng Sơ đồ mô phỏng thể hiện sự truyền tải công suất từ 2 nhà máy điện ở cấp điện áp 230kV với tổng công suất tác dụng 1500MW lên đường dây 500kV và phụ tải 200MW. V.MÔ PHỎNG 21 Hình 11 : Sơ đồ đường dây mô phỏng UPFC 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 22 Hình 12 : Sơ đồ mô phỏng trong MATHLAB IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR Tổng quan các khối UPFC Khối nguồn phát (Hình 13): Gồm mô hình tương đương nhà máy điện phát công suất ở 13,8kV sau đó truyên công suất lên đường dây 230kV qua máy biến áp Khối đo lường các tín hiệu điều chỉnh (Hình 14): Đưa ra 4 tín hiệu điều khiển chính là công suất tác dụng, phản kháng truyền tải mong muốn và biên độ, góc pha của điện áp nối tiếp thêm vào đường dây Khối đo lường công suất truyền tải P,Q và điện áp tại các bus ( Hình 15): Nhận vào tín hiệu điện áp và dòng điện 3 pha tại các bus và tính toán ra P, Q truyền tải Các khối bên trong của UPFC (Hình 16), khối “Power Components Modeling” nhận vào thông số điện áp cần thêm vào và tương tác trực tiếp với đường dây Các khối còn lại : nhận vào tín hiệu đường dây và tính toán các giá trị cần điều chỉnh 23 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 24 Hình 13 : Bên trong của 2 khối nguồn phát: 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 25 Hình 14 : Khối đo lường các tín hiệu điều chỉnh của UPFC : 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 26 Hình 15 : Khối đo lường công suất truyền tải P,Q và điện áp tại các bus trong sơ đồ 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 27 Hình 16 : Các khối bên trong của UPFC 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 28 Hình 17 : Đồ thị đầu ra của 2 khối đo lường của hình 14 và hình 15 trường hợp tải 200MMW 5. Mô phỏng GIỚI THIỆU VỀ TCPAR 29 Bảng 1 : So sánh công suất truyền tại các bus ở các trường hợp khác nhau Trường hợp B1 B2 B3 B4 B5 Không có UPFC 95.19 588.8 586.8 898.6 1279 Tải 0% 193.6 686.7 684 799 1475 Tải 30% 196.6 689.7 687 796 1416 Tải 50% 196.6 689.7 687 796 1376 Tải 100% 196.6 689.7 687 796 1277 Tải 300MW và nguồn tương đương 14900 MVA 196.6 689.7 687 796 1177 Tải 400MW và nguồn tương đương 14800 MVA 196.6 689.7 687 796 1077 IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR Kết quả mô phỏng Có thể thấy rằng, khi chưa có sự tác động của UPFC, mạng điện có phân bố công suất tự nhiên, máy biến áp B2 truyền tải lượng công suất 899MW, bị quá tải 100MW Ở giây thứ 5, khi máy cắt mở ra, đến giây thứ 10 thì UPFC mới có được tác động đáng kể. Một điện áp nối tiếp V_conv được thêm vào đường dây (giá trị biên độ và góc pha thể hiện trên đồ thị kết quả) Nhờ đó công suất tác dụng được huy động bớt sang phía B2 và B3 100MW, giảm tải cho MBA B2 Khi các phụ tải thay đổi, UPFC vẫn duy trì được lượng công suất truyền tải trên các bus là gần như nhau, chỉ có bus 5 là phụ thuộc vào lượng công suất của tải tiêu thụ, không phụ thuộc vào nguồn 500kV tương đương 15000MVA vì công suất quá lớn. Như vậy có thể thấy sự ổn định của UPFC đối với sự thay đổi thông số của các thành phần tải và lưới của mạng điện 30 IV.MÔ HÌNH TOÁN CỦA TCPAR Kết luận Qua sơ đồ mô phỏng có áp dụng thiết bị điều chỉnh góc lệch pha tương tự TCPAR như trên có thể thấy được rằng Với khả năng đặt nối tiếp một điện áp vuông góc với điện áp của đường dây, thiết bị có thể điều chỉnh được góc lệch pha giữa 2 đầu điện áp và qua đó điều chỉnh được dòng truyền công suất trong toàn sơ đồ theo giá trị ta mong muốn, tránh được quá tải các thiết bị trong sơ đồ mạng điện. Khả năng đáp ứng tốt của thiết bị theo giá trị công suất truyền tải đã định trước khi công suất tiêu thụ của tải thay đổi. 31