5. Bố cục của đề tài
3.2. Thực trạng vận hành tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn
Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn nhận điện từ hệ thống điện Quốc Gia từ 2 xuất tuyến đường dây 220kV (1 xuất tuyến từ Tuy Hịa, 1 xuất tuyến từ An Khê) và 2 MBA 220kV (tổng dung lượng 375 MVA) cung cấp điện chính cho tỉnh Bình Định qua 2 MBA 110kV (dung lượng 65 MVA) và 06 đường dây 110kV. Ngồi ra để bù lượng CSPK bị thiếu hụt giờ cao điểm, hiện nay ở trạm cĩ 1 giàn tụ bù cơng suất thiết kế 110kV - 50MVAr, tuy nhiên, giàn tụ
bù chỉ vận hành vào các giờ cao điểm sáng và chiều. Tổng thời gian vận hành của giàn tụ trong năm 2015 là 2384 giờ (đạt 28%); năm 2016 là 3184 giờ (đạt 36%) thể hiện trong phụ lục 3.
Số liệu vận hành Max– Min của điện áp, Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng cho trong phụ lục 2.
Bảng 3.1. Biểu đồ điện áp cực đại trên thanh cái 220kV trạm biến áp 220kV Quy Nhơn từ tháng 1÷ 12 các năm 2015, 2016
Bảng 3.2. Số liệu tại thời điểm điện áp lớn nhất tại TBA 220kV Quy Nhơn
Thơng số Giá trị Ghi chú
Điện áp lớn nhất trên thanh cái 220kV 246kV
Khoảng từ 23h đến 3h sáng hơm
sau Cơng suất qua MBA AT1 thời điểm
điện áp thanh cái lớn nhất
P 28MW
Q -3MVAr
Cơng suất qua MBA AT2 thời điểm điện áp thanh cái lớn nhất
P 51MW
Q -
19MVAr
(Chiều cơng suất truyền tải: (-) cơng suất đến thanh cái 220kV, (+) là ngược lại)
Qua theo dõi số liệu vận hành tại TBA 220kV Quy Nhơn nhận thấy rằng: Điện áp tại thanh cái 220kV tăng cao trong chế độ phụ tải cực tiểu đêm và các ngày nghỉ lễ, tết hàng năm, cĩ thời điểm vượt giới hạn cho phép (246kV), do các nguyên nhân sau:
1. Cơng suất phản kháng sinh ra các đường dây 220kV từ hệ thống chạy về trạm là rất lớn.
2. Cơng suất phản kháng do tụ bù tĩnh phía hạ thế quá lớn (yêu cầu bù Cosφ 0,95) vì vậy khi phụ tải lúc đêm và các ngày nghỉ lễ, tết các nhà máy xí nghiệp ngừng sản xuất nhưng khơng cắt tụ bù tĩnh ra thì lượng CSPK này cũng sẽ chạy ngược về trạm qua các đường dây 110kV, 35kV, 22kV nối vào trạm 220kV Quy Nhơn.
Như vậy, cơng suất phản kháng cĩ thể được sinh ra từ các đường dây hoặc các tụ bù ngang và được tiêu thụ do tổn thất, phụ tải hoặc các thiết bị bù. Việc thay đổi CSPK trong hệ thống điện cĩ một vai trị rất quan trọng trong vận hành. CSPK ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị điện áp tại thanh cái 220kV và phân bố điện áp dọc các tuyến đường dây cao áp và siêu cao áp.
Hiện tượng điện áp cao thường xuất hiện trong chế độ phụ tải thấp, cơng suất truyền tải trên các đường dây nhỏ, trong các chế độ này cơng suất phản kháng sinh ra nhiều hơn tiêu thụ. Hiện tượng này mang tính chất cục bộ, nhưng cĩ thể gây hư hỏng, phá hủy các thiết bị điện, ảnh hưởng đến vận hành an tồn, tin cậy, ổn định hệ thống. Do đĩ, cần được nghiên cứu để nâng cao sự ổn định điện áp bằng biện pháp dùng SVC để tiêu thụ lượng cơng suất phản kháng dư thừa, qua đĩ giảm được điện áp cao.
