Thời gian gần đây, với việc lắp đặt các hệ thống ĐMTMN rãi rác, đã ảnh hưởng không nhỏ đến việc vận hành bù công suất phản kháng trên lưới trung thế: khi không có các hệ ĐMTMN thì công s
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG THẾ
Cấu trúc và đặc điểm của lưới điện trung thế
2.1.1 Định nghĩa lưới điện trung thế:
Lưới điện trung thế là một phần của hệ thống điện, thực hiện nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải Lưới điện trung thế là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng [1][2] Tính đến nay lưới điện trung thế đã phủ rộng khắp trên cả nước, tuy nhiên vẫn còn một số khu vực có địa hình khó khăn (miền núi, hải đảo, …) vẫn chưa được sử dụng nguồn điện lưới quốc gia mà người dân ở đó vẫn phải dùng điện từ các nguồn thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel và gần đây là các hệ thống điện mặt trời tích trữ
2.1.2 Đặc điểm của lưới điện trung thế:
Lưới điện trung thế được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất khá lớn Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên lưới điện trung thế vào khoảng 4% [2][3]
Vấn đề tổn thất điện năng trên lưới điện trung thế liên quan chặt chẽ đến các yếu tố kỹ thuật của lưới điện từ khâu thiết kế đến khâu vận hành Do đó, từ cơ sở các số liệu về thông số lưới điện, tổn thất điện năng có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của lưới điện trung thế
Lưới điện trung thế thời gian qua đã và đang được đầu tư phát triển rất mạnh mẽ, các Công ty Điện lực được phân cấp nhiều hơn về quản lý Vì vậy, chất lượng vận hành của lưới điện trung thế được nâng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm tuy nhiên vẫn còn tương đối cao
2.1.2.1 Phân loại lưới điện trung thế:
Lưới điện trung thế chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung thế/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung thế [1][2]
Phân loại lưới điện trung thế trung thế theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: lưới trung thế khu vực thành thị, lưới trung thế khu vực nông thôn, lưới trung thế xí nghiệp
- Theo thiết bị dẫn điện: lưới trung thế trên không, lưới trung thế cáp ngầm
- Theo cấu trúc, hình dạng: lưới hở (hình tia) có phân đoạn hoặc không phân đoạn; lưới kín (có mạch vòng) vận hành hở
2.1.2.2 Vai trò của lưới điện trung thế:
Lưới điện trung thế làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm biến áp trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện
Lưới điện trung thế được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo khả năng có thể nhận điện từ một hoặc nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ sử dụng điện Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải, đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp, … trong giới hạn cho phép
Lưới điện trung thế có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện khi:
- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng cung cấp điện theo kế hoạch trên lưới điện phân phối Mỗi sự cố trên lưới điện trung thế đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội
- Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải
- Tỷ lệ tổn thất điện năng khá lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên lưới điện trung thế và tổn thất kinh doanh cũng xảy ra ở khu vực này
- Lưới điện trung thế gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng
2.1.2.3 Các phần tử chính của lưới điện trung thế:
Các phần tử chủ yếu trong lưới điện trung thế bao gồm [2][3]:
- MBA trung gian và MBA phân phối
- Thiết bị dẫn điện: Đường dây tải điện
- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, aptomat, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch
- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao
- Thiết bị đo lường: Công tơ đo đếm điện năng ( đo công suất tác dụng và công suất phản kháng), đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường
- Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù
- Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch,
- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện,
Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt ) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật
Những phần tử có dòng công suất đi qua (gồm: MBA, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng điện, tụ bù ) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số vận hành (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính toán chế độ làm việc của lưới điện trung thế
Tiêu chí kỹ thuật trong vận hành lưới điện trung thế
