CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI I. Sự tiêu thụ và các nguồn phát công suất phản kháng I. Sự tiêu thụ công suất phản kháng Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng như sau: Hình 1. Mạch điện đơn giản R-L Mạch điện được cung cấp bởi điện áp u (t) = U m .sin ωt Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc ϕ i (t) = I m .cos ω t ) Có thể coi: i = i′ + i′′ Với i ′ = I m .sin ( ωt − π / 2 ) Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần: i ′ có biên độ I m.cos ϕ cùng pha với điện áp u i′′ có biên độ I m.sin ϕ chậm pha so với điện áp u một góc π / 2 Công suất tương ứng với hai thành phần i′ và i′′ là: P = U .cos ϕ gọi là công suất tác dụ ng Q = U .sin ϕ gọi là công suất phản kháng Từ công thức trên ta có thể viết: R P = U .2) Z 1 Trên lưới điện, CSPK được tiêu thụ ở Động cơ không đồng bộ, Máy biến áp, Kháng điện trên đường dây tải điện và các phần tử, thiết bị có liên quan đến từ trường.
Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm ở mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu được vì cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết cho quá trình chuyển hóa điện năng. a) Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chính trong lưới điện, chiếm khoảng 60 – 65%; CSPK của động cơ không đồng bộ gồm 2 phần: - Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp - Phần lớn còn lại để sinh ra từ trường khe hở b) Máy biến áp MBA tiêu thụ khoảng 22 – 25% nhu cầu CSPK tổng của lưới điện, nhỏ hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép MBA không lớn so với động cơ không đồng bộ, vì không có khe hở không khí. Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng CSPK của MBA cũng rất đáng kể. CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm 2 thành phần: - Công suất phản kháng dùng để từ hóa lõi thép - Công suất phản kháng để tản từ máy biến áp I.
Nguồn phát công suất phản kháng Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosϕ của nhà máy từ 0,8 – 0,9 hoặc cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế nên người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ đảm đương phần nào nhu cầu CSPK, còn lại do các thiết bị bù đảm trách (Máy bù đồng bộ, tụ điện). Ngoài ra, trong hệ thống điện nói chung phải để đến nguồn phát CSPK nữa đó là các đường dây tải điện siêu cao áp.
Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới điện phân phối nên ta lưu ý đến cấp điện áp 35kV, 22kV và các đường cáp ngầm. 2 Nguồn phát công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là tụ điện, động cơ và máy bù. Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc tiêu thụ CSPK. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục CSPK.
Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện tải dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng đện một chiều cao áp. Nếu ta tăng dòng điện kích từ ikt lên (quá kích thích, dòng điện của máy bù đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 90 0) thì máy phát ra CSPK Q b phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dòng kích từ ikt (kích thích non, E < U, dòng điện chậm sau điện áp 90 0 ) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK. Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK.
Bù công suất phản kháng trên lưới điện phân phối I. Các phương pháp bù công suất phản kháng lưới điện phân phối I. Bù cố định (bù tĩnh) Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường dây. Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành).
Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đống cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK. Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng, do đó giảm được tổn thất điện áp. 3 CSPK do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau: Qc = U 2 .3) Trong đó: - U có đơn vị là kV - f tần số có đơn vị là Hz - C là điện dung có đơn vị là Fara Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ ra khỏi lưới phát điện phải có điện trở phóng điện để dập điện áp. Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để điều chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cư và nông thôn.
Một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải. Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó có thể sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng. Tụ điện tĩnh có những ưu điểm sau: - Suất tổn thất công suất tác dụng bé, khoảng (0,003-0,005) kW/kVAr.
- Không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng. - Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung lượng cho phù hợp. Song tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau: - Nhược điểm chủ yếu của chúng là cung cấp được ít CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu diện, bởi vì dung lượng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phương với điện áp: U2 Q = I 2 .C - Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch. - Khi điện áp tăng quá 1,1Un thì tụ điện dễ bị chọc thủng.
- Khi đóng tụ điện vào mạng có dòng điện xung, còn khi cắt tụ khỏi mạng, nếu không có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ. - Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lượng bù một các liên tục. 4 - Tụ điện tĩnh được chế tạo dễ dàng ở cấp điện áp 6 – 10kV và 0,4kV. Thông thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ điện, còn nếu lớn hơn phải so sánh với máy bù đồng bộ.
Bù tự động (bù mềm) Các thiết bị giới thiệu ở trên không có tự động điều chỉnh, hoặc có điều chỉnh nhưng rất chậm ( như máy bù đồng bộ) hoặc điều chỉnh từng nấc. Sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực điều khiển tự động, đặc biệt là kỹ thuật điện tử công suất với các thiết bị điện tử Thyristor công suất lớn đã cho phép thực hiện các thiết bị bù điều chỉnh nhanh (thường không quá ¼ chu kì tần số công nghiệp). Hiện nay các thiết bị bù có điều khiển được xác nhận là rất tốt không những trong lưới công nghiệp mà cả trên hệ thống điện truyền tải và phân phối. - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristor, các cửa đóng mở GTO (Gate Turn Off).
- SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính gồm: + Kháng điều chỉnh bằng thyristor – TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục CSPK tiêu thụ. + Kháng đóng mở bằng thyristor – TCR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capaxitor): có chắc năng phát CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristor. - Để điều chỉnh tinh tụ điện người ta dùng tụ bù CSPK có điều khiển SVC.
- Để phát hay nhân CSPK người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC. - Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ theo điện áp người ta lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp. Các thiết bị bù có điều chỉnh hiệu quả rất cao, đảm bảo ổn định được điện áp và nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện. Đối với các đường dây siêu cao áp các thiết bị bù có điều khiển đôi khi là thiết bị không thể thiếu được.
Chúng 5 làm nhiệm vụ chống quá điện áp, giảm dao động công suất và nâng cao tính ổn định tĩnh và động. Nhược điểm của các thiết bị bù có điều khiển là giá thành cao. Để lựa chọ và lắp đặt này cần phải phân tích các tính toán tỷ mỷ và so sánh các phương án trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Các thiết bị bù tĩnh được điều khiển bằng Thyristor là loại thiết bị bù ngang tĩnh (phân biệt với máy bù quay).
CSPK được tiêu thụ hoặc phát ra bở các thiết bị này có thể thay đổi bằng việc đóng mở Thyristor. Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ CSTD (P) và CSPK (Q). Sự tiêu thụ CSPK này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp CSPK, sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn điện áp tăng lên đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì vậy việc bù CSPK cho lưới điện sẽ có những tích cực như sau: Ta có tổn thất công suất trên đường dây được xác định theo công thức: P 2 +Q 2 ∆S = .5) U2 Vì vậy, khi giảm Q truyền tải trên đường dây thì ta giảm được tổn thất công suất.
Tổn thất điện áp được xác định theo công thức: PR + QX P Q ∆U = = .