5. Bố cục của đề tài
1.2.4. Cơng suất phản kháng trên HTĐ 500kV/220kV Việt Nam:
kháng của hệ thống điện gĩp phần quan trọng.
* Trong hệ thống điện cơng suất phản kháng được sinh ra từ các nguồn sau:
- Các tổ máy phát điện của các nhà máy điện. Hệ số cosφ của các nhà máy nhiệt điện là 0.85, cịn đối với các nhà máy thuỷ điện là 0.9.
- Các đường dây cao áp và siêu cao áp. - Các thiết bị bù (tụ bù hoặc máy bù quay).
* Trong hệ thống điện CSPK được tiêu thụ bởi các phần tử sau:
- Các tổ máy điện cĩ khả năng hút cơng suất phản kháng.
- Tại phụ tải điện. Đối với hệ thống điện Việt Nam hệ số Cosφ cho phụ tải tại các nút 220kV là khoảng 0.95 trong chế độ phụ tải cực đại và khoảng 0.98 trong chế độ phụ tải cực tiểu.
- Trên đường dây 500kV: các đường dây siêu cao áp phát sinh ra một lượng cơng suất phản kháng rất lớn ảnh hưởng nhiều đến kết cấu và vận hành các đường dây này. Để cĩ thể vận hành bình thường các đường dây siêu cao áp dài phải đặt các tụ bù dọc và kháng điện ngang nhằm đảm bảo điện áp dọc đường dây siêu cao ở mức cho phép đồng thời tăng khả năng truyền tải của đường dây. Trong hệ thống điện Việt Nam các đường dây 500kV cĩ chiều dài lớn hơn 140-150km đều phải xem xét việc lắp đặt các thiết bị bù tương ứng. Đối với các đường dây 500kV ngắn hơn 100km thì cĩ thể khơng đặt thiết bị bù nếu điện áp trên đường dây được đảm bảo.
- Tổn thất trên các đường dây cao áp và trong các máy biến áp.
Hiện tượng điện áp cao thường xuất hiện trong chế độ phụ tải cực tiểu, do đĩ việc cân bằng cơng suất phản kháng trong chế độ phụ tải cực tiểu sẽ cho những đánh giá sơ bộ về khả năng xuất hiện hiện tượng quá điện áp. Thực hiện cân bằng cơng suất phản kháng cho các năm 2020 và 2025, theo nguyên tắc:
- Cosφ tại các nút 220kV là 0.98. - Các kháng điện ngang đều vận hành. - Hệ số phụ tải Pmin/Pmax = 0.55.
- Tổn thất cơng suất phản kháng trên các đường dây 500kV và 220kV được tính với cơng suất mang tải ở mức 20%.
- Tổn thất cơng suất phản kháng trên các đường dây 500kV và 220kV được tính với cơng suất mang tải ở mức 25%.
Tổng hợp kết quả cân bằng cơng suất phản kháng sơ bộ tồn HTĐ Việt Nam tại các năm 2020, 2025 được thể hiện trong bảng 1.1 [8]:
Bảng 1.1. Cân bằng sơ bộ cơng suất phản kháng HTĐ 500kV, 220kV, chế độ phụ tải cực tiểu
Đại lượng Năm 2020 Năm 2025
Nguồn cung cấp cơng suất phản kháng 15062 19926 + Từ các đường dây tải điện (500,220kV) 15062 19926
Nhu cầu tiêu thụ cơng suất phản kháng 11197 14879
+ Nhu cầu phụ tải (MVAr) 4647 6968
+ Kháng điện ngang ĐZ 500kV 5327 6130
+ Tổn thất trong lưới (500, 220kV) 1223 1781
Cân bằng ((+) - thừa, (-) thiếu) 3865 5047
Qua kết quả tính tốn nhận thấy rằng, lượng cơng suất phản kháng dư thừa giai đoạn đến năm 2020 khoảng 3865MVAr, năm 2025 khoảng 5047 MVAr.
1.3 Kết luận
Hiện nay, vấn đề điện áp trên lưới 220kV cũng xuất hiện nhiều điểm điện áp cao (vượt giới hạn cho phép), nhưng lại đang rất thiếu phương tiện điều chỉnh điện áp. Vì vậy, các phần sau đây sẽ tập trung tính tốn, mơ phỏng, giải quyết vấn đề điện áp cao trên lưới điện 220kV.
Hiện tượng quá điện áp tạm thời là hiện tượng cĩ thể xảy ra thường xuyên, thời gian diễn ra tuy khơng dài nhưng sẽ gây nguy hiểm, và cĩ thể gây hỏng hĩc thiết bị, ảnh hưởng đến an tồn hệ thống. Hiện tượng này ngày càng xuất hiện nhiều và cĩ thể tăng lên trong các năm tiếp theo trên hệ thống điện Việt Nam nĩi chung và lưới điện truyền tải 220kV nĩi riêng. Nguyên nhân cơ bản do việc mất cân bằng cơng suất phản kháng trên hệ thống.
CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC)
2.1. Khái niệm chung về các thiết bị giảm quá áp hệ thống:
FACTS là tập hợp các phần tử được điều khiển bằng cơng nghệ điện tử cơng suất nhằm thay đổi nhanh chĩng các thơng số điện áp, dịng điện, tổng trở hoặc gĩc pha của hệ thống truyền tải. Vì vậy, các thiết bị FACTS cĩ thể cải thiện cả độ tin cậy lẫn tính linh hoạt của hệ thống điện và ổn định quá độ hoặc hiện tượng cộng hưởng dưới tần số. Ổn định của hệ thống cĩ thể cải thiện bởi việc kiểm sốt luồng cơng suất tác dụng cũng như cơng suất phản kháng, mức độ điện áp và dịng ngắn mạch.
2.1.1. Yêu cầu để điện áp ổn định
Điện áp ở mọi chế độ vận hành của hệ thống điện phải được giữ ở một giới hạn cho phép.
Tình trạng sụt áp: Khi hệ thống mang tải nặng hoặc một số máy phát bị sự cố dẫn đến tình trạng điện áp giảm thấp, khi điện áp giảm đến giới hạn ổn định và khơng cĩ khả năng phục hồi gây nên hiện tượng mất ổn định điện áp. Kết quả là bị sụt điện áp.
Tình trạng quá áp: Việc cắt giảm tải với những phụ tải mang tải nặng hoặc khi xảy ra sự cố gây nên quá điện áp. Quá điện áp ảnh hưởng đến các thiết bị vận hành trong hệ thống. Phải cĩ những biện pháp điều chỉnh kịp thời để ngăn ngừa hiện tượng sụp đổ điện áp.
Các biện pháp cải thiện ổn định điện áp:
-Giảm điện kháng lưới truyền tải: việc giảm cảm kháng lưới truyền tải sẽ giúp nâng cao khả năng truyền tải chế độ sau sự cố, cụ thể là nâng cao cơng suất truyền tải sẽ giúp nâng cao khả năng truyền tải chế độ sau sự cố, cụ thể là nâng cao cơng suất truyền tải sau sự cố, tăng diện tích hãm tốc lớn nhất. Điều này được thực hiện bằng bù dọc.
- Bù nhuyễn: bằng cách điều khiển nhanh điện áp và thay đổi cơng suất phản khảng gĩp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống.
Do đĩ, bù cơng suất phản kháng cĩ ảnh hưởng quan trọng đến khả năng truyền tải và ổn định điện áp. Cĩ thể chia thành 2 loại là bù nối tiếp và bù song song cũng cĩ thể chia thành bù tích cực và bù thụ động. Bù tích cực là khả năng đáp ứng điều chỉnh điện áp hệ thống. Các hình thức bù thơng thường như tụ bù mắc nối tiếp, cuộn kháng bù ngang và tụ mắc song song, các tụ bù nhuyễn như SVC, STATCOM hoặc máy bù đồng bộ.
2.1.2. Lựa chọn thiết bị bù:
Thiết bị bù được chọn và kiểm tra theo các điều kiện sau:
- Đảm bảo giá trị điện áp ở mọi điểm trên đường dây và trong mọi chế độ nằm trong giới hạn cho phép.
- Điều kiện tự kích thích máy phát. - Điều kiện hịa đồng bộ.
- Điều kiện ổn định.
Trong trường hợp khả năng tải của đường dây tải điện thấp hơn Ptn thì sử dụng thiết bị bù để nâng cao khả năng tải.
Bài tốn lựa chọn thiết bị bù rất phức tạp, vì thế khi lựa chọn phải tính tốn kinh tế kỹ thuật tỉ mỉ để cĩ thể lựa chọn được phương án hợp lý.
2.2. Các giải pháp giảm quá điện áp hệ thống
2.2.1. Tụ điện bù dọc
Bù nối tiếp thường thấy ở các đường dây truyền tải dài được mắc nối tiếp ở đầu đường dây và các vị trí trên đường dây.. Mục đích là để:
- Cải thiện tình trạng điện áp, nhất là các thay đổi lớn do sụt áp đường dây, máy biến áp và máy phát.
- Nâng cao khả năng truyền tải. - Giảm gĩc truyền tải.
- Gia tăng mức tải tự nhiên của đường dây.
Đối với đường dây tải điện cao áp đi xa thì áp dụng tụ bù dọc là một giải pháp để tăng khả năng tải và tính ổn định của đường dây. Đồng thời để hấp thụ bớt cơng suất phản kháng, cần mắc thêm các cuộn kháng bù ngang trong trường hợp non tải hoặc khơng tải.
So với bù ngang tạo ra độ tăng điện áp gần như độc lập với dịng điện phụ tải thì độ tăng điện áp do tụ điện bù dọc lại tỉ lệ với dịng điện tải. Như vậy, khi phụ tải bằng 0, tụ điện nối tiếp sẽ khơng cho một độ tăng điện áp nào và khi phụ tải cực đại thì độ tăng điện áp là lớn nhất.
Tuy nhiên, bù nối tiếp cũng cĩ một số nhược điểm như sau :
-Khi mất một đường dây song song, điện áp trên mạch cịn lại cĩ thể tăng cao quá giới hạn cho phép.
-Cần phải thiết lập hệ thống bảo vệ đặc biệt cho tụ bù dọc nhằm tránh dịng điện lớn khi sự cố ngắn mạch.
-Tụ bù dọc cĩ thể gây dao động cộng hưởng ở tần số thấp hơn tần số truyền tải (50Hz) khi cĩ kích từ nhiễu loạn trong hệ thống. Cộng hưởng tần số thấp này cĩ thể gây nên những tác hại nghiêm trọng đối với máy phát, đặc biệt là máy phát nhiệt điện.
Đối với đường dây truyền tải, tụ bù dọc và kháng bù ngang được tính tốn và lựa chọn dựa trên các nguyên tắc sau:
-Đảm bảo điện áp tại mọi điểm trên đường dây trong mọi chế độ vận hành khác nhau (phụ tải cực đại, cực tiểu, chế độ sự cố,…) phải nằm trong giới hạn cho phép (10%Uđm).
-Tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng tần số thấp cũng như tác động sai của bảo vệ khoảng cách và bảo vệ so lệch do mức độ bù dọc gần bằng hoặc lớn hơn 100% tổng trở đường dây.
-Tránh xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp khi tự động đĩng lại một pha do mức độ bù ngang gần bằng hoặc lớn hơn 100% cơng suất phản kháng đường dây sinh ra.
Ổn định điện áp khi cĩ bù dọc: Tụ bù nối tiếp cĩ khả năng bù điện áp rơi trên đường dây bằng việc thay đổi tổng trở của đường dây. Bù nối tiếp cũng mở rộng vùng ổn định điện áp bằng việc giảm kháng trở của đường dây và vì vậy rất hữu ích cho việc ngăn ngừa sụt áp. Hình 2.1. dưới đây cho thấy giới hạn ổn định điện áp được gia tăng từ P1 đến cấp độ cao hơn P2.
Hình 2.1.Giới hạn ổn định điện áp khi cĩ tụ bù dọc
2.2.2. Trở kháng bù ngang
Như đã nĩi ở trên, lượng cơng suất phản kháng sinh ra khi hệ thống vận hành ở chế độ non tải hay khơng tải là rất lớn. Do đĩ cần mắc thêm các kháng bù ngang để hấp thụ bớt cơng suất phản kháng này. Mức độ bù kháng yêu cầu để duy trì điện áp đầu nhận ở một trị số quy định cĩ thể tính được như sau [6]:
Không có tụ Có tụ 1 p.u Vmin P P1 P2 V Bus 3 Bus 4 Bus 2 Bus 1
G
Load V
Hình 2.2.Mạch điện thay thế sử dụng trở kháng bù ngang Dịng điện đầu nhận: bu L, N . N . jX U I (2.1) Điện áp đầu phát: U (cos sin ) , . P . vl X Z vl U bu L C N (2.2)
Để ý là UP và UN cùng pha do khơng cĩ cơng suất tác dụng tải trên đường dây. Suy ra XL bù: C N P Z vl U U vl cos sin XL,bu (2.3) 2.2.3. Tụ điện bù ngang tĩnh
Tụ điện bù ngang thường được đặt giữa đường dây hoặc đặt tại trạm biến áp. Bù ngang rất hữu ích cho ổn định điện áp. Mục đích chính của bù ngang là điều khiển và ổn định điện áp tại điểm đấu dây chung hoặc vùng lân cận của nĩ. Tuy nhiên nếu cĩ nhiều tụ bù ngang sẽ gây khĩ khăn trong việc điều chỉnh điện áp.
Ip IN
Hình 2.3.Mạch tương đương đơn giản của một phát tuyến hình tia với tụ bù ngang Độ tăng điện áp tính gần đúng: 2 2 2 C C C X R X X R (2.4) Ảnh hưởng chính của tụ điện bù ngang tĩnh:
- Tăng khả năng tải điện của đường dây: Sụt áp là điều kiện giới hạn để xác định khả năng tải điện của đường dây. Giả sử sụt áp cho phép dọc đường dây là 10% thì độ tăng tương đối của điện áp do việc mắc thêm tụ điện sẽ cho phép tăng tải trên đường dây theo tỉ lệ:
1 . 0 1 . 0 C V R p (2.5)
- Giảm tổn thất cơng suất trên đường dây: Tụ điện tĩnh sẽ cung cấp tại chỗ một phần cơng suất phản kháng của phụ tải yêu cầu, do đĩ làm giảm lượng cơng suất phản kháng trên đường dây. Điều này làm giảm tổn thất cơng suất tác dụng và tổn thất cơng suất phản kháng.
2.2.4. Tụ điện bù ngang cĩ thể điều khiển (SVC, STATCOM)
Tụ điện bù ngang điều khiển được hay cịn gọi là bù nhuyễn thơng thường như SVC, STATCOM hoạt động như một cuộn cảm với cơng suất phản kháng dương và hoạt động như một tụ điện nếu cơng suất phản kháng âm. jX R IC UN Up -jXC
- SVC (Static Var Compensator): là máy phát cơng suất bù với cơng suất ngõ ra thay đổi nhằm mục đích duy trì hoặc điều khiển thơng số cho trước của lưới điện.
- STATCOM (Static compensation): hoạt động khơng cần nguồn năng lượng dự trữ và điều kiện vận hành song song với đường dây, tác dụng như một máy bù cơng suất phản kháng.
Về cơ bản, trong phạm vi điều khiển tuyến tính của thiết bị bù, khả năng bù cơng suất phản kháng của SVC và STATCOM là như nhau. Tuy nhiên, về nguyên lý hoạt động, hai bộ biến đổi tác dụng khác nhau. Bộ STATCOM làm việc trên nguyên tắc mạch nghịch lưu với khả năng cung cấp điện áp ngõ ra và từ chênh lệch với điện áp hệ thống, dịng bù được điều khiển. SVC làm việc trên cơ sở thay đổi trở kháng shunt của hệ thống qua việc điều khiển đĩng ngắt TSC hoặc thay đổi gĩc kích của TRC.
Bảng 2.1. So sánh các cơng nghệ thiết bị bù ngang
TT Thơng số Kháng
bù cứng VSR TCR SVC STACOM
1 Điều khiển điện áp
trong CĐ xác lập Tốt Tốt Tốt Tốt Tốt
2 Điều khiển điện áp
trong CĐ quá độ Yếu TB Tốt Tốt Tốt
3 Giảm dao động
cơng suất Yếu TB Tốt Tốt Tốt
4 Ổn định quá độ Yếu Yếu Yếu TB Tốt
5 Điều khiển trào lưu
2.3. Thiết bị bù tĩnh SVC
SVC là thiết bị FACTS thế hệ đầu tiên, cĩ thể điều khiển điện áp tại nút yêu cầu, do đĩ cải thiện hiện trạng điện áp của hệ thống. Nhiệm vụ chính của SVC là duy trì điện áp tại nút xác định bằng cách bù cơng suất phản kháng (cĩ được bằng cách thay đổi gĩc mở của các thyristor). SVC được sử dụng để điều khiển điện áp trạng thái tĩnh và quá độ để ngăn chặn mất ổn định điện áp cĩ hiệu quả hơn so với bù ngang truyền thống. Cũng cĩ thể sử dụng SVC để tăng các giới hạn ổn định quá độ (dao động đầu tiên) cĩ thể nâng cao đáng kể ổn định quá độ và tắt dần hiệu quả các dao động cơng suất (ổn định động), và giảm tổn thất hệ thống bởi điều khiển cơng suất phản kháng tối ưu hĩa.
2.3.1. Cấu tạo
Một bộ bù tĩnh SVC bao gồm các phần tử: tụ điện, cuộn kháng, biến điện áp, các thiết bị đĩng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả hoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn bù cơng suất phản kháng cĩ thể điều chỉnh được nhanh chĩng.
SVC cung cấp hai giải pháp cho bài tốn bù:
-Bù phụ tải tại những nơi cĩ yêu cầu giảm bớt sự cung cấp cơng suất phản kháng từ hệ thống của các phụ tải lớn cĩ tính dao động trong cơng nghiệp như: lị hồ quang, máy cán và để cân bằng cơng suất tác dụng trên ba pha của đường dây cung cấp.
-Điều chỉnh điện áp của đường dây truyền tải nhằm đáp ứng các biến động ở cả hai đầu phát và nhận. Việc điều chỉnh điện áp được thực hiên qua việc điều khiển nhanh trở kháng của SVC và do đĩ dẫn đến điều khiển nhanh cơng suất phản kháng ở đầu ra của SVC.