TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
1
QUAN HỆ ĐIỆN TỪ TRONG KHÁNG BÙ NGANG
CÓ ĐIỀU KHIỂN KIỂU MÁY BIẾN ÁP
ELECTROMAGNETIC RELATIONS IN TRANSFORMER
TYPED CONTROLLED SHUNT REACTORS
Lê Thành Bắc
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Bài báo trình bày các bước thiết lập quan hệ điện từ giữa các thông số của các cuộn
dây trong kháng bù ngang có điều khiển kiểu biến áp với các đại lượng, thông số đường dây và
góc mở của các thyristor khi thực hiện điều khiển kháng. Trên cơ sở các quan hệ điện từ được
thiết lập ứng dụng phần mềm Matlab để khảo sát sự biến đổi của các dòng điện trong các cuộn
dây kháng điện trong quá trình quá độ khi công suất truyền tải trên đường dây biến đổi và
kháng được điều khiển theo hàm để bù 100% công suất phản kháng dư trên đường dây truyền
tải. Các kết quả nhận được cho thấy kháng điều khiển kiểu biến áp có thời gian tác động rất
nhanh và không làm méo dạng dòng điện trên lưới.
ABTRAST
The paper presents the steps in establishing electromagnetic relations of transformer
typed controlled shunt reactors windings’s parameters to transmission line parameters, firing
delay angle of thysistor in the control of the reactors. Based on the established electromagnetic
relations, the changing of the reactor winding currents is shown by the Matlab-Simulink software
when the transformer typed controlled shunt reactors is applied to the power system to make full
compensation (100%) charging capacity after the change of transmission lines power transfer.
The results show that the transformer typed controlled shunt reactors responding time is very
fast and the control does not make current distortion in the power system.
1. Đặt vấn đề
Liên tục trong mấy năm gần đây, sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế kéo theo
tăng nhu cầu tiêu thụ điện ở nước ta hàng năm luôn ở mức 16–17%. Để có lời giải hợp
lý cho vấn đề thiếu hụt năng lượng thì việc giải bài toán giảm tổn thất và nâng cao chất
lượng hệ thống truyền tải điện đang được đặt ra như là đòi hỏi vô cùng cấp bách. Hướng
nghiên cứu ứng dụng các loại thiết bị mới trong đó có kháng điều khiển vào hệ thống
truyền tải Việt Nam nhằm ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ ổn
định hệ thống là một giải pháp cần thiết và mang tính khả thi cao. Kháng bù ngang có
điều khiển kiểu máy biến áp là loại kháng điều khiển tích hợp khá nhiều ưu điểm như:
tác động nhanh, không gây méo dạng dòng điện lưới, có tổn hao rất nhỏ, được mắc cố
định vào lưới truyền tải, có độ tin cậy làm việc rất cao và giá thành không đắt hơn đáng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
2
kể so với máy biến áp cùng cấp điện áp [1,3]. Để có thể sớm ứng dụng loại thiết bị này
vào hệ thống điện nước ta thì trước mắt rất cần thiết những nghiên cứu cụ thể và chi tiết
phục vụ công tác lắp đặt, vận hành và tiến tới tự thiết kế chế tạo.
Bài báo trình bày những nghiên cứu về quan hệ điện từ trong kháng bù ngang có
điều khiển kiểu máy biến áp và thực hiện mô phỏng trên Matlab – Simulink nhằm khảo
sát đánh giá quan hệ giữa các thông số kỹ thuật của kháng khi được điều khiển theo hàm
xác định.
2. Nguyên lý làm việc của kháng bù ngang kiểu biến áp
Sơ đồ nguyên lý và mạch điện thay thế một pha của kháng bù ngang có điều
khiển kiểu biến áp trên hình 1. Điện áp trên 3 cuộn dây tương ứng: cuộn lưới Uf, cuộn
bù U3 và cuộn điều khiển U2. Cả ba điện áp này đồng pha nhau do cùng được quấn
chung trên một trụ của lõi thép. Tương ứng 3 dòng điện tại cùng thời điểm là dòng điện
cuộn lưới I1, dòng điện cuộn bù I’3 (quy đổi về cuộn lưới là I3) và dòng điện cuộn điều
khiển I’2 (quy đổi về cuộn lưới là I2). Số vòng dây 3 cuộn lần lượt là W1, W3 và W2.
Công suất 1 pha của cuộn dây lưới phía cao áp là Svào = UfI1, phía hạ áp là: Sra = S3 +
S2 =U3I’3 + U2I’2 (1)
Bỏ qua tổn thất công suất trong kháng thì: Svào = Sra ↔ UfI1 = U3I’3 + U2I’2 (2)
Ở chế độ làm việc bình thường khi điện áp lưới Uf = const thì U2 = f(α); I2 = f(α)
với
là góc mở các van T, từ (2) ta thấy dòng điều khiển I1 luôn phụ thuộc vào I2: I1 =
f(I2) hay nói cách khác ta cần điều khiển dòng I2 theo hàm yêu cầu khi phụ tải trên
đường dây thay đổi.
Trong chế độ không tải dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ra (IC) lớn
nhất làm cho điện áp ở cuối đường dây dài tăng cao, nên ta cần bù dòng kháng I1 cực
đại mang tính cảm để khử dòng dung tương ứng. Theo quan hệ (2) thì dòng điều khiển
qua van I2 lúc này cũng cực đại, ứng với góc mở αmin. Ở chế độ tải bằng tự nhiên (Ptn)
dòng điện trên đường dây do dung dẫn tạo ra (IC) bằng với dòng điện IL (dòng điện cảm
đặc trưng cho công suất phản kháng trên đường dây khi có tải) IC = IL (Qc= QL đường
dây tự bù 100%). Khi đó ta chỉ cần bù dòng kháng I1 nhỏ, lúc này dòng điện qua cuộn
lưới của kháng là cực tiểu (I1=I1.min). Theo quan hệ (2) thì dòng qua cuộn điều khiển và
qua van I2 lúc này cũng cực tiểu, ứng với góc mở αmax (T1 và T2 đóng hoàn toàn).
Còn ở chế độ khi làm việc với tải trong khoảng từ 0 đến Ptn thì dòng điện trong
cuộn điều khiển W2 có quan hệ hàm số với góc mở van I2= f(α)
3. Các quan hệ điện từ trong kháng điều khiển kiểu máy biến áp
Đối với kháng có công suất lớn thì thành phần điện trở ở các cuộn dây rất bé so
với thành phần điện kháng, do đó khi xét đến quan hệ dòng điện giữa các cuộn dây ta bỏ
qua thành phần điện trở mà chỉ quan tâm đến thành phần điện kháng của nó. Khi đó, sơ
đồ thay thế của kháng điều khiển kiểu biến áp được cho trong hình 1,b.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
3
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thay thế 1 pha của kháng bù ngang kiểu biến áp
Trong đó: X1 là điện kháng của cuộn dây lưới; X2 là điện kháng cuộn dây điều khiển đã quy đổi; X3 là
điện kháng cuộn bù đã quy đổi; L3, C3 là điện cảm và điện dung cuộn lọc sóng hài bậc 3; L5, C5 là điện
cảm và điện dung cuộn lọc sóng bậc 5; L7, C7 là điện cảm và điện dung cuộn lọc sóng bậc 7.
Các hệ số quy đổi từ cuộn điều khiển và cuộn bù về cuộn lưới tương ứng là
K21=Uf.đm/U2.đm và K31=Uf.đm/U3.đm, với U2.đm và U3.đm là điện áp định mức của cuộn dây
điều khiển W2 và cuộn dây bù W3.
Khi kháng làm việc (tương tự máy biến áp có 3 cuộn dây) thì thành phần hỗ cảm
giữa các cuộn dây (hình 1b) được xem tương đương như 3 điện kháng khép kín hình
tam giác và được xác định theo [5,6] như sau:
- Hỗ cảm giữa cuộn dây lưới và cuộn dây điều khiển:
min01
2
1
27
12 /).10.8( XFfNX
(3)
- Hỗ cảm giữa cuộn dây lưới và cuộn dây bù:
min02
2
1
27
13 /..10.8 XFNfX
(4)
- Hỗ cảm giữa cuộn điều khiển và cuộn bù:
min03
2
1
27
23 )1(/..10.8 XFNfX
(5)
Trong đó: F1, F2, F3 là các tiết diện quy đổi của cuộn điều khiển, cuộn bù về
cuộn lưới và của cuộn điều khiển về cuộn bù; N1 là số vòng dây cuộn lưới; f là tần số
lưới điện; ℓ0 là chiều cao trụ mạch từ; Xmin là điện kháng vào nhỏ nhất của kháng điện
tương ứng với các van điều khiển mở hoàn toàn làm ngắn mạch cuộn điều khiển, lúc
này công suất bù của kháng cực đại (Xmin=
đmkf QU .
2/
và tương ứng I1=Imax, I2=I2.max).
Với δ gọi là hệ số cấu trúc của kháng kiểu biến áp, thường lấy từ 0,5 đến 0,8 phụ thuộc
cách bố trí và khoảng cách cách điện giữa 3 cuộn dây của kháng bù ngang [5]. Quan hệ
của các thành phần điện kháng trong kháng điện là:
X12 = X13 + X23 ; X1 = 0,5(X12 + X13 – X23 ) = X13 ;
X2 = 0,5(X12 + X23 – X13 ) = X23 ; X3 = 0,5(X13 + X23 – X12 ).
Với: X13 =δX12 ; X23 ≈ X12 – δX12 = (1-δ)X12 (6)
W1
С3
W2
Т1
W3
С5
С7
L3
L5
L7
MC
i’3
a)
Uf
i1=ik
X3
X2
X1
T1
T2
M13
M12
M23
i3
i2
b)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
4
Từ các biểu thức (4), (5), (6) ta có quan hệ giữa điện kháng của các cuộn dây với
thành phần hỗ cảm là: X1 = δ X12; X2 = (1-δ)X12; X3 = 0. Hỗ cảm giữa các cuộn dây
chính (cuộn lưới, điều khiển, bù) với các cuộn dây trên mạch lọc các sóng hài do dòng
điện bậc k gây ra:
min231212.1 5,0 XkXXXkX k
;
min312312.2 )1(5,0 XkXXXkX k
;
05,0 122313.3 XXXkX k
.
Nếu chỉ xét các thành phần hỗ cảm do các dòng điện sóng hài bậc k gây ra trong
cuộn lưới và cuộn bù thì: X12 = Xmin; X13 = Xmin (1+δ ) ; X23 = δXmin. Thay vào các
phương trình trên ta có:
minminminmin.1 )1(.5,0 kXXXXkX k
;
0)1(.5,0 minminmin.2 XXXkX k
;
minminminmin.3 )1(.5,0 XkXXXkX k
Do đó trở kháng tương đương của vòng gồm cuộn lưới và cuộn bù dưới tác dụng của
sóng hài bậc k sẽ là:
1min
minmin
minmin
.3.1
.3.1
31
X
k
XkkX
XkkX
XX
XX
X
kk
kk
(7)
Từ hình 1b và các biểu thức trên, các quan hệ dòng điện chạy trong các cuộn
dây kháng điện:
Dòng điện hài bậc k chảy trong cuộn bù:
1
1
max
.3
31
3. I
X
XI
Ik
k
k
k
(8)
Dòng điện hài bậc k chảy trong cuộn lưới:
1
max
.1
31
1. I
X
XI
Ik
k
k
k
(9)
Trong đó hệ số
max
/IIkk
. Ta có tỷ số 2 dòng điện sóng hài bậc k chạy trong
cuộn lưới và cuộn bù:
3.1. /kk II
.
Điện kháng của cuộn điều khiển
min2 )1( XX
, với sơ đồ hình 1,b thì tổng
trở của kháng tương ứng với góc mở
của thyristor theo [5] là:
121
1
.2
min
32
32
12
32
32
1
X
XX
XX
X
XX
XX
XXkh
(10)
Phương trình cân bằng điện áp khi kháng bù làm việc là:
1122 XIjUXIj f
(11)
Hay theo [6] thì


2
4)21(1
)1( 22
121122
ff UXIUXI
(12)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(38).2010
5
Từ (3) và (12) ta có dòng điện trong cuộn điều khiển khi kháng làm việc là:
)21(4)21(
4)21(1
.
122
22
max2


II
(13)
Tỷ số giữa dòng điện trong cuộn điều khiển với dòng cực đại trong cuộn dây lưới:
22
22
max
2
12 4)21(1
)21(4)21(
.
1


I
I
K
(14)
Điện áp trên cuộn điều khiển khi có dòng trong cuộn dây điều khiển:
22
1224)21(1
2
)1(
2


f
X
U
XIU
(15)
Ta có công suất 1 pha của kháng tương ứng với góc mở
của thyristor và hệ số
điều khiển bù
của kháng là:
)1(
121
... 2
min
2
2
2
min
2
max.
X
U
X
U
XIXIQQ f
kh
f
khkđmkk
(16)
Vậy ứng với góc mở
của thyristor, hệ số kết cấu kháng
, điện áp của lưới
Uf, điện kháng vào nhỏ nhất Xmin (tương ứng khi kháng bù với công suất định mức) và
hàm điều khiển mức bù
thì căn cứ vào các biểu thức trên ta có thể xác định dễ dàng
dòng điện trong các cuộn dây và công suất tương ứng của kháng bù ngang kiểu biến áp.
4. Quan hệ của góc điều khiển thyristor trong kháng điện với phụ tải đường dây
Công suất phản kháng dư của đường dây có độ dài sóng
s
sinh ra khi có tải
[2,4] là:
2
s/-1λtntnttđtdPPPQQQ
(17)
Nếu muốn kháng bù hết 100% công suất phản kháng trên đường dây nhằm giảm
tổn thất công suất trên đường dây khi truyền tải, tức cân bằng công suất Qđd = Qđt- Qtt +
Q2 - Qk = 0. Trong đó Qtt, Qđt , Q2, Qk lần lượt là công suất từ trường (do dòng tải gây ra
trên điện kháng đường dây), công suất điện trường của đường dây (do dung dẫn gây ra),
công suất phản kháng cung cấp cho tải, công suất bù của kháng bù ngang. Để bù 100%
công suất phản kháng có trên đường dây (Qđd=0) thì hàm điều khiển của kháng bù
ngang Qk phải có dạng là:
)λ/(/-1 βstn2
2
tn PQPP
(18)
Trong trường hợp nếu có Q2 = P2.tanφ = 0, tức là đường dây không truyền tải công
suất phản kháng cho tải thì để kháng bù hết công suất phản kháng dư cần hệ số bù:
22 )/(1)/(1 tntn IIPP
) (19)
Từ luật điều khiển (18) ta có công suất phản kháng của kháng cần cung cấp cho
đường dây (tính theo 1 pha):