Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục

...................................................................................................................5 Chƣơng I: Tổng quan về chất lƣợng điện năng và lƣới điện có thiết bị lò hồ quang điện hoạt động ..............................................................................................................................6 I.1. Tổng quan về chất lượng điện năng .............................................................................................................. ...6 I.2 Các thông số về chất lượng điện năng......................................................................................................... ...7 I.21. Chất lượng điện năng chất lượng điện áp ..................................................................................... ...7 I.2.2 Quá độ .................................................................................................................................................................. ...8 I.2.3. Độ lệch điện áp thời gian dài.............................................................................................................. 9 I.2.4. Độ lệch điện áp thời gian ngắn......................................................................................................... 10 I.2.5. Mất cân bằng điện áp .............................................................................................................................. 11 I.2.6. Độ méo dạng sóng .................................................................................................................................... 12 I.2.7. Dao động điện áp ....................................................................................................................................... 14 I.2.8. Độ lệch tần số ............................................................................................................................................... 14 I.3 Lưới điện có lò hồ quang hoạt động ............................................................................................................. 14 I.3.1 Lò hồ quang ..................................................................................................................................................... 14 I.3.2 Ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến lưới điện ....................................................................... 15 I.4 Hiện trạng sử dụng lò hồ quang ở các khu công nghiệp Thái Nguyên ................................. 20 I.4.1 Tóm tắt chung ................................................................................................................................................. 20 I.4.2 Hiện trạng sử dụng lò hồ quang ở lưới điện tỉnh Thái Nguyên..................................... 21 I.4.3 Khảo sát đặc tính của lò hồ quang điện ......................................................................................... 22 I.4.4 Các ảnh hưởng đến lưới điện khi lò hồ quang điện hoạt động ...................................... 23 Chƣơng II: Khảo sát, mô phỏng lƣới điện có lò hồ quang điện hoạt động ....................... 28 II.1. Giới thệu chương trình mô phỏng ATM- EMTP.............................................................................. 28 II.2. Nguyên tắc, khả năng và các modul của chương trình ATP. ..................................................... 29 II.2.1. Nguyên tắc chung. ..................................................................................................................................... 29 II.2.2. Khả năng ứng dụng của chương trình. ........................................................................................ 29 - Trang: 3 - II.3. Các phần tử chính của ATPDraw phục vụ nghiên cứu. ................................................................. 33 II.4. Mô phỏng lò hồ quang trong hệ thống điện. ......................................................................................... 38 Chƣơng III: Lựa chọn giải pháp nâng cao chất lƣợng điện năng ............................................ 43 III.1. Nguyên lý bù SVC. .............................................................................................................................................. 43 III.2 Tính toán thông số của bộ SVC trong hệ thống điện...................................................................... 61 III.2.1 Hiện trạng hệ thống cung cấp điện Công ty Diezen. ......................................................... 61 III.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện sử dụng SVC............................................................... 62 III.2.3 Tính toán thông số của bộ SVC trong hệ thống điện. ...................................................... 64 Chƣơng IV: Đánh giá hiệu quả sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao chất lƣợng điện năng........................................................................................................................................ 82 IV.1. Đánh giá mô hình SVC trong chế độ xác lập ..................................................................................... 82 IV.2. Mô hình SVC trong chế độ xác lập ........................................................................................................... 86 IV.3. Khả năng ứng dụng và hiệu quả SVC .................................................................................................... 88 IV.4. Đánh giá mô hình bài toán bù SVC theo phân tích kinh tế ....................................................... 92 Kết luận ................................................................................................................................................................................ 96 Hƣớng phát triển đề tài ............................................................................................................................................... 98 Tài liệu tham khảo .......................................................................................................................................................... 99 Phụ lục ................................................................................................................................................................................ - Trang: 4 - DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Ý nghĩa Chú thích 1 CLĐN Chất lượng điện năng 2 EAF Electric Arc Furnace Lò hồ quang điện 3 EMTP Electro Magnetic Transients Program Chương trình nghiên cứu quá độ điện từ. 4 IEEE Istitute of Electrical and Electronic Engineers Bộ tiêu chuẩn về điện 5 LHQĐ Lò hồ quang điện 6 p.u Per unit Đơn vị tính theo phần trăm 7 PCC Poin of Common Coupling Điểm đấu nối công cộng 8 SVC Static Var Compensator Bù SVC 9 TCR Thyristor Controlled Reactor Điện kháng có điều khiển 10 THD Total Harmonic Distortion Tổng độ méo 11 V_A Đặc tính Vôn-Ampe 12 V-S Đặc tính Vôn-Giây - Trang: 5 - LỜI NÓI ĐẦU Vài thập năm trở lại đây, Việt Nam là quốc gia thường được nhắc đến như một hiện tượng phát triển ở khu vực Đông Nam Á với tốc độ tăng trưởng liên tục ở mức cao và giữ ổn định. Sự phát triển càng trở nên mạnh mẽ hơn khi nước ta ra nhập Tổ chức Kinh tế thế giới WTO đã thúc đẩy các ngành kinh tế, văn hoá, giáo dục.. nói chung và ngành công nghiệp nói riêng phát triển. Đặc biệt, nhu cầu điện năng phục vụ cho một đất nước phát triển nhanh, yêu cầu đặt ra cho ngành điện lực không những đáp ứng đủ nhu cầu điện năng cho khách hàng mà còn đảm bảo chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn hiện hành. Bên cạnh việc nghiên cứu tính toán các phương án cấp điện tối ưu, giảm suất sự cố trên lưới điện để cung cấp điện cho khách hàng liên tục, ổn định thì công tác nghiên cứu, tìm tòi các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cũng như các tác động từ các phụ tải có tính chất điển hình ảnh hưởng đến chỉ tiêu chất lượng điện năng cũng là một nhiệm vụ hết sức quan trọng. Trên các cơ sở thực tế trên với đề tài: ”Nghiên cứu ảnh hưởng của lò hồ quang điện đến chất lượng điện năng ở các khu công nghiệp và tính toán lựa chọn thiết bị khắc phục” đề cập đến các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng cũng như các ảnh hưởng từ lò hồ quang điện đến các thông số lưới điện. Tác giả xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy giáo T.S Trần Văn Tớp Bộ môn hệ thống điện-Trường ĐHBK Hà Nội đã tận tình hướng dẫn suốt thời gian qua. Xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Các thầy các cô Khoa Điện-Trường Đại học Công Ngiệp Thái Nguyên và gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Vì thời gian nghiên cứu có hạn, lĩnh vực nghiên cứu mới mẻ nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô và các bạn góp ý để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn. Thái Nguyên, ngày 01 tháng 05 năm 2008 Tác giả Hà Trung Hƣng - Trang: 6 - Chƣơng I TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ LƢỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG I.1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG. Mấy thập niên trở lại đây, thuật ngữ “chất lượng điện năng” luôn được các nhà hoạch định chính sách năng lượng, các công ty điện lực và cả các khách hàng sử dụng điện quan tâm hàng đầu khi đặt vấn đề liên quan đến sản xuất, truyền tải, phân phối điện và sử dụng điện. Thuật ngữ “Chất lượng điện năng” đã được nhắc đến bởi nghiên cứu của U.S Navy xuất bản năm 1968. Cuốn sách này đưa ra cái nhìn tổng quan về chất lượng điện năng, cách sử dụng các thiết bị giám sát và các hiện tượng trong sản xuất và truyền tải điện. Sau đó một vài nhà xuất bản khác xuất hiện tiếp tục sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng trong mối tương quan giữa hiện tượng với truyền tải hệ thống điện. Các định nghĩa về chất lượng điện năng được giải thích theo nhiều cách và khó có thể cho rằng định nghĩa nào là đầu định nghĩa đầu tiên. Các nguyên nhân chính cho ngày càng sử dụng các định nghĩa về chất lượng điện năng rộng rãi với những lý do chính sau: 1. Nhu cầu sử dụng liên tục tăng cao, quan hệ cung cầu ngày càng trở nên gay gắt hơn đồng thời khách hàng sử dụng điện đòi hỏi ngày càng cao số lượng cũng như về chất lượng điện. 2. Sự phát triển các thiết bị mới kèm theo công nghệ tiên tiến hơn được đưa vào sử dụng như bù cos cho các động cơ, các hệ thống biến đổi điện từ một chiều thành xoay chiều và ngược lại, các hệ thống sử dụng công nghệ biến tần để nâng hiệu suất của thiết bị sử dụng điện đã phát sinh các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng điện. Công nghệ bán dẫn phát triển mạnh đã làm thay đổi tính chất các phụ tải truyền thống. Các thiết bị điện và điện tử bị ảnh hưởng bởi mất cân bằng điện áp nhiều hơn so với trước đây. 3. Quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối điện kết hợp với nhiều nguồn phát điện đóng đồng bộ vào lưới do đó đòi hỏi các công ty điện lực phải nâng cao chất lượng điện năng có thể đồng bộ giữa các nguông có cùng