3.3. Hiện tượng quá điện áp lưới điện đấu nối vào TBA 220kV Quy Nhơn
Trên cơ sở số liệu từ các đường dây và trạm biến áp trong khu vực. Ta cĩ số liệu điện áp tại các nút như Bảng 3.3 và được mơ tả ở Hình 3.2.
Bảng 3.3. Điện áp các nút 220kV/110kV khu vực tại TBA 220kV Quy Nhơn trường hợp khơng bù Vị trí Điện áp (kV) TC 220kV Quy Nhơn 243.7 TC 110kV An Nhơn 118.9 TC 110kV Nhơn Tân 118.6 TC 110kV Quy Nhơn 119.2 TC 110kV Quy Nhơn 2 118.9 TC 110kV Phước Sơn 118.8 TC 110kV Long Mỹ 119
Hình 3.2. Điện áp tại các nút 110kV khu vực TBA 220kV Quy Nhơn chế độ phụ tải cực tiểu năm 2018 khi khơng bù
3.4. Phân tích và đánh giá
Qua số liệu trên ta nhận thấy điện áp vượt ngưỡng cho phép vận hành hiện nay tại TBA 220kV Quy Nhơn, ta cĩ nhận xét như sau:
Điện áp tại thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Quy Nhơn vượt giới hạn định mức vận hành tối ưu và cĩ thể tăng cao khi phụ tải thấp, điện áp tại các thanh cái 110kV vận hành sát giới hạn cho phép. Nguyên nhân chủ yếu do thừa cơng suất phản kháng.
3.5. Tính tốn cơng suất phản kháng tại TBA 220kV Quy Nhơn
Theo tài liệu [1], CSPK cùng với điện áp là vấn đề mang tính chất cục bộ trên hệ thống, do đĩ để xác định sơ bộ dung lượng của SVC lắp đặt tại trạm biến áp 220kV Quy Nhơn thực hiện tính tốn như sau:
- Tính tốn tổng CSPK sinh ra trên các đường dây 220kV, 110kV (QT) đấu nối đến trạm biến áp 220kV Quy Nhơn.
- Dung lượng CSPK cần lắp đặt của SVC tại trạm 220kV Quy Nhơn theo kinh nghiệm thường sẽ được chọn nằm trong khoảng 50÷70% cơng suất phản kháng QT (mức phổ biến trên lưới điện truyền tải Việt Nam hiện nay).
CSPK sinh ra của mỗi mạch đường dây được tính theo cơng thức sau:
𝑄𝑇 = 𝑈
2(𝑘𝑉2) × 𝐵(𝜇𝑆/𝑘𝑚) × 𝑙(𝑘𝑚)
106 (𝑀𝑉𝐴𝑟)
Kết quả tính tốn CSPK sinh ra do các đường dây 220kV, 110kV đấu nối vào trạm được trình bày trong các Bảng 3.4:
Bảng 3.4. Cơng suất phản kháng sinh ra của các ĐZ 220kV, 110kV đấu nối với trạm 220kV Quy Nhơn
TT Đường dây 220kV Tiết diện
Chiều dài (l) Điện dung (B) Cơng suất phản kháng (Q) Ghi chú km μS/km MVAr Hiện Trạng
1 Tuy Hồ - Quy Nhơn ACSR330 92.5 2.68 12.0 2 An Khê - Quy Nhơn ACSR400 46 2.74 6.1
Tổng 18.1
TT Đường dây 110kV Tiết diện
Chiều dài (l) Điện dung (B) Cơng suất phản kháng (Q) Ghi chú km μS/km MVAr 1 171 (110kV Quy Nhơn 220 - An Nhơn)" AC 185/29 12.65 2.75 0.42 2 172 (110kV Quy Nhơn 220 - Nhơn Tân)" AC 185/29 15.10 2.75 0.50 3 173 (110kV Quy Nhơn 220 - Long Mỹ)" AC 185/29 5.67 2.75 0.19 4 174 (110kV Quy Nhơn 220 - Quy Nhơn 110/M1)"
AC 240/32 10.50 2.81 0.36
5
175 (110kV Quy Nhơn 220 - Quy Nhơn 110/M2)" AC 240/32 10.50 2.81 0.36 6 177 (110kV Quy Nhơn 220 - Phước Sơn) AC 240/32 13.24 2.81 0.45 Tổng 2.7
3.6. Kết luận
Căn cứ vào thực trạng vận hành của trạm biến áp 220kV Quy Nhơn, Bình Định, ta đề xuất các phương án nhằm giảm quá điện áp tại trạm biến áp, đồng thời bù cơng suất phản kháng trên đường dây. Từ đĩ đưa ra giải pháp phù hợp sẽ được trình bày ở Chương 4.
CHƯƠNG 4: SỬ DỤNG SVC ĐỂ GIẢM QUÁ ĐIỆN ÁP TẠI TRẠM BIẾN ÁP 220KV QUY NHƠN
4.1. Hiện tượng thay đổi điện áp tại TBA220kV Quy Nhơn
Qua quá trình vận hành TBA 220kV Quy Nhơn, cho thấy điện áp tại thanh cái 220kV của TBA220kV Quy Nhơn vào những thời gian thấp điểm khá lớn, cĩ nhiều thời điểm vượt giá trị điện áp yêu cầu (điện áp đạt 242kV đến 246kV ở các thời điểm đêm các tháng 1, tháng 2). Hiện tượng điện áp cao do nhu cầu tải Bình Định lúc thấp điểm đêm (cơng suất qua TBA 220kV khoảng 10MW) khá thấp, khu vực cĩ nhiều NMTĐ đấu nối ở cấp 220kV phát cơng suất phản kháng cao. Tuy nhiên ở những thời điểm nhu cầu phụ tải cao, cơng suất qua TBA 220kV Quy Nhơn khoảng 300MW điện áp trên thanh cái 220kV ổn định.
Để giải quyết chất lượng điện áp tại TBA 220kV Quy Nhơn, đặc biệt trên hệ thống 220kV cần xem xét thiết bị bù cơng suất phản kháng lắp đặt cho TBA 220kV Quy Nhơn.
4.2. Một số giải pháp để giảm quá điện áp cho TBA220kV Quy Nhơn 4.2.1. Một số giải pháp tạm thời
- Lắp đặt tự động điều chỉnh nấc phân áp của các máy biến áp. Tuy nhiên giải pháp này làm cho bộ điều chỉnh điện áp dưới tải của các MBA nhanh hỏng bộ tiếp điểm vì phải điều chỉnh liên tục theo sự tăng giảm điện áp của hệ thống điện.
- Thiết bị bù ngang được trang bị cĩ mục đích để hạn chế điện áp cao tại một số khu vực trên hệ thống, vấn đề nâng cao ổn định hệ thống, cũng như điều khiển trào lưu cơng suất nhưng khơng thực sự cần thiết. Thực tế đã cho
thấy, trong nhiều thời điểm chế độ phụ tải cực tiểu, cơng suất phản kháng phía 110kV cũng dư thừa và cịn truyền ngược lên cấp điện áp 220kV.
- Cĩ thể cắt điện một số đường dây 220kV, 110kV để hạn chế CSPK sinh ra trong chế độ phụ tải cực tiểu, hầu hết các đường dây đều vận hành non tải. Tuy nhiên, giải pháp này sẽ dẫn đến các tác động xấu là: làm suy giảm độ tin cậy của hệ thống, các máy cắt đường dây hoạt động thường xuyên (phụ tải cực đại đĩng vào, phụ tải cực tiểu cắt ra) làm giảm tuổi thọ thiết bị, gia tăng tổn thất cơng suất tác dụng.
4.2.2. Dùng tụ bù tĩnh SVC
SVC là thiết bị tự động điều chỉnh cơng suất phản kháng. Nếu hệ thống thừa cơng suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đĩng vai trị là các kháng bù ngang. Khi đĩ, SVC sẽ tiêu thụ cơng suất phản kháng từ hệ thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh. Ngược lại, nếu hệ thống thiếu cơng suất phản kháng, SVC sẽ bơm cơng suất phản kháng vào hệ thống điện, điện áp của nút sẽ được cải thiện.
4.3 Sơ đồ mạch điện của trạm TBA 220kV Quy Nhơn
Điện áp tại thanh cái 220kV của trạm biến áp 220kV Quy Nhơn tăng cao khi phụ tải thấp. Vì vậy cần thiết xem xét hai trường hợp tải cực tiểu (10MW) và tải trung bình (100MW).
Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn, gồm đường dây kép: nguồn 220KV, 50 Hz; qua máy biến áp hạ áp xuống cịn 110KV. Sơ đồ mạch điện của trạm biến áp 220kV Quy Nhơn được trình bày ở Hình 4.1 và Hình 4.2:
Hình 4.1. Cấu trúc hệ thống điện tại trạm biến áp 220kV Quy Nhơn, trường hợp tải 10MW
Hình 4.2. Cấu trúc hệ thống điện tại trạm biến áp 220kV Quy Nhơn, trường hợp tải 100MW
4.4. Mơ hình hĩa và mơ phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink
4.4.1. Trường hợp lắp đặt SVC phía cao áp 220kV của trạm biến áp 220kV Quy Nhơn: Quy Nhơn:
Cấu trúc của hệ thống điện khi lắp tụ bù SVC phía cao áp 220kV như Hình 4.3
Hình 4.3. Cấu trúc hệ thống điện khi lắp thêm tụ bù SVC phía cao áp
Hệ thống nhận năng lượng điện với điện áp 220kV, một bộ bù tĩnh SVC được sử dụng để điều chỉnh điện áp trên Trạm 220 kV, 250 MVA. Khi điện áp hệ thống thấp, SVC tạo ra cơng suất phản kháng (điện dung SVC). Khi điện áp hệ thống cao, nĩ sẽ hấp thụ cơng suất phản kháng (điện cảm SVC). Dung lượng của SVC được chọn lắp đặt là 50MVAr.
4.4.1.1. Khâu cấp nguồn:
Hệ thống nguồn 3 pha 3 dây cĩ trị hiệu dụng U=220kV, tần số 50Hz, giá trị gĩc pha của các pha A, B, C lệch pha nhau 1200. Mơ hình nguồn 3 pha:
4.4.1.2. Khâu tính tốn giá trị điện áp và điện dẫn
Hình 4.5. Mơ hình khâu tính tốn 4.4.1.3. Mơ hình SVC trên Matlab
Để mơ phỏng SVC, Matlab cung cấp khối “Static Var Compensator” nằm trong thư viện Powerlib/Electrical Sources.
Hình 4.6. Mơ hình SVC
Input: Các đầu vào A, B, C được nối trục tiếp vào lưới điện. Output:
B(pu): dẫn nạp của SVC (SVC Susceptance) ứng với điện áp được hiệu chỉnh.
Vm(pu): điện áp thứ tự thuận của lưới do SVC đo được Các thơng số của khối SVC:
Mode of operation: chế độ hoạt động của SVC
Var control (Fixed susceptance Bref): hiệu chỉnh lượng cơng suất phản kháng phát ra bằng với giá trị B
Voltage regulation:hiệu chỉnh điện áp bus bằng với giá trị Vref.
Nominal voltage (Vrms Ph-Ph): giá trị hiệu dụng điện áp dây định mức.
Reactive power limits [QCmax(var>0), QLmin(var<0)]: giới hạn cơng suất phản kháng của SVC.
Three-phase base power Pbase (VA): cơng suất định mức. Reference voltage Vref (pu):điện áp đặt.
Drop Xs (pu):trở kháng xác định lượng điện áp rơi của SVC. Voltage regulator: các thơng số của khối Voltage regulator.
Kp (puB/puV): hằng số tỉ lệ.
Ki (puB/puV/s): hằng số tích phân tỉ lệ.
Time constant of voltage measurement system Tm (s): hằng số thời gian của hệ thống đo điện áp.
Average time delay due to thyristor valves firing Td (s): thời gian trễ để kích các thyristor.
Mơ hình khối SVC:
Khối SVC được kết nối trực tiếp lên lưới, đo điện áp lưới, chuyển đổi sang điện áp pha ở giá trị tương đối.
Điện áp pha được đưa vào khối Voltage regulator, cùng với điện áp đặt Vref. Khối Voltage regulator đưa ra giá trị điện dẫn B (susceptance) ở đơn vị tương đối.
Tùy theo mode hoạt động mà giá trị B hoặc Bref sẽ sử dụng để tạo nguồn dịng đưa ngược trở lại lưới.
Hình 4.8. Mơ hình khối SVC
4.4.1.4. Khối Voltage regulator
Khối Voltage regulator nhận tín hiệu điện áp đo được từ lưới, kết hợp với giá trị điện áp đặt Vref và giá trị điện áp rơi, xác định độ lệch điện áp. Giá trị sai lệch này được đưa qua các khâu tỉ lệ và tích phân tỉ lệ, đầu ra là giá trị điện dẫn B (susceptance).
Hình 4.10. Khối Voltage regulator. 4.4.1.5. Khâu tải:
Xét hai trường hợp: tải 10 MW và tải 100 MW
Hình 4.12. Thơng số khối tải trên Matlab 4.4.1.6. Kết quả mơ phỏng:
SVC được cài đặt chế độ điều chỉnh điện áp với điện áp tham chiếu Vref
= 1.0pu. Độ giảm điện áp là 0,07pu/200MVA, do đĩ điện áp thay đổi từ 0,93pu đến 1,07pu khi dịng điện SVC chuyển từ điện dung hồn tồn sang điện cảm hồn tồn.
Điện áp nguồn ba pha cài đặt để thay đổi điện áp hệ thống và theo dõi hoạt động của SVC. Ban đầu nguồn cĩ điện áp danh định (220kV tương đương 1pu). Điện áp giảm (-0,07pu) đạt giá trị 0,93pu tại t=0,5s, sau đĩ dưới tác động của SVC, điện áp đã trở về tuy nhiên khơng đạt được giá trị 1pu (0,97pu). Đến t=1s khi giá trị đặt tăng (+0,12pu) đạt giá trị 1,12pu (tương đương 246kV), sau đĩ dưới tác động của SVC, điện áp đã trở về tuy nhiên khơng đạt được giá trị 1pu (1,03pu). Đến thời điểm t=1,5s, điện áp giảm (- 0,07pu) đạt giá trị 0,96pu, dưới tác động của SVC, điện áp đã trở về điện áp danh định (1pu).
Hình 4.13. Đáp ứng điện dẫn B của SVC khi điện áp nguồn thay đổi trường hợp tải 10MW
Hình 4.14. Đáp ứng điện dẫn B của SVC khi điện áp nguồn thay đổi trường hợp tải 100MW
Hình 4.15. Đáp ứng điện áp Vm của SVC khi giá trị điện áp nguồn thay đổi trường hợp tải 10MW
V1
Hình 4.16. Đáp ứng điện áp Vm của SVC khi giá trị điện áp nguồn thay đổi trường hợp tải 100MW
Nhận xét: Khi tải cĩ giá trị trung bình 100MW, tại các thời điểm t=0,5s, 1s, 1,5s, SVC vẫn hoạt động tốt, điện áp SVC đưa về giá trị danh định. Khi điện áp nguồn thay đổi quá lớn thì SVC chưa đảm bảo chính xác, tuy nhiên vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Ta cĩ kết quả mơ phỏng điện áp khi chưa lắp SVC và khi lắp SVC ứng với các tải và cơng suất phản kháng tại các nút như sau:
Đối với tải 10 MW:
Trường hợp tải cĩ Q = 0 MVAr:
Khi chưa cĩ tụ bù SVC, dạng sĩng điện áp cĩ dạng như sau:
Hình 4.17. Điện áp ba pha khi khơng cĩ SVC trường hợp tải 10MW, Q=0 MVAr
Hình 4.18. Phổ điện áp pha A khi chưa cĩ SVCtrường hợp tải 10MW, Q=0 MVAr
Khi cĩ tụ bù SVC đặt phía cao áp, đồ thị dạng sĩng điện áp cĩ dạng như sau:
Hình 4.19. Điện áp ba pha khi cĩ SVC đặt phía cao áp, trường hợp tải 10MW, Q=0 MVAr
Trường hợp tải cĩ Q= 25 MVAr:
Khi chưa cĩ tụ bù SVC, dạng sĩng điện áp cĩ dạng như sau:
Hình 4.21. Điện áp ba pha khi khơng cĩ SVC trường hợp tải 10MW, Q=25 MVAr
Hình 4.22. Phổ điện áp pha A khi chưa cĩ SVC trường hợp tải 10MW, Q=25 MVAr