Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 KV, phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc phục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẶNG THỊ VÂN ANH

NGHIÊN CỨU TRẠM BÙ SVC TRÊN LƢỚI TRUYỀN TẢI 220KV, PHÂN

TÍCH SÓNG HÀI TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DUNG LƢỢNG BÙ VÀ

BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển không ngừng của đất nước. Điện năng cung cấp cho phụ tải

không chỉ phải đảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng điện năng cũng phải được

đảm bảo. Trong hệ thống truyền tải có thành lập các trạm bù công suất phản kháng, tùy

theo công nghệ có nhiều loại trạm bù lại chính là nguồn phát sinh sóng điều hòa bậc

cao (gọi tắt là sóng hài) gây ô nhiễm lưới. Các sóng hài gây ra nhiều tác hại nghiêm

trọng như làm tăng tổn hao phụ trên thiết bị, giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới tuổi

thọ các thiết bị điện, làm giảm chất lượng điện năng... Do đó các sóng hài trên lưới

phải đảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn theo quy định (tiêu chuẩn). Hiện nay, ở nước

ta cũng như trên thế giới chủ yếu căn cứ theo tiêu chuẩn IEEE std 519, tiêu chuẩn IEC

1000-3-4. Để hạn chế sóng điều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau,

một trong số đó là sử dụng bộ lọc mà điển hình là bộ lọc tích cực. Vì vậy, sau hai năm

học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh

tôi đã lựa chọn đề tài là “Nghiên cứu trạm bù SVC trên lưới truyền tải 220 kV,

phân tích sóng hài trong quá trình điều khiển dung lượng bù và biện pháp khắc

phục”.

Hướng nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phát sinh và ảnh hưởng của

sóng hài khi thực hiện bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Từ đó, áp dụng

cho nghiên cứu thực nghiệm tại trạm bù công suất phản kháng SVC Thái Nguyên và

đề xuất giải pháp khắc phục. Nội dung luận văn được bố cục như sau:

Chương 1. Tổng quan về bù công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải

điện.

Chương 2. Nghiên cứu thực nghiệm trạm bù SVC tại Thái Nguyên.

Chương 3. Mô hình hóa mô phỏng trạm SVC Thái Nguyên và đề xuất giải pháp

mới.

Kết luận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Trong quá trình thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo

TS. Ngô Đức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân, nay đã hoàn thành. Tuy nhiên

bản luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được sự góp ý của các

thầy cô giáo và người đọc.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và tập thể cán bộ Trạm bù SVC Thái

Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm tại Trạm.

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức

Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để tôi hoàn thành bản luận văn này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Chƣơng I

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN

KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1. Hệ thống điện và lƣới điện.

Hệ thống điện (HTĐ) là một tổ hợp bao gồm các khâu từ sản xuất, truyền

dẫn, phân phối đến tiêu thụ điện năng được kết nối theo một nguyên lý chung về

cân bằng năng lượng. Mỗi hệ thống điện quốc gia có thể được mô tả như sơ đồ

trên hình 1.1. Trong đó:

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống điện và lưới điện

- Khâu sản xuất điện năng: Đó là các nhà máy điện, phân bố tại các vị trí

khác nhau trong HTĐ.

- Lưới truyền tải (LTT): Là các hệ thống các trạm biến áp, trạm phân

phối và đường dây cao áp, siêu cao áp từ 110 kV đến 500 kV nhằm thực hiện

truyền tải công suất giữa các khu vực. Trong lưới truyền tải không có phụ tải sản

xuất.

NMĐ

NĐ

TĐ

TBK

TKV

TKV

TKV

TTG

TPP

TPP

110-220-500kV 110-220kV

6-10-15-20-35kV 0,4kV

Phụ tải

TA

Phụ tải

HA

LTT LPP

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Lưới phân phối (LPP): Là hệ thống các trạm biến áp và mạng điện từ

cấp điện áp 35 kV trở xuống nhằm phân phối công suất cho các phụ tải tiêu thụ

điện phục vụ cho các hoạt động của đời sống con người.

Trên thực tế có rất nhiều cách phân loại hệ thống điện:

Hệ thống điện tập trung: Các nguồn điện và nút phụ tải lớn tập trung

trong một phạm vi không lớn chỉ cần các đường dây ngắn để tạo thành hệ thống.

Hệ thống điện hợp nhất: Trong đó các hệ thống điện độc lập ở cách rất

xa nhau được nối liền thành một hệ thống bằng các đường dây tải điện siêu cao

áp.

Hệ thống điện địa phương hay hệ thống điện cô lập: Là một hệ thống

điện riêng, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp lớn, hay các

hệ thống điện ở các vùng xa không thể nối vào hệ thống điện quốc gia.

Trong lưới phân phối lại chia ra:

- Lưới phân phối trung áp: có điện áp 6, 10, 15, 22, 35 kV phân phối cho

các trạm phân phối trung áp / hạ áp và các phụ tải trung áp.

- Lưới phân phối hạ áp cấp điện cho các phụ tải hạ áp 380/220 V.

1.2. Phụ tải điện

1.2.1. Phụ tải điện và đặc điểm của phụ tải điện

Phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một

điểm nào đó của lưới điện tại điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụ

tải.

Trong hoạt động của một lưới, công suất do nhà máy điện (máy phát) phát

ra dưới dạng 3 pha xoay chiều tần số tiêu chuẩn 50Hz (60Hz) luôn thỏa mãn điều

kiện cân bằng với công suất tiêu thụ của phụ tải kể cả các tổn thất truyền dẫn.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

Công suất toàn phần gồm hai thành phần cơ bản là công suất tác dụng (CSTD)

và công suất phản kháng (CSPK) liên hệ với nhau qua các biểu thức (1.1)

S =

2 2 P Q ; S =

3

UI (1.1)

P = S.cos ; Q = S.sin

= arctg (

P

Q

)

Trong đó:

- Công suất tác dụng P là thành phần công suất để sinh công, chuyển thành

cơ năng hay nhiệt năng, quang năng… tùy theo mỗi loại phụ tải cụ thể. Phải có

tiêu hao công sơ cấp các máy phát điện mới tạo ra được công suất tác dụng.

- Công suất phản kháng Q là thành phần công suất không sinh công nhưng

luôn tồn tại trong hoạt động của mạch điện xoay chiều. Đối với các phụ tải động

cơ, CSPK cần thiết để tạo từ trường quay và tổn thất từ tản, đối với máy biến áp

CSPK để từ hóa mạch từ, trên đường dây CSPK hình thành do điện kháng đường

dây …. Trong một chu kỳ tần số lưới, CSPK trao đổi qua lại giữa tải và máy phát

hai lần (Q đổi dấu 4 lần). Việc tạo ra CSPK không đòi hỏi tiêu tốn công sơ cấp,

tuy nhiên trong quá trình truyền tải CSPK có bị tiêu hao do tổn thất.

Phụ tải điện có những đặc điểm sau:

- Biến thiên theo quy luật ngày đêm, quy luật sinh hoạt và sản xuất.

- Tại một thời điểm, phụ tải trong các ngày đêm khác nhau biến thiên

ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình theo phân phối chuẩn.

- Phụ tải điện có tính chất theo mùa.

- Phụ tải điện biến thiên mạnh theo thời tiết, như nhiệt độ môi trường,

mưa hoặc khô.

- Phụ tải điện biến thiên theo tần số và điện áp tại điểm nối vào lưới

điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

- Phụ tải điện luôn phát triển không ngừng trong thời gian và không

gian.

Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và

vận hành hệ thống điện. Xác định chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ

thống điện tối ưu về kinh tế và kỹ thuật. Trong tính toán phụ tải có quy luật hoạt

động giống nhau được xếp vào cùng một loại để có phương pháp tính riêng.

Trong thực tế có một số loại phụ tải điển hình như sau: sinh hoạt, thương mại,

dịch vụ, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông.

1.2.2. Yêu cầu của phụ tải điện

Phụ tải điện luôn có yêu cầu với hệ thống điện về hai yếu tố là : chất lượng

điện năng và độ tin cậy cung cấp điện.

Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng tần số và chất lượng điện áp.

Chất lượng tần số được đánh giá bằng:

+ Độ lệch tần số so với tần số định mức : .100%

dm

dm

f

f f

f

+ Độ dao động tần số: Đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị

nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh và với tốc độ lớn hơn 1%/s.

Chất lượng điện áp lại đánh giá bằng 4 chỉ tiêu là:

+ Độ lệch điện áp khỏi điện áp định mức của lưới điện:

.100%

đm

đm

U

U U

U

U phải thỏa mãn điều kiện: U- U U+

Với U- và U+ là giới hạn trên dưới của độ lệch điện áp.

Khi điện áp quá cao hay quá thấp đều gây ra phát nóng phụ cho các thiết

bị điện, làm giảm tuổi thọ, làm giảm năng suất gây hỏng thiết bị,…. Ngoài ra,

nếu điện áp thấp quá nhiều thiết bị còn không hoạt động được.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

+ Độ dao động điện áp:

Sự biến thiên nhanh của điện áp được cho bởi công thức:

max min

.100%

Uđm

U U

V

Tốc độ biến thiên từ Umax đến Umin không nhỏ hơn 1%/s. Dao động điện áp

gây dao động ánh sáng hại mắt người lao động, gây nhiễu các thiết bị điện tử,….

+ Độ không đối xứng :

Các phụ tải của các pha không đối xứng dẫn điện áp các pha không đối xứng.

Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết bị dùng

điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng.

+ Độ không Sin:

Các phụ tải phi tuyến như máy biến áp không tải, bộ chỉnh lưu, thyristor,…

làm biến dạng đường đồ thị điện áp không còn dạng Sin, xuất hiện các thành

phần sóng hài bậc cao Uj

, Ij

. Sóng hài bậc cao này gây ra giảm điện áp trên đèn

điện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện

môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu

các thiết bị bảo vệ, điều khiển, điện tử,….

Độ tin cậy cung cấp điện được tính bằng thời gian mất điện trung bình

năm cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được

cho cả hai phía người dùng điện và hệ thống điện. Độ tin cậy cung cấp điện được

đảm bảo nhờ kết cấu của hệ thống điện và lưới điện được lựa chọn trong quy

hoạch, thiết kế.

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa thì yêu cầu của phụ tải về

chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cũng đòi hỏi ngày càng cao.

Bởi vậy, hệ thống điện cũng phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc cũng như

phương pháp vận hành để thích nghi, và đáp ứng những yêu cầu đó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1.2.3. Hoạt động của hệ thống điện và cân bằng công suất

Mục đích hoạt động của hệ thống điện là thỏa mãn nhu cầu điện năng

ngày càng tăng cao của người tiêu thụ; đảm bảo chất lượng phục vụ cao, an toàn

với khách hàng và đồng thời đạt hiệu quả kinh tế cao cho bản thân hệ thống điện.

Theo nguyên lý cân bằng công suất, công suất tác dụng và công suất phản

kháng của nguồn điện luôn phải cân bằng với công suất yêu cầu của phụ tải

trong mọi thời điểm vận hành. Có thể nói: Tần số chính là thước đo của công

suất tác dụng, khi công suất tác dụng của nguồn nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì

tần số sẽ giảm và ngược lại. Do đó khi quan sát thấy nếu tần số cao hơn bình

thường thì công suất nguồn thừa so với yêu cầu và ngược lại nếu tần số thấp hơn

thì công suất phát ra đang thiếu so với yêu cầu. Cân bằng công suất tác dụng có

tính chất toàn hệ thống, tần số ở mọi điểm trên toàn hệ thống phải như nhau.

Cũng tương tự, Công suất phản kháng là thước đo điện áp, khi công suất

phản kháng nguồn nhỏ hơn yêu cầu của tải thì điện áp sẽ giảm đi và ngược lại

khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn công suất phản kháng yêu cầu của tải

thì điện áp sẽ tăng. Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống lại

vừa có tính chất địa phương, tức chỗ này của hệ thống điện có thể đủ công suất

phản kháng trong khi chỗ khác lại có thể thiếu.

Công suất phản kháng được đáp ứng bởi các nhà máy điện, đây là phần

quan trọng có khả năng biến đổi nhanh đáp ứng được sự biến đổi của yêu cầu và

phần còn lại là nhờ các tụ bù, kháng điện,... đặt tại các vị trí khác nhau trong hệ

thống.

Như vậy, trong điều khiển hệ thống điện, điều chỉnh công suất tác dụng P

là điều chỉnh tần số cho toàn hệ thống; còn điều chỉnh công suất phản kháng Q

tại một điểm nút nào đó trên lưới cũng chính là điều chỉnh điện áp cho tại nút

đóng đồng thời có cải thiện điện áp cho các nút lân cận.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

1.3. Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)

1.3.1. Giới thiệu chung.

Trong xã hội hiện đại, điện năng ngày càng trở thành một nguồn năng

lượng không thể thiếu, nhất là trong các ngành công nghiệp và các đòi hỏi về

chất lượng điện năng cũng ngày một cao. Cũng bởi lý do đó nhiều công trình

nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra các phương pháp giải quyết vấn đề đó.

Trong đó có thể kể đến hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible AC

Transmission Systems).

Về sự ra đời của FACTS có rất nhiều ý kiến được nêu ra, FACTS là một

khái niệm được đưa ra từ những năm 80 của thế kỷ trước ở viện EPRI (Electric

Power Research Institute) của Mỹ. Đây là khái niệm về một hệ thống truyền tải

điện linh hoạt, có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển đáp ứng

nhanh chóng theo đầu vào cũng như khi thay đổi điểm làm việc.

FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên

nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn. Các thiết bị này có thể chia ra thành

các nhóm theo cách đấu: Đấu nối tiếp, đấu song song, đấu hỗn hợp. Đặc tính

hoạt động của chúng được suy ra từ hai kiểu bù nối tiếp lý tưởng và bù song

song lý tưởng.

+ Bù song song lý tưởng: là điều khiển dòng công suất phản kháng trên

lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù tại điểm kết nối

(nút). Nhằm cải thiện sự ổn định cho hệ thống.

+ Bù nối tiếp lý tưởng: là điều khiển công suất phản kháng chảy qua một

bộ phận của thiết bị bù tại điểm kết nối thông qua việc điều khiển làm thay đổi

biên độ, góc pha điện áp nguồn.

Công nghệ FACTS là dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage Source

Inverter), VSC (Voltage Source Converter) công suất lớn. Do sự phát triển của