một tiêu chuẩn chất lượng điện và tiết kiệm chi phí vận hành, giảm sự cố để cấp điện liên tục và thiết kế các hệ - Trang: 7 - thống với độ tin cậy cung cấp điện với giá thành tới hạn là nhiệm vụ kỹ thuật yêu cầu trong ngành công nghiệp hiện nay. 4. Chất lượng điện năng có khả năng đo lường được. Nhờ vào sự phát triển của thiết bị đo lường số thì các thiết bị có thể đo các tham số về chất lượng điện năng cũng như thể hiện các dạng sóng đã làm tăng sự quan tâm đến chất lượng điện năng. Với các nước có nền công nghiệp năng lượng phát triển trên thế giới (Mỹ , Nhật, Anh, khối Liên xô cũ ..) thì các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đã được ban hành rất sớm. Đối với nước ta chất lượng điện điện năng bắt đầu được chú trọng vì yêu cầu về nguồn với hệ thống cung cấp điện ngày càng tăng cũng như những yêu cầu vận hành của thiết bị điện nhập khẩu vào nước ta phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng đang lưu hành trên thế giới như các bộ tiêu chuẩn IEE519 -1992 quy định về các sóng hài. Hình 1.1: Thống kê tần suất sử dụng định nghĩa chất lượng điện năng từ cơ sở dữ liệu INSPEC từ năm 1968 đến 2004. I.2 CÁC THÔNG SỐ VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG I.2.1 Chất lƣợng điện năng- Chất lƣợng điện áp. Chất lượng điện năng trong hầu hết các trường hợp là chất lượng điện áp vì về mặt kỹ thuật, công suất là định mức của năng lượng cung cấp và là tích số của dòng điện và điện áp. Thông thường, hệ thống cung cấp công suất chỉ có thể điều chỉnh chất lượng điện áp cung cấp cho tải chính vì vậy các tiêu chuẩn nâng cao chất lượng điện năng chủ yếu giành cho điều chỉnh điện áp trong các giới hạn cho phép. Hệ thống điện Số lượng tạp chí sử dụng - Trang: 8 - xoay chiều khi thiết kế cho điện áp hình sin có tần số cơ bản là 50Hz hoặc 60Hz. Do vậy, bất kỳ độ lệch về biên độ, dạng sóng hay tần số của điện áp đều ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Khi tính toán thiết kế hệ thống điện, người ta thường tính toán máy phát điện làm việc ở chế độ xác lập hình sin nhưng dòng điện qua các tải với nhiều thành phần như tải điện trở, tải điện kháng, các tải phi tuyến và nhiều nguyên nhân khác đã làm thay đổi dạng sóng dòng điện. Một nguyên nhân khác như quá trình đóng cắt tải, tụ bù, sóng sét cũng làm biến dạng sóng sin của dòng điện. Với các lý do trên đồng thời với sự hỗ trợ của các thiết bị ngày càng chính xác để đo các thông số về chất lượng điện năng, người ta đưa ra các khái niêm, thuật ngữ để để đánh giá chất lượng điện năng như sau: I.2.2 Quá độ (Transient). Quá độ là thuật ngữ thường xuyên sử dụng trong các bài toán phân tích hệ thống điện. Đó là sự chuyển tiếp từ trạng thái ổn định điện này sang trạng thái ổn định khác. Trong vấn đề chất lượng điện năng thì định nghĩa trên dùng miêu tả các trạng thái bất bình thường xảy ra đối với hệ thống điện đó là quá độ xung và qua độ dao động. Quá độ xung ( Impulsive Transient) Quá độ xung thường chỉ sự thay đổi đột ngột về tần số của điện áp áp hay dòng điện hoặc theo cả hai hướng của cực(hoặc cực âm hoặc cực dương). Hình 1.2: Quá độ xung do sét. Đặc trưng của quá độ xung là độ dốc của xung và và thời gian tắt, ví dụ điện áp của hệ thống điện đột ngột tăng cao từ vài chục vôn đến hàng nghìn vôn trong thời gian một vài mili giây sau đó giảm dần biên độ và tắt. - Trang: 9 - Nguyên nhân thường do sét trực tiếp tác động và hệ thống điện và giảm biên độ dọc theo đường dây. Quá độ xung thường kích thích các tần số cơ bản của hệ thống điện gây ra quá độ dao động. Quá độ dao động (Oscillatory Transient) Quá độ dao động thường xảy ra thay đổi đột ngột tần số điện áp, tần số dòng điện hoặc cả hai theo hai cực dương và âm của nguồn điện. Khi quá độ dao động xảy ra, điên áp và dòng điện có giá trị tức thời theo cực xảy ra rất nhanh. Hình 1.3: Xung dòng quá độ dao động bởi đóng cắt giàn tụ. - Quá độ tần số cao: Quá độ mà các dao động có thành phần chính cao hơn 500kHz được coi là quá độ tần số cao. Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống cục bộ với xung quá độ. - Quá độ tần trung bình: Quá độ mà thành phần tần số chính giữa 5kHz và 500kHz được định nghĩa là quá độ tần số trung bình. Các quá độ này thường là kết quả của đáp ứng hệ thống với xung quá độ. - Quá độ tần thấp: Quá độ mà thành phần tần số chính nhỏ hơn 5kHz đến 500kHz thường gặp trong truyền tải và phân phối gây bởi nhiều nguyên nhân. - Ngoài ra còn các quá độ dao động nhỏ hơn tần số 300kHz do hiện tượng cộng hưởng sắt từ, do các dàn tụ mắc nối tiếp ..vv. sinh ra. I.2.3 Độ lệch điện áp thời gian dài (Long-duration Vontage Varitions) Độ lệch điện áp thời gian dài có thể và thấp điện áp hoặc quá điện áp. Các hiện tượng trên thường do nhiều nguyên nhân gây ra như sự cố lưới điện hoặc do sự tăng giảm tải của hệ thống, đôi khi người ta còn thấy cả ở khi phục hồi sự cố hệ thống điện. Độ lệch điện áp thời gian dài thường được chia ra dưới các dạngsau: - Trang: 10 - Hình 1.4:Độ lệch điện áp thời gian dài. Quá điện áp (Over Voltage) Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột tăng quá 110% điên áp định mức trong thời gian lớn hơn 1 phút. Quá điện áp thường do đóng một bộ tụ lớn vào hệ thống hay sa thải phụ tải lớn ra khỏi hệ thống làm cho điện áp của hệ thống dâng lên trên điện áp định mức. -Thấp điện áp (Under Voltage) Điện áp tại điểm khảo sát đột ngột giảm nhỏ hơn 90% điên áp định mức tại tần số công nghiệp trong thời gian lớn hơn 1 phút. Các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do ngược với các nguyên nhân gây nên quá điện áp trên. Gián đoạn duy trì (Sustained Interruptions) Điện áp giảm về giá trị không trong thời gian lớn hơn 1 phút. Nguyên nhân thường do sự cố hệ thống lưới điện và theờng được con ngươi phục hồi lại tình trạng lưới điện. I.2.4 Độ lệch điện áp thời gian ngắn ( Sort – duration Voltage Variations) Độ lệch điện áp thời gian ngắn là do tình trạng khởi động các phụ tải lớn, yêu cầu cung cấp ngay một dòng điện lớn từ hệ thống hay đôi khi chỉ là các tình trạng hệ thống bị sự cố ví dụ: ngắn mạch thoáng qua. Đặc trưng của độ lệch điện áp dưới các dạng sau: Mất điện áp (Interruptions) Hiện tượng được coi là mất điện áp khi dòng tải hoặc nguồn cung cấp giảm thấp hơn 10% giá trị định mức trong thời gian không quá 1 phút. - Trang: 11 - Sụt giảm điện áp ( Sag) Sụt giảm điện áp là sự giảm điện áp trong khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hoặc dòng điện tại tần số công nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút. Hình 1.4: Sự sụt giảm điện áp. Tăng cao điện áp ( Swell) Là sự tăng điện áp từ 110% đến 180% giá trị điện áp hiệu dụng hay dòng điện tại tần số công nghiệp tại tần số công nghiệp trong kho khoảng thời gian từ nửa chu kỳ đên 1 phút. Cũng tương tự như sụt giảm điện áp, tăng cao điện áp chủ yếu có nguyên nhân do sự biến đổi hệ thống. I.2.5 Mất cân bằng điện áp (Votage Unblance) Là độ biến đổi lớn nhất khỏi giá trị trung bình của điện áp hay dòng điện 3 pha cả về giá trị và góc pha. Một hệ thống điện 3 pha thường được biểu thị dưới dạng : Pha A : )sin()( aaa tUtu (1.1) Pha B : )120sin()( 0 bbb tUtu (1.2) Pha C : )120sin()( 0 ccc tUtu (1.3) Trong đó : a, b , c là các góc lệch pha tương ứng. Một hệ thống như trên ta gọi là hệ thống điện áp đối xứng, Hệ thống không đối xứng ta có thể chia là điện áp thứ tự thuận, điện áp thứ tự nghịch, và điện áp thứ tự không. 0 2 1 U U U 3 1 111 1 1 2 2 aa aa c b a U U U ( 0120jea ) (1.4) - Trang: 12 - Hệ số không cân bằng Un tính toán và xác định bởi công thức : %100 1 2 U U U n (1.5) Ngoài ra cũng có thể xác định hệ số mất cân bằng Un qua các giá trị của điện áp dây bằng công thức : %100 631 631 nU (1.6) Hệ số ỏ khi đó được xác định theo công thức : 2444 444 cacbab cabcab UUU UUU (1.7) Tỷ lệ giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thứ tự không với thành phần thứ tự thuận có thể sử dụng để xác định phần trăn mất cân bằng điện áp. Phương pháp thứ tự nghịch gần đây hay được sử dụng để xác định theo các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng mấy năm gần đây. Hình 1.5: Mất cân bằng điện áp. I.2.6 Độ méo dạng sóng(Warreform Distotion) Là sự biến đổi trạng thái từ một dạng sóng sin lý tưởng của tần số cơ bản. Độ méo sóng được thể hiện bởi thành phần phổ của biến đổi đó. được thể hiện dưới các dạng - Một chiều (DC Offset). Là sự có mặt của thành phần một chiều trong hệ thống điện xoay chiều. Dòng điện một chiều trong hệ thống điện xoay chiều làm bão hoà lõi thép máy biến áp gây phát - Trang: 13 - nóng máy biến áp và công suất mang tải của máy biến áp không đạt công suất theo thiết kế. Sóng hài (Harmonic) Là các điện áp hay dòng điện hình sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Nguyên nhân gây ra các thành phần sóng hài trong dòng điện là bởi các tải phi tuyến đấu nối vào hệ thống. Một phụ tải phi tuyến có thành phần sóng dòng điện khác với sóng điện áp. Khi đó, sự biến đổi không sin của điện áp kéo theo sự biến đổi không sin của dòng điện trong điện kháng tải. Các dạng sóng điện đều có thể phân tích thành tổng của tần số cơ bản và sóng hài. Đa hài (Inter Harmonic) Điện áp và dòng điện có thành phần tần số không phải của bội số nguyên của tần số cơ bản gọi là đa hài. Người ta phát hiện đa hài xuất hiện hầu hết ở các dạng điện áp của hệ thống điện truyền tải, đa hài gây nên bởi các biến đổi tần số như các thiết bị biến tần, các bộ chuyển đổi, các thiết bị phát hồ quang. Notching. Là sự nhiễu loạn điện áp theo chu kỳ gây ra bởi hoạt động bình thường của các thiết bị điện tử khi dòng điện các pha giao hoán lẫn nhau gây nên. Sự nhiễu loạn liên tiếp đôi khi cũng được thể hiện qua hình ảnh của sóng hài điện áp tuy nhiên nó không thể mô tả và đo lường được bằng các thiết bị sử dụng cho sóng hài. Hình 1.6: Sự nhiễu loạn điện áp gây ra bởi chỉnh lưu - Tạp âm (Noise) Tín hiệu điện không mong muốn tìm thấy ở dây pha hay dây trung tính với thành phần dải tần số thấp hơn 200kHz trên cùng điện áp hoặc dòng điện trên các pha, hoặc có thể tìm thấy ở dây trung tính. - Trang: 14 - Tạp âm trong hệ thống điện được phát sinh bởi các thiết bị điện, điện tử sử dụng công nghệ điện tử công suất gây ra. Các thiết bị sử dụng cong nghệ chỉnh lưu một chiều, các lò hồ quang điện cũng chính là các thiết bị gây nhiễu điện áp trong hệ thống điện. I.2.7 Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) Dao động điện áp hoặc dòng điện biến đổi nhanh liên tục trong các dòng tải một cách liên tục trong khoảng 90% đến 110% điện áp định mức. Một dạng của dao động điện áp là điên áp nhấp nháy (flicker). Điện áp nhấp nháy tác động lên bóng đèn sợi đốt mà mắt người có thể quan sát được. I.2.8 Độ lệch tần số (Power Frequency Variation) Độ lệch tần số được định nghĩa như sự biến đổi của tần số cơ bản có giá trị thông thường (50Hz hoặc 60Hz). Tần số của hệ thống điện liên quan trực tiếp điến tốc độ quay của máy phát điện. Khi độ lệch tần số quá các giới hạn tiêu chuẩn cho phép có thể gây sụp đổ hệ thống điện ( rã lưới). I.3 LƢỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG. I.3.1 Lò hồ quang: Lò hồ quang điện sử dụng nhiệt lượng để nung chảy kim loại được tạo ra do sự phóng điện giữa các điện cực hoặc giữa một điện cực và vật liệu kim loại để nóng chảy. Các lò thuộc loại này được sử dụng chính cho cho công nghệp sản xuất gang, thép. Lịch sử lò hồ quang điện: Lò hồ quang được nghiên cứu và chế tạo kể từ sau khi Humphrey Davy khoảng năm 1800 khám phá ra nhiệt lượng của dòng hồ quang điện có thể nung chảy thép và các một số kim loại. Sau đó các lò hồ quang được xây dựng theo qui mô công nghiệp hàng loạt ở Mỹ vào năm 1907. Vào những năm cuối của thế kỷ 20, số lượng các lò hồ quang tăng đáng kể trong các quốc gia có nền công nghiệp sản xuất thép như Pháp, Mỹ, Nhật. Do có tính chất nhiệt lượng và dễ điều chỉnh nhiệt lượng để có thể luyện được các sản phẩm thép có chất lượng cao theo yêu cầu, vận hành tương đối đơn giản đồng thời một nguyên nhân nữa lò hồ quang chiếm ưu thế ở trong vấn đề tái chế kim loại, cải tạo môi trường nên ngày càng chế tạo lò có công suất lớn đến vài trăm - Trang: 15 - MVA. Lò hồ quang thường lắp đặt ở những nơi có nguồn điện dồi dào, công suất nguồn cung cấp điện ít hạn chế. Các lò hồ quang điện thường dùng trực tiếp lưới điện trung thế có cấp điện áp từ 6 kV dến 35 kv hạ xuống điện áp của lò dưới 1kV tuỳ theo từng công nghệ lò. Các bộ điều chỉnh dòng điện thường có kết cấu của bộ điều áp dưới tải. Các bộ điều khiển này sẽ bao gồm bộ điều khiển tỷ số biến áp, và bộ đổi nấc cuộn cảm cao áp nối tiếp với điện cực. Phân loại: Theo dòng điện sử dụng ta chia làm 2 loại: Lò hồ quang điện sử dụng một chiều. Lò hồ quang điện sử dụng nguồn 3 pha xoay chiều. Theo cách cháy của ngọn lửa dòng hồ quang chia làm 2 loại: Lò nung nóng gián tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện cực trong lò hồ quang. Lò nung nóng trực tiếp: Nhiệt của ngọn lửa hồ quang xảy ra giữa các điện cực và các kim loại dùng để nấu chảy. Theo đặc điểm chất liệu vào lò: Lò chất liệu từ đỉnh xuống nhờ gầu chất liệu. Lò chất liệu vào bên sườn lò, có thể bằng thủ công, bằng máng hay bán tự động. I.3.2 Ảnh hƣởng của lò hồ quang điện đến lƣới điện. Phần lớn lò hồ quang điện có công suất lớn từ vài chục MVA đến hàng trăm MVA (trừ các lò nhỏ trong phòng thí nghiệm) do đó, hầu hết các lò hồ quang điện đều là phụ tải lớn và có tính chất điển hình tải phi tuyến trên hệ thống điện. Lò hồ quang điện xoay chiều là phụ tải xung kích với tính chất phụ tải phi tuyến đặc biệt. Khi lò hồ quang điện vận hành, dòng điện gây ra dòng hồ quang liên tục thay đổi theo kim loại nóng chảy, đồng thời do quá trình vận hành bị sập liệu, khi điều chỉnh các điện cực, khi thổi ôxy vao lò cũng luôn làm cho dòng hồ quang biến đổi nhanh trong phạm vi rộng và không ổn định. Qua phân tích thực tế cho thấy dòng điện của lò hồ quang điện chứa nhiều sóng hài và còn có dòng điện tần số thấp. Chính dòng điện tần số thấp này sẽ tác động tới dao động điện áp ở hệ thống điện cung cấp làm cho điện áp lưới điện liên tục dao động. - Trang: 16 - Lò hồ quang điện cũng tiêu thụ điện năng tác dụng và điện năng phản kháng của luới điện. Đặc trưng chính của lò hồ quang đôi với hệ thống điện là Qxung kích. Các yếu tố này kết hợp với nhau gây ảnh hưởng xấu đến điện áp nói riêng và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện nói chung. Máy biến áp phục vụ lò thường xuyên làm việc ở chế độ thay đổi liên tục từ hở mạch đến ngắn mạch, nhất là giai đoạn khởi động lò nên ảnh hưởng rất nhiều đến điện áp của luới cung cấp. Sự biến thiên rất nhanh của dòng điện và công suất phản kháng là nguyên nhân cơ bản phát sinh sóng hài. Các giải pháp hạn chế tác dụng của lò hồ quang gây ra thường là đắt. Chu trình làm việc của lò hồ quang điện gồm 3 giai đoạn chính: Giai đoạn 1 (Giai đoạn nung nóng liệu và nấu chảy kim loại). Trong giai đoạn này lò cần công suất nhiệt lớn nhất, điện năng tiêu thụ chiếm khoảng 60 – 80% năng lượng toàn mẻ nấu và thời gian của nó chiếm 50 60% toàn bộ thời gian một chu trình . Để đảm bảo công suất nấu chảy, ngọn lửa hồ quang cần phải cháy ổn định. Khi cháy điện cực bị ăn mòn dần, khoảng cách giữa điện cực và kim loại tăng lên. Để duy trì hồ quang điện cực cần phải được điều chỉnh vào gần kim loại. Lúc đó dễ xảy ra hiện tượng điện cực chạm vào kim loại gọi là quá trình điều chỉnh và gây ra ngắn mạch làm việc. Ngắn mạch làm việc tuy xảy ra trong thời gian ngắn nhưng lại hay xảy ra nên các thiết bị điện trong mạch độg lực thường phải làm việc ở điều kiện nặng nề. Đây là đặc điểm cần lưu ý khi tính toán và chọn thiết bị cho lò hồ quang . Ngắn mạch làm việc cũng có thể gây ra do sụt lở các thành phần của hố vật liệu bao quang đầu điện cực tạo ra trong liệu hoặc sự nóng chảy của các mẩu liệu cũng có thể phá huỷ ngọn lửa hồ quang do tăng chiều dài ngọn lửa. Lúc đó phải tiến hành mồi lại bằng cách hạ điện xuống cho chạm vào kim loại rồi nâng lên tạo hồ quang . Trong giai đoạn này số lần ngắn mạch làm việc có thể tới 100 lần hoặc hơn. Mỗi lần xảy ra ngắn mạch làm việc công suất hữu ích giảm mạnh và có khi tới bằng không với tổn hao cực đại, thời gian cho phép của một lần ngắn mạch làm việc là 2 3s. Tóm lại: Giai đoạn nấu chảy là giai đoạn hồ quang cháy kém ổn định nhất, công suất nhiệt của hồ quang dao động mạnh và ngọn lửa hồ quang rất ngắn thường từ vài mm đến 10 15mm. Do vậy trong giai đoạn này công suất ra của biến áp lò lớn nhất . - Trang: 17 - Giai đoạn đoạn 2 (Giai đoạn Oy hoá) Trong giai đoạn này người ta giữ dòng điện ổn định, nhưng điện áp khá cao, để có thể tạo năng lượng lớn nhất. Khe hở hồ quang thường khá lớn. Giai đoạn này dòng điện và điện áp tương đối ổn định. Quá trình này là để tinh luyện chất lượng thép theo yêu cầu, là gia đoạn khử C, sự cháy hoàn toàn các bon gây nóng chảy kim loại, phần lớn nhiệt lượng dùng để bù tổn hao nhiệt. Năng lượng giai đoạn này chiếm khoảng 60% năng lượng tiêu thụ của giai đoạn đầu tiên. Giai đoạn 3 (Giai đoạn hoàn nguyên) Ở giai đoạn này dòng điện được duy trì không đổi, điện áp trên các điện cực khá thấp, vì trong quá trình điều khiển có thể đưa điện cực nhúng sâu hơn vào kim loại lỏng do vậy trở kháng nhỏ hơn. Tuy nhiên, công suất vẫn thay đổi khá nhiều. Năng lượng chiếm 30% năng lượng so với giai đoạn 1, là giai đoạn để khử oxy, khử khí sunfua và hợp kim hoá kim loại. Giai đoạn 4 (Giai đoạn lấy sản phẩm thành phẩm, vệ sinh lò). Giai đoạn này công suất tiêu thụ vô cùng nhỏ và có thể bỏ qua. Thành phần phụ tải ở giai đoạn này có thể coi như phụ tải công nghiệp bình thường khác. Quá trình luyên thép lại từ đầu. Mạch điện chính A A A CK v A v v w KWh BAL 4mc 3mc 2mc TI1 1mc CL khèi hiÓn thÞ ®o l•êng §KBV Hình 1.7: Sơ đồ mạch điện chính của lò hồ quang. - Trang: 18 - 1. Giới thiệu chung : - Điện cấp cho lò hồ quang lấy từ trạm biến áp lò . - Cầu dao cách ly CL dùng để phân cách mạch động lực của lò với lưới khi cần thiết. - Máy cắt 1MC dùng để bảo vệ lò hồ quang khỏi ngắn mạch sự cố . Nó được chỉnh định để không tác động khi ngắn mạch làm việc , đồng thời nó cũng dùng để đóng cắt mạch lực dưới tải . - Cuộn kháng CK dùng để hạn chế dòng điện khi xảy ra ngắn mạch làm việc và ổn định sự cháy của hồ quang. Khi bắt đầu nấu luyện hay xảy ra ngắn mạch làm việc, lúc ngắn mạch làm việc máy cắt 2MC mở ra để cuộn kháng CK tham gia vào mạch hạn chế dòng ngắn mạch. Khi liệu chảy hết, lò cần công suất nhiệt lớn để nấu luyện, 2MC đóng lại để ngắn mạch cuộn kháng CK. ở giai đoạn hoàn nguyên công suất lò yêu cầu ít hơn thì 2MC lại mở ra để đưa CK vào mạch làm giảm công suất cấp cho lò. Với những lò có công suất lớn hơn nhiều thì không có cuộn kháng CK, việc ổn định hồ quang và hạn chế dòng ngắn mạch làm việc do các phần tử cảm ._.kháng của sơ đồ lò đảm nhiệm. - Biến áp lò BAL dùng để hạ áp và điều chỉnh điện áp, việc đổi nối cuộn sơ cấp thành hình tam giác hay hình sao thực hiện nhờ các máy cắt 3MC, 4MC. Cuộn thứ cấp của biến áp lò nối với các điện cực của lò qua một mạch ngắn MN không phân nhánh. Phía sơ cấp biến áp lò có đặt rơ le dòng cực đại để tác động lên cuộn ngắt máy cắt 1MC. Rơ le này có duy trì thời gian , thời gian duy trì này giảm khi bội số quá tải dòng tăng , nhờ vậy 1MC ngắt mạch lực của lò hồ quang khi chỉ có ngắn mạch sự cố và khi ngắn mạch làm việc keó dài mà không xử lý được. Với ngắn mạch làm việc trong một thời gian tương đối ngắn 1MC không cắt mạch mà chỉ có tín hiệu đèn báo và chuông. Phía sơ cấp biến áp lò còn có các dụng cụ đo lường kiểm tra như: Vôn kế, Ampe kế, điện kế … - Phía thứ cấp cũng có các máy biến dòng 2Ti nối với các ampe kế đo dòng hồ quang. - Trang: 19 - 2. Một số thiết bị chính a. Máy biến áp lò : Máy biến áp lò dùng cho lò hồ quang phải làm việc trong những điều kiện đặc biệt nặng nề nên có các đặc điểm sau : - Công suất thường rất lớn (có thể tới hàng chục MW) và dòng điện thứ cấp r ất lớn (có khi tới hàng trăm kA) - Điện áp ngắn mạch lớn để hạn chế dòng ngắn mạch dưới 2,54 lần dòng điện định mức (Iđm). - Có độ bền cơ học cao để chịu được các lực điện từ phát sinh trong các cuộn dây, thanh dẫn khi có ngắn mạch . - Có khả năng điều chỉnh điện áp sơ cấp dưới tải trong một giới hạn rộng. - Phải làm mát tốt vì dòng lớn, hay có ngắn mạch và vì BA đặt ở nơi kín lại gần lò. - Cuộn thứ cấp biến áp lò thường đấu tam giác vì dòng ngắn mạch được phân ra hai pha và như vậy điều kiện làm việc của các cuộn dây sẽ nhẹ hơn. Máy biến áp lò thường phải làm việc trong tình trạng ngắn mạch và phải có khả năng quá tải nên thường chế tạo to, nặng hơn các MBA động lực cùng công suất . b. Mạch ngắn Mạch ngắn hay dây dẫn dòng thứ cấp có dòng điện làm việc rất lớn tới hàng chục, đôi khi tới hàng trăm nghìn ampe. Tổn hao công suất ở mạch ngắn chiếm tới 70% tổn hao trong toàn bộ thiết bị lò hồ quang. Do vậy yêu cầu cơ bản của mạch ngắn là phải ngắn nhất trong điều kiện có thể (biến áp lò phải đạt rất gần lò) để giảm bớt tổn hao, đồng thời được ghép từ các tấm đồng lá thành các thanh mềm để có thể uốn dẻo lên xuống theo các điện cực . Ngoài ra đối với lò hồ quang ba pha, mạch ngắn còn phải bảo đảm sự cân bằng điện trở, điện kháng (Rmn, Xnm) giữa các pha để có các thông số điện (công suất, điện áp và dòng điện) tương đương nhau. Khi 3 pha mạch ngắn phân bố đối xứng thì hỗ cảm giữa hai pha bất kỳ sẽ bằng nhau và sức điện động hỗ cảm bằng không. - Trang: 20 - Trường hợp nếu khoảng cách giữa các pha không như nhau, hỗ cảm gi ữa các pha sẽ khác không. Trong một pha nào đó sẽ xuất hiện sức điện động phụ ngược chiều dòng điện trong pha đó và tạo ra một sụt áp phụ trên điện trở thuần pha đó dẫn đến điện trở thuần pha này tăng lên , gây ra tổn hao công suất phụ và công suất hồ quang của pha này sẽ giảm đi so với các pha khác. Đồng thời ở một pha khác sức điện động phụ lại cùng chiều với dòng điện nên điện trở tác dụng của pha này giảm và công suất hồ quang sẽ tăng lên. Hiện tượng trên gây nên sự mất đối xứng về điện áp giữa các hồ quang, sự phân bố công suất không đồng đều giữa các pha, giảm hiệu suất lò và với lò công suất càng lớn thì sự mất đối xứng điện từ ở mạch ngắn sẽ càng lớn . Kết luận: Lò hồ quang điện