Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng thiết bị FACTS trong giảm tổn thất điện năng trên lưới điện Ninh Thuận

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng thiết bị FACTS nhằm giảm tổn thất trên lưới điện truyền tải tỉnh Ninh Thuận, nâng cao hiệu quả vận hành.

• Tác giả: Hoàng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Ứng dụng thiết bị FACTS nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới truyền tải điện tỉnh Ninh Thuận
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2. CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT BỊ BÙ TCSC
• 4. CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG TCSC TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI TỈNH NINH THUẬN
• 5. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng thiết bị FACTS trong giảm tổn thất điện năng

Ninh Thuận là một tỉnh có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió và thủy điện. Tuy nhiên, việc truyền tải điện năng từ các nhà máy điện đến các khu vực tiêu thụ gặp nhiều khó khăn do tổn thất điện năng cao. Việc ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC, có thể giúp cải thiện hiệu suất truyền tải và giảm thiểu tổn thất điện năng.

1.1. Lý do cần thiết phải giảm tổn thất điện năng

Tổn thất điện năng trong hệ thống điện không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế mà còn gây ra những vấn đề về môi trường. Việc giảm tổn thất điện năng là cần thiết để nâng cao hiệu suất hoạt động của lưới điện và đảm bảo cung cấp điện ổn định cho người tiêu dùng.

1.2. Giới thiệu về công nghệ FACTS

Công nghệ FACTS (Flexible AC Transmission Systems) là một giải pháp hiện đại giúp điều chỉnh và tối ưu hóa dòng điện trong hệ thống truyền tải. Thiết bị TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) là một trong những thiết bị quan trọng trong công nghệ này, giúp kiểm soát dòng công suất và giảm tổn thất điện năng.

II. Thách thức trong việc giảm tổn thất điện năng tại Ninh Thuận

Mặc dù có nhiều giải pháp được đề xuất, nhưng việc giảm tổn thất điện năng tại Ninh Thuận vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như cấu trúc lưới điện, sự phân bố dân cư và nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng cao đã tạo ra áp lực lớn lên hệ thống điện.

2.1. Cấu trúc lưới điện và ảnh hưởng đến tổn thất

Cấu trúc lưới điện tại Ninh Thuận còn nhiều hạn chế, với nhiều đoạn đường dây dài và không đồng bộ. Điều này dẫn đến tổn thất điện năng cao trong quá trình truyền tải.

2.2. Nhu cầu tiêu thụ điện năng tăng cao

Sự phát triển nhanh chóng của các khu công nghiệp và dân cư tại Ninh Thuận đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ điện năng. Điều này đặt ra thách thức lớn cho việc cung cấp điện ổn định và giảm tổn thất.

III. Phương pháp ứng dụng thiết bị FACTS để giảm tổn thất điện năng

Việc ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC, đã được chứng minh là một giải pháp hiệu quả trong việc giảm tổn thất điện năng. Phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn nâng cao độ ổn định của hệ thống điện.

3.1. Nguyên lý hoạt động của TCSC

TCSC hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển dòng công suất thông qua việc thay đổi điện kháng của đường dây. Điều này cho phép tối ưu hóa dòng điện và giảm tổn thất điện năng.

3.2. Lợi ích của việc lắp đặt TCSC

Việc lắp đặt TCSC giúp cải thiện khả năng truyền tải, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ ổn định của hệ thống điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng.

IV. Kết quả nghiên cứu ứng dụng TCSC tại Ninh Thuận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lắp đặt TCSC tại một số tuyến dây quan trọng trong lưới điện Ninh Thuận đã mang lại kết quả tích cực. Tổn thất điện năng đã giảm đáng kể, đồng thời cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

4.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy việc lắp đặt TCSC đã giúp giảm tổn thất điện năng từ 10-15% tùy thuộc vào từng tuyến dây. Điều này chứng tỏ hiệu quả của công nghệ FACTS trong việc cải thiện hệ thống điện.

4.2. Ứng dụng thực tiễn tại Ninh Thuận

Việc ứng dụng TCSC không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Các nhà máy điện tại Ninh Thuận đã có thể cung cấp điện ổn định hơn cho người tiêu dùng.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Việc ứng dụng thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC, đã chứng minh được hiệu quả trong việc giảm tổn thất điện năng tại Ninh Thuận. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển thêm các giải pháp công nghệ mới để nâng cao hiệu suất hệ thống điện.

5.1. Đề xuất các giải pháp công nghệ mới

Cần nghiên cứu và phát triển thêm các thiết bị FACTS khác như STATCOM và SVC để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất hệ thống điện tại Ninh Thuận.

5.2. Tương lai của hệ thống điện Ninh Thuận

Với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, việc ứng dụng các giải pháp công nghệ hiện đại sẽ là yếu tố quyết định cho sự phát triển bền vững của hệ thống điện tại Ninh Thuận.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống năng lượng hiện đại, tổn thất điện năng tại khâu truyền tải và phân phối thường chiếm từ 60% đến 70% tổng mức tổn thất kỹ thuật của toàn mạng lưới. Tại khu vực tỉnh Ninh Thuận, các nguồn phát điện công suất lớn bao gồm Nhà máy Thủy điện Đa Nhim cùng hệ thống các trang trại năng lượng tái tạo như điện gió thường được xây dựng tại địa bàn đồi núi hiểm trở, cách xa các trung tâm phụ tải tập trung. Khoảng cách địa lý kéo dài hàng chục đến hàng trăm kilomet trên các tuyến đường dây 110kV và 220kV làm gia tăng cảm kháng đường dây, gây sụt giảm điện áp nghiêm trọng và phát sinh tổn thất công suất tác dụng lẫn công suất phản kháng đáng kể. Để giải quyết triệt để vấn đề này, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC thuộc hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS nhằm tối ưu hóa trào lưu công suất và nâng cao chất lượng điện áp. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán, phân tích trào lưu công suất xác lập và xác định vị trí đặt TCSC tối ưu trên lưới truyền tải tỉnh Ninh Thuận. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ cấu trúc lưới điện khu vực với các dữ liệu vận hành cập nhật đến năm 2017. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ giúp giảm tỷ lệ tổn thất công suất tác dụng từ 15% đến 22%, đồng thời duy trì độ lệch điện áp tại các thanh cái trọng yếu dao động không quá 5% so với giá trị danh định, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và độ an toàn cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết truyền tải xoay chiều linh hoạt FACTS kết hợp cùng lý thuyết cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện ba pha. Trong quá trình vận hành, nhu cầu tiêu thụ công suất phản kháng phân bổ chủ yếu ở động cơ không đồng bộ chiếm khoảng 60% đến 65%, máy biến áp tiêu thụ khoảng 22% đến 25%, trong khi tổn thất trên đường dây và các thiết bị khác chiếm khoảng 10%. Về mặt toán học, khả năng truyền tải công suất tác dụng qua đường dây liên kết giữa hai nút điện áp U1 và U2 được xác định theo phương trình P = (U1 * U2 / (XL - XC)) * sin(delta), với XL là cảm kháng tự nhiên của đường dây và XC là dung kháng của thiết bị bù. Thiết bị TCSC gồm tụ điện tĩnh ghép song song với cuộn cảm điều khiển bằng van thyristor đấu song song ngược chiều TCR. Bằng cách thay đổi góc mở alpha của van bán dẫn trong khoảng từ 90 độ đến 180 độ, tổng trở tương đương của TCSC có thể điều chỉnh liên tục từ tính cảm sang tính dung một cách mượt mà. Mức độ bù dung kháng của TCSC có thể đạt tới 75% giá trị cảm kháng đường dây, đồng thời sinh ra lượng công suất phản kháng tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện tải QC = 3 * I^2 * XC. Nhờ đặc tính này, tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện chỉ từ 2 đến 4 W/kVAr, thấp hơn nhiều so với mức tiêu hao từ 10 đến 15 W/kVAr ở các máy bù đồng bộ truyền thống.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài khai thác nguồn dữ liệu thực nghiệm do Công ty Điện lực Ninh Thuận cung cấp, bao gồm thông số vận hành của các nhà máy điện, trạm biến áp trung gian và mạng lưới dây dẫn. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 18 nút thanh cái đặc trưng, đại diện cho toàn bộ các điểm nút liên kết nguồn và phụ tải trọng yếu trên địa bàn tỉnh. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm ưu tiên phân tích các tuyến truyền tải huyết mạch kết nối nguồn phát Đa Nhim và các nhà máy điện gió đến các trạm biến áp phân phối lớn. Về phương pháp phân tích, tác giả sử dụng phần mềm chuyên ngành PowerWorld Simulator kết hợp thuật toán lặp Newton-Raphson để giải hệ phương trình phi tuyến trào lưu công suất. Phương pháp này được lựa chọn nhờ tốc độ hội tụ nhanh, độ tin cậy toán học cao và khả năng mô phỏng trực quan trạng thái mạng điện phức hợp. Timeline nghiên cứu được thiết kế thông qua bốn kịch bản mang tải của máy biến áp gồm 60%, 80%, 100% và 120% dung lượng định mức, giúp đánh giá chi tiết đặc tính hệ thống ở cả chế độ vận hành bình thường lẫn khi xảy ra tình trạng căng thẳng tải trong năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc lắp đặt thiết bị TCSC trên tuyến đường dây kết nối giữa Bus 2 và Bus 14 mang lại hiệu quả cải thiện dòng công suất tối ưu hơn hẳn so với phương án bố trí giữa Bus 3 và Bus 8. Khi hệ thống mang tải 100% công suất định mức của máy biến áp, sự hiện diện của TCSC tại nhánh Bus 2 - Bus 14 đã cắt giảm tổn thất công suất tác dụng toàn tuyến khoảng 18,4% so với chế độ vận hành chưa lắp thiết bị bù.

Thứ hai, trong kịch bản hệ thống chịu tải nặng 120%, tổn thất công suất tác dụng ban đầu tăng cao đột biến, nhưng khi đưa TCSC vào vận hành, mức độ tổn thất công suất tác dụng đã được tiết giảm khoảng 22,6%, đồng thời tổn thất công suất phản kháng giảm hơn 15,8% trên toàn mạng lưới truyền tải.

Thứ ba, chất lượng điện áp tại các thanh cái ở xa nguồn điện như Bus 2, Bus 12 và Bus 18 được phục hồi mạnh mẽ, đưa điện áp từ mức sụt áp nguy hiểm 0,91 đơn vị tương đối (pu) lên mức ổn định 0,98 pu, thỏa mãn quy chuẩn vận hành hệ thống điện quốc gia.

Thứ tư, TCSC mở rộng giới hạn truyền tải ổn định tĩnh của đường dây thêm 30% đến 45%, tạo điều kiện thuận lợi để tiếp nhận và giải tỏa tối đa công suất phát từ các dự án năng lượng tái tạo trên địa bàn tỉnh Ninh Thuận.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý tạo nên sự sụt giảm tổn thất vượt bậc là do TCSC trực tiếp bù trừ một phần cảm kháng XL trên tuyến Bus 2 - Bus 14, làm giảm tổng trở tương đương toàn nhánh. Khi tổng trở giảm xuống, dòng điện phản kháng chạy dọc đường dây được triệt tiêu đáng kể, kéo theo sự suy giảm nhiệt lượng hao phí trên điện trở dây dẫn vốn tỷ lệ với bình phương cường độ dòng điện. Khác với các bộ tụ bù ngang truyền thống chỉ nâng áp cục bộ, bù dọc TCSC cho phép can thiệp trực tiếp vào góc truyền tải delta và tái phân bố trào lưu công suất chủ động. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu của Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử IEEE về khả năng nâng cao giới hạn nhiệt và ổn định động của thiết bị FACTS. Trong thực tế phân tích, toàn bộ dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan qua các đồ thị phân bố điện áp nút và bảng so sánh đa thông số công suất P và Q tương ứng với từng cấp tải từ 60% đến 120%, giúp người vận hành dễ dàng nhận diện điểm nút nghẽn mạch.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, phê duyệt và triển khai lắp đặt thí điểm cụm thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor TCSC trên tuyến truyền tải 110kV giữa Bus 2 và Bus 14 do Công ty Truyền tải điện 3 phối hợp với Điện lực Ninh Thuận chủ trì thực hiện trong giai đoạn 2024 đến 2026, hướng tới mục tiêu giảm tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật của tuyến xuống dưới 4,5%.

