Công suất tác dụng và công suất phản kháng ñều có sự liên hệ với ñiện áp, khi có sự
biến ñổi của một trong hai ñại lượng này thì ñiện áp cũng biến ñổi theo, gây ảnh hưởng
ñến chất lượng ñiện áp. Do ñó, về lý thuyết thì có thể thực hiện ñiều chỉnh ñiện áp bằng ñiều chỉnh dòng công suất tác dụng hoặc/và công suất phản kháng.
Công suất tác dụng là yêu cầu của phụ tải, ñược cung cấp từ các nhà máy ñiện. Tại các nhà máy ñiện thì ñều có ñộ dự trữ công suất tác dụng, nhưng chủ yếu nhằm giữổn
ñịnh tần số, giữ ổn ñịnh hệ thống tránh xảy ra các hiện tượng mất ổn ñịnh nguy hiểm như: Thác ñiện áp, thác sụt tần số...Do ñó không thể dùng cách ñiều chỉnh dòng công suất tác dụng ñểñiều chỉnh ñiện áp ñược vì nó sẽ gây ảnh hưởng tới toàn bộ hệ thống
ñiện. Vì vậy, việc ñiều chỉnh ñiện áp chỉ có thể thực hiện bằng cách ñiều chỉnh dòng công suất phản kháng.
Công suất phản kháng không sinh công, nó chỉ là dòng công suất gây từ trường dao
ñộng trên lưới ñiện và có thể cấp tại chỗ cho phụ tải, từ ñó có thể ñiều chỉnh cục bộ ñược ñiện áp bằng cách ñiều chỉnh cân bằng công suất phản kháng trên lưới ñiện.
Nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải biến ñổi theo thời gian gây ra sự biến ñổi theo của ñiện áp. Khi ñiện áp một ñiểm nào ñó của hệ thống ñiện nằm trong phạm vi cho phép thì có nghĩa là công suất phản kháng của nguồn ñủñáp ứng yêu cầu của phụ
tải tại ñiểm ñó. Nếu ñiện áp cao thì thừa công suất phản kháng, còn khi ñiện áp thấp thì thiếu công suất phản kháng. Công suất phản kháng thường thiếu trong chế ñộ phụ tải cực ñại, khi ñó cần phải ñặt thêm các nguồn công suất phản kháng khác. Nhưng trong chế ñộ phụ tải cực tiểu lại thừa công suất phản kháng vì ngoài nguồn công suất phản kháng do các máy phát nguồn sinh ra còn có công suất phản kháng do ñiện dung của
ñường dây và cáp sinh ra, làm cho ñiện áp tăng ñến mức nguy hiểm, khi ñó cần phải có thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng thừa này.
Cân bằng công suất phản kháng vừa có tính chất hệ thống vừa có tính chất ñịa phương. Do ñó ñiều chỉnh cân bằng công suất phản kháng phải thực hiện cả ở cấp hệ
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 34
thống, còn ở cấp ñịa phương ñiều chỉnh nhằm ñạt ñược yêu cầu ñiện áp cụ thể của ñịa phương. Cân bằng công suất phản kháng ñược thực hiện bằng hai cách:
- ðiều chỉnh dòng công suất phản kháng hay phân bố lại công suất phản kháng trên mạng ñiện bằng cách ñiều chỉnh ñầu phân áp ở các máy biến áp.
- ðiều chỉnh công suất phản kháng của các nguồn phát công suất phản kháng như
nhà máy ñiện, máy bù ñồng bộ, các bộ tụ bù.
Khi tính toán ñiều chỉnh ñiện áp chỉ cần xét hai chếñộ ñặc trưng của phụ tải, ñó là chế ñộ công suất phụ tải cực ñại và chế ñộ công suất phụ tải cực tiểu tại các vị trí ñầu nguồn và cuối nguồn. Nếu chất lượng ñiện áp ở hai chế ñộ này ñược ñảm bảo thì sẽ ñảm bảo ñiện áp ở các chế ñộ còn lại và các vị trí còn lại. Do ñó, trong vận hành phải thường xuyên theo dõi ñiện áp ở 2 ñiểm ñầu nguồn và cuối nguồn, ñưa ra các biện pháp ñiều chỉnh ñiện áp thích hợp ñểñảm bảo chất lượng ñiện áp.
1. Lý thuyết bù công suất phản kháng[15]
ðặt thiết bị bù trong lưới ñiện ñem lại hiệu quả kinh tế do giảm ñược tổn thất ñiện năng. Ngoài ra, bù công suất phản kháng ñồng thời cũng cải thiện ñược chất lượng
ñiện áp cho nút phụ tải, nhờñó giảm ñược các chi phí cho các phương tiện ñiều chỉnh
ñiện áp, cũng mang ý nghĩa kinh tế.
Xét biểu thức tính tổn thất công suất truyền tải trên ñường dây:
R PP PQ U Q R U P R U Q P P= + = + =∆ +∆ ∆ 2 2 2 2 2 2 2 (3.3)
Thành phần tổn thất ∆PQtỉ lệ thuận với bình phương công suất phản kháng và tỉ lệ
nghịch với bình phương ñiện áp làm việc. Do ñó, khi ñặt thiết bị bù tại hộ tiêu thụ thì giảm ñược công suất phản kháng truyền tải (chỉ còn Q-Qbù) sẽ giảm ñược ∆PQ. Thành phần ∆PPcũng giảm do khi ñó cũng ñồng thời cải thiện ñược ñiện áp làm việc.
Xét biểu thức tổn thất ñiện áp: UP UQ U QX U PR R U QX PR U = + = + =∆ +∆ ∆ (3.4)
Khi ñặt thiết bị bù, công suất phản kháng truyền tải sẽ giảm ñi do ñó giảm thành phần ∆UQ. Nhờñó nâng cao ñiện áp làm việc, giảm dao ñộng ñiện áp.
Khi ñánh giá hiệu quả kinh tế của thiết bị bù, chủ yếu xét ñến hiệu quả giảm tổn thất
ñiện năng do thành phần∆PQ.
Phương án ñặt thiết bị bù mang lại lợi ích kinh tế nếu thời gian thu hồi vốn ñầu tư
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 35 b ñm th T E c V T ≤ ∆ = Σ . (3.5) Trong ñó: - Vb là vốn ñầu tư (ñ). - c là giá bán ñiện (ñ/kWh).
- Tñm là thời gian thu hồi vốn ñầu tư (thường lấy là 5 năm).
- ∆E∑ là chênh lệch tổn thất ñiện năng của hai phương án có ñặt và không ñặt thiết bị bù (kWh). 365 .8760 1 b i P E E = ∆ −∆ ∆ Σ ∑ (3.6) - ∆Pb là tổn thất công suất của thiết bị bù.
2. Lý thuyết bù cho lưới ñiện phân phối[16]
ðể tính toán dung lượng bù cho từng phát tuyến, ta phải dựa vào phát tuyến ñó ñể
xét xem có bao nhiêu nhánh lớn cần bù. Nếu phát tuyến không có nhánh rẽ lớn thì việc tính toán bù chỉ xét trên phát tuyến ñó mà thôi. Còn nếu phát tuyến ñó có nhiều nhánh lớn thì ta phải tiến hành bù trên các nhánh ñó, coi các nhánh rẽ ñó là một phát tuyến mới.
Các thiết bị bù công suất phản kháng: 1. Tụ bù nền
Bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ tạo nên lượng bù không ñổi. việc ñiều khiển có thể
thực hiện:
- Bằng tay: dùng CB hoặc LBS (load – break switch) - Bán tựñộng: dùng contactor
- Mắc trực tiếp vào tải ñóng ñiện cho mạch bù ñồng thời khi ñóng tải. Vị trí ñặt tụ bù:
- Tại vị trí ñấu nối của thiết bị tiêu thụ ñiện có tính cảm (ñộng cơ ñiện và máy biến áp).
- Tại vị trí thanh góp cấp nguồn cho nhiều ñộng cơ nhỏ và các phụ tải có tính cảm kháng.
- Trong các trường hợp khi tải không thay ñổi.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 36
- Bù công suất thường ñược hiện bằng các phương tiện ñiều khiển ñóng ngắt từng bộ phận công suất.
- Thiết bị này cho phép ñiều khiển bù công suất một cách tựñộng, giữ hệ số công suất trong một giới hạn cho phép chung quanh giá trị hệ số công suất ñược chọn.
- Thiết bị này ñược lắp ñặt tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay ñổi trong phạm vi rất rộng. ví dụ: tại thanh góp của tủ phân phối chính, tại ñầu nối của các cáp trục chịu tải lớn.
Các nguyên lý và lý do sử dụng bù tựñộng:
- Bộ tụ bù gồm nhiều phần và mỗi phần ñược ñiều khiển bằng contactor. Việc
ñóng một contactor sẽ ñóng một số tụ song song với các tụ vận hành. Vì vậy lượng công suất bù có thể tăng hay giảm theo từng cấp bằng cách thực hiện
ñóng hoặc cắt contactor ñiều khiển tụ. Một rơle ñiều khiển kiểm soát hệ số công suất của mạng ñiện sẽ thực hiện ñóng và mở các contactor tương ứng ñể hệ số
công suất cả hệ thống thay ñổi (với sai số do ñiều chỉnh từng bậc). ðể ñiều khiển rơle máy biến dòng phải ñặt lên một pha của dây cáp dẫn ñiện cung cấp
ñến mạch ñược ñiều khiển. Khi thực hiện bù chính xác bằng các giá trị tải yêu cầu sẽ tránh ñược hiện tượng quá ñiện áp khi tải giảm xuống thấp và do ñó khử
bỏ các ñiều kiện phát sinh quá ñiện áp và tránh các thiệt hại xảy ra cho trang thiết bị.
- Quá ñiện áp xuất hiện do hiện tượng bù dư phụ thuộc một phần vào giá trị tổng trở nguồn.
Cách ñấu nối tụ bù
- Các tụ ñiện cao thế thường ñược chế tạo 1 pha, khi ñấu vào lưới phải ñấu tụ
theo sơñồ tam giác. Vì:
Q∆ =Ud2.ω.C=( 3.Uf)2.ω.C=3QY (3.7)
- Các tụñiện hạ thế thường ñược chế tạo kiểu 3 pha ñược ñấu sẵn theo sơñồ tam giác chịu ñiện áp dây.
Cách tính toán dung lượng bù cho từng phát tuyến[17]:
- Xác ñịnh dung lượng bù tổng cho từng phát tuyến:
QbùΣ = P(tgφ1 – tgφ2) (kVAr) (3.8) - Dung lượng bù tổng của phát tuyến:
Qbùmax = Pmax (tgφ1 – tgφ2) (kVAr) (3.9) - Dung lượng bù ở tải cực tiểu (bù nền, bù cốñịnh):
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 37
Qbùmin = Qbùnền = Pmin (tgφ1 – tgφ2) (kVAr) (3.10) - Dung lượng bù ở tải cực ñại (ứng ñộng):
Qbùưñ = Qbùmax - Qbùmin (kVAr) (3.11) - Trong ñó công suất tác dụng của phát tuyến là:
Pmax = 3UImaxcosϕ1 (kW) (3.12)
Pmin = 3UImincosϕ1 (kW) (3.13)
Imax và Iminñược xác ñịnh từñồ thị phụ tải của phát tuyến. - Hệ số công suất yêu cầu trên từng phát tuyến: cosφ2 = 0,95
=> 0,328 95 , 0 95 , 0 1 cos cos 1 2 2 2 2 2 = − = − = ϕ ϕ ϕ tg Vị trí ñặt bù tối ưu: - Trường hợp ñặt một vị trí: 3 2 =
l chiều dài phát tuyến.
- Trường hợp ñặt hai vị trí: 5 2 1 = l và 5 4 2 =
l chiều dài phát tuyến.
3.2.6.2. Nguyên tắc bù công suất phản kháng
ðể thực hiện bù công suất phản kháng cho lưới ñiện, cần xác ñịnh vị trí ñặt bù và
ñiều chỉnh tụ bù tại mỗi vị trí sao cho ñiện áp tại mọi nút của hệ thống nằm trong phạm vi cho phép trong mọi chếñộ vận hành và ñảm bảo các tiêu chí sau:
- Chi phí cho bù nhỏ nhất.
- ðiện áp mỗi nút lớn nhất trong giới hạn cho phép.
- ðiều kiện ổn ñịnh tĩnh và ổn ñịnh ñiện áp của hệ thống ñược ñảm bảo cao nhất trong mọi chếñộ vận hành và sự cố.
Việc thực hiện bù công suất phản kháng có thể sử dụng các máy bù ñồng bộ hoặc các bộ tụñiện bù. So sánh giữa hai loại thiết bị bù này ta thấy[18]:
- Công suất tác dụng của máy bù ñồng bộ lớn hơn nhiều so với công suất tác dụng của tụñiện. Ở chế ñộñịnh mức, tổn thất công suất các máy bù ñồng bộ là (1,33 - 3,2)% công suất ñịnh mức của chúng. Trái lại, tụ ñiện lại tiêu thụ rất ít công suất tác dụng và bằng khoảng (0,3 - 0,5)% công suất phản kháng do nó sinh ra.
- Giá tiền của mỗi kVAr tụñiện phụ thuộc vào công suất và có thể coi như không
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 38
nhỏ, tuỳ ý ñặt vào nơi cần thiết. Trái lại, giá tiền mỗi kVAr máy bù ñồng bộ
thay ñổi tùy theo dung lượng, dung lượng càng nhỏ thì giá ñó càng ñắt.
- Tụñiện làm việc tương ñối ñơn giản, ít sinh sự cố. Trái lại máy bù ñồng bộ với những bộ phận quay, chổi than… dễ gây nên sự cố trong lúc vận hành. Nếu trong lúc vận hành, một tụñiện nào ñó có thể bị hư hỏng thì toàn bộ số tụñiện còn lại vẫn tham gia vận hành bình thường. Song nếu trong nhà máy chỉ có một máy bù ñồng bộ mà lại bị hỏng thì tất nhiên sẽ mất toàn bộ dung lượng bù, ảnh hưởng sẽ rất lớn.
- Việc thực hiện bù công suất phản kháng hiện nay với công nghệ FACTS việc thực hiện bù ñã trở nên ñơn giản hơn, linh hoạt hơn, có thể bù và tiêu thụ công suất phản kháng và mang lại nhiều tính năng kỹ thuật tốt cho lưới ñiện.
Căn cứ vào các tiêu chí và sự so sánh trên mà ta thấy trong mạng ñiện phân phối người ta thường dùng tụñiện bù mà ít dùng máy bù ñồng bộ.
3.2.6.3. Phương pháp bù công suất phản kháng
ðể thực hiện bù công suất phản kháng, có hai phương pháp bù chính là: - Bù dọc
- Bù ngang (bù tĩnh).
1. Bù dọc
Tụ bù dọc ñược ñặt nối tiếp trên ñường dây ñể bù ñiện kháng của ñường dây, tức là làm giảm ñiện kháng giữa 2 ñiểm dẫn ñến tăng khả năng truyền tải và giảm tổn thất truyền tải.
- Khi chưa có thiết bị bù tổn thất ñiện áp trong mạng là: U QX PR U = + ∆ (3.14) Với: U- là ñiện áp nguồn; P và Q- là công suất của phụ tải; X và R- là các thông số mạng. - Khi có thiết bị bù:
+ Khi tụñược mắc ở cuối ñường dây thì hao tổn ñiện áp ñược xác ñịnh: U X X Q Q PR U +( − b)( − C) = ∆ (3.15)
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 39 U X X Q PR U + ( − C) = ∆ (3.16)
Sau khi bù, các thành phần công suất phản kháng và ñiện kháng ñường dây sẽ giảm
ñi, do ñó tổn thất ñiện áp giảm ñi.
Hình 3.2- Hiệu quả bù dọc
Tụ bù dọc có nhược ñiểm là dòng ngắn mạch qua tụ lớn nên cần có các thiết bị bảo vệ tụ khi có ngắn mạch ñường dây (ví dụ khe hở phóng ñiện…). Tùy theo tính chất dòng ñiện trên ñường dây (cảm hay dung) mà ñiện áp qua tụ tăng hay giảm. Trong chế ñộ tải nặng, tụ bù dọc có tác dụng rất tốt trong việc tăng ñiện áp cuối ñường dây.
Về lý thuyết với một lượng bù ñịnh trước trên ñường dây, tốt nhất là phân bố dải dọc ñường dây. Tuy nhiên trong thực tế việc ñặt tụ chỉ thích hợp ở một số ñiểm nhất
ñịnh tùy thuộc vào lựa chọn về chi phí, khả năng bảo dưỡng, thiết bị bảo vệ, thiết bị