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 ).(tg1 tg2 ) 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.