Ứng dụng công nghệ lưới điện thông minh bằng phần mềm ETAP: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Ứng dụng công nghệ lưới điện thông minh bằng phần mềm ETAP" trình bày các nội dung: Tính toán lựa chọn máy biến áp, tối ưu lắp đặt tụ bu, phối hợp và bảo vệ quá dòng mạng điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng công nghệ lưới điện thông minh bằng phần mềm ETAP: Phần 2

2
Chương 5 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN BIẾN ÁP 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1. Tính toán công suất phụ tải Việc tính toán lựa chọn dung lượng máy biến áp vô cùng quan trọng trong việc tính toán thiết kế mạng điện phân phối cho các phụ tải. Nếu tính toán dung lượng dư quá nhiều sẽ gây lãng phí, vì chi phí lắp đặt máy biến áp rất lớn và thay đổi khá nhiều ở từng mức dung lượng khác nhau. Nếu tính toán không đủ đáp ứng cho phụ tải sẽ gây tình trạng thường xuyên quá tải, rất nguy hiểm cho máy biến áp và không đảm bảo nguồn điện ổn định cho phụ tải. 1.2. Tính toán dung lượng máy biến áp theo sơ đồ phân bố phụ tải trong mạng điện Giả sử có một mạng điện có phụ tải phân bố như hình. Hình 5.1. Phân bố tải phân nhánh Công suất tác dụng của phụ tải trong một nhóm tải: P= (5.1) 54
Với: Pi là công suất tác dụng của các phụ tải song song trong một nhóm. Tính toán công suất tác dụng tổng của các nhánh cũng tương tự. Công suất phản kháng của các phụ tải trong nhóm: Q= (5.2) Với: Qi là công suất phản khác của từng tải. tanϕi được tính ra từ hệ số công suất cosϕi của từng phụ tải. Tính công suất phản kháng tổng của các nhánh cũng tương tự. Giá trị cần dùng sau cùng để lựa chọn dung lượng máy biến áp là công suất biểu kiến của toàn bộ phụ tải. S= (5.3) Còn một cách khác để tính giá trị công suất biểu kiến tổng phụ tải thông qua hệ số công suất trung bình: Cosϕtb = (5.4) Với Cosϕi là hệ số công suất từng phụ tải, n là số phụ tải trong hệ thống. Vậy công suất biểu kiến cần tính: S= (5.5) Với: Ptổng: tổng công suất tác dụng của toàn bộ phụ tải Lưu ý: Chỉ được cộng tổng công suất tác dụng P, tổng công suất phản kháng Q của các phụ tải, không được cộng công suất biểu kiến S của các phụ tải với nhau. Sau khi tính toán được công suất biểu kiến của toàn bộ phụ tải ta tiến hành chọn dung lượng máy biến áp theo công thức: SMBA ≥ S (5.6) 1.3. Tính toán dung lượng máy biến áp theo đồ thị phụ tải Giả sử có đồ thị phụ tải như hình dưới: 55
Hình 5.2. Đồ thị phụ tải Nhận thấy công suất cực đại Pmax và hệ số công suất cosϕ của phụ tải sẽ tính được Smax để áp dụng các công thức tính toán chọn máy biến áp. Lưu ý: Đôi khi đồ thị phụ tải sẽ sử dụng công suất biểu kiến S hoặc thỉnh thoảng dùng công suất phản kháng Q. Cần đọc kỹ đồ thị để không bị nhầm lẫn. a) Tính toán theo phương pháp 3% SMBA ≥ (5.7) Với: kqtbt = 1 + 0.3(1 – kđk) là hệ số quá tải bình thường Mà kđk = là hệ số điền kín đồ thị phụ tải b) Tính toán theo phương pháp quá tải sự cố SMBA ≥ (5.8) Với: kqtsc = 1.3 là hệ số quá tải sự cố n: số máy biến áp (n ≥ 2) Thông thường cách tính này dùng để áp dụng cho tải loại 1, loại 2 với số máy biến áp từ 2 máy trở lên. Tải loại 3 số máy biến áp là 1 thì công thức trên vô nghĩa. c) Tính toán theo phương pháp đẳng trị (độ chính xác cao) Thực hiện các bước như sau: • Bước 1: Chọn ước lượng giá trị máy biến áp Sđm (nên chọn nhỏ hơn một tí so với giá trị Smax của đồ thị phụ tải để tạo thời gian quá tải) 56
• Bước 2: Xác định thời gian - Non tải: t1 (10 giờ trước hoặc sau khi quá tải) - Quá tải: t2 (thời gian MBA quá tải) • Bước 3: Tính các công suất đẳng trị Sđt1 = (5.9) Với Si, ti là các công suất và thời gian nằm trong khoảng thời gian 10 tiếng trước hoặc sau khi quá tải t1 Sđt2 = (5.10) Với Sj, tj là các công suất và thời gian nằm trong khoảng thời gian quá tải t2 • Bước 4: Tính hệ số non tải K1 và quá tải K2 K1 = , K2 = (5.11) Từ K1 và thời gian quá tải, ta tra đồ thị đường cong quá tải cho phép của hãng máy biến áp phù hợp để tìm hệ số quá tải cho phép K2cp Hình 5.3. Ví dụ về đường cong quá tải cho phép của máy biến áp ABB, phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường lắp đặt 57
• Bước 5: So sánh Nếu K2 < K2cp → Chấp nhận công suất máy biến áp đã chọn Nếu K2 > K2cp → Chọn tăng lên công suất máy biến áp ước lượng ban đầu và tính lại đến khi thỏa điều kiện K2 < K2cp 1. LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP Sau khi có được công suất biểu kiến sau cùng của toàn bộ phụ tải, ta chọn dung lượng máy biến áp. Dãy công suất danh định máy biến áp cao thế thông dụng: 25, 32, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630, 1000 MVA. Ngoài ra cũng nên chú ý việc lựa chọn các đặc tính phân biệt các loại máy biến áp và phương thức lắp đặt cho phù hợp: - Biến áp dầu, biến áp khô. - Biến áp 2 cuộn dây, biến áp 3 cuộn dây. - Phương thức lắp đặt: Trạm treo (thường cho biến áp 1 pha, khối lượng nhỏ), trạm giàn (trạm chữ H), trạm nền, nhà trạm (công suất lớn), trạm hợp bộ (tích hợp với các thiết bị đóng cắt, đo lường),... 2. ỨNG DỤNG ETAP CHỌN MÁY BIẾN ÁP 2.1. Thẻ Rating (thông số cơ bản của biến áp) Sau khi xây dựng được sơ đồ đơn tuyến, ta nháy đúp vào máy biến áp để tùy chỉnh thông số máy biến áp. 58
Hình 5.4. Giao diện thẻ Rating của máy biến áp Thông số điện áp (Voltage Rating): ta chọn thông số điện áp vào cuộn sơ cấp (Prim) và điện áp ra ở cuộn thứ cấp (Sec). Có thể ở đây ta dùng 3 máy biến áp 1 pha để thay thế máy biến áp 3 pha, thì khi 3 máy 1 pha đấu theo kiểu tam giác, điện áp chính là điện áp trung bình của 3 máy biến áp 1 pha. Còn khi đấu kiểu hình sao thì điện áp sẽ là gấp 3 lần (~1.73 lần) điện áp trung bình của 3 máy 1 pha. Khi có nhiều máy biến áp song song có tỷ số điện áp không bằng nhau phải chỉnh sửa lại sao cho chúng bằng nhau. Thông số FLA: chính là dòng điện cuộn sơ cấp và thứ cấp khi đầy tải (Full Load Ampere). FLA bên trái là khi máy biến áp chạy với công suất tải nhỏ nhất. Còn FLA bên phải là khi máy biến áp chạy với công suất cực đại. Thông số Nominal Bus kV: là thông số điện áp danh định kết nối với cuộn thứ cấp và sơ cấp của máy biến áp. 59
Hình 5.5. Vùng Power Rating Thông số công suất (Power Rating): đây là công suất máy biến áp ta ước lượng trước cho hệ thống. * Lưu ý rằng công suất ước lượng của máy biến áp phải lớn hơn hoặc bằng công suất của phụ tải nối vào phía thứ cấp của máy biến áp khi đầy tải. Nếu nhỏ hơn công suất tải, chương trình sẽ báo lỗi khi chạy mô phỏng phân bố công suất. Installation: Là thông số môi trường lắp đặt máy biến áp, bao gồm độ cao (Alitude) và nhiệt độ môi trường (Ambient Temp) Hình 5.6. Vùng xét thông số môi trường Type/Class: là thông số chủng loại và phương thức làm mát máy biến áp, phụ thuộc vào tiêu chuẩn người dùng lựa chọn ANSI hoặc IEC. Có các thông số lựa chọn gồm: Hình 5.7. Vùng chọn đặc tính chủng loại MBA 60
• Loại điện môi (Type) gồm biến áp dầu/khô; phân loại nhỏ hơn của biến áp dầu/khô (Sub Type); • Phương thức làm mát máy biến áp (Class) phụ thuộc vào loại điện môi của máy biến áp và tiêu chuẩn ANSI/IEC Theo tiêu chuẩn ANSI C57.12, máy biến áp dầu: Bảng 5.1: Tiêu chuẩn ANSI C57.12, máy biến áp dầu Theo tiêu chuẩn ANSI máy biến áp khô: Bảng 5.2: Tiêu chuẩn ANSI C57.12, máy biến áp khô Theo tiêu chuẩn IEC, máy biến áp dầu: Bảng 5.3: Tiêu chuẩn IEC, máy biến áp dầu 61
Theo tiêu chuẩn IEC, máy biến áp khô: Bảng 5.4: Tiêu chuẩn IEC, máy biến áp khô 2.2. Thẻ thông số trở kháng máy biến áp (Impedance) Hình 5.8. Giao diện thẻ trở kháng máy biến áp Trở kháng thứ tự thuận và thứ tự không (Positive and Zero Sequence Impedance): Đây là những thông số trở kháng thứ tự thuận và thứ tự không trong các cài đặt thông số danh định (đơn vị %) và là những thông số cơ bản của máy biến áp cùng với dung lượng và mức điện áp. Tỷ lệ X/R, R/X: Nhập giá trị này vào để ETAP tính toán trở kháng của các cuộn dây và có liên hệ với phần trăm trở kháng đã cho trước đó. %X và %R: Được tính từ phần trăm trở kháng và tỷ lệ X/R, R/X đã cho trước đó. 62
Nút Typical Z & X/R và nút Typical X/R: Là các nút mà khi bấm chọn thì ETAP sẽ tự động cho các thông số điển hình dựa theo tiêu chuẩn ANSI C57.12.10 của Mỹ và Sổ tay Hệ thống Điện Công nghiệp của Beeman. 2.3. Thẻ nối đất (Grounding) Hình 5.9. Giao diện thẻ Grounding Phase Shift (Dịch chuyển pha): Cho phép người dùng dịch chuyển pha liên quan đến máy biến áp, hiển thị nối đất trong group vector hoặc cách đấu dây trên sơ đồ đơn tuyến. • Symbol: Hiển thị ký hiệu tổ đấu dây của biến áp trên sơ đồ đơn tuyến. Khi người dùng click chọn hiển thị thì sẽ ra kết quả thế này. 63
Hình 5.10. Hiển thị kiểu đấu dây và nối đất của MBA • Angle: Góc dẫn pha giữa điện áp cao so với điện áp thấp. Ví dụ chọn giá trị -30o thì điện áp cao dẫn trước điện áp thấp một góc -30o hoặc có thể hiểu là điện áp thấp dẫn trước điện áp cao góc 30o điện. Vậy góc -30o tương ứng với góc 11 giờ trong kim đồng hồ. Đó chính là con số 11 trong dãy “Dyn11”. Grounding Type (Kiểu nối đất): Đối với kiểu đấu sao, các kiểu nối đất được liệt kê trong bảng 3.5 sau: Kiểu nối đất Mô tả Open (hở) Trung tính không nối đất Solid (Chất rắn) Nối đất bằng chất rắn, không có điện kháng đáng kể trong đường nối đất. Resistor (Điện trở) Sử dụng điện trở nối đất Reactor (Điện kháng) Sử dụng điện kháng nối đất Xfmr Reactor Sử dụng nối đất trung tính bằng điện kháng ở cuộn thứ cấp của biến áp nối đất phụ Xfmr Resistor Sử dụng nối đất trung tính bằng điện trở ở cuộn thứ cấp của biến áp nối đất phụ Bảng 5.5: Các kiểu nối đất 64
