Điện tử công suất trong hệ thống điện

ĐỀ CƯƠNG BÀI GiẢNG Điện Tử Công Suất Trong Hệ Thống Điện Bộ môn Điện Công Nghiệp Khoa Kỹ Thuật Điện ĐỀ CƯƠNG BÀI GiẢNG • Tổng quan lưới điện • Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) • Hệ thống truyền tải điện chiều cao áp (HVDC) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 1.1 Khái niệm chức hệ thống điện Một hệ thống điện bao gồm tất thành phần từ nguồn đến tải tiêu thụ Chức hệ thống sản xuất điện năng, truyền tải phân phối lượng điện đến tải tiêu thụ cấp điện áp khác với chất lượng điện đáp ứng yêu cầu khách hàng khác CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Các thành phần hệ thống điện bao gồm: Nhà máy điện Trạm biến áp truyền tải Đường dây truyền tải Các trạm BA trung gian Hệ thống phân phối điện Đường dây truyền tải MINH HỌA HỆ THỐNG ĐIỆN Nhà máy điện Trạm BA truyền tải Sản xuất điện Truyền tải Trạm BA trung gian Trạm BA phân phối Phụ tải công nghiệp thương mại lớn Phân phối Thiết bị phân phối điện tự động hóa Phụ tải khu dân cư Phát điện Truyền tải Nhà máy điện Nhà máy điện Nhà máy điện Máy biến áp tăng áp Lưới điện cao áp Trung gian Trạm biến áp trung gian Máy biến áp giảm áp Máy biến áp giảm áp Phân phối Máy biến áp giảm áp Trạm biến áp phân phối Máy biến áp giảm áp Hệ thống phân phối sơ cấp Máy cắt tự đóng lại-Đường dây cung cấp Hệ thống phân phối thứ cấp Khách hàng thứ cấp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 1.2 Lý thuyết điều khiển dòng công suất Công suất toàn phần góc công suất δ: V I  CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Dòng điện xoay chiều (AC) hay chiều (DC) ? Việc sử dụng dòng điện xoay chiều phổ biến khả dễ dàng thay đổi điện áp dòng AC máy biến áp Hơn dòng lượng AC truyền tải xa với tổn thất bé điện áp cao Dòng điện chiều khó biến đổi từ cấp điện áp thấp sang điện áp cao ngược lại Trong thực tế thực điều cách trực tiếp, thêm vào việc kết nối hệ thống DC AC cần sử dụng máy biến áp Các máy phát điện nhà máy điện sử dụng phổ biến máy phát điện xoay chiều đồng với điện áp đầu cực máy phát từ 10-30 (kV) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Truyền tải công suất : Dòng lượng DC bị giới hạn điện áp điện trở (hiệu ứng nhiệt) đường truyền Dòng lượng AC bị hạn chế điện trở đường truyền bị giới hạn lượng dùng để tạo nên điện trường từ trường quanh dây dẫn dọc theo đường truyền công suất Điện trường gây nên tượng nhiễm điện phóng điện môi trường cách điện xung quanh dây dẫn Dòng điện rò qua cách điện cáp giới hạn chiều dài cáp truyền tải dòng lượng AC Từ trường xuất xung quanh dây dẫn mang dòng điện từ hóa môi trường có từ tính từ cảm ứng nên dòng điện chạy dây dẫy Năng lượng cần dùng để thiết lập từ trường dọc theo đường dây giới hạn chiều dài đường dây không truyền tải công suất CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Cáp so với đường dây không : Dòng điện điện dung Năng lượng từ trường Điện trở vật dẫn 10 CHƯƠNG 3: HVDC 3.2 Các kiểu truyền tải HVDC: a) Trạm biến đổi kiểu Back-to-Back: + Trạm biến đổi kiểu Back-to-Back bố trí hai biến đổi chỉnh lưu nghịch lưu trạm (không có đường dây dài truyền tải) + Trạm kiểu dùng để truyền tải lượng lưới xoay chiều cạnh không tần số đồng + Trạm Back-to-Back đặt lưới điện kín để làm nhiệm vụ điều khiển dòng công suất theo yêu cầu 51 CHƯƠNG 3: HVDC b) Truyền tải DC khoảng cách lớn kiểu cực (monopolar): + Kiểu truyền tải ứng dụng khoảng cách truyền tải lớn, đặc biệt cáp truyền tải dài đặt biển Đối với kiểu truyền tải đường khép kín dòng điện đất nước giải pháp hay sử dụng 52 CHƯƠNG 3: HVDC + Trong trường hợp điện trở đất lớn ràng buộc môi trường không cho phép sử dụng điện cực phải sử dụng đường dây kim loại cho đường khép kín dòng điện, giá thành tổn thất cao 53 CHƯƠNG 3: HVDC c) Truyền tải DC khoảng cách lớn kiểu hai cực (bipolar): + Kiểu truyền tải hai cực sử dụng lượng công suất truyền tải vượt khả cực để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, khả san tải linh hoạt so với truyền tải cực + Ưu điểm truyền tải kiểu hai cực so với hai hệ thống cực tiết kiệm chi phí giảm tổn thất cần đường khép kín dòng điện không cần Nhược điểm độ sẵn sàng cấp điện có cố 54 CHƯƠNG 3: HVDC c1 Kiểu hai cực với đường khép kín đất + Là cấu hình phổ biến hệ thống kiểu hai cực Cấu hình có độ linh hoạt tốt hoạt động, bảo dưỡng hay cố + Chế độ bình thường tải cân dòng điện chạy qua điện cực 55 CHƯƠNG 3: HVDC c1 Kiểu hai cực với đường khép kín đất + Hoạt động chế độ cực với đường khép kín đất cực bị cố ( biến đổi đường dây dẫn) + Hoạt động chế độ cực với đường khép kín dây dẫn biến đổi bị cố tách bảo dưỡng 56 CHƯƠNG 3: HVDC c2 Kiểu hai cực với đường khép kín dây dẫn dùng cho chế độ hoạt động kiểu cực + Khi điều kiện không cho phép sử dụng điện cực với khoảng cách truyền tải tương đối ngắn dùng cấu trúc truyền tải kiểu hai cực với đường khép kín dây dẫn kim loại riêng thay cho đường khép kín đất với điện cực + Chế độ bình thường tải cân dòng điện chạy qua dây khép kín 57 CHƯƠNG 3: HVDC c3 Kiểu hai cực đường khép kín dùng cho chế độ hoạt động kiểu cực + Cấu trúc điện cực hay dây dẫn khép kín kim loại riêng cho chế độ hoạt động kiểu đơn cực Đây cấu trúc kinh tế nhiên hoạt động chế độ đơn cực trường hợp hư hỏng biến đổi nhờ đóng khóa nối tắt biến đổi để sử dụng dây dẫn cực có biến đổi hư hỏng 58 CHƯƠNG 3: HVDC d) Kiểu nhiều dây dẫn cực tính (homopolar) + Cấu trúc sử dụng dây dẫn cực tính ( thường cực âm để giảm hiệu ứng vầng quang) có dường dẫn khép kín điện cực nối đất 59 CHƯƠNG 3: HVDC 3.2 Các phần tử hệ thống HVDC: Bộ biến đổi công suất (converter) Máy cắt (CB) Bộ lọc xoay chiều (AC filter) Nguồn cấp cs phản kháng 5.Cuộn kháng san phẳng dòng điện (DC smoothing reactor) Bộ lọc chiều (DC filter) Các điện cực (Electrodes) Đường dây truyền tải DC (DC line) 60 CHƯƠNG 3: HVDC Bộ biến đổi công suất (converter) + Các biến đổi thực chức chuyển đổi dòng lượng từ xoay chiều sang chiều AC/DC (chỉnh lưu) ngược lại DC/AC (nghịch lưu) + Cấu trúc biến đổi gồm van bán dẫn công suất điện áp cao kết nối theo sơ đồ cầu và máy biến áp + Các van bán dẫn đấu nối theo cấu trúc thường gồm sơ đồ cầu điều khiển hoàn toàn đấu nối tiếp để có điện áp chiều cao đầu (sơ đồ cầu 12 xung) + Các máy biến áp kết nối hệ thống AC với cầu biến đổi công suất Sơ đồ cầu 12 xung cần cấp điện máy biến áp pha đấu nối để tạo góc lệch pha 300 điện 61 CHƯƠNG 3: HVDC + Với nhánh van (valve branch) tùy theo dòng điện tải điện áp yêu cầu van bán dẫn ghép song song để tăng khả dẫn dòng nối tiếp để nâng điện áp làm việc cho phù hợp 62 CHƯƠNG 3: HVDC Máy cắt (CB) + Đây máy cắt xoay chiều để loại trừ cố xảy máy biến áp dừng làm việc liên kết chiều + Sự cố phía chiều xử lý điều khiển nhanh biến đổi Bộ lọc xoay chiều + Các biến đổi làm việc sinh sóng hài bậc cao dòng điện điện áp Các sóng hài gây nhiệt tụ điện, động cơ, máy phát gây nhiễu hệ thống vô tuyến Các lọc xoay chiều dựa phối hợp trở kháng LC sử dụng để loại trừ sóng hài 63 CHƯƠNG 3: HVDC Bộ lọc xoay chiều 64 CHƯƠNG 3: HVDC Nguồn cấp công suất phản kháng + Các biến đổi công suất làm việc tiêu thụ lượng công suất phản kháng cỡ 50% công suất tác dụng truyền tải chế độ xác lập chế độ độ + Công suất phản kháng cần cung cấp từ nguồn đặt gần biến đổi để giảm tổn thất truyền tải Nguồn cấp công suất phản kháng thường sử dụng tụ đấu shunt đặt trạm biến đổi 65 [...]... hạn ổn định của hệ thống: đây là công suất truyền tải giới hạn ở đó hệ thống truyền tải vẫn có thể vận hành sau khi trải qua những sự cố, kích động lớn trong hệ thống Điều này liên quan đến ổn định góc pha hay tốc độ đồng bộ của các máy phát trong hệ thống - tần số định mức của hệ thống Giới hạn điện áp: là giá trị lớn nhất của công suất truyền tải mà vẫn giữ được điện áp tại các nút trong phạm vi cho... có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng tức là công suất do các nguồn sinh ra phải bằng với công suất tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ Quan hệ giữa công suất tác dụng và phản kháng: 17 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN - Trong thực tế tính toán và vận hành HTĐ một cách gần đúng có thể xem sự biến đổi của công suất tác dụng và phản kháng tuân... LƯỚI ĐIỆN 1.3 Ổn định điện áp và góc pha 1 Khái niệm về chế độ của hệ thống điện Là tập hợp các quá trình xảy ra trong hệ thống điện, xác định trạng thái làm việc của hệ thống trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó Mỗi chế độ được đặc trưng bởi các thông số chế độ : U, I, P, Q, f, δ Thông số chế độ chỉ tồn tại khi hệ thống làm việc ( khác với thông số hệ thống là thông số của các phần tử trong. .. của dòng công suất phản kháng đến điện áp hệ thống 25 CHƯƠNG 2: FACTS - Ảnh hưởng của dòng công suất phản kháng và bù công suất phản kháng: + Phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng thay đổi liên tục theo thời gian: làm tăng tổn thất ; giảm khả năng truyền tải của hệ thống đồng thời ảnh hưởng đến điện áp tại các nút lưới dẫn đến giảm hiệu suất hoạt động của tải khi điện áp thấp hoặc gây quá điện áp thậm...CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Công suất truyền tải trên đường dây AC: Trong đó: VS là điệp áp tại nút phát công suất (sending) VR là điện áp tại nút nhận công suất (receiving) δ= δS – δR là góc lệch giữa 2 điện áp 11 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN Các ràng buộc khác: Trong thực tế ngoài giới hạn bởi hiệu ứng nhiệt của đường dây truyền tải thì giới hạn công suất của hệ thống truyền tải còn bị ràng... phụ tải 22 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN XOAY CHIỀU LINH HOẠT (FACTS) 2.1 Khái niệm về FACTS - FACTS: Flexible Alternating Current Transmission Systems - FACTS: hệ thống truyền tải điện xoay chiều có tích hợp các thiết bị điều khiển bằng phần tử điện tử công suất và các bộ điều khiển tĩnh khác nhằm nâng cao khả năng truyền tải và ổn định của hệ thống - Mục tiêu của các hệ thống này là nhằm cung... mức Điện áp phụ thuộc vào công suất phản kháng Q Công suất phản kháng lại phụ thuộc vào chiều dài của đường dây truyền tải và vào dòng công suất tác dụng P chạy trên đường dây Chiều dài càng lớn hoặc/và công suất tác dụng càng lớn thì công suất phản kháng cũng tăng lên kéo theo đó là điện áp bị sụt giảm cho đến một mức nguy hiểm nào đó gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN... có thể công suất phản kháng cho hệ thống điện trong từng trường hợp theo yêu cầu, cải thiện chất lượng điện năng cũng như tính hiệu quả của hệ thống truyền tải điện năng 23 CHƯƠNG 2: FACTS 2.2 Khả năng và nhiệm vụ của FACTS - FACTS có khả năng: + Điều chỉnh nhanh điện áp; giữ điện áp theo yêu cầu dưới các điều kiện làm việc khác nhau, sự thay đổi liên tục của tải + Tăng khả năng truyền tải công suất. .. dây dài + Giảm dao động công suất tác dụng và góp phần điều chỉnh dòng công suất trong lưới điện kín vì thế cải thiện rõ rệt tính ổn định cũng như hiệu quả của các hệ thống - Do đó với FACTS các công ty truyền tải điện có thể khai thác tốt hơn, tận dụng hết khả năng hạ tầng lưới điện, trạm BA sẵn có ; tăng độ tin cậy, tính ổn định của hệ thống cũng như cải thiện chất lượng điện năng 24 CHƯƠNG 2: FACTS... Sự thay đổi công suất tác dụng chỉ có ảnh hưởng đến tần số của HTĐ, ảnh hưởng của nó đến điện áp là không đáng kể Tức là có thể xem tần số là chỉ tiêu để đánh giá sự cân bằng công suất tác dụng ** Sự biến đổi công suất phản kháng ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của HTĐ như vậy điện áp là chỉ tiêu để đánh giá cân bằng công suất phản kháng - Trong khi vận hành HTĐ các điều kiện cân bằng công suất được đảm