Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện

Chia sẻ: Nguyen Bao Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

494
lượt xem 198
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện gồm 4 chương trình bày về thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện, ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định, bộ điều khiển bù công suất phản kháng SVC, ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều khiển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật: Điều khiển thiết bị bù tĩnh (SVC) và ứng dụng trong việc nâng cao cho ổn định chất lượng điện năng của hệ thống điện

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BÙ TĨNH (SVC) VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC NÂNG CAO CHO ỔN ĐỊNH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Học viên: Nguyễn Thế Vĩnh Người HD Khoa học: T.S Nguyễn Thanh Liêm THÁI NGUYÊN 2007
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản thuyết minh luận văn này do tôi thực hiện. Các số liệu sử dụng trong thuyết minh, kết quả phân tích và tính toán được tìm hiểu qua các tài liệu. 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MUC LỤC Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ................................................................................... 6 Danh mục các báng biểu ................................................................................................ 7 Danh mục các hình vẽ, đồ thị .......................................................................................... 9 Lời nói đầu .................................................................................................................... 11 Chương 1: Thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống điện ............................... 13 1.1. Hệ thống điện hợp nhất và những yêu cầu điều chỉnh nhanh công suất trong các điều kiện làm việc bình thường và sự cố ...................................................................... 13 1.1.1. Đặc điểm ..................................................................................................... 13 1.1.2. Các biện pháp áp dụng trong công nghệ truyền tải điện của hệ thống điện hợp nhất ......................................................................................................................... 14 1.1.3. Bù công suất phản kháng ............................................................................ 14 11.4. Bù dọc và bù ngang trong đường dây siêu cao áp ....................................... 16 1.1.4.1. Bù dọc .............................................................................................. 16 1.1.4.2. Bù ngang .......................................................................................... 18 1.1.4.3. Nhận xét ........................................................................................... 20 1.2. Một số thiết bị điều khiển công suất phản kháng trong hệ thống điện .................. 20 1.2.1. Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng thyristor (SVC - Static Var Compensator) ................................................................ 20 1.2.2. Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor Controlled Series Capacitor) ....................................... 22 1.2.3. Thiết bị bù tĩnh (STATCOM - Static Synchronous Compensator) ............ 23 1.2.4. Thiết bị điều khiển dòng công suất (UPFC - Unified Power Flow Controller).................................................. 24 1.2.5. Thiết bị điều khiển góc pha bằng thyristor 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
(TCPAR - Thyristor Controlled Phase Angle Regulator) .......................... 26 1.2.6. Nhận xét ...................................................................................................... 27 Kết luận ......................................................................................................................... 27 Chương 2: Ứng dụng của thiết bị bù SVC trong việc nâng cao ổn định hệ thống điện ...................................................................................................... 29 2.1. Khả năng ứng dụng của SVC trong hệ thống điện ................................................ 29 2.1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 29 2.1.2. Một số ứng dụng của SVC .......................................................................... 30 2.1.2.1. Điều chỉnh điện áp và trào lưu công suất ......................................... 30 2.1.2.2. Giới hạn thời gian và cường độ quá áp khi xảy ra sự cố ................. 32 2.1.2.3. Ôn hòa dao động công suất hữu công .............................................. 33 2.1.2.4. Giảm cường độ dòng điện vô công .................................................. 33 2.1.2.5. Tăng khả năng tải của đường dây .................................................... 33 2.1.2.6. Cân bằng các phụ tải không đối xứng .............................................. 36 2.1.2.7. Cải thiện ổn định sau sự cố .............................................................. 36 2.2. Thiết bị bù ngang có điều khiển SVC .................................................................... 37 2.2.1. Cấu tạo từng phần tử của SVC .................................................................... 37 2.2.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ thyristor mắc song song ngược .......... 37 2.2.1.2. Kháng điều chỉnh bằng thyristor TCR (thyristor controlled reactor) ............................................................ 40 2.2.1.3. Tụ đóng mở bằng thyristor TSC ( thyristor switch capacitor) ......... 49 2.2.1.4. Kháng đóng mở bằng thyristor TSR ( thyristor switch reactor) ...... 49 2.2.1.5. Hệ thống điều khiển các van trong SVC .......................................... 50 2.2.2. Các đặc tính của SVC ......................................................................... 51 2.2.2.1. Đặc tính điều chỉnh của SVC .......................................................... 51 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2.2. Đặc tính làm việc của SVC .............................................................. 52 2.3. Mô hình SVC trong tính toán chế độ xác lập của hệ thống điện ........................... 53 2.3.1. Mô hình hóa SVC như một điện kháng có trị số thay đổi .......................... 53 2.3.2. Mô hình SVC theo tổ hợp nguồn và phụ tải phản kháng ............................ 55 Kết luận ......................................................................................................................... 58 Chương 3: Bộ điều khiển bù công suất phản kháng SVC ....................................... 59 3.1. Sơ đồ SVC ứng dụng điều khiển bù công suất phản kháng ................................... 59 3.1.1. Chức năng hệ điều khiển ............................................................................. 60 3.1.2. Nguyên tắc điều khiển ................................................................................. 60 3.1.3. Các khâu trong hệ thống điều khiển các van của SVC .............................. 61 3.1.3.1. Khâu tạo xung đồng bộ cho bộ VĐK ............................................... 61 3.1.3.2. Khâu phản hồi .................................................................................. 62 3.1.3.3. Khâu khuếch đại xung ...................................................................... 63 3.1.3.4. Khâu điều khiển tạo xung sử dụng VĐK pic 16f877 ....................... 64 3.1.4. Thuật toán PID dùng cho bộ vi điều khiển PIC16f877 ............................... 69 3.1.4.1. Bộ điều khiển PID dưới dạng tương tự ............................................ 69 3.1.4.2. Bộ điều khiển PID dưới dạng số ...................................................... 70 3.1.4.3. Thuật toán điều khiển PID nâng cao ................................................ 70 3.1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ điều khiển góc mở các van của SVC .......................... 71 3.2. Phần mềm ISIS mô phỏng hệ thống điều khiển SVC ............................................ 71 3.3. Mô phỏng hệ điều khiển van thyristor hoặc triắc của bộ TCR .............................. 72 3.3.1. Mô phỏng các phần tử của hệ điều khiển .................................................... 72 3.3.1.1. Bộ đo giá trị dòng điện và điện áp ................................................... 72 3.3.1.2. Khâu lấy tín hiệu phản hồi ............................................................... 72 3.3.1.3. Khâu tạo xung đồng bộ .................................................................... 73 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.3.1.4. Khâu khuếch đại xung ...................................................................... 74 3.3.1.5. Khâu điều khiển xung ...................................................................... 75 3.3.2. Các phần tử khác trong mô phỏng ............................................................... 76 3.3.2.1. Nguồn điện ....................................................................................... 76 3.3.2.2. Bộ kháng có điều khiển TCR ........................................................... 77 Kết luận ......................................................................................................................... 78 Chương 4: ứng dụng phần mềm ISIS mô phỏng thiết bị bù SVC có điều khiển .. 79 4.1. Sơ đồ mô phỏng thiết bị bù công suất phản kháng SVC có điều khiển ................. 79 4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 79 4.2.1. Đồ thị điều khiển xung theo chế độ điện áp thay đổi ................................... 80 4.2.2. Đặc tính dòng qua thyristor điện khi điều khiển điện áp tại nút .................. 83 4.3. Đặc tính hệ thống điều khiển các van SVC .......................................................... 89 Kết luận ......................................................................................................................... 92 Kết luận chung và hướng phát triển .............................................................................. 93 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. Phụ lục 1 ......................................................................................................................... Phụ lục 2 ......................................................................................................................... 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết STT Ý nghĩa Chú thích tắt 1 HTĐ Hệ thống điện 2 SVC Static Var Compensator Thyristor Controlled Series 3 TCSC Capacitor 4 STATCOM Static Synchronous Compensator 5 UPFC Unified Power Flow Controller Thyristor Controlled Phase Angle 6 TCPAR Regulator Flexible Alternating Current 7 FACTS Transmission Systems Phần mềm mô 8 ISIS Proteus 6 Professional phỏng mạch điện- điện tử 9 PCB Printed Circuit Board 10 VĐK Bộ vi điều khiển 11 SS-TX Khâu so sánh và tạo xung 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: So sánh chức năng của các thiết bị bù có điều khiển ................................... 27 Bảng 2-1: Giá trị của I3 khi thay đổi góc điều khiển  ................................................. 47 Bảng 3-1: Các phần tử sử dụng trong bộ đo ................................................................. 72 Bảng 3-2: Các phần tử sử dụng trong bộ phản hồi ............................................. 73 Bảng 3-3: Các phần tử sử dụng trong bộ tạo xung đồng bộ ......................................... 74 Bảng 3-4: Các phần tử sử dụng trong bộ khuếch đại xung .................................... 75 Bảng 3-5: Các dạng nguồn được ISIS mô phỏng ......................................................... 77 Bảng 3-6: Các phần tử tạo thành bộ TCR ........................................................... 78 Bảng 4-1: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 1 ..................... 90 Bảng 4-2: Tổng hợp thời gian làm ổn định điện áp tại nút trường hợp 2 ..................... 92 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp.......................................... 17 Hình 1.2: Cấu tạo vànguyên lý làm việc của SVC........................................................ 21 Hình 1.3: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC .................................................. 22 Hình 1.4: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của STATCOM ......................................... 23 Hình 1.5: Nguyên lý cấu tạo của UPFC ........................................................................ 24 Hình 1.6: Nguyên lý cấu tạo của TCPAR ..................................................................... 26 Hình 2.1: Điều chỉnh điện áp tại nút phụ tải bằng SVC................................................ 31 Hình 2.2: Sự thay đổi điện áp tại thanh cái phụ tải khi có và không có SVC ............... 32 Hình 2.3: Quan hệ thời gian và điện áp quá áp ............................................................. 32 Hình 2.4: Đặc tính công suất truyền tải của hệ thống khi có và không có SVC ........... 35 Hình 2.5: Đặc tính công suất khi có và không có SVC ................................................ 37 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ thyristor ......................................................................... 38 Hình 2.7: Đồ thị dòng điện tải ....................................................................................... 38 Hình 2.8: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCR .................................................... 40 Hình 2.9: Đặc tính điều chỉnh liên tục của TCR ........................................................... 41 Hình 2.10: Ảnh hưởng của góc cắt đến dòng điện qua TCR ........................................ 41 Hình 2.11: Dạng sóng của tín hiệu dòng điện qua TCR ............................................... 42 Hình 2.12: Đặc tính điều chỉnh dòng điện TCR theo góc cắt ....................................... 46 Hình 2.13: Các sóng hài bậc cao trong phần tử TCR ................................................... 46 Hình 2.14: Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của TSC ...................................................... 49 Hình 2.15: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TSR ................................................... 50 Hình 2.16: Hệ điều khiển các van của SVC ........................................................ 51 Hình 2.17: Đặc tính U-I của SVC ................................................................................. 51 Hình 2.18: Đặc tính làm việc của SVC điều chỉnh theo điện áp .................................. 52 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.19: Đặc tính làm việc của nguồn công suất phản .............................................. 55 Hình 2.20: Đặc tính của phụ tải công suất phản kháng qua máy biến áp điều áp dưới tải ........................................................................................................ 55 Hình 2.21: Đặc tính làm việc của SVC ......................................................................... 56 Hình 2.22: Phối hợp đặc tính của một nguồn và hai phụ tải phản kháng ..................... 57 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ điều khiển các van SVC .................................................. 59 Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ..................................................... 61 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo xung đồng bộ ................................................ 62 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi .............................................................. 63 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung.................................................. 64 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc của PIC 16f877 ..................................................................... 66 Hình 3.7:Sơ đồ mô phỏng bộ phản hồi ......................................................................... 73 Hình 3.8: Đồ thị tín hiệu ra của bộ phản hồi ................................................................. 73 Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng bộ tạo xung đồng bộ .......................................................... 74 Hình 3.10: Đồ thị tín hiệu ra của bộ tạo xung đồng bộ ................................................. 74 Hình 3.11:Sơ đồ mô phỏng bộ khuếch đại xung ........................................................... 75 Hình 3.12: Đồ thị tín hiệu ra của bộ khuếch đại xung .................................................. 75 Hình 3.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển xung .......................................................... 76 Hình 3.14: Đồ thị tín hiệu ra của bộ điều khiển xung ................................................... 76 Hình 3.15: Cửa sổ thay đổi dạng nguồn ........................................................................ 77 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng bộ TCR ............................................................................ 78 Hình 4.1: Sơ đồ mô phỏng tổng thể hệ điều khiển các van của TCR ........................... 79 Hình 4.2: Xung điều khiển ra với góc mở 100 .............................................................. 80 Hình 4.3: Xung điều khiển ra với góc mở 300 .............................................................. 80 Hình 4.4: Xung điều khiển ra với góc mở 450 .............................................................. 81 Hình 4.5: Xung điều khiển ra vơi góc mở 900 .............................................................. 81 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 4.6: Xung điều khiển ra vơi góc mở 1800 ............................................................ 81 Hình 4.7: Dòng điện qua van với góc mở 00 ................................................................ 83 Hình 4.8: Dòng điện qua van với góc mở 600 ............................................................... 83 Hình 4.9: Dòng điện qua van với góc mở 950 .............................................................. 84 Hình 4.10: Dòng điện qua van với góc mở 1200 .......................................................... 84 Hình 4.11: Dòng điện qua van với góc mở 1350 .......................................................... 85 Hình 4.12: Dòng điện qua van với góc mở 1450 ................................................ 85 Hình 4.13: Dòng điện qua van với góc mở 1600 .......................................................... 86 Hình 4.14: Dòng điện qua van với góc mở 1650 .......................................................... 86 Hình 4.15: Dòng điện qua van với góc mở 1700 .......................................................... 87 Hình 4.16: Dòng điện qua van với góc mở 1750 .......................................................... 87 Hình 4.17: Dòng điện qua van với góc mở 1800 .......................................................... 88 Hình 4.18: Đồ thị các sóng hài bậc cao của bộ TCR .................................................... 88 Hình 4.19: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng ........................ 89 Hình 4.20: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm ....................... 90 Hình 4.21: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút tăng ........................ 91 Hình 4.22: Đặc tính điều khiển các van TCR khi điện áp tại nút giảm ....................... 91 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU Điện năng là dạng năng lượng được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất trên thế giới do nó có ưu điểm rất quan trọng là dễ dàng chuyển đổi sang dạng năng lượng khác. Hơn nữa, điện năng còn là dạng năng lượng dễ dàng trong sản xuất, vận chuyển và sử dụng. Hệ thống điện của mỗi quốc gia ngày càng phát triển để đáp ứng sự phát triển lớn mạnh của nền kinh tế xã hội. Cùng với xu thế toàn cầu hoá nền kinh tế, hệ thống điện cũng đã, đang và hình thành các mối liên kết giữa các khu vực trong mỗi quốc gia, giữa các quốc gia trong khu vực hình thành nên hệ thống điện hợp nhất có quy mô rất lớn về cả công suất lãnh thổ. Ngày nay, 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, nên các thiết bị bù dùng thyristor hay triắc sử dụng rất nhiều thông tin tro ng toàn hệ thống được nghiên cứu và ứng dụng. ậ một số nước có trình độ cong nghệ tiên tiến trên thế giới, các thiết bị bù dọc và bù ngang điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đã được ứng dụng và mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao ổn định chất lượng điện áp của hệ thống điện. Các thiết bị thường dùng là: thiết bị bù tĩnh có điều khiển thyristor hay triắc (SVC), thiết bị bù dọc có điều khiển (TCSC). Các thiết bị này cho phép chúng ta vận hành hệ thống điện một cách linh hoạt, hiệu quả cả trong chế độ bình thường hay sự cố nhờ khả năng điều chỉnh nhanh công suất phản kháng và các thông số khác (trở kháng, góc pha) của chúng. Việc nghiên cứu thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh nhanh bằng thyristor hay triắc đối với việc nâng cao ổn định và chất lượng điện áp của hệ thống điện Việt Nam trong tương lai và nhiệm vụ rất cần thiết. Nhằm mở ra một hướng mới trong việc áp dụng các phương pháp điều chỉnh, điều khiển hoạt động của hệ thống điện. Bản luận văn sẽ đưa ra những đánh giá bước đầu hiệu quả của thiết bị bù nhanh đối với công suất phản kháng trong chế độ vận hành hệ thống điện. Bản luận văn trình bày ứng dụng phần mềm mô phỏng vào việc thiết kế, phân tích hệ điều khiển bù công suất phản kháng SVC. Tuy nhiên, còn giới hạn về nhiều mặt nên bản thuyết minh không tránh khỏi những thiếu sót, nên rất mong các Thầy, Cô chỉ bảo để nội dung của đề tài được hoàn thiện hơn. 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy giáo T.S Nguyễn Thanh Liêm cùng toàn thể các Thầy, Cô trong bộ môn. Kính chúc các Thầy, Cô mạnh khoẻ và Hạnh phúc! Tác giả Nguyễn Thế Vĩnh 12 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1 THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 1.1. HỆ THỐNG ĐIỆN HỢP NHẤT VÀ NHỮNG YÊU CẦU ĐIỀU CHỈNH NHANH CÔNG SUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG VÀ SỰ CỐ. 1.1.1. ĐẶC ĐIỂM. Hiện nay, xu hướng hợp nhất các HTĐ nhỏ thành HTĐ hợp nhất bằng các đường dây siêu cao áp đang được phát triển tại nhiều quốc gia, khu vực trên khắp thế giới. Đây là xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại nhằm nâng cao tính kinh tế - kỹ thuật trong sản xuất, vận hành các hệ thống điện thành viên. Cụ thể: + Giảm lượng công suất dự trữ trong toàn hệ thống do hệ thống lớn nhờ khả năng huy động công suất từ nhiều nguồn phát. + Giảm dự phòng chung của HTĐ liên kết, qua đó giảm được chi phí đầu tư vào các công trình nguồn - một gánh nặng lớn trong việc phát triển HTĐ. + Tăng tính kinh tế chung của cả hệ thống lớn do tận dụng được các nguồn phát có giá thành sản xuất điện năng thấp như thuỷ điện, các nguồn nhiệt điện có giá thành rẻ như tuabin khí, điện nguyên tử... + Tăng hiệu quả vận hành HTĐ do có khả năng huy động sản xuất điện từ các nguồn điện kinh tế và giảm công suất đỉnh chung của toàn HTĐ lớn. + HTĐ hợp nhất vận hành linh hoạt hơn so với phương án vận hành các hệ thống riêng rẽ nhờ sự trao đổi, hỗ trợ điện năng giữa các hệ thống thành viên. + Giảm giá thành điện năng do tận dụng được công suất tại các giờ thấp điểm của phụ tải hệ thống điện thành viên để cung cấp cho hệ thống khác nhờ chênh lệch về múi giờ. + Giảm được chi phí vận hành, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong việc sửa chữa, đại tu các thiết bị trong toàn hệ thống. + Nâng cao độ dự trữ ổn định tĩnh của hệ thống, qua đó nâng cao độ tin cậy cung cấp điện do công suất dự trữ chung của cả HTĐ hợp nhất là rất lớn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13
Ngoài các lợi ích đã nêu ở trên, việc hợp nhất các hệ thống điện còn cho phép dễ dàng trao đổi năng lượng thương mại giữa các khu vực, quốc gia thành viên góp phần thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Việc hợp nhất hệ thống điện là cơ sở cho việc hình thành các “thị trường điện” (Power pool), một xu hướng phát triển tất yếu của các hệ thống điện hiện đại được hình thành từ những năm cuối thế kỷ 20 và sẽ phát triển mạnh mẽ trong thế kỷ 21. 1.1.2. 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 có đường dây siêu cao áp, 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 nay, 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. Đối với đường dây siêu cao áp 500kV, khoảng cách giữa các trạm đặt kháng bù ngang thường không quá 600km. + 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. 1.1.3. 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 siêu cao áp 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 10%), song từ trường lại thay đổi trong dải khá rộng theo sự thay đổi của dòng điện tải của đường dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14
+ 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.Uf2 + Công suất điện trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QE = 3..C.Uf2.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.I2 + Công suất từ trường của ba pha của đường dây có chiều dài l là: QM = 3.WM.l = 3.L.I2.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..C.Uf2.l - 3.L.I2.l  L.I 2  Q  3.l.C.U 2 1   f C.U 2   f + Khi công suất phản kháng của đường dây bằng 0, ta có:   2 1  L.I 2 0  C.U    f C Uf I Uf   ITN  L ZC Trong đó: L ZC  là tổng trở sóng của đường dây. C Khi đó, đường dây tải dòng điện tự nhiên ITN. 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 siêu cao áp không tiêu thụ hay phát thêm công suất phản kháng. 3.U 2 PTN  f ZC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15
Việc bù thông số của đường dây siêu cao áp làm tăng khả năng tải của đường dây và qua 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 siêu cao áp. 1.1.4. BÙ DỌC VÀ BÙ NGANG TRONG ĐƯỜNG DÂY SIÊU CAO ÁP. Các đường dây siêu cao áp 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 các đường dây siêu cao áp có chiều dài lớn, đặc biệt là những đường dây có chiều dài gần 1/4 bước sóng như đường dây 500kV Bắc - Nam ở Việt Nam. 1.1.4.1. Bù dọc. Trị số cảm kháng lớn của đường dây siêu cao áp 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  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  giữa vectơ điện áp giữa hai đầu đường dây giảm xuống khá nhiều. Qua đó, ta thấy được hiệu quả của bù dọc: * Ổn định điện áp: + Giảm lượng sụt áp với cùng một công suất truyền tải. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16
+ Điểm sụp đổ điện áp được dịch chuyển xa hơn. * Ổn định về góc lệch : + Làm giảm góc lệch  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 truyền tải của đường dây: + Trước khi bù dọc, công suất truyền tải trên đường dây là: U1.U 2 sin  P 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 sin  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 = (XL - XC)/XC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17
Hình 1.1: Hiệu quả của bù dọc trên đường dây siêu cao áp * 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: XC KC  100% XL Thông thường, đối với các đường dây siêu cao áp thì hệ số bù dọc KC từ 40 - 75% tuỳ theo chiều dài của đường dây. 1.1.4.2. Bù ngang. 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 trạ m 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18
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 siêu cao áp trong hệ thống điện như chế độ vận hành non tải, không tải... của đường dây. + Trong chế độ không tải, phía nguồn khép mạch, phía tải hở mạch thì các nguồn phát vẫn phải phát công suất tác dụng rất lớn để bù vào tổn thất điện trở của đường dây và máy biến áp. Để khắc phục sự quá áp và quá tải máy phát ta phải đặt kháng bù ngang tại một số điểm trên đường dây. + Trong chế độ non tải (PTải < PTN), thì công suất phản kháng trên đường dây thừa và đi về hai phía của đường dây. Để đảm bảo được trị số cos cho phép của máy phát, ta phải đặt kháng bù ngang ở đầu đường dây để tiêu thụ công suất phản kháng. + Trong chế độ tải cực tiểu, công suất phản kháng do đường dây sinh ra rất lớn (đối với đường dây siêu cao áp 500kV với Qo 1MVAR/km) nên ta phải đặt các kháng bù ngang phân bố dọc theo đường dây để tiêu thụ lượng công suất phản kháng này. Thông thường, khoảng cách giữa các kháng bù ngang từ 200 - 500km. + Công suất phản kháng của đường dây phát ra trong chế độ không tải được tính gần đúng như sau: QC  U dd .bo .l 2 Trong đó: Udd: Điện áp danh định của đường dây. l: chiều dài của đường dây. + Đối với các đường dây siêu cao áp có điện áp 330  750kV thì ta có thể sử dụng các quan hệ gần đúng như sau: Xo.bo 1,15.10-6 Xo ZC  bo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19