Thứ hai, tích hợp thuật toán điều khiển tự động góc mở thyristor theo thời gian thực vào hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA/EMS tại trung tâm điều độ, đảm bảo hệ số công suất cos phi tại các trạm biến áp phân phối luôn duy trì trên mức 0,95 trong cả giờ cao điểm và thấp điểm.

Thứ ba, định kỳ 6 tháng một lần, phòng kỹ thuật điều độ cần rà soát lại thông số trào lưu công suất, đánh giá biên độ dự trữ ổn định tĩnh tại Bus 2, Bus 12 và Bus 18 nhằm chủ động hoán chuyển công suất giữa các máy biến áp đầy tải và non tải.

Thứ tư, hoàn thiện quy chuẩn kỹ thuật đấu nối cấp tỉnh cho các nhà máy điện gió và điện mặt trời tích hợp công nghệ FACTS, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn ngay cả khi các nguồn năng lượng tái tạo phát tối đa công suất từ 100% đến 120% định mức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư điều độ và chuyên viên kỹ thuật tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia, các đơn vị điều độ miền và công ty truyền tải điện, những người trực tiếp quản lý trào lưu công suất và tìm kiếm giải pháp giảm tổn thất lưới điện truyền tải.

Nhóm thứ hai là đội ngũ giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện tại các trường đại học khối kỹ thuật, cần tài liệu tham khảo chất lượng cao về mô hình hóa thiết bị FACTS trên phần mềm PowerWorld Simulator.

Nhóm thứ ba là các kỹ sư quy hoạch và tư vấn thiết kế tại các viện năng lượng hoặc công ty tư vấn xây dựng điện, nhằm ứng dụng phương pháp luận xác định tọa độ bù tối ưu cho các đề án nâng cấp hạ tầng lưới điện.

Nhóm thứ tư là các chủ đầu tư và đơn vị quản lý vận hành dự án năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời), giúp tìm kiếm giải pháp công nghệ nâng cao khả năng truyền tải và giải tỏa công suất mà không đòi hỏi chi phí đầu tư xây mới đường dây quá lớn.

Câu hỏi thường gặp

Thiết bị TCSC có ưu điểm gì vượt trội so với các bộ tụ bù tĩnh truyền thống trong hệ thống truyền tải? TCSC cho phép điều chỉnh tổng trở đường dây liên tục và phản ứng tức thời nhờ kỹ thuật kích hoạt van thyristor dưới 1/4 chu kỳ sóng điện. Tổn hao nội tại của thiết bị rất thấp, chỉ từ 2 đến 4 W/kVAr, khắc phục hoàn toàn nhược điểm đóng cắt gián đoạn theo từng cấp của tụ bù tĩnh thông thường.

Tại sao đặc thù phụ tải tại Ninh Thuận lại gây tổn thất công suất lớn trên hệ thống điện? Khu vực Ninh Thuận có các nguồn phát như Thủy điện Đa Nhim và các cụm điện gió nằm cách rất xa khu dân cư. Đường truyền tải dài sinh ra cảm kháng lớn, kết hợp với lượng tiêu thụ công suất phản kháng từ động cơ không đồng bộ lên tới 65%, dẫn đến dòng điện tải tăng cao và gây tổn thất nghiêm trọng.

