CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CHO QUẬN ĐỐNG ĐA
2.3 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
2.3.6 Các biện pháp bù công suất phản kháng trong lưới điện
Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) được sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp như xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng v v. để truyền . động cho các máy công tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định như máy bơm, quạt, máy nén, băng tải v.v. Các loại động cơ đồng bộ được chế tạo với hệ số công suất vượt trước, do đó có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng. Khả năng kỹ thuật của động cơ đồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực đại có thể phát mà không quá nhiệt cho các cuộn dây stator và rôtor. Các tham số đặc trưng cho chế độ làm việc của động cơ đồng bộ là
- Hệ số mang tải tác dụng kP = P/Pn
- Hệ số mang tải phản kháng kQ = Q/Qn
- Điện áp tương đối U* =U/Un
Trong đó :
P, Q – phụ tải tác dụng và phản kháng;
U – điện áp lưới
Pn, Qn, Un – các giá trị phụ tải và điện áp định mức.
Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 ÷ 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất của động cơ đồng bộ được xác định theo biểu thức
QM = kQMQn
kQM – giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số kP và giá trị điện áp, kQM = f(kP, U*).
Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng gây nên. Lượng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ
∆P = f(kP, kQ, U*)
Bằng phương pháp gần đúng có thể xác định tổn thất công suất tác dụng trong động cơ đồng bộ theo biểu thức
∆P = D1kQ + D2kQ2 (2.21)
hay 1 22 Q2
Q Q D Q P D
n n
+
=
∆ (2.22)
Trong đó: D1, D2 – các hệ số phụ thuộc vào loại và đặc tính của động cơ đồng bộ.
Đối với nhóm gồm N động cơ
] ) (
[ 1 22 2
N Q Q Q D N Q N D P
n n
+
=
∆ 1 22 Q2
N Q Q D Q
D
n n
+
= (2.23)
Trong đó:
Qn – công suất định mức của mỗi động cơ
Q – tổng công suất phản kháng do tất cả các động cơ phát ra
* Ưu điểm của động cơ đồng bộ
- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi vì khi làm việc với hệ số công suất vượt trước công suất toàn
phần của động cơ đồng bộ, mà xác định giá thành của nó tăng lên rât không đáng kể so với khả năng bù của nó (xem bảng sau).
cosϕn 1 0,9 0,85 0,8
Sn, % 0 11 17 25
(Q/Pn).100, % 0 48 62 75
- Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao động điện áp thấp (mômen quay của động cơ đồng bộ tỷ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không đồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2);
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất làm việc cao;
- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với động cơ không đồng bộ vì hệ số hiệu dụng cao.
* Nhược điểm
- Giá thành tương đối cao, có nghĩa là suất vốn đầu tư bù công suất phản kháng lớn (khoảng 12,5$/kVAr);
- Suất chi phí công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng 0,027 kW/kVAr, trong khi đó ở tụ khoảng 0,003-0,004 kW/kVAr);
- Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn.
Chính vì những lý do đó mà động cơ đồng bộ thường chỉ tận dụng ở các xí nghiệp công nghiệp, chứ ít khi sử dụng ở các trạm biến áp.
2.3.6.2 Tụ điện
Tụ điện là thiết bị tĩnh, được sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể được mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 2.6). Tụ bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu tam giác hoặc đấu sao Y. ∆
∼~
Hình 2.6. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh Công suất phát của tụ được xác định theo biểu thức
2 2
2 .CU
X X U
I Q
C C
C = = =ω (2.24)
Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phương điện áp. Các cụm tụ bù hạ áp thường có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp. Công suất phát của tụ tỷ lệ với giá trị điện áp
)2
(
c
n U
Q U
Q = (2.25)
Trong đó:
U – điện áp thực tế tại nơi đặt tụ UC – điện áp định mức của tụ bù.
Nếu chia cả tử và mẫu của phân số trong ngoặc cho điện áp định mức của lưới Un ta sẽ được
2
**) (
c
n U
Q U
Q = (2.26)
Trong đó:
U* - điện áp tương đối của mạng điện tại nơi đặt tụ U* = U/Un
U*c- tỷ lệ điện áp định mức của tụ và lưới, U*c = Uc /Un. Qn – công suất định mức của tụ bù.
Chi phí quy dẫn của tụ bù được xác định theo biểu thức
Q t P U c
pK U pK
Z b Tu) b ]
( *
[ * 2
0 + + ∆
= ∆ (2.27)
Z = C + C Q
C0.c=pK0 (2.28)
t P U c
pK U
C1.c = b Tu* )2 + ∆∆ b
( * (2.29)
Trong đó:
K0, Kb – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của tụ bù;
p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù;
c∆ – giá thành tổn thất điện năng,
∆Pbtổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù;
t – thời gian làm việc của tụ bù.
* Ưu điểm của tụ bù tĩnh:
- Tụ điện là thiết bị chuyên bù chỉ phát công suất phản kháng. Công suất chế tạo của mỗi tụ tuỳ thuộc vào cấp điện áp. Có thể ghép chúng thành bộ tụ điện có công suất, điện áp bất kỳ theo yêu cầu. Bộ tụ điện thường được đóng vào lưới 3 pha theo sơ đồ tam giác hay hình sao. Khi cắt tụ cần phải phóng năng lượng tích trong chúng qua điện trở nối với bộ tụ. Trị số của điện trở phóng điện cần phải đảm bảo không xuất hiện quá điện áp trên cực bộ tụ khi cắt tụ ra khỏi lưới. Các nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả kinh tế khi sử dụng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong lưới phân phối tốt hơn so với sử dụng các phương tiện bù khác.
* So với máy bù đồng bộ, tụ bù có những ưu điểm sau:
- Chi phí tính cho một kVAr rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng nổi bật khi dung lượng đặt ban đầu càng lớn, hoặc khi công suất hộ dùng điện tăng lên.
- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất bé khoảng 0,3÷0,5 W/VAr trong nhiều trường hợp tính toán có thể bỏ qua, trong khi đó máy bù
đồng bộ tương đối lớn hơn khoảng 1,33÷3,2 W/VAr tuỳ theo công suất định mức của máy.
- Vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ.
- Về mặt lý thuyết có công suất của tụ không hạn chế bằng cách tổ hợp các bộ tụ còn máy bù đồng bộ có công suất hạn chế.
- Lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối nên đạt hiệu quả cao, cải thiện đường cong phân bố điện áp tốt hơn. Chi phí quản lý, vận hành nhỏ, bảo dưỡng, sửa chữa đơn giản.
- Làm việc êm dịu, tin cậy do kết cấu đơn giản.
- Tuổi thọ cao.
- Tiêu thụ công suất tác dụng ít.
* Nhược điểm:
- Không thể điều chỉnh trơn nên độ chính xác kém.
- Gây mất ổn định cho lưới do công suất của tụ.
Qc = 3.U2.ω C.10-3 ; (2.30)
Khi điện áp giảm U giảm dẫn đến Qc giảm, do đó làm tăng lượng tổn thất
∆U, đại lượng này làm điện áp trong lưới càng giảm hơn. Cứ thế gây ra hiện tượng gọi là "thác sụt áp" làm mất ổn định trong hệ thống điện.
- Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành, dễ hư hỏng khi bị ngắn mạch, quá áp.
- Để điều chỉnh trơn tụ điện người ta dùng thiết bị bù có điều khiển (SVC).
Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp người ta lắp đặt bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp.
Với các ưu điểm vượt trội so với máy bù đồng bộ, ngày nay phần lớn người dùng tụ điện tĩnh để bù công suất phản kháng trong mạng phân phối.
2.3.6.3 Máy phát và máy bù đồng bộ
Nguồn công suất phản kháng chủ yếu trong hệ thống điện là máy phát và máy bù đồng bộ. Chi phí cho sản xuất công suất phản kháng ở đây không tốn kém nhiều như đối với các nguồn công suất phản kháng khác nhưng việc truyền tải công suất phản kháng đến các hộ dùng điện không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế. Thêm vào đó, khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện bị hạn chế do cosϕ của các máy phát từ 0,8÷0,81. Vì lý do kinh tế các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm nhiệm. Việc xác định tổn thất công suất tác dụng trong máy phát và máy bù đồng bộ cũng tiến hành tương tự như đối với động cơ đồng bộ. Các giá trị của các hệ số D1 và D2 cho trong sổ tay thiết kế ứng với từng loại máy phát. Đối với các máy phát công suất lớn, chi phí cho sản xuất công suất phản kháng không đáng kể, nên trong nhiều trường hợp có thể không cần xét đến. Về phần mình, máy bù đồng bộ được sử dụng cho mục đích chính là sản xuất công suất phản kháng, do đó giá thành của nó phải được tính đến trong quá trình so sánh kinh tế kỹ thuật các nguồn công suất phản kháng. Vốn đầu tư của máy bù đồng bộ để sản xuất ra lượng công suất phản kháng Q được xác định theo biểu thức
Q Q K K
n
= MB (2.31)
Trong đó:
KMB – vốn đầu tư của máy bù đồng bộ;
Qn – công suất định mức của máy bù đồng bộ.
Tổn thất công suất tác dụng trong máy bù đồng bộ gồm hai thành phần:
Tổn thất cố định ∆P1 (hay tổn thất không tải) và tổn thất thay đổi ∆P2, phụ thuộc vào hệ số mang tải của máy.
M n
M n
Q P P Q
Q Q
P Q − ∆ − ∆
=
∆ 1 ( 0 )2 ( 0 )2 (2.32)
Q Q P P
n 2 0
= ∆
∆ (2.33)
Trong đó:
Q0 – công suất phản kháng do máy bù đồng bộ phát ra trước khi có xí nghiệp cần thiết kế
Q – phụ tải phản kháng;
∆PM – tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù đồng bộ, kW;
∆P0 – tổn thất công suất không tải của máy bù đồng bộ, kW;
Q
Q P P
Q P Q
Q Q P Q
P P
n M
n M
n
2 0 2 0
2 0
1 ( ) ( ) ∆
+
∆
−
− ∆
=
∆ +
∆
=
∆ (2.34)
hay 2 2 2
0
0 2 Q
Q Q P Q
Q Q P
Q P P
n M n
M n
+ ∆ + ∆
= ∆
∆ (2.35)
Chi phí quy đổi của máy bù đồng bộ
ZMB= C1MBQ + C2MBQ2 (2.36)
với 2 0
0 0 00
1 2
n M M
n n
MB
MB Q
Q g P
Q g P Q
C pK ∆
∆ + +
= (2.37)
0 2 2
n M M
MB Q
g P
C ∆
= (2.38)
Trong đó:
g00- suất giá thành tổn thất không tải, đ/kW g0M- suất giá thành tổn thất ngắn mạch, đ/kW.