Vị trí đặt thiết bị bù

Đặt tập trung: Tại thanh cái hạ áp trạm phân xưởng (0,4 kV) hoặc thanh cái trạm trung tâm (6, 10, 22 kV), ưu điểm dễ quản lý vận hành, giảm vốn đầu tư.

Đặt phân tán: thiết bị bù được phân nhỏ thành từng nhóm đặt tại các tủ động lực trong phân xưởng. Trường hợp động cơ công suất lớn, tiêu thụ nhiều Q có thể đặt ngay tại các động cơ đó. Đặt thiết bị bù ở phía hạ áp không phải luôn có có lợi, do giá tiền cho 1 kVAr tụ hạ áp đắt gấp đôi 1 kVAr tụ ở 6, 10, 22 kV. Phân nhỏ dung lượng bù để đặt theo nhóm riêng lẻ cũng không phải luôn có lợi, bởi do có giảm ∆A nhiều hơn, nhưng làm tăng chi phí lắp đặt, quản lý và vận hành.

Hình 2.8. Sơ đồ mạng lưới bù công suất phản kháng 2.1.4. Xác định dung lượng bù

Khi đặt thiết bị bù sẽ giảm được tổn thất điện năng ∆A, nhưng tiêu tốn vốn đầu tư, đồng thời thiết bị bù cũng gây nên tổn thất ∆P ngay trong ở thiết bị và cần chi phí vận hành. Thiết lập quan hệ của 𝑄𝑏ù với 𝑍𝑡𝑡 từ đó tìm𝑄𝑏ù để 𝑍𝑡𝑡

Hình 2.9. Dung lượng bù CSPK

Tổng chi phí vận hành gồm 3 thành phần cơ bản:

𝑍 = 𝑍1 + 𝑍2+ 𝑍3 (2.6)

𝑍1- thành phần chi phí liên quan đến vốn đầu tư

𝑍1 = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐)𝑘0𝑄𝑏ù (2.7)

𝑎𝑣ℎ- hệ số vận hành (khấu hao)

𝑎𝑣ℎ - hệ số hiệu quả kinh tế của việc thu hồi vốn đầu tư

𝐾0- giá tiền đơn vị công suất đặt thiết bị bù (đ/1kVAr)

𝑄𝑏ù- dung lượng bù (đang cần tìm) (kVAr)

Z2 - thành phần liên quan đến tổn thất điện năng do thiết bị bù

𝑍2 = ∆𝑃0𝑄𝑏ù𝑇. 𝐶 (2.8)

∆𝑃0- suất tổn hao công suất trong thiết bị bù (kW/1kVAr) T - thời gian làm việc của thiết bị bù (đóng tụ vào lưới) C - giá tiền điện năng tổn thất (đ/kWh).

𝑍3- thành phần tổn thất điện năng trong hệ thống (sau bù)

𝑍3 = (𝑄 − 𝑄𝑏ù)

2

𝑈2 𝑅. 𝜏. 𝐶 (2.9)

R - điện trở của mạng; U - điện áp của mạng;

Q - công suất phản kháng yêu cầu của hộ tiêu thụ; τ - Thời gian tổn thất công suất cực đại.

Hàm chi phí theo dung lượng bù:𝑍 = 𝑓(𝑄𝑏ù)

𝑍 = (𝑎𝑣ℎ+ 𝑎𝑡𝑐)𝑘0𝑄𝑏ù + ∆𝑃0𝑄𝑏ù𝑇. 𝐶 +(𝑄 − 𝑄𝑏ù)2

Tối thiểu hóa hàm chi phí → giá trị công suất phản kháng 𝑄𝑘𝑡 𝜕𝑍 𝜕𝑄𝑏ù = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐𝑘0) + ∆𝑃0𝑇. 𝐶 + 2(𝑄 − 𝑄𝑏ù) 𝑈2 𝑅. 𝜏. 𝐶 = 0 (2.11) 𝑄𝑏ù.𝑘𝑡 = 𝑄 +(𝑎𝑣ℎ+ 𝑎𝑡𝑐)𝑘0+ ∆𝑃0𝑇. 𝐶 2𝑅. 𝜏. 𝐶 𝑈 2 (2.12)

Tương tự, hàm chi phí tính toán và tính dung lượng bù kinh tế cho mạng đường dây chính cung cấp cho một số phụ tải:

Hình 2.10. Sơ đồ bù CSPK 𝑍 = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐)𝑘0(𝑄𝑏ù.1+ 𝑄𝑏ù.2 + ⋯ ) + ∆𝑃0(𝑄𝑏ù.1+ 𝑄𝑏ù.2 + ⋯ )𝑇. 𝐶 +𝜏. 𝐶 𝑈2 ∑ 𝑅𝑖𝑗(𝑄𝑖𝑗 − 𝑄𝑏ù.𝑖𝑗)2 (2.12) 𝑍 = 𝑓(𝑄𝑏ù.1, 𝑄𝑏ù.2) (2.13)

Để tìm được dung lượng bù kinh tế đặt tại từng hộ tiêu thụ ta lần lượt lấy đạo hàm riêng của chi phí tính toán theo𝑄𝑏ù.1; 𝑄𝑏ù.2… và cho bằng không. Giải hệ phương trình đó ta tìm được dung lượng bù kinh tế đặt ở các điểm khác nhau. Trị số 𝑄𝑏ù tìm được có giá trị âm chứng tỏ việc đặt tụ điện bù tại hộ đó là không kinh tế, ta thay 𝑄𝑏ù = 0ở những phương trình còn lại và giải hệ (n-1) phương trình đó một lần nữa.

Ví dụ: Hai xí nghiệp 1 và 2 được cung cấp điện từ N. Giả sử đã tính được điện trở các đoạn đường dây 10 kV là 2 và 3 Ω. Hãy xác định dung lượng bù kinh tế tại thanh cái 10 kV của các xí nghiệp.

Tại mỗi xí nghiệp 𝑄𝑏1; 𝑄𝑏2, lập hàm chi phí tính toán:

𝑍 = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐)𝑘0(𝑄𝑏1+ 𝑄𝑏2) + ∆𝑃0(𝑄𝑏1+ 𝑄𝑏2)𝑇. 𝐶 +𝜏. 𝐶

𝑈2 𝑅12(𝑄𝑏1+ 𝑄𝑏2)2+𝜏. 𝐶

𝑈2 𝑅𝑁1(𝑄2+ 𝑄1 − 𝑄𝑏1 − 𝑄𝑏2)2

Đạo hàm Z theo 𝑄𝑏1và 𝑄𝑏2 rồi cho bằng không.

𝜕𝑍 𝜕𝑄𝑏1 = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐)𝑘0+ ∆𝑃0𝑇. 𝐶 − 2(𝑄2+ 𝑄1 − 𝑄𝑏1− 𝑄𝑏2)2 𝑈2 𝑅𝑁1. 𝜏. 𝑇. 𝐶 = 0 𝜕𝑍 𝜕𝑄𝑏2 = (𝑎𝑣ℎ + 𝑎𝑡𝑐)𝑘0+ ∆𝑃0𝑇. 𝐶 − 2(𝑄2− 𝑄𝑏2) 𝑈2 𝑅12. 𝜏. 𝑇. 𝐶 − 2(𝑄2+ 𝑄1− 𝑄𝑏1 − 𝑄𝑏2)2 𝑈2 𝑅𝑁1. 𝜏. 𝑇. 𝐶 = 0

Nếu lấy 𝑘0 = 70 đ/kVAr ; ∆P0 = 0,005 kW/kVAr; 𝑎𝑣ℎ= 0,1 ; 𝑎𝑡𝑐= 0,125; C = 0,1 đ/kWh ; 𝜏 = 2500h.

Giải hệ phương trình trên được: 𝑄𝑏1 = −200kVAr ;𝑄𝑏2 = 3000 kVAr Vì 𝑄𝑏1 < 0 → không nên đặt thiết bị bù tại xí nghiệp 1 thay 𝑄𝑏1 = 0 vào phương trình thứ hai, cuối cùng giải ra được 𝑄𝑏2 = 2900 kVAr.Vậy muốn mạng điện trên vận hành kinh tế chỉ nên đặt thiết bị bù.

2.2.Đề xuất phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất

Các tính chất đặc trưng của lò hồ quang điện xoay chiều (EAF) cũng như những tác động nghiêm trọng của chúng đến hệ thống điện được nghiên cứu để tạo cơ sở lựa chọn phương án khắc phục một cách hiệu quả, đặc biệt khi số lượng EAF gia tăng nhanh theo sự phát triển của ngành công nghiệp thép.Kết quả phân tích cho thấy những tác động tiêu cực của EAF đến lưới điện.Các phương pháp bù CSPK tự nhiên, sử dụng máy bù đồng bộ không đem lại hiệu

quả cao, do đó trong luận văn này tác giả đề xuất ý tưởng thực hiện việc thiết kế hệ thống bù CSPK kiểu tĩnh (SVC) để giải quyết vấn đề.

SVC thuộc hệ thống FACTS là thiết bị bù song song, sử dụng nguồn điện để điều khiển dòng công suất và cải thiện độ ổn định của lưới điện.Bộ SVC điều chỉnh điện áp tại điểm nó được mắc vào, bằng cách điểu khiển lượng công suất phản kháng được tiêu thụ hay phát vào hệ thống.Khi điện áp giảm xuống nó sẽ phát công suất phản kháng vào hệ thống và ngược lại.Lượng công suất phản kháng đó được điều khiển bằng việc đóng mở hệ thống các tụ điện và cuộn kháng được mắc vào phía thứ cấp của máy biến áp.Đối với SVC loại FC- TCR thì số lượng các tụ được giữ cố định, còn các cuộn cảm được điều khiển đóng mở bằng hệ thống Thyristor.

Đặc tính V-I của SVC chia làm ba vùng làm việc được mô tả bởi các phương trình: Hình 2.11. Đặc tính V-I của SVC 𝑉 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 + 𝑋𝑠 × 𝐼 (−𝐵𝑐𝑚𝑎𝑥 < 𝐵 < 0) 𝑉 = −𝐼 𝐵𝑐𝑚𝑎𝑥 (𝐵 = −𝐵𝑐𝑚𝑎𝑥) 𝐼 = 0 (𝐵 = 0)

Khi dung dẫn của SVC nằm trong vùng giới hạn bởi 0 và BCmax thì điện áp được điều chỉnh lân cận giá trị điện áp tham chiếu Vref và đường đặc tính của SVC sẽ có độ dốc như Hình 2.11.

Nhược điểm của bộ bù CSPK vô cấp dạng FC-TCR là bị hạn chế về dung lượng bù và chi phí lắp đặt ban đầu cao. Tụ bù cố định lớn dẫn tới chi phí cho điện cảm bù cũng cao.Để giải quyết vấn đề này tác giả đề xuất phương pháp bù công suất phản kháng vô cấp kiểu lai (DSVC). Hệ thống DSVC cho phép chỉnh định đồng thời dung lượng tụ bù và kháng bù theo sự thay đổi của hệ số công suất một cách hiệu quả nhất. Kích thước của kháng bù từ đó cũng giảm xuống tương ứng với cấp tụ bù nhỏ nhất.

2.3. Kết luận chương 2

Chương 2 trình bày các phương pháp bù công suất phản kháng truyền thống: phương pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên; phương pháp nâng cao hệ số công suất nhân tạo. Phương pháp nâng cao hệ số công suất nhân tạo được chia thành: sử dụng máy bù đồng bộ, và sử dụng tụ bù tĩnh, bên cạnh đó, Chương 2 cũng đưa ra cách xác định vị trí đặt tụ bù và cách tính dung lượng tụ bù, từ đó đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp. Trên cơ sở lý thuyết và các bước đề xuất đã trình bày, luận văn đề xuất phương pháp nâng cao hệ số công suất sử dụng cấu trúc FC-TCR, và phương pháp bù lai DSVC.

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU BÙ TỤ ĐIỆN TĨNH

Hệ thống bù công suất phản kháng kiểu bù tĩnh(bù bằng tụ điện tĩnh) hay còn gọi là SVC (Static VAR Compensator) có tác động nhanh trên lưới truyền tải điện áp cao. SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS). Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ thống điện. Yếu tố tĩnh cho thấy, SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly.SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng. Nếu hệ thống thừa công suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai trò là các kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh.Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự động đóng vào. Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện áp của nút được cải thiện. SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao, như lò điện.SVC dùng để làm trơn dao động điện áp.

3.1. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR

Cấu trúc FC-TCR gồm các tụ bù ngang được cố định mắc song song với cuộn dây điện cảm (có hoặc không có lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor.Nhờ việc thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay đổi liên tục được. Do đó, công suất phản kháng của lưới điện có thể được cung cấp hoặc hấp thụ một cách liên tục. Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thô, sau đó, các TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục.

Hình 3.1. Cấu trúc FC-TCR

Các thiết bị SVC thường được đặt ở những nơi có yêu cầu điều chỉnh điện áp chính xác, việc điều chỉnh điện áp thường dùng các bộ điều khiển có phản hồi (closed-loop) được tiến hành từ xa bằng hệ thống SCADA hoặc bằng tay theo giá trị đặt.Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng.

Nói chung, SVC không làm việc ở điện áp của đường dây, nó thường được nối qua máy biến áp tăng áp, với điện áp đường dây phía cao (ví dụ 230 kV) xuống điện áp thấp hơn (ví dụ 9,5kV). Việc giảm điện áp làm việc của SVC nhằm kích thước và số lượng thiết bị của SVC (chủ yếu do các bộ tụ bù ngang có điện áp làm việc thấp). Mặc dù, việc làm này khiến cho các cuộn dây điện cảm có kích thước lớn hơn để chịu được dòng điện lớn, trong khi đó các van thyristor của SVC có dạng hình đĩa, với đường kính hàng inch, do đó, chúng thường được đặt trong nhà.

Lợi ích chính của việc sử dụng FC-TCR so với các tụ bù được đóng cắt cơ khí là chúng phản ứng gần như tức thời với sự thay đổi điện áp của hệ thống,

do đó chúng thường hoạt động ở gần sát nút điều chỉnh để đạt hiệu quả điều chỉnh cao nhất khi có nhu cầu. SVC nói chung rẻ hơn, có dung lượng cao hơn, điều chỉnh nhanh hơn và tin cậy hơn so với các thiết bị bù khác như máy bù đồng bộ. Bên cạnh ưu điểm là vậy, nhưng cấu trúc bù FC-TCR tồn tại nhược điểm đó là hạn chế về dải bù, do đó nó thường được áp dụng đối với hệ thống bù có CSPK vừa và nhỏ.

3.2. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC

Phương pháp bù CSPK sử dụng tụ điện tĩnh đem lại hiệu quả cao, và phổ biến nhất là phương pháp bù động (sử dụng các chuyển mạch cơ khí để thêm hoặc loại bỏ bớt các cấp tụ), hay là phương pháp bù CSPK tĩnh sử dụng cấu trúc FC-TCR (sử dụng tụ cố định và thay đổi kháng thông qua việc điều chỉnh góc mở Thyristor), tuy nhiên mỗi phương pháp đều tồn tại ưu điểm và nhược điểm riêng. Bù động gây ra hiện tượng bù thừa - bù thiếu, trong khi đó bù tĩnh thì bị giới hạn dải bù, do đó trong phần này tác giả đề xuất giải pháp bù CSPK kiểu lai (kết hợp bù động và bù tĩnh, và gọi tắt là DSVC).

3.2.1. Phương pháp bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí (DVC)

Các phụ tải công nghiệp thông thường mang tính cảm như là: Động cơ, máy biến áp, … Những phụ tải này tạo ra lượng CSPK dương (điện áp sớm pha hơn dòng điện). Tụ điện tĩnh được thêm vào/nhả ra (mắc kiểu song song với phụ tải) để cung cấp lượng CSPK trái dấu với CSPK của phụ tải, các cấp tụ bù này sẽ được điều khiển thông qua hệ thống các khởi động từ, khi tụ bù có lượng CSPK Qcom (đơn vị kVAr) được mắc song song vào lưới điện với phụ tải có công suất P (đơn vị kW) thì hệ số công suất được cải thiện từ PF0 lên PF1.

 

    

 1 1 

tan cos 0 tan cos 1

com

Q  P  PF   PF (3.1)

Để phù hợp với điều kiện tải thay đổi, tủ tụ bù được thiết kế với các cấp tụ bù có giá trị khác nhau, và mỗi cấp tụ bù được kết nối với mạng điện thông qua một chuyển mạch có khả năng điều khiển (khởi động từ).

1 2 ... com c c cn Q Q Q  Q (3.2) Qc_max Qc_medium Qc_small Qc_min Qload Over compensation Time (s) R e a ct iv e p o w e r (k V A r) Capacitor inserting/removing Under compensation

Hình 3.3. Nguyên lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bị chuyển mạch cơ khí

Ưu điểm của phương pháp này đó là có thể thích nghi với sự thay đổi lớn của phụ tải, tuy nhiên nó cũng tồn tại nhược điểm là gây ra hiện tượng bù thừa hoặc bù thiếu.

3.2.2. Phương pháp bù CSPK sử dụng Thyristors (SVC)

Cấu trúc FC-TCR được cấu tạo gồm nhánh chỉnh cảm sử dụng Thyristor (TCR) và một nhánh tụ cố định (FC).Nhánh tụ cố định cung cấp lượng công suất phản kháng nhằm loại bỏ lượng công suất phản kháng gây ra bởi tải cảm.Khi mà phụ tải thay đổi dẫn tới lượng công suất phản kháng của nhánh tụ cố định bù thừa, thì nhánh TCR sẽ tiêu thụ lượng công suất phản kháng bù thừa đó bằng cách thay đổi góc kích mở Thyristor (α).

( ) 2 2 2 2sin L X  fL         (3.3)

Điểm mạnh của phương pháp bù FC-TCR là nó có thể bù chính xác lượng CSPK gây ra bởi phụ tải, nhưng phương pháp này yêu cầu tụ bù cố định lớn để có thể thích nghi được với sự thay đổi của phụ tải, hay nói cách khác là nó chỉ phù hợp với tải thay đổi nhỏ. Giả sử rằng phụ tải gây ra lượng công suất phản kháng Qload, tụ bù cố định cần cung cấp lượng công suất phản kháng nhỏ nhất là QCfixed = QLfixed hoặc lớn hơn (trong trường hợp phụ tải gia tăng lượng công suất phản kháng). Khi công suất phản kháng gây ra bởi phụ tải giảm xuống giá trị nhỏ nhất (QLoadmin) bằng 1/3 giá trị của QLfixed, thì giá trị lớn nhất của cuộn cảm ở nhánh TCR sẽ được tính bởi công thức sau.

  min 2 2 2 Fixed L C C X L f f      (3.4) 3.2.3. Phương pháp bù lai DSVC

Để loại bỏ nhược điểm của hai phương pháp bù động (DVC) và bù tĩnh (FC-TCR), trong luận văn này đề xuất giải pháp bù lai (Hình 3.4). Hệ thống bù lai không những thay đổi giá trị của tụ bù thông qua việc đóng cắt các chuyển

mạch giống với phương pháp bù DVC, mà đồng thời thay đổi giá trị của điện cảm giống với nhánh TCR của phương pháp bù FC-TCR.

Loads POWER FACTOR DEVICE CONTROLLER CAPACITOR BANK CBs Voltage sensor Current sensor TRANSFORMER TCR L REACTOR

Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV

- Nguyên lý làm việc cụ thể của hệ thống như sau:

Giả sử bộ tụ điện có 5 cấp, với tổng dung lượng là 5 Q (Q là dung lượng của 1 bộ tụ, điện dung các bộ tụ được chọn bằng nhau). Nếu công suất phản kháng tiêu thụ của tải ≤ Q, thì hệ thống điều khiển cho phép đóng 1 bộ tụ, khi công suất phản kháng của tải (Qt) thay đổi trong phạm vi trên, thì hệ thống điều khiển sẽ tự điều chỉnh góc mở Thyristor, để thay đổ dung lượng điện cảm đưa