Cơ chế nào giúp thiết bị TCSC nâng cao độ ổn định tĩnh và ổn định động của lưới điện? TCSC bổ sung dung kháng XC nối tiếp để triệt tiêu một phần cảm kháng tự nhiên XL của đường dây, làm gia tăng công suất truyền tải cực đại Pmax. Khi xảy ra sự cố, diện tích tăng tốc trên đặc tính góc công suất giảm xuống và diện tích hãm tốc tăng lên, giúp mở rộng biên độ dự trữ ổn định hệ thống.

Tại sao phần mềm PowerWorld Simulator lại được lựa chọn để thực hiện mô phỏng trong nghiên cứu? PowerWorld Simulator sở hữu thuật toán Newton-Raphson mạnh mẽ với độ chính xác cao khi xử lý bài toán trào lưu công suất phi tuyến trên mô hình 18 nút thanh cái. Nền tảng này hỗ trợ mô phỏng trực quan bốn kịch bản tải trọng từ 60% đến 120%, giúp phân tích hiệu quả bù của TCSC rõ ràng.

Bù dọc TCSC có thể thay thế hoàn toàn các giải pháp nâng cấp dây dẫn và thay thế máy biến áp không? TCSC đóng vai trò là giải pháp tối ưu hóa vận hành trong ngắn và trung hạn chứ không thay thế hoàn toàn việc nâng cấp vật lý. Thiết bị giúp khai thác triệt để giới hạn tải nhiệt của đường dây hiện hữu, từ đó trì hoãn nhu cầu đầu tư nâng tiết diện dây dẫn và thay máy biến áp mới tốn kém.

Kết luận

Năm nội dung cốt lõi được đúc kết từ công trình nghiên cứu bao gồm:

• Xác định nguyên nhân then chốt gây tổn thất điện áp và công suất trên lưới điện Ninh Thuận là do chiều dài đường truyền tải cùng nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải chiếm trên 60%.
• Khẳng định TCSC là thiết bị FACTS ưu việt với khả năng điều khiển trào lưu công suất mượt mà và mức tiêu hao nội tại chỉ từ 2 đến 4 W/kVAr.
• Chứng minh tuyến Bus 2 - Bus 14 là vị trí lắp đặt TCSC tối ưu nhất trên mô hình lưới điện truyền tải 18 nút khu vực Ninh Thuận.
• Cắt giảm thành công từ 18% đến 22% tổn thất công suất tác dụng khi hệ thống mang tải từ 100% đến 120% định mức.
• Khôi phục điện áp tại các thanh cái xa nguồn như Bus 2, Bus 12 và Bus 18 đạt ngưỡng an toàn trên 0,98 pu.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là hoàn thiện quy trình tính toán và mô hình hóa thiết bị bù dọc có điều khiển trên PowerWorld Simulator, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho bài toán nâng cao hiệu quả truyền tải điện. Trong giai đoạn 2024 đến 2026, các đơn vị quản lý vận hành cần sớm triển khai các dự án ứng dụng TCSC trên thực địa. Quý bạn đọc, chuyên gia và các nhà nghiên cứu quan tâm vui lòng tham khảo chi tiết toàn văn đề tài để cùng đóng góp phát triển hạ tầng lưới điện thông minh và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: VẤN ĐỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1. Công suất phản kháng trong hệ thống điện 1. Khái quát CSPK Công suất phản kháng là một thành phần của điện xoay chiều trong hệ thống điện, thường được thể hiện bằng véctơ toán học hoặc dạng sóng hình sin. Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện có tải là điện trở và điện kháng như sau: Hình 1.

Sơ đồ mạch thay thế 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 i = i' + i" với i' = Im.

sin(ωt – π/2) Như vậy dòng điện i là tổng của 2 thành phần: i' có biên độ Im. cosφ cùng pha với điện áp u i" có biên độ Im. sinφ chậm pha với điện áp một góc π/2 Trang 23 Công suất tương ứng với hai thành phần i' và i" là P = U. cosφ gọi là công suất tác dụng (CSTD) Q = U.

sinφ gọi là công suất phản kháng Từ công thức trên ta có thể viết: R P  U .I 2 Z Ta có thể biểu diễn quan hệ P & Q như hình dưới: Hình 1. Quan hệ giữa công suất P&Q Công suất phản kháng là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện 1. Sự tiêu thụ công suất phản kháng: Trên lưới điện, công suất phản kháng được tiêu thụ ở khắp nơi, tại rất nhiều các thiết bị và các phần tử liên quan đến từ trường như máy biến áp, động cơ không đồng bộ, điện kháng trên đường dây tải điện… Không thể triệt tiêu hoàn toàn mà chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu yêu cầu về công suất phản kháng vì nó là yếu tố cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hoá điện năng. Sự tiêu thụ công suất phản kháng trên lưới điện có thể phân chia một cách gần đúng như sau: Trang 24 - 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% 1.

Sự tiêu thụ CSPK trong 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 còn lớn hơn cả (CSTD) của nó. Công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ gồm 2 thành phần: a. Một phần nhỏ công suất phản kháng được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp, Q1 = m1. X1 và trong mạch thứ cấp, Q2 = m2.

X 2 với m1 là số pha. Hoặc có thể tính theo công thức sau: P 1 I Qtt  Q1  Q2  .dm Cos dm I dm Trong đó: P : Công suất tải thực tế của động cơ Pđm : Công suất định mức của động cơ điện Cosφđm : Hệ số công suất định mức của động cơ điện Iđm : Dòng điện định mức của động cơ điện ηđm : Hiệu suất động cơ theo định mức I0 : Dòng điện không tải Trang 25 Hình 1. Mạch điện thay thế hình Γ đơn giản hoá của động cơ không đồng bộ. Phần lớn công suất phản kháng còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở  Qμ = m1.

X m Hay tính theo catalog của thiết bị: I0 Pdm Q  .cos dm Đặc tính tĩnh của công suất phản kháng trong động cơ không đồng bộ theo điện áp tiêu thụ đặt vào động cơ biểu diễn trên hình 1-4: Q U Q  F (U ) với Q  và U   Qdm U dm Đường cong trên hình 1-4 có dạng Q* = a20 + a1.Ta thấy động cơ Q mang tải càng ít thì đặc tính càng dốc, nghĩa là càng lớn. Đặc tính tĩnh công suất phản kháng của động cơ không đồng bộ Đối với động cơ không đồng bộ thì: - Khi điện áp tăng, sự tiêu thụ công suất phản kháng tăng do mức độ từ hoá Trang 26 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 roto và stato làm tăng lượng tản từ, do vậy công suất phản kháng tăng. - Động cơ có tốc độ thấp, hiệu suất kém thì mức độ tiêu thụ công suất phản kháng tăng.

Sự tiêu thụ công suất phản kháng trong Máy biến áp (MBA) Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20÷25% nhu cầu công suất phản kháng tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí, nhưng do số thiết bị và dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng công suất phản kháng của MBA cũng rất đáng kể. Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp bao gồm 2 thành phần: a. CSPK dùng để từ hoá lõi thép: Công suất này phụ thuộc vào tải là: U N 00 Qtt   2. Sdm 100 Trong đó: β : Là hệ số mang tải MBA UN% : Là điện áp ngắn mạch % Sđm : Là dung lượng định mức máy biến áp b.

CSPK tản từ máy biến áp: i 0 S Q0  0 0 dm 100 Trong đó: Sđm : Là dung lượng định mức máy biến áp Trang 27 I0 % : Là dòng điện không tải tính bằng % dòng điện định mức MBA 1.Sự tiêu thụ công suất phản kháng ở đèn huỳnh quang Thông thường đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng điện, tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ1 nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5. Các bộ đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện tử, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cosφ1 thường gần bằng 1 do vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công suất của các thiết bị này, tuy nhiên khi các thiết bị này khởi động thì sinh ra các sóng hài. Hệ số công suất của đèn: PL  PV Cos 1  U dm .I L Trong đó: IL : Là dòng điện qua đèn PL : Là công suất tác dụng qua đèn PV : Là tổn thất công suất trên chấn lưu Hình 1. Bù cho đèn huỳnh quang bằng cách nối tụ điện song song Tụ điện mắc song song để hiệu chỉnh hệ số công suất của đèn có dung lượng: QC  ( PL  PV ).(tg1  tg2 ) Với φ2 là góc lệch pha sau khi mắc tụ điện.

Từ đó: Trang 28 QC C 2. Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện Trong hệ thống điện, các nguồn phát công suất phản kháng gồm có: Máy điện đồng bộ (Máy phát điện, máy bù, động cơ đồng bộ), tụ điện tĩnh và các đường dây tải điện (đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện).Máy điện đồng bộ Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế do cosφđm của nhà máy từ 0,8÷0,9 hoặc cao hơn. Vì lý do kinh tế người ta hạn chế sử dụng các máy điện đồng bộ và động cơ điện đồng bộ. Chúng chỉ sử dụng trong trường hợp đặc biệt, không thể thay thế.

Các máy điện đồng bộ nói chung chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải (Chủ yếu tập trung ở lưới truyền tải), phần còn lại do các tụ điện tĩnh đảm trách. Các tụ điện tĩnh dùng làm nguồn phát công suất phản kháng có thể được sử dụng ở cả lưới truyền tải lẫn lưới phân phối.Đường dây tải điện Trong hệ thống điện, có thể kể đến một nguồn công suất phản kháng nữa đó là các đường dây, nhất là đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên, với lưới phân phối, lưới có điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có số lượng đáng kể ở các đường cáp có khối lượng lớn.Tụ điện tĩnh Tụ điện tĩnh là một đơn vị hay một dãy đơn vị nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao (Y) hoặc tam giác (∆) với mục đích sản xuất ra công suất phản kháng cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây, làm như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Công suất phản kháng do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức: Trang 29 QC = U2.C Trong đó U(V) là điện áp pha, C(F), Q(VAr) Ưu điểm: - Chi phí tính theo một đơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ điện rẻ hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng rõ nét khi lượng công suất phản kháng phải cung cấp càng lớn.

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, chỉ 2÷4W/1kVAr, trong khi đó trong máy điện đồng bộ tương đối lớn khoảng 10÷15W/1kVAr tuỳ theo công suất định mức của máy. - Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy điện đồng bộ. - Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lưới phân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bổ điện áp. Không cần người trông nom, vận hành, bảo dưỡng đơn giản.

Nhược điểm: - Tụ điện không cho phép điều chỉnh dung lượng bù một cách liên tục như máy bù đồng bộ mà dung lượng bù được điều chỉnh theo từng cấp. - Tụ điện chỉ có khả năng phát ra công suất phản kháng, mà không có khả năng thu nhận công suất phản kháng như máy bù đồng bộ. - Công suất phản kháng do tụ điện phát ra phụ thuộc vào điện áp vận hành. Tuổi thọ không cao, độ bền thấp, dễ hư hỏng (khi bị ngắn mạch, quá áp).

Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, của kỹ thuật điều khiển, công nghệ chế tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhược điểm của tụ điện nhưng giá thành còn khá cao nên chưa được sử dụng phổ biến, đặc biệt ở lưới phân phối. - Để có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC gồm tổ hợp Thyristor Controlled Reactor (TCR), Thyristor Switched Reactor (TSR) và Thyristor Switched Capacitor (TSC). Trang 30 - Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, người ta lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp.