Luận văn: 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

Chia sẻ: Orchid_1 Orchid_1 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

224
lượt xem 77
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tro ng c hế độ vận hành bình thường của HTĐ ( vận hành ở trạng thái ổn định) việc s ản xuất công suất tác dụng (CSTD) phải đ áp ứng được nhu cầu tiêu thụ (kể cả c ác tổn thất), nếu không thì tần số hệ thống sẽ bị thay đổi. Cũng vậy, có một sự gắn bó c hặt chẽ giữa điều kiệ n cân bằng công s uất phản kháng (CSPK) với điện áp các nút hệ thống. Cô ng suất phản kháng ở một khu vực nào đó quá thừa thì ở đó sẽ có hiện tượng quá điện...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn: 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

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 M ẠNG VÀ NHÀ M ÁY ĐIỆN M ã số :23.04.3898 VŨ TH Ị THÙY NINH Thái nguyên 2008
MỤC L ỤC MỤC LỤC Trang Các chữ viết tắt và ký hiệu 1 Mở đ ầu 2 Ch ươ ng I: Đ ặc điểm tiêu thụ điện của l ưới 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 tro ng 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 Ch ươ ng 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. C ác 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 t hyristor (STATCOM) 33 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
MỤC L ỤC 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 Ch ươ ng 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 đ iện 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: Đ ặc tính điều chỉnh của SVC 48 III.2.2: Đ ặc tính làm việc của SVC 57 III.3: Một số ảnh h ưởng phụ của SVC 59 Ch ương IV: Đ ánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu gang 61 thép Thái Nguyê n IV.1: Mở đ ầu 61 IV.2: Căn cứ thiết kế hệ thống SVC 62 IV.2.1: Các thông số trạm biến thế Gia Sàng 63 và trạm biến thế cấp điện của Gang thép IV.2.2: Các thông số của biến áp lò điện 63 IV.2.3: Trở kháng và đ iện kháng hạn dòng của m ạch ngắn lò đ iện 64 IV.2.4: Chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được 64 IV.2.5: Hệ thống cấp điện của Công ty Gang 67 t hép Thái Nguyên Việt Nam IV.3. Phân tích ảnh hưởng của cụm lò điện hồ quang 71 tới chất lượng đ iện của lưới điện cung cấp điện S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
MỤC L ỤC IV.3.1: Ảnh hưởng chất lượng điện trong lưới 72 c ấp điện hiện nay của Công ty Gang thép Thái Nguyên IV.3.2: Ảnh hưởng của hệ thống cấp điện 77 tương lai không có SVC đối với chất lượng 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 gan g thép sau này khi dã được lắp thêm SVC IV.6: Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng SVC 86 tại khu gang thép Thái Nguyên. Kết luận chung 95 Tài li ệu tham kh ảo 96 P h ụ l ục 97 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
1 C ÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU C ÁC CH Ữ VIẾT TẮT V À K Ý H IỆU CĐ XL Chế đ ộ xác l ập Công su ất phản kháng CSPK Công su ất t ác dụng CSTD H TĐ Hệ thống điện H TCC Đ Hệ thống c ung c ấp đ iện Flexible AC Tr ans mission Systems - Hệ thống truyền t ải F ACTS đ iện xoay chiều linh ho ạt Gate Tur n - Off Th yristor - Khóa đóng mở G TO Máy biến áp MBA Static Synchronous Compens ator - Thiết bị bù ngang điều S TATCOM khiển bằng th yristor Static Var Compens ator - Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng S VC thyristor Thyristor Controlled Phase Angle Regulat or - Thiết bị điều TCP AR chỉnh góc lệch pha c ủa đ iện áp Thyristor Controlled Reactor - kháng đ iện điều khiển bằng TCR thyristor Thyristor Controlled Series Compensator - Thiết bị bù dọc TCSC đ iều khiển bằng t hyristor Thyristor S witched Reactor - Kh áng đ iện đóng m ở bằng TSR thyristor Thyristor S witched Capacit or - Tụ đ iện đóng mở bằng TSC thyristor Unified P ower Flow Control - Thiết bị đ iều khiển dòng UPFC công su ất hợp nhất S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
