Bài giảng vận hành và điều khiển hệ thống điện chương 4 (phần 2) võ ngọc điền

VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN Chương Phần Điều khiển điện áp HTĐ Giới thiệu chung Để điều chỉnh điện áp phải điều chỉnh công suất phản kháng nguồn điện nguồn cơng suất phản kháng khác Vì điện áp có tính chất khu vực nên việc điều chỉnh điện áp phải phân cấp phân tán CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sơ đồ điều khiển tần số điện áp máy phát *Điều kiện cần để điều chỉnh điện áp là: - Đủ công suất phản kháng - Công suất phản kháng phải phân bố hợp lý khu vực hệ thống CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Điều kiện đủ để điều chỉnh điện áp nguồn công suất phản kháng phải điều khiển phạm vi cần thiết Có thể điều chỉnh điện áp cách: - Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy điện; - Đặt tụ bù - Phân bố lại dịng cơng suất phản kháng … * Các phương tiện điều chỉnh điện áp: - Điều chỉnh kích từ máy phát điện - Điều chỉnh tải hệ số biến áp (đầu phân áp) máy biến áp tăng áp máy biến áp giảm áp theo thời gian - Điều chỉnh điện áp máy biến áp bổ trợ chuyên dùng để điều chỉnh điện áp CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Điều chỉnh công suất phản kháng nguồn công suất phản kháng đặt lưới gồm có: * Nguồn điều khiển cơng suất (SVC – Static Voltage Compensator), * Tụ điện, * Kháng điện điều chỉnh hữu cấp Chú ý: - Điều chỉnh điện áp cấp trung hạ áp nhằm đảm bảo chất lượng điện - Ở cấp cao nhằm giảm tổn thất công suất tạo điều kiện thuận lợi cho điều chỉnh điện áp lưới phân phối CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Ảnh hưởng thay đổi điện áp: - Khi điện áp nút tải xuống thấp (70–80%)Uđm có nguy xảy tượng suy áp - Điện áp tự động tụt xuống công suất phản kháng yêu cầu phụ tải tăng đột ngột - Giống tượng suy tần, tượng suy áp nguy hiểm làm tan rã hệ thống Sự biến đổi điện áp lưới điện - Tổn thất điện áp lưới hệ thống tính sau: ∆U PR + QX = U U2 (5.1) Trên lưới hệ thống X >> R nên ta viết: ∆U QX = U U (5.2) 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Ta thấy điện áp lưới thống phụ thuộc chủ yếu vào dịng cơng suất phản kháng, Q sơ đồ lưới điện, X Như vậy, bù công suất phản kháng: * Một mặt làm giảm tổn thất điện áp làm giảm, QX tức làm tăng mức điện áp * Một mặt làm giảm tổn thất công suất tác dụng giảm R(Q2/U2) lưới điện 11 Có hai loại biến thiên điện áp lưới hệ thống: * Biến đổi chậm gây biến đổi tự nhiên phụ tải theo thời gian * Biến đổi nhanh 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Biến đổi nhanh nhiều nguyên nhân khác nhau: - Sự dao động điều hòa ngẫu nhiên phụ tải, - Sự biến đổi sơ đồ lưới điện - Hoạt động bảo vệ rơ le thiết bị tự động hóa - Khởi động hay dừng tổ máy phát 13 Mục tiêu điều chỉnh điện áp lưới điện: - Giữ vững điện áp tình vận hành bình thường cố, phạm vi cho phép xác định giới hạn 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các giới hạn xác định sau: - Giới hạn xác định khả chịu áp cách điện hoạt động bình thường thiết bị phân phối cao siêu cao áp - Nếu điện áp tăng cao làm già hóa nhanh cách điện làm cho thiết bị hoạt động khơng xác 15 - Giới hạn xác định điều kiện an toàn hệ thống, tránh tải đường dây máy biến áp (trong lưới điện khi, P số U giảm I tăng gây tải), tránh gây ổn định điện áp (hiện tượng suy áp) 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các giới hạn gọi giới hạn kỹ thuật hay điều kiện kỹ thuật Nói chung, lưới điện 220 (kV) trở lên, điện áp phép dao động giới hạn ± 5% so với Uđm Với mức giới hạn việc điều chỉnh tải máy biến áp khu vực trung gian thuận lợi 17 - Trong giới hạn kỹ thuật cho phép, giữ mức điện áp cho tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất, điều kiện kinh tế - Nói chung, điều kiện tổn thất vầng quang nhỏ (do thiết kế thời tiết tốt), mức điện áp nên giữ mức cao thì, ∆P nhỏ - Nói tóm lại, điện áp lưới hệ thống điều chỉnh theo điều kiện an toàn kinh tế 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương thức điều chỉnh điện áp: Cũng giống hệ thống điều chỉnh tần số, hệ thống điều chỉnh điện áp chia làm ba cấp: Điều chỉnh sơ cấp trình đáp ứng nhanh tức thời biến đổi điện áp nhanh ngẫu nhiên tác động thiết bị điều chỉnh điện áp máy phát máy bù tĩnh 19 - Trong trường hợp điện áp biến đổi lớn tự động điều áp tải máy biến áp tham gia vào trình điều chỉnh - Điều chỉnh sơ cấp thực tự động thời gian nhanh - Điều chỉnh sơ cấp nhằm mục đích giữ điện áp lưới điện mức an toàn, tránh nguy suy áp chế độ bình thường cố 20 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các biến tác động đến: - điện áp nút tải Ui - góc pha θij làm cho tổn thất công suất tác dụng thay đổi 43 Sự tác động thông qua hệ phương trình cân công suất nút hệ thống điện Trong đó: chế độ - điện áp nguồn cho trước tạo thành nút P-V -hệ số biến áp thể ma trận tổng dẫn, - công suất bù thể phụ tải nút 44 22 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Các ràng buộc: Các ràng buộc cân công suất tác dụng công suất phản kháng toàn hệ thống điện 45 * Các giới hạn: Đó giới hạn biến điêu khiển QCi, Ugi, Ti, giới hạn điện áp nút, giới hạn dòng điện đường dây, giới hạn ổn định tónh Ta thấy toán dễ giải, cho hệ thống điện phức tạp có nhiều cấp điện áp, nhiều mạch vòng 46 23 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Bài tốn tối ưu hóa tổn thất cơng suất tác dụng phải giải sau giải tốn phân bố tối ưu cơng suất hệ thống điện - Sau giải tốn tối ưu hóa tổn thất cơng suất tác dụng với giả thiết: góc pha điện áp khơng đổi, cơng suất tác dụng nút khơng đổi - Hai tốn giải liên vịng kín kết hội tụ 47 Điều chỉnh điện áp máy phát phân phối công suất phản kháng - Hệ thống kích từ máy phát có nhiệm vụ trì điện áp máy phát dịng cơng suất phản kháng - Hệ thống kích từ cổ điển cấp điện thơng qua vòng trượt chổi than từ máy phát điện, gắn trục với rôto máy phát điện đồng 48 24 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Đối với hệ thống kích từ đại thơng thường sử dụng máy phát điện AC với chỉnh lưu quay gọi hệ thống kích từ khơng chổi than 49 - Như biết, thay đổi công suất thực ảnh hưởng nghiêm trọng đến tần số, trái lại thay đổi công suất phản kháng ảnh hưởng đến biên độ điện áp - Sự tác động qua lại việc điều khiển điện áp tần số yếu nên ta phân tích việc điều khiển điện áp riêng biệt với phân tích điều khiển tần số 50 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một biện pháp việc điều khiển cơng suất phản kháng điều khiển hệ thống kích từ máy phát dùng thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (Automatic Voltage Regulator – AVR) Vai trò thiết bị tự động điều chỉnh điện áp giữ biên độ điện áp đầu cực máy phát giá trị định mức Sơ đồ thiết bị tự động điều chỉnh điện áp đơn giản hoá hình sau 51 Sơ đồ đơn giản hóa thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR) 52 26 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt - Khi tải công suất phản kháng máy phát tăng lên kèm theo giảm biên độ điện áp đầu cực - Biên độ điện áp cảm nhận thông qua máy biến điện pha Điện áp chỉnh lưu so sánh với tín hiệu đặt DC 53 - Bộ khuyếch đại tín hiệu sai lệch điều khiển từ trường kích từ làm tăng điện áp đầu cực kích từ - Vì vậy, dịng điện kích từ máy tăng lên kết làm tăng sức điện động không tải máy phát - Sự phát công suất phản kháng tăng lên đến điểm cân mới, tăng điện áp đầu cực đến giá trị mong muốn 54 27 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mơ hình khuyếch đại Bộ khuyếch đại hệ thống kích từ khuyếch đại từ, khuyếch đại quay khuyếch đại điện tử đại Bộ khuyếch đại đặc trưng độ lợi, KA số thời gian, τA hàm truyền đạt là: 55 VR ( s ) KA = Ve ( s) + τ A s - Các giá trị đặc trưng KA nằm khoảng từ 10 đến 400 - Hằng số thời gian khuyếch đại, τA nhỏ, nằm khoảng từ 0,02 đến 0,1 thường bỏ qua 56 28 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mơ hình kích từ Có nhiều hệ thống kích từ khác Tuy nhiên, hệ thống kích từ đại thường sử dụng nguồn điện AC thông qua chỉnh lưu vi điện tử SCR 57 Một mơ hình tiêu biểu kích từ đại mơ hình tuyến tính đưa vào tính tốn với số thời gian bỏ qua bảo hịa hay khơng tuyến tính khác Ở dạng đơn giản nhất, hàm truyền đạt kích từ đại đặc trưng số thời gian τE độ lợi KE, nghiã là: VF ( s ) KE = VR ( s ) + τ E s Hằng số thời gian kích từ đại nhỏ 58 29 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mơ hình máy phát - Sức điện động không tải máy điện động hàm đường cong từ hóa máy điện điện áp đầu cực phụ thuộc vào tải máy phát - Trong mơ hình tuyến tính, hàm truyền đạt liên hệ điện áp đầu cực máy phát điện áp kích từ biểu diễn độ lợi KG số thời gian τG, ấy: 59 Vt ( s ) KG = VF ( s) + τ G s - Các số phụ thuộc vào tải - KG có giá trị từ 0,7 đến - τG có giá trị nằm khoảng từ 1,0 đến 2,0 giây từ lúc tải định mức đến không tải 60 30 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Mơ hình cảm biến Điện áp cảm biến thông qua máy biến điện áp chỉnh lưu thơng qua cầu chỉnh lưu Bộ cảm biến mơ hình hàm truyền bậc đơn giản, xác định bởi: 61 Vt ( s ) KR = V ( s) + τ R s τR có giá trị nhỏ giả sử τR có giá trị nằm khoảng từ 0,01 đến 0,06 giây 62 31 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Sử dụng mơ hình ta có sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) sau: Sơ đồ khối đơn giản thiết bị tự động điều chỉnh điện áp (AVR) 63 Hàm truyền vịng kín thể mối quan hệ điện áp đầu cực máy phát Vt(s) điện áp chuẩn Vref(s) là: Vt ( s ) K A K E K G K R (1 + τ R s ) = Vref ( s ) (1 + τ A s )(1 + τ E s )(1 + τ G s )(1 + τ R s ) + K A K E K G K R 64 32 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bài tập Bài 1: Cho mạng điện 110 kV với chiều dài đường dây cơng suất phụ tải hình vẽ: 110 kV AC-95; 20km AC-185; 30km B1 22 kV 20 +j15 (MVA) B2 22 kV 15 +j15 (MVA) 65 * Dây dẫn AC – 185: r0 = 0,17 (Ω/km) * Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 (Ω/km) * Máy biến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); ∆PN = 200 (kW) * Máy biến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); ∆PN = 163 (kW) * Thời gian tổn thất công suất cực đại: τmax = 5500 (giờ/năm) 66 33 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Tiền đầu tư tụ điện 22 kV: 5000 ($/MVAr) Tiền điện tổn thất: 50 ($/MWh) Tổn thất công suất tương đối tụ bù: ∆P* = 0,005 avh + atc = 0,225 T = 8760 (giờ/năm) Xác định dung lượng bù nút nhằm giảm tổn thất điện 67 Gợi ý: RB = ∆PnU dm S dm 103 ∆P = Q2 U2 R RB (Ω) ∆P (MW) ∆Pn (kW) Q (MVAr) Udm (kV) R (Ω) Sdm (kVA) Udm (kV) 68 34 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Bài 2: Cho mạng điện 110 kV với chiều dài đường dây cơng suất phụ tải hình vẽ: N AC-95 30 km AC-120 40 km AC-70 30 km B2 B1 40 MW cosϕ = 0,8 30 MW cosϕ = 0,8 69 * Dây dẫn AC – 120: r0 = 0,27 (Ω/km) * Dây dẫn AC – 95: r0 = 0,33 (Ω/km) * Dây dẫn AC – 70: r0 = 0,46 (Ω/km) * Máy biến áp B1 110/22 (kV); 31,5 (MVA); ∆PN = 180 (kW) * Máy biến áp B2 110/22 (kV); 20 (MVA); ∆PN = 160 (kW) * Thời gian tổn thất công suất cực đại: τmax = 5000 (giờ/năm) 70 35 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt * Tiền đầu tư tụ điện 22 (kV): 5000 ($/MVAr) * Tiền điện tổn thất: 50 ($/MWh) * Tổn thất công suất tương đối tụ bù: ∆P* = 0,005 * avh + atc = 0,225 * T = 8760 (giờ/năm) Xác định dung lượng bù nút nhằm giảm tổn thất điện 71 36 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... việc điều khiển điện áp riêng biệt với phân tích điều khiển tần số 50 25 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Một biện pháp việc điều khiển công suất phản kháng điều khiển hệ thống. .. tóm lại, điện áp lưới hệ thống điều chỉnh theo điều kiện an toàn kinh tế 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phương thức điều chỉnh điện áp: Cũng giống hệ thống điều chỉnh... toàn hệ thống điện 45 * Các giới hạn: Đó giới hạn biến điêu khiển QCi, Ugi, Ti, giới hạn điện áp nút, giới hạn dòng điện đường dây, giới hạn ổn định tónh Ta thấy toán dễ giải, cho hệ thống điện