luận văn
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP I HÀ NỘI - - ðỒN VĂN ðIỆN NGHIÊN CỨU BÙ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ðIỆN TRONG MẠNG PHÂN PHỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hóa nơng nghiệp sản xuất nơng thơn Mã số: 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN QUANG KHÁNH HÀ NỘI - 2007 MỞ ðẦU ðặc điểm điện đặc tính phụ thuộc ñồng thời vào việc sản xuất, truyền tải, phân phối, nhà chế tạo thiết bị người vận hành sử dụng Chất lượng ñiện chủ đề có ý nghĩa chiến lược tồn ngành ñiện, từ nhân viên kỹ thuật vận hành, khai thác bảo dưỡng, quản lý tới nhà sản xuất chế tạo thiết bị… Do tính chất cạnh tranh kinh tế địi hỏi chất lượng điện phải ñược thường xuyên ñảm bảo tốt Hơn việc sử dụng ngày rộng rãi phụ tải nhạy cảm với chất lượng điện máy tính, thiết bị đo lường điều khiển, hệ thống thơng tin liên lạc địi hỏi phải ñược cung cấp ñiện với chất lượng cao Việc suy giảm chất lượng ñiện làm cho thiết bị vận hành với hiệu suất thấp, tuổi thọ bị giảm ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế, tài khơng những hộ dùng điện mà cịn ảnh hưởng trực tiếp tới Công ty sản xuất, quản lý truyền tải điện Phụ tải cơng nghiệp, nơng nghiệp, sinh hoạt, … lưới phân phối thường có hệ số cơng suất thấp Vì vậy, ngồi cơng suất tác dụng lưới điện cịn phải truyền tải lượng lớn công suất phản kháng Việc truyền tải làm tăng tổn thất ñiện phần tử chúng máy biến áp, động khơng đồng bộ, đường dây, … ðiều làm xấu tiêu kinh tế - kỹ thuật vận hành lưới ñiện làm xấu chất lượng ñiện áp hộ tiêu thụ điện Vì tốn giảm lượng cơng suất phản kháng truyền tải lưới điện nói chung lưới điện Cơng ty, Xí nghiệp nói riêng ln ln quan tâm thiết kế vận hành Một biện pháp giảm công suất phản kháng truyền tải lưới ñiện nâng cao chất lượng ñiện bù công suất phản kháng Tuy nhiên, việc tính tốn dung lượng bù, vị trí lắp đặt, phương pháp ñiều khiển dung lượng bù ñể cân tải, cản dịu dao ñộng công suất, trì điện áp định mức đem lại hiệu kinh tế cao toán chưa có lời giải xác Trong vấn đề bù cơng suất phản kháng mạng điện phân phối ñịa phương nước chưa ñược quan tâm cách ñúng mức.Việc lắp ñặt thiết bị bù thường giải pháp tình thế, khơng có tính tốn hợp lý Trạng thái làm việc q trình đóng cắt – q trình thường dẫn tới phá hỏng tụ xung ñiện áp dịng điện ðặc biệt hầu hết thiết bị bù khơng có cấu tự động điều chỉnh nên làm giảm hiệu bù, chí gây thiệt hại q bù Mục đích nghiên cứu luận văn: Trong phạm vi luận văn tác giả trình bày nghiên cứu tương tác thiết bị bù ñối với phần tử mạng ñiện, mơ q trình q độ đóng cắt tụ bù, nghiên cứu vấn đề bù cơng suất phản kháng nâng cao chất lượng ñiện phương pháp bù ứng động, phương pháp tính tốn bù cơng suất phản kháng, thuật tốn chương trình giải tốn bù cơng suất phản kháng máy tính điện tử áp dụng cho lưới phân phối nói chung ðối tượng phạm vi nghiên cứu: ðối tượng nghiên cứu chung ñề tài lưới ñiện phân phối thuộc phạm vi xây dựng, quản lý địa phương, có phương thức quản lý, vận hành ñộc lập Trong ñiều kiện thời gian hạn hẹp, tập trung nghiên cứu với lưới ñiện phân phối khu vực miền Bắc, lưới trung áp khơng cấp ñiện cho phụ tải thuộc khu vực công, nông nghiệp, có sơ đồ mạng hở mạng kín vận hành hở Ý nghĩa thực tiễn luận văn: Vấn ñề chất lượng ñiện lưới phân phối ñang mối quan tâm khơng ngành