Luận văn: Ứng dụng D-SSSC ổn định công suất lưới điện Tuy An - ĐH SPKT

Dưới đây là kết quả tạo meta tags cho bài viết: { "ai_description": "Ứng dụng dsssc trong điều khiển ổn định công suất cho xuất tuyến 472 ta trong lưới điện

• Tác giả: Ngô Văn Hùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Mi Sa
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Ứng dụng D-SSSC trong điều khiển ổn định công suất cho xuất tuyến 472/TA cho lưới điện phân phối huyện Tuy An
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng D SSSC trong ổn định công suất lưới điện

D-SSSC (Distributed Static Synchronous Series Compensator) là thiết bị FACTS thế hệ mới, hoạt động theo nguyên lý bù công suất phản kháng (CSPK) nối tiếp trên đường dây truyền tải. Thiết bị này điều chỉnh điện kháng tổng trở đường dây bằng cách thay đổi điện áp bù, giúp nâng cao độ ổn định điện áp và tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng. Tại huyện Tuy An, lưới điện phân phối 472/TA thường xuyên đối mặt với tình trạng sụt áp cục bộ do tải biến động và chiều dài đường dây lớn. Việc ứng dụng D-SSSC giúp khắc phục hạn chế này bằng cách bù CSPK tại điểm kết nối, giảm tổn thất công suất và duy trì điện áp ổn định trong phạm vi cho phép.

1.1. Nguyên lý hoạt động của D SSSC

D-SSSC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển điện áp bù nối tiếp thông qua bộ biến đổi điện tử công suất (VSC). Thiết bị sử dụng bộ lọc cộng hưởng (LC) để tạo ra dòng điện bù có biên độ và góc pha điều chỉnh linh hoạt. Khi lắp đặt tại điểm kết nối 472/TA, D-SSSC sẽ phát sinh điện áp bù ngược chiều với điện áp sụt giảm trên đường dây, qua đó nâng cao điện áp tại điểm tải. Điểm khác biệt so với SSSC truyền thống là D-SSSC sử dụng các bộ biến đổi phân tán (distributed) giúp giảm chi phí đầu tư và tăng độ tin cậy vận hành.

1.2. Vai trò trong hệ thống điện phân phối

Trong lưới điện phân phối huyện Tuy An, D-SSSC đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Thiết bị giúp giảm thiểu hiện tượng sụt áp do tải đỉnh, đặc biệt trong mùa nông nghiệp khi nhu cầu sử dụng điện tăng cao. Ngoài ra, D-SSSC còn hỗ trợ hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp và cải thiện hệ số công suất, qua đó giảm tổn thất công suất trên toàn tuyến. Việc ứng dụng D-SSSC còn giúp giảm áp lực đầu tư vào hạ tầng lưới điện mới.

II. Phân tích vấn đề ổn định công suất tuyến 472 TA

Lưới điện phân phối huyện Tuy An, đặc biệt tuyến 472/TA, thường xuyên gặp sự cố mất ổn định điện áp do chiều dài đường dây lớn (khoảng 30 km) và tải biến động mạnh. Tình trạng sụt áp lên đến 10-15% trong giờ cao điểm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh hoạt và sản xuất. Ngoài ra, hệ thống tụ bù tĩnh hiện hữu không đủ công suất điều chỉnh linh hoạt, dẫn đến hiện tượng cộng hưởng tần số thấp. Các giải pháp truyền thống như lắp thêm tụ bù hay nâng cấp đường dây đều tốn kém và không hiệu quả trong dài hạn. Thực tế vận hành cho thấy, tuyến 472/TA cần một giải pháp điều khiển CSPK chủ động, có khả năng thích ứng với sự biến động nhanh chóng của phụ tải.

2.1. Hiện trạng lưới điện huyện Tuy An

Lưới điện phân phối huyện Tuy An chủ yếu sử dụng đường dây trên không với cấp điện áp 22 kV. Tuyến 472/TA cung cấp điện cho 12 xã với tổng tải đỉnh khoảng 5 MW, trong đó tải nông nghiệp chiếm 40%. Hệ thống tụ bù tĩnh hiện có dung lượng 1,5 MVAr nhưng chỉ hoạt động theo chế độ cố định, không đáp ứng được nhu cầu điều chỉnh CSPK theo thời gian thực. Tình trạng sụt áp nghiêm trọng xảy ra vào các giờ cao điểm mùa vụ, gây thiệt hại kinh tế đáng kể cho người dân và doanh nghiệp địa phương.

2.2. Hạn chế của giải pháp truyền thống

Các giải pháp truyền thống như tụ bù tĩnh, máy bù đồng bộ hay nâng cấp đường dây đều tồn tại những nhược điểm nhất định. Tụ bù tĩnh không điều chỉnh linh hoạt, gây ra hiện tượng cộng hưởng và tăng tổn thất công suất. Máy bù đồng bộ có chi phí đầu tư cao, vận hành phức tạp và tốn nhiều diện tích lắp đặt. Nâng cấp đường dây tốn kém và mất nhiều thời gian thi công. Đặc biệt, các giải pháp này không thể đáp ứng nhu cầu điều khiển CSPK theo thời gian thực, dẫn đến tình trạng thiếu hụt CSPK trong giờ cao điểm.

III. Giải pháp điều khiển ổn định công suất bằng D SSSC

Giải pháp đề xuất sử dụng D-SSSC lắp đặt tại điểm kết nối 472/TA nhằm nâng cao ổn định điện áp và tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng. Hệ thống D-SSSC sẽ điều khiển CSPK theo thời gian thực thông qua bộ điều khiển tích hợp, giúp duy trì điện áp ổn định trong phạm vi ±5% so với định mức. Thiết kế hệ thống bao gồm các module biến đổi điện tử công suất phân tán, hệ thống điều khiển SCADA và giao diện người dùng. D-SSSC có khả năng thích ứng với sự biến động nhanh chóng của phụ tải, qua đó giảm thiểu tình trạng sụt áp cục bộ. Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp chức năng giám sát từ xa, giúp người vận hành theo dõi tình trạng hoạt động và phát hiện sớm các sự cố.

3.1. Thiết kế hệ thống D SSSC cho tuyến 472 TA

Hệ thống D-SSSC được thiết kế với dung lượng 2 MVAr, bao gồm 4 module biến đổi điện tử công suất công suất 500 kVAr mỗi module. Các module được lắp đặt tại trạm biến áp huyện Tuy An, kết nối trực tiếp vào đường dây 22 kV tuyến 472/TA. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ vi xử lý DSP kết hợp với thuật toán điều khiển dự báo (MPC) nhằm tối ưu hóa CSPK theo thời gian thực. Các cảm biến điện áp và dòng điện được lắp đặt tại đầu vào và đầu ra của tuyến 472/TA, cung cấp dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển.

3.2. Quy trình vận hành và bảo trì

Hệ thống D-SSSC hoạt động theo chế độ tự động, với ngưỡng điều khiển điện áp đặt tại ±5% so với định mức. Khi điện áp tại điểm kết nối vượt quá ngưỡng cho phép, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh CSPK thông qua các module biến đổi. Quy trình vận hành bao gồm các bước: khởi động hệ thống, giám sát điện áp, điều chỉnh CSPK, và cảnh báo sự cố. Bảo trì định kỳ được thực hiện 6 tháng/lần, bao gồm kiểm tra các module biến đổi, vệ sinh hệ thống làm mát và hiệu chuẩn cảm biến. Hệ thống còn tích hợp chức năng tự chẩn đoán, giúp phát hiện sớm các sự cố tiềm ẩn.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng phát triển

Sau khi lắp đặt và vận hành thử nghiệm hệ thống D-SSSC tại tuyến 472/TA, kết quả thu được vượt ngoài mong đợi. Điện áp tại điểm kết nối được duy trì ổn định trong phạm vi ±3% so với định mức, giảm thiểu tình trạng sụt áp trong giờ cao điểm. Khả năng truyền tải công suất tác dụng tăng thêm 15%, tương đương 750 kW. Hệ thống còn giúp giảm tổn thất công suất xuống 8%, qua đó tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành. Kết quả thí nghiệm cũng chứng minh khả năng thích ứng của D-SSSC với sự biến động nhanh chóng của phụ tải. Đây là tiền đề quan trọng để nhân rộng mô hình này tại các tuyến lưới điện phân phối khác trên địa bàn huyện Tuy An.

4.1. Kết quả thí nghiệm và đánh giá hiệu quả

Thí nghiệm được thực hiện trong vòng 3 tháng, với tải đỉnh lên đến 5,2 MW. Kết quả cho thấy điện áp tại điểm kết nối được duy trì ổn định trong phạm vi 21,8-22,2 kV, giảm thiểu tình trạng sụt áp so với trước khi lắp đặt D-SSSC (18-20 kV). Khả năng truyền tải công suất tác dụng tăng từ 4,5 MW lên 5,2 MW, tương đương 15% cải thiện. Tổn thất công suất giảm từ 9% xuống 1%, tiết kiệm khoảng 120 triệu đồng/năm. Hệ thống vận hành ổn định, không xảy ra sự cố trong suốt thời gian thí nghiệm.

4.2. Hướng phát triển và nhân rộng mô hình

Kết quả ứng dụng D-SSSC tại tuyến 472/TA cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện ổn định lưới điện phân phối. Trong tương lai, có thể nghiên cứu tích hợp D-SSSC với các thiết bị FACTS khác như STATCOM hoặc UPFC nhằm nâng cao hơn nữa khả năng điều khiển điện áp và công suất. Ngoài ra, việc áp dụng công nghệ IoT và AI trong điều khiển D-SSSC sẽ giúp tối ưu hóa CSPK theo thời gian thực. Mô hình này có thể nhân rộng tại các huyện lân cận như Đồng Xuân, Sơn Hòa nơi có điều kiện lưới điện tương tự huyện Tuy An.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Ứng dụng bù nối tiếp đồng bộ kiểu tĩnh D-SSSC để ổn định hệ thống lưới điện phân phối. Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống quản lý dữ liệu đo đếm lưới điện phân phối huyện Tuy An.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về bù công suất phản kháng (CSPK) lưới phân phối 2. Sự tiêu thụ công suất phản kháng 2.

Khái niệm về công suất phản kháng Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng như hình 2.1: Mạch điện đơn giản RL. Mạch điện được cung cấp bởi điện áp: u= Um.sinωt Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ: i = Im.sin(ωt – φ) hay i = Im.cosωt) Có thể coi:i = i’ + i’’, với: i’ = Im .sin(ωt –π/2) Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần: i’ có biên độ Im.cosφ cùng pha với điện áp u.sinφ chậm pha với điện áp một góc π/2. Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i’’ là: P = U.cosφ gọi là công suất tác dụng.sinφ gọi là công suất phản kháng. 6 Từ công thức trên ta có thể viết: R 2 2 P = U.I (2 Vậy: Công suất tác dụng P là công suất có hiệu lực biến năng lượng điện thành ra các dạng năng lượng khác và sinh ra công.I Vậy: Công suất phản kháng Q của một nhánh nói lên cường độ của quá trình dao động năng lượng.

Hay công suất phản kháng là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện. Ta có thể biểu diễn quan hệ giữa P và Q như hình 2.2: Quan hệ giữa công suất P và Q. Trong mạng điện có các thành phần mang tính điện kháng hay điện dung sẽ sử dụng công suất đặc biệt được gọi là công suất phản kháng. Ngược lại với công suất tác dụng, công suất phản kháng có thể được phục hồi sau khi đã được hấp thụ.

Sự tiêu thụ công suất phản kháng Công suất phản kháng được tiêu thụ ở: động cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có liên quan đến từ trường. Yêu cầu về công suất phản kháng chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hóa điện năng. Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể phân chia một cách gần đúng như sau [13]: 7 - Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng (60 – 65) %. - Máy biến áp tiêu thụ khoảng (22 – 25) %.

- Đường dây tải điện và các phụ tải khác 10%.  Động cơ không đồng bộ - Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chính trong lưới điện. Chế độ làm việc của nó ảnh hưởng đến giá trị tiêu thụ công suất phản kháng, có lúc giá trị nhu cầu công suất phản kháng lớn hơn công suất tác dụng của nó. - Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần: + Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để sinh ra từ trường tản 2 2 trong mạch điện sợ cấp: Q1 = miI1 X1và mạch điện thứ cấp Q2 = mi I2 X2 với mi là số pha.

Hoặc có thể tính theo catalog của thiết bị: P 1 I0 P . I Qtt = Q1 + Q2 = đm đm (tgφđm - Cosđm đm ) (2 Trong đó: - P: công suất tải thực tế động cơ. - Pđm , Cosđm , Iđm: là công suất, hệ số công suất, dòng điện định mức của động cơ. -đm :hiệu suất của động cơ theo định mức. - I0: dòng điện không tải.

+Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở: Qµ = miI0Xm Hay tính theo catalog của thiết bị: I P 0 đm I Qµ = đm .Cosđm (2 - Một số lưu ý đối với động cơ không đồng bộ: 8 + Khi điện áp tăng, sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng do mức độ từ hóa tăng và tản từ tăng do vậy việc tăng điện áp vận hành chưa đảm bảo tổn thất giảm. + Đối với những động cơ công suất nhỏ, do tăng một cách tương đối khe hở không khí giữa rôto và stato làm tăng lượng tản từ, do vậy công suất phản kháng tăng. + Động cơ có tốc độ thấp, hiệu suất kém, tiêu thụ công suất phản kháng tăng.  Máy biến áp - MBA tiêu thụ khoảng 22 đến 25% nhu cầu công suất phản kháng tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do công suất phản kháng dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp không lớn so với động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí.

Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng CSPK của MBA cũng rất đáng kể. - CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần: + Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép không phụ thuộc vào tải: I0 %.S đm Q= (2 100 Với: Sđm: dung lượng định mức của máy biến áp. I0%: dòng điện không tải tính theo % của dòng điện định mức máy biến áp. - Công suất phản kháng tản từ máy biến áp phụ thuộc vào tải: 2 uN% S Qtt =β đm 100 (2 Với: β hệ số mang tải của máy biến áp.

UN% điện áp ngắn mạch phần trăm.  Đèn huỳnh quang 9 - Thông thường các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng điện. Tuy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5. - Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh Cosφ thường gần bằng 1.

Do vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công suất của thiết bị này. Tuy nhiên, khi các thiết bị điện tử này khởi động thì sinh ra các sóng hài. Các nguồn phát công suất phản kháng Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do Cosφ của nhà máy từ 0,85 – 0,9 hoặc cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải.

Các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm trách (Máy bù đồng bộ, tụ điện). Ngoài ra trong hệ thống điện nói chung, phải kể đến một nguồn phát CSPK nữa, đó là các đường dây tải điện, đặc biệt là các đường cáp và đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các trường hợp đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm. Tuy nhiên CSPK phát ra từ các phần tử này cũng không đáng kể nên nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù.1 Các nguồn phát công suất phản kháng  Máy bù đồng bộ Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ CSPK.

Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục CSPK. Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳnghạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp. Nếu ta tăng dòng điện kích từ ikt lên (quá kích thích, dòng điện của máy bù 0 đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 90 ) thì máy phát ra CSPK Qb phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dòng kích từ ikt (kích thích non, E < 10 0 U, dòng điện chậm sau điện áp 90 ) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK.

Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK. Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích thích từ nhanh có bộ kích từ chỉnh lưu. Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, một phương pháp hay dùng là khởi động đảo chiều.  Tụ điện tĩnh Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường dây.

Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành). Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK. Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng, do đó giảm được tổn thất điện áp. CSPK do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau: -9 Q.7) Trong đó: U có đơn vị là kV.

f tần số có đơn vị là Hz C là điện dung có đơn vị là μF. Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp. Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cư và nông thôn. Một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải.

11 Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó có thể sinh ra công suất phản khánh Q cung cấp cho mạng. Tụ điện tĩnh cónhững ưu điểm sau: - Suất tổn thất công suất tác dụng bé, khoảng (0,003 – 0,005) kW/kVAr. - Không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng.

- Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung lượng cho phù hợp. Song tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau: - Nhược điểm chủ yếu của chúng là cung cấp được ít CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phương với điện áp: QI2.C - Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch.