Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết tập trung tập trung đánh giá hiệu quả của phương pháp cân bằng pha, sử dụng các phần tử kháng, sử dụng công cụ mô phỏng hệ thống điện PCSCAD.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 001-005 Nghiên cứu phương pháp cân pha lưới điện làm việc chế độ không đối xứng sử dụng phần tử kháng hệ thống điện Asymmetrical Load Balancing using Reactive Components Nguyễn Quốc Minh*, Võ Tá Đông, Nguyễn Duy Minh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 24-5-2018; chấp nhận đăng: 28-9-2018 Tóm tắt Đối với vận hành hệ thống điện thực tế, tình trạng làm việc đối xứng xuất vài nguyên nhân Một số nguyên nhân liên quan trực tiếp đến cấu trúc bất đối xứng phần tử hệ thống điện, kể đến đường dây tải điện không, máy biến áp Sự bất đối xứng cấu trúc gây nên bất đối xứng điện áp rơi pha Tuy nhiên, nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tình trạng làm việc đối xứng phụ tải không đối xứng Trong lưới phân phối, phụ tải xuất dạng pha pha pha, nhiên, tình trạng phụ tải không đối xứng thường phụ tải pha công suất lớn Khi hệ thống điện làm việc chế độ khơng đối xứng xuất thành phần dòng, áp thứ tự nghịch thứ tự không bên cạnh thành phần thứ tự thuận Các thành phần có ảnh hưởng xấu đến làm việc thiết bị điện, đặc biệt động cơ, làm gia tăng phát nóng giảm tuổi thọ thiết bị, tăng tổn thất công suất tổn thất điện năng, giảm hiệu suất truyền tải Nghiên cứu tập trung đánh giá hiệu phương pháp cân pha, sử dụng phần tử kháng, sử dụng công cụ mô hệ thống điện PCSCAD Từ khóa: hệ thống điện, cân pha, phần tử kháng Abstract In practical three-phase power systems, unbalance operating condition is normally caused by several factors Some factors are directly related to the asymmetrical structure of the power grid, such as overhead transmission lines, transformers, which leads to different voltage drops at each phase However, the most accountable factors contributed to the unbalance condition of the network is the load diversity In typical power distribution systems, loads can be connected in three-phase, single phase between two lines or single phase between line and neutral Unbalance loads can range from several kW to MW levels such as furnace or electric rail track Under heavy unbalance load condition, the significant amount of negative voltage and current sequences can cause negative impact on the power systems by introducing more heat losses in windings, damaging rotating machine and reducing efficiency Recent studies show that unbalance operating condition caused by asymmetrical load can be compensated by using reactive elements [1-4] In this paper, the effect of using reactive components will be examined in detail The simulation will be performed in PSCAD for validation of the method Keywords: power systems, unbalance load compensation, reactive elements Tổng quan xứng hóa Tuy nhiên, ngun nhân tình trạng làm việc không đối xứng hệ thống điện, khơng tính đến cố, tải khơng cân Các phụ tải khơng đối xứng xuất dạng phụ tải pha phụ tải pha với công suất biến thiên từ vài chục W kW, thông thường kết nối mạng hạ áp trung áp Đặc biêt, số phụ tải công nghiệp công suất lớn (~MW) kết nối với mạng lưới điện cao áp trung áp thiết bị hàn, lò cao tần v.v Sự cân dòng điện điện áp gây phụ tải công nghiệp thường kèm với vấn đề chất lượng điện sóng hài, sụt giảm điện áp [1] Trong điều kiện hoạt động bình thường hệ thống điện, thơng số dòng điện điện áp xem hệ thống đối xứng Tuy nhiên thực tế vận hành, dòng áp bị đối xứng nhiều nguyên nhân khác Nguyên nhân kể đến gây cân pha cấu trúc bất đối xứng phần tử lưới, ví dụ đường dây Sự không đối xứng tổn thất điện áp khác pha dẫn đến cân điện áp Đối với đối xứng cấu trúc dây dẫn không khoảng cách pha khác nhau, sử dụng phương pháp hoán vị pha để đối * Sự cân pha tải không đối xứng sinh thành phần dòng điện thứ tự nghịch lớn, ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu làm việc Địa liên hệ: Tel: (+84) 913281695 Email: minh.nguyenquoc@hust.edu.vn * Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 001-005 thiết bị điện, thiết bị quay gây phát nóng rotor, gây rung lắc, dẫn tới giảm tuổi thọ thiết bị Dòng điện thứ tự nghịch xuất lưới gia tăng tổn thất công suất tổn thất điện năng, giảm hiệu suất truyền tải - Hệ thống điện áp pha: Ua = U U b = a 2U U c = aU Bên cạnh đó, thành phần dòng áp thứ tự nghịch gây ảnh hưởng đến làm việc số hệ thống bảo vệ (ví dụ bảo vệ khoảng cách), chuyển đổi ba pha (bộ chỉnh lưu ba pha, chuyển đổi AC-DC) v.v - Hệ thống dòng điện tải: load I aload = I ab − I caload = UYab (1 − a ) − UYca (a − 1) load I bload = I bcload − I ab = UYbc (a − a ) − UYab (1 − a ) (2) I cload= I caload − I bcload= UYca (a − 1) − UYbc (a − a ) Vì vậy, việc sử dụng biện pháp cân pha tải không đối xứng, nhằm làm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực thành phần dòng điện thứ tự nghịch cần thiết trình vận hành Một số phương pháp cân pha sử dụng kể đến phân chia phụ tải pha lưới hạ áp, kết nối phụ tải pha cấp điện áp cao hơn, sử dụng máy biến áp pha v.v Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm phải thay đổi cấu trúc lưới tải thay đổi, gây khó khăn q trình vận hành Một số nghiên cứu gần sử dụng phần tử kháng kết nối với lưới để làm giảm thiểu thành phần dòng điện thứ tự nghịch [2-5] Phương pháp có ưu điểm cài đặt vận hành đơn giản, dễ dàng điều chỉnh phụ tải thay đổi Nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiệu phương pháp cân pha sử dụng phần tử kháng điện - Hệ thống dòng điện bù: I acomp = I abcomp − I cacomp = UjBab (1 − a ) − UjBca (a − 1) I bcomp= I bccomp − I abcomp= UjBbc (a − a ) − UjBab (1 − a ) (3) I ccomp= I cacomp − I bccomp= UjBca (a − 1) − UjBbc (a − a ) - Hệ thống dòng điện đầu nguồn: = I a I aload + I acomp I b I bload + I bcomp = Theo yêu cầu tốn bù hệ thống dòng điện đầu nguồn phải hệ thống đối xứng, điều kiện tương đương với thành phần thứ tự nghịch khơng: I2 = Khơng tính tổng qt, giả thiết phụ tải pha kết nối dạng sơ đồ tam giác phụ tải đặc trưng tổng dẫn Thiết bị bù đấu nối theo sơ đồ tam giác bao gồm phần tử L C Việc tính tốn xác mạch điện ba pha khơng đối xứng tương đối phức tạp, yêu cầu phải biết thông số tồn lưới Trong thực tế thường yêu cầu đặt bù cục phân đoạn có phụ tải khơng đối xứng Do đó, để đơn giản hóa khối lượng tính tốn, giả thiết hệ thống điện áp pha chỗ đặt bù hệ thống đối xứng Với giả thiết vậy, việc tính tốn giá trị thơng số bù minh họa sau: I aload Ib load b Re( I ) = Im( I ) = loa b I c Yb c Ycaload loa I acomp (Gbcload − Gcaload ) load (Gcaload − Gab ) + load (Gab + − Gbcload ) load Babcomp = − Bab + I ccomp B c bc omp Bbccomp = − Bbcload b Ba comp I bcomp (6) Giải hệ phương trình (6) (7), ta thu thông số bù sau: d I cload Ic (5) Ta nhận thấy thông số thiết bị bù bao gồm ẩn số: Babcomp, Bbccomp Bcacomp, nhiên (6) có phương trình Vì muốn giải cần thêm phương trình điều kiện Trong thực tế, toán bù cân pha thường kết hợp thêm tiêu nâng cao hệ số cơng suất Vì vậy, ta thêm vào phương trình buộc hệ số công suất: (7) cos ϕ = Ya b ( I a + aI b + a I c ) = Do I2 số phức nên (5) tương đương với: d Ia (4) I c I cload + I ccomp = Cơ sở lý thuyết a (1) Bcacomp Bcacomp = − Bcaload Hình Sơ đồ mạch pha có phần tử bù (8) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 129 (2018) 001-005 Phương trình (8) cho phép xác định thông số thiết bị bù với mục tiêu giảm thiểu thành phần dòng điện thứ tự nghịch, kết hợp với tiêu hệ số công suất một, dựa thông số tổng dẫn phụ tải Trong thực tế việc đặc trưng phụ tải dạng tổng dẫn tương đối khó khăn đặc tính tĩnh động phụ tải đa dạng Vì vậy, phương trình (8) thường biểu diễn dạng tương đương theo dòng điện tải [4]: = B comp ab = Bbccomp = Babcomp Hình Sơ đồ mạch điện pha không đối xứng mô PSCAD 1 load load im ( I 2load ) im ( I1 ) − re ( I ) + 3U 3 (9) load load − im I re I ( ) ( ) 3U 3 Trị số dòng điện pha trước bù thể hình Tính tốn thơng số bù theo phương trình (9) thu Bab=8,327×10-3S, Bbc= -2,864×103S Bca=8,092×103S Do Bab Bca>0 nên phần tử bù mang tính dung kháng với giá trị điện dung tương ứng Cab=Bab/w=26,507µF, Cbc=Bbc/w=25,759µF; Bca