2 MỞ Đ ẦU 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 C SPK 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 th ực 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 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
3 MỞ Đ ẦU dụng các thiết bị bù tĩnh điều chỉnh nhanh công suất lớn - S VC (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 t hiết bị bù CSPK chất lượng cao điều khiển bằng thyristor đã trở thành một nhu cầu cấp thiết nhằm n âng cao tính ổn định và hiệu quả sử dụng của hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) nói chung c ũng như đối với các phụ tải có công suất phản kháng thay đổi nhanh như lò nung hồ quang điện. Với ý nghĩa tr ên, mục đích của đề tài luận văn được xác định là: + Nghiê n cứu tìm hiểu các đặc điểm, tí nh 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 điề u 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 Th ái Nguyên. 2. Nội dung luận văn Với mục tiêu nêu trên, luận văn được tr ình 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 S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
4 MỞ Đ ẦU Chương IV: Đánh giá hiệu quả sử dụng SVC tại khu Gang th ép Th ái N guyê n. 3. Đối tượng và phạm vi nghi ên cứu Hiệu quả của việc ứng dụng các thiết bị bù tới lưới điện khu Gang t hép Th ái Nguyên. 4 P hương 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 qu ả nghiên cứu của luận văn nhằm tìm hiểu s âu về c ô ng nghệ FACTS, đặc biệt chú ý công nghệ SVC và mô hình hoá các thiết bị FACTS trong các phương trình cơ bản tính to án chế độ xác lập (CĐXL) của HTCCĐ. Đi sâu nghiên cứu các ảnh hưởng của chế độ làm việc l ò hồ quang đối với hệ thống cung cấp điệ n như: Dao động điện áp, méo hì nh 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 S VC đối với hệ thống điện khu gang thép Thái Nguyên. S ố hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc -tnu.edu.vn
5 MỞ Đ ẦU 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 đ ã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian thực hiện luận văn. Đặc biệt tác giả xin bày tỏ l òng biết ơn sâu sắc với Thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Hiến, người đ ã quan tâm, tận tì nh hướng dẫn giúp tác giả xây dựng và hoàn thành luận văn này. S ố 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 Đ ẶC ĐIỂM TIÊU THỤ ĐIỆN CỦA LƯỚI ĐIỆN CÔNG NGHIỆP CÔNG SUẤT LỚN I.1: Đ ặc 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 c ao; 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 trìn h 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 đ iện năng có hiệu quả trong các lò hồ quang luyện thép thì c ác 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 l ò luyện, làm gia tăng công suất cực đại dẫn đến tăng năng suất sản phẩm. Ngoài ra, trong trƣờng h ợp lò hồ quang ngắn cũng cho phép lò làm việc với cùng một mức c ông 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. S ố 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 C ác 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 m áy bù đồng bộ với điện kháng đệm, thiết bị điều khiển thyristor tốc đ ộ 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 kh i là không thực tế. Đáp ứng nhanh của thiết bị bù tốc độ cao giúp giải quyết v ấn 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 đ iều 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: B ù công suất phản kh áng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp Mục tiêu đầu tiên của lý thuyết bù phụ tải là giải thí ch mối quan hệ giữa hệ thống cung cấp điệ n (HTCCĐ), phụ tải và thiết bị bù nhằm để đạt ba mục tiêu: + Điều chỉnh hệ số c ông suất + Củng cố sự điều áp + Cân bằng phụ tải. Có thể nêu đặc trƣng hoặc thiết lập mô hì nh của hệ thống cung cấp, phụ tải và thiết bị bù t heo nhiều c ách. Hệ thống cung cấp c ó 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 n hau 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 S ố 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 trì nh pha. Điều nà y làm việc phân tích trở nên đơn giản hơn. Trong hầu hết các t rƣờng hợp thực tế, các phƣơng trì nh 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 l ò hồ quang điện), các phƣơng tr ình 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 c ông 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 c ó : IL = U.( GL + jBL ) = U.GL + jU.BL = IR + jIX (1) Cả U và IL đều l à các phần tử pha và phƣơng trì nh (1) đƣợc thể hiện trong đồ thị pha hì nh 1b, trong đó U là véc t ơ điện áp chuẩn. Dò ng điện tải IL có thành phần tác dụng IR cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng IX vuô ng góc với U góc giữa U và IL l à L .* ~ Công suất biểu kiến: SL = U.IL = U2.GL- j U2.BL = P L + j QL (1.2) IR PL IS L L U IL IX QL c G L + jB L SL b a) Hình 1.1 S ố 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 biể u kiến c ó một thành phần thực P L ( c ông suất biểu kiến c ó 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 ( c ông 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 dò ng điện cầ n thiết để cung cấp riêng cho công suất thực, bởi hệ số: IL 1 = (1.3) IR cos L Ở đây cos là hệ số c ông suất, gọi thế là vì : L PL PL cos = = (1.4) L SL PL2 2 QL N hƣ vậy cos là tỷ lệ của c ông suất biểu kiến có thể chuyển đổi một cách hữu L ích các dạng năng lƣợng khác. I.2 .1.2. Điều chỉnh hệ số công suất N guyên 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 P1 2 Q1 Q2 = Q1 - Qc 1 Q2 Tải Q1 S2 Qc a) b) S1 Hình 1.2 S ố 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 P1 Một phụ tải P 1 + jQ1 có hệ số c ông suất cos , khi đƣợc cung cấp = 1 P12 Q12 một lƣợng công suất phản kháng Q C, hệ số công suất đƣợc cải thiện từ cos thành 1 P1 , với co s cos = (1.5) 2 2 P12 QC ) 2 (Q1 133,33 102 75 48,43 k VAr kVAr kVAr k VA r 100 100 100 100 100 kW kW kW kW kW 166,67 kVA 125 kVA 111,11 kVA 142,86 kVA 100 kVA cos = 0,60 cos = 0,80 cos = 0,90 cos = 0,70 cos = 1,00 Hình 1.3 . Minh hoạ sự gia tăng nhu cầu của công suất biểu kiến và công suất phản kh áng là một hàm số của hệ số công suất, khi giữ công suất t ác dụng là một hằng số 43,59 60 71,41 80 kVAr kVAr kVAr kVAr 100 90 kW 80 70 kW 60 kW kW kW Hình 1.4 . Minh hoạ sự thay đổi công su ất t ác dụng và công suất phản kh áng 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 hì nh 1.3, ngay cả khi hệ số c ông suất là 0,8 thì công suất ph ản kháng vẫn lớn do nguyên nhân gia tăng thêm 25 trong c ông 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. S ố 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 hì nh 1.2b, c ông 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 c ô ng suất phản kháng QC , dĩ nhiên việc giảm dò ng đ iện 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 b ù và nguồ n phát, bao gồm đƣờng dây ph ân phối và trạm biến áp. Hệ số c ô ng suất kinh tế là điểm mà tại đó hiệu quả của việc lắp đặt thêm thiết bị bù vừa đú ng bằng chi phí của thiết bị bù. Trƣớc đ ây, hệ số c ông suất kinh tế này vào khoảng 0,95. Ngày nay, do chi phớ của nhà máy và nhiên liệu cao nên ngƣời ta đó t ìm 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 c ông suất, giảm việc truyền tải c ông suất biểu kiến, tăng khả năng t ải, giảm tổn thất do việc tăng dò ng tải tr ên đƣờng dây cũng giảm rõ rệt. Do vậy việc hiệu chỉnh hệ số c ông 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 d òng phụ tải đƣợc xác định ( nghĩa là từ không tải đến đầy tải ). Điều này tạo nên sự sụt áp tr ên tổng trở cung cấp mang dò ng 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 với U là điện áp pha chuẩn. U E U /U S ố 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 khô ng có thiết bị bù, sự thay đổi của điện áp cung cấp do dò ng điện phụ tải IL gây ra đƣợc biểu diễn ở hì nh 1.5b là U : U = E – U = Z S.IL với Z S = R S + jX S ( 1.6 ) Từ phƣơng tr ình 1.2 ta có : PL jQL IL = U E IS E ZS = G S + jB S UX U jIS XS U a) IL U S YL = G L + jB L UR L IS RS IL b) IC E IS jIS XS U IS RS U L IL 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 ( chƣ a có bù ). c) Đồ thị véc tơ cho hình 1.5a ( bù cho điện áp không đổi ) PL jQL U = ( R S + jX S ) U Do vậy: S ố 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 RS .PL X S .QL X S .PL RS .QL U= +j = U R + j U X ( 1.7 ) U 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 hì nh 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. K hi thêm thiết bị bù nối song song với tải, có t hể 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 hì nh 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 2 X S .PL RS .QS RS .PL X S .QS 2 E =U + ( 1.8 ) U U Giá trị yêu cầu của QC đƣợc x ác định bằng cách giải phƣơng trì nh ( 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 b2 b 4ac ’ Giải phƣơng trì nh ( 1.8 ) ta đƣợc: Q S = 2a 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 thi ên của điện áp nguồn cung cấp gây ra bởi sự thay đổi công suất tác dụng và cô ng suất phản khá ng S ố 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 đ ộ đ iện áp là điều khiển được, cù ng gó c pha của nó thay đổi liên tục theo dò ng 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 k hông nhƣ thế nào. Đó là, thay vì làm chức năng điều chỉnh đ iện 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, chú ng ta có thể thay đổi phƣơng trì nh ( 1.7 ) bằng: Q S = QL + QC = 0. Điện áp thay đổi là: RS PL jX S PL PL U= = ( RS + j XS ) . ( 1.9 ) U U Giá trị này độc lập với QL và không bị thiết bị bù điều khiển. Vì vậy: Thiết bị bù cô ng suất phản kháng thuần tuý không thể một lú c vừa duy trì điện áp bằng không đổi vừa duy trì hệ số cô ng 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 s ố 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 trì nh ( 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 cô ng suất ngắn mạch biểu kiến sẽ là: S ố 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 .ISC = * ( 1.10 ) Z SC Trong đó: Z SC = R S + jX S ISC – dò ng ngắn mạch Vỡ: * Z SC = Z SC, ta có : E2 R S = Z SC .cos = cos ( 1.11 ) SC SC S SC E2 Và: X S = Z SC sin = sin ( 1.12 ) SC SC S SC Với: tg = XS / RS ( 1.13 ) SC Thay ( 1.11 ) v à ( 1.12 ) v ào ( 1.7 ), biến đổi UX và UR t heo U và giả t hiết E/ U 1, ta có : UR 1 ( P L cos + QL sin ) ( 1.14 ) SC SC U S SC UX 1 ( P L sin - QL cos ) ( 1.15 ) SC SC U S SC UX t hƣờng 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 ) t uy 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 ), công suất tác dụng và công suất phản khá ng của phụ tải P L và QL tg SC Để có kết quả chính xác, cách biểu diễn ở phƣơng trình (1.14 ) phải nhân với E2 . Đến đây các phƣơng trì nh đƣợc viết ra nhƣ thể U gắn liền với sự thay đổi toàn U2 bộ từ 0 đến P L hay từ 0 đến QL trong phụ tải.Các phƣơng trì nh (1.7), ( 1.14 ) và (1.15 ) cũng có giá tr ị đối với các thay đổi nhỏ của P L và QL, do vậy: S ố 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 1 ( P L cos + QL sin ) ( 1.16 ) SC SC U S SC Nếu điện trở R S nhỏ hơn nhiều so với điện kháng X S t hì 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 trì nh: QL QL UR U = ( 1.17 ) sin SC S SC S SC U U 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 Hình 1.6 . Đặc tính gần đ úng của điện áp và công suất phản kháng hệ thống L cung cấp. ( hay đƣờng tải của hệ thống ) gần nhƣ tuyến tính. Một cách thể hiện khác là: QL E ( nếu Q