Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.3 MB, 120 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN QUỐC LỰC
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
HỆ THỐNG ĐIỆN
Người hướng dẫn khoa học: TS. BẠCH QUỐC KHÁNH
Hà Nội: 2013
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan toàn bộ luận văn này do chính bản thân tôi nghiên cứu, tính
toán và phân tích.
Số liệu đưa ra trong luận văn dựa trên kết quả tính toán trung thực của tôi, không
sao chép của ai hay số liệu đã được công bố.
Nếu sai với lời cam kết trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả
Nguyễn Quốc Lực
1
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 1
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.......................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................... 9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................ 10
CHƯƠNG MỞ ĐẦU .......................................................................................... 12
1.
Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................. 12
2.
Tên đề tài: “Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng
trong lưới phân phối điện”. ......................................................................... 12
3.
Tóm tắt nội dung luận văn.......................................................................... 12
4.
Ý nghĩa khoa học của đề tài: ...................................................................... 13
5.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................ 14
CHƯƠNG 1......................................................................................................... 16
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ............... 16
1.1. Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lượng điện năng ........................ 16
1.2. Định nghĩa về chất lượng điện năng ........................................................... 17
1.2.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng.............................................................. 17
1.2.2. Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng............................................. 18
1.3. Các hiện tượng về chất lượng điện năng .................................................... 18
1.3.1. Quá độ (transient) ............................................................................................ 18
1.3.1.1. Quá độ xung (Impulsive transient) ............................................ 19
1.3.1.2. Quá độ dao động (Oscillatory transient) .................................. 19
1.3.2. Sự biến thiên điện áp duy trì............................................................................ 20
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage) ........................................................ 20
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage)..................................................... 21
1.3.2.3. Mất điện áp (interruption).......................................................... 21
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn ..................................... 22
1.3.3.1. Tăng điện áp (Swell)................................................................... 22
1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sag) ................................................. 22
1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance) ................................................. 24
1.3.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion)............................................................. 24
2
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
1.3.5.1. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset) ........................... 25
1.3.5.2. Sóng hài (Harmonics) ................................................................ 25
1.3.5.3. Liên sóng hài (Interharmonics) ................................................. 26
1.3.5.4. Đột điện áp (Notching)............................................................... 27
1.3.5.5. Nhiễu (Noise) .............................................................................. 27
1.3.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation)....................................................... 27
1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) ............. 28
1.4. Kết luận ....................................................................................................... 31
CHƯƠNG 2......................................................................................................... 32
HIỆN TƯỢNG SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN VÀ CÁC CHỈ SỐ
ĐÁNH GIÁ ........................................................................................................ 32
2.1. Định nghĩa về hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn ............................... 32
2.2. Nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp ..................................... 32
2.3. Các đặc trưng của hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn ........................ 32
2.3.1. Biên độ voltage sag .......................................................................................... 33
2.3.1.1. Voltage rms (voltage root-mean-square). ................................. 33
2.3.1.2. Thành phần điện áp cơ bản........................................................ 35
2.3.1.3. Điện áp cực đại (Điện áp đỉnh) ................................................. 36
2.3.2. Khoảng thời gian sụt giảm điện áp ................................................................ 37
2.4. Các biện pháp hạn chế hiện tượng sụt giảm điện áp ................................. 39
2.4.1. Hạn chế sự cố xảy ra trên hệ thống................................................................ 40
2.4.2. Giảm thời gian loại trừ sự cố .......................................................................... 40
2.4.2.1. Sử dụng cầu chì hạn chế dòng điện ........................................... 40
2.4.2.2. Sử dụng các thiết bị tự động đóng lại........................................ 41
2.4.3. Cải thiện khả năng chịu đựng sụt áp của các thiết bị.................................. 41
2.4.4. Sử dụng các thiết bị giúp ngăn chặn sụt giảm điện áp ................................ 41
2.4.4.1. Các máy biến áp cộng hưởng sắt từ (CVTs) ............................. 41
2.4.4.2. Các bộ tổng hợp từ tính (Magnetic synthesizers) ..................... 42
2.4.4.3. Thiết bị bù nối tiếp công suất tác dụng ..................................... 42
2.4.4.4. Nguồn cung cấp không bị gián đoạn (UPS) ............................. 42
2.4.4.5. Hợp bộ máy phát – động cơ (Motor - Generator sets)............. 42
3
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
2.4.4.6. Thiết bị lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn (SMES) ............... 43
2.4.4.7. Khóa chuyển đổi tĩnh (Static Transfer Switch) ......................... 43
2.4.4.8. Thiết bị khôi phục điện áp động (Dynamic voltage restorer) .. 43
2.4.5. Thay đối kết cấu lưới........................................................................................ 44
2.5. Một số chỉ số áp dụng để đánh giá chất lượng điện năng[9] ..................... 45
2.5.1. Chỉ số độ tin cậy cung cấp điện ...................................................................... 45
2.5.1.1. Chỉ số ASAI ................................................................................. 45
2.5.1.2. Chỉ số SAIFI ................................................................................ 45
2.5.1.3. Chỉ số SAIDI ............................................................................... 46
2.5.1.4. Chỉ số CAIDI............................................................................... 46
2.5.1.5. Chỉ số CAIFI ............................................................................... 47
2.5.1.6. Chỉ số CIII ................................................................................... 47
2.5.2. Chỉ số đánh giá voltage sag trên lưới phân phối [5]................................... 48
2.5.2.1. Chỉ số SARFIx ............................................................................. 48
2.5.2.2. Chỉ số SARFIx_curve ...................................................................... 48
2.6. Kết Luận ...................................................................................................... 51
CHƯƠNG 3......................................................................................................... 53
XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐÁNH GIÁ SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN
TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN THỜI GIAN TÁC ĐỘNG CỦA
CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ .................................................................................. 53
3.1. Đặt vấn đề.................................................................................................... 53
3.2. Mô phỏng phân bố sự cố trong phương pháp dự báo ngẫu nhiên ............ 54
3.2.1. Điểm sự cố (Fault Position) ............................................................................ 54
3.2.2. Các dạng sự cố ngắn mạch ............................................................................. 55
3.2.3. Suất sự cố (Fault Rate) .................................................................................... 55
3.2.4. Sơ đồ khối tính toán sụt giảm điện áp ngắn hạn .......................................... 55
3.3. Kết luận ....................................................................................................... 60
CHƯƠNG 4......................................................................................................... 61
TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN DỰ BÁO SỤT
GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
NĂNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI ................................................................... 61
4.1. Mô phỏng phân bố sự cố trên lưới điện phân phối trạm 110kV Thượng Đình
(E1.5)............................................................................................................ 61
4
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
4.2. Mô phỏng lưới điện cần nghiên cứu ........................................................... 75
4.3. Tính ngắn mạch, tổng hợp giá trị điện áp và tần suất sụt giảm điện áp... 80
4.4. Đánh giá voltage sag theo chỉ tiêu SARFIx ................................................ 80
4.4.1. Đánh giá voltage sag tại 1 vị trí - Trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483).... 80
4.4.2. Đánh giá Voltage sag cho cả hệ thống.......................................................... 95
4.5. Đánh giá voltage sag theo chỉ tiêu SARFIx_cuve ........................................ 105
4.6. Đánh giá voltage sag theo chỉ tiêu SARFIx và SARFIx_cuver khi xét lưới trung
tính cách điện ............................................................................................ 107
4.7. Đánh giá voltage sag theo chỉ tiêu SARFIx và SARFIx_cuver khi thay đổi kết
cấu lưới ...................................................................................................... 109
4.8. Đánh giá voltage sag theo chỉ tiêu SARFIx và SARFIx_cuver khi giảm thời gian
loại trừ sự cố .............................................................................................. 112
4.9. Kết luận ..................................................................................................... 114
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ĐƯỢC ĐƯA RA ............................................... 116
1.
Kết luận chung .......................................................................................... 116
2.
Các đề xuất ................................................................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 118
5
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt
Tên đầy đủ
American National Standards Institute
ANSI
Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ
Average Service Availability Index
ASAI
Chỉ số thể hiện mức sẵn sàng hoạt động của hệ thống
Customer Average Interruption Duration Index
CAIDI
Chỉ số khoảng thời gian mất điện trung bình của các khách hàng
Computer Bussiness Equipment Manufactures Associations
CBEMA
Hiệp hội sản xuất và kinh doanh thiết bị máy tính
Customer Average Interruption Frequency Index
CAIFI
Chỉ số tần suất mất điện trung bình của khách hàng
Customer Interrupted per Interruption Index
CIII
Chỉ số thể hiện số lượng khách hàng trung bình bị mất điện trên
mỗi lần mất điện
CLĐN
Chất lượng điện năng
Constant Voltage Transformers
CVTs
Máy biến áp cộng hưởng sắt từ - Ổn áp
MBA
Máy biến áp
HTĐ
Hệ thống điện
International Electrotechnical Commission
IEC
Hiệp hội kỹ thuật điện tử quốc tế
Institute of Electrical and Electronic Engineer
IEEE
Viện kỹ thuật điện và điện tử
6
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
Information Technology Infrastructure Committee
ITIC
Ủy ban cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin
PSS/Adept
Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering
Productivity
Root-Mean-Square
rms
Giá trị hiệu dụng
TBA
Trạm biến áp
tđkcl
Thay đổi kết cấu lưới
Total Harmonics Distortion
THD
Tổng độ méo sóng hài
ttcđ
Trung tính cách đất
TSSC
Tần suất sự cố
SANH
Sụt giảm điện áp ngắn hạn
System Average Interruption Duration Index
SAIDI
Chỉ số khoảng thời gian mất điện trung bình của hệ thống.
System Average Interruption Frequency Index
SAIFI
Chỉ số tần suất mất điện trung bình của hệ thống
System Average RMS Frequency Index voltage
SARFIx
Chỉ số về tần suất biến thiên điện áp trung bình của hệ thống với
ngưỡng điện áp x
System Average RMS Frequency Index voltage curve
SARFIx-curve
Chỉ số về tần suất biến thiên điện áp trung bình của hệ thống với
ngưỡng điện áp x xét đến tác động của thiết bị bảo vệ
Semiconductor Equipment and Materials International Group
SEMI
Tổ chức quốc tế về vật liệu và thiết bị bán dẫn
7
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
Superconducting Magnetic Energy Storage
SMES
Thiết bị lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn
Uninterruptable Power Supply
UPS
Nguồn cung cấp không bị gián đoạn
VD
Ví dụ
Very Inverse
VI
Rất dốc
8
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Phân nhóm và đặc tính của các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện.
Bảng 2.1: Thời gian giải trừ sự cố ứng với các mức điện áp khác nhau.
Bảng 2.2: Các thiết bị ngăn chặn điện áp sụt giảm và chi phí.
Bảng 4.1: Số thứ tự, tên nút (Trong PSS/Adept) tên trạm biến áp của 72 vị trí được đánh
giá voltage sag.
Bảng 4.2: Các vị trí tính ngắn mạch trên đường dây và chiều dài khoảng tính ngắn mạch.
Bảng 4.3: Tổng hợp suất sự cố năm 2012.
Bảng 4.4. Suất sự cố trên lưới của từng loại sự cố (ngắn mạch).
Bảng 4.5: Phân bố suất sự cố tại các vị trí trạm biến áp.
Bảng 4.6: Phân bố suất sự cố tại các vị trí ngắn mạch trên đường dây.
Bảng 4.7: Thông số của máy biến áp.
Bảng 4.8: Giá trị điện áp pha tại các nút trong chế độ xác lập.
Bảng 4.9: Giá trị điện áp các nút khi ngắn mạch 1 pha tại trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483).
Bảng 4.10: Giá trị điện áp các nút khi ngắn mạch 1 pha trên đường dây tại trạm 370 Hạ
Đình (01Node1_483).
Bảng 4.11: Tần suất sụt giảm điện áp pha nhỏ nhất tại trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483)
khi ngắn mạch 1 pha tại TBA .
Bảng 4.12: Tần suất sụt giảm điện áp pha nhỏ nhất tại trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483)
khi ngắn mạch 1 pha trên đường dây.
Bảng 4.13: Tần suất sụt giảm điện áp pha nhỏ nhất tại trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483)
khi ngắn mạch 1 pha.
Bảng 4.14: Tổng hơp tần suất sụt giảm điện áp pha nhỏ nhất tại trạm 370 Hạ Đình
(01Node1_483).
Bảng 4.15: Chỉ số SARFIx xét tại vị trí trạm 370 Hạ Đình (01Node1_483).
Bảng 4.16: Tổng hợp tần suất sụt giảm điện áp pha nhỏ nhất của toàn bộ 72 vị trí trên
lưới phân phối.
Bảng 4.17: Tần suất sự cố sag có biên độ nhỏ hơn ngưỡng điện áp x tại 72 vị trí trên lưới
phân phối.
Bảng 4.18: Chỉ tiêu SARFIx của cả hệ thống.
Bảng 4.19: Thời gian đặt của rơle.
9
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Quá độ xung do sét đánh.
Hình 1.2: Xung dòng điện dao động quá độ do việc đóng liên tiếp các tụ.
Hình 1.3: Quá điện áp 10%.
Hình 1.4: Thấp điện áp 10%.
Hình 1.5: Mất điện áp.
Hình 1.6: Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha.
Hình 1.7: Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha.
Hình 1.8: Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ lớn.
Hình 1.9: Mất cân bằng điện áp trong một tuần tại một nhánh cung cấp điện cho hộ gia
đình.
Hình 1.10: Sự thay đổi điện áp khi có thêm thành phần DC offset.
Hình 1.11: Sóng hình sin bị biến dạng bởi các sóng hài.
Hình 1.12: Dạng sóng điện áp khi có thêm thành phần liên sóng hài 117 Hz.
Hình 1.13: Hiện tượng đột điện áp.
Hình 1.14: Dao động điện áp do hồ quang điện.
Hình 1.15: Các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE-1159.
Hình 2.1: Sụt áp do sự cố ngắn mạch một pha.
Hình 2.2: Giá trị rms voltage được tính thông qua cửa sổ một chu kỳ(256 điểm lấy mẫu ).
Hình 2.3: Giá trị rms voltage được tính thông qua cửa sổ 1/2 chu kỳ (128 điểm lấy mẫu ).
Hình 2.4 Độ lớn của điện áp sụt giảm theo thành phần điện áp cơ bản.
Hình 2.5 Độ lớn của điện áp sụt giảm theo điện áp đỉnh.
Hình 2.6: Thiết bị giám sát Powerlogic® CM4250 của hãng Schneider.
Hình 2.7: Thiết bị kiểm tra chất lượng điện năng PowerGuide® 4400 của Dranetz – BMI.
Hình 2.8: Quá trình từ ngắn mạch dẫn đến làm thiết bị nhạy cảm ngừng làm việc.
Hình 2.9: Đường cong CBEMA.
Hình 2.10: Đường cong ITIC.
Hình 2.11: Đường cong SEMI.
Hình 3.1: Đường đặc tính của cầu chì.
Hình 3.2: Sơ đồ khối các bước của chương trình tính toán.
Hình 4.1: Sơ đồ lưới điện 22kV Quận Thanh Xuân (xuất tuyến 483, 474, 471).
10
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng lưới điện 22kV Quận Thanh Xuân (xuất tuyến 483, 474, 471)
trên PSS/Adept.
Hình 4.3: Biểu đồ giá trị điện áp pha tại các nút trên các lộ 483, 474, 471.
Hình 4.4: Tần suất sụt giảm điện áp trung bình của hệ thống theo khoảng điện áp.
Hình 4.5: Chỉ số tần suất sụt giảm điện áp trung bình của hệ thống SARFIx.
Hình 4.6: Chỉ số SARFIx và SARFIx_curve.
Hình 4.7: Tần suất sụt giảm điện áp trung bình của hệ thống với ttcđ theo khoảng điện
áp.
Hình 4.8: Chỉ số SARFIx và SARFIx_curve với ttcđ.
Hình 4.9: Sơ đồ mô phỏng lưới điện 22kV Quận Thanh Xuân khi thay đổi kết cấu lưới
(xuất tuyến 483, 474, 471) trên PSS/Adept.
Hình 4.10: Tần suất sụt giảm điện áp trung bình của hệ thống khi thay đổi kết cấu lưới
theo khoảng điện áp.
Hình 4.11: Chỉ số SARFIx và SARFIx_curve khi thay đổi kết cấu lưới.
Hình 4.12: Biểu đồ so sánh chỉ số SARFIx_curve các trường hợp.
Hình 4.13: Đặc tính thời gian phụ thuộc rất dốc (IEC Very Inverse).
Hình 4.14: So sánh giữa các chỉ số SARFIx_curve_VI trong các trường hợp.
Hình 4.15: Tổng hợp các chỉ số SARFIx_curve.
11
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
CHƯƠNG MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của đề tài
Lưới điện nói chung và lưới điện phân phối nói riêng đóng vai trò quan trọng
trong việc ổn định chính trị, phát triển kinh tế của bất kỳ quốc gia nào. Đất nước ta
đang trong quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hóa. Ở khắp mọi nơi, các công
trường, nhà máy, xí nghiệp được xây dựng ngày càng nhiều. Trong quá trình đó, việc
ứng dụng các thiết bị điện - điện tử có hiệu suất cao, các thiết bị có bộ vi điều khiển,
các thiết bị điện tử công suất … ngày càng phổ biến. Các thiết bị này rất nhạy cảm với
những vấn đề về chất lượng điện năng trong hệ thống điện.
Chất lượng điện năng (CLĐN) trong hệ thống điện là một phạm trù rộng lớn. Có
rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng trong đó chất lượng điện áp là
một chỉ số quan trọng. Một trong các vấn đề về CLĐN đã được nhiều nhà nghiên cứu
xem xét và đánh giá là hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH - Voltage sag).
Trong những năm gần đây cũng đã có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề SANH
trong lưới phân phối, tuy nhiên việc nghiên cứu đó mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá mà
chưa xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến việc đánh giá hiện tượng SANH, trong khi tính
toán vẫn tồn tại một số giả thiết làm cho các yếu tố đó trở nên đơn giản hơn, điều này đã
dẫn đến sự hạn chế về mô hình tính toán cũng như là phạm vi ứng dụng. Do đó để tiếp
tục phát triển đề tài trên, trong luận văn này tác giả xin phép được tiến hành nghiên cứu,
đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối có xét đến một số
yếu tố ảnh hưởng đến việc đánh giá hiện tượng biến thiên điện áp ngắn hạn trên một số
lộ đường dây lưới điện 22kV của 1 trạm biến áp 110kV đang vận hành theo phương
pháp dự báo ngẫu nhiên và dựa trên việc phát triển chỉ số SARFIx thành SARFIx-curve.
2.
Tên đề tài: “Nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng
trong lưới phân phối điện”.
3.
Tóm tắt nội dung luận văn
Luận văn trình bày phương pháp đánh giá một hiện tượng chất lượng điện năng
trên lưới điện phân phối là sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH). Việc đánh giá này dựa
12
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
trên việc phát triển chỉ số SARFIx thành SARFIx-curve cho phép xét đến không chỉ đặc
trưng biên độ của SANH mà còn cả đặc trưng thời gian tồn tại SANH. Thông qua việc
phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến dự báo SANH, luận văn sẽ đề xuất một số giải
pháp giảm ảnh hưởng của hiện tượng này trên lưới phân phối điện. Nội dung chính của
luận văn bao gồm các phần sau:
Chương 1. Nghiên cứu tổng quan về chất lượng điện năng.
Chương 2. Trình bày khái niệm SANH, các nguyên nhân chính gây ra sụt áp,
biên độ và khoảng thời gian xảy ra SANH, phương pháp giảm nhẹ sụt áp và một số chỉ
tiêu đánh giá khả năng chịu sụt áp ngắn hạn của thiết bị.
Chương 3. Xây dựng bài toán đánh giá SANH trên lưới phân phối có xét đến
thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ. Mô phỏng sự cố dẫn đến SANH, mô phỏng
lưới điện trong phần mềm PSS/Adept 5.0 cho tính toán ngắn mạch, xây dựng thuật toán
để tính.
Áp dụng phương pháp dự báo ngẫu nhiên đánh giá sụt giảm điện áp ngắn hạn
cho lưới điện phân phối 22kV Quận Thanh Xuân, Hà Nội. Đánh giá theo hai chỉ số
SARFIx, SARFIx-curve và đưa ra các nhận xét.
Chương 4. Tính toán, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến dự báo SANH nhằm
đưa ra các giải pháp nâng cao chất lượng điện trên lưới phân phối.
Kết luận chung và đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo.
4.
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Luận văn đã trình bày một phương pháp đánh giá hiện tượng SANH trên lưới
điện phân phối có xét đến thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ dựa trên chỉ số
SARFIx và phát triển chỉ số này thành SARFIx-curve. Căn cứ vào SARFIx-curve, việc đánh
giá hiện tượng SANH sẽ xét được khả năng chịu được chất lượng điện áp của phụ tải.
Kết quả đánh giá sẽ cho một cái nhìn xác thực hơn về tác động của hiện tượng SANH
đến sự làm việc của các phụ tải. Chỉ số SARFIx_curve của hệ thống điện càng thấp thể
hiện số lượng khách hàng (thiết bị điện) không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng SANH
càng nhiều. Số lượng khách hàng không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng sụt giảm điện áp
ngắn hạn càng nhiều thể hiện chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng càng cao.
Vì vậy luận văn tập trung nghiên cứu ba yếu tố tác động đến chỉ số SARFIx-curve đó là
13
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
ảnh hưởng của trung tính nối đất cuộn thứ cấp, thay đổi kết cấu lưới và giảm thời gian
loại trừ sự cố của thiết bị bảo vệ để từ đó đưa ra giải pháp nhằm nâng cao chất lượng
điện năng cung cấp cho khách hàng.
Đây là một hướng đề tài đánh giá chất lượng điện năng đang được quan tâm,
dựa vào việc mô phỏng để đánh giá chất lượng điện năng mà không thể thực hiện được
bằng các phương pháp đo lường. Các số liệu đầu vào phục vụ việc tính toán trong luận
văn là các số liệu thực tế trên lưới điện phân phối 22kV của quận Thanh Xuân thành
phố Hà Nội. Ngoài ra, để phục vụ cho việc tính toán SANH cũng như tần suất SANH
tại các nút trên lưới phân phối từ đó tính ra các chỉ số SARFIx và SARFIx-curve, tác giả
đã sử dụng phần mềm PSS/Adept 5.0 để tính toán ngắn mạch và phần mềm Microsoft
Office Excel để tổng hợp số liệu.
5.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Các chỉ tiêu SARFIx và SARFIx-curve được trình bày trong luận văn sẽ có thể là
một trong các cơ sở được đánh giá CLĐN trong quá trình lập hợp đồng mua bán điện
giữa các công ty điện lực và khách hàng dùng điện.
Các khách hàng có thể căn cứ vào kết quả đánh giá hiện tượng sụt giảm điện áp
ngắn hạn trên lưới phân phối theo chỉ tiêu SARFIx và kết hợp với đặc điểm điện áp làm
việc của từng loại phụ tải điện để có thể xác định được tần suất sụt giảm điện áp làm
cho phụ tải ngừng hoạt động cũng như là tần suất sụt giảm điện áp không làm ảnh
hưởng đến hoạt động của phụ tải.
Luận văn đã đánh giá được chất lượng điện năng dựa trên các số liệu thực lưới
điện phân phối 22kV của quận Thanh Xuân thành phố Hà Nội. Đề tài có thể là tài liệu
tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về chất lượng điện năng.
Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo
TS. Bạch Quốc Khánh cùng các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện –
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình
làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi và có những đóng góp quý báu cho bản luận văn.
14
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
Để bản luận văn trở nên hoàn chỉnh và hướng nghiên cứu trong bản luận văn
được phát triển tiếp, tác giả mong nhận thêm được sự góp ý của các thầy cô giáo, bạn
bè và bạn đọc.
Xin trân trọng cảm ơn!
15
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
1.1.
Sự cần thiết của việc nghiên cứu về chất lượng điện năng
Các công ty điện lực và các khách hàng sử dụng điện ngày càng quan tâm đến
chất lượng của hệ thống điện mà họ sử dụng. Từ thập kỷ 80 trở lại đây, thuật ngữ “chất
lượng điện năng” đã trở thành một trong những từ xuất hiện nhiều nhất trong ngành
công nghiệp năng lượng điện. Các lý do chính để lý giải cho sự quan tâm của các công
ty điện lực cũng như các khách hàng đến chất lượng của hệ thống điện đó là:
a.
Ngày càng có nhiều thiết bị điện nhạy cảm với sự thay đổi của chất lượng
điện năng hơn so với các thiết bị điện trong quá khứ. Rất nhiều thiết bị điện mới có
chứa bộ vi xử lý, vi điều khiển, thiết bị điện tử công suất đã được sử dụng. Trong quá
trình hoạt động, những thiết bị này rất nhạy cảm với các loại nhiễu loạn trong hệ thống
điện, hay nói cách khác chúng là những thiết bị rất nhạy cảm với các vấn đề liên quan
đến chất lượng điện năng như là độ lệch về điện áp, dòng điện cũng như tần số.
b.
Do yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điện cũng như là các máy móc,
thiết bị, dây chuyền sản xuất,... về hiệu quả hoạt động dẫn tới đòi hỏi chúng ta phải tiến
hành áp dụng các thiết bị có hiệu suất cao, sử dụng các phương pháp sản xuất tiên tiến
hơn. Đối với các dây chuyền sản xuất, để tăng hiệu suất sử dụng năng lượng người ta
đã sử dụng các động cơ có điều chỉnh tốc độ thông qua các thiết bị điều khiển điện tử
công suất (chỉnh lưu, nghịch lưu), các thiết bị này rất nhạy cảm so với độ lệch của điện
áp cung cấp. Đối với hệ thống phân phối điện, người ta đã sử dụng các thiết bị bù nhằm
làm giảm tổn thất và tăng hệ số công suất. Việc áp dụng các thiết bị mới này sẽ gây ra
các sóng hài trong hệ thống điện và có rất nhiều người quan tâm đến những tác động
của chúng trong tương lai đối với khả năng hoạt động của hệ thống.
c.
Khách hàng sử dụng điện ngày càng nhận thức được những vấn đề về
chất lượng điện năng. Họ ngày càng hiểu biết nhiều hơn về những hiện tượng như là
mất điện, sụt giảm điện áp, các dao động do việc đóng cắt điện. Và điều đó đã kích
thích họ cải thiện chất lượng của việc phân phối điện.
16
Nguyễn Quốc Lực
d.
Luận văn cao học
Có rất nhiều yếu tố liên hệ với nhau trong một hệ thống. Quá trình tích
hợp đó có nghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần tử nào trong hệ thống cũng
đều gây ra hậu quả lớn đối với hệ thống.
Động lực thúc đẩy chính của sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện
năng sau những lý do trên là sự gia tăng khả năng sản xuất cho khách hàng sử dụng
điện. Các ngành công nghiệp sản xuất theo dây chuyền muốn tốc độ sản xuất nhanh
hơn, sản xuất ra nhiều sản phẩm hơn, hiệu suất sử dụng của các máy móc cao hơn, tuổi
thọ thiết bị sản xuất kéo dài ra hơn. Các công ty điện lực cũng đang khuyến khích
những mong muốn đó bởi nó giúp cho khách hàng tiêu thụ điện trở nên có nhiều lợi
nhuận hơn đồng thời giúp cho ngành điện trì hoãn được lượng vốn đầu tư rất lớn đối
với trạm biến áp, các nhà máy điện bằng cách sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất
cao. Vấn đề đáng quan tâm là các thiết bị được sử dụng để tăng khả năng sản xuất
thường phải chịu phần lớn những hư hại và đôi khi chúng là nguyên nhân gây ra những
vấn đề về chất lượng điện năng.
1.2.
Định nghĩa về chất lượng điện năng
1.2.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng
Các đối tượng khác nhau xem xét chất lượng điện năng trên các hệ quy chiếu
khác nhau, điều này làm cho cách hiểu về chất lượng điện năng có khác nhau về hình
thức:
Ngành điện mong muốn cung cấp điện năng liên tục, ổn định cho khách hàng,
chất lượng điện năng có thể được định nghĩa là độ tin cậy cung cấp điện và chỉ ra qua
các thống kê độ tin cậy của hệ thống là 0,9998 [4].
Các nhà sản xuất thiết bị điện có thể định nghĩa chất lượng điện năng là các đặc
tính của nguồn điện cung cấp cho phép thiết bị điện làm việc một cách tối ưu (tuổi thọ
thiết bị và đặc tính làm việc của thiết bị điện được đảm bảo). Các định nghĩa này có thể
là rất khác nhau đối với mỗi loại thiết bị cũng như đối với các nhà sản xuất khác nhau.
Định nghĩa về chất lượng điện năng phải xem xét theo quan điểm của người sử
dụng điện năng, chính vì vậy luận văn sử dụng định nghĩa về chất lượng điện năng như
sau: “Bất kỳ vấn đề về điện năng liên quan đến sai lệch về dòng điện, điện áp, tần số
17
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
mà những sai lệch này dẫn đến sự cố hoặc vận hành sai cho thiết bị của khách hàng
sử dụng điện”.[4]
1.2.2. Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng
Theo định nghĩa ở trên, chất lượng điện năng liên quan đến độ lệch dòng điện,
điện áp, tần số. Tần số là một chỉ tiêu mang tính hệ thống, chất lượng tần số liên quan
đến bài toán cân bằng công suất tác dụng phát và công suất tác dụng tiêu thụ. Công
suất tác dụng chỉ được đưa vào hệ thống bởi các máy phát điện. Chất lượng điện áp là
một chỉ tiêu mang tính cục bộ, điều khiển điện áp chủ yếu liên quan đến sự cân bằng
giữa công suất phản kháng phát ra và công suất phản kháng tiêu thụ. Công suất phản
kháng có thể đưa vào hệ thống theo nhiều cách khác nhau: từ máy phát điện, các tụ bù
tại nút phụ tải, điện dung đường dây.
Công suất thể hiện sự phát ra của năng lượng, công suất tỉ lệ với sự sinh ra của
dòng điện và điện áp. Rất khó có thể định nghĩa một cách đầy đủ ý nghĩa về số lượng
và chất lượng trong những cách hiểu đầy đủ về chất lượng điện năng. Điều khiển công
suất của hệ thống điện có thể điều khiển chất lượng điện áp, không thể điều khiển chi
tiết đến chất lượng dòng điện vì sẽ kéo theo tác động vào hoạt động của các phụ tải, bởi
vì dòng điện sinh ra trong các thiết bị điện sẽ thay đổi tuỳ theo mức độ mang tải của
thiết bị điện đó. Do đó tiêu chuẩn chất lượng điện năng thường được dành hết cho việc
duy trì chất lượng điện áp cung cấp trong một giới hạn nhất định.
Tuy nhiên trong khi nghiên cứu đến chất lượng điện áp, đồng thời cũng phải chú ý
đến các hiện tượng về dòng điện như: Dòng điện ngắn mạch lớn gây ra sụt áp, dòng điện
sét trên lưới gây ra quá điện áp rất lớn, dòng điện là các sóng hài bậc cao sinh ra từ các phụ
tải. Qua đó có thể hiểu cơ bản, toàn diện hơn các vấn đề về chất lượng điện năng.
1.3.
Các hiện tượng về chất lượng điện năng
1.3.1. Quá độ (transient)
Thuật ngữ quá độ được sử dụng từ lâu trong việc phân tích sự biến đổi của hệ
thống điện để thể hiện một sự kiện không mong muốn nhưng chỉ thoáng qua trong tự
nhiên. Một định nghĩa được sử dụng phổ biến: “Quá độ trong hệ thống điện là sự
chuyển tiếp hệ thống từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác”. Tùy vào
18
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
hình dạng của dòng điện và điện áp mà quá độ được phân thành hai loại là quá độ xung
và quá độ dao động.
1.3.1.1. Quá độ xung (Impulsive transient)
Quá độ xung là sự thay đổi đột ngột của điện áp, dòng điện hoặc cả hai theo một
cực dương hoặc âm, không làm thay đổi tần số công nghiệp trong một trạng thái xác
lập.
Xung quá độ thường được đặc trưng bởi thời gian tăng đến độ lớn xung cực đại
và thời gian giảm độ lớn xung còn một nửa giá trị độ lớn cực đại, những thứ mà có thể
được biểu thị bằng nội dung quang phổ của chúng.
Xung quá độ có thể kích thích tần số hoạt động của hệ thống và gây ra quá độ
dao động.
Thời gian (s)
Dòng điện (kA)
0
0
20
40
60
80
100
120
140
-5
-10
-15
-20
-25
Hình 1.1 : Quá độ xung do sét đánh.
1.3.1.2. Quá độ dao động (Oscillatory transient)
Quá độ dao động là sự thay đổi đột ngột độ lớn của dòng điện, điện áp hoặc cả
hai theo cả hai chiều dương và âm mà không làm thay đổi tần số của hệ thống ở trạng
thái xác lập.
Một quá độ dao động bao gồm điện áp và dòng điện có giá trị tức thời thay đổi
rất nhanh theo cực tính. Nó được đặc trưng bởi các thông số như hình dạng, thời gian
tồn tại, cũng như là cường độ của nó.
Thời gian tồn tại: Vài chu kỳ.
Nguyên nhân: Phản ứng của hệ thống điện đối với các quá độ xung kích.
Hậu quả: Ảnh hưởng tới hệ thống thông tin liên lạc.
19
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
7500
Dòng điện (A)
5000
2500
0
-2500
-5000
-7500
8
10
12
14
Thời gian (ms)
Hình 1.2: Xung dòng điện dao động quá độ do việc đóng liên tiếp các tụ.
1.3.2. Sự biến thiên điện áp duy trì
Các biến thiên điện áp kéo theo sự biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp trong
khoảng thời gian lớn hơn 1 phút được coi là sự biến đổi điện áp trong khoảng thời gian
dài (theo ANSI - Viện tiêu chuẩn quốc gia Mỹ). Sự biến đổi điện áp trong khoảng thời
gian dài bao gồm quá điện áp và thấp điện áp. Quá áp và thấp áp thường không phải là
kết quả của sự cố trong hệ thống mà là kết quả của sự biến đổi phụ tải trong hệ thống
(hoạt động đóng cắt tải) và hoạt động đóng cắt hệ thống.
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage)
Quá điện áp là sự tăng điện áp lên trên 110% giá trị định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian lớn hơn một phút.
Quá điện áp thường là kết quả của việc đóng cắt tải (VD như cắt một tải lớn
hoặc đóng một bộ tụ). Kết quả của quá điện áp là do hệ thống quá yếu cho sự mong
muốn điều chỉnh điện áp hoặc việc điều khiển điện áp không tương xứng. Điều chỉnh
đầu phân áp của máy biến áp không đúng cũng có thể gây ra hiện tượng quá điện áp
trong hệ thống điện.
u
10%
100%
t
0%
-100%
Hình 1.3: Quá điện áp 10%.
20
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage)
Thấp điện áp là sự giảm điện áp xuống dưới 90% giá trị định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian lớn hơn một phút.
Nguyên nhân gây ra thấp điện áp ngược lại với nguyên nhân gây ra quá điện áp.
Đưa một tải lớn vào hệ thống hoặc cắt một bộ tụ ra khỏi hệ thống có thể gây ra hiện
tượng giảm thấp điện áp cho đến khi thiết bị điều chỉnh điện áp đưa điện áp hệ thống
trở về giá trị cho phép. Quá tải trong các mạch điện cũng có thể gây ra hiện tượng giảm
thấp điện áp.
u
10%
100%
t
0%
-100%
Hình 1.4: Thấp điện áp 10%.
1.3.2.3. Mất điện áp (interruption)
Mất điện áp là hiện tượng điện áp hay dòng điện giảm về 0 với thời gian lớn hơn
1 phút.
Mất điện áp gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện hoặc bảo dưỡng định kỳ. Thời
gian mất điện được xác định từ khi độ lớn điện áp giảm xuống dưới 10% điện áp định
mức về 0.
u
100%
0%
t
-100%
Hình 1.5: Mất điện áp.
Hậu quả của sự biến thiên điện áp duy trì là giảm công suất tải, giảm độ tin cậy
(liên tục cung cấp điện).
21
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn
Các biến thiên điện áp kéo theo sự biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp trong
khoảng thời gian nhỏ hơn 1 phút được coi là sự biến đổi điện áp trong khoảng thời gian
ngắn (Short Durations Voltage Variations). Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời
gian ngắn gây ra bởi sự cố trong hệ thống điện, khởi động phụ tải lớn có dòng khởi
động lớn, lỗi kết nối dây dẫn điện. Tùy thuộc vào vị trí sự cố và trạng thái hệ thống mà
sự cố trong hệ thống điện có thể gây ra sự biến thiên điện áp: tăng áp (swell), sụt áp
(sag).
1.3.3.1. Tăng điện áp (Swell)
Tăng điện áp là hiện tượng điện áp hoặc dòng điện tăng lên trong khoảng từ
110% đến 180% giá trị điện áp hoặc dòng điện định mức ở tần số công nghiệp với thời
gian từ 0,5 chu kỳ tới 1 phút.
Hình 1.6 thể hiện sự tăng điện áp ở pha không sự cố khi xảy ra sự cố chạm đất
một pha trong lưới điện.
1.5
Điện áp (pu)
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Thời gian (s)
Hình 1.6: Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha.
Sự tăng điện áp được đặc trưng bởi biên độ và khoảng thời gian tồn tại. Tăng áp
có thể xuất hiện do sự tăng điện áp nhất thời trên các pha không sự cố khi xảy ra sự cố
chạm đất một pha. Ngoài ra, việc ngắt một phụ tải lớn ra khỏi hệ thống cũng như là
việc đóng các bộ tụ vào hệ thống cũng gây ra hiện tượng tăng điện áp.
1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sag)
Sụt giảm điện áp (sụt áp) là hiện tượng điện áp hoặc dòng điện giảm xuống trong
22
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
khoảng từ 10% đến 90% giá trị điện áp hay dòng điện định mức ở tần số công nghiệp
trong khoảng thời gian từ 0,5 chu kỳ đến 1 phút.
Nguyên nhân gây sụt áp thường là sự cố trong hệ thống điện, khởi động một số
phụ tải lớn. Hình 1.7 và hình 1.8 minh họa sụt áp do sự cố ngắn mạch một pha và do
khởi động một động cơ lớn.
Thời gian sụt điện áp ngắn hạn cũng được chia ra làm 3 loại: Tức thời
(Instantaneous), thoáng qua (Momentary), tạm thời (Temporary). Các khoảng thời gian
chia nhỏ này tương ứng với mức thời gian hoạt động của các thiết bị bảo vệ nói chung,
cũng như sự phân nhỏ thời gian theo các khuyến cáo của các tổ chức kỹ thuật quốc tế.
Điện áp (pu)
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
-1.0
-1.5
0.00
0.05
0.10
0.15
Thời gian (s)
Hình 1.7: Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha.
150
110
Điện áp (%)
105
Thời gian tồn tại: 3.200s
Nhỏ nhất: 79.38%
100
Trung bình: 87.99%
95
Lớn nhất: 101.2%
90
85
80
75
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Thời gian (s)
Hình 1.8: Sụt giảm điện áp do khởi động một động cơ
lớn.
23
Nguyễn Quốc Lực
Luận văn cao học
Hậu quả của biến thiên điện áp ngắn hạn là làm cho các thiết bị điện tử công suất
ngừng làm việc.
1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance)
Mất cân bằng điện áp là độ lệch cực đại của điện áp 3 pha so với giá trị trung
bình của điện áp, độ lệch đó chia cho giá trị trung bình của điện áp và biểu diễn theo
phần trăm.
Mất cân bằng điện áp cũng có thể xác định theo các thành phần đối xứng. Tỉ lệ
giữa thành phần thứ tự nghịch hoặc thành phần thứ tự không với thành phần thứ tự
thuận có thể xác định rõ phần trăm mất cân bằng điện áp.
3
V0/V1
V2/V1
Độ mất cân bằng điện áp (%)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
Thứ 2
Thứ 3
Thứ 4
Thứ 5
Thứ 6
Thứ 7
Chủ nhật
Thứ 2
Hình 1.9: Mất cân bằng điện áp trong một tuần tại một nhánh cung cấp điện
cho hộ gia đình.
1.3.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion)
Độ méo dạng sóng là sự biến đổi trong trạng thái xác lập của một sóng hình sin
lý tưởng ở tần số công nghiệp được đặc trưng bởi nội dung quang phổ của sự biến đổi
đó.
Có 5 hiện tượng cơ bản gây ra méo sóng:
+ Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset)
24
