TÌM HIỂU KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN.

Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởngxấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như:góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất cô

TÌM HIỂU KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN.

I CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1 Công suất phản kháng.

Công suất phản kháng là năng lượng điện do các thành phần cảmkháng và dung kháng trong mạch điện sinh ra và tiêu thụ Công suất phảnkháng được các cuộn dây tiêu thụ trong việc từ hóa, cảm ứng và chống lạidao động điện Nó là công suất chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượngtrong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng

và dung kháng Công suất phản kháng không trực tiếp chuyển hóa nănglượng điện thành công song nhờ chính công suất phản kháng trong việc từhóa mà năng lượng điện xoay chiều chuyển thành công suất tác dụng khi điqua các cuộn dây Ngoài ra công suất phản kháng là thành phần làm nóng cácmạch từ và làm lệch pha dòng điện so với điện áp trong mạch

Thực chất công suất phản kháng là thành phần có lợi nhiều hơn có hại,

nó được tiêu thụ bởi các cuộn cảm trong đa số các thiết bị điện Trong thực tếcông suất phản kháng được tiêu thụ ở động cơ không đồng bộ, máy biến áp,trên đường dây điện và mọi nơi có từ trường và nó được sinh ra từ nguồnđiện của các máy phát và từ nguồn dung kháng trong mạch điện Khác vớicông suất tác dụng, công suất phản kháng có thể phuc hồi sau khi đã hấp thụ

2 Bản chất của công suất phản kháng.

Ta xét mạch điện bao gồm các thành phần R-L-C như hình vẽ

Ta xét quan hệ hiệu hiệu dụng giửa I và U

Tổng trở của mạch được tính:

(X X ) Z R

C L R

U U

i(t) = Imsin(ωt – φ)

Hay có thể viết lại:

) cos sin

) 2 / sin(

sin cos

sin

'' =I ϕ × ωt =I ϕ ωt− π

Như vậy, dòng điện I là tổng của hai thành phần:

i’ có biên độ Imcosφ cùng pha với điện áp

i” có biên độ Imsinφ chậm pha với điện áp một góc π/2

Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i” là:

P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng (1-7)

Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng (1-8)

Tổng công suất của mạch là:

Trong thực tế, mạch tải điện xoay chiều luôn luôn có mặt đầy đủ cácthành phần R, L, C và dòng điện luôn bị lệch pha so với điện áp

Từ (1-7) và (1-8) ta có thể viết lại:

ϕ

cos

S

ϕ

sin

Tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến trong mạch gọi

là hệ số công suất Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số

công suất là cosin của góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp của dòng xoaychiều Hệ số công suất bằng 1 khi điện áp và dòng điện cùng pha, và bằng 0khi dòng điện nhanh hoặc chậm pha so với điện áp 90o Nhìn vào hệ số côngsuất ta có thể thấy được hiệu quả của phụ tải Đối với hai hệ thống truyền tảiđiện với cùng công suất thực, hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn sẽ códòng điện xoay chiều lớn hơn vì lý do năng lượng quay trả lại nguồn lớnhơn Dòng điện lớn hơn trong hệ thống thực tế có thể tạo ra nhiều thất thoathơn và làm giảm hiệu quả truyền tải điện năng Tương tự, đoạn mạch có hệ

số công suất thấp hơn cũng sẻ có công suất biểu kiến cao hơn và nhiều thấtthoát năng lượng hơn với cùng một công suất thực được truyền tải Cũngchính vì vậy mà ngành điện lực đặt ra quy định bắt buộc cho các hộ phụ tảiphải giữ cho hệ số công suất từ mức 0,9 trở lên

3 Ảnh hưởng của công suất phản kháng đến điện áp và hoạt động của hệ thống điện.

Tổn thất điện áp của mạng truyền tải được tính theo công thức:

2

2 ( os )

II BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG.

Quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây cao áp liên quanđến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây Điện trường của đườngdây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây đượckhống chế trong giới hạn cho phép (thường là ±10%), song từ trường lạithay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây

- Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn

vị chiều dài của một pha đường dây là:

- Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định

như là hiệu giữa công suất điện trường và từ trường:

Q = QE - QM = 3.ω.C.Uf2.l - 3.ω.L.I2.l

2 2

Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN Đối với đường dây dàihữu hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trởsóng XC của đường dây Đây là chế độ tải công suất tự nhiên Trong trườnghợp này, đường dây cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phảnkháng.

1 Bù dọc và bù ngang trên đường dây cao áp.

Các đường dây cao áp có chiều dài lớn thường được bù thông số thông quacác thiết bị bù dọc và bù ngang Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị

bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọcđường dây Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn địnhđộng, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điệnmột cách linh hoạt và hiệu quả hơn Đây là biện pháp rất cần thiết cho cácđường dây cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiềudài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở nước ta

1.1 Bù dọc

Trị số cảm kháng lớn của đường dây cao áp làm ảnh hưởngxấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như:góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điệnnăng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuốiđường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điệncảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện Giải phápnày được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây Qua đógiới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên.Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng

cao thêm đường cong công suất điện từ.

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng củamạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC) Giả sử góc lệch φ giữa dòngđiện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp

U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha δ giữa vectơ điện áp giữa hai đầuđường dây giảm xuống khá nhiều Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bùdọc:

 Ổn định điện áp:

- Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải

- Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn

 Ổn định về góc lệch δ:

- Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nângcao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện

- Làm tăng giới hạn công suất truyền tải của đường dây:

Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là:

Ta có giới hạn công suất truyền tải là:

k = (XL - XC)/XC

Hiệu quả của bù dọc trên đường dây cao áp

 Giảm tổn thất công suất và điện năng:

- Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phảnkháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây

- Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC:

100%

C C

L

X K

Dòng điện I1 của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dungđường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau Nhờ đó mà công suất phảnkháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể

hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây.

Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rấtquan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây cao áptrong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải của đườngdây

- Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạchthì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổnthất điện trở của đường dây và máy biến áp Để khắc phục sự quá áp và quátải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây

- Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản khángtrên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây Để đảm bảo được trị

số cosφ cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đườngdây để tiêu thụ công suất phản kháng

- Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh rarất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo = 1MVAR/km) nên taphải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượngcông suất phản kháng này Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bùngang từ 200 - 500km

 Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải đượctính gần đúng như sau:

2 0

!

Udd: Điện áp danh định của đường dây

l: Chiều dài của đường dây

Đặc trưng cho mức độ bù ngang trên đường dây là hệ số KL:

QL: Công suất phản kháng của kháng bù ngang

QC: Công suất phản kháng của điện dung đường dây phát ra

2 Vai trò của bù công suất phản kháng.

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ lớn nhất của hệ thống điện

do đó giảm được dự trử công suất tác dụng, tăng độ tin cậy của hệ thống

- Giảm nhẹ tải của máy biến áp trung gian và đướng trục trung áp do giảmđược yêu cầu công suất phản kháng

- Giảm tổn thất điện năng

- Cải thiện chất lượng điện áp trong hệ thống lưới phân phối cũng như hộtiêu thụ

3 Thiết bị bù công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải điện.

a Thiết bị bù không điều khiển.

- Bù dọc không điều khiển

- Bù ngang không điều khiển

b Thiết bị bù có điều khiển.

- Thiết bị bù dọc có điều khiển TCSC

- Bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor SVC

- Thiết bị bù tĩnh STATCOM

- Thiết bị điều khiển dòng công suất UPEC

- Thiết bị điều khiển góc pha bằng Thyristor TCPAR

- Kháng bù ngang có điều khiển CSRT

III KHÁNG BÙ NGANG CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU BIẾN ÁP.

1 Nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp

Sơ đồ nguyên lý và mạch điện thay thế một pha của kháng bù ngang

có điều khiển kiểu biến áp trên hình sau Điện áp trên 3 cuộn dây tương ứng:cuộn lưới Uf, cuộn bù U3 và cuộn điều khiển U2 Cả ba điện áp này đồng phanhau do cùng được quấn chung trên một trụ của lõi thép Tương ứng 3 dòngđiện tại cùng thời điểm là dòng điện cuộn lưới I1, dòng điện cuộn bù I’3 (quyđổi về cuộn lưới là I3) và dòng điện cuộn điều khiển I’2 (quy đổi về cuộn lưới

là I2) Số vòng dây 3 cuộn lần lượt là W1, W3 và W2 Công suất 1 pha củacuộn dây lưới :

Phía hạ áp là: Sra = S3 + S2 =U3.I’3 + U2.I’2 (3.2)

Bỏ qua tổn thất công suất trong kháng thì:

Svào = Sra ↔ Uf.I1 = U3.I’3 + U2.I’2 (3.3)

Ở chế độ làm việc bình thường khi điện áp lưới Uf = const thì U2 =f(α); I2 = f(α) với αlà góc mở các van T, từ (2) ta thấy dòng điều khiển I1luôn phụ thuộc vào I2: I1 = f(I2) hay nói cách khác ta cần điều khiển dòng I2 -theo hàm yêu cầu khi phụ tải trên đường dây thay đổi

Trong chế độ không tải dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ra(IC) lớn nhất làm cho điện áp ở cuối đường dây dài tăng cao, nên ta cần bùdòng kháng I1 cực đại mang tính cảm để khử dòng dung tương ứng Theoquan hệ (3.3) thì dòng điều khiển qua van I2 lúc này cũng cực đại, ứng vớigóc mở αmin Ở chế độ tải bằng tự nhiên (Ptn) dòng điện trên đường dây dodung dẫn tạo ra (IC) bằng với dòng điện IL (dòng điện cảm đặc trưng chocông suất phản kháng trên đường dây khi có tải) IC = IL (Qc= QL đường dây

tự bù 100%) Khi đó ta chỉ cần bù dòng kháng I1 nhỏ, lúc này dòng điện qua

cuộn lưới của kháng là cực tiểu (I1=I1.min) Theo quan hệ (3.3) thì dòng quacuộn điều khiển và qua van I2 lúc này cũng cực tiểu, ứng với góc mở αmax(T1 và T2 đóng hoàn toàn).

Còn ở chế độ khi làm việc với tải trong khoảng từ 0 đến Ptn thì dòngđiện trong cuộn điều khiển W2 có quan hệ hàm số với góc mở van I2= f(α)

2 Yêu cầu của bộ điều khiển và xây dựng hàm điều khiển cho kháng bù ngang.

Khảo sát sơ đồ nguyên lý của kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến

áp như hình Các tín hiệu phản hồi dòng điện, điện áp, góc lệch pha giửadòng và áp trên lưới điện được chuyển về bộ điều khiển xử lý để đáp ứngđầu ra tốt nhất, điều chỉnh góc mở van điều khiển nhằm thay đổi dòng điện(Ik) trong cuộn dây lưới của kháng khi công suất truyền trên đường dây (P)thay đổi

Công suất kháng dư do đường dây sinh ra khi có tải:

Kháng bù ngang có điều khiển

sơ đồ nguyên lý

sơ đồ một pha tương đương

tn s

tn tt

dt

d

p

p P

Q

Q

Trong đó:

+ Ptn là công suất tự nhiện của đường dây

+ P công suất truyền tải trên đường dây

+ Qdt công suất điện trường do dung dẫn đường dây Cd sinh ra

+ Qtt công suất từ trường trên đường dây do dòng tải I gây ra trên điệncảm Ld

Để thảo mãn bù 100% công suất phản kháng dư trên đường dây, tức làđảm bảo với mọi giá trị P thì Qdt = Qtt + Qk (ở dây giả thiết là công suất phảnkháng của tải Q đã được bù hết ở cuối đường dây Q = P.tagφ = 0 và U ≈const), khi đó hàm điều khiển của bù ngang là:

2 2

1 1

p

Khi điều khiển kháng theo hàm (3.5), để bù 100% công suất phảnkháng trên đường dây sể cho phép tối ưu hóa tổn thất công suất trên đườngdây Trong chế độ không tải, dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ralàm cho điện áp ở cuối đường dây dài tăng cao, cho nên cần có dòng kháng Ik

mang tính cảm để khử dòng dung tương ứng, lúc này dòng điện Ik qua cuộnlưới của kháng cần đạt giá trị lớn nhất Theo sơ đồ trên thì dòng điều khiển

IDK lúc này cũng phải cực đại, ứng với góc mở thyristor (T) là nhỏ nhất (αmin).Khi truyền tải công suất tự nhiên (Ptn) dòng điện trên đường dây do dung dẫntạo ra IC bằng với dòng điện cảm đường dây (IC = IL với IL đặc trưng cho tổnthất công suất phản kháng ∆QL trên đường dây) làm cho thành phần phảnkháng sinh ra bằng 0 (tự bù 100%) Khi đó kháng bù ngang không cần bùnửa, dòng điện qua kháng IK lúc này cần cực tiểu, ứng với góc mở Thyristorcực đại (αmax)

Trong chế độ làm việc với công suất tải trên đường dây biến thiên từ 0đến Ptn thì dòng điện trong cuộn điều khiển có quan hệ hàm số với góc mởvan IDK = f(α) Khi công suất truyền tải thây đổi thì dòng cảm kháng trênđường dây IL cũng thay đổi trong phạm vi 0 dến IC, để bù lượng công suấtphản kháng dư trên đường dây thì kháng phải có dòng điện cảm Ik để cho tạinút đạt kháng luôn thỏa mãn phương trình: İL + İk = İC

Giảm dần Ik đồng nghĩa với việc giảm dòng điện ở cuộn điều khiển IDK, góc

mở α sẻ từ αmin tăng dần tới αmax Khi công suất trên đường dây giảm từ Ptn về

0 thì quá trình điều khiển kháng bù ngang được yêu cầu ngược lại

3 Bộ điều khiển cho kháng bù ngang.

3.1 Khối cảm biến đo lường.

Trong thiết bị điều khiển thường sử dụng TU, TI như những bộ khuếch đại,một số yêu cầu điều khiển chính xác hơn thì TU, TI được xét đến thời giantrễ do mạch từ và cũng có hằng số thời gian tương ứng: TU, TI Do đó ta cóhàm truyền đạt của 2 khối TU và TI và khối đo lệch pha như sau:

K G

I

s T

G

ϕ ϕ

1

=

3.2 Khối điều khiển Thyristor.

Đầu vào Ud phản hồi từ TU, đại lượng đầu ra là UDK >> Ud kể cả độ lớn vàcông suất nên bộ điều khiển thyristor có thể coi là khâu khuếch đại với hệ số

khuếch đại:

d

DK thy

du

du

K = Khâu khuếch đại bao gồm quá trình chuyễn mạch

của transistor biến áp xung, và thyristor là bộ trể với thời gian cực đại τ = fp1(p là tần số đập mạch của bộ điều chỉnh xoay chiều)

3

3

10 50 10

! 2

) (

! 1

3.3 Khối đối tượng là kháng bù ngang kiểu biến áp.

Khi thiết lập hàm truyền ta thấy các thành phần bậc 2 của cuộn bù

Zbu(S) rất nhỏ và chỉ có tác dụng trong các dòng điện bậc 3, 5, 7 nên ta có thể

bỏ qua các thành phần này

bu

bu bu

bu k

X sL R

X sL R sL

R X X

X X X

s

Z

+ +

+ +

+

= + +

=

) (

) (

)

(

2 2

2 2 1

1 2

2 1

) 1 (

) (

) 1 )(

(

2 3

3 2

2

2 3

3 2 2 1

+ +

+ +

+

+

=

bu bu bu

bu bu

bu bu bu

bu

C L s sC sL sC R sC sL R

C L s sC sL sC R sL R sL

Hệ số khuếch đại của kháng:

)) ( (

) ) ( (

3 3

3 3

2 2 2

1

.

s Z sL R

sL s Z R sL R C

+ +

(

1 ) (

) (

3

2 3

2 3

2 3 2

+ +

+

+

− +

+

−

=

bu bu

bu bu

bu bu

bu bu

bu

bu

C sR s C L C L

s C R C R s C L C L

k d k d d k

d

k d

ht

L C s

L L s L C L s L C s

sL sL

) (

+

+ +

= +

+

=Trong đó:

Ld: điện cảm của một nửa phân đoạn đường dây