Nghiên Cứu Thiết Kế Thiết Bị Bù Trung Thế Ổn Định Điện Áp Lưới Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu thiết kế thiết bị bù trung thế ổn định điện áp lưới điện, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện

• Tác giả: Nguyễn Hồng Mạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Duy Cương
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Thiết Bị Bù Trung Thế Ổn Định Điện Áp Lưới Điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• Lý do thực hiện đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
• Dự kiến các kết quả đạt được
• Phương pháp nghiên cứu
• Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Cấu trúc của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN, CÁC TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH
• 1.1. Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn
• 1.1.1. Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ
• 1.1.2. Nguồn trạm 110kV
• 1.2. Thống kê lưới điện hiện trạng
• 1.3. Tình hình vận hành hệ thống lưới phân phối
• 1.4. Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1
• 1.5. Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1
• 1.5.1. Các tồn tại trong việc nâng cao chất lượng điện năng
• 1.5.2. Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất đã thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Công suất & hệ số công suất
• 2.1.1. Giới thiệu về các loại công suất
• 2.1.2. Hệ số công suất
• 2.1.3. Ý nghĩa của hệ số công suất
• 2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất
• 2.2. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất
• 2.2.1. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện
• 2.2.2. Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện
• 2.2.3. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp
• 2.3. Hệ thống bù công suất phản kháng
• 2.3.1. Bù CSPK sử dụng cấu trúc FC-TCR
• 2.3.2. Vị trí đặt thiết bị bù
• 2.3.3. Xác định dung lượng bù
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ CSPK
• 3.1. Hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR
• 3.2. Tính toán giá trị tụ bù cố định FC
• 3.3. Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR
• 3.4. Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK
• 3.4.1. Bộ tạo xung điều khiển Thyristor
• 3.4.2. Bộ điều khiển phản hồi cos𝜑 (Khối TH-KĐTG)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Thiết Bị Bù Trung Thế 55 ký tự

Sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng đóng vai trò then chốt trong an ninh năng lượng và phát triển kinh tế. Hiện nay, việc quản lý và vận hành lưới điện trung thế, đặc biệt ở các tỉnh miền núi như Bắc Kạn, đối mặt với nhiều thách thức do đường dây dài và phụ tải phân tán. Điều này dẫn đến sự phát sinh công suất phản kháng, gây tổn thất điện năng và sụt áp. Việc nghiên cứu thiết kế các giải pháp bù trung thế hiệu quả là vô cùng cần thiết để ổn định điện áp lưới điện và nâng cao chất lượng điện năng.

1.1. Tầm quan trọng của ổn định điện áp lưới điện

Việc ổn định điện áp không chỉ đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện mà còn giảm thiểu tổn thất điện năng trên đường dây. Điện áp ổn định giúp các thiết bị hoạt động đúng công suất thiết kế, kéo dài tuổi thọ và giảm nguy cơ hư hỏng. Ngoài ra, việc cải thiện chất lượng điện năng còn góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và sinh hoạt, đặc biệt quan trọng đối với các khu công nghiệp và khu dân cư.

1.2. Giới thiệu về thiết bị bù trung thế

Thiết bị bù trung thế là giải pháp hiệu quả để bù công suất phản kháng, ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng trên lưới điện trung thế. Các thiết bị này có thể là các tụ bù tĩnh, kháng bù hoặc các hệ thống bù điều khiển tự động như SVC (Static Var Compensator) và STATCOM (Static Synchronous Compensator). Việc lựa chọn và thiết kế thiết bị bù phù hợp đòi hỏi sự phân tích kỹ lưỡng về đặc điểm lưới điện và yêu cầu phụ tải.

II. Thách Thức Giải Pháp Bù Điện Áp Lưới Điện 58 ký tự

Lưới điện trung thế, đặc biệt ở các khu vực có địa hình phức tạp như Bắc Kạn, thường gặp phải tình trạng sụt áp và dao động điện áp do đường dây dài và phụ tải biến động. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và gây khó khăn cho việc vận hành hệ thống. Các giải pháp truyền thống như lắp đặt MBA tăng áp có chi phí đầu tư cao và gây ra tổn thất riêng. Do đó, việc nghiên cứu thiết kế các giải pháp bù điện áp hiệu quả và kinh tế là một thách thức lớn.

2.1. Các vấn đề về điện áp trên lưới điện trung thế

Các vấn đề về điện áp bao gồm sụt áp, quá áp, dao động điện áp và điện áp không đối xứng. Sụt áp xảy ra khi điện áp tại cuối đường dây thấp hơn mức cho phép, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị. Quá áp có thể gây hư hỏng thiết bị. Dao động điện áp gây ra sự nhấp nháy ánh sáng và ảnh hưởng đến các thiết bị nhạy cảm. Điện áp không đối xứng gây ra dòng điện thứ tự không và làm tăng tổn thất.

2.2. Giải pháp bù điện áp tự động

Các giải pháp bù điện áp tự động như SVC và STATCOM có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng một cách linh hoạt và nhanh chóng, giúp duy trì điện áp ổn định trong mọi điều kiện vận hành. Các hệ thống này sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều khiển dòng điện và điện áp, đảm bảo chất lượng điện năng cao và độ tin cậy cung cấp điện.

III. Phương Pháp Thiết Kế Thiết Bị Bù Trung Thế Hiệu Quả 59 ký tự

Để thiết kế thiết bị bù trung thế hiệu quả, cần phải phân tích kỹ lưỡng đặc điểm lưới điện, yêu cầu phụ tải và các yếu tố kinh tế kỹ thuật. Các phương pháp thiết kế hiện đại sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện như MATLAB Simulink, ETAP, DigSilent PowerFactory và PSCAD để đánh giá hiệu quả của các giải pháp bù công suất phản kháng khác nhau. Việc tối ưu hóa thiết kế giúp giảm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời nâng cao hiệu quả bù điện áp.

3.1. Phân tích lưới điện và yêu cầu phụ tải

Việc phân tích lưới điện bao gồm việc xác định các thông số đường dây, trạm biến áp, và đặc điểm phụ tải. Cần phải xác định vị trí và dung lượng các phụ tải lớn, cũng như sự biến động của phụ tải theo thời gian. Phân tích này giúp xác định nhu cầu bù công suất phản kháng và lựa chọn loại thiết bị bù phù hợp.

3.2. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả thiết bị bù

Sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện để xây dựng mô hình lưới điện và thiết bị bù. Thực hiện các kịch bản mô phỏng khác nhau để đánh giá hiệu quả của thiết bị bù trong việc ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện năng. Điều chỉnh các tham số thiết kế để đạt được hiệu quả tối ưu.

IV. Ứng Dụng Thiết Bị Bù Trung Thế Tại Bắc Kạn 57 ký tự

Tỉnh Bắc Kạn, với đặc thù lưới điện phân tán và đường dây dài, là một địa điểm lý tưởng để triển khai các giải pháp bù trung thế. Việc lắp đặt thiết bị bù trên các tuyến đường dây 35kV như lộ 371, trạm E26.1 có thể giúp ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho các huyện Pác Nặm, Ngân Sơn và Ba Bể. Các dự án ứng dụng thiết bị bù cần được phân tích kinh tế kỹ thuật kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả đầu tư.

4.1. Hiện trạng lưới điện Bắc Kạn và nhu cầu bù

Lưới điện Bắc Kạn có nhiều đường dây dài và phụ tải phân tán, dẫn đến tình trạng sụt áp và tổn thất điện năng cao. Việc bù công suất phản kháng là cần thiết để ổn định điện áp và giảm tổn thất. Các vị trí lắp đặt thiết bị bù cần được lựa chọn dựa trên phân tích lưới điện và yêu cầu phụ tải.

4.2. Đề xuất giải pháp bù trung thế cho lộ 371 E26.1

Đề xuất giải pháp bù trung thế kết hợp giữa tụ bù tĩnh và hệ thống SVC cho lộ 371, E26.1. Tụ bù tĩnh giúp bù một phần công suất phản kháng cố định, trong khi hệ thống SVC điều chỉnh công suất phản kháng một cách linh hoạt theo sự biến động của phụ tải. Giải pháp này giúp ổn định điện áp và giảm tổn thất điện năng hiệu quả.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Triển Vọng Thiết Bị Bù 55 ký tự

Nghiên cứu và thiết kế thiết bị bù trung thế đã đạt được những kết quả đáng khích lệ trong việc ổn định điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Các hệ thống bù công suất phản kháng hiện đại có khả năng điều khiển tự động và thích nghi với sự thay đổi của lưới điện. Triển vọng phát triển của thiết bị bù là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh lưới điện thông minh và tích hợp năng lượng tái tạo. Việc tối ưu hóa thiết kế và điều khiển sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của thiết bị bù.

5.1. Đánh giá hiệu quả của thiết bị bù

Việc đánh giá hiệu quả của thiết bị bù cần dựa trên các tiêu chí như khả năng ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng, cải thiện hệ số công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cần được so sánh và phân tích để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của giải pháp.

