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 LPP LTT 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 = 22 QP ; 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 ff 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 UU 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: %100. minmax đm U UU V Tốc độ biến thiên từ U max đến U min 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 U j , I j . 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 [...]... nghiên cứu vào một thiết bị cụ thể là trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC, trên cơ sở phân tích hoạt động của trạm đánh giá các ưu điểm đạt được đồng thời chỉ ra nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp Nhiệm vụ chương hai, sẽ phân tích hoạt động của một trạm SVC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Chƣơng II NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRẠM BÙ SCV TẠI THÁI NGUYÊN 2.1 Nghiên cứu. .. thiết bị trong FACTS 1- Thiết bị bù nối tiếp Nguyên lý truyền tải điện năng trên đường dây có thể được trình bày dựa trên trên sơ đồ hình 1.2 và hình 1.3 Hình 1.2 Quá trình truyền tải điện năng trên đường dây Trong đó: - VS và S - Vr và r là điện áp và góc pha của nguồn, là điện áp và góc pha của hộ tiêu thụ, Do đường dây có điện kháng XL nên sau khi truyền tải một khoảng cách thì điện áp Vs và Vr sẽ... cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng điều khiển việc truyền tải điện năng cũng như chất lượng điện năng 1.3.2 Những lợi ích của việc ứng dụng hệ thống FACTS Những khả năng của FACTS trong việc ứng dụng thực tế: - Điều khiển các đường truyền công suất; - Tăng dung lượng truyền tải điện năng bằng cách bù công suất phản kháng; - Tăng an toàn truyền dẫn; - Gia tăng chất lượng điện năng;... hoặc không có SVC Ở chế độ bình thường, khi SVC chưa bù CSPK, công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được tính theo (1.1) là: P Es Er Sin XL Khi SVC phát CSPK bù ở giữa đường dây, công suất tác dụng truyền tải trên đường dây được tính là: P 2 Es Er Sin XL 2 Như vậy, công suất tác dụng truyền tải trên đường dây có thể tăng tối đa lên 2lần so với khi chưa bù, điều này được minh họa trên hình 2.8... từng SVC cụ - , thực hiện chức năng như một máy cắt thể; - LH (phân cấp) TSC để có thể điều chỉnh CSPK phát lên lưới bằng cách thay đổi số lượng phân cấp TSC, khi cần phát tối đa CSPK thì toàn bộ các phân cấp TSC được đóng mạch với lưới 2.1.3 Hiệu quả bù Trạm SVC cũng như các thiết bị bù CSPK khác mạng lại hiệu quả rất lớn trong hệ thống truyền tải điện năng: - Giảm được tổn thất công suất trên mạng... được ưu điểm và chức năng của cả TCSC và SSSC  Thiết bị phân luồng công suất IPFC IPFC được dùng để phân luồng công suất truyền tải từ một hệ thống ra hai hệ thống con IPFC là sự kết hợp của hai bộ SSSC, sơ đồ cấu trúc được mô tả trên hình 1.13 và sơ đồ nguyên lý trên hình 1.14 Khi điều khiển Vl1, Vl2 sẽ dẫn đến điều khiển hai dòng điện Il1, Il2 ở trên đường dây 1 và 2 Từ đó thực hiện được phân luồng... điện do giảm được CSPK truyền tải trên đường dây - Giảm được tổn hao điện áp trong mạng điện do giảm được thành phần tổn thất điện áp do CSPK gây ra - Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp Trên trong hình 2.7, mô tả hiệu quả bù CSPK của SVC với khả năng truyền tải của hệ thống Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 2.7.Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi... T2 L = = 0 Qua phân tích cho thấy khi góc điều khiển α ≥ 900 thì dòng qua TCR không có dạng sin toàn phần và cho đến α = 1800 thì dòng bằng không, dòng qua TCR được xem như một sóng điều hòa gồm một phổ các sóng hài không cố định Theo phân thích fuorier thành phần một thành phần có tần số cơ bản và các sóng hài bậc cao Trong đó chỉ có thành phần dòng tần số cơ bản có tác dụng cho việc bù công suất phản... http://www.lrc-tnu.edu.vn/ - Điều khiển được điện áp tại điểm kết nối SVC - Điều khiển được dòng công suất phản kháng tại điểm kết nối SVC - Giảm dao động công suất tác dụng khi có sự cố ngắn mạch, mất tải đột ngột Tuy nhiên, SVC còn một số hạn chế là cồng kềnh, dải điều chỉnh còn hạn chế do sử dụng dãy tụ điện, cuộn cảm, phát sinh nhiều sóng hài gây ô nhiễm lưới  Bộ bù đồng bộ tĩnh Statcom Statcom là thiết bị bù song... áp lưới V thì giữa Statcom và lưới tồn tại dòng điện Iq sớm pha hơn so với hiệu (E-V) một góc 900 tương ứng ta có chế độ dung kháng hay Statcom phát công suất phản kháng lên lưới Trường hợp ngược lại thì ta có chế độ cảm kháng Khác với SVC dựa trên điều khiển trở kháng, Statcom dựa trên việc điều khiển nguồn điện áp Bởi vậy về kích thước Statcom nhỏ hơn so với SVC do không cần đến những tụ điện và . 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. ĐẶNG THỊ VÂN ANH NGHIÊN CỨU TRẠM BÙ SVC TRÊN LƢỚI TRUYỀN TẢI 22 0KV, PHÂN TÍCH SÓNG HÀI TRONG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DUNG LƢỢNG BÙ VÀ BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC LUẬN VĂN THẠC. 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