xoay chiều có các kết cấu đặc biệt và có tính chất phụ tải đặc biệt đối với lưới điện. Khi lò hồ quang điện hoạt động chắc chắn ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cho lưới cung cấp. 1.4 HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG LÕ HỒ QUANG Ở CÁC KHU CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN II.4.1 Tóm tắt chung Ở nước ta hiện nay do nhu cầu thép xây dựng tăng cao, lượng thép sản xuất trong nước hiện chỉ đáp ứng khoảng 30% nhu cầu, phần còn lại chủ yếu là sử dụng thép nhập khẩu. Do vậy, các nhà máy luyện thép trong nước hoạt động hết công suất thiết kế để đáp ứng nhu cầu thị trường. Sự hoạt động tối đa công suất của các lò luyện thép kết hợp với nguồn điện đang thiếu đã ảnh hưởng trực tiếp đến các phụ tải lân cận vì lý do: 1. Các lò hồ quang điện sử dụng ở các khu công nghiệp chủ yếu sử dụng ở lưới điện trung áp từ 6kV đến 35kV. Trên địa bàn còn tồn tại hàng loạt các lò hồ quang điện có công nghệ lạc hậu. Tại các lưới điện khu công nghiệp hầu hết cung cấp cho nhiều loại phụ tải gồm có cả các nhà máy sản xuất sản phẩm công nghệ cao đan xen. 2. Các khu công nghiệp đang có nhà máy luyện thép đa số chưa có quy hoạch tập trung cho luyện thép do vậy công suất nguồn cung cấp chưa đủ đáp ứng cho phụ tải kiểu lò điện. Các nhà máy liên tục mở rộng quy mô sản xuất khiến công suất của hệ thống điện thường xuyên quá tải. - Trang: 21 - 3. Hệ thống quy chuẩn về thiết bị, tiêu chuẩn chất lượng điện chưa kịp thời cập nhật. Chế tài ràng buộc đối với khách hàng sử dụng điện đang trong giai đoạn hoàn thiện. Chính sách chưa khuyến khích được khách hàng tự giác mua sắm thiết bị để nâng cao chất lượng điện năng do đó khách hàng thường sử dụng thiết bị cũ, lạc hậu về công nghệ để giảm đầu tư, mau thu hồi vốn. Với các nguyên nhân nêu trên đã làm cho chất lượng điện năng tại các khu công nghiệp bị ảnh hưởng đáng kể ví dụ: - Với các khách hàng sử đụng điện đòi hỏi chất lượng điện năng cao: Không hoạt động được hoặc hoạt động không đạt công suất như mong muốn. - Đối với các khách hàng luyện thép: Yêu cầu công ty Điện lực phải cung cấp nguồn phải cung cấp cho cho đủ nguồn khi nhà máy hoạt động ở công suất tối đa (Pmax) trong khi chính công suất của hệ thống đang thiếu. - Đối với công ty điện lực: Luôn chịu áp lực thiếu nguồn điện, các thiết bị vận hành quá tải, chất lượng điện năng giảm xuống. Sự xuống cấp của hệ thống truyền tải, các xuất sự cố lưới điện tăng hơn nhiều so với định mức. I.4.2 Hiện trạng lò hồ quang điện hoạt động ở lƣới điện tỉnh Thái Nguyên Để đánh giá thực trạng hoạt động lò hồ quang điện tại Thái Nguyên, ta thống kê các đơn vị có tham gia luyện thép trên địa bàn Thái Nguyên và sử dụng các công nghệ nấu luyện thép: Bảng 1-1: Thống kê đơn vị tham gia luyện thép. STT Tên đơn vị Công nghệ Tổng công suất 1 Công ty cán luyện thép Gia sàng Lò hồ quang 10 MVA 2 Công ty Gang thép Thái Nguyên Lò hồ quang 40MVA 3 Công ty Diezen Sông Công Lò hồ quang 8MVA 4 Nhà máy Luyện thép Sông Công Lò trung tần 6,3MVA 5 Công ty Minh Bạch- Sông Công Lò hồ quang 7MVA 6 Doanh nghiệp Thành Nhân Lò trung tần 1,4MVA 7 Công ty cổ phần Hương Đông Lò trung tần 5,2MVA 8 Công ty Cổ phần thép Thái Hà Lò trung tần 2,5MVA 9 Doanh nghiệp thép Thái Ninh Lò trung tần 2,2MVA 10 Doanh nghiệp cán kéo thép Hiệp Linh Lò trung tần 2,3MVA - Trang: 22 - Khác với công nghệ lò hồ quang điện, công nghệ lò trung tần sử dụng luyện thép thường có nguyên lý sau: Biến đổi dòng điện có tần số thấp lên tần số trung và được chạy qua cuộn dây xoắn tròn tạo ra dòng điện Fuco có hướng vào tâm của cuộn dây. Phía trong cuộn dây là vách lò có chứa kim loại cần nấu luyện, lúc này nhiệt độ liên tục được tăng cao cho đến thời điểm kim loại bị chảy lỏng hoàn toàn. Trong qúa trình kim loại nóng chảy, người ta bổ xung thêm vào các thành phần hóa học đã được tính toán và định lượng sẵn để được kim loại khi đúc có cấu trúc và thành phần hóa học theo yêu cầu. Do đặc điểm lò trung tần nêu trên do vậy trong quá trình hoạt động, các lò trung tần thường có công suất tác dụng và công suất phản kháng tương đối ổn định, hệ số công suất cos tương đối cao, các giá trị dòng điện và điện áp ít thay đổi do vậy các lò trung tần không gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng so với lò sử dụng công nghệ hồ quang điện. I.4.3 Khảo sát đặc tính của lò hồ quang điện Lò hồ quang điện hầu hết đều là phụ tải lớn ở khu công nghiệp nói riêng hay cả khu vực nói chung. Để nghiên cứu ảnh hưởng ta tìm hiểu đặc tính dòng - áp của hồ quang điện.Thông số đặc trưng của lò hồ quang như sau Trở kháng dòng hồ quang. Điện áp, dòng điện của dòng hồ quang. Công suất hữu công và công suất phản kháng ở các chế độ vận hành. Hệ số công suất của lò. Hình 1.8: Đặc tuyến dòng - áp của lò hồ quang. - Trang: 23 - Quan hệ dòng điện và điện áp của lò hồ quang bởi công thức: a ata ID C lVV )( (1.8) Trong đó: Va là điện áp hồ quang l là chiều dài hồ quang Va(t) là ngưỡng điện áp duy trì Ia là điện áp hồ quang C, D là các hệ số phụ thuộc dòng điện Từ kADkWC dt dI kADkWC dt dI a a 5;390 5;1900 (1.9) Do biến thiên của chiều dài cung hồ quang gây nên sự biến thiên về dòng điện ta có thể viết: Từ công thức(1.8) ta có : a ataa ID C lVIV )()( 00 (1.10) Va0 chính là ngướn điện áp của hồ quang khi chiều dài của hồ quang l0=39cm Và: BlAlVat )( (1.11) A là điện áp rơi giữa catốt và anốt của lò hồ quang. A = 40V. B là tỷ số giữa điện áp và chiều dài hồ quang (B = 40V/cm) 00 )( )( BlA BlA lV lV K at at (1.12) K là tỷ số giữa ngưỡng điện áp hồ quang tính toán so với ngưỡng điện áp khảo sát. Sự biến thiên nhanh chóng dòng điện của lò hồ quang có liên quan đến chiều dài của hồ quang và kết quả là điện trở của hồ quang là một tham số phụ thuộc theo thời gian và xác định bằng công thức: )( )( )( tI tV tR a a Kết quả thu được do biến thiên hồ quang gây ra các ảnh hưởng đến lưới điện I.4.4 Các ảnh hƣởng đén lƣới điện khi lò hồ quang hoạt động - Trang: 24 - Sụt giảm điện áp do hồ quang khởi động Khi các điện cực của lò hồ quang khởi động, các điện cực được gây ngắn mạch để tạo ngọn lửa hồ quang. Điện áp thứ cấp của máy biến áp lò sụt giảm gần về không hoặc gần về không. Dòng điện tăng đột ngột thông qua biến áp lò gây sụt giảm ở lưới điện cung cấp. Quá trình gây ngắn mạch điện cực khoảng từ 0.5s đến 20s và được kết thúc sau khi dòng hồ quang ổn định ở một giá trị đã được tính toán thiết kế trước. Hình 1-9: Sụt giảm điện áp do khởi động lò hồ quang. Quá độ điện áp do hồ quang Khi hồ quang đang trong giai đoạn nấu chảy kim loại , do tác động nhiệt các nguyên liệu hoặc phế liệu nóng chảy bị sụt xuống lò là tan chảy, dòng hồ quang giảm đột ngột và có thể ngắt. Tại thời điểm này máy biến áp lò hở mạch, thông qua biến áp lò hệ thống cung cấp cũng dao động tăng điện áp và có các tính chất quá độ điện áp. Sóng hài phát sinh từ lò hồ quang Vấn đề sóng hài đã được quan tâm từ rất sớm. Ngay từ những năm 70 các chuyên gia về năng lượng điện đã phát hiện ra ra và nghiên cứu về nó. Sóng hài là một vấn đề khó khi nó lại nằm chính trong tần số cơ bản lưới điện. Sóng hài được sinh ra mạnh khi các lò hồ quang điện hoạt động. Điện áp đưa vào lò điện có sóng hình sin tuy nhiên dòng điện của loại phụ tải này biến dạng bởi các sóng hài. Độ méo điện áp và méo dạng sóng dòng điện. Khi lưới điện có độ méo dòng điện hoặc điện áp lớn thì một số thiết bị có yêu cầu chất lượng điện năng không thể khởi động và hoath động theo công suất thiết kế được. Các tác động của sóng hài - Trang: 25 - - Sóng hài gây nên các tổn thất phụ của động cơ làm cho động cơ rung, lắc trong quá trình vận hành tạo ra tiếng ồn và quá áp sóng hài. - Tạo ra tổn thất phụ cho các máy biến áp vì các máy biến áp được thiết kế để phát nguồn điện yêu cầu tới tải với tổn thất nhỏ nhất trong tần số cơ bản. Sóng hài làm tăng nhiệt độ máy biến áp Phép đo sóng hài Độ méo điều hoà tổng THD (Total Harmonic Distortion ) là số đo ccủa độ méo tần số gây ra bởi sóng hài trong hệ thống và xác định bởi công thức sau: 1 1 2 M M THD MAXh h h Trong đó: Mh Là biên độ của thành phần bậc h M1 Là biên độ của thành phần cơ bản Ngoài ra, người ta đưa thêm định nghĩa về độ méo yêu cầu tổng TDD( total Demand Distortion) và được xá định bằng công thức: L h h h I I TDD MAX 1 2 Trong đó IL là đỉnh hoặc giá trị max dòng tải yêu cầu tại tần số cơ bản, có thể tính toán như giá trị trung bình của dòng yêu cầu lớn nhất trong 12 tháng trước đó, với tải mới thì được tính toán trên giá trị của tải, các độ méo THD, TDD có thể gặp tại các tiêu chuẩn quy định về độ méo dòng điện như IEE 519-1992. Dao động nhấp nháy điện áp (Flicker). Lò hồ quang điện hoạt động thì dao động điện áp về giá trị biên +5% và -10% điện áp thông thường vẫn đảm bảo nhưng dao động điện áp kiểu nhấp nháy có mật độ cao trong khoảng thời gian dài nếu như không có thiết bị lọc. - Trang: 26 - Hình 1-10: Hiện tượng nhấp nháy điện áp do hoạt dộng của lò hồ quang. Sai số giá trị điện áp: pkV V pk V12 (1.13) Giá trị hiệu dụng trung bình: V 222 2 2 2 12 12 pkpk pkpk VV VV (1.14) Tỷ lệ dao động diện áp tính theo phần trăm: %100(%) 12 12 pkpk pkpk VV VV V dV (1.15) Biến đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng tại lò hồ quang Căn cứ vào đồ thị vòng công suất của lò hồ quang cho ta nhận xét: Điểm vận hành bình thường P2 Điểm vận hành ngắn mạch P Q 0 Qmax Hình 1-11 : Đồ thị vòng công suất của lò hồ quang P1 Q1 Q2 - Trang: 27 - Công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi lớn trong chế độ vận hành bình thường của lò. Trên độ thị vòng công suất của lò khi thay đổi từ điểm ngắn mạch đến vận hành điểm bìng thường thì công suất phản kháng Q giảm từ Q2 đến Q1 và công suất tác dụng tăng từ P1 đến P2. - Trang: 28 - Chƣơng II KHẢO SÁT, MÔ PHỎNG LƢỚI ĐIỆN CÓ LÕ HỒ QUANG ĐIỆN HOẠT ĐỘNG II.1. GIỚI THIỆU CHƢƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ATP-EMTP Chương trình ATP-EMTP (Electro- Magnetic Transients Program) là chương trình nghiên cứu quá độ điện từ, đã được công nhận là một trong những công cụ phổ biến để mô phỏng các hiện tượng về điện - cơ cũng như các hiện tượng về điện từ trong hệ thống điện, do đó EMTP đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới trong các lĩnh vực tính toán thiết kế cũng như vận hành cho các loại thiết bị khác trong hệ thống điện. EMTP là một trong những dụng cụ phân tích hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả. Trong nhiều trường hợp nó có khả năng thay thế mô hình vật lý với những thiết bị rất đắt tiền. Với sự tài trợ của Công ty điện lực Mỹ BPA (Bonnerille Power Adminitration) chương trình EMTP đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi từ đầu những năm 1970. EMTP được chính thức thương mại hoá từ năm 1984. Tại châu Âu, câu lạc bộ EMTP đã ra đời và đóng trụ sở tại Bỉ. Khi mới phát triển, EMTP chỉ bao gồm những mô đun đơn giản chủ yếu dùng để tính toán quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Theo thời gian, EMTP đã phát triển nhanh chóng với sự đóng góp của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Ngày nay EMTP cho phép tính