và nếu V = V + j0 được lấy làm pha chuẩn, có thể viết
( s s) P jQ RsP XsQ XsP RsQ R X V j V V R jX V V V j (1.13)
Độ sụt giảm điện áp AV có một thành phần ΔVr trùng pha với V và một thành phần ΔVx vng góc với V như chỉ ra trên hình 1.21. Cả biên độ và pha của V, so với điện áp E, là hàm của độ lớn và pha của tải trọng hiện tại, và của Rs cung cấp trở kháng + jXs. Như vậy ΔV phụ thuộc vào cả hai thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng của tải.
Bằng cách thêm một trở kháng bù hoặc 'bù' song song với tải, nó có thể duy trì |V| = |E|. Trong hình 1.21 này được thực hiện với một bộ bù hoàn toàn. Tải công suất phản kháng được thay thế bởi tổng Qs = Q + Q, và Q (bù công suất phản kháng) được điều chỉnh trong một cách nào đó để xoay ΔV pha cho đến |V| = |E|. Từ phương trình trên: 2 2 2 RsP XsQs XsP RsQs E V V V (1.14)
Giá trị của Q cần thiết để đạt được điều này điều kiện "điện áp không đổi’' được tìm thấy bằng cách giải phương trình (2.13) cho Qs với V = | E |; sau đó Q = Qs - Q. Trong thực tế giá trị có thể được xác định tự động bởi một điều khiển vòng kín mà vẫn duy trì liên tục điện áp V.
Chúng ta đã thấy rằng một bù có thể được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số công suất. Ví dụ, nếu hệ số cơng suất được điều chỉnh để thống nhất, Qs = 0 và Q = Q. Mặt khác, ΔV = (Rs + jXs) P/V (1.15)
Như vậy: bù hồn tồn cơng suất phản kháng khơng thể duy trì cả hai mục tiêu là điện áp không đổi đồng thời giữ nguyên hệ số công suất tại một thời điểm. Ngoại lệ duy nhất là khi P = 0, nhưng điều này không phải là mối quan tâm thiết thực.
1.2.10 Hệ thống tải đường dây, [1], [2]
Trong hệ thống cao áp điện trở Rs thường nhỏ hơn nhiều so với Xs và được bỏ qua. Thay vì sử dụng trở kháng hệ thống, thơng thường được biểu diễn qua một chỉ số là công suất ngắn mạch SN = E2/Xs. Hơn nữa, khi điện áp rơi đang được xem xét, ΔVx được bỏ qua bởi vì nó có xu hướng sản xuất chỉ là một sự thay đổi giữa V và E. Do đó R V ΔV và XsQ2 Q V V S V (1.16) hay V E 1 Q S (1.17)
Mối quan hệ này là một đường thẳng, như thể hiện trong hình 2.11. Nó được gọi là đường đặc tính tải của hệ thống.
1.2.11 Điều chỉnh công suất và tần số [1], [2]
Trong các hệ thống điện cần thiết phải giữ cho tần số và điện áp gần giá trị định mức của nó. Tần số được điều khiển bằng cách kiểm soát sự cân bằng giữa tổng công suất phát và tổng công suất thu kể cả công suất tổn thất truyền dẫn trong tồn hệ thống. Hình 1.22 mơ tả một hệ thống truyền tải với một turbine dẫn động cho một máy phát điện cung cấp năng lượng điện cho một motor truyền động cho các tải cơ khí.
Hình 1.22 Mơ hình hệ thống điện
Phía nguồn phát, giả thiết đó là máy phát nhiệt điện thì phần động lực cung cấp cơng suất sơ cấp cho máy phát là turbine hơi, trong đó van hơi là phương tiện chính cho điều khiển cơng suất của hệ turbine – máy phát. Tất nhiên, nếu các van được mở, các nồi hơi phải có khả năng cung cấp đủ hơi nước (ở áp suất và nhiệt độ chính xác) để phát triển sức mạnh cần thiết. Điều này có nghĩa rằng việc kiểm sốt nồi hơi phải được phối hợp với các van hơi. Tương tự như vậy, trong một turbine gió cơng suất truyền tới các máy phát điện được xác định bởi tốc độ gió và hệ thống cánh, có thể được thay đổi để kiểm sốt cơng suất theo mức cần thiết.
Các cơng suất điện hưu ích lấy từ hệ thống được xác định bằng các tải cơ khí và điện. Ví dụ, hãy xem xét một động cơ cảm ứng trực tiếp kết nối với một máy bơm. Công suất động cơ thay đổi theo tốc độ quay kể từ khi khởi động cho đến khi làm việc ổn định tại tốc độ định mức (gần tốc độ gần đồng bộ) tùy thuộc vào đầu áp và tốc độ dịng chảy. Ngồi ra cịn các tải điện thụ động (chẳng hạn như ánh sáng và sưởi ấm), nguồn điện cung cấp cho tải phụ thuộc vào điện áp và trở kháng tải. Vì vậy, cơng suất phía nguồn phát có thể được xem như luôn được điều khiển bám theo cơng suất phía tiêu thụ và do đó tần số hệ thống đảm bảo ổn định là 50 Hz hoặc 60 Hz
Rõ ràng là công suất phát (Pin) và công suất thu (Pout) được xác định hoàn toàn độc lập. Tuy nhiên, trong trạng thái ổn định thì phải đảm bảo cân bằng, nếu khơng năng lượng sẽ được tích lũy ở đâu đó trong hệ thống truyền tải điện. Các nhà điều hành hệ thống điện có thể điều khiển Pin vào nhưng khơng kiểm sốt Pout , trong khi đó khách hàng có thể kết nối và ngắt kết nối tải theo ý thích. Các nhà điều hành hệ thống điện thậm chí khơng có bất kỳ phương tiện thực tế đo Pout cho toàn bộ hệ thống.
Trong ngắn hạn (trong khoảng thời gian tính bằng chu kỳ), sự kiểm soát tần số mà đảm bảo rằng Pin = Pout, được thực hiện bằng cách duy trì tốc độ của máy phát điện rất gần với giá trị danh định. Giả sử hệ thống điện trong một trạng thái ổn định và Pin = Pout xuất hiện sự tăng tải làm tốc độ hệ turbine – máy phát sẽ có xu hướng chậm lại, tần số xuy giảm xuống dưới giá trị định mức và ngược lại nếu giảm tải thì tần số làm việc có su hướng tăng lên trên giá trị định mức. Q trình điều khiển để khơi phục sự cân bằng ban đầu có tính chất dao động. Mức độ dao động xét cả về biên độ và thời gian tồn tại là cơ sở đánh giá tính ổn định của hệ thống với từng phân cấp: ổn định tĩnh, ổn định động và không ổn định.
Trong một hệ thống điện độc lập chỉ với một máy phát điện, nguồn động lực sơ cấp làm việc tương đối đơn giản là duy trì tốc độ của máy phát điện ở tốc độ đồng bộ chính xác giữ cho khơng đổi tần số. Nhưng điều gì xảy ra trong một hệ thống điện với nhiều máy phát điện? Trong trường hợp này thường có tổ hợp gồm nhiều nhà máy điện. Những tổ máy có hiệu suất làm việc cao nhất sẽ được phân công vận hành với công suất lớn nhất và không đổi (máy điều áp) và không liên quan đến sự thay đổi của Pin khác nhau. Ngoài kinh tế, một trong những lý do cho điều này là nếu công suất thay đổi liên tục, phân bố nhiệt độ trong turbine, nồi hơi, máy phát điện và sẽ bị ảnh hưởng, và chu trình nhiệt được coi là khơng tối ưu. Ở những nơi khác trong hệ thống điện, hoặc đôi khi trong cùng một nhà máy điện, có những máy phát điện đặc biệt được giao nhiệm vụ kiểm soát tần số. Những máy phát điện có đặc tính rất dốc như vậy, một thay có đổi nhỏ trong tần số sẽ gây ra một thay đổi lớn về cơng suất. Đó thường là turbine khí có thể bổ sung hỗ trợ lượng công suất lên đến 20 MW. Tương tự như vậy, nhưng trong một trạng thái khác máy phát thủy điện có hồ chứa cũng có phản ứng rất nhanh, có thể phát triển
cơng suất từ không lên công suất định mức hàng ngàn MW trong thời gian vài chục giây.
Các máy phát điện nhanh chóng đáp ứng trong một hệ thống kết nối điện lớn được sử dụng để kiểm soát tần số trong ngắn hạn (trong một vài phút hoặc vài giờ). Chúng có khả năng trụ lưới trong thời gian nhất định để cho phép các nhà máy điện lớn hơn gia tăng cơng suất đóng góp.
Một số máy phát điện trong một hệ thống lớn có thể hoạt động đối với tải ánh sáng trong trạng thái sẵn sàng hoặc dự trữ quay trong trường hợp tăng tải hệ thống đột nhiên bởi một số lượng lớn. Điều này có thể xảy ra khi đóng điện hệ thống đèn đường.
1.2.12 Mối quan hệ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, cấp điện áp và góc pha, [1], [2], [4], [6] và góc pha, [1], [2], [4], [6]
Sơ đồ pha cho các hệ thống trong hình 2.13 được thể hiện trong hình 2.14, giả định rằng các tải có góc trễ Ф. Đường truyền dẫn được đại diện bởi trở kháng Rs + jXs, thường Rs là được bỏ qua vì nhỏ hơn nhiều so với Xs. Độ sụt giảm điện áp trên đường truyền tải là jXs.I, chậm pha với dịng điện I một góc 90°. Góc giữa Es và Er là góc tải, và có các mối quan hệ sau:
E cos s ErX Is sin và Essin Xscos (1.19) Ngoài ra:
*
cos sin
r r r
P jQE I E I jE I (1.20) Từ đây có được biểu thức tính cơng suất tác dụng:
sin s r s E E P X (1.21)
và biểu thức tính cơng suất phản kháng phía nhận cơng suất cos r s r s r E Q E X E (1.22)
Rõ ràng P = Ps = Pr nếu coi các tổn thất truyền tải là khơng đáng kể. Tại phía nguồn phát:
cos( ) jE Isin( )
s s s s
Hình 1.23 Mơ tả hệ thống điện hình qua đồ thị vecter Từ đó có được:
(sin cos cos sin )
sin cos sin cos cos s s s s r s s s s s r s s Q E I E E E E E X X E E E X (1.24)
Biểu thức có tính chất đối xứng với biểu thức tính Qr ở trên.
1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Kết thúc chương 1 cho ta một cái nhìn khá đầy đủ về một mơ hình hệ thống điện nói chung và lưới truyền tải nói riêng. Bản chất vật lý các quá trình năng lượng trong truyền tải, các mối quan hệ phụ thuộc giữa các đại lượng điện. Những phân tích trên đã cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về vấn đề bù công suất phản kháng trên lưới truyền tải và những công nghệ mới. Tuy nhiên, mỗi thiết bị ra đời trong một điều kiện hoàn cảnh khác nhau cả về thời gian và nhu cầu của hệ thống điện, chức năng của thiết bị nên chưa thể có được sự hồn hảo cho bất cứ một thiết bị nào. Theo dòng thời gian, các tiến bộ về khoa học kỹ thuật, công nghệ của cả bên hệ thống điện cũng như lĩnh vực chế tạo thiết bị, các thiết bị ra đời sớm bộc lộ những nhược điểm là lẽ đương nhiên và vấn đề khắc phục các nhược điểm đó là bài tốn đặt ra cho thế hệ nối tiếp. Đề tài định hướng nghiên cứu vào một thiết bị cụ thể là trạm bù công suất phản kháng kiểu SVC, trên cơ sở phân tích hoạt động của trạm đánh giá các ưu điểm đạt được đồng thời chỉ ra nhược điểm cần khắc phục và đề xuất giải pháp. Nhiệm vụ chương 2, sẽ phân tích hoạt động của một trạm SVC
Chương II
GIẢI TÍCH LƯỚI VÀ TÍNH TỐN PHÂN BỐ DỊNG CƠNG SUẤT 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Nhiệm vụ chính của một hệ thống điện hiện đại là đảm bảo cung cấp điện với chất lượng cao nhất cho mọi khách hàng. Đây là một vấn đề kỹ thuật phức tạp, với các yêu cầu kỹ thuật phải tuân thủ:
- Độ lớn điện áp nút và tần số hệ thống phải được ổn định;
- Dịng điện và áp xoay chiều ln được đảm bảo dạng sóng hình sin;
- Đường truyền phải được vận hành tốt, ổn định dưới mức giới hạn phát nhiệt, kể cả trong chế độ ngắn hạn;
- Hơn nữa, do tính chất cạnh tranh của các doanh nghiệp cung cấp điện trong giai đoạn bãi bỏ quy định độc quyền, thì chi phí truyền tải phải được giữ ở mức thấp nhất có thể.
Đối với một hệ thống lớn, rất nhiều bài toán đặt ra cần phải sử dụng đến các nghiên cứu về phân bố cơng suất [2]. Mục tiêu chính của nghiên cứu giải tích lưới điện là để xác định tình trạng hoạt động ổn định của mạng điện. Các trạng thái ổn định có thể được xác định bằng cách phân tích một tập hợp các điều kiện liên quan như: Tải, công suất truyền tải và điện áp tại tất cả các nút trên toàn mạng cả về độ lớn và góc pha.
Ngồi việc kiểm sốt phân bố cơng suất trong một hệ thống điện phức tạp [2], các yêu cầu khác cũng cần phải được cập nhật liên tục như độ lớn điện áp nút và dòng điện tải và tổn thất trên đường dây hay trong biến áp có nằm trong giới hạn cho phép hay không. Nếu biên độ điện áp tại một số điểm trên lưới vượt ra ngoài giới hạn, những giải pháp khắc phục cần phải được thực hiện điều chỉnh điện áp trở lại trong phạm vi quy định. Tương tự như vậy, nếu dòng điện trong một đường truyền vượt quá khả năng tải của đường dây, khi đó hệ thống bảo vệ phải tác động ngay trước tiếp diễn đến giới hạn nguy hiểm.
2.2 KHÁI NIỆM VỀ DỊNG CƠNG SUẤT
Vấn đề phân bố dịng cơng suất, được giải quyết để xác định trạng thái điện áp ổn định ở tất cả các nút của mạng, từ đó các dịng điện làm việc và tổn thất trong mỗi đường dây và máy biến áp được xác định [2]. Tập hợp các phương trình đặc
trưng cho hệ thống điện là một hệ phương trình phi tuyến. Tuy nhiên, tại một nút bất kỳ trong mạng điện thì luật cân bằng cơng suất vẫn ln phải được thỏa mãn. Do tính chất phi tuyến của các phương trình dịng điện nên phương pháp giải được áp dụng thuật tốn tính lặp [2]
2.2.1 Các công thức cơ bản [2]
Một phương pháp để đánh giá hoạt động ổn định của hệ thống điện là viết các phương trình tại các nút cho tải và công suất truyền tải qua các đường dây giữa các nút đồng thời phải kể đến điểm nối đất. Điều này áp dụng cho cả công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK). Những phương trình này được gọi là “phương trình cân bằng cơng suất nút”. Giả sử tại nút (nút) k trên hình 2.1 viết được các biểu thức sau:
0 cal sch cal k Gk Lk k k k P P P P P P (2.1) 0 cal sch cal k Gk Lk k k k Q Q Q Q Q Q (2.2) Trong đó:
-Qkvà Pk là các thành phần cơng suất không cân bằng tại nút k
- PGkvà QGk là công suất tác dụng (CSTD) và CSPK được bơm vào nút k bởi các máy phát điện. Đối với mục đích của các giải pháp điều chỉnh dịng cơng suất nó được giả định rằng các thành phần này có thể được kiểm soát bởi các nhà điều hành nhà máy điện. Ở chế độ vận hành bình thường, các phụ tải tiêu thụ điện luôn cho trước giá trị của các biến PLkvà QLk. Về nguyên tắc tại nút k có viết được:
sch k Gk Lk P P P (2.3) sch k Gk Lk Q Q Q (2.4)
Các thành phần công suất truyền tải Pkcalvà Qkcal phụ thuộc vào điện áp nút và trở kháng các đường dây nối đến nút k. Nếu điện áp ở tất cả các nút được tính tốn một cách chính xác thì dễ dàng xác định được chính xác cơng suất truyền tải và phương trình cân bằng công suất nút được thỏa mãn. Khi điện áp tại các nút là khơng biết chính xác thì cơng suất truyền tải tính cũng khơng chính xác và phương trình cân bằng cơng suất khơng cân bằng. Các phương pháp giải tích lưới sẽ đưa ra cách điều chỉnh điện áp nút để phương trình cân bằng cơng suất tiến gần tới cân bằng. Trong giải tích lưới hiện đại, các phép tốn sẽ được lập đi lập lại đến khi sai
số trong các phương trình thảo mãn đến nhỏ hơn 1e-12. Ngày nay, nhờ tốc độ tính