2.4. Thẻ định kích thước biến áp (Sizing) Trước hết, ta chạy sơ đồ đơn tuyến ở chế độ phân bố công suất. Ví dụ ta thu được kết quả chạy phân bố công suất như sau. Hình 5.11. Ví dụ ta thu được kết quả chạy phân bố công suất Để truy cập vào module kích thước biến áp, nháy đúp vào ký hiệu máy biến áp 2 cuộn dây trên sơ đồ đơn tuyến để truy cập vào trình chỉnh sửa thông số biến áp. Sau đó click chọn thẻ Sizing. 65
Hình 5.12. Giao diện thẻ Sizing Transformer Loading: Thể hiện thông số tải mà máy biến áp kết nối đang chạy, từ đó sử dụng thông số này để định lại dung lượng máy biến áp cho phù hợp. MVA: Thể hiện thông số tổng phụ tải đang chạy (khi bấm nút Operating) hoặc công suất danh định của tải đã kết nối (khi bấm nút Connected). Đây là thông số quan trọng để tính toán chọn dung lượng máy biến áp. 66
Hình 5.13. Biểu tượng Study Case Editor Hình 5.14. Tùy chọn Operating Load & Voltage Sau đó Click chọn nút Operating thì dữ liệu của máy biến áp sẽ được cập nhật. 67
Hình 5.15. Công suất thực chế độ Operating Load Variation: Những yếu tố làm thay đổi phụ tải có thể ảnh hưởng đến việc tính chọn dung lượng biến áp. Hình 5.16. Yếu tố phụ tải thay đổi chọn máy biến áp • Growth Factor là tương lai phát triển của phụ tải. ETAP mặc định tải vẫn sẽ giữ nguyên trong tương lai nên giá trị sẽ là 100%. Người dùng có thể nhập tay để thay đổi giá trị này, và sẽ tác động đến việc tính toán dung lượng máy biến áp. Result (Kết quả): Hình 5.17. Kết quả công suất đề nghị của ETAP Sau khi nhập tất cả các thông số cần thiết, ETAP sẽ tự tính kết quả và hiển thị bên dưới giao diện của thẻ Sizing. Ta có thể thấy còn 2 vùng Larger Size và Smaller Size, nếu cần thiết, ETAP sẽ có thể xuất ra các giá trị lớn hơn và nhỏ hơn giá trị chuẩn đang sử dụng theo các tiêu chuẩn đã áp dụng (có thể không cần thiết). 68
Chương 6 TỐI ƯU LẮP ĐẶT TỤ BÙ 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Yêu cầu lắp đặt tụ bù là do quá trình truyền tải điện thì có khoảng 8% đến 10% năng lượng tổn thất trên lưới điện. Chính do hao hụt công suất mà phần lớn các phụ tải sử dụng năng lượng điện ở hệ số công suất trễ, gây ra bởi trở kháng của các thiết bị phân phối (như máy biến áp, đường dây,…). Hầu hết các tải đều có tính cảm nên cần được cung cấp công suất phản kháng từ lưới điện. Nhưng nhu cầu càng cao thì công suất phản kháng cao quá mức sẽ tăng tổn thất công suất, giảm điện áp và tăng chi phí vận hành. Các tủ tụ điện mắc song song có thể đáp ứng được vấn đề này. Các vấn đề quy mô, vị trí, phương pháp điều khiển cũng như chi phí vận hành là các vấn đề cần được tối ưu hóa trong quá trình thiết kế. 1.1. Lợi ích của việc bù công suất phản kháng Hầu hết các thiết bị sử dụng đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng. Sự truyền tải công suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao lượng công suất và làm tang tổn hao điện áp, và cũng làm cho công suất biểu kiến S tăng lên, dẫn đến chi phí xây dựng đường dây tăng lên. Vì thế việc bù công suất phản kháng cho lưới điện có các mặt tích cực sau: • Giảm tổn thất công suất trong mạng điện Tổn thất công suất trong mạng điện được tính theo công thức: (6.1) Như vậy, nếu giảm được lượng công suất phản kháng Q truyền tải trên đường dây thì sẽ giảm được lượng tổn hao công suất ΔP(Q) do Q gây ra. • Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện 69
Tổn thất điện áp được xác định theo công thức: PR + QX P Q ΔU = = R + X = ΔU(P) + ΔU(Q) (6.2) U U U Như vậy khi giảm Q thì sẽ giảm được lượng tổn hao điện áp ΔU(Q) do Q gây ra. • Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp • Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau: P2 + Q2 I= (6.3) 3U Từ đó cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp ( tức là I = const), có thể tăng khả năng truyền tải của chúng bằng cách giảm công suất phản kháng mà chúng phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến áp, nếu giảm lượng Q truyền đi thì khả năng truyền tải P của chúng được tăng lên, góp phần ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện,… 1.2. Lý thuyết bù kinh tế Tụ điện khi dùng trong việc giảm tổn thất điện năng chỉ có lợi khi khoản tiền tiết kiệm được do hiệu quả giảm tổn thất điện năng được bù vào vốn đầu tư thiết bị bù sau một khoảng thời gian tiêu chuẩn nhất định, và sau đó được tiếp tục trong suốt thời gian tuổi thọ của thiết bị. Việc đặt tụ bù ở đâu, công suất bao nhiêu là kết quả của bài toán kinh tế dựa trên chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất. Chi phí khi đặt tụ bù: Gồm vốn đầu tư và chi phí vận hành cho trạm bù và tổn thất điện năng trong tụ bù. Trong đó vốn đầu tư là thành phần chủ yếu của tổng chi phí. Khi đặt tụ bù còn có nguy cơ quá áp khi phụ tải cực tiểu hoặc không tải và nguy cơ xảy ra cộng hưởng và tự kích thích ở phụ tải. Các nguy cơ này ảnh hưởng đến vị trí và công suất bù. Giải bài toán bù công suất là xác định số lượng trạm bù, vị trí đặt của chúng trên lưới phân phối, công suất bù ở mỗi trạm và chế độ làm việc của 70
tụ bù sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Nói cách khác là làm sao cho hàm mục tiêu theo chi phí đạt giá trị nhỏ nhất. Có hai cách đặt bù: Cách 1: Bù tập trung ở một số điểm trên trục chính trung áp Cách 2: Bù phân tán ở các trạm phân phối hạ áp. Nếu bù theo cách 1, công suất bù có thể lớn, dễ thực hiện việc điều khiển, giá thành đơn vị bù rẻ, việc vận hành và quản lý dễ dàng. Tuy nhiên chỉ bù được công suất phản kháng trên đường dây từ lưới điện đến bị trí bù, còn phần hệ thống bên dưới điểm bù vẫn không có sự thay đổi do tính cục bộ của hệ số công suất đã nêu trên. Bù theo cách 2 sẽ giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng nhiều hơn vì bù sâu hơn. Nhưng bù quá gần phụ tải sẽ có nguy cơ cộng hưởng và tự kích thích ở phụ tải cao. Để giảm nguy cơ này phải hạn chế công suất bù sao cho ở chế độ cực tiểu, công suất bù không lớn hơn yêu cầu của phụ tải. Nếu bù nhiều hơn thì phải cắt một phần bù ở chế độ cực tiểu. Để có thể thực hiện hiệu quả phải có hệ thống điều khiển tự động hoặc điều khiển từ xa, việc này làm tăng thêm chi phí cho trạm bù. Vì vậy, trước khi lập bài toán bù công suất, người thiết kế phải lựa chọn trước cách đặt bù và cách điều khiển tụ bù rồi mới lập bài toán để tìm số lượng trạm bù, vị trí đặt và công suất của mỗi trạm bù. Hàm mục tiêu của bài toán bù là tổng đại số của các yếu tố chi phí và lợi ích đã nêu được lượng hóa về một thứ nguyên chung là tiền. Các yếu tố không thể lượng hóa được và các tiêu chuẩn kỹ thuật thì được thể hiện bằng các ràng buộc và hạn chế. Để giải bài toán bù, cần biết rõ cấu trúc của lưới phân phối, đồ thị phụ tải phản kháng của các trạm phân phối hay ít nhất là biết hệ số sử dụng công suất phản kháng của chúng. Tiếp theo là biết giá cả và các hệ số kinh tế khác, loại và đặc tính kỹ thuật, kinh tế của tụ bù. Nếu tính bù theo tăng trưởng phụ tải thì phải biết hệ số tăng trưởng phụ tải hàng năm. Mặc dù các phương pháp giải có thể khác nhau nhưng các mô hình đều có chung hàm mục tiêu là chi phí cho bù nhỏ nhất trên cơ sở đảm bảo cho các điều kiện kỹ thuật của lưới điện, điện áp trên mọi nút của hệ thống 71
phải nằm trong giới hạn cho phép, nguy cơ mất ổn định điện áp đến mức thấp nhất và làm sao cho tổn thất công suất thấp nhất. Lưu ý là bù kinh tế phải dựa trên cơ sở bù kỹ thuật chứ không thể tách rời. Bù kinh tế chỉ có tác dụng làm tối ưu cho bù kỹ thuật chứ không thay thế hoàn toàn cho bù kỹ thuật. Nên chỉ có thể kết hợp hai khía cạnh này thành một thể thống nhất phù hợp mới tạo ra được lợi ích cho hệ thống. 2. TỔNG QUAN CHỨC NĂNG TÍNH TOÁN LẮP ĐẶT TỤ BÙ CỦA ETAP Giải pháp lý tưởng là một công cụ có thể hỗ trợ người thiết kế cân bằng các yếu tố trên và cả xem xét mức độ của phụ tải. Giải pháp này có thể đưa ra phương án lắp đặt tụ hỗ trợ điện áp và hiệu chỉnh hệ số công suất, đồng thời giảm thiểu tổng chi phí lắp đặt, vận hành. ETAP đã có hỗ trợ công cụ như thế, trong module tối ưu vị trí lắp đặt tụ điện (Optimal Capacitor Placement - OCP). Như giới thiệu ở tiêu chuẩn IEEE 1036-1992 (Hướng dẫn về ứng dụng lắp đặt tụ bù năng lượng), mục đích lắp đặt tụ bù bao gồm: • Hỗ trợ công suất phản kháng. • Điều chỉnh điện áp. • Tăng khả năng mang tải của hệ thống. • Giảm tổn hao công suất. • Giảm chi phí. Để lắp đặt tụ bù cần xem xét các yếu tố: • Công suất cần bù. • Vị trí lắp đặt. • Phương thức điều khiển. • Kiểu mắc tụ (sao hay tam giác). Module OCP cho phép đặt các tụ điện để hỗ trợ điện áp và hiệu chỉnh hệ số công suất và giảm thiểu tổng chi phí, và cho phép xem kết quả nhanh chóng. Phương pháp tính toán chính xác tự động xác định vị trí và kích thước tụ tối ưu. Các khả năng của module OCP được tóm tắt dưới đây: 72