Công trình điện phải được thiết kế, xây dựng và vận hành bảo đảm yêu cầu chất lượng theo quy đinh về điện áp, tần số, hệ số công suất, sóng hài, sự nhấp nháy của điện áp, dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố [1][4]
- Điện áp danh định (định mức): Các cấp điện áp danh định của lưới điện trung thế bao gồm 35kV, 22kV, 15kV, 10kV và 6kV
- Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định như sau:
+ Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là ±5%;
+ Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%
Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và -10% so với điện áp danh định
Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng ±10% so với điện áp danh định Điện áp tăng cao sẽ uy hiếp cách điện đồng thời làm giảm tuổi thọ của các thiết bị (ví dụ điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50%) Ngược lại, điện áp giảm sẽ làm giảm công suất và gây ra hiện tượng quá nhiệt của thiết bị (ví dụ điện áp giảm 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, công suất động cơ giảm và tốc độ quay giảm,…)
Trong đó, độ lệch điện áp trên cực của các thiết bị điện so với điện áp định mức được tính toán theo biểu thức sau với U là điện áp thực tế trên cực thiết bị điện
Tại đầu nguồn, điện áp thường lớn hơn định mức nên độ lệch điện áp dương do điều chỉnh tăng áp của máy phát hay máy biến áp Ngược lại, ở cuối đường dây độ lệch điện áp âm do tổn hao lớn trên đường dây truyền tải Biến thiên độ lệch điện áp trong lưới điện được trình bày như Hình 2.8
Hình 2.8 Biến thiên điện áp trong lưới điện
Hệ số công suất có ảnh hưởng lớn đến tổn thất công suất và điện áp trong lưới điện bởi nó phản ánh lượng công suất phản kháng truyền tải trên hệ thống
Hiện tại, các tiêu chí đối với hệ số công suất đối với lưới trung thế yêu cầu theo [5] phải luôn đảm bảo các phát tuyến 22kV tại trạm biến áp 110kV có hệ số công suất cosφ ≥ 0,98
Tần số danh định của hệ thống điện quốc gia là 50Hz với độ lệch được quy định trong [1][4] như sau:
- Trong chế độ vận hành bình thường của hệ thống điện, tần số được phép dao động từ 49,8Hz đến 50,2Hz
- Trong trường hợp sự cố đơn lẻ được phép dao động từ 49,5Hz đến 50,5Hz
- Trong trường hợp hệ thống điện quốc gia bị sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc trong trạng thái khẩn cấp, cho phép tần số hệ thống điện dao động trong khoảng từ 47Hz cho đến 52Hz
Tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) được xác định là tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của sóng hài và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng phần trăm như (2.2) Trong đó, Ui là thành phần điện áp của sóng hài bậc i, U1 là thành phần điện áp của tần số cơ bản (50Hz)
Tổng độ méo sóng hài của điện áp ở điểm nối bất kỳ không được vượt quá những giá trị giới hạn cho trong Bảng 2.1 [1][4]
Bảng 2.1 Độ biến dạng sóng hài điện áp
TT Cấp điện áp Tổng độ méo sóng hài (%) Độ méo riêng lẻ (%)
2.2.5 Sự nhấp nháy điện áp
Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst) được xác định bằng phương pháp đo sử dụng thiết bị đo chuyên dùng trong khoảng thời gian là 10 phút Pst95% là ngưỡng giá trị của Pst sao cho trong khoảng 95% thời gian đo và 95% số vị trí đo Pst không vượt quá giá trị này Mức nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) được xác định từ 12 kết quả đo Pst liên tục (trong khoảng thời gian 2 giờ) theo biểu thức sau:
Trong điều kiện bình thường, giá trị độ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối bất kỳ không được vượt quá giá trị giới hạn cho trong bảng sau [1][4]
Bảng 2.2 Giới hạn độ nhấp nháy điện áp
TT Điện áp Mức nhấp nháy cho phép
Cho phép đỉnh nhọn điện áp bất thường trên lưới điện phân phối trong thời gian ngắn vượt quá tổng mức biến dạng sóng hài quy định trong bảng trên, nhưng không được gây hư hỏng thiết bị của khách hàng sử dụng lưới điện phân phối
2.2.6 Dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố:
Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố của hệ thống điện được quy định trong bảng sau [1][4]:
Bảng 2.3 Dòng ngắn mạch lớn nhất cho phép và thời gian loại trừ sự cố
TT Điện áp Dòng ngắn mạch lớn nhất (kA)
Thời gian loại trừ sự cố (ms)
Thời gian chịu đựng của thiết bị (s)
Trường hợp một số khu vực trong hệ thống điện có dòng ngắn mạch lớn nhất lớn hơn mức quy định trong Bảng 2.3 thì phải có biện pháp giảm đến mức quy định Trường hợp không thể giảm được đến mức quy định thì phải được chấp thuận của cơ quan quản lý nhà nước có thẩm quyền.
Cấu trúc và đặc điểm của điện mặt trời mái nhà nối lưới
2.3.1 Cấu trúc của điện mặt tời mái nhà nối lưới:
Cấu trúc điển hình của điện mặt trời mái nhà nối lưới được thể hiện trong Hình 2.9
Các tấm pin năng lượng mặt trời chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều (DC) Dòng điện DC đó sẽ được chuyển hóa thành dòng điện xoay chiều (AC) bởi Inverter được trang bị thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) nhằm tối ưu hóa năng lượng tạo ra từ hệ thống pin mặt trời Nguồn điện AC từ hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ được kết nối với tủ điện chính của khu vực lắp đặt, hòa đồng bộ vào lưới điện hiện hữu, cung cấp điện năng song song với nguồn điện lưới, giúp giảm điện năng tiêu thụ từ lưới của khu vực sử dụng Khi điện lưới bị mất, Inverter sẽ nhanh chóng ngắt kết nối với lưới điện Điều này đảm bảo chắc chắn trong trường hợp lưới mất điện, hệ thống pin năng lượng mặt trời không phát vào lưới điện gây nguy hiểm cho nhân viên sửa chữa Chức năng này gọi là anti-islanding
Hình 2.9 Hệ thống điện mặt trời mái nhà nối lưới Cấu hình của một hệ thống điện mặt trời mái nhà nối lưới bao gồm:
- Tấm pin năng lượng mặt trời
- Thiết bị đo đếm và bảo vệ
Tấm pin mặt trời biến đổi quang năng hấp thụ từ mặt trời để biến thành điện năng
Có khả năng kết nối thành các trạm điện mặt trời công suất lớn không hạn chế, có thể hòa lưới (grid), hoặc hoạt động độc lập như 1 hệ thống backup điện
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m² đến mặt đất (khi mặt trời đứng bóng và quang mây, ở mực nước biển)
Công suất và điện áp của một hệ thống sẽ phụ thuộc và cách chúng ta nối ghép các tấm pin Panel mặt trời lại với nhau
Các tấm pin Panel mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời để có thể hứng được ánh nắng tốt nhất từ mặt trời nên được thiết kế với những tính năng và chất liệu đặc biệt, có thể chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ…
Bảng 2.4 Thông số các loại tấm pin khác nhau
Thông số Đơn tinh thể Mạng tinh thể a - Si CdTe CIGS
Diện tích bề mặt hệ thống
Nhiệt độ vận hành binh thường
Giảm công suất theo năm
Kinh-EVA tế bào quang điện
Kinh-EVA tế bào quang điện - Tedlar
Kinh - EVA tế bào quang điện - kính
Kinh - EVA tế bào quang điện - kính
Kinh - EVA tế bào quang điện - kính
Hệ thống pin mặt trời biến đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều, vì vậy cần phải có các bộ biến đổi điện một chiều từ pin mặt trời thành điện xoay chiều để đấu nối vào hệ thống lưới điện Các bộ Inverter này được sử dụng để đạt được nguồn điện xoay chiều ở điện áp được sử dụng trong lưới chính mặc dù có sự thay đổi liên tục, trong đó tín hiệu điện lưới được sử dụng để đồng bộ hóa Inverter với lưới Ngoài ra, hiện nay các bộ Inverter này thường bao gồm các giao diện ghi dữ liệu giám sát cơ bản/tinh vi và cũng có cả chức năng “test”
Hệ thống đo đếm đối với các nguồn điện mặt trời máy nhà tương tự như nguyên lý hoạt động của các công tơ đo đếm hiện nay, tuy nhiên được cài đặt chiều giao công suất để ghi nhận sản lượng bán (nếu có)
Hình 2.11 Đo đếm đối với các hệ thống điện mặt trời mái nhà
2.3.2 Các đặc điểm của hệ thống điện mặt trời mái nhà:
Hệ thống pin mặt trời nói chung, hay hệ thống điện mặt trời mái nhà nối lưới nói riêng, không thể sản xuất điện liên tục được, nó hoạt động chỉ khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào những tấm pin
Nguồn điện AC từ hệ thống pin năng lượng mặt trời sẽ được kết nối với tủ điện chính của khu vực lắp đặt, hòa đồng bộ vào lưới điện hiện hữu, cung cấp điện năng song song với nguồn điện lưới, giúp giảm điện năng tiêu thụ từ lưới của khu vực sử dụng Khi điện lưới bị mất, Inverter sẽ nhanh chóng ngắt kết nối với lưới điện để đảm bảo an toàn trong sửa chữa lưới điện.
Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà lên phụ tải lưới điện trung thế
Hệ thống điện vận hành bình thường theo cơ chế truyền công suất từ nguồn đến tải tiêu thụ Do việc tích hợp lượng lớn điện mặt trời mái nhà lên lưới nên dẫn đến trào lưu công suất thay đổi Các hệ thống điện mặt trời mái nhà sẽ đáp ứng nhu cầu phụ tải tại chỗ, giảm nhu cầu nhận công suất từ lưới điện, làm thay đổi lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng của các tải tiêu thụ so với trước đó tùy thuộc vào thông số bức xạ mặt trời tại từng thời điểm Thể hiện cụ thể:
Hình 2.12 Đo đếm đối với các hệ thống điện mặt trời mái nhà tạo nên phụ tải mới Như vậy, dưới sự ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà lên phụ tải tiêu thụ, đã hình thành một phụ tải mới với các giá trị công suất tác dụng, công suất phản kháng và góc phi khác so với phụ tải ban đầu khi chưa đấu nối điện mặt trời mái nhà.
Đặc tính phụ tải của lưới điện trung thế bao gồm điện mặt trời mái nhà
2.5.1 Phụ tải và đồ thị phụ tải:
Phụ tải điện là căn cứ để tính toán thiết kế cũng như vận hành HTĐ như chọn các thiết bị điện, tính toán tổn thất công suất, tổn thất điện áp, tính và chọn các rơle bảo vệ Phụ tải điện là một hàm biến đổi theo thời gian phụ thuộc vào nhu cầu của khách hàng và vì vậy chúng không tuân thủ theo một quy luật nhất định
Xác định được phụ tải chính xác cho phép tính toán thiết kế và vận hành HTĐ đáp ứng được yêu cầu thực tiễn của khách hàng sử dụng điện Vì vậy, việc xác định và dự báo phụ tải nói chung và đồ thị phụ tải nói riêng là số liệu quan trọng trong việc thiết kế cũng như vận hành HTĐ
Trước tầm quan trọng đối với việc xác định đúng phụ tải, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm xác định được phụ tải tính toán sát nhất với phụ tải thực tế và đã có nhiều phương pháp được áp dụng Các phương pháp xác định phụ tải được chia thành hai nhóm:
- Nhóm phương pháp dựa trên kinh nghiệm vận hành, thiết kế và được tổng kết lại bằng các hệ số tính toán (đặc điểm của nhóm phương pháp này là: thuận lợi nhất cho việc tính toán, nhanh chóng đạt kết quả, nhưng thường cho kết quả kém chính xác)
- Nhóm phương pháp dựa trên cơ sở của lý thuyết xác suất và thống kê (có ưu điểm cho kết quả khá chính xác, song cách tính lại rất phức tạp)
Sự thay đổi của phụ tải theo thời gian có thể được biểu diễn bằng các giá trị tức thời hay lấy theo giá trị trung bình của phụ tải trong khoảng thời gian được xét được gọi là đồ thị phụ tải và được phân thành: i) Đồ thị phụ tải hàng ngày, ví dụ như Hình 2.13; ii) Đồ thị phụ tải hàng tháng; iii) Đồ thị phụ tải hàng năm… Ngoài ra, đồ thị phụ tải điện được phân loại theo đại lượng đo gồm: i) Đồ thị phụ tải tác dụng P(t); ii); Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t); iii) Đồ thị điện năng A(t) Đồ thị phụ tải chỉ biểu diễn được giá trị trung bình của tải theo thời gian mà không phản ánh được chính xác sự thay đổi của phụ tải trong mỗi khoảng thời gian vận hành Điều này dẫn đến sai số lớn trong tính toán thông số chế độ của hệ thống
Hình 2.13 Đồ thị phụ tải
2.5.2 Tính ngẫu nhiên của phụ tải điện bao gồm điện mặt trời mái nhà:
Phụ tải điện truyền thống luôn thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhu cầu của khách hàng, điều kiện thời tiết Bên cạnh đó, các hệ thống điện mặt trời mái nhà chịu ảnh hưởng của điều kiện bức xạ mang tính ngẫu nhiên, do vậy khi xét phụ tải điện có bao gồm điện mặt trời mái nhà (phụ tải mới) cũng mang tính ngẫu nhiên Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thay đổi của phụ tải mang tính ngẫu nhiên và nhiều mô hình biểu diễn thay đổi của phụ tải theo các mô hình xác suất đã được giới thiệu trong những nghiên cứu gần đây [6][7] Mô hình được sử dụng phổ biến là mô hình xác suất của phụ tải được phân bố theo hàm mật độ xác suất chuẩn và được biểu diễn như biểu thức (2.4)
Trong đó: là giá trị trung bình của đại lượng ngẫu nhiên x, là độ lệch chuẩn và 2 là phương sai
Vì vậy, việc tính toán các bài toán trong hệ thống điện nói chung và lưới trung thế nói riêng theo thông số tải không đổi sẽ gặp sai số lớn.
Ảnh hưởng của đặc tính phụ tải lưới điện trung thế bao gồm điện mặt trời mái nhà đến hệ số công suất lưới điện
Với việc ảnh hưởng đến công suất tác dụng và công suất phản kháng tại phụ tải tiêu thụ khi lắp đặt các hệ thống điện mặt trời mái nhà dẫn đến hệ số công suất cosφ của phụ tải thay đổi làm ảnh hưởng đến hệ số cosφ của cả tuyến dây có phụ tải lắp điện mặt trời mái nhà đấu nối Sự thay đổi này chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời cũng như tính ngẫu nhiên của phụ tải điện như ở Hình 2.14 a) Phụ tải khi chưa có điện mặt trời mái nhà b) Công suất P, Q phát của điện mặt trời mái nhà c) Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà lên phụ tải d) Phụ tải mới được hình thành do sự ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà
Hình 2.14 Phụ tải mới sinh ra do ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà
Kết luận
Chương này đã giới thiệu tổng quan về lưới điện trung thế về đặc điểm và cấu trúc Yêu cầu về chất lượng điện năng, tổn thất công suất và điện áp trong lưới điện trung thế cũng được trình bày Đặc điểm của tải trong lưới điện trung thế được trình bày và phân tích, từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phụ tải đảm bảo yêu cầu về độ chính xác mà giảm được khối lượng tính toán các thông số, chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện trung thế
Sự thay đổi của phụ tải phụ thuộc vào yếu tố như nhu cầu của khách hàng, thời tiết,… đi đôi với ảnh hưởng của bức xạ mặt trời lên các hệ thống điện mặt trời mái nhà ảnh hưởng đến phụ tải nhận từ lưới Phương pháp biểu diễn sự thay đổi của phụ tải theo mô hình xác xuất được lựa chọn để tính toán trong các chương sau.
BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐẢM BẢO HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUNG THẾ
Khái niệm về công suất phản kháng
Một mạch điện có tải là điện trở R và điện kháng X được cung cấp bởi điện áp: u = Um.sinωt như Hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ và tham số của mạch điện Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ và được tính như sau:
Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần i' có biên độ là Im.cosφ và cùng pha với điện áp u và thành phần i" có biên độ là Im.sinφ và chậm pha so với điện áp một góc 𝜋
Từ hai thành phần i' và i", tính công suất tương ứng là:
P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng (3.3)
Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng (3.4) Theo tam giác công suất Hình 3.2 có thể viết công thức công suất như sau:
𝑍 = 𝑋 𝐼 2 Vậy CSPK của một nhánh bất kỳ nói lên cường độ của quá trình dao động năng lượng của nhánh đó Tổng hợp của CSTD và CSPK gọi là công suất biểu kiến và được tính như biểu thức (3.5) và có thể biểu diễn mối quan hệ giữa S, P và Q trong tam giác công suất như Hình 3.2
Hình 3.2 Tam giác công suất
Như vậy, các phần tử mang điện cảm hay điện dung trong mạng điện liên quan đến công suất phản kháng Vì vậy, Q = I 2 X = I 2 (ωL - ωC) = QL - QC và do đó các phần tử có tính cảm (chứa từ trường) tiêu thụ công suất phản kháng còn các phần tử có tính dung (chứa điện trường) phát công suất phản kháng
3.1.2 Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện:
Trong hệ thống điện luôn có phần tử tiêu thụ và nguồn phát CSPK Phần tử tiêu thụ là máy biến áp, động cơ không đồng bộ, trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường Yêu cầu công suất phản kháng chỉ có thể giảm tối thiểu chứ không triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian trong quá trình chuyển hóa điện năng Tiêu thụ cầu công suất phản kháng trong các phần tử như sau:
- Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 70-80%
- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 5%
Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, cosφ
= 0,8 – 0,85 Vì vậy, các máy phát chỉ đảm bảo cung cấp một phần yêu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại phải được cung cấp bởi các nguồn công suất phản kháng đặt thêm tức là nguồn công suất bù
Từ phân tích trên cho thấy, việc đáp ứng công suất phản kháng cho phụ tải có thể đảm bảo bằng 2 phương pháp:
- Giảm công suất tiêu thụ công suất phản kháng của phụ tải Ví dụ như các xí nghiệp công nghiệp, đảm bảo cosφ của họ ở mức cho phép
- Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng Để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện phải thực hiện bù được gọi là cưỡng bức hay bù kỹ thuật Vì vậy, khi hệ thống điện thiếu công suất phản kháng thì việc bù kỹ thuật là bắt buộc, gọi là bù cưỡng bức Tuy nhiên, sau khi bù cưỡng bức, một lượng công suất phản kháng đáng kể vẫn truyền tải trong lưới phân phối trung thế gây ra tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện năng khá lớn
Do đó, để giảm tổn thất này có thể thực hiện bù kinh tế
Bù kinh tế chỉ được thực hiện khi nó thực sự mang lại lợi ích, nghĩa là lợi ích kinh tế mà nó mang lại phải lớn hơn chi phí vận hành và lắp đặt trạm bù Trong các xí nghiệp công nghiệp lượng công suất phản kháng phải bù cưỡng bức để đảm bảo cosφ cũng được phân phối hợp lý nhằm giảm tối đa tổn thất điện năng
3.1.3 Hệ số công suất và quan hệ với bù công suất phản kháng:
Giả thiết, một phụ tải có tổng trở Z = R + jX được cung cấp bởi điện áp U Dòng điện chạy vào tải đó được tính theo biểu thức sau
Trong đó: IR là thành phần tác dụng cùng pha với điện áp; IX là thành phần phản kháng trễ pha với điện áp là 𝜋 / 2 Góc giữa U và I là φ như biểu diễn trên Hình 3.3
Hình 3.3 Giản đồ vector dòng điện Lấy góc pha điện áp bằng 0, dòng điện là 𝐼̇ = 𝐼 𝑅 − 𝑗𝐼 𝑋 và công suất biểu kiến được xác định theo biểu thức:
𝑆 𝑈̇ 𝐼̂ 𝑈( 𝐼 𝑅 – 𝑗𝐼 𝑋 ) = 𝑃 – 𝑗𝑄 (3.7) Như vậy công suất biểu kiến S có hai thành phần: Thành phần thực P và thành phần phản kháng Q, quan hệ giữa S, P và Q như Hình 3.2
𝑆 và được gọi là hệ số công suất Trong đó:
P = S.cosφ và Q = S.sinφ; Tỷ số Q/P = sinφ/cosφ = tgφ
Như vậy, hệ số công suất liên quan với tỉ lệ công suất phản kháng trong công suất tiêu thụ tổng hợp của phụ tải Phụ tải có cosφ càng thấp thể hiện nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng càng nhiều và ngược lại
Khi phân tích chế độ hệ thống điện, phụ tải thường được hiểu là công suất tiêu thụ tổng nhận từ nút thanh cái cung cấp (là công suất tiêu thụ của tập hợp các thiết bị dùng điện nối vào thanh cái) Khi đó, để giảm lượng CSPK nhận từ nút cung cấp, có thể đặt các tụ bù nối vào thanh cái (hiểu như một thành phần phụ tải tổng hợp) Giả thiết, tải tiêu thụ ban đầu là S1 = Pđm + jQđm và lúc này hệ số công suất là 𝑐𝑜𝑠𝜑 1 𝑃 đ𝑚
Lắp đặt thiết bị bù, bù một lượng công suất phản kháng là Qb Khi đó:
S2 = Pđm + j(Qđm - Qb) và hệ số công suất 𝑐𝑜𝑠𝜑 2 = 𝑃 đ𝑚
Dễ dàng nhận thấy là cosφ2 > cosφ1 hay thiết bị bù đặt tại thanh cái phụ tải có thể nâng cao hệ số công suất tiêu thụ
Hệ số công suất của phụ tải cũng có thể nâng cao bằng cách sử dụng các động cơ tiêu thụ ít công suất phản kháng (dùng động cơ đồng bộ thay cho không đồng bộ) hoặc dùng biến tần để điều chỉnh công suất khi tốc độ động cơ thay đổi
Tính toán bù công suất phản kháng
Bù công suất phản kháng mang lại nhiều lợi ích cho lưới điện trung thế như giảm chi phí đầu tư đường dây và các thiết bị đóng cắt do giảm dòng truyền tải trên hệ thống, cải thiện độ lệch điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng, tuỳ mục đích cụ thể mà chia ra 2 giải pháp bù công suất phản kháng:
- Bù kỹ thuật để nâng cao điện áp vận hành bởi khi thiếu công suất phản kháng điện áp sẽ thấp Nếu công suất phản kháng nguồn thiếu thì bù công suất phản kháng cưỡng bức là cách duy nhất Trường hợp nguồn có khả năng cung cấp công suất phản kháng thì bù công suất phản kháng là một giải pháp nâng cao điện áp do giảm được tổn thất, cạnh tranh với các biện pháp khác như là tăng tiết diện dây hay điều áp dưới tải,…
- Bù kinh tế để giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng đồng thời nâng cao cosφ Giải pháp này nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống đồng thời nâng cao điện áp vận hành Hàm mục tiêu của bài toán bù kinh tế có thể là cực tiểu chi phí tổn thất điện năng hoặc tổng đại số của các yếu tố lợi ích và chi phí được tính toán thành tiền Các yếu tố không thể lượng hoá được và các tiêu chuẩn kỹ thuật thì được thể hiện bằng các ràng buộc và hạn chế
3.2.2 Thiết bị bù công suất phản kháng
Nhiều thiết bị bù đã được nghiên cứu và giới thiệu trong các nghiên cứu trước đây như máy phát và máy bù đồng bộ, tụ điện tĩnh Static Var Compensater – SVC [9][10][11][12]…
3.2.2.1 Máy phát và máy bù đồng bộ
Khả năng phát công suất phản kháng của máy phát trong các nhà máy điện bị hạn chế do cosφ của các máy phát từ 0,8-0,85 và vì lý do kinh tế các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại phải được đảm bảo bằng các thiết bị bù Hơn nữa, công suất phản kháng được cung cấp từ máy phát nguồn phải truyền tải để cung cấp cho các phụ tải ở cuối đường dây nên gây tổn thất lớn trên các phần tử của hệ thống Ngược lại, máy bù đồng bộ có thể làm việc cả ở chế độ quá kích thích và thiếu kích thích Khi quá kích thích các máy bù đồng bộ phát công suất phản kháng bằng công suất bù định mức (Qbp = Qbđm) Trong chế độ thiếu kích thích các máy bù tiêu thụ công suất phản kháng (Qbt = 0,5Qbđm) do đó phạm vi điều chỉnh của máy bù đồng bộ rất rộng và có thể điều chỉnh vô cấp Vì vậy, máy bù đồng bộ có các đặc điểm sau: a) Ưu điểm:
- Máy bù đồng bộ có thể điều chỉnh vô cấp nên có thể bù chính xác theo yêu cầu của phụ tải
- Máy bù có thể phát ra hay tiêu thụ công suất phản kháng b) Nhược điểm:
- Tổn thất của bản thân máy bù đồng bộ tương đối lớn
- Thời gian vận hành và tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (do liên tục chuyển động quay)
Tụ điện là thiết bị bù được sử dụng phổ biến hiện nay trong hệ thống điện với phương thức bù cố định hoặc điều chỉnh có cấp Ngoài ra, khi kết hợp với kháng điện có thể điều chỉnh vô cấp cũng như tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng như phân tích dưới đây a) Tụ bù tĩnh cố định
Thiết bị bù đơn giản nhất là bù công suất phản kháng bởi tụ điện tĩnh cố định với các đặc điểm sau:
+ Chi phí tính theo một đơn vị công suất của tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng nổi bật khi dung lượng càng tăng
+ Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, khoảng (0,01- 0,05)W/kVAr tùy theo công suất định mức của tụ
+ Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối nên nâng cao được hiệu quả bù và cải thiện tốt hơn đường cong phân bố điện áp
+ Vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa đơn giản
+ Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc điện áp làm việc (tỉ lệ với bình phương điện áp) do đó khi điện áp giảm thấp rất cần tăng bù thì công suất lại giảm mạnh
+ Dung lượng bù cố định không có khả năng điều chỉnh (chỉ có thể đóng cắt) b) Tụ bù tĩnh điều chỉnh có cấp
Tụ bù có thể được chế tạo với nhiều mức công suất khác nhau và có thể điều chỉnh tự động dung lượng (nhảy cấp) Tụ bù loại này điều chỉnh được dung lượng bù cho từng chế độ vận hành khác nhau, nghĩa là các thiết bị bù có thể thay đổi được theo khả năng làm việc theo yêu cầu của từng thời điểm khác nhau của tải, có thể điều chỉnh được công suất Bù công suất phản kháng theo phương pháp này thì khả năng đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng của tải ở mọi chế độ làm việc khác nhau, nhưng suất đầu tư cao và xác suất xảy ra sự cố tăng Tuy nhiên, do chỉ thay đổi được dung lượng theo từng mức công suất nên khả năng đáp ứng điều chỉnh bị hạn chế, không tối ưu khi phạm vi thay đổi phụ tải lớn
Hiện nay, công suất vận hành của lưới điện trung thế thay đổi rất lớn với hệ số
Pmin/Pmax rất thấp Vì vậy, cần phải kết hợp cả bù cố định và bù điều chỉnh
- Bù cố định được tính toán để bù tối thiểu cho mọi chế độ vận hành
- Bù điều chỉnh được với thiết bị điều khiển được sử dụng để thay đổi dung lượng bù nhằm đáp ứng công suất phản kháng cho các chế độ khác nhau của phụ tải
3.2.2.3 Thiết bị điều chỉnh vô cấp SVC (Static Var Compensater) Để khắc phục nhược điểm của tụ bù tĩnh điều chỉnh có cấp, SVC (Static Var Compensater) được sử dụng với khả năng điều chỉnh vô cấp và có thể phát hoặc tiêu thụ CSPK (như máy bù đồng bộ) với tốc độ điều chỉnh rất nhanh Sơ đồ nguyên lý của SVC như Hình 3.4 với TCR (Thyristor Controlled Reactor) là bộ kháng điện điều chỉnh bằng thyristor, TSC (Thyristor Switched Capacitor) là bộ tụ điện đóng cắt bằng thyristor, TSR (Thyristor Switched Reactor) là bộ kháng điện đóng cắt bằng thyristor
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của SVC
SVC có các đặc điểm sau: a) Ưu điểm:
- Đóng cắt bằng thyristor nên tốc độ điều chỉnh rất nhanh, điều này có ý nghĩa quan trọng trong các bài toán điều chỉnh điện áp
- Có thể điều chỉnh vô cấp nên hiệu quả bù cao
- Có thể tiêu thụ hay phát công suất phản kháng nên phạm vi điều chỉnh rộng
- Tổn thất trong thiết bị nhỏ b) Nhược điểm:
- Có thể gây ra sóng hài trên lưới
- Chi phí đầu tư lớn nên thường dùng để bù kỹ thuật như điều chỉnh điện áp của lưới điện truyền tải, dùng trong LĐPP không đem lại hiệu quả kinh tế
Khi động cơ đồng bộ làm việc với hệ số công suất vượt trước thì có thể phát công suất phản kháng do đó có thể áp dụng làm nguồn phát công suất phản kháng Trong trường hợp này, động cơ có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng giống như máy bù đồng bộ với các đặc điểm sau: a) Ưu điểm:
- Có thể điều chỉnh vô cấp
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất làm việc cao b) Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư lớn
- Tổn thất trong thiết bị lớn khoảng (0,02-0,08)kW/kVAr
- Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn.
Phương thức bù công suất phản kháng trên lưới điện trung thế
Lưới điện trung thế bao gồm các đường dây trung thế kết nối với các TBA phân phối để cung cấp cho các đường dây hạ áp như Hình 3.5 Vì vậy, vấn đề đặt ra là cần xác định xem nên phân phối dung lượng bù đó về phía lưới điện trung thế hay lưới điện hạ thế để đạt được hiệu quả lớn nhất bởi chi phí đầu tư của tụ điện áp cao (6-35kV) rẻ hơn so với tụ điện hạ áp (220V hoặc 380V) Tuy nhiên, hệ thống đóng cắt và bảo vệ của tụ điện cao áp lớn hơn và phức tạp hơn so với tụ điện hạ áp đặc biệt khi sử dụng các bộ tụ có thể điều chỉnh dung lượng Trong lưới điện hạ thế, việc điều chỉnh dung lượng bù của tụ điện hạ áp có cấp có thể thực hiện đóng cắt đơn giản bằng các công tắc tơ cùng với các bộ điều khiển Ngược lại, việc điều chỉnh dung lượng bù trong lưới điện trung thế rất phức tạp do phải đóng cắt bằng các máy cắt hoặc sử dụng SVC dẫn đến chi phí đầu tư tăng cao
Hình 3.5 Sơ đồ lưới phân phối Hơn nữa, công suất vận hành của lưới điện phân phối hiện nay thường thay đổi rất lớn giữa chế độ công suất cực đại (cao điểm) và công suất cực tiểu (thấp điểm) tương ứng hệ số Pmin/Pmax rất thấp Vì vậy, cần phải kết hợp cả bù cố định và bù ứng động trong cả lưới điện trung thế và lưới điện hạ thế
- Bù cố định được tính toán để bù tối thiểu cho mọi chế độ vận hành, bù tập trung ở một số điểm trên trục chính trung thế nhằm tận dụng chi phí đầu tư thấp của tụ điện tĩnh cao áp
- Bù ứng động có cấp được với thiết bị điều khiển được sử dụng để thay đổi dung lượng bù nhằm đáp ứng CSPK cho các chế độ khác nhau của phụ tải Tụ bù được đặt phân tán ở các TBA phân phối hạ áp hoặc trên các đường dây hạ áp nhằm giảm chi phí đầu tư của thiết bị đóng cắt đồng thời giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng nhiều hơn vì bù sâu hơn Ngoài ra, công suất của các bộ tụ bù hạ áp có công suất nhỏ nên việc điều chỉnh có cấp của tụ bù hạ áp với dung lượng nhỏ đáp ứng được yêu cầu thay đổi của các chế độ tải.
Các phương pháp tính toán bù công suất phản kháng trong lưới điện trung thế
3.4.1 Bù công suất phản kháng nâng cao hệ số cosφ
Thiết bị bù cung cấp công suất phản kháng cho các phụ tải nên giảm được lượngcông suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây từ đó nâng cao được hệ số cosφ và giảm được tổn thất của hệ thống [9] Tuy nhiên, biện pháp bù công suất phản kháng không làm giảm lượng CSPK tiêu thụ của các hộ phụ tải mà chỉ giảm được lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây Vì vậy, chỉ sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao cosφ tự nhiên mà vẫn không đạt yêu cầu thì mới xét đến phương pháp đặt thiết bị bù
Giả thiết hộ tiêu thụ điện có hệ số công suất là cosφ1, muốn nâng hệ số công suất này lên cosφ2 (cosφ2 > cosφ1), dung lượng bù được xác định theo công thức sau:
𝑄 𝑏 = 𝑃 (𝑡𝑔 1 − 𝑡𝑔 2 ) 𝑘𝑉𝐴𝑟 (3.8) Trong đó: P là phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện kW, 1 là góc ứng với hệ số trung bình (cos1) trước khi bù, 2 là góc ứng với hệ số công suất mong muốn (cos2) sau khi bù, = 0,91 là hệ số xét tới khả năng nâng cao cos bằng những phương pháp không đòi hỏi đặt thiết bị bù (phương pháp tự nhiên)
Hệ số công suất cos2 nói ở trên thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được, thường nằm trong khoảng cos = 0,95 – 0,98 Đối với các hộ dùng điện thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điểm tối ưu về mặt tổn thất công suất tác dụng của mỗi phụ tải Khi bù có thể tiết kiệm được một lượng công suất tác dụng như sau: Δ𝑃 = (𝑘 𝑘𝑡 − 𝑘 𝑏 ) 𝑄 𝑏 (𝑘𝑊) (3.9)
- kkt là đương lượng kinh tế của công suất phản kháng kW/kVAr (lượng công suất tác dụng kW tiết kiệm được khi bù 1 kVAr công suất phản kháng và được tính như biểu thức (3.10)
Trong biểu thức (3.10), ΔP là lượng giảm tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra khi đặt một đơn vị công suất bù kW/kVAr, Q là công suất phản kháng của hộ tiêu thụ - kVAr
Nếu Qb