toán các quá trình quá độ điện cơ cùng với những mô đun tính toán xác lập, tương đương hoá hệ thống và các phần tử phi tuyến khác nhau. EMTP được ứng dụng khá rộng rãi trong phân tích hệ thống điện vì đó là một dụng cụ linh hoạt và có hiệu quả. EMTP cho phép tính toán các thông số hệ thống điện trong chế độ quá độ ở miền thời gian. Các bài toán sau đây thường được giải quyết nhờ chương trình EMTP: - Hành vi các thiết bị điều khiển trong hệ thống điện - Đóng cắt điện kháng, máy biến áp và tụ điện. - Đóng và tự đóng lại đường dây. - Đóng cắt máy cắt đồng thời hoặc không đồng thời. - Đóng điện dung - Ổn định quá độ - Sa thải phụ tải. - Trang: 29 - - Phân tích sóng hài, cộng hưởng lõi từ, dao động sắt từ. - Chống sét - Quá điện áp thao tác, quá điện áp khí quyển, quá điện áp phục hồi. - Nghiên cứu quá điện áp bằng xác suất thống kê. - Kiểm tra các thiết bị rơle bảo vệ - Quá trình quá độ thao tác và ngắn mạch. - Mô phỏng máy điện, khởi động động cơ. - Mô phỏng các thiết bị FACTS như : SVC, STATCOM, TCSC. - Ứng dụng điện tử công suất mô phỏng hệ thống điều khiển,…. Ngoài ra EMTP còn có khả năng chuyển các kết quả ở miền thời gian về miền tần số và phân tích hệ thống nhiều pha ở chế độ xác lập. II.2. NGUYÊN TẮC, KHẢ NĂNG VÀ CÁC MODUL CỦA CHƢƠNG TRÌNH ATP. II.2.1. Nguyên tắc chung. Chương trình ATP nghiên cứu sự biến thiên của các thông số trong hệ thống điện theo thời gian, đặc biệt là trong các quá trình quá độ điện từ trong hệ thống điện. Dựa trên quy tắc tích phân hình thang, các phương trình vi phân của hệ thống được giải trong một khoảng thời gian. Điều kiện ban đầu có thể xác định tự động bằng cách giải bài toán ở chế độ xác lập hoặc được đưa vào bởi người sử dụng đối với các phần tử đơn giản. II.2.2. Khả năng ứng dụng của chƣơng trình. ATP có nhiều mô hình mô phỏng bao gồm máy điện quay, máy biến áp, chống sét van, đường dây và cáp truyền tải. Chuơng trình này có khả năng kết nối với chương trình phân tích quá độ của hệ thống điều khiển - Transients Analysis of Control Systems (TACS) và ngôn ngữ mô phỏng MODELS cho phép mô phỏng hệ thống điều khiển của các phần tử. Chương trình cho phép mô phỏng các chế độ vận hành và chế độ sự cố đối xứng và không đối xứng như ngắn mạch, phóng điện sét và các loại thao tác đóng cắt gây nên quá điện áp nội bộ. Trong thư viện của ATP bao gồm những thành phần sau đây: - Mạch đơn hay kép tuyến tính được thay bằng những thông số tập trung R,L,C. - Đường dây tải điện trên không và cáp có thông số phân bổ rải. - Trang: 30 - - Điện trở và điện cảm tuyến tính. - Những phần tử phi tuyến: Máy biến áp có kể tới hiện tượng bão hoà và từ trễ, chống sét van (có hoặc không có khe hở). - Thiết bị đóng cắt (máy cắt) phụ thuộc thời gian hay điện áp, đóng cắt thống kê. - Van (Diot, Thyristors, Triacs) điều khiển đóng cắt. - Nguồn: Bước, dốc, hình sin, hàm số mũ (quá áp khí quyển), mô hình TACS. - Máy điện quay: máy đồng bộ 3 pha. - Những phần tử do người dùng định nghĩa bao gồm MODELS tương tác. 1. Những chƣơng trình tƣơng hỗ với ATP. ATP là phần mềm kết hợp kèm theo, nó là nhiều mô đun và các chương trình hỗ trợ như : + ATP control center : phần mềm trung tâm điều khiển các thành phần. + ATPdraw : chương trình chạy trên nền Windows với giao diện đồ hoạ trực quan, dễ sử dụng, là phần mềm để tạo mạch mô phỏng quá độ. Trong đó có rất nhiều mô phỏng sẵn có về các phần tử trong hệ thống điện. Ngoài ra người sử dụng còn có thể tạo ra được các mô phỏng mới nhờ ngôn ngữ MODELS của chương trình. Hình 2-1:Phần mềm tương hỗ với ATP - Trang: 31 - + GTPPlot là phần mềm tính toán dữ liệu xuất ra từ ATPdraw nhưng thực thi trên nền DOS. + PlotXY: chương trình vẽ đồ thị trên nền Win32. Có khả năng mô phỏng kết quả đo và tính toán của chương trình ATP-EMTP trước đó và có thể vễ tối đa 8 đường cong dòng điện, điện áp… trên cùng một đồ thị bằng các phép tính đại số hay phân tích chuỗi Furiê. Ngoài ra còn có một số chương trình đồ hoạ kèm theo chạy trên nền DOS hay Windows từ dữ liệu tạo bởi chương trình ATPdraw. 2. Những môđun mô phỏng tổng hợp trong ATP. MODELS trong ATP là một ngôn ngữ mô tả mạch điều khiển bất kỳ có sự hỗ trợ bằng những công cụ mô phỏng trong việc thiết kế hay nghiên cứu các tham số điện của hệ thống biến thiên theo thời gian: - Mô tả mỗi mô hình có sử dụng các định dạng tự do, các phần tử do chương trình có sẵn. - MODELS trong ATP cho phép thiết lập những phần tử không có trong thư viện mà do người dụng tự định dạng. - Như một công cụ được lập trình đa dụng, MODELS có thể mô phỏng những kết quả trong miền tần số hay trong miền thời gian. TACS là một môđun mô phỏng trong miền thời gian của những hệ thống điều khiển với những đối tượng sau: - Điều khiển bộ biến đổi HVDC. - Hệ thống kích từ của máy phát đồng bộ. - Các linh kiện điện tử và truyền dẫn. - Góc điện bao gồm máy cắt và góc sự cố. Supporting routines là các tiện ích mà chương trình có thể hỗ trợ để nhập các thông số cho các phần tử trong hệ thống điện hay các mạch điện khác, cho tới việc tính toán những thông số cho đường dây truyền tải trên không và cáp và mô phỏng kích thước hình học của chúng một cách trực quan. Những mô đun hỗ trợ trong ATP bao gồm: - Tính toán các tham số điện của đường dây truyền tải trên không và cáp bằng mô đun LINE CONSTANTS, CABLE CONSTANTS và CABLE PARAMETERS. - Trang: 32 - - Tần số nguồn phụ thuộc các loại đường dây và thông số nhập có thể là (Semlyen, ma trận J.Marti , mô hình nhánh-nút Noda line). - Tính toán thông số máy biến áp loại (XFORMER, BCTRAN). - Biến đổi phù hợp với bão hoà từ và từ trễ. - Dữ liệu cơ sở (khi sử dụng định dạng $INCLUDE). Có thể chia các phần tử được mô phỏng của hệ thống điện thành các bộ phận chính là: nguồn, nhánh, mạch ngắt, mạch điều khiển và máy điện. Chương trình EMTP cho phép mô phỏng các hệ thống điện lớn, phức tạp với quy mô kích thước cực đại như bảng sau (đối với phiên bản hiện tại) : Bảng 2.1 Khả năng mô phỏng của ATP. Số lượng nút 6000 Số lượng nhánh 10000 Số lượng mạch ngắt 1200 Số lượng nguồn 900 Số lượng phần tử phi tuyến 2250 Số lượng máy điện 3 pha 90 Hình 2-2: Các tiện ích trong ATP. - Trang: 33 - II.3. CÁC PHẦN TỬ CHÍNH CỦA ATPDRAW PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU. - Phần tử đo lƣờng (Probes & 3-phase): - Phần tử đo lường điện áp nút, nhánh, dòng điện và theo dõi TACS. - Phần tử hoán vị pha. - Bộ tách 3 pha thành một pha. - Bộ chỉ thứ tự pha ABC/DEF. - Nhánh (Branches) - Nhánh tuyến tính đơn bao gồm: 1 pha, 3 pha. Bảng 2.2 - Nhánh phi tuyến: 1 pha phi tuyến R, L. 1 pha và 3 pha MOV kiểu 93, 96 Bảng 2.3 - Trang: 34 - - Đƣờng dây trên không/cáp (Lines/Cables). - Thông số tập trung hình (kiểu 1,2…) và nhánh RL nối tiếp (kiểu 51, 52…). Bảng 2.4 - Thông số phân bố có tham số không phụ thuộc tần số. Bảng 2.5 - LCC đường dây và cáp có thể chọn từ 1 đến 9 pha. Bảng 2.6 - LCC đườmg dây và cáp có thể chọn từ 1 đến 9 pha Bảng 2.6 - Trang: 35 - Bảng 2.6 - Ngoài ra trong thư viện của ATPDraw không phải là các phần tử trên thì có thể nhập thông số đường dây/cáp từ file khác. - Chuyển mạch (Switches). Bảng 2.7 - Thời gian và điện áp điều khiển, chuyển mạch điều khiển thời gian 3 pha. - Diot, thyristor, triac. - Trang: 36 - - TACS đơn điều khiển đóng, cắt. - Chuyển đổi đo lường. - Chuyển đổi hệ thống và thống kê. - Nguồn (Sources). Chương trình ATPDraw sử dụng hai loại nguồn là nguồn điện tĩnh và nguồn điện động. Nguồn điện tĩnh là dạng nguồn điện cho trước giá trị biên độ (điện áp hoặc dòng điện), góc pha, thời điểm bắt đầu và thời điểm kết thúc. Nguồn điện động là các dạng máy điện quay (đồng bộ hay không đồng bộ). - Nguồn một chiều và xoay chiều, 3 pha xoay chiều. - Nguồn hình thang. - Nguồn dạng răng cưa. (Ramp function). - Nguồn sét (Surge sources). - Nguồn điều khiển TACS. Bảng 2.8 - Trang: 37 - - Máy biến áp điện lực (Transformers). - Máy biến áp 1 pha và 3 pha lý tưởng. - Máy biến áp một pha. - Máy biến áp 3 pha hai cuộn dây và ba cuộn dây. - Máy biến áp tự ngẫu một pha, 3 pha 2 và 3 cuộn dây. Bảng 2.9 - Phần tử tần số (Frequency compornent). - Nguồn sóng hài, cho việc nghiên cứu tần số quét sóng hài. - Nguồn tần số một pha và ba pha phụ thuộc tải định dạng CIGRÉ. - Phần tử RLC một pha với tần số phụ thuộc tham số Bảng 2.10 - Trang: 38 - Kết luận : - Chương trình mô phỏng ATP-EMTP là một công cụ tính toán và phân tích hệ thống một cách chính xác, linh hoạt và hiệu quả chế độ làm việc bình thường hay chế độ quá độ của một hay nhiều phần tử trong hệ thống điện. Ngoài ra chương trình còn có khả năng phân tích các các linh kiện, hay mạch điện tử bất kỳ bằng những modul được thiết lập sẵn trong chương trình. - Ngoài các Modul được lập trình sẵn, thì người sử dụng còn có thể đưa vào chương trình những phần tử mới (do người dùng đặt) - Giao tiếp giữa người và máy qua chương trình bằng các công cụ, menu, hộp thoại hay cửa sổ nên chương trình tương đối linh hoạt và thân thiện với người dùng. - Các hiện tượng vật lý trong hệ thống điện được ATP-EMTP tính toán và mô phỏng gần như với thực tế, nên chương trình này có vai trò rất quan trọng trong công tác tính toán, phân tích, thiết kế và vận hành hệ thống điện. II.4. MÔ PHỎNG LÕ HỒ QUANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Đối tượng khảo sát: Lò hồ quang điện của Công ty Diezen Sông Công Tỉnh Thái Nguyên Lưới điện khu công nghiệp Sông Công khi có hoạt động của lò hồ quang hoạt động. Hình 2-3 :Sơ đồ mô phỏng lò hồ quang điện. Điện kháng hạn dòng Điện kháng máy biến áp lò Nguồn Biến áp 115/23/6kV Biến áp lò 6/0,28kV - Trang: 39 - Phần nguồn: 1. Hệ thống cung cấp điện 110 kV Thái Nguyên -Gò Đầm 2. Máy biến áp trung gian Trạm 110 kV Gò Đầm có các thông số: Công suất định mức: 25.000kVA (25MVA) Điện áp định mức: 115/26/6,6kV có điều chỉnh điện áp dưới tải. Dòng điện định mức: o HV: 125,5 A o IV: 627,6 A o LV: 2.186,9 A o Tổ đấy dây: Y0/ Y0 / - 11 Tổn hao không tải: 24,08 KW Dòng điện không tải: 0,805 %. Tổn hao ngắn mạch Điện áp ngắn mạch PN HV/IV = 99,43KW Uk HV/IV = 18,95% PN IV/LV = 88,37KW Uk IV/LV = 7,83% PN HV/LV = 156,1KW Uk HV/LV = 30,26% Trung tính nối đất: Cuộn cao thế và trung thế. Mô phỏng máy biến áp trung gian như sau Hình 2-4 : Cửa sổ nhập liệu máy biến áp 115/23/6kV. Các thông số của biến áp lò điện nhƣ sau: Lò điện hồ quang 6 tấn, biến áp 4.000 kVA, điện áp ngắn mạch xem bảng sau: - Trang: 40 - Điện áp thứ cấp (V) 280,8 249,0 203 224,7 280,9 UK (%) 21,0 21,3 20,4 20,5 16,3 Hình 2-5: Cửa sổ nhập liệu của máy biến áp lò 6/0,28kV. Phần tử lò hồ quang Để biểu diễn lò hồ quang có 2 cách sử dụng phần tử mô phỏng 1. Sử dụng phần tử phi tuyến kiểu R(t) Type – 97 2. Sử dụng điện trở phi tuyến điều khiển bằng phần tử TACS Hình 2-7: Mô phỏng lò hồ quang bằng điện trở phi tuyến điều khiển bằng TACS. - Trang: 41 - Hình 2-8: Mô phỏng lò hồ quang qua điện trở phi tuyến điều khiển bằng R(t). Kết quả mô phỏng khi lò hồ quang hoạt động. Dạng sóng điện áp thu được khi lò hồ quang điện hoạt động. Điện áp thanh cái 6kV đã bị méo dạng sóng. (f ile hung.pl4; x-v ar t) v :IND2 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0[s] -1.2 -0.8 -0.4 0.0 0.4 0.8 1.2 [V] Hình 2-9: Dạng sóng điện áp tại thanh cái 6 kV. - Trang: 42 - Căn cứ theo tiêu chuẩn về sóng hài tại tiêu chuẩn IEE519-1992, ta thấy độ méo dạng sóng hài điện áp lớn hơn quy định 5%, do vậy chúng ta phải tính toán lựa chọn các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng. - Trang: 43 - Chƣơng III LỰA CHỌN GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG Căn cứ vào các thông số khảo sát thực tế thu được ta chọn phương án bù SVC III.1 Nguyên lý của bù SVC Thiết bị bù ngang có điều khiển hay còn gọi là máy bù tĩnh (SVC) có nhiệm vụ phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng một cách linh hoạt, có thể điều chỉnh liên tục bằng cách tăng hay giảm góc mở của các thyristor. SVC thường được kết hợp giữa phần tử TCR (Thyristor Controlled Reactor) và TSC (Thyristor Switched Capacitor). Sự phối hợp điều chỉnh công suất phản kháng giữa 2 phần tử này có thể làm cho SVC vận hành khá linh hoạt và hiệu quả trong các chế độ vận hành khác nhau. Một hệ thống SVC cấu tạo từ 3 phần tử chính sau: 1. Tụ điện đóng mở bằng Thyristor (TSC): Kháng điện đóng mở bằng Thyristor (TSR) và kháng điện điều khiển bằng Thyristor ( TCR). 2. TCR (Thyristor Controlled Reactor). Kháng điện điều khiển bằng Thyristor có chức năng điều khiển liên tục dòng công suất phản kháng. 3.TSR (Thyristor Switched Reactor). Kháng điện đóng mở bằng Thyristor có chức năng đóng cắt nhanh dòng công suất phản kháng. 4. TSC (Thyristor Switched Capacitor). Tụ điện đóng mở bằng Thyristor có chức năng đóng cắt nhanh công suất phản kháng phát lên lưới điện. Ngoài các phần tử cơ bản trên, ta còn phải kể đến các phần tử khác của SVC như: hệ thống điều khiển các thyristor, các bộ lọc cao tần, máy biến áp với điện áp thứ cấp phù hợp với các cấp điện áp của SVC. Các bộ lọc cao tần làm nhiệm vụ khử các thành phần sóng điều hòa bậc cao, đặc biệt là các thành phần bậc 3, bậc 5, bậc 7 phát sinh trong quá trình hoạt động cuả SVC. Các thyristor và hệ thống điều khiển chúng đóng vai trò quyết định trong hoạt động của SVC. Việc thay đổi đột ngột góc mở thyristor từ = 00 đến = 180 0 hoặc ngược lại sẽ tương ứng với trạng thái đóng cắt mạch của TCR, TSC hoặc TSR. Khi - Trang: 44 - tăng dần góc mở của thyrisotor từ 90 0 đến 180 0 , giá trị hiệu dụng dòng điện chạy qua TCR sẽ giảm dần từ giá trị danh định về 0. Nhờ đó, dòng công suất phản kháng có thể được điều chỉnh liên tục như ý. Hoạt động đóng mở của thyristor hầu như không có thời gian quá độ nên SVC phản ứng rất nhanh và nhạy trước sự thay đổi của điện áp. Trên thực tế, độ nhạy về điện áp có thể đạt tới mức nhỏ hơn 0.2% và SVC có thể thay đổi công suất từ 0 đến trị số định mức trong khoảng thời gian chưa đầy 10ms. Có 2 dạng sơ đồ cấu tạo của SVC: - SVC là kết hợp của TCR và TSC. - SVC là kết hợp của TCR và tụ điện cố định FC (Fixed Capacitor). Sơ đồ hai dạng cấu tạo của SVC được mô tả trong hình (3-1): Hình 3-1: Mô hình SVC. a) TCR và TSC (b) TCR và tụ cố định FC Thông thường, SVC bao gồm một TCR và các TSC. TCR và TSC được mô hình bởi các điện dẫn biến thiên: Điện dẫn tương đương của TCR thay đổi liên tục, điện dẫn tương đương của TSC thay đổi một cách nhảy bậc. Do đó, SVC cũng được mô hình như một điện dẫn tương đương BSVC thay đổi liên tục như hình (3-2). Khi SVC phát hiện sự thay đổi điện áp tại nút mà nó mắc vào, bộ điều chỉnh sẽ thay đổi góc mở Khối điều khiển Khối điều khiển TCR TSR TSR TCR FC Máy biến áp Máy biến áp Điện áp thanh cái Điện áp thanh cái a) b) - Trang: 45 - của các thyristor trong bộ TCR và xác định số lượng các TSC dẫn để đưa điện áp này về giá trị chấp nhận được trong giới hạn cho phép. Giá trị này phụ thuộc vào đặc tính tĩnh của SVC. Trong thực tế, SVC có thể hoạt động ở 2 chế độ: Chế độ điều chỉnh công suất phản kháng: Trong trường hợp này, SVC tương đương với tải phản kháng tĩnh. Công suất phản kháng trao đổi với hệ thống không đổi. Chế độ này được sử dụng để đạt được các chỉ tiêu kinh tế tối ._.ông đối xứng . Khối điều chỉnh điện áp Chức năng của khối điều chỉnh điện áp là tạo ra xung điều chỉnh giá trị điện dẫn của SVC ( BSVC) ở đầu ra của SVC để điều chỉnh điện áp tại nút mà SVC nối vào dựa theo đặc tính tĩnh của SVC: svcslref IXVV . khi Vmin# V # Vmax (3.56) max B I V svc khi V # Vmin (3.57) min B I V svc khi Vmax # V (3.58) Do biến động của hệ thống, điện áp V cũng thay đổi. Ta có: 0. VIXVV svcslreferror (3.59) Trong khối này, 0errorV để thỏa mãn phương trình (3.59). Sử dụng bộ điều chỉnh PID để hiệu chỉnh sai số Verror đáp ứng được đặc tính mong muốn của hệ thống. Trong thực tế, người ta thường sử dụng bộ điều chỉnh PI. Phương trình (3.57) và (3.58) chỉ ra mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp tải tĩnh khi SVC bù lượng công suất lớn nhất và nhỏ nhất. Tương ứng với các trường hợp - Trang: 77 - đó, BSVC = Bmax hoặc BSVC = Bmin. Ta sử dụng một bộ giới hạn tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh PI trong khoảng Bmin và Bmax. Mặt khác, SVC có 2 chế độ hoạt động: Điều chỉnh công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp. Do đó, ta sẽ sử dụng một khóa đóng cắt để có thể chọn được các chế độ hoạt động của SVC. Đặc tính động của Thyristor có một khoảng trễ để nhận xung mở từ mạch phát xung. Hình (3-31) chỉ ra đặc tính động của thyristor: t I Td O,1I Tb Hình 3-31: Đặc tính động của thyristor. Trong đó: - Td : Thời gian trễ. - Tb: Hệ số thời gian Sử dụng một khâu quán tính bậc một và một khâu trễ để mô tả đặc tính động của thyristor. Dựa vào các lý thuyết trên, ta xây dựng mô hình của bộ điều chỉnh điện áp như hình (3-32): Bộ trễ T d 1 1 + T . s b Bsvc Bộ chuyển mạch B Chế độ hoạt động Bref X Xsl Vref BsvcV1rms Isvc - - + Bmax Bmin Verror V1rms Bộ điều chỉnh PID Hình 3-32: Sơ đồ khối mạch điều chỉnh điện áp. - Trang: 78 - Trong sơ đồ này, ta sẽ không đo dòng điện của SVC mà sẽ tính toán nó bằng công thức ISVC = BSVC.V. Do đó, dòng điện có cùng dấu với điện dẫn của SVC và ngược hướng với dòng điện I của hệ thống. Trong trường hợp này, phương trình (3.56) tương đương với phương trình sau: svcslref IXVV . (3.60) - Khối phân phối xung điều khiển Khối này có chức năng xác định giá trị điện dẫn cho TCR (BTCR) và giá trị góc mở hay khóa của bộ TSC dựa vào giá trị điện dẫn của SVC (BSVC) tại đầu ra của khối điều chỉnh điện áp. Sử dụng các rơle với tín hiệu logic 0, 1 ở đầu ra, phụ thuộc vào đầu vào để xác định số lượng của các TSC dẫn theo nhu cầu về công suất phản kháng của hệ thống. Sau đó, điện dẫn của TCR được tính toán dựa vào điện dẫn của SVC và điện dẫn của TSC. Kết quả này được sử dụng để xác định góc mở nhờ khối tuyến tính hóa. Phương trình của khối tuyến tính hóa có dạng như sau: LX B 2sin2 (3.61) Sơ đồ nguyên lý của khối phân phối xung điều khiển được trình bày trên hình (3-33). Trong sơ đồ này, khối Fcn tính toán điện dẫn của SVC mà không sử dụng thành phần điện dẫn của máy biến áp bởi vì điện dẫn ở đầu ra của khối điều chỉnh điện áp đã bao gồm thành phần điện dẫn của máy biến áp. Khối chuyển đổi (transformation unit) dùng để chuyển giá trị điện dẫn của TCR từ đơn vị tương đối pu sang đơn vị S (Simen). Fcn ... TSC1 TSC2 TSCn Bsvc_sec Bsvc_ Prim Alpha Btcr(s) Rơle Rơle Rơle B_TSC B_TSC B_TSC ... Bpu_TCR Khối chuyển đổi Hình 3-33: Sơ đồ nguyên lý của khối phân phối xung . - Trang: 79 - - Khối giao tiếp với hệ thống điện Hình 3-34: Sơ đồ nguyên lý của khối đồng bộ và tạo xung điều khiển. Khối này có chức năng tạo ra các xung để mở các thyristor ở thời điểm chính xác theo góc mở của khối phân phối xung với trường hợp của bộ TCR và theo góc 90 0 với trường hợp của bộ TSC. Vì vậy, tại thời điểm ban đầu, khối này tạo ra các dạng sóng điều chế được đồng bộ hóa với điện áp hệ thống. Xung tạo ra được xác định bởi điểm giao nhau của điện áp điều chế và điện áp đặt. Sơ đồ nguyên lý đồng bộ hóa và tạo ra xung mở của các thyristor được mô tả trên hình (3-34). Điện áp Ua là dạng điện áp hình sin được đồng bộ hóa với điện áp hệ thống. Điện áp này qua một bộ so sánh để tạo ra chuỗi xung chữ nhật Ub. Nửa dương của chuỗi xung chữ nhật được tích phân bởi một bộ tích phân, tạo ra dạng điện áp điều chế có dạng xung răng cưa. Thời điểm mở của thyristor được xác định bởi điểm giao nhau của điện áp điều chế và điện áp điều khiển. Mối quan hệ giữa giá trị góc mở và điện áp điều khiển được mô tả trên hình (3-35) : - Trang: 80 - α Um Uc π ωt Hình 3-35: Nguyên lý điều chỉnh thẳng đứng Phương trình xác định điện áp điều chế : tUtU mmd (3.62) Trong đó: Um: Biên độ điện áp điều chế. Dựa vào định lý Talet ta có: m c U U . (3.63) Do đó, ta có thể xác định được giá trị điện áp Uc dựa vào phương trình (3.63) theo góc mở . Tuy nhiên, theo nguyên lý điều khiển trên, xung mở thyristor chỉ được tạo ra trong mỗi nửa chu kỳ dương của điện áp đồng bộ. Dạng xung này không phù hợp với dạng xung mở của cặp thyristor mắc song song ngược của TCR và TSC. : Hình 3-36: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển cho cặp thyristor mắc song song ngược. - Trang: 81 - Theo nguyên lý điều khiển này, điện áp Ub tạo ra 2 chuỗi xung chữ nhật trong một chu kỳ của điện áp đồng bộ Ua. Sau khi được tích phân sẽ tạo ra chuỗi xung điều chế có dạng xung răng cưa. Xung điều chế này được so sánh với điện áp điều khiển để xác định thời điểm mở của cặp thyristor mắc song song ngược. Việc thiết kế các phần tử của SVC như trình bày trên sẽ hoạt động ổn định khi có sự biến đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải trong mọi trường hợp. - Trang: 82 - Chƣơng IV ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SAU KHI THỰC HIỆN CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG IV.1. Đánh giá mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập Khi tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện cần mô phỏng được hoạt động của SVC với các đặc tính như đã phân tích ở trên. Trước hết hãy xem xét hệ phương trình cơ bản chế độ xác lập của hệ thống điện IV.1.1. Hệ phƣơng trình cơ bản chế độ xác lập của hệ thống điện viết theo phƣơng pháp thế nút Giả thiết sơ đồ gồm toàn các nhánh chuẩn với n + 1 nút (kể cả nút đất - nút đất có số thứ tự là 0). Xét nút i gồm các nhánh nối với i qua máy biến áp lý tưởng. Nguồn dòng Ji (từ máy phát) bơm vào nút. (Hình 4.1). Trong trường hợp chung, theo phương pháp thế nút phương trình cơ bản chế dộ xác lập của hệ thống điện có thể được viết dưới dạng sau: i n ij 0j jijiii J UYUY Trong đó : 1n 1j 0j ij 2 ij ii Z K Y tổng dẫn riêng đối với nút i. ij ij ij Z K Y tổng dẫn tương hỗ của nhánh nối nút i và nút j. Zij Ui Uj j Jj Kij = U'i/Ui Iij U'i Ji I'ij i Hình 4.1 Sơ đồ giả thiết. - Trang: 83 - Với iiij U/UK Hay viết dưới dạng khai triển : ... ............................................... ... ... 2211 22222121 11212111 nnnnnn nn nn JUYUYUY JUYUYUY JUYUYUY (4-1) Nhân cả hai vế của (4-1) với trị số liên hợp của điện áp nút tương ứng (với chú ý là công suất iii JUS ) ta có hệ phương trình cân bằng công suất : Hay viết gọn : iiji n ij 1j ij 2 iii jQPUUYUY ; i = 1, 2, ...n (4.3) Dạng phương trình cân bằng công suất (4-2) thường được sử dụng trong các phương trình tính toán chế độ xác lập vì các thông tin thường cho là công suất. Để giải hệ phương trình trên người ta thường dùng phương pháp Newton. Khi hệ thống điện chỉ bao gồm các phần tử tuyến tính (đường dây, máy biến áp, tụ, kháng cố định...) dễ thấy rằng các hệ số Yi j của hệ phương trình là các hằng số. Trong khi đó các hàm công suất vế phải có thể phụ thuộc phi tuyến vào điện áp theo các đặc tính tĩnh phụ tải P(u), Q(u)... Các chương trình tính toán chế độ xác lập hiện nay đã xét đến các đặc trưng phi tuyến này (dưới dạng các hàm chuẩn). Khi ta xét đến các thiết bị bù ngang có điều khiển SVC ta cần chú ý đến đặc trưng kết cấu của hệ phương trình nêu trên: - Nếu mô phỏng SVC như một nhánh điện kháng phi tuyến (theo đặc tính điện kháng) thì các hệ số Yi j sẽ là các hàm của điện áp nút (chứa SVC). Đây là cách phổ biến nhất áp dụng đối với nhiều chương trình tính toán, người ta thường dùng phép lặp với thông số rời rạc hoá. Tuy nhiên việc giải theo các phương pháp lặp sẽ rất phức tạp, đó là vì quá trình xác định định thức Jacobi (chiếm nhiều thời gian nhất) sẽ phải tăng lên rất nhiều phép tính để xét đến tính phi tuyến của các phần tử. Nội dung của phương pháp lặp có thể được giải thích như sau: Với một giả thiết ban đầu của mức điện kháng - Trang: 84 - đẳng trị, quá trình tính toán cho phép xác định điện áp trên thanh cái trạm bù (có đặt BU). Nếu điện áp mà cao hơn trị số đặt, phép lặp làm giảm điện kháng (tăng công suất tiêu thụ), ngược lại khi điện áp thấp hơn trị số đặt, phép lặp làm tăng điện kháng so với trị số ban đầu. Phương pháp tính toán như vậy có hiệu quả khi không có nhiều vị trí đặt SVC. Trong các trường hợp còn lại, phép lặp có thể không hội tụ, cần có xử lý riêng. - Một cách khác là dựa vào đặc tính công suất của SVC có thể mô phỏng SVC như một tổ hợp nguồn và tải phản kháng có đặc tính tĩnh đặc biệt (ta cần xác định các hàm ở vế phải của hệ phương trình (4-2) sao cho trùng hợp với đặc tính công suất của SVC). Khi đó quá trình giải có thể tuân theo các thuật toán thông thường. Với ý tưởng đó trong đề tài này nghiên cứu mô phỏng SVC theo hướng thứ 2. Để làm được điều này ta cần xem xét các hàm chuẩn cơ bản của đặc tính công suất của tải và nguồn trong khi tính toán chế độ xác lậpcủa hệ thống điện. IV.1.2. Phần tử cơ bản biểu diễn thông tin nút Thông tin nút trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ở đây là phụ tải hoặc nguồn. Sử dụng phương pháp Newton tải và nguồn có thể mô phỏng dạng hàm tuỳ ý. Tuy nhiên để thuận lợi trong tính toán các dạng chuẩn thường được đưa ra rất cơ bản. Các dạng khác được tổ hợp lại trên cơ sở dạng chuẩn đã cho. a. Xét đặc tính tĩnh phụ tải có dạng 0 102 0 2 2 0 100 0 102 0 2 2 0 100 f f U U B U U BB Qf,UQ f f U U A U U AA Pf,UP ββ αα (4.4) trong đó : P0, Q0 là trị số công suất tác dụng và phản kháng ứng với lúc U = Uđm, f = fđm. A0, A1, A2; B0, B1, B2; 2121 β ,β,α ,α là các hệ số tiệm cận có thể lựa chọn cho phù hợp với các số liệu thực nghiệm. Các hệ số này cần thoả mãn điều kiện phụ : 210210 BBBAAA = 1 ; 1ββαα 1010 . Trường hợp riêng có thể coi f = const. Dạng tổng quát hơn: - Trang: 85 - UUU khi U UU A U UU AA PP UUUU-U khiPP UUU khi U UU A U UU AA PP 02 0 2 2 0 100 0 02 0 2 2 0 100 (4.5) Ta có đặc tính của P theo U, hình 4.2 Tương tự ta cũng có đường đặc tính của Q. Hình 4.2 chính là đặc tính chuẩn của phụ tải phản kháng đối với nút có MBA điều áp dưới tải. Với U0 là điện áp đặt (điện áp cần giữ cho thanh cái trạm phía hạ áp, đã qui về phía cao áp); U là phạm vi điều chỉnh của đầu phân áp. b. Xét nguồn công suất phản kháng có điều chỉnh Trong hệ thống điện các nguồn công suất phản kháng có điều chỉnh thường là các máy phát giữ nguyên điện áp. Mỗi máy phát như vậy có đường đặc tính công suất phản kháng theo điện áp (Hình 4.3). Trong phạm vi công suất phản kháng dao động từ Qmin đến Qmax, máy phát có khả năng giữ được điện áp nút tại nơi đặt máy phát là không đổi. Với Qmin và Qmax là các điểm giới hạn điều chỉnh công suất phản kháng . P, Q U P0, Q0 UU U0 UU Hình 4.2. Đặc tính công suất theo điện áp. U U Qmax Qmin U0 Hình 4.3 U = const Máy phát - Trang: 86 - IV. 2 Mô hình SVC Đường đặc tính của SVC có thể được cấu tạo từ 3 đường đặc tính chuẩn đó là 2 đường đặc tính tĩnh phụ tải và 1 đường đặc tính máy phát giữ nguyên điện áp (hình 4-4). Dựa vào các phần tử cơ bản (tải và nguồn) đã nêu ra ở trên, có thể tiến hành phân tích đường đặc tính của SVC như đã được chỉ ra trong phần 4 như sau: - Hình 4.5a là đường đặc tính của SVC thuần kháng, chỉ nhận công suất phản kháng. - Hình 4.5b là đường đặc tính của SVC có kết hợp thêm thành phần tụ tĩnh. SVC loại này có thể thay đổi công suất phản kháng từ phát đến nhận. - Máy phát tương đương cần giữ điện áp không đổi U0 trong phạm vi Qkmin, Qkmax đã tính toán ở trên. Để có đường đặc tính tổng hợp phản ảnh đúng hoạt động của SVC, thông số của các đường cong cần xác định đúng theo các giá trị tới hạn của kháng điện. Cụ thể trong trường hợp 2 đường cong 4.5a và 4.5b là : Đối với nguồn phát công suất phản kháng (đường 3 hình 4.4) : U0 bằng điện áp đặt của SVC. mink maxk 2 0 minF maxk mink 2 0 maxF Q X U Q Q X U Q (4.6) Q U Q tmax Q tmin U 01 U 0 U 02 1 U D 2 U D - Q Fmin - Q Fmax 3 1 2 Hình 4-4 : Đặc tính máy phát - Trang: 87 - - - Đối với các đường đặc tính tĩnh phụ tải phản kháng (đường 1 và 2 hình 4.4): A0 = A1 = 0, A2 = 1 B0 = B1 = 0, B2 = 1 Qtmax = Qkmax, Qtmin = Qkmin U1 = U0 - U1, U2 = U02 - U0 Trong đó: Các trị số U01 và U02 có thể lựa chọn tuỳ ý sao cho phạm vi làm việc của đặc tính phù hợp với SVC đủ rộng (hình 4.4). U0 là trị số điện áp cần giữ (cho trước). Như vậy sơ đồ thay thế tương đương của mỗi SVC có dạng như trên hình 4.6. Q U Hình 4.5a Qtmin U Qtmax Q Q Q QFmax QFmin U Q U Hình 4.5b Qtmax U Qtmin Q Q Q QFmax QFmin U U - Trang: 88 - IV. 3 Khả năng ứng dụng và hiệu quả của SVC IV.3.1 Kháng bù ngang có điều khiển thƣờng đƣợc dùng - Tại các vị trí của đường dây siêu cao áp cách xa các nguồn điều chỉnh được (máy phát, máy bù ...). - Tại các trung tâm phụ tải lớn, biến động công suất tác dụng và công suất phản kháng liên tục thường xuyên như các lò hồ quang điện tại khu công nghiệp luyện thép. - Tại đầu hai phía các đường dây dài nối các hệ thống có luồng công suất dao động lớn. Các SVC này thường làm nhiệm vụ ổn định công suất trong các tình huống sự cố. Tụ bù dọc có điều khiển thường được sử dụng trong mục đích bù thông số đường dây tải điện đi xa (công suất nhỏ), hoạt động điều chỉnh chủ yếu trong chế độ sự cố, nhằm nâng cao tính ổn định động của các hệ thống, giảm dao động công suất. IV.3.2 Nguyên lý đấu dây chính SVC (kiểu TCR + FC) đƣợc áp dụng cho Công ty Diezen Sông Công Khi sử dụng hệ thống SVC thì kết quả thu được như sau: Q1 QF Q2 U0 U B BU U0 U B SVC Hình 4.6. a) sơ đồ nguyên lý; b) sơ đồ tính toán. (a) (b) - Trang: 89 - Hình 4-7: Thay đổi công suất lò khi sử dụng SVC. Khả năng thu hồi vốn có thể khẳng định được, trong chương trình này ta chỉ xét vấn đề thu hồi vốn của khách hành sử dụng điện là đơn vị phải đầu tư thiết bị nâng cao chất lượng điên năng. IV.4 Đánh giá mô hình bài toán bù SVC theo phân tích kinh tế: Xét lưới điện phân phối gồm n +1 nút đánh số 0, 1, 2,…, n. Các nút đều có phụ tải Pi+jQi và có thể đặt bù công suất phản kháng QBi. Các nguồn phát ra công suất phản kháng đặt tại các nút phụ tải là các tụ điện tĩnh không điều khiển và có thang công suất rời rạc. Giả sử tại các nút của lưới điện có đặt tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng, công suất đặt bù ở các nút là QBi; i=1..N. Khi ấy tổn thất công suất trên toàn lưới sẽ là: i n i Jj Bjii R U QQP P i 1 23 2 2 10 (4.7) Ji: theo chiều công suất tác dụng, tập những nút j nằm sau nút i đang xét. Biểu thức trên chứng tỏ rằng sau khi đặt tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng tại các nút phụ tải thì tổn thất công suất trên lưới điện giảm, chi phí cho tổn thất công suất giảm. Nhưng thay vào đó cần đầu tư cho xây dựng trạm bù, giá tiền mua tụ điện tĩnh, chi phí cho tổn thất công suất trên tụ điện tĩnh. 100 0 50 100 150 0 I(%) Khi lò không có SVC Khi lòcó SVC hoạt động dP P,U(%) - Trang: 90 - Vấn đề đặt ra là cần so sánh giữa hai chi phí: trước khi bù và sau khi bù để tìm ra một phương án tối ưu với tổng chi phí là ít nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. Để tìm được lời giải tối ưu thì trước hết phải xây dựng được hàm mục tiêu của bài toán. Hàm mục tiêu ở đây là hàm tổng chi phí tính toán, sẽ được trình bày trong phần sau. Giải bài toán bù kinh tế công suất phản kháng tức là đi tìm lời giải để hàm tổng chi phí tính toán là cực tiểu với các ràng buộc về mặt kỹ thuật. Sau đây sẽ thành lập mô hình bài toán bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối gồm hàm mục tiêu và các ràng buộc. IV.4.1 Hàm mục tiêu Hàm mục tiêu là hàm tổng chi phí tính toán bao gồm chi phí do tổn thất điện năng trên đường dây, chi phí do tổn thất trong tụ bù và chi phí lắp đăt thiết bị bù. Cụ thể: MinZZZZ 321 (4.8) Trong đó : Z – Tổng chi phí tính toán quy về một năm(đồng); Z1– Vốn đầu tư quy đổi một năm cho thiết bị bù; Z2– Chi phí tổn thất điện năng trong thiết bị bù; Z3– Chi phí tổn thất điện năng trong đường dây. - Vốn đầu tư quy đổi một năm của thiết bị bù: N i iBiBtcvh QKKZ 1 01 .. (4.9) Trong đó: KBi - vốn đầu tư cho một đơn vị công suất thiết bị bù tại nút i, (đồng/kVAr) K0 – Chi phí cố định lắp đặt thiết bị bù (đồng) QBi- dung lượng thiết bị bù tại nút i, kVAr; vh- hệ số chi phí vận hành hàng năm; tc - hệ số khấu hao; - Chi phí tổn thất điện năng trong thiết bị bù: Bi N i P B QZ 1 02 ... (4.10) Trong đó: - Trang: 91 - p0 – tổn hao công suất tác dụng cho một đơn vị dung lượng bù,kW/kVAr; B - thời gian tổn thất công suất cực đại của thiết bị bù, giờ/năm; (có thể lấy bằng thời gian làm việc của thiết bị bù) - giá thành điện năng, đ/kWh. - Chi phí tổn thất điện năng trên đường dây: N i nhii QR U Z 1 2 233 .. .10.3 . (4.11) Trong đó: - thời gian tổn thất công suất cực đại của lưới, giờ/năm; ( cần lưu ý là B ) Ri - điện trở của dây dẫn nhánh i, ; U - điện áp định mức của lưới, kV; Qnhi- công suất phản kháng tải trên nhánh i khi có bù công suất phản kháng tại các nút. Công suất phản kháng tại các nhánh khi xét đến cả các công suất bù tại các nút được tính tương tự như tính dòng các nhánh, cụ thể là : B nh QQAQ . (4.12) Trong đó : Qnh - ma trân cột công suất phản kháng truyền trên nhánh; A = Z . C - ma trận hệ số, ma trận vuông NxN; Q - QB - ma trận cột hiệu công suất phản kháng phụ tải và công suất bù. Hay viết dưới dạng đại số: N j Bjjijnhi QQAQ 1 . (4.13) Trong đó: Qj nh - công suất phản kháng truyền tải trên nhánh j; Aij - phần tử của ma trận A (Nếu nút i không nối với nút j thì Aij = 0); Qj - công suất phản kháng phụ tải tại nút j; QBi - công suất bù tại nút i. - Trang: 92 - Ghi chú: trong Z3 nếu tính đầy đủ phải có thành phần tổn thất công suất do công suất tác dụng P gây ra, nhưng bài toán xét Min hàm chi phí tính toấn bổ phần tổn thất này đi vẫn không ảnh hưởng gì vì chúng là hằng số không phụ thuộc vào QB. Từ (2.3), (2.4) và (2.5) ta thấy các trị số Z1, Z2, Z3 đều phụ thuộc vào trị số QBi. Như vậy yêu cầu của bài toán là xác định các giá trị công suất phản kháng thiết bị bù (QBi) đặt tại các nút của lưới điện sao cho tổng chi phí tính toán Z là nhỏ nhất. IV.4.2 Các ràng buộc - Tổng công suất bù tại các nút không vượt quá giá trị bù tổng toàn lưới: B N i QBi Q 1 (4.14 ) - Công suất bù tại một nút không vượt khỏi phạm vi cho phép: NiQQQ Max BiBi Min Bi 1; (4.15) - Bù để sao cho hệ số công suất Cos tại các nút phía cao áp nằm trong phạm vi cho phép: niCosCosCos MaxiMin 1; (4.16) Trong đó : 22 Biii i i QQP P Cos (4.17) IV.5. Lựa chọn phƣơng án đầu tƣ : Điện năng của Công ty Diezen- Sông Công đang sử dụng qua 4 lộ cấp điện 6kV Các lộ 674, 676 nối song song nhau từ Trạm biến áp 110kV về Công ty chiều dài cáp 1km cung cấp cho các phụ tải bình thường và 4 lò tluyện thép trung tần công suất nhỏ. Các lộ 673, 675 nối song song nhau từ Trạm biến áp 110kV về Công ty chiều dài cáp 1km cung cấp cho các phụ tải luyện thép sử dụng lò hồ quang điện và các thiết bị phụ trợ cho lò hồ quang điện Do các phụ tải hồ quang điện gây dao động điện áp và méo dạng sóng điện áp nên tạm thời Điện lực Thái Nguyên cấp điện riêng cho công ty Diezen Sông Công để sử dụng lò hồ quang từ máy biến áp T1-25MVA -115/23/6,6kV và lộ 677 không có phụ tải công nghiệp. Các phụ tải còn của công ty và các phụ tải khác ngoài Công ty Diezen được cấp từ máy 10,5MVA -38,5/6,3kV nối từ máy T2-63MVA -115/38,5/23kV - Trang: 93 - Như vậy, Máy T1-25MVA chỉ gần như cấp riêng cho lò hồ quang điện do gây ra dao động điện áp và méo dạng sóng điện áp. Trong trường hợp máy biến áp T2-63MVA quá tải hoặc sự cố, máy 10,5MVA quá tải thì Công ty Diezen buộc phải ngừng sản xuất 2lò hồ quang 6 tấn với tổng công suất 8MVA. Có nghĩa toàn bộ hoạt động của 2 lò hồ quang điện + 2 lò tinh luyện ngừng sản xuất. Tổng số công nhân trên dây chuyền sản xuất luyên thép gồm 130 công nhân. Lựa chọn phương án để tiếp tục hoạt động các lò hồ quang điện trên lộ 673 và 675 trạm 110kV Gò Đầm trong mọi trường hợp, Công ty Diezen –Sông Công phải lựa chọn các giải pháp sau 1. Phƣơng án 1 : Công ty Diezen-Sông Công đầu tư một trạm biến áp trung gian trong khu vực của công ty : Pđm = 2máy x 2 =12MVA Uđm=22/6kV (Điểm đấu nối từ thanh cái 22kV các máy T1-25MVA và T2- 63MVA) Tổng số tiền đầu tư cho dự án xây dựng trạm biến áp mới là : Ztrung_gian = 6.10 9 đồng ( 6 tỷ đồng) 2. Phƣơng án 2 : Công ty Diezen-Sông Công chỉ đầu tư thêm hệ thống SVC : Số tiền đầu tư cho trạm SVC là : Zsvc =2,3.10 9 đồng (2,3 tỷ đồng) 3. Hiệu quả kinh tế a - Chênh lệch giá trị đầu tư giữa phương án 1 và phương án 2 Zđt = Ztrung_gian- Zsvc = 6 tỷ đồng - 2,3 tỷ đồng = 3,7 tỷ đồng. Nếu công ty chỉ đầu tư cho hệ thống SVC thì chỉ cần đầu tư 2,3 tỷ đồng. b - Hiệu quả khi đầu tư hệ thống SVC Khi công ty đầu tư hệ thống SVC thì toàn bộ các phụ tải liên quan đến dây chuyền luyện thép bằng lò hồ quang điện không phải ngừng hoạt động. Mặt khác, giải quyết công ăn việc làm cho 130 công nhân có ý nghĩa vô cùng lớn về mặt xã hội bởi - Trang: 94 - phần lớn các công nhân đều là có tay nghề bậc cao, có rất nhiều kinh nghiệm trong nấu luyện thép, nếu giữ vững ổn định sản xuất thì hiệu quả kinh tế là vô cùng lớn so với chi phí đầu tư lắp đặt hệ thống SVC. Mặt khác, căn cứ vào khối lượng sản phẩm thép thỏi có được từ quá trình nấu luyện bằng lò hồ quang và sản lượng điện tiêu thu năm 2007 của công ty Diezen Sông công cho ta thấy: Bảng 4-1: Điện năng tiêu thụ của Công ty Diezen Sông Công năm 2007. STT Danh mục Đơn vị tính Năm 2007 A. SẢN PHẨM 1: Thép thỏi 1 Số lượng sản phẩm Tấn 8.088 2 Sản lượng điện KWh 9.554.246 3 Suất tiêu hao ĐN/ĐVSP KWh 1.181,28 B. SẢN PHẨM 2: Cơ khí 1 Số lượng sản phẩm Tỷ đồng 65,50 2 Sản lượng điện KWh 8.348.630 3 suất tiêu hao ĐN/ĐVSP KWh 127.460 Tổng sản lƣợng điện: KWh 17.902.876 Sản lượng điện sử dụng cho luyện thép (mặt hàng thép thỏi) là 9.554.246kWh Chiếm 53,36% tổng sản lượng điện cho toàn công ty. Thực tế cho thấy tại các đơn vị khi đưa hệ thống SVC (Công ty Gang thép Thái Nguyên) vào vận hành lượng điện năng có thể tiết kiệm tới 4% tổng sản lượng điện. Đối chiếu với kế hoạch sản xuất và nhu cầu tiêu thụ điện của công ty Diezen Sông Công trong năm 2008, tại bảng (4-2) ta có: Điện năng sử dụng cho luyện thép với mặt hàng là thép thỏi và mặt hàng cơ khí là tương đương nhau. Để đạt được kế hoạch năm 2008 cần tiêu thụ 13.375.633 kWh chiếm 49% trong nhu cầu tổng sản sản lượng điện toàn Công ty Điezen Sông Công 2008. Từ các phân tích số liệu trên, cho ta thấy nếu hệ thống SVC được lắp đặt tại Công ty Diezen Sông Công, sẽ tiết kiệm được số lượng điện năng tương đối lớn, các mẻ nấu luyện thép không đạt chất lượng sẽ giảm, thời gian nấu một mẻ thép ổn định và giảm hơ khi chưa vận hành hệ thống SVC. Bảng 4-2: Kế hoạch điện năng của Công ty Diezen Sông Công năm 2008. - Trang: 95 - STT Danh mục Đơn vị tính Năm 2008 A. SẢN PHẨM 1: Thép thỏi 1 Số lượng sản phẩm Tấn 11.323 2 Sản lượng điện KWh 13.375.633 3 Suất tiêu hao ĐN/ĐVSP KWh 1.181,28 B. SẢN PHẨM 2: Cơ khí 1 Số lượng sản phẩm Tỷ đồng 109 2 Sản lượng điện KWh 13.893.140 3 suất tiêu hao ĐN/ĐVSP KWh 127.460 Tổng sản lƣợng điện: KWh 27.268.773 3. Kết luận: Qua phân tích, tính toán và đánh giá hiệu quả kinh tế khi đưa hệ thống SVC vào hoạt động tại hệ thống điện của Công ty Diezen Sông Công đã đem lại những hiệu quả to lớn về mặt kỹ thuật đã ổn định được các dao động công suất tác dụng và công suất phản kháng tại lưới điện, giảm độ méo điện áp và các dao động điện áp trên thanh cái 6kV của công ty nói riêng và toàn bộ hệ thống điện khu vực Thị xã Sông Công được cấp điện qua trạm trung gian 110 kV Gò Đầm nói chung. Việc nghiên cứu, đầu tư trong hệ thống SVC thời gian sớm nhất sẽ mang lại hiệu quả càng lớn tiết kiệm được một lượng điện năng tương đối lớn với phương thức vận hành cấp điện như hiện nay . - Trang: 96 - KẾT LUẬN Trong luận văn này đã bước đầu đã tim hiểu và xem xét các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng. Đã cơ bản nêu lên được các thuật ngữ về có liên quan đến chất lượng điện năng cũng như các vấn đề chính như vấn đề sụt giảm điện áp, mất điện áp, các vấn đề về sóng hài và biện pháp nâng cao chất lượng điện năng. 1. Sự sụt giảm điện áp, quá điện áp và mất điên áp có nguyê n nhân từ sự cố và loại trừ sự cố. Các nguyên nhân trên nàg càng tăng do nhu cầu phát triển của phụ tải tăng cao hơn nhiều so với đầu tư, cải tạo hệ thống cung câps điện của ngành điện lực. Khi nghiên cứu, và nắm rõ bản chất các hiện tượng đó ta có thể lập ra các phương án cung cấp điện tối ưu khác nhau tuỳ theo yêu cầu phụ tải cũng nhu khả năng cung cấp điện của hệ thống. Phương án tối ưu sẽ các các đặc điểm tổn hao công suất, tổn hao điện năng, đáp ứng được các thông số chỉ tiêu về chất lượng điện năng ở cuối đường dây cung như đầu nguồn hệ thống cung cấp điện. 2. Sóng hài là một đặc điểm của các phụ tải phi tuyến. Ở bất cứ hệ thống truyền tải, cung cấp điện nào cũng tồn tại sóng hài và các vấn đề liên quan đến sóng hài. Sóng hài tác động ngược trở lại các phần tử của hệ thống điện như các thiết bị tụ bù, máy biến áp, các động cơ và hệ thống cáp gây ra các tổn thất phụ, các quá nhiệt và quá tải ngoài mong muốn. Khi nắm rõ bản chất sóng hài và đo được các thông số về sóng hài, ta có thể điều hoà tính chất phụ tải, sử dụng các thiết bị có tính chất lọc sóng hài, các bộ cảm điện để đem lại hiệu quả tối đa với giá thành là thấp nhất. 3. Ảnh hưởng của lò hồ quang trong hệ thống điện có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi bộ Luật điện lực đã có hiệu lực. Trong thời gian tới, các hợp đồng mua bán điện giữa các công ty Điện lực và khách hàng có sử dụng lò hồ quang điện cần có những phụ lục về thông số của sóng hài như độ méo dòng điện, độ dao động điện áp cũng do lò hồ quang gây ra tại điểm đấu nói với hệ thống điện. 4. Hệ thống bù SVC đã được nghiên cứu và sử dụng nhiều, tuy nhiên các hệ thống SVC hiện nay nước ta đang sử dụng hầu hết là do các hãng, tập đoàn thiết bị nước ngoài sản xuất và chuyển giao công nghệ. Việc nghiên cứu các hệ thống SVC giúp cho ta chọn được chế độ vận hành tối ưu các hệ thống SVC hiện có cũng như tiến tới nghiên cứu và chế tạo trong nước để hạ giá thành tính trên đơn vị sản phẩm. 5. Phần mềm ATP-EMTP có khả năng ứng dụng lớn trong thực tiễn. Chương trình này đã phổ biến trên thế giới tuy nhiên tại nước ta chưa được sử dụng rộng rãi và đang chỉ đang dừng ở mức độ nghiên cứu. Để phát triển hệ thống điện một cách có hệ - Trang: 97 - thống, từ khâu khảo sát, thiết kế xây dựng và vận hành thì việc mô phỏng các trạng thái của hệ thống điện là cần thiết vì cơ bản chương trình ATP-EMTP hỗ trợ phần lớn các thiết bị có trong hệ thống điện. Hạn chế lớn nhất hiện nay là vấn đề về giá thành bản quyền của phần mềm quá cao. Trong tương lai, phần mềm trên sẽ phổ cập do tính thực tiễn của phần mềm cũng như số lượng đơn vị sử dụng tăng cao do đó sẽ giảm chi phí chuyển giao công nghệ. - Trang: 98 - HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Hướng phát triển của đề tài là tiếp tục nghiên cứu về các chỉ tiêu của chất lượng điện năng của nước ta tương đương với thế giới và khu vực, đặc biệt là vấn đề sóng hài và các giải pháp lọc sóng hài để nâng cao chất lượng điện năng. Các hiện tượng về dao động điện áp là yếu tố quan trọng trong các chỉ tiêu liê quan đến chất lượng điện năng nay vẫn chưa được quan tâm đúng mức trong hệ thống điện của nước ta. Tuy nhiên, do quá trình phát triển của quan hệ giữa mua và bán điện đã phát sinh những yêu cầu mới đòi hỏi phải chỉnh sửa các văn bản hiện hành cũng và các giải pháp về nâng cao chất lượng điện năng. - Trang: 99 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Văn Tớp, “Kỹ thuật điện cao áp: Quá điện áp & bảo vệ chống quá áp” Nhà xuất bản Khoa học & Kỹ thuật, 2004; [2] Lã Văn Út, “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001; [3] Đặng Ngọc Dinh, Nguyễn Hữu Khái, Trần Bách, Nguyễn Hồng Quang, Trịnh Hùng Thám, Hệ thống điện tập I, Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, 1981. [4] Nguyễn Thanh Liêm, “Ứng dụng chương trình EMTP trong tính toán hệ thống điện”, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội, Hà Nội-1993 [5] Trần Bách, “Lưới điện và hệ thống điện ”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004. [6] Phan Đăng Khải,“Bù công suất phản kháng”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004. Tiếng Anh [7] R. C. Dugan, M .F. McGranahan, S. Santoso, H. W. Beaty, “Electrical Power Systems Quality Second”, Edition, McGraw-Hill, NewYork-1996. [8] Marius Peens, “Modelling and control of an Electroder System for a Three- Phase Electric Arc Furnace” University of Pretoria, December 2006. [9] Muhammad H. Rashid, “Power Electronics Handbook ”, Copyrights â 2001 by Academic Press, 2001. [10] E. Acha, V.G. Agelidis, O.Anaya, T.J.E. Miller, “Power Electronic Control in Electrical Systems ”, Newnes-2002. ._.