Một số vấn đề về chất lượng điện năng khi điện khí hóa đường sắt ở việt nam

1 Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay, nhu cầu phát triển hộ tiêu thụ điện nước ngày đa dạng phong phú Ngành điện phải đối mặt với nhiều thử thách giai đoạn tái cấu ngành điện: đáp ứng đủ nhu cầu tải điện, xây dựng sở hạ tầng truyền tải, lưới phân phối, an ninh hệ thống, chất lượng điện cạnh tranh giá cả…Tất thử thách nhằm đáp ứng cho phát triển bền vững toàn diện hệ thống Việt Nam Trong đó, phát triển loại hình phụ tải đại ngày nhiều, nhạy cảm với chất lượng điện tác nhân gây nên suy giảm chất lượng điện kết nối lưới Trong năm gần đây, phát triển thyristor điện tử công suất lớn góp phần đáng kể đến giải pháp nâng cao ổn định hoạt động truyền tải điện Hơn nữa, số ứng dụng thyristor cơng suất lớn tạo dựng nên hệ thiết bị Hệ thống truyền tải linh hoạt xoay chiều hay gọi tắt thiết bị FACTS (Flexible Alternatng Current Transmission System) FACTS biết đến thiết bị bù tĩnh có điều khiển, đáp ứng nhanh cơng suất lớn, triệt têu sóng điều hòa, cản diệu dao động điện áp phục hồi điện áp động… Thế hệ thiết bị FACTS phân thành hai: hệ sử dụng thyristor (ví dụ: Cuộn kháng điều khiển thyristor – Thyristor Controlled Reactor (TCR), Giàn tụ điều khiển thyristor - Thyristor Controlled Capacitors (TSC)…) hệ dựa biến đổi nguồn (ví dụ: Bộ bù đồng - Static Synchronous Compensator (STATCOM), Bộ bù đồng nối tiếp - Static Synchronous Series Compensator (SSSC), Điều khiển hợp dòng cơng suất -Unified Power Flow Controller (UPFC), Phục hồi điện áp động - Dynamic Voltage Restors (DVR) …) Cả hai hệ đáp ứng yêu cầu sử dụng ba trạng thái hoạt động hệ thống là: trạng thái xác lập, trạng thái cố sau cố Tuy nhiên, hệ dựa biến đổi nguồn tối ưu hơn: tác động nhanh hơn, phạm vi ứng dụng tác động thiết bị xác hơn… Trong luận văn đặc thù phụ tải (giao thông đường sắt chạy điện) yêu cầu cải thiện tác động phụ tải đến hệ thống Vì vậy, việc chọn lựa thiết bị để nâng cao chất lượng điện so sánh đánh giá khả vượt trội so với thiết bị hệ thiết bị sử dụng cho mục đích Do đó, thiết bị Bộ bù đồng - Static Synchronous Compensator (STATCOM) thiết bị kỹ thuật có nguyên lý làm việc máy bù đồng dựa biến đổi nguồn Chính nhờ khả nên STATCOM có khả trao đổi cơng suất kháng công suất tác dụng dễ dàng cần, thơng qua việc điều khiển STATCOM làm thay đổi tham số hệ thống điện 1.2 Tính cấp thiết đề tài Theo định gần Thủ tướng Chính phủ Việt Nam số 06/2011/QĐ – TTg ngày 24/01/2011 dự thảo trình Chính phủ Việt Nam tháng 9/2012, 10/2013 cho nghiên cứu phát triển giao thông đường sắt Việt Nam giai đoạn trước 2020, giai đoạn 2020 đến 2030 tầm nhìn 2030 – 2050, với hàng loạt dự án đường sắt chạy điện dự kiến thi công thi công đưa vào hoạt động trước năm 2020 tuyến đường sắt đô thị nước Ở Thủ Đơ Hà Nội có: Nhổn – ga Hà Nội – Hoàng Mai, Ngọc Hồi – ga Hà Nội – Yên Viên – Như Quỳnh, Cát Linh – Hà Đông (dự kiến 2015 vận hành kỹ thuật), Đông Anh – Mê Linh Ở Thành phố Hồ Chí Minh có: Bến Thành – Suối Tiên (dự kiến 2017), An Sương – Bến Thành – Thủ Thiêm, Quốc lộ 13 – Bến xe Miền Đông – Tân Kiên, cầu Bến Cát – Nguyễn Văn Linh, Bà Quẹo – Phú Lâm, cầu Sài Gòn – Bến xe Cần Giuộc… Đặc biệt, nước có dự án đường sắt tốc độ cao (trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi), riêng phía Nam có Nha Trang - Tp.HCM, Tp.HCM - Cần Thơ, Biên Hồ – Vũng Tàu, Sài Gòn - Lộc Ninh, phía Bắc có n Viên – Phả Lại – Hạ Long – Cái Lân, Lào Cai – Hà Nội – Hải Phòng Tất tuyến đường sắt tốc độ cao dự kiến hoạt động cấp điện áp 25kV/50Hz Như tương lai phát triển đường sắt chạy điện tiềm Hiện nay, giới giao thông đường sắt chạy điện phân thành hai loại: chiều (DC – 750, 1500, 3000V) xoay chiều (AC – 15kV/16,7Hz hay 25Hz 25kV/50Hz hay 60Hz) Đối với hệ thống giao thông sức kéo điện DC chủ yếu cung cấp hệ thống lưới điện AC chuyển đổi thành DC qua chỉnh lưu điện tử công suất Giao thông sức kéo điện AC hạ áp trực tiếp từ lưới điện cao áp (220kV 110kV/25kV, 50Hz hay 60Hz) phụ tải đặc biệt quan tâm chúng gây nên vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng điện như: đối xứng pha lưới điện ba pha cung cấp, lan truyền sóng hài bậc cao, ổn định điện áp, tần số v.v Nếu trước Việt Nam chất lượng điện quan tâm chủ yếu nhà máy điện phụ tải cơng nghiệp nặng (các xí nghiệp, nhà máy trang bị thiết bị điện tử công suất lớn: lò hồ quang điện, nhà máy thép, xi mạ…) Thì nay, loại hình phụ tải (giao thơng đường sắt chạy điện) vào hoạt động Việt Nam thử thách lớn cho kỹ sư ngành điện quan tâm đến vấn đề chất lượng điện Tại Việt Nam, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu loại hình phụ tải đặc biệt vấn đề ảnh hưởng chúng hệ thống điện Ảnh hưởng tải giao thông đường sắt chạy điện đến chất lượng điện mục têu cần phải sớm nghiên cứu trước xem xét dự án giao thông đường sắt chạy điện nhằm đưa giải pháp, định hướng đầu tư khoa học kỹ thuật, sở hạ tầng thích hợp nhất, sớm có lợi cho quốc gia việc nâng cao CLĐN điện khí hoá đường sắt Việt Nam 1.3 Mục tiêu Phân tích vấn đề chất lượng điện điện khí hóa đường sắt Việt Nam Ưu tiên giải vấn đề đối xứng ba pha hệ thống cung cấp nguồn kết nối tải giao thông đường sắt chạy điện 25kV AC tần số công nghiệp, biện pháp sử dụng STATCOM dựa biến đổi nguồn áp 1.4 Nội dung nghiên cứu đề tài Tổng quan chất lượng điện hệ thống điện tượng ảnh hưởng, nguyên nhân giải pháp hạn chế ảnh hưởng chúng thiết bị, hệ thống Trình bày tổng quan hệ thống giao thông đường sắt chạy điện (ĐSCĐ) chiều (DC) xoay chiều (AC) Trên sở đó, phân tích vấn đề chất lượng điện đường sắt chạy điện AC tần số cơng nghiệp (điện áp, đối xứng ba pha, sóng điều hòa bậc cao tần số) Nghiên cứu giải vấn đề đối xứng ba pha kết nối tải ĐSCĐ xoay chiều pha tần số công nghiệp vào hệ thống điện STATCOM thiết bị chọn lựa sử dụng với mục đích giảm đối xứng ba pha Mô ứng dụng STATCOM sử dụng phần mềm Matlab/Simulink 7.11 so sánh với tiêu chất lượng điện 1.5 Giá trị thực tiễn đề tài Giới thiệu quan điểm khoa học dựa nghiên cứu nâng cao chất lượng điện (CLĐN) Kết nghiên cứu có tính khoa học ứng dụng cao bối cảnh Việt Nam, số dự án đường sắt tốc độ cao sử dụng nguồn điện xoay chiều 25kV tần số công nghiệp nghiên cứu xây dựng Việt Nam Ứng dụng STATCOM giải vấn đề CLĐN hệ thống điện, đảm bảo têu chuẩn cho phép CLĐN đáp ứng xu hướng phát triển chung khoa học kỹ thuật nâng cao CLĐN hệ thống điện Giải pháp đưa lời giải đáp tối ưu cho khúc mắc ảnh hưởng tải đến CLĐN hệ thống điện hướng tích cực cho việc thúc đẩy đầu tư, xây dựng phát triển hệ thống giao thông ĐSCĐ xoay chiều tương lai gần 1.6 Kết cấu đề tài Đề tài thực gồm có chương sau: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Những vấn đề chất lượng điện hệ thống điện Chương 3: Tổng quan giao thông đường sắt chạy điện Chương 4: Đặc điểm chất lượng điện giao thông đường sắt chạy điện Chương 5: Giải pháp nâng cao chất lượng điện đường sắt chạy điện - bù đối xứng dựa STATCOM khả ứng dụng Việt Nam Chương 6: Kết luận chung CHƯƠNG NHỮNG VẤN ĐỀ VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN Quan niệm chất lượng điện (CLĐN), M.M Morcos J.C Gomez xem vấn đề CLĐN hàng loạt vấn đề xuất yếu tố bất thường sai lệch điện áp tần số gây nên thiệt hại đến thiết bị sử dụng điện khách hàng T.J Browne G.T Heydt xem CLĐN hệ thống nguồn công suất điện cung cấp cho tải tiêu thụ điện khách hàng mà thất bại R.C Dugan, Mc Granaghan, S Santoso H.W Beaty minh hoạ cho CLĐN đặc điểm hoạt động phân phối liên quan đến điện áp, dòng điện tần số mà hậu gây nên hư hỏng rối loạn thiết bị đầu cuối Đối với Barry W Kennedy A.Baggini CLĐN cụ thể tượng nguyên nhân gây ảnh hưởng CLĐN kinh tế CLĐN bên cạnh giải pháp 2.1 Những vấn đề chung chất lượng điện 2.1.1 Chất lượng điện yêu cầu nâng cao chất lượng điện Chất lượng điện (CLĐN) xác định từ hai quan niệm khác nhau, tuỳ thuộc vào yêu cầu cung cấp tiêu thụ điện CLĐN nhà máy phát thường quan tâm đến khả máy phát để tạo điện tần số yêu cầu (50Hz 60Hz) biến đổi nhất, CLĐN truyền tải phân phối quan tâm đến giới hạn điện áp cho phép biến đổi ± 5% CLĐN gần hệ thống phân phối chủ yếu nhấn mạnh vào vấn đề như: dạng sóng sin tuyệt đối, khơng có biến động điện áp Trong thập niên gần đây, phát triển đa dạng thiết bị công nghệ đại sử dụng điện làm thay đổi đáng kể quan niệm CLĐN Cung cấp CLĐN cho nhu cầu kỷ 21 yếu tố quan trọng tổng thể lưới điện đại Quan niệm CLĐN dần thay đổi không kỹ sư điện mà người tiêu dùng điện Trên nguồn điện gọi “sạch” đảm bảo khơng có biến dạng sóng sin dòng điện điện áp tần số Đây dạng sóng sản xuất nhà máy điện máy phát điện, việc truyền tải, phân phối tiêu thụ lưới điện mặt chủ quan khách quan tác động đến Các nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu CLĐN cụ thể kết nối lưới với máy phát, thiết bị điện, điện tử (thiết bị điện tử vi xử lý, công nghiệp tự động hố, máy chuẩn đốn y khoa…) Các tượng có là: độ, gián đoạn, thấp áp, cao áp, dao động điện áp, méo dạng sóng, biến đổi tần số đối xứng… Chính vấn đề không giải triệt để nguyên nhân trực tếp tác động trở lại thiết bị tiêu thụ điện khác với yêu cầu CLĐN cao Mức độ cung cấp CLĐN từ “tiêu chuẩn” đến cấp độ “cao cấp” tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng Chất lượng điện gây tổn thất không riêng kỹ thuật công nghệ, tổn thất kinh tế mà ảnh hưởng đến mơi trường truyền tín hiệu Ngày nay, mục tiêu CLĐN trở nên cụ thể ràng buộc (kinh tế, kỹ thuật hình phạt) liên quan phía cung cấp bên sử dụng dựa têu chuẩn đánh giá chất lượng Mối quan tâm nâng cao CLĐN môi trường điện bao gồm cấp: truyền tải, phân phối têu thụ điện, thông thường 40% vấn đề CLĐN liên quan đến cung cấp điện từ phụ tải dân dụng, 60% liên quan đến phụ tải công nghiệp công cộng Hiện nay, bốn yếu tố hình thành gia tăng nhu cầu giải ngăn ngừa vấn đề CLĐN: gia tăng thiết bị sử dụng điện nhạy cảm với CLĐN, gia tăng thiết bị điện gây nên vấn đề CLĐN, kết nối lưới hay kết nối hệ thống điện phát triển thị trường điện cạnh tranh Do đó, vấn đề CLĐN trở thành mối quan tâm nhà nghiên cứu thiết kế Nó việc khảo sát, đo lường đến giải pháp ứng dụng thiết bị công nghệ nhằm đưa giải pháp tối ưu 2.1.2 Một số tượng vấn đề CLĐN 2.1.2.1 Quá độ Thường coi nguy hiểm xáo trộn điện năng, có hai loại độ: độ xung độ dao động - Quá độ xung: nguyên nhân sét, thời gian nano giây (ns) đến 50ns Làm hư hỏng thiết bị điện - Quá độ dao động: nguyên nhân gây thườ ng đáp ứng cục đóng cắt giàn tụ lớn Dao động tần số 5KHz đến 5MHz, thời gian gian 5micro giây đến 50ms 2.1.2.2 Gián đo ạn Gián đoạn định nghĩa hồn tồn điện áp dòng cấp cho tải Tuỳ thuộc vào thời gian nó, phân thành sau: - Gián đoạn điện áp ng ắn hạn: đóng mở thiết bị tự động bảo vệ lưới điện, cố sứ cách điện, chống sét van Thời gian khoảng vài mili giây đến giây - Gián đoạn điện áp dà i hạn: cố lỗi thiết bị mạng lưới, thiên tai, lỗi cố người hư hỏng thiết bị bảo vệ Thời gian lớn giây (có thể lên đến phút lớn phút thường gián đoạn trì) Hậu ngừng tất thiết bị 2.1.2.3 Võng điện áp - Thấp điện áp - Võng điện áp: do lỗi hệ thống th ường chuyển đổi tải dòng khởi động tải lớn, mức độ giảm khoảng 0.1 đến 0.9 giá trị định mức Thời gian 0.5 đến 30 chu kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5 giây) đến giây dài hạn từ giây kéo dài đến phút Các ảnh hưởng hệ thống tạm dừng, liệu, tắt máy - Thấp điện áp: lỗi hệ thống thườ ng chuyển đổi khởi động dòng tải lớn, thời gian xảy lớn phút, sụt giảm từ 0.8 đến 0.9 giá trị định mức Các ảnh hưởng hệ thống tạm dừng, liệu, tắt máy Đặc biệt ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ động điện, tải phi tuyến phát nhiệt 2.1.2.4 Tăng cao điện áp - Quá điện áp - Tăng cao điện áp: trở kháng lớn kết nối trung tính, đột ngột giảm tải (đặc biệt lớn) lỗi pha hệ thống ba, gia tăng tức thời từ 1.1 đến 1.8pu giá trị điện áp AC xảy thời gian 0.5 đến 30 chu kỳ, ngắn hạn 30 chu kỳ (0.5 giây) đến giây (1.1pu – 1.4pu) dài hạn từ giây kéo dài đến phút (1.1pu – 1.2pu) Ảnh hưởng xảy lỗi liệu, giảm tuổi thọ vật liệu cách điện, công tắc điện, linh kiện bán dẫn, nhấp nháy ánh sáng… - Quá điện áp: hình thức tăn g cao điện áp với thời gian trì lớn phút, tăng 1.1 đến 1.2pu giá trị điện áp AC tần số Các nguyên nhân sa thải phụ tải có tính cảm ứng lớn động AC, máy biến áp đóng giàn tụ lớn vào hệ thống cách đột ngột Ảnh hưởng đến máy cắt phía hạ thế, phát nóng, hư hỏng thiết bị… 2.1.2.5 Dao động điện áp Là sự biến đổi dị thường dạng sóng điện áp tần số thấp, thường nhỏ 25Hz, tăng giảm cách ngẫu nhiên từ 95 – 105% điện áp định mức Ảnh hưởng đến số thiết bị nhạy cảm y khoa, làm nhấp nháy ánh sáng mắt thường quan sát 2.1.2.6 Méo dạng sóng Là biến đổi trạng thái từ dạng sóng sin lý tưởng tần số sang dạng tuần hồn khơng sin Nguyên nhân tải phi tuyến, tồn năm loại méo dạng sóng sau: Một chiều, sóng hài, đa hài, nhiễu loạn tạp âm 2.1.2.7 Biến đổi tần số 10 Biến đổi tần số hay dao động tần số tượng hệ thống điện ổn định, đặc biệt hệ thống hoà lưới chung hệ thống mạng lưới điện Tần số định mức hệ thống điện 50Hz (60Hz) Dao động cho phép phạm vi ±0,2Hz tần số điều kiện bình thường ±0,5Hz điều kiện chưa ổn định, thời gian cho phép 10 giây Tần số có liên quan trực tiếp đến tốc độ động Trong trường hợp vượt qua giới hạn cho phép gây sụp đổ hệ thống hay thác tần số 2.1.2.8 Mất đối xứng ba pha Mất đối xứng biến đổi điện áp (dòng điện) lệch khỏi trạng thái cân bằng, trường hợp đối xứng ba pha điện áp cân biên độ (mơ- đun) góc lệch pha 120° Mất đối xứng loại méo dạng sóng, nhiên vấn đề nghiêm trọng CLĐN cần phải nghiên cứu Các nguyên nhân lưới điện ba pha đối xứng cố đường dây, sử dụng tải pha lò hồ quang điện, giao thơng sức kéo điện xoay chiều tần số công nghiệp Tác hại đến động không đồng bộ, đồng bộ, đường dây phần tử khác, giảm hiệu suất nguồn 2.1.3 Hệ thống tiêu chí đánh giá CLĐN Sự phát triển ngành công nghiệp điện thị trường tiêu thu điện (khách hàng) cần có thoả thuận chung chất lượng phục vụ điện Đó lý yếu để đưa tiêu chuẩn chất lượng cho tất vấn đề CLĐN Các tổ chức chịu trách nhiệm cho phát triển tiêu chuẩn CLĐN giới bao gồm: Uỷ ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC), Tiêu chuẩn Châu Âu (EN), Tiêu chuẩn Nam Phi (ESKOM), tổ chức Hoa Kỳ: Viện kỹ nghệ Điện Điện tử (IEEE), Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ (ANSI), Viện Tiêu chuẩn Công nghệ (NIST), Hiệp hội nhà sản xuất điện Quốc gia (NEMA), Viện nghiên cứu Điện lực (EPRI) Dưới bảng biểu giới thiệu tiêu chuẩn cho vấn đề CLĐN: 132 Bảng 5.9 Kết mô trường hợp A2 trước sau bù đối xứng dòng CÁC TRƯỜNG HỢP A2 A2.1 ��� (MVA) 10 �� (MVA) ������ � 0.9 10 ����� � �0.9 400 ��� (A) �� (A) 400 94.4755 �� (A) trước bù �� (A) trước bù 45.7566 ��� 100% (trước bù) 48.432210 �� (A) sau bù 100.1471 0.433755 �� (A) sau bù ��� 100% (sau bù) 0.433117 S bù (MVA) 12.517798 A2.2 14 ������ � 0.9 20 ����� � 0.9 560 800 178.454 31.4918 17.647059 179.967 0.726294 40357 19.804917 A2.3 16 ������ � 0.9 ����� � 1.0 640 200 108.203 61.4337 56.776134 115.7429 0.534466 0.461770 13.948477 A2.4 10 ������ � 0.8 20 ������ � 0.75 400 800 157.349 52.8147 33.565244 162.488 0.327489 0.201547 29.500000 Trong trường hợp A2.1, tải hai pha song tải pha trái trể pha góc � �� � 25.84� tải pha phải sớm pha góc �� � 25.84�, tức dòng có mô –đun ��� � �� � 400� khác pha Tuy nhiên, phía sơ cấp xảy đối xứng mơ- dun lẫn góc pha, số đối xứng k2i=48.43% Công suất ngắn mạch Scc=0.19813GVA, hệ số điều khiển b1=0.0814, b2=0.0182, kết sau bù có là: số đối xứng k2i=0.43317%