LÝ LỊCH SƠ LƯỢC
Họ & tên: HOÀNG HIẾU Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20/12/1980 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế
Quê quán: Thừa Thiên Huế Dân tộc: Kinh
Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Nhân viên
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 168/17, Võ Thành Trang, Phường 11, Quận Tân Bình, TP.HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại: 0932 755 306
Fax: E-mail:hoanghieuhqn@gmail.com
QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/ 2003 đến 09/ 2005 Nơi học (trường, thành phố): trung tâm Việt Đức, ĐH SPKT TPHCM
Ngành học: Điện công nghiệp
Hệ đào tạo: Liên thông Thời gian đào tạo từ 09/ 2010 đến 03/ 2013 Nơi học (trường, thành phố): ĐH Tôn Đức Thắng TP HCM
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế Nhà máy điện và Trạm biến áp 110 – 22 kV
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại Tôn Đức Thắng TP HCM
Người hướng dẫn: ThS Huỳnh Văn Vạn
3 Trình độ ngoại ngữ (biết ngoại ngữ gì, mức độ): Anh văn B1
Kỹ sư điện – Điện Tử và Viễn Thông, với số bằng 024851, đã được cấp chính thức vào ngày 19 tháng 03 năm 2013 tại Trường Đại Tôn Đức Thắng, TP HCM.
QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: 4 LỜI CẢM ƠN
Bố cục của luận văn
CHƯƠNG I: Tìm hiểu về vấn đề bù công suất phản kháng và tổn thất điện năng trong hệ thống điện
CHƯƠNG II: Tổng quan về vấn đề sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện
CHƯƠNG III: Thiết bị bù TCSC
CHƯƠNG IV: Ứng dụng TCSC trong lưới điện truyền tải tỉnh Ninh Thuận
CHƯƠNG V: Kết luận và Hướng phát triển
II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 3
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: 4 LỜI CẢM ƠN 5
1 Lý do chọn đề tài 10
6 Bố cục của luận văn 10
CHƯƠNG I: Tìm hiểu về vấn đề bù công suất phản kháng và tổn thất điện năng trong hệ thống điện 10
CHƯƠNG II: Tổng quan về vấn đề sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện 10
CHƯƠNG III: Thiết bị bù TCSC 10
CHƯƠNG IV: Ứng dụng TCSC trong lưới điện truyền tải tỉnh Ninh Thuận 10
CHƯƠNG V: Kết luận và Hướng phát triển 10
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 14
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 15
1 Lý do chọn đề tài 20
Chương I Tìm hiểu về vấn đề công suất phản kháng và tổn thất điện năng trong HTD 22
Chương II Tổng quan về vấn đề sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống lưới điện truyền tải 22
Chương III Nguyên lý làm việc và mô hình thiết bị TCSC 22
Chương IV Ứng dụng phần mềm PowerWold để tính toán và xác định vị trí bù tối ưu công suất phản kháng trên lưới điện truyền tải Tỉnh Ninh Thuận 22
Chương V Kết luận và Kiến nghị 22
VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG
1.1 Công suất phản kháng trong hệ thống điện 23
1.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng: 24
1.1.2.1 Sự tiêu thụ CSPK trong động cơ không đồng bộ 25
1.1.2.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng trong Máy biến áp (MBA) 27
1.1.2.3.Sự tiêu thụ công suất phản kháng ở đèn huỳnh quang 28
1.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện 29
1.2 Các dạng bù trong HTĐ 31
1.3.Tổn thất điện năng trong HTĐ 34
1.3.1 Thực trạng về tổn thất điện năng 34
1.3.2.Phương pháp phân tích đồ thị 35
1.4 Các biện pháp giảm tổn thất điện năng: 42
1.4.3 Giảm tổn thất điện năng trong vận hành 43
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 45
2.1 Mô hình đường dây truyền tải hệ thống điện 45
2.2.Tổng quan về công suất phản kháng 46
2.3 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng 47
2.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng 47
2.5.Khái quát sự hình thành và phát triển của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) 48
2.6 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS 49
2.7 Phân loại thiết bị FACTS 49
2.7.1.Thiết bị bù ngang (Shunt Devices): 49
2.7.4 Thiết bị bù dọc (Series Devices): 51
2.7.5 TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator) 51
2.7.6 TCVR (Thyristor Controlled Voltage Regulator) 51
2.7.7 Thiết bị bù kết hợp nối tiếp - nối tiếp (Combined series – series Devices) 51
2.7.8.Thiết bị bù kết hợp nối tiếp - song song (Combined series – shunt Devices) 52
2.8 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng Thyristor TCSC 52
2.8.3 Các tác dụng của tụ bù dọc và mô hình TCSC 52
2.8.3.1 Các tác dụng của tụ bù dọc 52
2.8.3.3 Mô phỏng các thành phần tương đương TCSC trong PowerWorld Simulation 57 CHƯƠNG III: 58 ỨNG DỤNG TCSC TRONG LƯỚI ĐIỆN TỈNH NINH THUẬN 58
3.2 Giới thiệu phần mền PowerWorld Simulator 58
3.3 Hiện trạng lưới điện truyền tải Ninh Thuận 58
3.4 Cơ sở lựa chọn vị trí đặt TCSC lưới điện truyền tải tỉnh Ninh Thuận 60
3.5 Mô hình hệ thống điện Ninh Thuận 61
3.6 Các bước tiến hành mô phỏng và kết quả đạt được: 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Chữ viết tắt Đầy đủ Nghĩa
2 STATCOM Static sychronous Compensator Bộ bù đồng bộ tĩnh
3 SVC Static Var Compensator Bộ bù tĩnh
Tụ nối tiếp điều khiển bằng thyristor
Flexible Alternating Current Transmission Systems
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Viện kỹ thuật Điện - điện tử (Mỹ)
10 VSC Voltage Source Converter Bộ biến đổi nguồn áp
11 DC Direct current Điện một chiều
12 AC Alternate Current Điện xoay chiều
13 CSPK Công suất phản kháng
14 CSTD Công suất tác dụng
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ mạch thay thế 23
Hình 1.2 Quan hệ giữa công suất P&Q 24
Hình 1.3 Mạch điện thay thế hình Γđơn giản hoá của động cơ không đồng bộ 26
Hình 1.4 Đặc tính tĩnh công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ 26
Hình 1.5 Bù cho đèn huỳnh quang bằng cách nối tụ điện song song 28
Hình 1.6 Đồ thị vecto điện áp khi có tụ bù ngang 31
Hình 1.8 Mô hình hệ thống điện đơn giản 33
Hình 1.9 Đặc tính P(δ) với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc (b) 33
Hình 1.10: Đồ thị biến thiên của dòng điện theo thời gian 37
Hình 1.11a Đồ thị phụ tải được chữ chữ nhật hóa 35
Hình 1.11b Đồ thị phụ tải được hình thang hóa 35
Hình 1.12a: Đồ thị phụ tải dòng điện theo thời gian T 37 Hình 1.12b: Đồ thị xác định dòng điện trung bình bình phương Itb 37
Hình 1.13a: Xác định thời gian sử dụng công suất cực đại τmax 49
Hình 1.13b: Xác định thời gian tổn thất công suất cực đại Tmax 49
Hình 2.1 Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản; (b) giản đồ pha (c) đường công suất – góc [4] 45
Hình 2.2 Mô hình tĩnh của TCVR 51
Hình 2.3 Mô hình hệ thống điện đơn giản khi có tụ bù nối tiếp 53
Hình 2.4 Đặc tính P(δ) ứng với trường hợp không có tụ bù dọc (a) và có tụ bù dọc
Hình 2.5 Mô hình TCSC (a) Mô hình cơ bản; (b) Mô hình thực tế 54
Hình 2.6 Sự thay đổi điện kháng của TCSC với góc mở α 57
Hình 2.7 Các thành phần cơ bản trong PowerWorld Simulation: (a) Bus, (b) tụ điện, (c) cuộn cảm, (d) máy phát, (e) máy biến áp 57
Hình 3.1: Nhà máy thủy điện Đa Nhim 58
Hình 3.2: Sơ đồ thực tế lưới điện truyền tải của tỉnh Ninh Thuận 59
Hình 3.3 Sơ đồ lưới điện truyền tải Tỉnh Ninh Thuận được mô phỏng trên phần mềm PowerWorld Simulation 61
Hình 3.4 Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 60% và không có TCSC giữa
Hình 3.5 Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 80% và không có TCSC giữa
Hình 3.6 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 100% và không gắn TCSC giữa Bus 2 và Bus 14 66
Hình 3.7.Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 120% và không gắn TCSC giữa Bus 2 và Bus14 68
Hình 3.8.Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 60% và có TCSC giữa Bus 2 và Bus 14 70
Hình 3.9.Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 80% và có gắn TCSC giữa
Hình 3.10.Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 100% và có gắn TCSC giữa Bus 2 và Bus 14 73
Hình 3.11 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 120% và có gắn TCSC giữa
Hình 3.12 Đồ thị thể hiện công suất tác dụng khi không gắn TCSC và gắn TCSC tại Bus 2 và Bus 14 77
Hình 3.13 Đồ thị thể hiện công suất phản kháng khi chưa gắn TCSC và trường hợp có gắn TCSC tại Bus 2 và Bus 14 78
Hình 3.14 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 60% và có gắn TCSC giữa
Hình 3.15 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 80% và có gắn TCSC giữa
Hình 3.16 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 100% và có gắn TCSC giữa
Hình 3.17.Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 120% và có gắn TCSC giữa Bus 3 và Bus 8 83
Đồ thị trong Hình 3.18 cho thấy sự thay đổi của tổn thất công suất tác dụng khi giá trị các phụ tải tăng lên, so sánh giữa trường hợp có và không có TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) được lắp đặt giữa Bus 3 và Bus 8.
Đồ thị trong hình 3.19 minh họa tổn thất công suất phản kháng khi tăng cường phụ tải, so sánh giữa trường hợp có và không có thiết bị TCSC được lắp đặt giữa Bus 3 và Bus 8.
Đồ thị so sánh cho thấy sự thay đổi tổn thất công suất tác dụng khi giá trị các phụ tải tăng lên, đặc biệt trong trường hợp lắp đặt TCSC từ Bus 3 đến Bus 8 và từ Bus 2 đến Bus 14.
Hình 3.21 minh họa sự so sánh tổn thất công suất phản kháng khi giá trị các phụ tải tăng lên, trong trường hợp lắp đặt TCSC từ Bus 3 đến Bus 8 và từ Bus 2 đến Bus 14.
Hình 3.22, 3.23 và 3.24 minh họa đồ thị điện áp tại các bus 2, 12 và 18 khi lắp đặt TCSC từ bus 2, 3 đến bus 14 và bus 8 Các đồ thị này cho thấy sự biến đổi điện áp tại từng bus, góp phần vào việc phân tích hiệu suất và ổn định của hệ thống điện.
Bảng 3.1 Dữ liệu công suất phát của máy phát 61 Bảng 3.2 Dữ liệu của máy Biến Áp 62
Bảng 3.3 trình bày dữ liệu điện áp và tải thực tế, trong khi Bảng 3.4 cung cấp thông tin mô phỏng khi tăng phụ tải với MBA ở mức 60% mà không có TCSC giữa bus 2 và bus 14 Cuối cùng, Bảng 3.5 thể hiện dữ liệu mô phỏng khi tăng phụ tải với MBA ở mức 80% mà không có TCSC.
TCSC giữa bus 2 và bus 14 65,66
Bảng 3.6 trình bày dữ liệu mô phỏng khi tăng các phụ tải với MBA ở mức 100% và không có TCSC giữa bus 2 và bus 14 Bảng 3.7 tiếp tục cung cấp dữ liệu mô phỏng tương tự nhưng với MBA đạt 120% và chưa gắn TCSC giữa hai bus này.
Bảng 3.8 Bảng kết quả tổng hợp lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 60%, 80%,
100% và 120% khi chưa gắn TCSC 69
Bảng 3.9 đến Bảng 3.12 trình bày dữ liệu mô phỏng về việc tăng các phụ tải khi MBA hoạt động ở các mức 60%, 80%, 100% và 120%, đồng thời có sự hiện diện của TCSC giữa bus 2 và bus 14 Các bảng này cung cấp thông tin chi tiết về ảnh hưởng của việc tăng tải đến hiệu suất hệ thống điện trong các điều kiện khác nhau.
Bảng 3.13 trình bày kết quả tổng hợp khi tăng các phụ tải với MBA ở các mức 60%, 80%, 100% và 120% khi lắp đặt TCSC giữa bus 2 và bus 14 Trong khi đó, bảng 3.14 so sánh giá trị công suất tác dụng giữa việc có và không có TCSC tại vị trí giữa bus 2 và bus 14.
Bảng 3.15 Bảng so sánh giá trị công suất phản kháng khi gắn TCSC và không gắn TCSC ở giửa bus 2 và bus 14 77
Bảng 3.16 Dữ liệu mô phỏng lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 60% và có gắn TCSC giữa bus 3 và bus 8 79
Bảng 3.17 trình bày dữ liệu mô phỏng khi tăng phụ tải với máy biến áp (MBA) hoạt động ở mức 80% và có gắn thiết bị điều chỉnh công suất tĩnh (TCSC) giữa bus 3 và bus 8 Bảng 3.18 cung cấp dữ liệu mô phỏng tương tự khi MBA hoạt động ở mức 100% cùng với sự hiện diện của TCSC giữa bus 3 và bus 8.
Bảng 3.19 trình bày dữ liệu mô phỏng khi tăng các phụ tải với MBA đạt 120% và có gắn TCSC giữa bus 3 và bus 8 Bảng 3.20 tổng hợp kết quả khi tăng phụ tải với MBA ở các mức 60%, 80%, 100% và 120% khi có TCSC giữa bus 3 và bus 8 Bảng 3.21 so sánh giá trị công suất tác dụng khi có và không có TCSC ở giữa bus 3 và bus 8 Bảng 3.22 cũng thực hiện so sánh giá trị công suất phản kháng trong cùng điều kiện Cuối cùng, Bảng 3.23 so sánh giá trị công suất tác dụng khi gắn TCSC từ bus 2 đến bus 8.
8 với bus 2 đến bus 14 86 Bảng 3.24 Bảng so sánh giá trị công suất phản kháng khi gắn TCSC từ bus 2 đến bus 8 và từ bus 2 đến bus 14 87
1 Lý do chọn đề tài Điện năng được sản xuất từ các dạng năng lượng khác nhau như: cơ năng của dòng nước, nhiệt năng của than đá, dầu mỏ và nhà máy điện gió… cho nên các nhà máy điện thường được xây dựng tại những nơi có các nguồn năng lượng khác nhau để đảm bảo tính kinh tế và môi trường, chính vì vậy nhà máy thủy điện Đa Nhim và nhà máy điện gió tỉnh Ninh Thuận xây dựng xa khu dân cư cho nên điện năng phải truyền đi rất xa để đến các trạm biến áp phân phối và hộ tiêu thụ Trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng đã làm tổn thất công suất khá lớn trên đường dây Công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào điện kháng đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối đường dây, hay nói cách khác có sự giới hạn công suất trên đường dây truyền tải
Trong những năm gần đây, Điện lực tỉnh Ninh Thuận đã chú trọng đến quản lý vận hành, nâng cao chất lượng điện năng của lưới truyền tải và giảm tỷ lệ tổn thất điện năng Tuy nhiên, mức giảm này vẫn còn khiêm tốn Để cải thiện tình hình, cần tiến hành khảo sát hệ số công suất và sự thay đổi của mạng lưới truyền tải, từ đó phân tích và tính toán lắp đặt thêm thiết bị bù mới hoặc điều chỉnh kịp thời các vị trí bù chưa phù hợp, nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng xuống mức thấp nhất có thể.
Với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn và điện áp cao, công nghệ thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã ra đời vào cuối thập niên 1980, giúp cải thiện khả năng điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng Nhiều giải pháp đã được triển khai nhằm giảm tổn thất, bao gồm hoán chuyển máy biến áp non tải, thay dây dẫn lớn hơn, và lắp đặt tụ bù Trong số đó, bù công suất phản kháng (CSPK) được coi là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất, đặc biệt phù hợp với điều kiện địa lý và sự phân bố dân cư đa dạng của tỉnh Ninh Thuận.
Tìm hiểu về vấn đề bù công suất phản kháng và tổn thất điện năng trong hệ thống điện
VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1 Công suất phản kháng trong hệ thống điện
Công suất phản kháng là một thành phần của điện xoay chiều trong hệ thống điện, thường được thể hiện bằng véctơ toán học hoặc dạng sóng hình sin
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện có tải là điện trở và điện kháng như sau:
Hình 1.1 Sơ đồ mạch thay thế
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp: u = Um sinωt Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ: i = Im sin (ωt – φ) hay: I = Im ( sinωt cosφ - sinφ cosωt)
Dòng điện i có thể được phân tách thành hai thành phần: i' và i" Trong đó, i' có biên độ Im cosφ và cùng pha với điện áp u, trong khi i" có biên độ Im sinφ và chậm pha với điện áp một góc π/2 Điều này cho thấy rằng i = i' + i", với i' = Im sinωt cosφ và i" = Im sinφ sin(ωt – π/2).
Công suất tương ứng với hai thành phần i' và i" là
P = U I cosφ gọi là công suất tác dụng (CSTD)
Q = U I sinφ gọi là công suất phản kháng
Từ công thức trên ta có thể viết:
Ta có thể biểu diễn quan hệ P & Q như hình dưới:
Hình 1.2 Quan hệ giữa công suất P&Q
Công suất phản kháng là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện
1.1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng:
Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu thụ rộng rãi tại nhiều thiết bị như máy biến áp, động cơ không đồng bộ và điện kháng trên đường dây tải điện Mặc dù không thể triệt tiêu hoàn toàn, công suất phản kháng cần được giảm đến mức tối thiểu vì nó là yếu tố thiết yếu để tạo ra từ trường, đóng vai trò trung gian trong quá trình chuyển hoá điện năng Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể được phân chia một cách gần đúng.
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60÷65%
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng 22÷25%
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 10%
Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chủ yếu trong lưới điện, và chế độ làm việc của nó có ảnh hưởng lớn đến giá trị tiêu thụ công suất phản kháng Đôi khi, nhu cầu công suất phản kháng còn vượt quá công suất phản kháng tối đa (CSTD) của động cơ Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ bao gồm hai thành phần: phần nhỏ công suất phản kháng dùng để tạo ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp (Q1 = m I X1) và trong mạch thứ cấp (Q2 = m I X2), với m1 là số pha.
Cos tt dm dm dm dm
P : Công suất tải thực tế của động cơ
P đm : Công suất định mức của động cơ điện
Cosφ đm : Hệ số công suất định mức của động cơ điện
I đm : Dòng điện định mức của động cơ điện ηđm : Hiệu suất động cơ theo định mức
Mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hoá của động cơ không đồng bộ cho thấy rằng phần lớn công suất phản kháng được sử dụng chủ yếu để tạo ra từ trường trong khe hở.
Hay tính theo catalog của thiết bị:
0 cos dm dm dm dm
Q I Đặc tính tĩnh của công suất phản kháng trong động cơ không đồng bộ theo điện áp tiêu thụ đặt vào động cơ biểu diễn trên hình 1-4:
U Đường cong trên hình 1-4 có dạng Q* = a0 + a1.U* + a2.U*.Ta thấy động cơ mang tải càng ít thì đặc tính càng dốc, nghĩa là Q
Hình 1.4 Đặc tính tĩnh công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ Đối với động cơ không đồng bộ thì:
- Khi điện áp tăng, sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng do mức độ từ hoá
Trang 27 tăng và tản từ tăng, do vậy việc tăng điện áp vận hành chưa đảm bảo tổn thất giảm
Đối với động cơ công suất nhỏ, việc tăng khe hở không khí giữa roto và stato sẽ dẫn đến sự gia tăng lượng tản từ, từ đó làm tăng công suất phản kháng.
- Động cơ có tốc độ thấp, hiệu suất kém thì mức độ tiêu thụ công suất phản kháng tăng
1.1.2.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng trong Máy biến áp (MBA)
Máy biến áp (MBA) tiêu thụ khoảng 20-25% tổng nhu cầu công suất phản kháng của lưới điện, thấp hơn so với nhu cầu của các động cơ không đồng bộ Mặc dù không có khe hở không khí, nhưng do số lượng thiết bị và dung lượng lớn, nhu cầu tổng công suất phản kháng của MBA vẫn rất đáng kể.
Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp bao gồm 2 thành phần: a CSPK dùng để từ hoá lõi thép:
Công suất này phụ thuộc vào tải là:
Trong đó: β : Là hệ số mang tải MBA
U N % : Là điện áp ngắn mạch %
S đm : Là dung lượng định mức máy biến áp b CSPK tản từ máy biến áp:
S đm : Là dung lượng định mức máy biến áp
I 0 % : Là dòng điện không tải tính bằng % dòng điện định mức MBA
1.1.2.3.Sự tiêu thụ công suất phản kháng ở đèn huỳnh quang
Đèn huỳnh quang thường sử dụng chấn lưu để hạn chế dòng điện, với hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ 1 dao động từ 0,3 đến 0,5 Các bộ đèn huỳnh quang hiện đại trang bị bộ khởi động điện tử, giúp hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ 1 gần bằng 1, do đó không cần hiệu chỉnh hệ số công suất Tuy nhiên, quá trình khởi động của các thiết bị này có thể tạo ra sóng hài.
Hệ số công suất của đèn:
I L : Là dòng điện qua đèn
P L : Là công suất tác dụng qua đèn
P V : Là tổn thất công suất trên chấn lưu
Hình 1.5 Bù cho đèn huỳnh quang bằng cách nối tụ điện song song
Tụ điện mắc song song để hiệu chỉnh hệ số công suất của đèn có dung lượng:
Với φ2 là góc lệch pha sau khi mắc tụ điện
1.1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện
Trong hệ thống điện, các nguồn phát công suất phản kháng bao gồm máy điện đồng bộ như máy phát điện, máy bù và động cơ đồng bộ, cùng với tụ điện tĩnh và các đường dây tải điện, bao gồm đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện.
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện thường bị hạn chế do hệ số công suất (cosφ) chỉ đạt từ 0,8 đến 0,9 hoặc cao hơn Để tiết kiệm chi phí, việc sử dụng máy điện đồng bộ và động cơ điện đồng bộ bị hạn chế, chỉ được áp dụng trong những trường hợp đặc biệt Các máy điện đồng bộ chủ yếu chỉ đáp ứng một phần nhu cầu công suất phản kháng của lưới truyền tải, trong khi phần còn lại được cung cấp bởi các tụ điện tĩnh Tụ điện tĩnh không chỉ là nguồn phát công suất phản kháng cho lưới truyền tải mà còn cho cả lưới phân phối.
Trong hệ thống điện, các đường dây, đặc biệt là đường dây siêu cao áp, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp công suất phản kháng Đối với lưới phân phối và lưới điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra chủ yếu từ các đường cáp có khối lượng lớn.
Tụ điện tĩnh là một hệ thống các đơn vị kết nối song song với phụ tải theo cấu trúc hình sao (Y) hoặc tam giác (∆), nhằm tạo ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải Việc này giúp giảm thiểu công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dây, và được gọi là bù công suất phản kháng.
Công suất phản kháng do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức:
Q C = U2.ω.C Trong đó U(V) là điện áp pha, C(F), Q(VAr) Ưu điểm:
Chi phí cho mỗi đơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ điện thấp hơn so với máy bù đồng bộ, đặc biệt là khi nhu cầu công suất phản kháng tăng cao.
Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện chỉ từ 2 đến 4W cho mỗi 1kVAr, trong khi đó, tổn thất trong máy điện đồng bộ lại lớn hơn, dao động từ 10 đến 15W cho mỗi 1kVAr, tùy thuộc vào công suất định mức của máy.
- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy điện đồng bộ
Tụ điện lắp đặt dễ dàng và có thể được phân chia thành nhiều cụm để phân bố trên lưới điện, giúp cải thiện hiệu quả đường cong phân bổ điện áp Thiết bị này không cần người giám sát, với quy trình vận hành và bảo trì đơn giản.
- Tụ điện không cho phép điều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục như máy bù đồng bộ mà dung lượng bù được điều chỉnh theo từng cấp
- Tụ điện chỉ có khả năng phát ra công suất phản kháng, mà không có khả năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù đồng bộ
Công suất phản kháng từ tụ điện phụ thuộc vào điện áp vận hành, nhưng tuổi thọ của chúng thường không cao và độ bền thấp Tụ điện dễ bị hư hỏng, đặc biệt khi gặp tình trạng ngắn mạch hoặc quá áp.
Tổng quan về vấn đề sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ FACTS
2.1 Mô hình đường dây truyền tải hệ thống điện
Mô hình đơn giản của hệ thống truyền tải điện Hai lưới điện được kết nối bằng một đường dây truyền tải được thể hiện như hình 2.1a
Giả sử rằng có tổn thất và được thể hiện bằng điện kháng XL Điện áp của hai bus V1 và V2 Góc lệch pha giữa hai bus là: δ = δ1 – δ2
Giản đồ tương ứng được trình bày trong hình 2.1b
Hình 2.1 Hệ thống truyền tải điện: (a) mô hình đơn giản;
(b) giản đồ pha (c) đường công suất – góc [4]
Biên độ của dòng điện chạy trong đường dây truyền tải:
Thành phần tác dụng và thành phần của dòng điện chạy trong bus 1:
(2.2) Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 1:
Tương tự, thành phần tác dụng và thành phần của dòng điện chạy trong bus 2:
(2.4) Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus 2:
Công suất tác dụng và công suất phản kháng, cùng với dòng điện, có thể được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát điện áp, góc pha và tổng trở của hệ thống đường dây truyền tải.
Để đánh giá tính hợp lý và tiết kiệm trong việc sử dụng điện, người ta thường xem xét hệ số công suất P Việc nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng giúp tiết kiệm điện năng hiệu quả.
Biểu thức tính toán hệ số công suất (công thức 2.6):
Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện (công suất hữu công)
Công suất phản kháng Q, mặc dù không sinh công, là yếu tố cần thiết để nhiều thiết bị như máy biến áp và động cơ hoạt động hiệu quả Do đó, trong quá trình vận hành, mục tiêu là giảm thiểu công suất phản kháng của lưới điện mà vẫn đảm bảo thiết bị hoạt động bình thường Thêm vào đó, việc truyền tải điện năng từ nơi sản xuất cũng cần xem xét đến công suất phản kháng để tối ưu hóa hiệu suất.
Để đảm bảo điện áp không bị suy giảm trên đường dây truyền tải từ các nhà máy điện như thủy điện và nhiệt điện, cần bù công suất phản kháng Công suất phản kháng có thể được cung cấp trực tiếp cho tải tiêu thụ thông qua các thiết bị như SVC và STATCOM, thay vì truyền tải một lượng lớn từ nguồn Việc lắp đặt các thiết bị này gần tải tiêu thụ giúp duy trì ổn định điện áp, một quá trình được gọi là bù công suất phản kháng.
2.3 Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng
- Giảm được tổn thất công suất trên mạng điện do giảm được công suất phản kháng truyền tải trên đường dây
- Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần kháng do CSPK gây ra
Để tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp, cần chú ý đến điều kiện phát nóng, vì khả năng này phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy qua dây dẫn và máy biến áp được xác định theo công thức cụ thể.
Biểu thức này cho thấy rằng, với cùng một trạng thái nhiệt độ ổn định của đường dây và máy biến áp (I = hằng số), khả năng truyền tải công suất tác dụng có thể được nâng cao.
Bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà các thiết bị phải tải, khả năng tải của đường dây và máy biến áp sẽ được nâng cao khi hệ số công suất được cải thiện Việc này giúp giảm lượng công suất phản kháng cần truyền tải thông qua bù công suất phản kháng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống.
2.4 Các thiết bị bù công suất phản kháng
Tụ điện tĩnh là thiết bị cho phép dòng điện chạy qua khi có điện áp đặt vào, với dòng điện này dẫn trước điện áp một góc 90 độ, từ đó tạo ra công suất phản kháng.
Trang 48 đề cập đến việc cắt tụ điện trong đường dây bằng cách sử dụng thyristor Việc điều chỉnh đóng cắt các thyristor cho phép kiểm soát dung lượng công suất phản kháng cần thiết để bù đắp.
Máy bù động bộ là động cơ đồng bộ hoạt động trong chế độ quá kích thích, thường được sử dụng ở những nơi có yêu cầu cao về chế độ bù Loại máy này chủ yếu được áp dụng trong lưới điện trung áp.
Hệ thống truyền tải điện linh hoạt FACTS đang được nhiều quốc gia phát triển áp dụng, với các thiết bị bù sử dụng linh kiện điện tử công suất lớn như GTO, IGTO và IGBT Những thiết bị này cung cấp năng lượng cần thiết để duy trì sự ổn định cho hệ thống điện FACTS bao gồm nhiều thiết bị điều khiển nhằm tối ưu hóa quá trình truyền tải điện năng, dựa trên nền tảng công nghệ điện tử công suất tiên tiến.
- Static Var Compensator (SVC) : Bộ bù Var tĩnh
- Static Synchronous Compensator (STATCOM) : Bộ bù đồng bộ tĩnh
- Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC) : Bộ bù dọc điều khiển
- Static Synchronous Series Compensator (SSSC) :Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh
- Unified Power Flow Controller (UPFC) : Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất
- High Voltage Direct Current (HVDC) : Đường dây một chiều cao áp
2.5.Khái quát sự hình thành và phát triển của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS)
Trước đây, thiết bị bù thường thiếu khả năng tự động điều chỉnh điện áp hoặc chỉ có thể điều chỉnh chậm Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điều khiển tự động và kỹ thuật điện tử công suất, đặc biệt là thyristor công suất lớn, các thiết bị bù hiện nay có khả năng điều khiển nhanh chóng Cụ thể, thiết bị bù sử dụng thyristor có thể thay đổi công suất từ 0 đến giá trị định mức trong thời gian không quá 1/4 chu kỳ tần số điện công nghiệp.
Hệ thống FACTS là công nghệ truyền tải điện xoay chiều tiên tiến, sử dụng thiết bị điện tử công suất tự động hoạt động với dòng điện và điện áp cao FACTS cho phép điều khiển bù công suất phản kháng gần như ngay lập tức, giúp ngăn chặn dao động và ổn định điện áp, đồng thời cải thiện hệ số công suất của hệ thống một cách nhanh chóng.
Việc phát triển hệ thống điện cần dựa trên dự báo phụ tải, nhưng trong thực tế, sự cân bằng giữa cung và cầu không phải lúc nào cũng được duy trì, dẫn đến tình trạng quá tải Hệ thống điện bị giới hạn bởi các yếu tố như nhiệt độ, điện dung và độ ổn định, do đó việc điều khiển hợp lý là cần thiết để tối ưu hóa khả năng tải của đường dây Sử dụng thiết bị FACTS sẽ giúp cải thiện hiệu quả vận hành hệ thống điện, nâng cao khả năng tải của đường dây và đáp ứng yêu cầu cung cấp điện an toàn, tin cậy, đặc biệt ở những khu vực có nhu cầu cao.
2.6 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS
Sử dụng thiết bị FACTS có các ưu điểm sau:
- Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn
- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu
- Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt
- Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống
Giá thành cao của các thiết bị FACTS đang là một thách thức lớn đối với khả năng tài chính của nước ta Vì vậy, việc nghiên cứu và áp dụng thiết bị FACTS cần được thực hiện với sự phân tích kỹ lưỡng các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, nhằm lựa chọn giải pháp phù hợp nhất.
2.7 Phân loại thiết bị FACTS
2.7.1 Thiết bị bù ngang (Shunt Devices ):
Thiết bị bù TCSC
ỨNG DỤNG TCSC TRONG LƯỚI ĐIỆN TỈNH NINH
Ứng dụng phần mềm PowerWorld giúp tính toán tổn thất công suất và khảo sát vị trí lắp đặt tối ưu cho thiết bị TCSC, nhằm giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới điện truyền tải tại tỉnh Ninh Thuận.
3.2 Giới thiệu phần mền PowerWorld Simulator
PowerWorld Simulator (PW) là một phần mềm chuyên dụng cho thiết kế và mô phỏng lưới điện, cho phép tính toán trào lưu công suất cho hệ thống lên đến 100.000 thanh cái Chương trình cung cấp kết quả mô phỏng qua hình ảnh đồ họa màu sắc, giúp người thiết kế dễ dàng hình dung hệ thống sơ đồ đơn giản với đầy đủ các chế độ hoạt động PW thực hiện đầy đủ chức năng của các phần tử trong hệ thống điện, đáp ứng nhu cầu xây dựng và mô phỏng các quá trình truyền tải điện một cách chính xác và hiệu quả.
3.3 Hiện trạng lưới điện truyền tải Ninh Thuận
Hình 3.1: Nhà máy thủy điện Đa Nhim
Nhà máy thủy điện Đa Nhim, công trình thủy điện đầu tiên của Việt Nam, được xây dựng trên sông Đa Nhim, khai thác tiềm năng thủy điện của hệ thống sông Đồng Nai Nằm ở ranh giới giữa tỉnh Lâm Đồng và Ninh Thuận, nhà máy được chia thành hai giai đoạn phát triển.
Hình 3.2: Sơ đồ thực tế lưới điện truyền tải của tỉnh Ninh Thuận
Nhà máy thủy điện Đa Nhim, được khởi công vào tháng 1 năm 1962 và hoàn thành vào tháng 12 năm 1964, có tổng công suất thiết kế lắp đặt đạt 160 MW.
Nhà máy có 4 tổ máy, sản xuất điện lượng bình quân hàng năm khoảng 1 tỷ kWh Tuy nhiên, theo thời gian, các thiết bị và đường dây của nhà máy cũ đã dần trở nên lạc hậu, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của nó.
Nhà máy Thủy điện Đa Nhim hiện hoạt động với công suất thiết kế tối đa và sẽ mở rộng tại xã Lâm Sơn, huyện Ninh Sơn, tỉnh Ninh Thuận Dự án mở rộng bao gồm việc xây dựng một tổ máy có công suất 80MW, với sản lượng điện trung bình hàng năm dự kiến đạt 57,2 GWh Thời gian thực hiện dự án dự kiến bắt đầu từ tháng 01/2018 và hoàn thành vào tháng 5/2021.
3.4 Cơ sở lựa chọn vị trí đặt TCSC lưới điện truyền tải tỉnh Ninh Thuận
Việc lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị TCSC cần được nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm giảm thiểu tổn thất công suất và đảm bảo ổn định điện áp Các bước thực hiện quy trình này bao gồm việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng và xác định vị trí tối ưu.
Để đảm bảo vận hành hiệu quả, cần phân chia công suất nguồn Q hợp lý nhằm duy trì độ dự trữ cần thiết cho ổn định điện áp Việc đảm bảo dự trữ nóng cho công suất phản kháng là rất quan trọng, có thể thực hiện thông qua kích từ và các tụ bù ngang Nhân viên điều phối cần nhận diện chính xác các tình huống mất ổn định và thực hiện các biện pháp kịp thời như điều khiển Q và cắt tải để duy trì sự ổn định của hệ thống.
Lựa chọn TCSC để bù công suất cho lưới điện tỉnh Ninh Thuận là giải pháp hiệu quả trong cả hai tình huống: khi phụ tải hoạt động bình thường và khi xảy ra tình trạng quá tải trên lưới điện Việc áp dụng công nghệ TCSC giúp cải thiện độ ổn định và hiệu suất của hệ thống điện, đảm bảo cung cấp điện năng liên tục và đáng tin cậy cho người dân và các doanh nghiệp trong khu vực.
Khi lắp đặt TCSC, việc lựa chọn vị trí dựa trên đường dây dài và công suất lớn là rất quan trọng, nhằm khảo sát và đánh giá chính xác vị trí lắp đặt tối ưu trên lưới điện tỉnh Ninh Thuận.
Việc lắp đặt TCSC tại vị trí tối ưu là rất cần thiết để giảm tổn thất công suất trên lưới điện, đặc biệt cho tỉnh Ninh Thuận.
3.5 Mô hình hệ thống điện Ninh Thuận
Dựa trên thông số của hệ thống điện Ninh Thuận, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng hệ thống này trong môi trường PowerWorld, được thể hiện trong hình 4.3.
Hình 3.3 Sơ đồ lưới điện truyền tải Tỉnh Ninh Thuận được mô phỏng trên phần mềm PowerWorld Simulation
Dựa trên mô hình mô phỏng đã xây dựng và các dữ liệu từ bảng 3.1, 3.2 và 3.3, chúng tôi tiến hành mô phỏng để tính toán tổn hao trong hệ thống khi thay đổi các điều kiện vận hành, nhằm xác định vị trí tối ưu để lắp đặt TCSC Dưới đây là một số kết quả nghiên cứu từ các trường hợp giả định đã được thực hiện.
Bảng 3.1 Dữ liệu công suất phát của máy phát
Tên máy phát Công suất phát
NM Thủy Điện Đa Nhim 160 200
Bảng 3.2 Dữ liệu của máy Biến Áp
STT MÁY BIẾN ÁP Công suất
Bảng 3.3 Dữ liệu điện áp và tải lấy theo thực tế
STT Tên tải Điện áp (kV) Công suất P (MW)
3.6 Các bước tiến hành mô phỏng và kết quả đạt được:
Trường hợp 1 : Tăng giá trị các phụ tải khi máy biến áp bằng 60%, 80%, 100% và 120% khi không có TCSC
Kết quả mô phỏng cho trường hợp máy biến áp hoạt động với 60% tải mà không có TCSC được trình bày trong hình 3.4 Bảng 3.4 cũng cung cấp thông tin về các thông số điện áp và công suất liên quan.
Các hình từ 3.5 đến 3.7 minh họa các trường hợp thay đổi phụ tải máy biến áp ở mức 80%, 100% và 120% Thông số điện áp và công suất tương ứng với các mức phụ tải này được trình bày chi tiết trong các bảng 3.5 đến 3.7.
Hình 3.4 Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 60%và không có TCSC giữa bus 2 và bus 14
Bảng 3.4 Dữ liệu mô phỏng lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 60%và không có TCSC giữa bus 2 và bus 14
TẢI TẢI MÁY PHÁT Độ Lớn
(deg) MW MVar MW MVar
Hình 3.5 Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 80% và không có TCSC giữa bus 2 và bus 14
Bảng 3.5 Dữ liệu mô phỏng tăng các phụ tải khi MBA bằng 80% và không có
TCSC giữa bus 2 và bus 14
TÊN BUS ĐIỆN ÁP BUS
TẢI TẢI MÁY PHÁT Độ Lớn
(deg) MW MVar MW MVar
Hình 3.6 Kết quả lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 100% và không gắn
TCSC giữa bus 2 và bus 14
Bảng 3.6 Dữ liệu mô phỏng lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 100% và không gắn TCSC giữa bus 2 và bus 14
TÊN BUS ĐIỆN ÁP BUS
TẢI TẢI MÁY PHÁT Độ Lớn
(deg) MW MVar MW MVar
Hình 3.7.Kết quả tăng các phụ tải khi MBA bằng 120% và không gắn TCSC giữa bus 2 và bus 14
Bảng 3.7 Dữ liệu mô phỏng lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 120% và chưa gắn TCSC giữa Bus 2 và bus 14
TÊN BUS ĐIỆN ÁP BUS
TẢI TẢI MÁY PHÁT Độ Lớn
(deg) MW MVar MW MVar
Bảng 3.8 Bảng kết quả tổng hợp lúc tăng các phụ tải khi MBA bằng 60%, 80%,
100% và 120% khi chưa gắn TCSC
GIÁ TRỊ % CỦA MÁY BIẾN ÁP KHI TĂNG CÁC
VỊ TRÍ LẮP TCSC TẠI (BUS 2 ĐẾN BUS 14)
TỔNG GIÁ TRỊ TỔN HAO HỆ THỐNG
Công Suất Tác Dụng (MW)
Công Suất Phản Kháng (Mvar)
