Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Ứng dụng giải thuật di truyền để tính toán tối ưu dung lượng bù cho hệ thống điện Chương 4: Bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM và ứng dụng trong hệ thống điện Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển Tài liệu tham khảo 5 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mục tiêu và lợi ích của bù công suất phản kháng - Giảm công suất phát tại các nhà máy điện. - Giảm công suất truyền tải. - Giảm dung lượng MBA tại các trạm biến áp.
- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ cực đại của hệ thống điện (do giảm ∆P), vì vậy giảm được dự trữ công suất tác dụng (hoặc tăng độ tin cậy) của hệ thống điện. - Cải thiện hệ số công suất. - Giảm tổn thất điện năng (tổn thất đồng). - Giảm độ sụt áp và cải thiện việc điều chỉnh điện áp.
- Giảm công suất trên các xuất tuyến và các phần tử liên quan. - Trì hoãn hoặc giảm bớt chi phí mở rộng nâng cấp lưới điện. - Tăng lợi nhuận. Ổn định điện áp trong hệ thống điện Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như: ổn định góc rotor, điện áp và tần số.
Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình bày trong sơ đồ sau: 6 Ổn định hệ thống điện Ổn định điện áp Ổn định tần số Ổn định góc rotor Ổn định điện áp khi Ổn định điện áp khi Ổn định khi dao Ổn định quá độ mất cân bằng nhỏ mất cân bằng lớn động nhỏ Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Dài hạn Ngắn hạn Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm. Cuối cùng, điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã được đem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải công suất tác dụng thì sẽ dẫn đến giảm biên độ điện áp rất nhanh. Trước khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rất lớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng. Chỉ bằng cách bảo vệ hệ thống khỏi bị sụp đổ điện áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hỗ trợ công suất phản kháng trước khi hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp.
Các thiết bị FACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổn định điện áp. Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện 2. Giới hạn điện áp Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở công suất định mức hoặc điện áp định mức. Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng.
Nghiêm trọng hơn nữa là có thể phá hủy thiết bị. Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra một sụt áp lớn không mong muốn trên đường dây của hệ thống. Điện áp rơi là nguyên nhân chính gây 7 nên tổn thất công suất phản kháng. Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ thống.
Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện hoặc các nguồn phát khác là không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì điện áp sẽ bị giảm. Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức (phụ thuộc vào tiêu chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống thường yêu cầu hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp. Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hỗ trợ thường được xác định theo giới hạn truyền tải công suất.
Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất phản kháng đủ để hỗ trợ điện áp. Giới hạn nhiệt Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện. Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏng quá nhiệt. Ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị điện ở mức tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt.
Việc hư hỏng này có thể là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng và phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện. Ngoài ra trong hệ thống điện, các đường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt. Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấu trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng.
Không giống thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là không khí làm mát lượng nhiệt năng phát ra. Các thiết bị này được hạn chế dòng điện để chúng mang tải một cách an toàn. Đối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị do giảm cách điện. Hầu hết các thiết bị có thể được quá tải cho phép và điều quan trọng là quá tải bao nhiêu và quá tải bao lâu.
Giới hạn ổn định Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng sau khi 8 chịu tác động của các nhiễu loạn. Mất ổn định trong hệ thống điện được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành. Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau. Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song song với nhau như hình 2.2: Hệ thống điện Công suất tác dụng tại đầu phát: 𝑽𝑺 𝑽𝑹 PS = 𝑿 sin 𝛿 (2.1) Công suất tác dụng tại đầu nhận: 𝑽𝑺 𝑽𝑹 PR = 𝑿 sin 𝛿 (2.2) Công suất phản kháng tại đầu phát: 𝑽𝟐𝑺 − 𝑽𝑺 𝑽𝑹 𝐜𝐨𝐬 𝜹 𝑽𝟐𝑺 QS = − (2.3) 𝑿 𝑿𝑪 Công suất phản kháng tại đầu nhận: −𝑽𝟐𝑺 + 𝑽𝑺 𝑽𝑹 𝐜𝐨𝐬 𝜹 𝑽𝟐𝑺 QR = + (2.4) 𝑿 𝑿𝑪 Ta có, công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái là phụ thuộc vào góc δ.
Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1 - 2 thì máy cắt 1 và máy cắt 2 sẽ cắt ra, điểm ngắn mạch được cô lập. Hệ thống điện đang làm việc ổn định tại điểm góc ban đầu δ0 thì xảy 9 ra ngắn mạch, đường công suất của hệ thống bị sự cố giảm thấp đột ngột do tổng trở của đường dây tăng lên, góc δ = δ0 , hệ thống bảo vệ rơle cắt nhanh sự cố tại điểm máy cắt để cắt nhanh. Tại điểm 3 do công suất điện PĐ lớn hơn công suất cơ PM của tua-bin nên máy phát bắt đầu hãm tốc cho đến điểm 4 và trở về lại điểm xác lập một trạng thái ổn định mới với góc δss. Nếu tại điểm 4 máy phát không được hãm tốc và tiếp tục trượt dài nữa thì làm cho mất ổn định đồng bộ.
Vậy giới hạn ổn định của hệ thống điện là phần diện tích Stt phải nhỏ hơn phần diện tích hãm tốc Sht. Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện là nghiên cứu đặc tính động của hệ thống điện. Đặc tính động liên quan đến sự thay đổi giá trị của dòng công suất, điện áp, góc và tần số sau khi hệ thống chịu tác động của những nhiễu loạn lớn hoặc nhỏ. Ổn định góc công suất được chia thành hai dạng: Ổn định quá độ và ổn định dao động bé.3: Đường cong công suất – góc 10 2.
Ổn định quá độ Ổn định quá độ được định nghĩa là khả năng của hệ thống để duy trì sự đồng bộ khi chịu tác động của các nhiễu loạn lớn. Nó được xác định bằng cách hệ thống đáp ứng được các nhiễu loạn lớn. Hệ thống được gọi là ổn định quá độ nếu nó có thể vượt qua được nhiễu loạn ban đầu và trở lại ổn định, ngược lại hệ thống là không ổn định nếu nó không thể vượt qua được. Đối với một hệ thống ổn định, khi bất ngờ xảy ra một nhiễu loạn lớn, giá trị góc hệ thống bắt đầu tăng nhưng đến đỉnh điểm và sau đó bắt đầu giảm, làm cho hệ thống ổn định quá độ.
Kết quả là hệ thống đáp ứng độ lệch phức tạp của góc rotor máy phát. Ổn định phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu của hệ thống và độ lớn của nhiễu loạn. Để minh họa sự ổn định và mất ổn định của hệ thống, xem Hình 2.4, hình này thể hiện góc lệch của hai hệ thống: ổn định quá độ và không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn xảy ra.4: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định (b) Nhiều hệ thống điện phải giới hạn truyền tải công suất của chúng để có lợi cho ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và nhà máy ở xa hầu như dễ bị mất ổn định quá độ.
Phương pháp để phân tích giới hạn quá độ là nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của tất cả các máy phát điện đồng bộ kết nối đến hệ thống sau khi 11 hệ thống bị tác động bởi các nhiễu loạn lớn. Kỹ thuật sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để phân tích ổn định quá độ của hệ thống. Ổn định dao động bé Ổn định dao động bé hoặc ổn định nhiễu loạn là khả năng của của hệ thống điện trở lại ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn bé. Ổn định dao động là đặc tính liên quan đến biên độ và độ dài của các nhiễu loạn hệ thống điện.
Nhiễu loạn điện áp, tần số, góc và dòng công suất có thể được kích thích bởi nhiều sự kiện khác nhau. Điều này có thể trở thành vấn đề phức tạp khi hệ thống kích từ của máy phát bị sự cố. Các nhiễu loạn đó có thể phát triển thành lớn đến nổi hệ thống trở thành nhiễu loạn mất ổn định. Dao động mất ổn định có thế bắt đầu khi biên độ dao động công suất nhỏ và vô hại.
Tuy nhiên, dao động này có thể phát triển lớn lên đến nổi hệ thống bắt đầu tách ra. Đường dây truyền tải và máy phát điện có thể bị cắt do các dao động này.