nghiên cứu bộ lọc tích cực sử dụng lí thuyết công suatas tức thời

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng, cùng với nó là sự gia tăng của các phụ tải công nghiệp, các tải phi tuyến, các bộ biến đổi công suất và nó là các nguyên nhân chính làm ô nhiễm lưới điện, làm sóng hài trên lưới gia tăng, ảnh hưởng tới chất lượng điện năng. Vấn đề tiết kiệm điện và làm sạch lưới điện là một trong những yêu cầu bức thiết trong ngành điện Việt Nam nói riêng và toàn thế giới nói chung. Trước thực tế đó, em đã chọn tên đề tài tốt nghiệp là :”Nghiên cứu các cấu trúc lọc tích cực trong lưới điện”. Đây là một trong những công nghệ hiện đại đã được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước tiên tiến trên thế giới nhưng vẫn còn rất mới mẻ với nước ta. Trong quá trình nghiên cứu, với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Điện tự động Công nghiệp đặc biệt là thầy PHẠM TUẤN ANH, cùng với sự hỗ trợ của các bạn, em đã hoàn thành được đồ án này. Tuy nhiên, do thời gian tương đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Sinh viên Nguyễn Đức Công 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH 1.1. ĐỊNH NGHĨA VỀ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH Trong vài năm qua, năng lượng điện tiêu thụ đã liên tục phát triển và, đồng thời, đầu tư cơ sở hạ tầng T & D ( Test and Diagnostic-kiểm tra và chẩn đoán) do đó bị suy sụp. Các giải pháp truyền thống để nâng cấp cơ sở hạ tầng hệ thống điện đã chủ yếu được thực hiện theo hình thức nhà máy điện mới, đường dây truyền tải mới, trạm biến áp, và thiết bị liên quan. Tuy nhiên, như kinh nghiệm đã chứng minh, các quá trình cho phép, định vị, và xây dựng đường dây truyền tải mới trở nên vô cùng khó khăn, tốn kém và mất thời gian. Kết quả là, lưới điện là bị suy giảm, dẫn đến độ tin cậy bị giảm và chi phí năng lượng cao hơn [5]. Bất chấp những vấn đề trên, độ tin cậy của hệ thống là quan trọng và không thể bị ảnh hưởng. Để khắc phục vấn đề này, các nhà khai thác mạng lưới đã di chuyển từ hệ thống hình tia tới mạng lưới. Tuy nhiên điều này làm giảm khả năng kiểm soát của mạng vì dòng điện chạy dọc theo các đường dây cụ thể mà không dễ dàng được kiểm soát. Tình hình thậm chí còn tồi tệ hơn nếu một sự cố như quá tải xảy ra, tăng khả năng mất điện lưới. Thêm vào đó, việc tăng trưởng phụ tải nhanh chóng dẫn đến tắc nghẽn trên các đường dây trọng điểm, do đó, dẫn đến các hoạt động không hiệu quả của thị trường năng lượng. Câu trả lời dường như nằm trong việc biến dòng EPS (Electric Power System) vào mạng năng lượng điện thông minh (SEEN-Smart Electrical Energy Network). Hệ thống lưới điện thông minh trong tương lai sẽ phát triển mạnh mẽ hơn, đáng tin cậy hơn,linh hoạt hơn và có khă năng tự phục hồi, hoàn toàn kiểm soát được, có khả năng sở hữu và sẽ là một nền tảng đẻ làm cho sự cùng tồn tại của hệ thống lưới điện thông minh với một số lượng lớn của các máy phát diesien (DG- Diesel Generator )và các nhà máy điện quy mô lớn tập trung. Sự cần thiết phải sửa đổi, yêu cầu để loại bỏ các rào cản đối với việc khai thác quy mô lớn và hội nhập của DGs và các vấn đề khác, sẽ đòi hỏi phải nghiên cứu sáng tạo và phát triển công 2 nghệ mới từ truyền tải và phân phối cho các công cụ truyền thông, với số lượng cảm biến nhiều hơn so với hiện nay. Vì vậy, dự kiến rằng các hệ thống FACTS ( flexible ac transmissition system), CUPS, ESS, DG thông minh cho người dùng trực tiếp với các thiết bị thông tin liên lạc sẽ được đặt tại trung tâm của các hệ thống lưới điện thông minh trong tương lai, xem hình 1.1. Hệ thống lưới điện thông minh (SEEN ) sẽ cho phép các khách hàng có một vai trò tích cực trong việc cung cấp điện, để có thể giúp hệ thống điện đáp ứng với sự cố thiết bị hay các điều kiện thời tiết liên quan đến trường hợp khẩn cấp, và các điều kiện khác. Hiện nay, các nhà điều hành hệ thống phải duy trì đủ dư thừa công suất phát điện trực tuyến hoặc nhanh chóng có sẵn để tiếp tục cung cấp hệ thống nạp nếu phát sinh một đơn vị tiêu thụ lớn hoặc đường dây truyền tải bị sự cố. Trong mạng lưới điện thông minh, phần lớn năng lượng dự trữ có thể được cung cấp bởi các đơn vị EPS hoặc DG nhỏ, ESS nằm ở gần các vị trí của người sử dụng trực tiếp. Hình 1.1: Định nghĩa mạng năng lượng điện thông minh 3 Tóm lại, một lưới điện thông minh hiện đại sẽ tạo ra EPS là : • Sẽ giảm các tải đỉnh và tạo ra các phần dự trữ. • Sẽ loại trừ các chi phí cơ bản của cơ sở hạ tầng (kiểm tra và chẩn đoán) mới cũng như tạo ra các nhà máy. • Sẽ giảm tổn thất đường dây cùng với chi phí vận hành và bảo dưỡng. • Sẽ chuyển hướng dòng năng lượng chảy, thay đổi mô hình tải, cải thiện bên dạng điện áp và độ ổn định. • Sẽ cho phép tải ESS và DG để tham gia vào hoạt động hệ thống. • Thông qua giám sát rộng rãi, thông tin liên lạc nhanh chóng, và kiểm soát thông tin phản hồi của các hoạt động, sẽ có nhiều thông tin hơn về các vấn đề phát sinh của hệ thống trước khi chúng ảnh hưởng đến dịch vụ. • Cung cấp các tiện ích hệ thống với các công cụ trực quan tiên tiến để nâng cao khả năng giám sát hệ thống. 1.2. CÁC VẤN ĐỀ CHẤT LƯỢNG TRONG CÁC MẠNG ĐIỆN THÔNG MINH 1.2.1. Chất lượng điện và EMC Một trong những khái niệm cơ bản liên quan đến sử dụng năng lượng điện là sự tương thích điện từ (EMC-Electromagnetic Compatibility) - giữa các thiết bị điện và môi trường của nó, hoặc giữa thiết bị này và các thiết bị khác. Đó là, theo định nghĩa của Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC-Electro-technical Commission) : "khả năng của một thiết bị hoặc hệ thống hoạt động tốt trong môi trường điện từ của nó mà không cần quan tâm đến các nhiễu điện từ phân bố tại bất cứ nơi nào trong môi trường đó" . Sự tương tác lẫn nhau giữa môi trường điện từ và tải có thể qua dây dẫn hoặc bức xạ. Hiện nay, không giống như trong quá khứ, các khái niệm về tính tương thích điện từ không chỉ liên quan đến các vấn đề của truyền thông tin. Nó cũng bao gồm các vấn đề của sự tương tác lẫn nhau giữa các thiết bị và các hệ thống sử dụng hiện tượng điện từ năng lượng truyền tải và mục đích chuyển đổi, cũng như tác động của thiết bị này và các hệ thống trong môi trường điện từ tự nhiên và sinh 4 quyển, do đó, nó bao gồm tất cả các trường hợp của mọi sự không tương thích điện từ. Điện là kết quả của một quá trình sản xuất và là một sản phẩm được thẩm định và tiêu chuẩn hóa. Nó cũng là một vấn đề của kim ngạch thương mại thị trường, do đó giá trị tiện ích của nó có phải là một sự đánh giá mô tả trong một thỏa thuận giữa các bên trong giao dịch thương mại. Trong ý nghĩa thông qua bởi Hội đồng châu Âu điều tiết năng lượng (CEER-Council of European Energy Regulators) chất lượng cung cấp điện bao gồm ba lĩnh vực chính, xem hình 1.2: Hình 1.2: Sự phân loại các vấn đề cung cấp năng lượng điện Ở đó : • Quality of power delivery : Chất lượng của cung cấp năng lượng điện • Commercial quality : Đặc tính thương mại • Continuity of supply : Sự liên tục cung cấp • Voltage quality : Chất lượng điện áp • Frequency : Tần số • Level : Mức • Waveform shape : hình dạng sóng 5 • Asymmetry : Sự không đối xứng.  Chất lượng thương mại được hiểu là chất lượng của các mối quan hệ thương mại giữa các nhà cung cấp điện và khách hàng.  Liên tục cung cấp thường được đo trong điều kiện của số lượng sự gián đoạn cung cấp, khoảng thời gian của một sự gián đoạn, thời gian tích tụ của các gián đoạn cung cấp điện trong một khoảng thời gian nhất định.  Chất lượng điện áp đo lường trong điều kiện của sự khác biệt giữa dạng sóng thực tế và dạng sóng điện áp và dòng ba pha sin cân bằng về giá trị danh định. Phần lớn, các ngành công nghiệp chấp nhận định nghĩa của vấn đề chất lượng điện như sau : "Chất lượng cung cấp năng lượng điện là một tập hợp các thông số trong đó mô tả quá trình phân phối năng lượng điện tới người sử dụng trong điều kiện hoạt động bình thường, xác định sự cung cấp liên tục (cung cấp gián đoạn ngắn hạn và dài) và đặc trưng của các điện áp cung cấp (độ lớn, không đối xứng, tần số, và hình dạng sóng) ". 1.2.2. Các vấn đề về chất lượng điện a, Biên độ của các điện áp cung cấp Lý do chính làm thay đổi giá trị hiệu dụng của điên áp trong mạng điện là sự biến đổi của tải. Như hình 1.3, điện áp thay đổi trong mạng điện cung cấp vượt quá giới hạn cho phép, có ảnh hưởng xấu đến tải và có thể dẫn tới hỏng hóc các thiết bị hoặ trong trường hợp tồi tệ nhất có thể dẫn tới sự phá hủy chúng. Điện áp giảm làm tăng tổn hao trong đường dây truyền tải , máy biến áp Trong khi việc tăng biên độ điện áp sẽ làm tăng dòng từ hóa ở các máy biến áp và động cơ, làm giảm tuổi thọ hay phá hủy cách điện và làm tăng sự tiêu tán năng lượng trong tải (quá nóng). 6 Hình 1.3 Ví dụ vê sự thay đổi theo tuần trong điện áp pha và dòng pha b, Dao động điện áp Điện áp biến động là một loạt các sự thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp hoặc sự thay đổi đường bao điện áp, xem hình 1.4. Các nguồn chính của sự dao động điện áp trong mạng lưới điện là nhiễu của các tải công nghiệp năng lượng cao (hàn điện, ổ đĩa máy cán, máy cẩu, lò hồ quang, vv) và hoạt động chuyển mạch trong hệ thống điện để làm thay đổi cấu hình mạng hay gây ra bởi hệ thống điều chỉnh điện áp. Hình 1.4 Ví dụ của sự dao động điện áp trong dạng sóng tức thời 7 c, Sự sụt áp và sự ngắt nguồn ngắn Sự sụt áp là sự giảm đột ngột của điện áp tại một điểm cụ thể của một hệ thống cung cấp điện dưới ngưỡng nhúng quy định (trong một khoảng thời gian không nhỏ hơn 10 ms), tiếp theo là phục hồi của nó sau một khoảng thời gian ngắn. Thông thường một sự sụt áp thường gắn với một sự cố hay hiện tượng ngắn mạch hay sự tăng của dòng cực trên hệ thống hay tại điểm kết nối ban đầu của nó (ví dụ sự khởi động của động cơ lớn). Một sự sụt điện áp như một sự nhiễu loạn điện từ 2 chiều, mức độ của nó được xác định tại cả 2 điện áp (điện áp dư hoặc biên độ) và thời gian (khoảng thời gian). Xem hình 1.5 và 1.6 có thể thấy rằng nguồn nhiễu là ở phía người sử dụng như dưới đây từ bản chất của sự thay đổi dòng trong suốt sự nhiễu loạn này. Hình 1.5: Sự sụt áp và đặc tính của nó 8 Hình 1.6: Ví dụ về sự sụt áp tại các cực của thiết bị Sự ngắt nguồn ngắn là một sự giảm đột ngột của điện áp trên tất cả các pha tại điểm cụ thể của một hệ thống điện cung cấp dưới một ngưỡng gián đoạn đặc trưng theo sự phục hồi của nó sau một khoảng thời gian ngắn. Sự ngắt nguồn ngắn là một trường hợp cụ thể của sự sụt điện áp. Sự gián đoạn ngắn thường đi cùng với hoạt động chuyển mạch liên quan tới sự xuất hiện và chấm dứt hiện tượng ngắn mạch trên hệ thống hoặc tại điểm kết nối khởi tạo với nó. d, Sự méo dòng điện và điện áp Các dạng sóng dòng điện và điện áp méo trở thành một điều kiện hoạt động thông thường trong hệ thống điện ngày nay. Thông thường chấp nhận đo lường sự méo bao gồm cả sóng hài điện áp và dòng điện (các thành phần mà tần số của nó là bội của các tần số cơ bản). Các thông tin toàn diện nhất thu được từ các thiết lập, nó xác định bậc, biên độ và pha của các sóng hài cụ thể. Các tài liệu chuẩn hóa chấp nhận sự thay đổi của số lượng xác định trên thiết lập này. Chúng thì phần lớn là hệ số sóng hài bậc n.Và toàn bộ điện áp hài méo được tính toán cụ thể lên sóng hài bậc 50. Những yếu tố này là cơ sở để tiêu chuẩn hóa chất lượng điện. Trong số các nguồn sóng hài xảy ra trong hệ thống điện, ba nhóm thiết bị có thể được phân biệt : • Thiết bị có lõi từ, ví dụ, máy biến áp, động cơ, máy phát điện. 9 • Lò hồ quang và các thiết bị khác, ví dụ, đèn phóng điện cao áp, hồ quang. • Điện tử và thiết bị điện điện tử. 1.2.3. Phân loại các nhiễu loạn điện từ Nhiễu loạn điện áp có thể được chia thành hai nhóm : • Biến đổi, tức là sự sai lệch nhỏ tử các giá trị danh nghĩa hoặc mong muốn , nó xảy ra liên tục (sự thay đổi nhanh hoặc chậm trong biên độ điện áp, sự biến đổi, ….). Nguyên nhân chính là sự biến đổi của tải hệ thống hay tải phi tuyến. Kết quả làm điện áp biến đổi từ hoạt động của hệ thống, và do đó giá trị của chỉ số mô tả các nhiễu loạn này thì không thể khác biệt đáng kể so với mức danh định. Kể từ khi hệ thống điện được thiết kế để hoạt động tối ưu dưới điều kiện thông thường và điện áp và dòng hình sin, sự biến đổi điện áp được giảm đến mức tối thiểu. Hệ thống điều hành phải có biện pháp để đạt được điều kiện này để dẫn đến quản lý hệ thống hiệu quả hơn. • Các sự kiện, tức là sự lệch đáng kể và đột ngột từ dạng sóng mong muốn và danh định. Sự biến đổi nhanh, sụt áp nhanh hay quá điện áp tức thời là các nhiễu điển hình trong hệ thống và cùng với sự ngắt nguồn cung cấp, là các sự kiện điển hình nhất của trường hợp này. Không giống như sự biến đổi điện áp – liên tục xuất hiện, còn các sự kiện điện áp thì xảy ra ngẫu nhiên. Chúng được xác định bằng cách giám sát liên tục bằng thiết bị ghi âm cung cấp một chức năng kích hoạt và nó được kích hoạt khi số lượng ghi vượt quá giá trị ngưỡng. Những sự kiện điện áp mô tả "bệnh lý" trong hoạt động mạng lưới cung cấp và có ý nghĩa rất lớn đối với thiết bị sử dụng. Chúng có thể làm gián đoạn một quá trình sản xuất sử dụng điện, ngay cả khi một sự gián đoạn nguồn cung cấp không xảy ra. Vì chúng có tính chất ngẫu nhiên nên chúng được xử lý bằng cách sử dụng chủ yếu là các phương pháp thống kê. Các nhiễu loạn, được đo lường trong các điều kiện của sự tác động kinh tế của chúng, có sự khác biệt đáng kể, vì thế các sự xếp hạng dưới đây có thể được chấp nhận : 10 [...]... 2 Ở đó r chính là mức độ của bộ bù nối tiếp ( 0 ≤r ≤1 ) 1.4.4 Tiêm công suất sử dụng bộ bù tĩnh Đa số các bộ bù tĩnh thì được thiết kế để cung cấp điều khiển công suất phản kháng Các bộ bù nối tiếp và song song được sử dụng và cung cấp một giải pháp thi hành cho bộ bù VAR Các linh kiện chuyển mạch công suất được sử dụng để điều khiển kết nối với một bộ cố định hay một bộ ngắt được của cuộn cảm hay... suất phản kháng và công suất tác dụng Số lượng công suất còn lại thì được sử dụng chung để định nghĩa giới hạn công suất của thiết bị điện là công suất biểu kiến S công suất biểu kiến S : Được định nghĩa : S=VI (2.7) Đơn vị của nó trong hệ đo lường quốc tế là VA (votl-ampere) Công suất này để mô tả giá trị cực đại của công suất tích cực khi hệ số công suất là 1 Định nghĩa của hệ số công suất sẽ được... trong lưới điện thông minh Nguyên lý tiêm công suất và mô hình MGR (MicroGrid) cũng được đề cập, các bộ bù STATCOM và UPFC cũng được mô tả, là tiền đề cho sự phát triển của mô hình lọc tích cực cho các chương sau 27 CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI 2.1 NHẮC LẠI VỀ LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT CỔ ĐIỂN 2.1.1 Định nghĩa công suất dưới các điều kiện sin Các định nghĩa của công suất điện cho hệ thống hình sin 1... có giá trị trung bình là 0 Thông thường công suất tức thời được chỉ ra trong (2.3) thì được mô tả bởi 3 công suất “hằng số” : Công suất tác dụng, Công suất phản kháng và Công suất biểu kiến Các công suất này được mô tả như sau: Công suất tác dụng : P Là giá trị trung bình của phần 1 : P= VI cos δ Đơn vị chuẩn của nó là Watt (W) Công suất phản kháng Q: là giá trị cực đại của phần 2: P= VI sin δ Đơn vị... cáp công suất VAR yêu cầu Bởi việc sử dụng các linh kiện chuyển mạch thông minh, hiện đại và nhanh sẽ làm giảm sóng hài được thi hành với giá thành thấp của bộ lọc thông cao Lợi thế của việc sử dụng linh kiện chuyển mạch này là việc điều khiển các bộ tụ bù hay cuộn cảm bù đưa ra hệ thống bù với khả năng điều khiển cà công suất phản kháng và tác dụng Trong số các bộ tụ bù hiện đại thì bộ bù đồng bộ tĩnh... b Bộ bù điều khiển VAR động Bộ bù VAR động được sinh ra bởi việc sử dụng SVC, nó cho phép dòng bù biến đổi từ giá trị sớm pha hoặc trễ pha Điều này có thể được thi hành bởi sự thay đổi trở kháng tại cực bởi sử dụng bộ điều khiển điện dung và các yếu tố cuộn cảm 20 kết nối song song tại điểm tiêm công suất Sự trễ của dòng với điện áp được đưa ra bởi sử dụng các thiết bị như Thyristor hay transistor công. .. hướng riêng biệt của định nghĩa công suất đã được sử dụng Một thì được thành lập trong miền tần số và cái còn lại thì định nghĩa trong miền thời gian Chúng được mô tả dưới đây, để làm 33 nổi bật tính không nhất quán của chúng và chỉ ra tại sao chúng không phù hợp để sử dụng điều chỉnh các bộ xử lí công suất đường dây a, Định nghĩa công suất bởi Budeanu Một bộ các định nghĩa công suất được thành lập bởi... bằng giản đồ tam giác công suất như hình 2.3 Trong hình này, cùng với sự định nghĩa ở trên về công suất và hệ số công suất thì được tổng kết như dưới đây Nếu tải không thuần trở thì công suất phản kháng không trở về 0, và công suất tác dụng sẽ nhỏ hơn công suất biểu kiến Hình 2.3 Đồ thị mô tả công suất phức - tam giác công suất Do vậy, hệ số công suất PF < 1 Đó là ý nghĩa cồ điển của công suất điện được... hàm sin theo thời gian 2.1.3 Công suất phức và hệ số công suất Một công suất phức, S, có thể định nghĩa như tích của điện áp phức và dòng phức Để liên kết với tín hiệu chuẩn của công suất phản kháng đã chỉ ra trong (2.5) rằng nó có liên quan tới công suất phản kháng dương cho tải điện trở”, định nghĩa dưới đây của công suất phức nên sử dụng giá trị liên hợp của dòng phức I* = I ∠ − θ I Công suất phức... có thể tích hợp lẫn nhau và với một lưới chính cung cấp một vài cơ hội Nó cung cấp sự hỗ trợ cho khu vực năng lượng theo các công nghệ mới xuất hiện Nó cũng mở ra một hướng nghiên cứu mới cho sự phát triển của các công nghệ mới này 1.4.3 Nguyên lý tiêm công suất Toàn bộ công suất biểu kiến được tiêm vào trong đường dây truyền tải thì bao gồm 2 phần chính là tác dụng và phản kháng Thành phần công suất . ( 10 ≤≤ r ) 1.4.4. Tiêm công suất sử dụng bộ bù tĩnh Đa số các bộ bù tĩnh thì được thiết kế để cung cấp điều khiển công suất phản kháng. Các bộ bù nối tiếp và song song được sử dụng và cung cấp một. đó, em đã chọn tên đề tài tốt nghiệp là : Nghiên cứu các cấu trúc lọc tích cực trong lưới điện”. Đây là một trong những công nghệ hiện đại đã được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước tiên tiến trên. yêu cầu để duy trì mức độ tốt nhất của bộ điều chỉnh điện áp và hệ số công suất sử dụng bộ đôi tụ điện như trong hình 1.10. Để dòng công 19 suất tác dụng là hằng số và cung cấp điện áp V, yêu