Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng. Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha bằng phương pháp điều khiển mờ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật: Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LOAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COS PHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI 3 PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên - Năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN THỊ LOAN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COS PHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI 3 PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 8.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Thị Thanh Nga Thái Nguyên – Năm 2020
LỜI CAM ĐOAN Họ và tên: Trần Thị Loan Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Nơi công tác: Trường Cao đẳng Công nghệ và Nông Lâm Đông Bắc. Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại “ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác! Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này. Thái Nguyên, tháng năm 2020 Học viên Trần Thị Loan 1
LỜI CẢM ƠN Với tư cách là tác giả của bản luận văn này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Thị Thanh Nga, người đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo về mặt chuyên môn để tôi hoàn thành bản luận văn này. Đồng thời tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa, Khoa Điện đã giúp đỡ tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và làm luận văn. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện cả về thời gian, vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên và chia sẻ với tôi rất nhiều trong suốt thời gian tôi tham gia học tập và làm luận văn. Học viên Trần Thị Loan 2
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................2 MỤC LỤC ...................................................................................................................3 DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................6 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................8 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................9 MỞ ĐẦU ...................................................................................................................10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ COSPHI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN ..................................................................................................................13 1.1. Đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải công nghiệp công suất lớn ......................13 1.1.1. Các thiết bị động lực công nghiệp. ...........................................................13 1.1.2. Các thiết bị chiếu sáng..............................................................................13 1.1.3. Các thiết bị biến đổi..................................................................................13 1.1.4. Các động cơ truyền động máy gia công ...................................................13 1.1.5. Các lò điện và thiết bị nhiệt ......................................................................14 1.1.6. Các thiết bị hàn .........................................................................................14 1.2. Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp ...............14 1.2.1. Khái quát về công suất phản kháng ..........................................................14 1.2.2. Nguồn phát sóng công suất phản kháng ...................................................14 1.2.3. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng ..............................................15 1.3. Thiết bị bù công suất phản kháng SVC ..........................................................16 1.3.1. Cấu trúc chung của SVC ..........................................................................16 1.3.2. Cấu tạo từng phần tử trong SVC ..............................................................19 1.3.3. Các đặc tính của SVC ...............................................................................31 1.4. Một số nghiên cứu về điều khiển SVC bù công suất phản kháng trong hệ thống điện ..............................................................................................................33 1.4.1. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị bù cosφ kết hợp lọc sóng hài.........33 1.4.2. Nghiên cứu điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao ổn định chất lượng hệ thống điện ........................................................33 3
1.4.3. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải 3 pha không đối xứng ....................................................................................34 1.4.4. Nghiên cứu bộ điều khiển PI Mờ từ thiết kế đến ứng dụng .....................35 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................................36 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÙ COSPHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ......................................................................................37 2.1. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ....................37 2.1.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi ........................37 2.1.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng .........................38 2.2. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng ...........................42 2.2.1. Sơ đồ .........................................................................................................42 2.2.2. Chức năng hệ điều khiển ..........................................................................43 2.2.3. Nguyên tắc điều khiển ..............................................................................44 2.3. Bộ điều khiển PID ..........................................................................................45 2.3.1. Giới thiệu chung về bộ điều khiển PID ....................................................45 2.3.2. Bộ điều khiển PID ....................................................................................52 2.3.3. Thiết kế bộ điều khiển PID trong hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng .......................................................................................59 2.4. Mô phỏng trên Matlab – Simulink..................................................................59 2.4.1. Khái quát phần mềm mô phỏng Matlab – Simulink ................................59 2.4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng ...................................................................62 2.4.3. Kết quả mô phỏng ....................................................................................67 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ......................................................................................68 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG BÙ COSPHI VÔ CẤP CHO PHỤ TẢI BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ......................................................................................69 3.1. Logic mờ .........................................................................................................69 3.1.1. Tập mờ......................................................................................................69 3.1.2. Luật hợp thành ..........................................................................................72 3.1.3. Giải mờ .....................................................................................................73 4
3.2. Bộ điều khiển mờ ............................................................................................75 3.2.1. Bộ điều khiển mờ cơ bản ..........................................................................75 3.2.2. Các nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ .............................................77 3.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển mờ .......................................................................78 3.3. Mô phỏng hệ thống điều khiển SVC trên Simulink .......................................79 3.3.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ .....................................................................79 3.3.2. Kết quả mô phỏng ....................................................................................83 3.4. So sánh giữa bộ điều khiển PID và mờ ..........................................................84 3.4.1. Các ưu nhược điểm của bộ điều khiển PID ..............................................84 3.4.2. Các ưu nhược điểm của bộ điều khiển mờ ...............................................84 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ......................................................................................85 KẾT LUẬN CHUNG ................................................................................................86 KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............................................................87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................88 5
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL .................................................14 Hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC .................................................17 Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor .....................................................................19 Hình 1.4: Đồ thị dòng điện tải ...................................................................................20 Hình 1.5: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCR ................................................22 Hình 1.6: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR .......................................................23 Hình 1.7: Ảnh hưởng của giá trị góc cắt đến dòng điện của TCR ............................24 Hình 1.8: Dạng sóng tín hiệu dòng điện của TCR ....................................................24 Hình 1.9: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt .....................................26 Hình 1.10: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ...............................................27 Hình 1.11: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ..................................................29 Hình 1.12: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSR ..................................................30 Hình 1.13: Đặc tính U – I của SVC ..........................................................................31 Hình 1.14: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp ..............................32 Hình 2.1: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản kháng .................................39 Hình 2.2: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải ...............................................................................................................................39 Hình 2.3: Đặc tính làm việc của SVC .......................................................................40 Hình 2.4: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng ...................41 Hình 2.5: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC ..............................................43 Hình 2.6: Đồ thị biên thiên điều chỉnh xung trong nửa chu kỳ đầu trên thyristor ....44 Hình 2.7: Cấu trúc bộ điều khiển PID .......................................................................45 Hình 2.8: Biến đổi tương đương của ba bộ điều khiển I, P, D..................................45 Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID .............................................................46 Hình 2.10: Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển tỉ lệ ............................................46 Hình 2.11: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển I: b, Đặc tính quá độ .............48 Hình 2.12: Sai số điều khiển và tích phân của sai số ................................................48 Hình 2.13: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PI; b, Đặc tính quá độ ...........49 Hình 2.14: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiểnPD; b, Đặc tính quá độ ..........51 6
Hình 2.15: a, Hệ thống điều khiển với bộ điều khiển PID; b, Đặc tính quá độ ........51 Hình 2.16:a. Thuật toán PID, b. Hàm quá độ............................................................52 Hình 2.17: Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID ............................................................53 Hình 2.18: Xác định tham số cho mô hình xấp xỉ.....................................................54 Hình 2.19: Tổng hợp bộ điều khiển bằng phương pháp tối ưu đối xứng..................56 Hình 2.20: Đề xuất thuật toán điều khiển bù cosphi trong hệ thống SVC ................59 Hình 2.21: Thư viện khối các phần tử Elemtent .......................................................61 Hình 2.22: Thư viện Sim Power Systems .................................................................61 Hình 2.23: Thư viện khối nguồn Electrical Source ..................................................62 Hình 2.24: Thông số khối nguồn điện áp ..................................................................64 Hình 2.25: Thông số đường dây truyền tải ...............................................................64 Hình 2.26: Thông số khối tải.....................................................................................65 Hình 2.27: Khối nguồn nối tam giác 3 pha của TCR ................................................66 Hình 2.28: Bộ điều chỉnh công suất phản kháng trong hệ thống bù cosphi .............66 Hình 2.29: Mô hình mô phỏng SVC trong Simulink ................................................67 Hình 2.30: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều khiển mờ có các thời điểm thay đổi thông số tải ......................................................67 Hình 3.1: Hàm liên thuộc kinh điển (a) và trong logic mờ (b) và (c) .......................70 Hình 3.2: Hàm liên thuộc hình thang ........................................................................70 Hình 3.3: Giao của hai tập mờ ..................................................................................71 Hình 3.4: Đồ thị biểu thị quan hệ x và y ...................................................................72 Hình 3.5: Phương pháp giải mờ cực đại ...................................................................74 Hình 3.6: Phương pháp trọng tâm .............................................................................74 Hình 3.7: Cấu trúc bộ điều khiển mờ cơ bản ............................................................78 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển cosphi với bộ điều khiển mờ ......................80 Hình 3.9: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều khiển mờ có các thời điểm thay đổi thông số tải tại thời điểm 6s ............................83 Hình 3.10: Đặc tính điều chỉnh và bám cos theo giá trị đặt khi sử dụng bộ điều khiển mờ có các thời điểm thay đổi thông số tải ......................................................83 7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết STT Ý nghĩa Chú thích tắt 1. SVC Static Var Compensator 2. FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems 3. MBA Máy biến áp 4. TCR Thyristor Controlled Reactor 5. TSR Thyristor Switched Reactor 6. TSC Thyristor Switched Capacitor 7. TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor 8. TCCS Thyristor Controlled Capacitor Witching 9. STATCOM Static Synchronous Compensator 10. CSPK Công suất phản kháng 11. BĐKM Bộ điều khiển mờ 12. ĐB Đồng bộ 13. KĐ Khuếch đại 14. ĐK Điều khiển 15. ĐTĐK Đối tượng điều khiển 16. SS-TX Khâu so sánh và tạo xung 17. KTCN Kỹ thuật công nghiệp 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Giá trị dòng điện I3 ...................................................................................28 Bảng 2-1: Tổng hợp bộ điều khiển theo Ziegler – Nichols.......................................55 Bảng 2-2: Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh theo phương pháp thủ công .............57 Bảng 2-3: Chỉnh định thông số bộ điều chỉnh t heo phương pháp Ziegler–Nichols 58 9
MỞ ĐẦU Ngày nay các hệ thống điện, trong đó nổi bật là điện ba pha đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội của mỗi quốc gia. Tuy nhiên, trong quá trình truyền tải điện thường gặp phải các vấn đề nghiêm trọng như là công suất phản kháng không ổn định, tăng tổn hao trên các phụ tải, giảm hệ số công suất, giảm chất lượng điện năng. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, công nghiệp chế tạo các linh kiện công suất lớn và kỹ thuật đo lường điều khiển trong hệ thống điện, các thiết bị bù dọc và bù ngang có điều khiển bằng thyristor hay triắc (SVC) đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện áp, giảm tổn thất điện năng qua đó giảm chi phí sản xuất. Tuy nhiên, hiện nay nhiều hệ thống bù đã được nghiên cứu xảy ra hiện tượng bù thừa, điều này ảnh hưởng đến chất lượng điện trên hệ thống. Việc nghiên cứu ” Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại” là rất cần thiết. Nhằm mở rộng một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển của hệ thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá hiệu quả của thiết bị bù vô cấp đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện ba pha không đối xứng. Bản luận văn trình bày ứng dụng phương pháp điều khiển mờ vào việc thiết kế hệ điều khiển bù công suất phản kháng SVC(Static VAR Compensator). Cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ của ngành Điện ở các nước trên thế giới, Bộ môn Tự động hóa – Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên quan tâm đến vấn đề đào tạo thạc sỹ tự động hóa và công tác nghiên cứu ngành điện. Chính vì lý do đó mà phòng thí nghiệm tự động hóa Bộ môn Tự động hóa đã được xây dựng. Với việc được trang bị những thiết bị hiện đại, cho phép có thể đi sâu nghiên cứu tự động hóa và thực hiện các thí nghiệm nhằm chứng minh cho lý thuyết. Được sự đồng ý của Bộ môn và của Cố giáo hướng dẫn mà em đã chọn đề tài “Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối 10
xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại” (Improve the quality of stepless cosphi compensation system for asymmetric three-phase loads by modern control methods) với việc xây dựng được một bài thí nghiệm cụ thể dựa trên những thiết bị sẵn có của phòng thí nghiệm và xây dựng mô hình hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha bằng phương pháp điều khiển hiện đại. Mục đích của mô hình này giúp học viên có được những kiến thức thực tế để chứng minh cho lý thuyết về hệ thống bù cosphi vô cấp trong hệ thống điện 3 pha, trong môn học lý thuyết về hệ thống điện 3 pha từ đó có những biện pháp thiết kế, khắc phục các hạn chế ở các hệ thống bù công suất trước nhằm làm giảm tối đa những tổn thất đồng thời tăng công suất làm việc của hệ thống điện 3 pha, tăng hiệu quả kinh tế của hệ thống. Tuy nhiên do thời gian và trình độ còn hạn chế nên trong luận văn mới chỉ ở dạng tìm hiểu xây dựng về mặt lý thuyết chưa có thời gian chế tạo và các số liệu có được thì cũng chủ yếu tham khảo các số liệu ở phòng thí nghiệm Tự động hóa. Trong thời gian làm luận văn này không thể tránh khỏi những thiết sót. Em mong rằng sau này đề tài sẽ tiếp tục được phát triển sâu hơn. Qua đây em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Thị Thanh Nga cùng các thầy cô trong trong Bộ môn Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp. i. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài nhằm nghiên cứu thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại. Để thực hiện được mục tiêu tổng quát của đề tài, luận văn hướng đến giải quyết các mục tiêu chính sau đây: - Phương pháp bù cosphi trong các hệ thống truyền tải điện. - Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng. - Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha bằng phương pháp điều khiển mờ ii. Kết quả dự kiến Tài liệu báo cáo thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng với các tham số và chỉ tiêu kỹ thuật. 11
iii. Phương pháp và phương pháp luận - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: các bài báo đăng trên các tạp chí và hội thảo uy tín, sách chuyên ngành có liên quan... - Giải pháp đề xuất dựa trên kiến thức cơ bản, cơ sở, chuyên ngành; - Kiểm nghiệm, đánh giá giải pháp dựa trên kết quả mô phỏng, thực nghiệm. iv. Cấu trúc của luận văn Luận văn nghiên cứu được chia thành 3 chương: Chương 1: Tổng quan về bù cosphi trong các hệ thống truyền tải điện Chương 2: Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng Chương 3: Ứng dụng phương pháp điều khiển mờ để nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng v. Các công cụ và thiết bị nghiên cứu - Máy tính cá nhân cài sẵn phần mềm mô phỏng thiết kế - Các thiết bị và dụng cụ phục vụ cho thí nghiệm iv. Dự kiến kế hoạch thực hiện STT Thời gian Nội dung nghiên cứu Kết quả đạt nghiên cứu được 1 20/12/2019 đến Nghiên cứu về bù cosphi trong các Tài liệu báo cáo 20/02/2020 hệ thống truyền tải điện 2 20/02/2020 đến Thiết kế hệ thống bù cosphi vô cấp Tài liệu về thiết 05/6/2020 cho phụ tải ba pha không đối xứng kế mô phỏng 3 05/6/2020 đến Thiết kế bộ điều khiển mờ để nâng Tài liệu về thiết 21/8/2020 cao chất lượng hệ thống bù cosphi kế mô phỏng vô cấp cho phụ tải ba pha 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ COSPHI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1.1. Đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải công nghiệp công suất lớn 1.1.1. Các thiết bị động lực công nghiệp. Bao gồm các động cơ quạt máy, khí nén, máy bơm làm việc ở chế độ dài hạn. Công suất từ một đến hàng nghìn KW, sử dụng điện áp (0,25 đến 10 KV) có phụ tải tương đối bằng phẳng đặc biệt là những động cơ có công suất lớn. Phụ tải này thường đối xứng ba pha có hệ số công suất từ (0,80 đến 0,85). Các thiết bị nâng hạ vận chuyển làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số công suất từ (0,3 đến 0,8) có thể sử dụng điện áp xoay chiều, một chiều. 1.1.2. Các thiết bị chiếu sáng Thường là thiết bị một pha có công suất nhỏ. Phụ tải này ít biến đổi nhưng phụ thuộc vào thời gian và các mùa trong năm. Nói chung phụ tải chiếu sáng có thể ngừng cung cấp để sửa chữa, tuy nhiên trong những trường hợp không cho phép mất điện lâu, như những khu vực sản xuất, khu vực thành phố. 1.1.3. Các thiết bị biến đổi Là các thiết bị có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều, hoặc biến đổi thành dòng ba pha tần số khác 50Hz. Các thiết bị biến đổi gồm các loại: Máy phát, động cơ, bán dẫn, bộ biến tần… Dùng trong ngành công nghệ luyện kim, các thiết bị này dùng điện áp một chiều, làm việc chế độ dài hạn có hệ số công suất từ (0,85 đến 0,9). Dùng cho giao thông vận tải trong các xí nghiệp như cần trục, cầu trục có phụ tải đỉnh nhọn. 1.1.4. Các động cơ truyền động máy gia công Là thiết bị thông dụng, có dải công xuất thông dụng từ vài đến hàng trăm KW, gồm nhiều kiểu khác nhau nhưng đa số là động cơ KĐB 3 pha với điện áp định mức là 220V, 380V, 660V. Hệ số công suất dao động trong phạm vi rộng phụ thuộc vào quy trình công nghệ. Ở một số máy yêu cầu tốc độ quay lớn, điều chỉnh thường xuyên, phụ tải bằng phẳng nên dùng động cơ điện một chiều lấy điện từ các 13
bộ biến đổi. Nói chung các thiết bị này xếp vào hộ loại 2, một số ít là loại 1. 1.1.5. Các lò điện và thiết bị nhiệt Lò điện trở: Hệ số công suất gần bằng 1 bao gồm các loại: Lò phản ứng, lò hồ quang, lò hỗn hợp. Thiết bị nhiệt: Thiết bị ra nhiệt điện từ, thiết bị ra nhiệt điện trở, các bộ gia nhiệt. 1.1.6. Các thiết bị hàn Là các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số công suất thấp. Ví dụ máy hàn hồ quang (0,3 đến 0,35), máy hàn tiếp xúc (0,4 đến 0,7). 1.2. Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp 1.2.1. Khái quát về công suất phản kháng Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng sau (hình 1-1): Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện. 1.2.2. Nguồn phát sóng công suất phản kháng 1.2.2.1. Các nguồn phát công suất phản kháng Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, do cosφ của nhà máy thường là 0,8 - 0,9 hoặc cao hơn. Vì lý do kinh tế nên người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng cho phụ tải mà chỉ phụ trách một phần công suất phản kháng của phụ tải. Phần còn lại do các thiết bị bù. Nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ. 1.2.2.2. Ưu điểm, nhược điểm của các nguồn công suất phản kháng - Ưu điểm: + Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến 14
áp, đường dây…). + Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải. + Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp. Vì vậy, ta cần có biện pháp bù cos φ để hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ. - Nhược điểm: Trong thực tế công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật: - Về kinh tế: Chúng ta phải trả chi phí tiền điện cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ trong khi thực tế nó không đem lại lợi ích gì. - Về kỹ thuật: Công suất phản kháng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp và tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng. 1.2.3. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng 1.2.3.1. Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và máy biến áp) Từ công suất tổn thất công suất trên đường dây truyền tải: Ta biết : 𝑄 𝜑 = 𝑎𝑐𝑡𝑎𝑔 (1.1) 𝑃 Năng cosφ thì φ giảm với P không đổi thì Q giảm: 𝑃2 +𝑄2 𝑃2 𝑄2 ∆𝑃 = 𝑅= 𝑅+ 𝑅 = ∆𝑃(𝑃) + ∆𝑃(𝑄) (1.2) 𝑈2 𝑈 2 𝑈2 D phần tổn hao công suất do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do công suất tác dụng thì ta không thể giảm, nhưng thành phần do công suất phản kháng thì có thể giảm được. Nếu Q giảm thì ∆P(Q) sẽ giảm dẫn đến ∆P giảm thì ∆A cũng giảm. Hệ quả là giảm tổn hao công suất dẫn đến giảm tổn thất điện năng hay nói cách khác là giảm tiền điện 1.2.3.2. Giảm tổn thấy điện áp trong mạng điện Từ công suất tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải: 𝑃𝑅+𝑄𝑋 𝑃𝑅 𝑄𝑋 ∆𝑈 = = + = ∆𝑈(𝑃) + ∆𝑈(𝑄) (1.3) 𝑈 𝑈 𝑈 Do phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra, thành phần do công suất tác 15
dụng thì không thể giảm nhưng thành phần do công suất phản kháng thì có thể giảm được, đường dây quá xa các thiết bị tiêu thụ điện, điện áp cuối đường dây thường sụt giảm nhiều làm động cơ, các thiết bị sử dụng điện khó hoạt động, phát nóng nhiều, dễ cháy. Do đó phải bù lại hệ số công suất cosphi. 1.2.3.3. Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp √𝑃2 +𝑄2 𝐼= (1.4) √3.𝑈 Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (I là hằng số) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng bằng cách giảm công suất phản kháng. Ngoài ra khi tăng cosφ còn giảm chi phí kim loại màu góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện, giảm giá thành tiền điện, tăng độ dự trữ ổn định của hệ thống, giảm tổn thất hệ thống, tối ưu hóa các thành phần cung cấp điện… 1.3. Thiết bị bù công suất phản kháng SVC 1.3.1. Cấu trúc chung của SVC 1.3.1.1. Khái quát về bù công suất phản kháng SVC Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR Compensator) là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới điện truyền tải điện áp cao. SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS). Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ thống điện. Yếu tố static cho thấy SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly. Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn hay tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng. SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng. Nếu hệ thống thừa công suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai trò là các kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ 16
thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành). - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR. Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự động đóng vào. Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện áp của nút được cải thiện. SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao, như lò điện. SVC dùng để làm trơn dao động điện áp. 1.3.1.2. Cấu trúc của SVC Sơ đồ cấu trúc SVC được thể hiện trên hình 1.2 Hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm: + Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ. + Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng 17
kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp. - Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù. - Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch...) trong hệ thống điện. - Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện. - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột... - Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như: + Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. + Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây. + Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. + Giảm tổn thất công suất và điện năng. b. Nguyên tắc hoạt động Một SVC bao gồm: Các tụ bù ngang được đóng cắt riêng biệt, được kết nối với cuộn dây điện cảm (có hoặc không có lõi sắt) được điều chỉnh bằng thyristor. Nhờ việc thay đổi góc dẫn của thyristor mà điện kháng đẳng trị của SVC có thể thay đổi liên tục được. Do đó, công suất phản kháng của lưới điện có thể được bơm vào hay hút đi một cách liên tục. Theo cấu trúc này, các tụ điện sẽ điều chỉnh thô, sau đó, các TCR sẽ điều chỉnh giá trị cảm kháng, kết quả là giá trị điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục. Điều chỉnh trơn hơn và linh hoạt hơn có thể thực hiện được bằng cách sử dụng bộ tụ điện được đóng cắt bằng thyristor hay TCCS (Thyristor Controlled Capacitor Witching). Thyristor là các thiết bị điều chỉnh tĩnh bằng điện. Thyristor cũng như các thiết bị bán dẫn khác, luôn phát nhiệt, nước đã khử ion được dùng để làm mát. Các tải cảm kháng thay đổi nhanh trong mạch điện có thể làm biến đổi dạng sóng điều hòa của điện áp và do đó, các bộ lọc sóng điện tử công suất lớn được sử dụng để làm trơn sóng điện áp. Bản thân các bộ lọc sóng điều hòa này lại có tính 18