5.2. Hướng phát triển của thiết bị bù trong tương lai

Hướng phát triển của thiết bị bù trong tương lai tập trung vào việc tích hợp các công nghệ mới như điều khiển thông minh, lưu trữ năng lượng và năng lượng tái tạo. Các hệ thống bù sẽ trở nên linh hoạt và thích nghi hơn, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của lưới điện hiện đại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực trung du và miền núi thường xuyên đối mặt với thách thức suy giảm chất lượng điện áp và tổn thất công suất nghiêm trọng. Điển hình tại tỉnh Bắc Kạn, Công ty Điện lực Bắc Kạn quản lý hệ thống gồm 1.707,05 km đường dây trung áp và 1.063 trạm biến áp phân phối với mật độ phụ tải thấp, phân tán. Tuyến đường dây 35kV lộ 371 xuất tuyến từ trạm biến áp 110kV E26.1 Bắc Kạn có quy mô đặc biệt lớn với trục chính dài 105,1 km và tổng chiều dài toàn tuyến đạt 707,2 km. Do đường dây quá dài và đi qua địa hình phức tạp, hệ thống thường xuyên chịu hiện tượng sụt áp sâu vào giờ cao điểm khi truyền tải công suất cực đại 5,4 MW trên máy biến áp nguồn T1 công suất 25 MVA, đồng thời tăng áp đột biến vào giờ thấp điểm do ảnh hưởng của dung kháng ký sinh trên 704,6 km đường dây không.

Các giải pháp truyền thống như lắp đặt 2 trạm máy biến áp tự ngẫu dung lượng 12.000 kVA hay trang bị 367 điểm tụ bù với tổng công suất 32.917 kVAr chỉ giải quyết được bài toán ổn định điện áp cục bộ, dễ dẫn đến hiện tượng bù thiếu vào giờ cao điểm hoặc bù thừa gây quá áp lúc non tải. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết kế hệ thống thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh SVC cấu trúc phối hợp tụ cố định và cuộn cảm điều khiển bằng Thyristor (FC-TCR), tích hợp bộ điều khiển phản hồi PID nhằm tự động điều chỉnh liên tục công suất vô công. Công trình thực hiện trên phạm vi tuyến 35kV lộ 371 trạm E26.1 trong giai đoạn 2018–2019, mang lại ý nghĩa quan trọng trong việc đưa hệ số công suất đạt ngưỡng xấp xỉ 0,98, giảm tổn thất điện áp từ trên 10% xuống dưới 5% và tối ưu hóa năng lực truyền tải của lưới điện trung áp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết truyền tải công suất xoay chiều và nguyên lý cân bằng năng lượng trong tam giác công suất. Công suất biểu kiến được xác định theo biểu thức tổng hợp giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng. Khi truyền tải lượng công suất vô công lớn, dòng điện chạy trên dây dẫn tăng cao, làm gia tăng tổn thất công suất theo hàm bậc hai của dòng điện và gây độ sụt áp tỷ lệ thuận với cảm kháng đường dây.

Hệ thống bù tĩnh công suất phản kháng SVC với cấu trúc phối hợp FC-TCR được lựa chọn làm giải pháp nền tảng. Mô hình bao gồm nhánh tụ bù cố định (FC) cung cấp dung kháng cực đại và nhánh cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR) mắc song song ngược chiều. Bằng cách thay đổi góc kích mở Thyristor trong dải từ 0 độ đến 180 độ theo nguyên lý điều khiển pha đứng, độ dẫn nạp tương đương của nhánh cảm kháng thay đổi trơn, cho phép thiết bị hấp thụ chính xác lượng công suất phản kháng dư thừa. Ba khái niệm chuyên ngành cốt lõi xuyên suốt mô hình gồm: công suất phản kháng vô công, hệ số công suất và góc kích mở van bán dẫn. Cơ chế điều khiển tự động sử dụng giải thuật vòng kín PID, tính toán sai lệch giữa hệ số công suất đo được và giá trị đặt để xuất tín hiệu điều khiển điện áp tức thời.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ báo cáo kỹ thuật vận hành năm 2018 của Công ty Điện lực Bắc Kạn, bao quát toàn bộ 14 lộ xuất tuyến trung áp. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung chuyên sâu vào toàn bộ hệ thống lộ 371 trạm E26.1, bao gồm 368 trạm biến áp phân phối 35/0,4kV với tổng dung lượng đặt 36.135,5 kVA và 707,2 km đường dây. Phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích được áp dụng vì đây là tuyến huyết mạch dài nhất, có độ sụt áp lớn nhất và mức độ phức tạp cao nhất trên địa bàn tỉnh.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích tối ưu hóa kinh tế và mô phỏng số. Tác giả xây dựng bài toán tối ưu hàm tổng chi phí tính toán nhằm xác định chính xác dung lượng bù kinh tế tại từng nút tải. Mô hình hệ thống được mô phỏng chi tiết trên môi trường Matlab/Simulink thông qua sơ đồ đường dây 4 đoạn tham số tập trung gồm điện trở, điện cảm và điện dung rải. Các tham số bộ điều khiển PID được xác định và tinh chỉnh thông qua phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols kết hợp phương pháp thử sai, đảm bảo hệ thống đạt độ ổn định nhanh và triệt tiêu độ quá điều chỉnh trong thời gian thực hiện nghiên cứu từ năm 2018 đến năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực trạng và thử nghiệm mô hình mô phỏng đã mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, phân tích số liệu vận hành cho thấy lưới điện 35kV lộ 371 trạm E26.1 có mức độ sụt áp cuối tuyến lên tới 8,33% vào thời điểm đầy tải với công suất 5,4 MW, trong khi vào chế độ non tải 1 MW thì điện áp cuối đường dây lại tăng vượt quá 105% điện áp danh định do phát sinh dòng dung lượng ký sinh trên 704,6 km đường dây trên không.

Thứ hai, các phương thức bù truyền thống bộc lộ rõ hạn chế cơ cấu: tổng dung lượng 1.650 kVAr tụ bù trung áp và 2.970 kVAr tụ bù hạ áp chỉ vận hành theo các cấp cố định, khiến hệ số công suất trồi sụt từ mức thấp 0,82 vào giờ cao điểm đến trạng thái bù dư làm phát sinh dòng điện ngược vào giờ thấp điểm.

Thứ ba, mô hình bù tĩnh FC-TCR điều khiển góc mở Thyristor đặt tại cấp điện áp 35kV đã cải thiện vượt bậc chất lượng điện năng. Hệ số công suất sau khi đóng hệ thống bù được nâng từ 0,82 lên mức 0,98 đến 0,99, đồng thời mức độ sụt giảm điện áp trên toàn tuyến được kéo giảm từ 40% đến 60% so với khi chưa lắp đặt thiết bị bù.

Thứ tư, giải pháp ghép nối tiếp các van Thyristor kết hợp mạch chia áp điện trở công suất, mạch dập RC và hệ thống biến áp xung điều khiển đã triệt tiêu hoàn toàn xung điện áp quá độ, cho phép mở van đồng thời với độ trễ chuyển mạch cực nhỏ chỉ trong khoảng 200 đến 600 micro giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự vượt trội của cấu trúc FC-TCR là khả năng điều chỉnh vô cấp và liên tục dung kháng tương đương. Khi phụ tải tăng cao, nhánh TCR khép góc kích để giảm dòng cảm kháng, cho phép nhánh tụ FC phát tối đa công suất phản kháng vào lưới. Ngược lại, khi phụ tải giảm thấp, nhánh TCR mở rộng góc dẫn để cuộn cảm tiêu thụ lượng công suất phản kháng dư thừa từ tụ điện và đường dây.

Kết quả nghiên cứu được minh chứng trực quan qua các đồ thị miền thời gian trên Matlab/Simulink. Dạng sóng điện áp 3 pha hình sin chuẩn tần số 50 Hz tại nút cuối nguồn chuyển từ trạng thái biến dạng, sụt biên độ sang trạng thái ổn định đồng pha với điện áp đầu nguồn máy biến áp 25 MVA. Bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật khẳng định thiết bị bù tĩnh SVC vượt trội hoàn toàn so với việc lắp đặt 2 máy biến áp tự ngẫu 12.000 kVA về mặt giảm tổn thất công suất tác dụng và chi phí xây dựng trạm, đồng thời khắc phục triệt để nhược điểm hao mòn tiếp điểm cơ khí của các bộ tụ bù đóng cắt bằng contactor.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán và mô phỏng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm hiện thực hóa hệ thống bù tĩnh trên lưới điện phân phối:

Một là, triển khai chế tạo thử nghiệm và lắp đặt 1 trạm bù tĩnh SVC cấu trúc FC-TCR công suất 3.000 kVAr tại nút trung tâm phụ tải huyện Pác Nặm trên lộ 371 E26.1 trong giai đoạn 2020–2022, hướng tới mục tiêu duy trì hệ số công suất toàn tuyến trên 0,95 và kéo giảm tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật từ 6,7% xuống dưới 4,5% do Công ty Điện lực Bắc Kạn làm chủ đầu tư.

Hai là, tích hợp khối điều khiển số PID sử dụng vi điều khiển chuyên dụng kết nối đồng bộ về hệ thống SCADA của Trung tâm điều khiển xa Bắc Kạn trong vòng 12 tháng, bảo đảm thời gian đáp ứng điều chỉnh góc kích mở Thyristor dưới 50 mili giây do Phòng Điều độ và Công nghệ thông tin thực hiện.

Ba là, chuẩn hóa thiết kế chuỗi Thyristor trung thế nối tiếp với mạch bảo vệ quá áp biến thiên RC và van chống sét oxit kim loại, đảm bảo khả năng chịu đựng xung sét trên 75 kV và cách điện an toàn cho cấp điện áp 35kV, hoàn thành trong thời hạn 18 tháng dưới sự phối hợp giữa đơn vị nghiên cứu và các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất.

Bốn là, ban hành quy trình kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ các bộ phát xung biến áp xung và hệ thống làm mát van bán dẫn công suất, khống chế tỷ lệ sự cố điều khiển ở mức dưới 0,1% trên năm, áp dụng nhân rộng trên toàn Tổng công ty Điện lực miền Bắc trong giai đoạn 2021–2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư quản lý vận hành và điều độ viên tại các công ty điện lực khu vực miền núi. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực tế để phân tích tổn thất và giải quyết bài toán sụt áp trên các xuất tuyến đường dây hình tia có chiều dài lớn từ 50 km đến trên 100 km.

Thứ hai, chuyên gia nghiên cứu và phát triển thiết bị điện tử công suất FACTS. Tài liệu trình bày chi tiết sơ đồ mạch lực, mạch tạo xung điều khiển pha đứng và giải pháp ghép nối tiếp Thyristor chịu điện áp 35kV trực tiếp mà không cần qua máy biến áp trung gian phức tạp.

Thứ ba, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện. Mô hình toán học về hàm chi phí kinh tế kết hợp sơ đồ mô phỏng hệ thống đường dây 4 đoạn trên Matlab/Simulink là học liệu tham khảo giá trị cho các môn học về điều khiển hệ thống điện và chất lượng điện năng.

Thứ tư, cán bộ lập quy hoạch và phân tích đầu tư dự án năng lượng. Báo cáo cung cấp căn cứ định lượng so sánh hiệu quả kinh tế giữa việc trang bị thiết bị bù tĩnh thông minh với các phương án tốn kém như xây mới trạm 110kV hoặc nâng tiết diện dây dẫn.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc bù FC-TCR có ưu điểm gì vượt trội so với các bộ tụ bù đóng cắt bằng contactor truyền thống? Hệ thống FC-TCR kết hợp giữa tụ bù cố định và cuộn cảm điều khiển bằng góc kích Thyristor cho phép điều chỉnh công suất phản kháng liên tục và vô cấp. Cơ chế này loại bỏ hoàn toàn tình trạng bù thừa hoặc bù thiếu, không gây sốc điện áp khi chuyển mạch và rút ngắn thời gian đáp ứng xuống dưới 20 mili giây so với độ trễ hàng giây của contactor cơ khí.

Tại sao cần phải mắc nối tiếp nhiều van Thyristor trong sơ đồ thiết bị bù trung áp 35kV? Điện áp làm việc 35kV vượt quá giới hạn chịu đựng điện áp của một van bán dẫn đơn lẻ, đòi hỏi phải ghép nối tiếp chuỗi Thyristor. Hệ thống sử dụng các điện trở công suất mắc song song để san đều điện áp tĩnh, kết hợp mạch dập RC hấp thụ xung điện áp quá độ và biến áp xung đa kênh kích mở đồng thời tất cả các van.

Thiết bị bù FC-TCR xử lý hiện tượng quá điện áp khi đường dây non tải bằng cơ chế nào? Khi đường dây 707,2 km non tải, dung kháng ký sinh lớn khiến điện áp cuối nguồn tăng vọt. Bộ điều khiển PID lập tức nhận diện sai lệch và hạ góc kích mở Thyristor về gần 90 độ, làm tăng dòng điện qua cuộn cảm TCR để tiêu thụ toàn bộ lượng công suất vô công dư thừa, ghìm điện áp về ngưỡng danh định 35kV an toàn.

Phương pháp xác định dung lượng bù kinh tế trong luận văn được thực hiện như thế nào? Tác giả thiết lập hàm chi phí vận hành tổng hợp gồm chi phí vốn đầu tư thiết bị, chi phí tổn thất điện năng trong bộ bù và tổn thất điện năng trên lưới sau bù. Lấy đạo hàm riêng của hàm chi phí theo biến số dung lượng bù và giải hệ phương trình vi phân cho phép xác định chính xác điểm đặt và công suất bù tối ưu tại các thanh cái.

Mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink đã kiểm chứng những thông số vận hành nào của lưới điện? Mô hình mô phỏng 4 đoạn đường dây tham số rải của lộ 371 E26.1 đã kiểm chứng độ sụt áp, dòng điện truyền tải, công suất tác dụng và công suất phản kháng ở các dải phụ tải từ 1 MW đến 5,4 MW. Kết quả khẳng định hệ thống điều khiển tự động duy trì ổn định hệ số công suất ở mức xấp xỉ 0,98.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối thông qua các kết quả then chốt:

• Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc hệ thống bù tĩnh công suất phản kháng trung thế FC-TCR cho phép điều chỉnh trơn và vô cấp công suất vô công trên lưới điện 35kV.
• Xây dựng mạch điều khiển pha đứng tích hợp biến áp xung kích mở đồng thời chuỗi van Thyristor nối tiếp, bảo đảm an toàn phân áp trong môi trường trung áp.
• Ứng dụng thành công thuật toán điều khiển phản hồi PID, tối ưu hóa tốc độ đáp ứng chuyển mạch và triệt tiêu sai số hệ số công suất xác lập.
• Kiểm chứng mô hình mô phỏng lưới điện lộ 371 trạm E26.1 Bắc Kạn khẳng định nâng cao hệ số công suất lên trên 0,98 và ổn định độ lệch điện áp trong biên độ tiêu chuẩn.
• Đóng góp giải pháp kỹ thuật có hiệu quả kinh tế vượt trội, tiết kiệm chi phí đầu tư so với việc xây dựng trạm biến áp 110kV mới hoặc lắp đặt máy biến áp tự ngẫu.

Lộ trình tiếp theo hướng tới việc hoàn thiện chế tạo mẫu thử nghiệm công nghiệp và tích hợp thử nghiệm thực địa trong thời gian từ 12 đến 24 tháng tới. Kính mời các nhà khoa học, chuyên gia vận hành hệ thống điện và các đơn vị quản lý lưới điện quan tâm kết nối để cùng hợp tác ứng dụng giải pháp thiết bị bù tĩnh thông minh vào thực tiễn hiện đại hóa lưới điện quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN, CÁC TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH 1.1 Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn 1.1 Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ Hiện tại trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn có 3 nhà máy thủy điện đang vận hành đấu nối ở cấp điện áp 35 kV gồm: NMTĐ Tà Làng (huyện Ba Bể), NMTĐ Thượng Ân (huyện Ngân Sơn) và NMTĐ Nậm Cắt (huyện Bạch Thông). Các nhà máy thủy điện có tổng công suất 10,1 MW, cụ thể công suất các NMTĐ được thống kê trong bảng 1. Công suất các NMTĐ hiện có tỉnh Bắc Kạn Địa điểm STT Tên NMTĐ P(MW) Xã Huyện 1 Tà Làng Đồng Phúc Ba Bể 4,5 2 Thượng Ân Thượng Ân Ngân Sơn 2,4 3 Nậm Cắt Đôn Phong Bạch Thông 3,2 Tổng 10,1 (Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018) 1.2 Nguồn trạm 110kV Lưới trung áp tỉnh Bắc Kạn được cấp điện từ 02 trạm biến áp 110 kV với tổng công suất đặt 75 MVA, cụ thể: Trạm 110 kV Bắc Kạn (E26.1) có công suất 2x25MVA-110/35/22 kV cấp điện cho TP Bắc Kạn, huyện Bạch Thông, Chợ Mới, Na Rì, Ngân Sơn, Ba Bể và Pác Nặm thông qua 06 lộ đường dây 35 kV và 03 lộ đường dây 22 kV. Trong điều kiện bình thường với phụ tải hiện có, máy T1-25 MVA cấp điện cho phía 35 kV với Pmax khoảng 23,3MW, máy T2-25MVA cấp điện cho phía 22kV với Pmax khoảng 13,3.

Trạm 110kV Chợ Đồn (E26.2) có công suất 1x25 MVA- 110/35/22 kV cấp điện cho các phụ tải thuộc huyện Chợ Đồn thông qua 05 lộ đường dây 35kV hiện tại trạm mang tải với Pmax khoảng 11,7 MW. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Chi tiết mang tải các trạm biến áp 110 kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn được trình bày trong bảng 1. Hiện trạng mang tải trạm biến áp 110kV trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn Dung Điện áp Pmax Pmin Mang tải TT Tên trạm Ghi Chú lượng (KV) (MW) (MW) (%) Bắc Kạn (E26.1) 25MV 110/35/22 23,3 1 92,0 T1 A 1 Bắc Kạn (E26.1) 25MV 110/35/22 13,3 1 53,2 T2 A 25MV 2 Chợ Đồn (E26.3 46,8 A (Nguồn: Công ty Điện lực Bắc Kạn 2018) * Nhận xét nguồn điện 110 kV cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn Theo số liệu vận hành, các trạm 110kV cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn hiện tại chưa đầy tải. Tuy nhiên, trong thời gian tới khi các khu, cụm công nghiệp, các nhà máy khai thác, chế biến quặng, khoáng sản… đi vào hoạt động theo tốc độ tăng trưởng phụ tải hiện tại sẽ cần bổ sung thêm nguồn 110kV để đáp ứng đầy đủ và chất lượng cho phụ tải.1 Thống kê lưới điện hiện trạng Hệ thống lưới trung áp cung ứng điện trên địa bàn tỉnh hiện tại đang vận hành ở cấp điện áp 35 kV và 22 kV.

Riêng hệ thống lưới điện áp 22 kV cấp điện chủ yếu cho TP. Bắc Kạn, Khối lượng đường dây trung áp ngành điện quản lý chiếm tỷ lệ 97,1%, khách hàng quản lý chiếm 2,9%. Trong đó chủ yếu là đường dây 35kV chiếm 96,4% khối lượng đường dây trung áp. Đường dây 22 kV chỉ cấp điện cho khu vực TP.

Trạm biến áp phân phối toàn tỉnh có 1.036 trạm với tổng dung lượng 169,135kVA. Với đặc thù là một tỉnh miền núi dân cư phân bố phân tán, không đồng đều, mật độ phụ tải thấp, nên công suất các trạm biến áp phân phối của ngành điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn thường thấp bình quân chỉ có 104,0 kVA/trạm. Trạm biến áp vận hành 35/0,4 kV chiếm tỷ trọng lớn trên 89,7% tổng số trạm biến áp toàn tỉnh. Trạm biến áp vận hành 22/0,4 kV hiện chỉ có ở TP.Bắc Kạn, Lưới điện hạ áp trên địa bàn toàn tỉnh đạt 2.029 km trong đó chủ yếu là dây bọc (98%) còn lại là dây trần và cáp ngầm chiếm không đáng kể.

Tổng hợp số liệu thống kê khối lượng lưới điện hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn trong bảng 1. Thống kê khối lượng lưới hiện có trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn Khối lượng Số Nội dung Đơn vị Tài sản TT Tài sản KH Tổng ĐL I Đường dây cao áp 110kV km 134,79 134,79 II TBA 110kV Trạm 02 02 1 MBA 110kV Máy 03 03 2 Dung lượng MVA 75 75 III Đường dây trung áp km 1.766,37 1 Lưới 35kV km 1.714,36 2 Lưới 10kV km 3 Lưới 22kV km 46,7 6.6 52,01 IV Đường dây hạ áp km 2.029,09 V TBA phân phối (tổng) Trạm 856 207.0 1,063 1 TBA 35kV/0,4kV Trạm 768 154.0 922 2 TBA 22/0,4kV Trạm 88 53.0 141 3 Tổng dung lượng kVA 89.135 4 Dung lượng TBA 35kV kVA 68.569 5 Dung lượng TBA 22kV kVA 20.566 VI MBA tự ngẫu AT 35 Trạm 2 2 VI.1 Dung lượng kVA 12.000 Tụ bù Điểm đặt 357 10 367 VII Tổng dung lượng kVAr 32.917 Trung áp 22kV Điểm đặt 4 4.0 1 Dung lượng kVAr 3,000 3,000.0 Trung áp 35kV Điểm đặt 17 17.0 2 Dung lượng kVAr 9,600.0 Hạ áp Điểm đặt 335.0 3 Dung lượng kVAr 14.0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn VIII Máy cắt Recloser Máy 59.0 IX Tủ RMU 24kV Tủ 51 4 55 X Chỉ báo sự cố Điểm đặt 12.2 Tình hình vận hành hệ thống lưới phân phối Các đường dây trung áp trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn tiết diện đường trục chủ yếu là AC95. Hiện tại, chưa có tuyến nào bị quá tải. Một số tuyến có chiều dài đường trục lớn (lộ 371, lộ 373 trạm 110 kV Bắc Kạn) nên tổn thất cao.

Nhìn chung độ tin cậy cung cấp điện chưa tốt do lưới vận hành chủ yếu là hình tia, độc đạo nên ít có khả năng hỗ trợ cung cấp điện. Tổng hợp hiện trạng mang tải các tuyến đường dây trung áp trong bảng 1. Mang tải các tuyến đường dây trung áp Mang tải Chiề Man ST Tên đường (MW) U A Loại dây u dài g tải T dây Pma Pt (%) (%) (km) % x b AC50,70,95,12 5,4 8,3 6,7 5,0 1 E26.1 Lộ 371 0 707,2 40,2 3 3 1,8 2,5 2,5 1,0 2 Lộ 372 AC50, 70, 95 42,4 10,3 3 3 4,8 6,5 3,7 2,1 3 Lộ 373 AC50, 70, 95 380,0 17,6 3 9 3,5 3,8 10,5 9,0 4 Lộ 374 AC120 45,4 49,0 3 0 1,5 3,4 7,3 4,7 5 Lộ 376 AC120 27,2 38,5 3 2 1,5 3,4 0,1 0,1 6 Lộ 378 AC120 6,2 0,4 3 2 1,4 1,7 M120, AC120 2,5 2,2 7 Lộ 471 13,5 25,8 8 3 2,0 2,3 M120, AC120 5,1 4,4 8 Lộ 472 18,1 31,3 9 7 1,6 1,7 M120, AC120 5,6 5,1 9 Lộ 474 25,7 34,0 9 4 2,6 3,1 5,5 3,2 10 E26.2 Lộ 371 AC95 107,7 26,0 4 4 11 Lộ 373 AC95 73,6 1,8 1,5 8,4 2,9 3,3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Mang tải Chiề Man ST Tên đường (MW) U A Loại dây u dài g tải T dây Pma Pt (%) (%) (km) % x b 4 5 2,1 2,6 3,9 3,2 12 Lộ 375 AC120 52,6 18,5 4 6 2,0 2,3 0,6 0,5 13 Lộ 377 AC70 33,1 2,7 4 0 1,7 1,8 1,6 1,0 14 Lộ 379 AC120 34,4 7,5 4 5 (Nguồn: Công ty điện lực Bắc Kạn 2018) 1.3 Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 Đường dây 35kV lộ 371, E26.1 có tổng chiều dài 707,2 km, trong đó đường dây trục chính (tính từ trạm 110kV Bắc Kạn đến TBA Khau Bang, xã Bằng Thành, huyện Pắc Nặm) 105,1 km, các nhánh rẽ 602,1 km dây dẫn chủ yếu sử dụng dây nhôm lõi thép có tiết diện 120mm2, 95mm2, 70mm2, 50mm2 Hiện tại đường dây đang cấp điện cho phụ tải toàn huyện Pác Nặm, huyện Ngân Sơn, phần lớn phụ tải các xã của huyện Ba Bể và một số xã của huyện Bạch Thông (các xã Nguyên Phúc, Cẩm Giàng, Sỹ Bình, Vũ Muộn, Cao Sơn, Phương Linh, Tú Trĩ, Vị Hương và Thị trấn Phủ Thông). Lộ đường dây được kết nối mạch vòng cấp điện hỗ trợ với lộ 371- E26.

Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371- E26. Tổng hợp khối lượng vận hành đường dây trung áp lộ 371, E26.1 Số Nội dung Đơn vị Số lượng Ghi chú TT Đường dây trung áp km 707,2 1 ĐDK km 704,6 Cáp ngầm km 2,6 Đường dây hạ áp km 859,7 2 ĐDK km 859,7 Cáp ngầm km 3 TBA 35kV/0,4kV Trạm 368,0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Dung lượng kVA 36.135,5 TBA 35kV/0,4kV Trạm 368,0 4 Dung lượng kVA 36.135,5 TBA tự ngẫu AT 35 Trạm 2,0 5 Dung lượng kVA 12.000,0 Tụ bù trung áp 35kV Điểm đặt 3,0 6 Dung lượng kVAr 1.650,0 Tụ bù hạ thế 0,4kV Điểm đặt 89,0 7 Dung lượng kVAr 2.970,0 8 Trạm cắt Recloser Trạm 26,0 9 Cầu dao 35kV Bộ 122,0 1.3 Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối lộ 371, trạm E26.1 Các tồn tại trong việc nâng cao chất lượng điện năng Thông qua các thông số vận hành của nguồn và lưới điện phân phối trên địa bàn tỉnh Bắc Kạn được cập nhật chi tiết ta nhận thấy mặc dù Công ty Điện lực Bắc Kạn thực hiện nhiều biện pháp nâng cao hệ số công suất truyền tải cho lộ đường dây 371, E26.1 như điều chuyển, hoán đổi các MBA cho phù hợp công suất, lắp đặt các bộ tụ bù tĩnh, bù động có cấp. Năm 2018, thực hiện chương trình lắp đặt thử nghiệm MBA tự ngẫu cho 02 đường dây trung thế 35 kV có chiều dài lớn, nhằm nâng cao chất lượng điện áp truyền tải và giảm tổn thất điện năng cho đường dây. Tuy nhiên, các biện pháp nêu trên còn có những nhược điểm chưa tối ưu được việc nâng cao hệ số công suất như: - Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng bù tĩnh thường xảy ra việc bù thừa hoặc bù thiếu; - Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng bù động phần lớn đang thực hiện bù phía hạ thế sau MBA chỉ bù được trong phạm vi công suất phụ tải hạ thế của một MBA.

- Phương pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng phương pháp lắp đặt MBA tự ngẫu chi phí đầu tư cao, vận hành phức tạp và chưa nâng cao được hệ số công suất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn truyền tải.2 Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất đã thực hiện Các phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số CS truyền thống  Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt được lượng CSPK mà chúng cần có ở nguồn cung cấp.