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
2.3.4 Phối hợp các biện pháp bù công suất phản kháng
Việc tiêu thụ công suất phản kháng không hợp lý làm cho hệ số công suất giảm thấp, cấu trúc lưới và phương thức vận hành hệ thống không hợp lý cũng làm cho điện áp xấu đi và phụ tải các pha không đối xứng làm tăng tổn thất và tiêu thụ công suất phản kháng lớn hơn yêu cầu thực tế, chính vì thế trước khi nghiên cứu bù nhân tạo (dùng các thiết bị chuyên bù) ta cần phải nghiên cứu bù tự nhiên trước để khắc phục các thiếu sót trong quản lý vận hành, phân phối, tiêu thụ điện năng dẫn tới việc tiêu thụ công suất phản kháng quá mức.
a. Bù tự nhiên công suất phản kháng.
* Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ: Việc Sắp xếp hợp lý các quy trình công nghệ sản xuất nhằm cải thiện chế độ sử dụng năng lượng của các thiết bị, như hạn chế đến mức tối đa công đoạn chạy không tải.
* Thiết lập chế độ làm việc bình thường cho các động cơ không đồng bộ bằng cách thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công suất thấp hơn. Khi kmt< 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi, còn khi 0,45<kmt<0,7 thì việc thay thế phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định được hiệu quả kinh tế khi thay. Mối quan hệ hệ giữa hệ số mang tải kmt với hiệu suất và hệ số công suất cos là phi tuyến, nếu động cơ được chọn với η ϕ gam công suất thích hợp thì không những đạt hiệu suất làm việc cao mà còn có tác dụng nâng cao cosϕcủa lưới.
* Thiết lập chế độ điện áp tối ưu: Ta dễ dàng nhận thấy công suất tiêu thụ Q tỷ lệ với bình phương của U, nếu giảm điện áp U thì Q sẽ giảm đi rõ rệt.
Vì vậy có thể nâng cao hệ số cosϕ bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải, thường ta đổi tổ nối dây của động cơ từ tam giác ra đấu sao.
* Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp
Đối với các trạm biến áp có nhiều máy cần xây dựng biểu đồ làm việc hợp lý. Khi máy biến áp làm việc với phụ tải ≤ 30% công suất định mức thì
nên tạm thời chuyển phụ tải sang các máy khác và cắt khỏi mạng trong khoảng thời gian nhất định. Lựa chọn các đầu phân áp tối ưu.
* Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ
Các động cơ đồng bộ tuy có giá thành đắt hơn so với động cơ không đồng bộ nhưng có hệ số cosϕcao, hơn nữa việc điều chỉnh dòng điện kích từ có thể cho phép động cơ thay đổi chế độ làm việc dễ dàng vì đặc điểm của máy bù đồng bộ là có thể tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng tuỳ thuộc vào chế độ kích từ.
* Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước
Đối với một số mạng điện cần có sự có mặt của dòng một chiều nên áp dụng các thiết bị chỉnh lưu có hệ số công suất vượt trước, điều đó cho phép cải thiện hệ số cosϕ chung của toàn mạng điện.
Tất cả các giải pháp trên gọi là biện pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên. ϕ Các biện pháp này không đòi hỏi chi phí thiết bị và vật tư, hoặc chi phí không đáng kể, nên thường cho hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh hệ số cosϕ chỉ có hạn, do đó không phải bao giờ cũng có thể áp dụng được .
Trong những năm gần đây người ta lại càng quan tâm đến các vấn đề vận hành tối ưu của HTĐ, sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất cao giảm mức tiêu thụ năng lượng, tăng cường quản lý việc tiêu thụ và sử dụng điện năng.
b. Bù nhân tạo công suất phản kháng.
Khi HTĐ ngày càng phát triển tạo thành những hệ thống lớn, bao trùm cả một khu vực rộng, đồng thời việc tiêu thụ công suất phản kháng chiếm tỉ lệ từ 70÷÷÷÷÷80% công suất tác dụng. Khi đó vấn đề bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù được quan tâm hơn và được sử dụng rộng rãi ở các nước tiên tiến.
Việc tăng số lượng và công suất của thiết bị chuyên bù sẽ làm giảm sự truyền công suất phản kháng trên đường dây và các phần tử có dòng điện đi
qua dẫn đến làm giảm tổn thất điện áp, điện năng, giảm tiết diện dây dẫn củng cố chất lượng nguồn điện và những tiêu chí khác. Tuy nhiên khi bù sẽ làm tăng vốn đầu tư về do đặt thiết bị bù và tổn thất công suất trong thiết bị bù. Do đó việc bù công suất phản kháng bằng thiết bị chuyên bù cần được cân nhắc kỹ về kinh tế kỹ thuật. Trong hệ thống điện, bù công suất phản kháng phân - ra làm 2 loại:
- Bù kỹ thuật: Bù một lượng công suất phản kháng nhất định để đảm bảo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện, công suất này phải được điều chỉnh để có thể thích ứng với các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện. Công suất phản kháng của các máy phát điện và các thiết bị bù (máy bù đồng bộ) phải lớn hơn so với yêu cầu của phụ tải ở chế độ cực đại để dự phòng cho sự cố.
- Bù kinh tế: Mục tiêu bù để nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện.
Nguyên do trong quá trình vận hành công suất phản kháng còn có thể thiếu cục bộ do vậy cần phải bù thêm, hơn nữa khu bù cưỡng bức một lượng công suất phản kháng đáng kể vẫn phải lưu thông trong lưới phân phối và gây ra tổn thất công suất và tổn thất điện năng khá lớn.
Khi bù kinh tế ta cần tính toán để đạt được các lợi ích kinh tế thu được, về mặt nguyên tắc nếu lợi ích kinh tế thu được do việc lắp đặt thiết bị bù lớn hơn chi phí lắp đặt thì việc bù kinh tế sẽ được thực hiện.
Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang tính điện cảm nên vec tơ dòng điện chậm hơn so với vec tơ điện áp, nếu bù được toàn bộ lượng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên vec tơ dong và áp sẽ trung nhau. Có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ. Biện pháp này được gọi chung là bù cosϕ.
Công suất của thiết bị bù cần thiết để nâng hệ số công suất từ cosϕ1 lên cosϕ2 được xác định theo biểu thức
Qb = P(tgϕ1 - tgϕ2) = P.kq, kVAr ; Với P là công suất tác dụng của phụ tải, kW.
Để tiện tính toán người ta thiết lập bảng tính s n hệ số kẵ q sau
Bảng 2.1. Giá trị của hệ số kq phụ thuộc vào hệ số cosϕ1 hiện tại và hệ số cosϕ2 mong mưốn
Ví dụ với hệ số cosϕ1=0,7, cần nâng lên giá trị cosϕ2=0,9 thì ta tra bảng để xác định hệ số kq=0,54. Như vậy công suất phản kháng cần thiết sẽ là Q=0,54P.
Biểu đồ véc tơ công suất trước và sau khi đặt thiết bị bù cosϕ biểu thị trên hình 2.4. và biểu đồ vec tơ dòng điện khi có bù công suất phản kháng được thể hiện trên hình 2.5. Phân tích biểu đồ vec tơ công suất ta thấy công suất biểu kiến sau khi bù S2 có giá trị nhỏ hơn công suất trước khi bù S1, điều đó cho phép giảm dòng điện chạy trong mạch và từ đó có thể giảm được chi phí đầu tư cho đường dây, giảm tổn thất điện năng, cuối cùng là giảm giá thành điện năng.
Tuy nhiên việc đặt các cơ cấu bù công suất phản kháng đòi hỏi những chi phí nhất định, vì vậy cần phải tính toán lựa chọn dung lượng bù cũng như vị trí đặt hợp lý. Theo tính toán thì khi hệ số cosϕ> 0,95 hiệu quả kinh tế của việc đặt bù hầu như không đáng kể. Để tìm lời giải cho câu hỏi nếu xẩy ra hiện tượng quá bù chúng ta phân tích biểu thức xác định tổn thất tổn thất công suất và điện áp khi đặt bù
Hình 2.4. Véc tơ công suất trước và sau khi bù cosϕ
UQ Q R
P P 2 b
2
2+( − )
=
∆ (2.19)
x
b Ur U
U X Q Q U
U. PR ( − ) =∆ . +∆ . +
=
∆ ; (2.20)
ϕ1
ϕ2
S1
S2
Q
Qb
Q-Qb
Hình 2.5. Véc tơ dòng i n khi bù cosđ ệ ϕ IR- thành phần tác dụng; IX- thành phần phản kháng; IL- thành ph n iầ đ ện c m; Iả C - thành phầ đn iện dung; Ilv - dòng làm việc;
Idd- dòng iđ ện chạy trên đường dây
ϕ1
IC
IL Ilv
Idd
IR
IX
Nếu chọn dung lượng bù Qb bằng giá trị phụ tải phản kháng Q thì có thể loại trừ được hoàn toàn thành phần tổn thất do công suất phản kháng gây nên và như vây sẽ cải thiện được các tham số chế độ của mạng điện. Việc bù công suất phản kháng đồng thời nâng cao hệ số công suất của mạng điện và tạo nên sự dự trữ công suất phản kháng cho quá trình điều chỉnh điện áp.
Từ biểu thức (2.19) ta dễ dàng thấy rằng tổn thất công suất sẽ có giá trị nhỏ nhất khi công suất phản kháng của phụ tải bằng công suất của các cụm bù, tức Q= Qb và nó sẽ tăng trong cả hai trường hợp Q > Qb và Q < Qb. Như vậy nếu như hiện tượng quá bù xẩy ra thì vẫn có dòng công suất phản kháng chạy trên đường dây (theo chiều ngược lại) và vẫn có sự tổn thất điện năng.
Có nghĩa là “tiền mất tật mang” chúng ta đã phí tiền cho việc đặt bù.
Thế còn đối với đại lượng tổn thất điện áp thì sao? Xét biểu thức (2.20) ta thấy nếu Q < Qbthì thành phần ∆Uxsẽ mang dấu ( ), có nghĩa là sự có mặt - của các thiết bị bù sẽ sinh ra một suất điện động (sđđ) mà có thể gây quá áp khi phụ tải cực tiểu. Như vậy, nếu dung lượng bù lớn hơn công suất phản kháng của phụ tải thì, như con dao hai lưỡi, các cụm bù này sẽ gây tổn thất cho mạng điện cả về kinh tế và kỹ thuật.
Từ những phân tích trên chúng ta thấy các tính năng ưu việt của bù vô công chỉ có thể có được khi chúng được sử dụng hợp lý. Nếu chọn dung lượng và vị trí bù không hợp lý thì không những không cải thiện được các tham số mạng điện mà ngược lại có thể làm tăng tổn thất và giảm chất lượng điện, gây thiệt hại không chỉ về kinh tế mà còn làm giảm các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện.