Tài liệu Phân tích đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật của việc ứng dụng thiết bị bù có điều khiển svc trong hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA VIỆC ỨNG DỤNG THIẾT BỊ BÙ CÓ ĐIỀU KHIỂN SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA KHU GANG THÉP THÁI NGUYÊN Ngành : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN Mã số :23.04.3898 VŨ THỊ THÙY NINH Thái nguyên 2008 MỤC LỤC MỤC LỤC Trang Các chữ viết tắt và ký hiệu 1 Mở đầu 2 Chương I: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp 6 công suất lớn I.1: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp công 6 suất lớn I.2: Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện 7 công nghiệp I.2.1. Hệ số công suất và sự điều chỉnh 8 I.2.1.1. Hệ số công suất 8 I.2.1.2. Điều chỉnh hệ số công suất 9 I.2.2: Điều chỉnh điện áp 11 I.2.2.1: Nguyên tắc điều chỉnh điện áp 11 I.2.2.2. Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp. 14 I.2.2.3. Đặc tính gần đúng của công suất phản kháng 16 Chương II: Tổng quan về công nghệ FACTS 28 II.1. Đặt vấn đề 28 II.2. Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS 28 II.2.1. Các ưu điểm khi sử dụng thiết bị FACTS 28 II.2.2. Phân loại thiết bị FACTS 29 II.3. Một số thiết bị FACTS 30 II.3.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor 30 (SVC) II.3.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor 32 (TCSC) II.3.3.Thiết bị bù ngang điều khiển thyristor (STATCOM) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC II.3.4. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor 35 (TCPAR) II.3.5. Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất 36 (UPFC) II.4. Khả năng áp dụng thiết bị FACTS tại Việt Nam 38 Chương III: Các thiết bị bù công suất phản kháng và hoạt 40 động của thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC) 40 III.1: Các thiết bị bù công suất phản kháng III.1.1: Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện 40 III.1.2: Các thiết bị bù điều khiển bằng thyristor 43 III.2: Hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển SVC 48 III.2.1: Đặc tính điều chỉnh của SVC III.2.2: Đặc tính làm việc của SVC 48 57 III.3: Một số ảnh hưởng phụ của SVC 59 Chương IV: Đánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu gang 61 thép Thái Nguyên IV.1: Mở đầu IV.2: Căn cứ thiết kế hệ thống SVC 61 62 IV.2.1: Các thông số trạm biến thế Gia Sàng và trạm biến thế cấp điện của Gang thép 63 IV.2.2: Các thông số của biến áp lò điện 63 IV.2.3: Trở kháng và điện kháng hạn dòng của mạch ngắn lò điện IV.2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được 64 64 IV.2.5: Hệ thống cấp điện của Công ty Gang thép Thái Nguyên Việt Nam IV.3. Phân tích ảnh hưởng của cụm lò điện hồ quang 67 71 tới chất lượng điện của lưới điện cung cấp điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC IV.3.1: Ảnh hưởng chất lượng điện trong lưới 72 cấp điện hiện nay của Công ty Gang thép Thái Nguyên IV.3.2: Ảnh hưởng của hệ thống cấp điện tương lai không có SVC đối với chất lượng 77 điện năng của lưới điện IV.4: Xác định phương án SVC 84 IV.5: Khả năng được cải thiện về chất lượng điện năng của mạng điện đối với hệ thống cung 84 cấp điện gang thép sau này khi dã được lắp thêm SVC IV.6: Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng SVC tại khu gang thép Thái Nguyên. 86 Kết luận chung 95 Tài liệu tham khảo 96 Phụ lục 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU CĐXL Chế độ xác lập CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng HTĐ Hệ thống điện HTCCĐ Hệ thống cung cấp điện FACTS Flexible AC Transmission Systems - Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt GTO Gate Turn - Off Thyristor - Khóa đóng mở MBA Máy biến áp STATCOM Static Synchronous Compensator - Thiết bị bù ngang điều khiển bằng thyristor SVC Static Var Compensator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor TCPAR Thyristor Controlled Phase Angle Regulator - Thiết bị điều chỉnh góc lệch pha của điện áp TCR Thyristor Controlled Reactor - kháng điện điều khiển bằng thyristor TCSC Thyristor Controlled Series Compensator - Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TSR Thyristor Switched Reactor - Kháng điện đóng mở bằng thyristor TSC Thyristor Switched Capacitor - Tụ điện đóng mở bằng thyristor UPFC Unified Power Flow Control - Thiết bị điều khiển dòng công suất hợp nhất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU 1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài Trong chế độ vận hành bình thường của HTĐ (vận hành ở trạng thái ổn định) việc sản xuất công suất tác dụng (CSTD) phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ (kể cả các tổn thất), nếu không thì tần số hệ thống sẽ bị thay đổi. Cũng vậy, có một sự gắn bó chặt chẽ giữa điều kiện cân bằng công suất phản kháng (CSPK) với điện áp các nút hệ thống. Công suất phản kháng ở một khu vực nào đó quá thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng quá điện áp (điện áp quá cao), ngược lại, thiếu CSPK điện áp sẽ bị sụt thấp. Nói khác đi, cũng như đối với công suất tác dụng, CSPK luôn phải được điều chỉnh đề giữ cân bằng. Việc điều chỉnh CSPK cũng là yêu cầu cần thiết nhằm giảm nhỏ tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định hệ thống. Tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản giữa điều chỉnh CSTD và điều chỉnh CSPK. Tần số hệ thống sẽ được đảm bảo bằng việc điều chỉnh CSTD ở bất kỳ máy phát điện nào (miễn sao giữ được cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất tiêu thụ). Trong khi đó, điện áp các nút hệ thống không bằng nhau, chúng phụ thuộc điều kiện cân bằng CSPK theo từng khu vực. Như vậy nguồn CSPK cần được lắp đặt phân bố và điều chỉnh theo từng khu vực. Điều này giải thích vì sao, ngoài các máy phát điện cần phải có một số lượng lớn các thiết bị sản xuất và tiêu thụ công suất phản kháng: Máy bù đồng bộ, tụ điện, kháng điện... Chúng được lắp đặt và điều chỉnh ở nhiều vị trí trong lưới truyền tải và phân phối điện (gọi là các thiết bị bù CSPK). Trước đây, việc điều chỉnh CSPK của các thiết bị bù thường được thực hiện đơn giản: Thay đổi từng nấc (nhờ đóng cắt bằng máy cắt cơ khí) hoặc thay đổi kích từ (trong máy bù đồng bộ). Chúng chỉ cho phép điều chỉnh thô hoặc theo tốc độ chậm. Kỹ thuật thyristor công suất lớn đó mở ra những khả năng mới, trong đó việc ra đời và ứng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 3 dụng các thiết bị bù tĩnh điều chỉnh nhanh công suất lớn - SVC (Static Var Compensator), TCSC (Thyristor Controled Serie Capacitor) đó giải quyết được những yêu cầu mà các thiết bị bù cổ điển chưa đáp ứng được, như tự động điều chỉnh điện áp các nút, giảm dao động công suất nâng cao ổn định hệ thống. Việc ứng dụng các thiết bị bù CSPK chất lượng cao điều khiển bằng thyristor đã trở thành một nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao tính ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) nói chung cũng như đối với các phụ tải có công suất phản kháng thay đổi nhanh như lò nung hồ quang điện. Với ý nghĩa trên, mục đích của đề tài luận văn được xác định là: + Nghiên cứu tìm hiểu các đặc điểm, tính năng hoạt động, chế độ làm việc và mô hình tính toán của các thiết bị tự động điều chỉnh linh hoạt (FACTS) đặc biệt là thiết bị bù điều chỉnh nhanh (SVC) trong HTCCĐ + Nghiên cứu, đánh giá, xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của SVC khi được lắp đặt vào HTCCĐ khu Gang thép Thái Nguyên. 2. Nội dung luận văn Với mục tiêu nêu trên, luận văn được trình bày trong bốn chương: Chương I : Đặc điểm tiêu thụ điện của hệ thống điện công suất lớn và lý thuyết cơ bản về bù công suất phản kháng. Chương II: Tổng quan về công nghệ FACTS Chương III: Các thiết bị bù công suất phản kháng và hoạt động của thiết bị bù ngang có điều khiển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 4 Chương IV: Đánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu Gang thép Thái Nguyên. 3. Đối tượng và phạm vi nghi ên cứu Hiệu quả của việc ứng dụng các thiết bị bù tới lưới điện khu Gang thép Thái Nguyên. 4 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên sử dụng phối hợp các nhóm phương pháp: Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tư liệu kỹ thuật để phân tích, tổng hợp những vấn đề có liên quan tới đề tài. Nhóm phương pháp nghiên cứu thực tiễn tại xí nghiệp Năng lượng: Điều tra, khảo sát, lắp đặt kỹ thuật,... để củng cố thêm độ tin cậy, chính xác của kết quả nghiên cứu. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn Các kết quả nghiên cứu của luận văn nhằm tìm hiểu sâu về công nghệ FACTS, đặc biệt chú ý công nghệ SVC và mô hình hoá các thiết bị FACTS trong các phương trình cơ bản tính toán chế độ xác lập (CĐXL) của HTCCĐ. Đi sâu nghiên cứu các ảnh hưởng của chế độ làm việc lò hồ quang đối với hệ thống cung cấp điện như: Dao động điện áp, méo hình sin, ảnh hưởng của sóng, sung kích vô công, tác hại của thứ tự nghịch (âm)... Từ đó để ứng dụng SVC đối với phụ tải khu gang thép Thái Nguyên để giảm thiếu các tác động nêu trên và nghiên cứu tính toán hiệu quả kinh tế của SVC đối với hệ thống điện khu gang thép Thái Nguyên. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 5 Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo và cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên và Trường đại học Bách khoa Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Hiến, người đã quan tâm, tận tình hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN CHƯƠNG I ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƯỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN I.1: Đặc điểm tiêu thụ điện của lưới điện công nghiệp công suất lớn Điện năng là dạng năng lƣợng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp, nơi tiêu thụ khoảng 50 sản lƣợng điện năng của cả nƣớc. Vì vậy, việc cung cấp và sử dụng điện hợp lý trong lĩnh vực này có ý nghĩa rất to lớn đối với sự phát triển của nền kinh tế quốc dân. Các xí nghiệp công nghiệp có đặc điểm chung là có phụ tải điện lớn; yêu cầu độ tin cậy cung cấp điện cao; thiết bị dùng điện đƣợc tập trung với mật độ cao, làm việc với tải gần định mức, dùng cả điện áp xoay chiều và điện áp một chiều, tần số công nghiệp (50Hz); làm việc liên tục trong suốt năm và ít phụ thuộc vào tính chất mùa vụ. Tuy vậy, do quá trình công nghệ của xí nghiệp rất khác nhau nên đặc điểm tiêu thụ điện và hệ thống cung cấp điện của chúng cũng mang nhiều đặc điểm riêng biệt khác nhau. Trong phần lớn các phụ tải điện công nghiệp thì lò nung hồ quang điện là loại phụ tải tiêu thụ điện lớn nhất, quá trình vận hành của nó thƣờng kéo theo sự dao động điện áp và dao động công suất rất lớn. Để sử dụng điện năng có hiệu quả trong các lò hồ quang luyện thép thì các vấn đề phải đƣợc giải quyết một cách tổng thể và đồng bộ, đặc biệt là cần phải qu an tâm đến các vấn đề ổn định điện áp, hiệu chỉnh hệ số công suất và lọc sóng điều hoà ... Ổn định điện áp cải thiện đáng kể chế độ vận hành của lò luyện, làm gia tăng công suất cực đại dẫn đến tăng năng suất sản phẩm. Ngoài ra, trong trƣờng hợp lò hồ quang ngắn cũng cho phép lò làm việc với cùng một mức công suất cực đại, nhƣng giảm thiểu đƣợc mức độ khó nóng chảy của vỏ bọc bên ngoài phôi thép, giúp hạn chế “chớp nháy” điện áp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Các giải pháp đƣợc sử dụng để ổn định điện áp bao gồm: việc đấu nối lò vào lƣới có điện áp cao hơn hoặc sử dụng các thiết bị phụ trợ nhƣ máy bù đồng bộ với điện kháng đệm, thiết bị điều khiển thyristor tốc độ cao hiện đại hoặc điện kháng bão hoà. Đấu nối lò điện vào lƣới điện có điện áp cao hơn thƣờng rất đắt và đôi khi là không thực tế. Đáp ứng nhanh của thiết bị bù tốc độ cao giúp giải quyết vấn đề đối nghịch giữa đặc tính lò điện và việc giảm chớp nháy của tổ hợp máy bù đồng bộ với điện kháng đệm. Vì vậy, có thể nói trong một số trƣờng hợp, việc sử dụng thiết bị bù điều khiển bằng thyristor hoặc bù bằng điện kháng bão hoà sẽ là giải pháp ổn định điện áp lò điện mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật cao nhất. I.2: Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp Mục tiêu đầu tiên của lý thuyết bù phụ tải là giải thích mối quan hệ giữa hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ), phụ tải và thiết bị bù nhằm để đạt ba mục tiêu: + Điều chỉnh hệ số công suất + Củng cố sự điều áp + Cân bằng phụ tải. Có thể nêu đặc trƣng hoặc thiết lập mô hình của hệ thống cung cấp, phụ tải và thiết bị bù theo nhiều cách. Hệ thống cung cấp có thể đƣợc đặc trƣng nhƣ một mạch tƣơng đƣơng Thevenin với một điện trở hở mạch, một tổng trở nối tiếp các yêu cầu về dòng điện hay công suất, công suất phản kháng ( hay hệ số công suất). Thiết bị bù có thể đƣợc mô hình hoá thay đổi hay một nguồn công suất phản kháng. Việc lựa chọn mô hình sử dụng cho mỗi thành phần có thể thay đổi theo yêu cầu và đƣợc kết hợp theo nhiều cách. Các mô hình khác nhau của mỗi thành phần tƣơng đƣơng với nhau có thể chuyển đổi qua lại. Đầu tiên, lý thuyết đƣợc phát triển ở các điều kiện tĩnh hay gần tĩnh với giả thiết là các tải và các đặc tính hệ thống đƣợc hiểu ngầm là chúng không thay đổi hay thay Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN đổi chậm để sử dụng các phƣơng trình pha. Điều này làm việc phân tích trở nên đơn giản hơn. Trong hầu hết các trƣờng hợp thực tế, các phƣơng trình pha tĩnh hay gần tĩnh đủ để xác định các đặc tính bên ngoài và định mức của thiết bị bù. Đối với các phụ tải có công suất và công suất phản kháng thay đổi rất nhanh (chẳng hạn nhƣ lò hồ quang điện), các phƣơng trình pha hoàn toàn không hiệu quả, để nghiên cứu chúng cần sử dụng các phƣơng pháp đặc biệt. I.2.1. Hệ số công suất và sự điều chỉnh I.2.1.1. Hệ số công suất Có thể mô tả một pha nhƣ hình 1a, ta có tổng dẫn YL = GL + jBL đƣợc cung cấp từ điện áp U, dòng điện tải là IL, ta có: IL = U.( GL + jBL ) = U.GL + jU.BL = IR + jIX (1) Cả U và IL đều là các phần tử pha và phƣơng trình (1) đƣợc thể hiện trong đồ thị pha hình 1b, trong đó U là véc tơ điện áp chuẩn. Dòng điện tải IL có thành phần tác dụng IR cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng IX vuông góc với U góc giữa U và IL là L . ~ Công suất biểu kiến: SL = U.I*L = U2.GL- j U2.BL = P L + jQL (1.2) IR IS L PL L U IL IX G L + jB L a) b c SL QL Hình 1.1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Công suất biểu kiến có một thành phần thực P L ( công suất biểu kiến có ích để chuyển thành phần nhiệt, công cơ học, ánh sáng hoặc các dạng khác của năng lƣợng ) và một thành phần công suất phản kháng QL ( công suất phản kháng không chuyển đƣợc thành các dạng năng lƣợng có ích, nhƣng sự hiện diện của nó là một nhu cầu cần thiết của tải ). Quan hệ giữa SL, P L, và QL đƣợc thể hiện ở hình 1.1c. Đối với tải trễ ( cảm ứng ) theo qui ƣớc P L dƣơng và QL âm. Dòng điện I S = IL do hệ thống cung cấp là lớn hơn dòng điện cần thiết để cung cấp riêng cho công suất thực, bởi hệ số: IL 1 = IR cos Ở đây cos L là hệ số công suất, gọi thế là vì: cos Nhƣ vậy cos (1.3) L L L = PL = SL PL PL2 QL2 (1.4) là tỷ lệ của công suất biểu kiến có thể chuyển đổi một cách hữu ích các dạng năng lƣợng khác. I.2.1.2. Điều chỉnh hệ số công suất Nguyên tắc điều chỉnh hệ số công suất là bù công suất phản kháng, tức là cung cấp tại chỗ bằng cách nối song song với tải một thiết bị bù có tổng dẫn phản kháng đơn thuần –jBL. Để minh hoạ điều này xem hì nh 1.2 minh hoạ việc điều chỉnh hệ số công suất. P1 P1 Q2 = Q1 - Qc Q1 P1 2 1 Q2 Tải Q1 S2 a) b) Qc S1 Hình 1.2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Một phụ tải P 1 + jQ1 có hệ số công suất cos 1 = P1 P12 Q12 , khi đƣợc cung cấp một lƣợng công suất phản kháng Q C, hệ số công suất đƣợc cải thiện từ cos cos 2 , với cos 2 P1 = P12 (Q1 kVA r thành (1.5) QC ) 2 48,43 1 75 kVAr 102 kVAr 133,33 kVAr 100 kW 100 kW 100 kW 100 kW 100 kW 100 kVA cos = 1,00 111,11 kVA cos = 0,90 125 kVA cos = 0,80 142,86 kVA cos = 0,70 166,67 kVA cos = 0,60 Hình 1.3. Minh hoạ sự gia tăng nhu cầu của công suất biểu kiến và công suất phản kháng là một hàm số của hệ số công suất, khi giữ công suất tác dụng là một hằng số 100 kW 43,59 kVAr 60 kVAr 71,41 kVAr 90 kW 80 kW 70 kW 80 kVAr 60 kW Hình 1.4. Minh hoạ sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng là một hàm số của hệ số công suất, khi giữ công suất biểu kiến là một hằng số Hình 1.3 và 1.4 minh hoạ sự thay đổi của thành phần công suất phản kháng khi tăng thêm với mỗi 10 thay đổi của hệ số công suất. Lƣu ý, trong minh hoạ ở hình 1.3, ngay cả khi hệ số công suất là 0,8 thì công suất phản kháng vẫn lớn do nguyên nhân gia tăng thêm 25 trong công suất biểu kiến ( kVA ) của đƣờng dây. Ở hệ số công suất này, 75 kVA của thiết bị bù là cần thiết để khử 75 kVAr của thành phần chậm sau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Có thể quan sát từ hình 1.2b, công suất biểu kiến và công suất phản kháng trƣớc và sau khi bù đƣợc biểu thị là S1 ( kVA ) đến S2 ( kVA ) và Q1 ( kVAr ) đến Q2 ( kVAr ) bằng việc cung cấp công suất phản kháng QC , dĩ nhiên việc giảm dòng điện phản kháng đƣa đến làm giảm dòng điện tổng làm giảm tổn thất công suất. Vậy, việc hiệu chỉnh hệ số công suất đƣa đến tiết kiệm về mặt kinh tế là giảm chi phí đầu tƣ và chi phí nhiên liệu thông qua việc giảm công suất và giảm tổn thất công suất trong tất cả các phần tử ở giữa điểm lắp đặt thiết bị bù và nguồn phát, bao gồm đƣờng dây phân phối và trạm biến áp. Hệ số công suất kinh tế là điểm mà tại đó hiệu quả của việc lắp đặt thêm thiết bị bù vừa đúng bằng chi phí của thiết bị bù. Trƣớc đây, hệ số công suất kinh tế này vào khoảng 0,95. Ngày nay, do chi phớ của nhà máy và nhiên liệu cao nên ngƣời ta đó tìm cách đƣa hệ số công suất kinh tế lên đến 1. Tuy nhiên khi hệ số công suất tăng gần đến 1thì hiệu quả thiết bị bù trong việc cải thiện hệ số công suất, giảm việc truyền tải công suất biểu kiến, tăng khả năng tải, giảm tổn thất do việc tăng dòng tải trên đƣờng dây cũng giảm rõ rệt. Do vậy việc hiệu chỉnh hệ số công suất lớn đến 1trở nên đắt hơn so với chi phí kinh tế của việc lắp đặt tụ bù. I.2.2: Điều chỉnh điện áp I.2.2.1: Nguyên tắc điều chỉnh điện áp Việc điều chỉnh điện áp đƣợc xem nhƣ là thay đổi tỷ lệ ( hay trên mỗi đơn vị ) với biên độ điện áp cung cấp đi kèm với mỗi thay đổi của dòng phụ tải đƣợc xác định ( nghĩa là từ không tải đến đầy tải ). Điều này tạo nên sự sụt áp trên tổng trở cung cấp mang dòng điện tải. Nếu hệ thống cung cấp đƣợc biểu diễn bằng mạch tƣơng đƣơng Thevenin một pha ở hình 1.5 thì việc điều chỉnh điện áp đƣợc cho bởi: E U E U U /U với U là điện áp pha chuẩn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN Khi không có thiết bị bù, sự thay đổi của điện áp cung cấp do dòng điện phụ tải IL gây ra đƣợc biểu diễn ở hình 1.5b là U : U = E – U = Z S.IL với Z S = R S + jX S ( 1.6 ) Từ phƣơng trình 1.2 ta có: IL = E PL jQL U IS E ZS = G S + jB S UX U a) U IL YL = G L + jB L U jIS XS S L IS RS IL UR b) IC E IS jIS XS U U L IL IS RS c) Hình 1.5 Hình 1.5: a) Mạch tƣơng đƣơng của phụ tải và hệ thống cung cấp. b) Đồ thị véc tơ pha cho hình 1.5a ( chƣa có bù ). c) Đồ thị véc tơ cho hình 1.5a ( bù cho điện áp không đổi ) U = ( R S + jX S ) PL jQL U Do vậy: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN U= RS .PL X S .QL U +j X S .PL RS .QL = U R + j U X ( 1.7 ) U Sự thay đổi điện áp có thành phần U R cùng pha với U và thành phần UX vuông góc với U, đƣợc biểu diễn trên hình 1.5b. Điều này có nghĩa là biên độ và pha của U có liên quan đến điện áp cung cấp E, đó là các hàm số của biên độ và pha của dòng điện phụ tải, hay nói cách khác sự thay đổi điện áp phụ thuộc vào cả công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải. Khi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có thể làm cho E = U , tức là làm cho sự thay đổi điện áp bằng không hay giữ cho biên độ điện áp không đổi ở giá trị E khi có tải. Điều này đƣợc thể hiện trên hình 1.5c đối với thiết bị bù phản kháng thuần. Công suất phản kháng QL ở phƣơn trình ( 1.2 ) đƣợc thay bằng tổng: Q S = QL + Q C và QC đƣợc chỉnh định sao cho làm quay đồ thị vectơ pha U cho đến khi E = U . Từ phƣơng trình ( 1.6 ) và ( 1.7 ) ta có: 2 E = U RS .PL X S .QS U 2 + X S .PL RS .QS 2 ( 1.8 ) U Giá trị yêu cầu của QC đƣợc xác định bằng cách giải phƣơng trình ( 1.8) theo QS với E = U, khi đó Q C = Q S – QL . Từ ( 1.8 ) suy ra: a2 Q S2 + bQ S + c = 0 ( 1.8 ’ ) Với: a = R S2 + X S2 , b = 2U2 X S, c = ( U2 + R SP L )2 + X S2P L2 – E2U2 ’ Giải phƣơng trình ( 1.8 ) ta đƣợc: Q S = b b2 2a 4ac Ta thấy rằng ở đây luôn luôn có đáp số cho Q S bất kể giá trị nào của P L. Điều này dẫn đến các kết luận quan trọng sau đây: Một thiết bị bù phản kháng thuần tuý có thể loại bỏ sự biến thiên của điện áp nguồn cung cấp gây ra bởi sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN của tải, miễn là có thể điều khiển dễ dàng công suất phản kháng của thiết bị bù trong một phạm vi vừa đủ ( nói chung kể cả chậm sau hay vượt trước ). Ở một tốc độ vừa đủ thì thiết bị bù có thể hoạt động như một bộ điều áp lý tưởng ( cần phải thừa nhận rằng chỉ có biên độ điện áp là điều khiển được, cùng góc pha của nó thay đổi liên tục theo dòng phụ tải ). Ở phần trƣớc chúng ta đã biết là thiết bị bù có thể giảm công suất phản khá ng do hệ thống cung cấp về không nhƣ thế nào. Đó là, thay vì làm chức năng điều chỉnh điện áp, thiết bị hoạt động nhƣ một thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất. Nếu thiết bị đƣợc thiết kế để làm điều này, chúng ta có thể thay đổi phƣơng trình ( 1.7 ) bằng: Q S = QL + QC = 0. Điện áp thay đổi là: U= RS PL jX S PL U = ( R S + jX S ). PL U ( 1.9 ) Giá trị này độc lập với QL và không bị thiết bị bù điều khiển. Vì vậy: Thiết bị bù công suất phản kháng thuần tuý không thể một lúc vừa duy trì điện áp bằng không đổi vừa duy trì hệ số công suất đồng nhất. Ngoại lệ duy nhất đối với qui tắc này là P L = 0, nhƣng điều này nói chung không thực tế. Điều quan trọng cần chú ý là nguyên tắc này áp dụng cho hệ số công suất tức thời, cũng có thể có một thiết bị bù công suất phản kháng không thuần tuý dùng để duy trì cả điện áp không đổi và hệ số công suất trung bình đồng nhất. I.2.2.2. Công thức gần đúng cho việc điều chỉnh điện áp. Cách biểu diễn của UX và UR trong phƣơng trình ( 1.7 ) đôi lúc đƣợc cho ở dạng hữu ích khác nhƣ sau: Nếu một hệ thống bị ngắn mạch ở thanh cái phụ tải thì công suất ngắn mạch biểu kiến sẽ là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN E2 ~ S SC = P SC + jQ SC = E.I*SC = * Z SC ( 1.10 ) Trong đó: Z SC = R S + jX S ISC – dòng ngắn mạch Vỡ: * = Z SC, ta có: Z SC R S = Z SC .cos SC E2 cos S SC = Và: X S = Z SC sin Với: tg SC SC = ( 1.11 ) SC E2 sin S SC = XS / RS SC ( 1.12 ) ( 1.13 ) Thay ( 1.11 ) v à ( 1.12 ) v ào ( 1.7 ), biến đổi UX và UR theo U và giả thiết E/ U 1, ta có: UR U 1 ( P L cos S SC UX U 1 ( P L sin S SC SC SC + QL sin - QL cos ) ( 1.14 ) ) ( 1.15 ) SC SC UX thƣờng đƣợc bỏ qua, chỉ vì nó có khuynh hƣớng tạo ra sự thay đổi ở một pha tại điện áp điểm cung cấp, sự thay đổi về biên độ đƣợc thể hiện bởi U R. Phƣơng trình ( 1.14 ) tuy gần đúng, song lại có lợi vì nó đƣợc biểu diễn theo các đại lƣợng thông thƣờng, đó là: mức độ sự cố hay mức độ ngắn mạch S SC, tỷ số X/R ( tức là tg SC ), công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải P L và QL Để có kết quả chính xác, cách biểu diễn ở phƣơng trình (1.14) phải nhân với E2 . Đến đây các phƣơng trình đƣợc viết ra nhƣ thể U2 U gắn liền với sự thay đổi toàn bộ từ 0 đến P L hay từ 0 đến QL trong phụ tải.Các phƣơng trình (1.7), ( 1.14 ) và (1.15) cũng có giá trị đối với các thay đổi nhỏ của P L và QL, do vậy: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 CHƢƠNG I: ĐẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƢỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN UR U 1 ( P L cos S SC SC + QL sin SC ) ( 1.16 ) Nếu điện trở R S nhỏ hơn nhiều so với điện kháng X S thì cho phép bỏ qua các thay đổi điện áp gây ra bởi các thay đổi của công suất tác dụng P. Do đó, việc điều chỉnh điện áp đƣợc thực hiện theo phƣơng trình: QL UR sin = S SC U U U SC QL ( 1.17 ) S SC Nghĩa là, sự thay đổi điện áp trên mỗi đơn vị bằng tỷ số thay đổi công suất phản kháng theo mức độ ngắn mạch của hệ thống cung cấp.Quan hệ này đƣợc biểu diễn bằng đồ thị nhƣ ở hình 1.6 và cho thấy đặc tính điện áp của hệ thống cung cấp U U Độ dốc = -E / SSC Đường phụ tải hệ thống 0 Q L Hình 1.6. Đặc tính gần đúng của điện áp và công suất phản kháng hệ thống cung cấp. ( hay đƣờng tải của hệ thống ) gần nhƣ tuyến tính. Một cách thể hiện khác là: U E QL 1 S SC E1 QL S SC ( nếu Q << S SC ) ( 1.18 ) Mặc dù đặc tính này chỉ gần đúng nhƣng rất có ích vì nó cho thấy sự hoạt động của thiết bị bù sẽ trình bày ở phần dƣới đây. I.2.2.3. Đặc tính gần đúng của công suất phản kháng * Điều áp với phụ tải cảm ứng thay đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn