Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị SVC tại trạm 220KV Thái Nguyên

Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh SVC tại trạm 220KV Thái Nguyên. Luận văn phân tích, mô phỏng và đánh giá hiệu quả thực tế.

• Tác giả: Đỗ Thị Thu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hiền Trung
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu tác dụng ổn định điện áp của thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC tại trạm truyền tải 220 KV Thái Nguyên
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Giới thiệu về thiết bị SVC tại trạm 220KV Thái Nguyên

Thiết bị bù tĩnh có điều khiển SVC (Static Var Compensator) là một trong những giải pháp hiện đại nhất để ổn định điện áp trong hệ thống truyền tải điện. Tại trạm 220KV Thái Nguyên, SVC được triển khai nhằm cải thiện chất lượng điện năng và đảm bảo ổn định vận hành. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý điều khiển công suất phản kháng thông qua các phần tử điều khiển bằng Thyristor. SVC Thái Nguyên đóng vai trò quan trọng trong việc bù công suất phản kháng, giảm biến động điện áp và nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Với công nghệ tiên tiến, thiết bị này có thể phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi điều kiện hệ thống, từ đó cải thiện hiệu suất truyền tải điện năng.

1.1. Khái niệm và định nghĩa SVC

SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh, không có các bộ phận quay. Nó được điều khiển bằng Thyristor để cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng một cách linh hoạt. Thiết bị này được mắc ngang với mạch điện, giúp ổn định điện áp bằng cách điều chỉnh dòng phản kháng.

1.2. Vị trí và vai trò của SVC Thái Nguyên

Trạm 220KV Thái Nguyên là nơi đặt thiết bị SVC quan trọng trong hệ thống điện miền Bắc. Vai trò chính là duy trì ổn định điện áp, cải thiện khả năng truyền tải công suất và nâng cao độ tin cậy hệ thống điện khi xảy ra các sự cố đột ngột.

II. Cấu trúc và thành phần chính của SVC

Thiết bị SVC Thái Nguyên bao gồm các thành phần chính: Cuộn kháng điều chỉnh bằng Thyristor (TCR), Tụ điện đóng ngắt bằng Thyristor (TSC) và Tụ cố định (FC). Mỗi thành phần đóng một vai trò cụ thể trong quá trình bù công suất phản kháng và ổn định điện áp. Hệ thống điều khiển thông minh giúp các phần tử này hoạt động phối hợp để đạt hiệu suất tối ưu. TCR là cuộn cảm được điều khiển bằng cặp Thyristor song song ngược, cho phép thay đổi lượng công suất phản kháng hấp thụ. TSC là tụ điện được kết nối với Thyristor để có thể đóng/ngắt nhanh chóng. FC là tụ cố định cung cấp công suất phản kháng cơ sở. Sự kết hợp ba thành phần này tạo ra khả năng ổn định điện áp linh hoạt.

2.1. Cuộn kháng điều chỉnh Thyristor TCR

TCR (Thyristor Controlled Reactor) là cuộn cảm mắc song song với cặp Thyristor. Bằng cách điều khiển góc phát xung, TCR có thể thay đổi độ dẫn của cuộn kháng từ 0 đến 100%. Điều này cho phép SVC linh hoạt hấp thụ công suất phản kháng, đóng vai trò chính trong ổn định điện áp.

2.2. Tụ điện và hệ thống điều khiển

TSC (Thyristor Switched Capacitor) và FC (Fixed Capacitor) cung cấp công suất phản kháng cần thiết. Hệ thống điều khiển tự động giám sát điện áp trạm và điều chỉnh các thành phần để duy trì ổn định điện áp trong phạm vi cho phép.

III. Tác dụng ổn định điện áp của SVC

Tác dụng ổn định điện áp của SVC tại trạm 220KV Thái Nguyên rất đa dạng và hiệu quả. Thiết bị này có khả năng điều chỉnh điện áp nhanh chóng, giúp giữ điện áp trong phạm vi cho phép (±5% đến ±10% điện áp danh định). Khi phát sinh sự cố trong hệ thống, SVC có thể cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng để ngăn chặn sụp điện áp. Thiết bị này cũng giúp giảm dao động công suất, cải thiện ổn định tĩnh và động của hệ thống. Bên cạnh đó, SVC có tác dụng giảm tổn hao truyền tải bằng cách giảm dòng điện trên các đường dây, từ đó nâng cao hiệu suất kinh tế của hệ thống điện toàn bộ.

3.1. Điều chỉnh và duy trì điện áp ổn định

SVC hoạt động tự động để duy trì điện áp trạm ở mức ổn định. Bằng cách giám sát liên tục và điều chỉnh công suất phản kháng, thiết bị ngăn chặn những biến động điện áp đột ngột. Khả năng phản ứng nhanh của SVC cho phép ổn định điện áp được đảm bảo ngay cả trong điều kiện tải biến đổi nhanh.

3.2. Cải thiện ổn định sau sự cố

Khi hệ thống xảy ra sự cố như đứt đường dây, SVC có khả năng cung cấp công suất phản kháng tức thời để hỗ trợ phục hồi điện áp. Điều này giúp cải thiện ổn định tạm thời và ngăn ngừa hiện tượng sụp điện áp có thể dẫn đến ngừng cung cấp điện rộng rãi.

IV. Ứng dụng thực tiễn và hiệu quả kinh tế

Ứng dụng SVC tại trạm 220KV Thái Nguyên đã mang lại nhiều lợi ích thực tiễn cho hệ thống điện miền Bắc. Thiết bị này giúp tăng khả năng truyền tải của các đường dây hiện có mà không cần đầu tư xây dựng đường dây mới. Hiệu quả kinh tế rất cao vì chi phí vận hành SVC thấp hơn so với các giải pháp bù truyền thống. Bên cạnh đó, SVC giảm tổn hao công suất phản kháng trên mạng lưới, từ đó giảm tổn hao toàn bộ hệ thống. Thiết bị còn giúp cân bằng các phụ tải không đối xứng và cải thiện chất lượng điện năng cho người tiêu dùng. Sự áp dụng công nghệ FACTS này phản ánh xu hướng hiện đại hóa hệ thống điện, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của lưới điện quốc gia.

4.1. Tăng khả năng truyền tải công suất

Bằng cách ổn định điện áp và giảm tổn hao, SVC cho phép truyền tải công suất lớn hơn trên cùng một đường dây. Điều này có giá trị kinh tế cao vì tăng công suất truyền tải mà không cần xây dựng hạ tầng mới.

4.2. Giảm tổn hao và chi phí vận hành

SVC giảm công suất phản kháng lưu thông trên mạng, từ đó giảm tổn hao I²R trên các đường dây. Chi phí vận hành thấp và hiệu suất ổn định điện áp cao làm cho SVC trở thành giải pháp kinh tế, góp phần nâng cao lợi nhuận của ngành điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Để hệ thống điện hoạt động linh hoạt ở mọi tình huống, kể cả tình huống sự cố nghiêm trọng nhất, thì phải có thiết bị để điều khiển các đại lượng trong hệ thống điện. Đại lượng được nghiên cứu trong luận văn này chính là đại lượng điện áp, theo nhận định thực tế, các sự cố tan rã hệ thống điện gần đây đều có liên quan đến sự sụp đổ điện áp hoặc là mất ổn định điện áp, mà nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự sụp đổ điện áp thường là do sự không đáp ứng đủ nhu cầu công suất phản kháng, do tăng mạnh bất thường của nhu cầu phụ tải, nhất là các phụ tải công nghiệp ( các công ty luyện sắt, thép….) Điện áp là một trong những đại lượng quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Ổn định điện áp đáp ứng khả năng duy trì điện áp tại tất cả các nút trong hệ thống ở trong một phạm vi cho phép ( tùy thuộc vào tính chất mỗi nút mà phạm vi dao động cho phép của điện áp sẽ khác nhau). Trong điều kiện vận hành không bình thường hoặc sau các nhiễu loạn, hệ thống sẽ đi vào trạng thái không ổn định khi xuất hiện các kích động như: tăng tải đột ngột hay thay đổi các thông số của hệ thống.

Các thay đổi đó có thể làm cho quá trình giảm điện áp xảy ra và nặng nề nhất có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển được hay còn gọi là sụp đổ điện áp. Nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự mất ổn định và sụp đổ điện áp thường là do không đáp ứng đủ các nhu cầu công suất phản kháng cần thiết khi phụ tải tăng bất thường và đột biến. Trước đây, khi mà ngành công nghệ điện tử công suất cao chưa phát triển mạnh thì việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện bị hạn chế và thời gian đáp ứng cũng rất chậm, bởi vì lúc đó ta phải thực hiện việc đóng cắt các khóa cơ khí các phần tử điện như là: cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp…. để ổn định điện áp trên hệ thống.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh và nhanh của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao cho nên công nghệ FACTS ra đời nhằm giúp cho quá trình thực hiện điều khiển điện áp trên hệ thống điện, cụ thể là đường dây truyền tải được linh hoạt và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 6 nhanh chóng, một số nước tiên tiến đã sử dụng thiết bị FACTS trong mạng truyền tải, cụ thể như: Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS. Các thiết bị FACTS thường được sử dụng là: - SVC ( Static Var Compensator): Bộ bù công suất VAR tĩnh. - UPFC (Unified Power Flow Controller): Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất. - STATCOM (Static Synchronous Compensator): Bộ bù đồng bộ tĩnh.

- TCSC (Thyristor Controller Series Compensator): Bộ bù dọc điều khiển thyristor. - SSSC (Static Synchronous Series Compensator): Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh. - HVDC (Hight Voltage Direct Current): Dòng một chiều điện áp. CÁC BIỆN PHÁP ÁP DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ TRUYỀN TẢI ĐIỆN.

Khi tính toán các chế độ vận hành của hệ thống điện hợp nhất,do cấp điện áp cao nên lượng công suất phản kháng mà đường dây sinh ra là rất lớn. Đặc biệt là khi đường dây không mang tải thì lượng công suất phản kháng phát ra rất lớn gây nên hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Để hạn chế hiện tượng này, ta phải dùng các biện pháp kỹ thuật khác nhau như: + Tăng số lượng dây phân nhỏ trong một pha (phân pha) của đường dây để giảm điện kháng và tổng trở sóng, tăng khả năng tải của đường dây. + Bù thông số đường dây bằng các thiết bị bù dọc và bù ngang (bù công suất phản kháng) để giảm bớt cảm kháng và dung dẫn của đường dây làm cho chiều dài tính toán rút ngắn lại.

+ Phân đoạn đường dây bằng các kháng điện bù ngang có điều khiển đặt ở các trạm trung gian trên đường dây. + Đặt các thiết bị bù ngang hoặc bù dọc ở các trạm nút công suất trung gian và trạm cuối để nâng cao ổn định điện áp tại các trạm này. BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG. Khác với các đường dây cao áp (điện áp nhỏ hơn 330kV), quá trình truyền tải điện xoay chiều trên đường dây liên quan đến quá trình truyền sóng điện từ dọc theo đường dây.

Điện trường của đường dây ít thay đổi trong quá trình vận hành vì điện áp trên đường dây được khống chế trong giới hạn cho phép (thường là ± Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 7 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây. + Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng điện trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây là: WE  C.U 2f + Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QE  3.l + Trị số trung bình cho một chu kỳ năng lượng từ trường tính trên một đơn vị chiều dài của một pha đường dây khi dòng điện tải là I: WM  L.I 2 + Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QM  3.l + Công suất phản kháng do đường dây sinh ra được xác định như là hiệu giữa công suất điện trường và từ trường: Q  QE  QM  3.U 2f  f  + Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có: L.U 2f L  I U f C Trong đó: L ZC  : là tổng trở sóng của đường dây. C Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên I TN. Đối với đường dây dài hữu hạn, hiện tượng này xảy ra khi điện trở phụ tải tác dụng bằng tổng trở sóng XC của đường dây.

Đây là chế độ tải công suất tự nhiên. Trong trường hợp này, đường dây không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng. Việc bù thông số của đường dây làm tăng khả năng tải của đường dây và qua Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 8 đó nâng cao tính ổn định. Các biện pháp thường được áp dụng và đem lại hiệu quả cao là bù dọc và bù ngang trên các đường dây.1 BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN.

Các đường dây có chiều dài lớn thường được bù thông số thông qua các thiết bị bù dọc và bù ngang. Mục đích chủ yếu của việc đặt các thiết bị bù là nâng cao khả năng tải của đường dây và san bằng điện áp phân bố dọc đường dây. Hơn nữa, bù thông số còn nâng cao tính ổn định tĩnh, ổn định động, giảm sự dao dộng công suất… làm cho việc vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Đây là biện pháp rất cần thiết cho hệ thống điện.

Trị số cảm kháng lớn của đường dây làm ảnh hưởng xấu đến hàng loạt chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng của đường dây như: góc lệch pha giữa đầu và cuối đường dây lớn, tổn thất công suất và điện năng trên đường dây cao, tính ổn định điện áp tại các trạm giữa và cuối đường dây kém… Bù dọc là giải pháp làm tăng điện dẫn liên kết (giảm điện cảm kháng X của đường dây) bằng dung kháng XC của tụ điện. Giải pháp này được thực hiện bằng cách mắc nối tiếp tụ điện vào đường dây. Qua đó, giới hạn truyền tải của đường dây theo điều kiện ổn định tĩnh được nâng lên. Hơn nữa, giới hạn ổn định động cũng tăng lên một cách gián tiếp do nâng cao thêm đường cong công suất điện từ.

Khi mắc thêm tụ nối tiếp vào đường dây thì điện kháng tổng của mạch tải điện sẽ giảm xuống còn (XL - XC). Giả sử góc lệch φ giữa dòng điện phụ tải I và điện áp cuối đường dây U2 không đổi thì độ lệch điện áp U1 ở đầu đường dây và góc lệch pha δ giữa vectơ điện áp và hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 9 * Ổn định điện áp: + Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. + Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn.

* Ổn định về góc lệch δ: + Làm giảm góc lệch δ trong chế độ vận hành bình thường, qua đó nâng cao độ ổn định tĩnh của hệ thống điện. + Làm tăng giới hạn công suất của đường dây. + Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: U1.U 2 P sin  XL Ta có giới hạn công suất truyền tải là: U1.U 2 Pgh  XL + Sau khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: U1  U 2 P'  X L  XC Ta có giới hạn công suất truyền tải là: U1.U 2 Pgh  X L  XC Ta thấy sau khi bù, giới hạn truyền tải công suất của đường dây tăng lên: k   X L  XC  XC Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đƣờng dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn 10 * Giảm tổn thất công suất và điện năng: + Dòng điện chạy qua tụ điện C sẽ phát ra một lượng công suất phản kháng bù lại phần tổn thất trên cảm kháng của đường dây.

+ Đặc trưng cho mức độ bù dọc của đường dây là hệ số bù dọc KC: XL Kc  .100% XC Thông thường, đối với các đường dây thì hệ số bù dọc KC từ 40 - 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây. Bù ngang được thực hiện bằng cách lắp kháng điện có công suất cố định hay các kháng điện có thể điều khiển tại các thanh cái của các trạm biến áp. Kháng bù ngang này có thể đặt ở phía cao áp hay phía hạ áp của máy biến áp. Khi đặt ở phía cao áp thì có thể nối trực tiếp song song với đường dây hoặc nối qua máy cắt được điều khiển bằng khe hở phóng điện.

Dòng điện Il của kháng bù ngang sẽ khử dòng điện IC của điện dung đường dây phát ra do chúng ngược chiều nhau. Nhờ đó mà công suất phản kháng do đường dây phát ra sẽ bị tiêu hao một lượng đáng kể và qua đó có thể hạn chế được hiện tượng quá áp ở cuối đường dây. Việc lựa chọn dung lượng và vị trí đặt của kháng bù ngang có ý nghĩa rất quan trọng đối với một số chế độ vận hành của đường dây trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải. của đường dây.