điện mà cịn hộ phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện cao, hàm lượng sóng hài ít, độ dao động điện áp thấp Việc áp dụng cơng nghệ bù ứng động vào lưới phân phối ñược triển khai nhiều nước giới ñã ñang ñược sử dụng hiệu ðối với Việt Nam áp dụng lưới truyền tải, với xuất phụ tải yêu cầu chất lượng ñiện áp cao ngày nhiều, thời buổi thị trường ñiện cạnh tranh Cùng với việc tương lai xuất thêm phụ tải ñặc biệt tàu ñiện ngầm nhà máy sản xuất thiết bị điện tử, bán dẫn Thì việc sử dụng cơng nghệ bù ứng động cho lưới phân phối tất yếu Kết nghiên cứu luận văn góp phần hỗ trợ tính tốn dung lượng bù cơng suất phản kháng tối ưu mạng điện Nội dung luận văn: Với mục tiêu nêu trên, luận văn trình bày chương: Chương Vai trị, đặc điểm chung lưới điện phân phối tiêu thụ công suất phản kháng Chương Mục tiêu lý thuyết bù công suất phản kháng cho phụ tải – số phương pháp tính tốn Chương Nghiên cứu ảnh hưởng qua lại thiết bị bù chế ñộ làm việc phần tử mạng điện Chương Ứng dụng cơng nghệ FACTS tự động điều chỉnh dung lượng cơng suất phản kháng Chương Tính tốn bù cơng suất phản kháng máy tính điện tử Chương ðánh giá hiệu kinh tế kỹ thuật Chương VAI TRÒ, ðẶC ðIỂM CHUNG CỦA LƯỚI ðIỆN PHÂN PHỐI VÀ SỰ TIÊU THỤ CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Vai trị, ñặc ñiểm chung lưới phân phối Ở Việt Nam, lịch sử phát triển, lưới ñiện miền khác lưới ñiện phân phối tồn nhiều cấp ñiện áp khác 6, 10, 15, 22 35 kV Trong lưới 22 kV chiếm tỷ lệ lớn 31,9%, tiếp ñến lưới 35 kV: 28,1%; lưới 15 kV: 20,2%; lưới 10 kV: 16% lưới kV chiếm 3,9% Lưới 22 kV ñược cải tạo lại xây dựng từ năm 1994 (theo ñịnh số: 149 NL/KHKT ngày 24/03/1993 Bộ Năng lượng) nên vận hành tương ñối ổn ñịnh xác suất cố xảy so với cấp ñiện áp khác Các ñường dây lại ña số ñược xây dựng từ lâu, tiết diện dây dẫn nhỏ bán kính cung cấp lớn điển hình lưới kV, 10 kV khơng cịn phù hợp với đặc điểm tình hình phụ tải nay, chất lượng ñiện áp cung cấp thấp cố thường xuyên xảy Hiện Công ty ðiện lực tồn quốc thực dự án nâng cấp cải tạo quy chuẩn lưới 22 kV ñây cấp ñiện áp phân phối [13] Hình 1.1 Cấu trúc lưới phân phối Nói chung lưới phân phối nước ta nhiều phức tạp, phương thức cấp ñiện hỗn hợp hai mơ hình cấp điện áp phân phối, hai cấp ñiện áp phân phối Việc phát triển lưới ñiện có tính chắp vá khó khăn tiền vốn, phụ tải phát triển nhanh ña dạng chưa có quy hoạch tổng thể Tương tác phụ tải hệ thống cung cấp chưa ñược quan tâm ñúng mức Ví dụ khu cơng nghiệp đóng tàu, luyện thép, tịa nhà thương mại có sử dụng số lượng lớn máy tính, điều hịa, máy photocopy, làng nghề, đầm ni tơm, tương lai hệ thống tàu điện ngầm… nơi có phụ tải làm ảnh hưởng trực tiếp suy giảm chất lượng cung cấp ñiện hệ thống, ñường dây cung cấp dài, mang tải lớn vượt khả cung cấp cấp điện áp sử dụng Ngồi thiết bị vận hành lưới phân phối phụ tải chưa có quy định tiêu kỹ thuật ñể nâng cấp chất lượng lưới như: Các thông số kỹ thuật, hiệu suất thiết bị, phụ tải điện chưa có quy định hệ số cơng suất, chế độ làm việc, hàm lượng sóng hài chưa có chương trình quản lý phụ tải ñưa ñến việc chất lượng cung cấp Do việc nghiên cứu tổng thể lưới phân phối cần thiết việc nghiên cứu bù CSPK để giảm tổn thất cơng suất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số cơng suất, cân tải, hạn chế tối ña dao ñộng ñiện áp lớn phụ tải tiêu thụ CSPK thay ñổi nhiều nhiễu loạn lưới ảnh hưởng sóng hài bậc cao nhằm cải thiện chất lượng cung cấp tăng hiệu kinh tế vấn ñề thời ñang ñược ngành ñiện quan tâm ðặc ñiểm chung lưới phân phối: Chế độ vận hành bình thường lưới phân phối vận hành hở, hình tia dạng xương cá ðể tăng cường ñộ tin cậy cung cấp ñiện số khu vực có cấu trúc mạch vịng vận hành hở Trong mạch vòng xuất tuyến ñược liên kết với dao cách ly thiết bị nối mạch vòng thiết bị vận hành vị trí mở trường hợp cần sửa chữa cố đường dây việc cung cấp điện khơng bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổi nguồn cung cấp thao tác đóng dao cách ly phân ñoạn tự ñộng chuyển ñổi nhờ thiết bị nối mạch vòng Phụ tải lưới phân phối ña dạng phức tạp, phụ tải sinh hoạt, dịch vụ, tiểu thủ công nghiệp hầu hết hộ phụ tải So với mạng hình tia, mạch vịng có chất lượng điện tốt hơn, lý tồn mạch vịng, song lại gây phức tạp vấn ñề bảo vệ Rơle Cấu trúc mạch vịng thích hợp cho máy biến áp có cơng suất lớn có số lượng trạm mạch vịng Mặt khác với giá trị đầu tư hiệu khai thác mạch vịng kín so với mạch hình tia thấp Ngồi chất lượng phục vụ mạng hình tia ñã liên tục ñược cải thiện ñặc biệt thập niên gần ñây với xuất thiết bị có cơng nghệ thiết bị tự động, việc giảm bán kính cung cấp điện, tăng tiết diện dây dẫn bù công suất phản kháng chất lượng điện mạng hình tia cải thiện lên nhiều Kết nghiên cứu thống kê từ thực tế vận hành ñã ñưa ñến kết luận nên vận hành lưới phân phối theo dạng hình tia lý do: - Vận hành đơn giản; - Trình tự phục hồi lại lưới sau cố dễ dàng hơn; - Ít gặp khó khăn việc lập kế hoạch cắt ñiện cục Với lý nên phần nội dung luận văn tập trung sâu tìm hiểu việc bù cơng suất phản kháng lưới phân phối hở lợi ích việc bù công suất phản kháng 1.2 Sự tiêu thụ công suất phản kháng Xét tiêu thụ lượng mạch có điện trở điện kháng: Mạch ñược cung cấp ñiện áp : u = Umsinωt; (1.1) Dịng điện i lệch pha với u góc ϕ: i = Imsin(ωt - ϕ); hay i = Im(sinωt.cosϕ - sinϕ.cosωt); (1.2) i = i1 + i2; với: i1 = Imsinωt.cosϕ; i2 = Imsinϕ.cosωt = Imsinϕ.sin(ωt-π/2) Như dòng ñiện i tổng dòng ñiện thành phần: i1: có biên độ Imcosϕ pha với Hình 1.2a Sơ ñồ cung cấp ñơn giản ñiện áp; i2: có biên độ Imsinϕ chậm pha so với điện áp góc π/2 Cơng suất tương ứng với hai thành phần i1 i2 là: P = U.I.cosϕ: gọi cơng suất tác dụng; Hình 1.2b Quan hệ P Q Q = U.I.sinϕ: gọi công suất phản kháng Ta viết: P = U.I.cosϕ = Z.I.(Icosϕ) = ZI2.R/Z = R.I2; (1.3) Q = U.I.sinϕ = Z.I.(Isinϕ) = ZI2.X/Z = X.I2; (1.4) Như vậy: CSTD cơng suất có hiệu lực biến lượng điện thành dạng lượng khác sinh công CSPK nhánh nói lên cường độ q trình dao động lượng CSPK tiêu thụ ñộng KðB, MBA, ñường dây tải ñiện nơi có từ trường Yêu cầu CSPK giảm đến tối thiểu khơng thể triệt tiêu cần thiết để tạo từ trường, yếu tố cần thiết q trình chuyển hố điện Sự tiêu thụ CSPK lưới điện phân chia cách gần ñúng sau: - ðộng khơng đồng tiêu thụ khoảng 60-65%; - Máy biến áp tiêu thụ 22-25%; - ðường dây tải ñiện phụ tải khác 10% Như ñộng khơng đồng máy biến áp hai loại máy điện tiêu thụ nhiều CSPK Cơng suất tác dụng P cơng suất biến thành cơng nhiệt máy dùng ñiện, cịn CSPK Q cơng suất từ hố máy điện xoay chiều, khơng sinh cơng Q trình trao ñổi CSPK máy phát ñiện phụ tải q trình dao động Việc tạo CSPK cung cấp cho phụ tải không thiết phải lấy từ nguồn mà cung cấp trực tiếp cho phụ tải từ tụ ñiện hay máy bù ñồng bộ… Nhu cầu công suất phản kháng chủ yếu Cơng ty, Xí nghiệp cơng nghiệp, cosϕ chúng dao ñộng từ 0,5 ñến 0,8 nghĩa kW cơng suất tác dụng chúng u cầu từ 0,75 đến 1,7 kVAr cơng suất phản kháng Bởi vì, xí nghiệp cơng nghiệp phụ tải chủ yếu ñộng KðB MBA muốn giảm công suất phản kháng phải ý ñến phụ tải Nhu cầu công suất phản kháng hộ phụ tải sinh hoạt, dân dụng khơng nhiều cosϕ chúng thường lớn 0,9 Nhu cầu công suất phản kháng MBA công suất nhỏ 10% cơng suất định mức chúng, MBA lớn 3%, MBA siêu cao áp từ 810% để hạn chế dịng ngắn mạch Ví dụ sau minh họa ảnh hưởng hệ số cơng suất đến cơng suất tồn phần: Hình 1.3 Quan hệ hệ số cơng suất cơng suất tồn phần Bảng 1.1 Quan hệ hệ số cơng suất cơng suất tồn phần cosϕ = 1,0 P = 100 kW Q=0 S = 100 kVA cosϕ = 0,8 P = 100 kW Q = 75 kVAr S = 125 kVA cosϕ = 0,7 P = 100 kW Q=100kVAr S = 141 kVA 1.3 Các nguồn phát công suất phản kháng Khả phát công suất phản kháng nhà máy ñiện hạn chế cosϕ máy phát từ 0,8-0,85 cao Vì lý kinh tế người ta khơng chế tạo máy phát có khả phát nhiều CSPK cho phụ tải Các máy phát ñảm ñương phần nhu cầu công suất phản kháng phụ tải, phần lại thiết bị bù ñảm nhiệm (máy bù ñồng bộ, tụ ñiện,…) Trong hệ thống phải tính đến nguồn cơng suất phản kháng nữa, đường dây, đặc biệt ñường dây siêu cao áp Các ưu nhược ñiểm nguồn cơng suất phản kháng: a) Ưu điểm tụ điện: - Chi phí tính theo 1VAr tụ ñiện rẻ máy bù ñồng bộ, ưu ñiểm bật dung lượng tăng - Tổn thất cơng suất tác dụng tụ điện nhỏ, khoảng 0,05-0,1 W/kVAr; máy bù đồng tương đối lớn, khoảng 3-15 W/kVAr tuỳ theo cơng suất ñịnh mức máy - Tụ ñiện vận hành ñơn giản, ñộ tin cậy cao máy bù ñồng - Tụ điện lắp đặt đơn giản, phân nhiều cụm ñể lắp rải lưới phân phối, hiệu cải thiện tốt ñường cong phân bố điện áp Khơng cần người trơng nom vận hành Việc bảo dưỡng, sửa chữa ñơn giản b) Nhược ñiểm tụ ñiện so với máy bù ñồng bộ: - Máy bù đồng điều chỉnh trơn cịn tụ điện điều chỉnh cấp - Máy bù phát hay tiêu thụ CSPK, tụ điện phát CSPK - Công suất phản kháng tụ ñiện phát phụ thuộc vào ñiện áp vận hành, thời gian vận hành, tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, áp) c) Các nhược ñiểm tụ ñiện ngày ñã ñược khắc phục: - ðể điều chỉnh trơn dung lượng cơng suất phản kháng người ta sử dụng thiết bị bù tĩnh SVC (Static VAr Compensator) - ðể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng người ta dùng SVC, tổ hợp TSC TCR (Thyristor Controlled Reactor) - ðể bảo vệ áp kết hợp ñiều chỉnh tụ bù theo ñiện áp người ta ñặt ñiều khiển ñóng cắt tụ theo ñiện áp Với ưu ñiểm vượt trội so với máy bù ñồng bộ, ngày người ta thường dùng SVC để bù cơng suất phản kháng Vấn đề xin trình bày chi tiết phần sau nội dung ñề tài 10 ... thường xuyên xảy Hiện Công ty ðiện lực tồn quốc thực dự án nâng cấp cải tạo quy chuẩn lưới 22 kV ñây cấp ñiện áp phân phối [13] Hình 1.1 Cấu trúc lưới phân phối Nói chung lưới phân phối nước ta cịn... tạo ñưa ñiện áp lưới phân phối cấp ñiện áp chuẩn 22 kV Chế ñộ vận hành lưới phân phối vận hành hở, chi phí đầu tư hiệu khai thác lưới phân phối hở cao mạng vịng kín; lưới phân phối hở vận hành... ñề sau: - Nghiên cứu thực biện pháp ñiều hòa phụ tải, nâng cao hệ số cao thấp ñiểm hệ số ñiền kín phụ tải ñảm bảo cho đường dây trạm biến áp, khơng bị non tải, không tải hay tải - Nghiên cứu