Nghiên cứu và xây dựng bộ bù áp nhanh cho lưới điện trung áp sử dụng nghịch lưu đa mực1
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.55 MB, 121 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ONG XUÂN THỊNH
ONG XUÂN THỊNH
ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG BỘ BÙÁP NHANH CHO LƯỚIĐIỆN
TRUNG ÁP SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
KHOÁ 2009
Hà Nội – Năm 2011
a
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
ONG XUÂN THỊNH
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG BỘ BÙ ÁP NHANH CHO LƯỚI
ĐIỆN TRUNG ÁP SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC
Chuyên ngành :
ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. NGUYỄN VĂN LIỄN
Hà Nội – Năm 2011
b
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan bản luận văn tốt nghiệp:“Nghiên cứu và xây dựng bộ bù
áp nhanh cho lưới điện trung áp sử dụng nghịch lưu đa mức’’do tôi tự hoàn
thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn.
Để hoàn thành bản luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong
danh mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu nào khác mà không được
liệt kê ở phần tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2011
Học viên thực hiện
Ong Xuân Thịnh
i
Mục lục
Trang
Nội dung
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ..................................................................................................... i
Mục lục ............................................................................................................. ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ............................................................ v
Danh mục các bảng ........................................................................................... v
Danh mục hình vẽ ............................................................................................ vi
Lời nói đầu .........................................................................................................x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP..................................1
1.1. Giới thiệu chung .............................................................................................1
1.2. Cấu trúc lưới điện trung áp ...........................................................................1
1.2.1. Lưới điện 35 kV .......................................................................................2
1.2.2. Lưới điện 22 kV .......................................................................................3
1.2.3. Lưới điện 15 kV .......................................................................................3
1.2.4. Lưới điện 10 kV, 6 kV .............................................................................3
1.3. Vấn đề cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện ..................................4
1.4. Các biện pháp cải thiện chất lượng điện năng .............................................5
1.4.1. Đối với lưới điện cao áp ..........................................................................5
1.4.2. Đối với lưới điện trung áp .......................................................................7
1.4.3. Đối với lưới điện hạ áp ..........................................................................10
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU .................................12
2.1. Sự cần thiết của các bộ nghịch lưu .............................................................12
2.2. Bộ nghịch lưu dòng.......................................................................................13
2.3. Bộ nghịch lưu áp ...........................................................................................16
ii
2.4. Bộ nghịch lưu đa bậc ....................................................................................19
2.4.1. Dạng nghịch lưu kiểu điốt kẹp (diode_clamped inverter) ...................19
2.4.2. Nghịch lưu kiểu tụ kẹp (Capacitor Clamped Inverter) ........................23
2.4.3. Nghịch lưu đa bậc dạng cascade ..........................................................25
2.4.4. Một số bộ nghịch lưu đa bước ..............................................................27
2.4.4.1. Nghịch lưu 6 bước ...........................................................................27
2.4.4.2. Nghịch lưu 12 bước (12 – step inverter) .........................................37
2.4.4.3. Bộ nghịch lưu 18 bước ....................................................................39
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG BÙ ÁP NHANH ..................................43
3.1. Cấu trúc hệ thống của một bộ bù áp nhanh (DVR) ..................................43
3.2. Lý thuyết điều khiển phát xung PWM .......................................................45
3.2.1. Các phương pháp điều khiển PWM .....................................................45
3.2.1.1. Điều khiển điện áp PWM vòng hở ..................................................46
3.2.1.2. Điều khiển dòng điện PWM vòng kín .............................................47
3.2.2. Bộ điều khiển dòng kiểu trễ (Hysteresis PWM current control) .........50
3.3. Xây dựng và thiết kế bộ bù áp nhanh (DVR) ............................................51
3.3.1. Cấu trúc hệ thống DVR .........................................................................51
3.3.2. Hệ thống điều khiển điện áp của DVR .................................................53
3.3.3. Ứng dụng điều khiển PWM vào bộ bù áp nhanh DVR .......................55
3.3.4. Tính toán và lựa chọn cấu hình DVR ..................................................58
3.3.4.1. Giả thiết tham số hệ thống truyền tải..............................................58
3.3.4.2. Tính toán thông số máy biến áp [PL1] ...........................................59
3.3.4.3. Tính toán ắc quy [PL2] ...................................................................59
3.3.4.4. Chọn van bán dẫn và cấu trúc driver [PL3] ..................................59
Chương 4: MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP VỚI DVR ..........................61
4.1. Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink/Simpower ...................................61
iii
4.2. Cấu trúc mô phỏng .......................................................................................61
4.2.1. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng ......................................................................61
4.2.2. Khái quát các khối trong mô hình mô phỏng .....................................63
4.2.2.1. Khối nguồn ......................................................................................63
4.2.2.2. Khối DVR ........................................................................................64
4.2.2.3. Khối điều khiển phát xung cho DVR ...............................................65
4.2.2.4. Khối máy biến áp ............................................................................72
4.3. Kết quả mô phỏng với sự cố sụt điện áp cả 3 pha .....................................73
4.3.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR ....................................73
4.3.2. Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR .............................................76
4.3.3. Vấn đề sóng hài .....................................................................................78
4.4. Kết quả mô phỏng với sự cố sụt điện áp một pha .....................................82
4.4.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR ....................................82
4.4.2. Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR ............................................85
4.4.3. Vấn đề sóng hài .....................................................................................87
4.5. Kết quả mô phỏng với sự cố tăng điện áp cả 3 pha ...................................90
4.5.1. Khi lưới điện trung áp chưa có hệ thống DVR ....................................90
4.5.2. Khi lưới điện trung áp có hệ thống DVR ............................................94
4.5.3. Vấn đề sóng hài .....................................................................................95
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................99
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................100
PHỤ LỤC ...............................................................................................................101
iv
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
AC
: Alternating Current
DC
: Direct Current
DVR
: Dynamic Voltage Restorer
VSC
: Voltage Source Converter
VSI
: Voltage Source Inverter
FACTS
: Flexible Alternating Current Transmission System
SVC
: Static VAR Compensator
TCSC
: Thyristor Controlled Series Compensator
STATCOM : Stastic Synchroniuos Compensator
UPFC
: Unifile Power Flow Controller
UPS
: Uninterruptible Power System
IGBT
: Insulated Gate Bipolar Transistor
GTO
: Gate Turn-Off Thyristor
PWM
: Pulse Width Modulation
Danh mục các bảng
Bảng 2.1. Các trạng thái đóng mở van
Bảng 4.1. Quy định độ biến dạng sóng hài điện áp
v
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Cấu trúc UPS online ..................................................................................10
Hình 1.2. Cấu trúc UPS offline .................................................................................11
Hình 2.1. Sơ đồ nghịch lưu dòng một pha ................................................................13
Hình 2.2. Sơ đồ nghịch lưu dòng ba pha ...................................................................14
Hình 2.3. Sơ đồ nghịch lưu dòng điện ba pha cách ly bằng điốt ..............................15
Hình 2.4. Sơ đồ nghịch lưu áp một pha ....................................................................17
Hình 2.5. Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha .......................................................................17
Hình 2.6. Nghịch lưu 3 bậc dạng điốt kẹp ................................................................20
Hình 2.7. Nghịch lưu 4 bậc dạng điốt kẹp ................................................................21
Hình 2.8. Nghịch lưu 6 bậc dạng điốt kẹp ................................................................21
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu dạng tụ kẹp ......................................................23
Hình 2.10. Nghịch lưu 3 bậc dạng tụ kẹp .................................................................24
Hình 2.11. Nghịch lưu đa bậc dạng Cascade ............................................................25
Hình 2.12. Nghịch lưu 5 bậc dạng Cascade ..............................................................26
Hình 2.13. Nghịch lưu đa bậc Cascade dạng ghép các bộ nghịch lưu áp 3 pha .......27
Hình 2.14. Sơ đồ nghịch lưu cầu 3 pha .....................................................................28
Hình 2.15. Luật điều khiển và điện áp trên tải ..........................................................29
Hình 2.16. Sơ đồ thay thế trong quá trình chuyển mạch nghịch lưu điện áp ba pha 30
Hình 2.17. Điện áp Vn0 giữa các điểm trung tính ....................................................32
Hình 2.18. Mạch nghịch lưu cầu H 3 pha .................................................................34
Hình 2.19. Nguyên lý tạo ra dạng sóng điện áp ........................................................35
Hình 2.20. Mạch nghịch lưu 12 bước sử dụng 2 cầu 3 pha kết nối với biến áp .......37
a- Sơ đồ mạch lực đơn giản hoá ................................................................................37
b- Tổng hợp điện áp đầu ra .......................................................................................37
vi
Hình 2.21. Sơ đồ pha của điện áp ra hình sin và dạng sóng của nghịch lưu 12 bước .38
a- Sơ đồ pha của các thành phần điện áp ..................................................................38
b- Nguyên tắc cộng điện áp các pha..........................................................................38
c- Dạng sóng điện áp ra .............................................................................................38
Hình 2.22. Cấu trúc nghịch lưu 18 bước ...................................................................40
Hình 2.23. Sơ đồ pha điện áp của nghịch lưu 18 bước .............................................41
Hình 2.24. Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu 18 bước .................................42
Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc của bộ DVR.......................................................................44
Hình 3.2. Mạch cân bằng điện áp của hệ thống khi có bộ DVR ...............................45
Hình 3.3. Cấu trúc điều khiển điện áp PWM vòng hở ..............................................46
Hình 3.4. Các phương pháp điều khiển điện áp PWM .............................................47
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển dòng điện PWM vòng kín.........................................48
Hình 3.6. Các phương pháp điều khiển dòng PWM .................................................49
Hình 3.7. Cấu trúc của bộ điều khiển với khối PWM vòng hở và bộ điều khiển On-off.49
Hình 3.8. Nguyên lý của bộ điều khiển dòng kiểu trễ ..............................................50
Hình 3.9. Cấu trúc cơ bản của hệ thống DVR ..........................................................51
Hình 3.10. Cấu trúc cơ bản của hệ thống DVR ........................................................54
Hình 3.11. Cấu trúc hoạt động của hệ thống DVR ...................................................54
Hình 3.12. Cấu trúc cơ bản điều khiển DVR ............................................................56
Hình 3.13. Cấu trúc bộ biến đổi ................................................................................57
Hình 3.14. Điện áp trên đường dây truyền tải...........................................................58
Hình 3.15. Cấu trúc hệ truyền tải có DVR ................................................................58
Hình 3.16. Sơ đồ ắc quy ............................................................................................59
Hình 3.17. Sơ đồ cấu trúc van IGBT-1MBI3600U4D-170 ......................................60
Hình 3.18. Sơ đồ cấu trúc của driver 1SD536F2 ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.19. Sơ đồ kết nối driver với van bán dẫn ...... Error! Bookmark not defined.
vii
Hình 3.20. Cấu trúc kết nối 1SD536F2 với IGBT-1MBI3600U4D ................. Error!
Bookmark not defined.
Hinh 4.1. Sơ đồ mạch lực hệ mô phỏng ....................................................................62
Hình 4.2. Cấu trúc khâu nguồn .................................................................................63
Hình 4.3. Cấu trúc khối DVR....................................................................................64
Hinh 4.4. Cấu trúc khối điều khiển phát xung cho DVR ..........................................65
Hình 4.5. Cấu trúc khâu tính toán độ lớn điện áp .....................................................66
Hình 4.6. Khâu chuyển hệ tọa độ abc
αβ .............................................................67
Hình 4.7. Cấu trúc khâu đồng pha.............................................................................68
Hình 4.8. Khối điều khiển PI ....................................................................................69
Hình 4.9. Khối tạo xung cho mạch cầu IGBT ..........................................................70
Hình 4.10. Khối phát hiện sự cố trên đường dây truyền tải ......................................71
Hình 4.11. Khối xác định biên độ điện áp từng pha .................................................71
Hình 4.12. Khối máy biến áp ....................................................................................72
Hình 4.13. Khối tải ....................................................................................................72
Hình 4.14. Biên độ điện áp tải khi chưa có hệ thống DVR trong sự cố sụt áp ba pha 73
Hình 4.15. Biên độ điện áp của mỗi pha ở phía gần nguồn trong sự cố sụt áp ba pha74
Hình 4.16. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải trong sự cố sụt áp ba pha....75
Hình 4.17. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVR trong
sự cố sụt áp ba pha ....................................................................................................76
Hình 4.18. Biên độ điện áp tải khi có hệ thống DVR trong sự cố sụt áp ba pha ......77
Hình 4.19. Phân tích sóng hài của điện áp phía nguồn .............................................78
Hình 4.20. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR ...............................80
Hình 4.21. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR ...............................81
Hình 4.22. Biên độ điện áp tải khi chưa có hệ thống DVR trong sự cố sụt áp một
pha .............................................................................................................................82
viii
Hình 4.23. Biên độ điện áp mỗi pha ở phía gần nguồn trong sự cố sụt áp một pha .83
Hình 4.24. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải trong sự cố sụt áp một pha .84
Hình 4.25. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVR trong
sự cố sụt áp một pha ..................................................................................................85
Hình 4.26. Biên độ điện áp tải khi có hệ thống DVR trong sự cố sụt áp một pha ....86
Hình 4.27. Phân tích sóng hài của điện áp phía nguồn .............................................87
Hình 4.28. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR ...............................88
Hình 4.29. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR và bộ lọc ...............89
Hình 4.30. Biên độ điện áp tải khi chưa có hệ thống DVR trong sự cố tăng áp 3 pha ..91
Hình 4.31. Biên độ điện áp mỗi pha ở phía gần nguồn trong sự cố tăng áp 3 pha ...92
Hình 4.32. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải trong lưới điện trung áp trong
sự cố tăng áp 3 pha ....................................................................................................93
Hình 4.33. Đồ thị điện áp, dòng điện của nguồn và tải khi có hệ thống DVR trong
sự cố tăng áp 3 pha ....................................................................................................94
Hình 4.34. Biên độ điện áp tải khi có hệ thống DVR trong sự cố tăng áp 3 pha ......95
Hình 4.35. Phân tích sóng hài của điện áp phía nguồn .............................................96
Hình 4.36. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR ...............................97
Hình 4.37. Phân tích sóng hài của điện áp phía tải khi có DVR và bộ lọc ...............98
ix
Lời nói đầu
Hiện nay, nước ta đang bước vào giai đoạn công cuộc CNH – HĐH rất mạnh
mẽ. Việcứng dụng tự động hóa vào trong mọi lĩnh vực của cuộc sống ngày càng trở
nên phổ biến và mang lại nhiều thay đổi to lớn cho cuộc sống của con người. Ngày
nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ thì ngành tự động hóa đã có sự phát
triển rất mạnh mẽ. Đặc biệt là việc chế tạo ra các van bán dẫn, các bộ biến đổi bán
dẫn có công suất ngày càng lớn vàđiệnáp, dòngđiện ngày càng cao như IGBT
(2400V, 800A) và GTO (3300V, 2000A) tạo ra một bước đột phá trong ngànhđiện
tử công suất. Các bộ biến đổi bán dẫn này ngày càngđóng vai trò quan trọng trong
các hệ thống năng lượng và các quá trình biến đổi năng lượngđiện.
Vấn đề về chất lượngđiệnáp trên lướiđiệnđã được quan tâm từ lâu. Đặc biệt
đối với những tải nhạy cảm thì việcổnđịnhđiệnáp được đặt lên hàng đầu để tránh
gây hỏng thiết bị. Việcứng dụng các bộ biến đổi, đặc biệt là biến đổiđa mức vào hệ
thống lướiđiện trong những năm gầnđây đã giải quyết rất tốt vấn đềổnđịnhđiệnáp
cho các tải nhạy cảm. Đây cũng chính là vấn đề tôi tập trung tìm hiểu, nghiên cứu
trong đề tài: “Nghiên cứu và xây dựng bộ bùáp nhanh cho lướiđiện trung áp sử
dụng nghịch lưu đa mức”. Luận văn gồm những nội dung chính sau:
Chương 1: Tổng quan về lướiđiện trung áp
Chương 2: Tổng quan về các bộ nghịch lưu
Chương 3: Xây dựng hệ thống bùáp nhanh
Chương 4: Mô phỏng lướiđiện trung áp với DVR
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã gặp nhiều khó khăn nhưng được sự
giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, tôi đã hoàn thành luận văn
với kết quả như mong muốn.
Tôi xin chân thành cảmơn PGS.TS.NGUYỄN VĂN LIỄN.Thầyđã giúp đỡ,
hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành luận văn. Xin gửi lời cảmơn tới các thầy cô
giáo trong bộ môn Tự động hóa xí nghiệp công nghiệp, Điều khiển tự động,
x
Kỹthuậtđo và tin học công nghiệp trườngđại học Bách Khoa Hà Nộiđã trang bị kiến
thức, tạođiều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện đề tài này.
Xin cảmơn gia đình, bạn bèđã động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình thực
hiện luận văn.
Hà Nội, ngày tháng 9 năm 2011
Học viên
Ong Xuân Thịnh
xi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.1.Giới thiệu chung
Hiện nay, lưới điện Việt Nam có rất nhiều cấp điện áp từ 0.4 kV đến 500 kV.
Và được chia ra thành các lưới điện áp khác nhau với những chức năng riêng biệt.
Lưới cao áp và siêu cao áp: có cấp điện áp từ 110 kV đến 500 kV. Lưới điện
áp này chủ yếu dùng cho việc truyền tải điện năng đi xa và cung cấp điện cho các
khu vực phụ tải lớn.
Lưới trung áp: có cấp điện áp từ 6 kV đến 35 kV, chủ yếu nhận điện năng từ
các lưới điện khu vực và phân phối điện cho các hộ tiêu thụ. Ở nước ta, lưới điện
trung áp khá đa dạng và phức tạp bao gồm nhiều cấp điện áp: 35 kV, 22 KV, 15 kV,
10 kV, 6 kV được phân chia theo ba miền với nhiều đặc điểm khác nhau. Trong đó,
lưới 22 kV mới xuất hiện sau năm 1995 theo yêu cầu chuẩn hóa lưới điện trung áp.
Lưới điện hạ áp: có cấp điện áp nhỏ hơn 1000V. Lưới điện hạ áp chủ yếu
cung cấp điện trực tiếp cho các hộ tiêu thụ điện.
1.2.Cấu trúc lưới điện trung áp
Hiện nay, ở nước ta lưới điện trung áp bao gồm các cấp điện áp sau:
• 6 kV, 10 kV, 22 kV, 35 kV ở miền Bắc
• 6 kV, 10 kV, 15 kV, 35 kV ở miền Nam
Trong đó, lướiđiện 22 kV chỉ mớiđược xây dựng tại một số tỉnh với khối
lượng rất nhỏ. Mạng lướiđiện 35 kV, 10 kV, 6 kV đều thuộc loại lướitrung tính
không nốiđất trực tiếp vàđược sử dụngở hai dạng: đường cáp ngầm vàđường cáp
trên không. Riêng lướiđiện 15 kV thì có trung tính nốiđất trực tiếp vàđược sử dụng
rộng rãiở miền Nam.Đa số các mạng lướiđược thiết kếtheo mạng hình tia, liên kết
cácđường dây còn yếu, độ linh hoạt kém.
1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.2.1. Lưới điện 35 kV
Lướiđiện 35 kV được thiết kế, sử dụng các thiết bịtheo tiêu chuẩn của Liên
Xô cũ. Cấpđiệnáp 35 kV vừa làm nhiệm vụ truyền tảiđiện thông qua các trạm trung
gian vừađóng vai trò phân phốiđiện cho các phụ tải.Trước đây, lướiđiện 35 kV được
coi là lưới truyền tải với cácđường dây rất dài.Kết nốiđường dây này là các trạm
biếnáp trung gian.Các trạm biếnáp này tương đối lớn dùng cung cấpđiện cho cácđịa
phương. Toàn bộ lướiđiện này vận hànhtheo chếđộ ba pha dây trung tính cách điện.
Hiện nay, lướiđiện 35 kV trải rộng khắp cả nước với mậtđộ cao từ vùng thành
thịđến nông thôn, từđồng bằngđến vùng trung du và miền núi.
Theo quy hoạch thì lướiđiệnáp 35 kV còn duy trì rất lâu trong hệ thống
truyền tải và phân phốiđiệnở Việt Nam vàđặc biệtđược sử dụngở những khu vực tải
phân bố rộng và phân tán nhưở vùng miền núi, vùng sâu, vùng xa dân cư thưa thớt.
Tại các khu vựcđồng bằng Bắc Bộ do có phụ tải nông nghiệp và các phụ tải công
nghiệpđịa phương chiếm tỷ trọng rất lớn; dân cư sinh hoạtđông đúc theo mô hình
cộngđồng làng xã; giao thông không thuận lợi, nhỏ bé. Vì vậy, việcđưa cácđường
dây 35 kV vào sâu trong khu dân cư gặp nhiều khó khăn cho nên cácđường dây 35
kV vẫn chủ yếu làm nhiệm vụ truyền tải cung cấp cho các trạm biếnáp trung
gian.Hiện nay, đường dây 35 kV đã vàđang được kết nối với dạng mạch vòng kín
vận hành hởđể tăng độan toàn trong cung cấpđiện cho diện rộng và kết nối hỗ trợ
giữa các trạm 110 kV với nhau.
Với khu vực miền núi và trung du do phụ tải phân tán bán kính cung cấp
điện xa, dân cư thưa thớt cho phépđưa đường dây 35 kV vào sâu trong khu vực dân
cư. Do vậy, hầu hết các khu vực trung du và miền núi đềuđược cấpđiện bằngđường
dây 35 kV và làm việc nhưđường dây phân phối. Do đường dây dài, phụ tải phân
tán và nhỏ nên đường dây 35 kV khu vực miền núi và trung du thường có dạng
hìnhtia một mạch nên độ an toàn cung cấp điện thấp.
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.2.2. Lưới điện 22 kV
Lướiđiện 22 kV mớiđượcđưa vào vận hành và sử dụng trong khoảngít năm
gầnđây nhằm mụcđích chuyểnđổi lướiđiệnáp 6 kV và 10 kV ở khu vực thành phố,
thị xã và khu vựcđồng bằng về cùng cấpđiệnáp 22 kV. Lướiđiện 22 kV có trung tính
trực tiếp nốiđất và phần lớn là cấpđiện cho các khu vực phụ tải quan trọng và lớn
nên hầu hết cácđường dây 22 kV đềuđược xây dựng dạng mạch vòng kín vận hành
hở nên độ an toàn cung cấp điện cao.
1.2.3. Lưới điện 15 kV
Mạng lướiđiện 15 kV được thiết kế, sử dụng các thiết bịtheo tiêu chuẩn của
Mỹ trướcđây vàđãđược phát triển mạnh mẽở miềnNam. Đây vẫnđược coi là
cấpđiệnáp phân phối chủ yếuở miền Nam với chiều dài 35671 km.
1.2.4. Lưới điện 10 kV, 6 kV
Hầu hết các phụ tải dùng trong sinh hoạt, phụ tải công nghiệp địa phương,
dịch vụ tại các thành phố lớn và thị xã,… đều được cung cấp thông qua hệ thống
lưới điện 10 kV, 6 kV. Lưới điện này được sử dụng chính để cung cấp điện ở miền
Bắc Việt Nam từ những năm 1950, đồng thời cùng với cấp điện áp 35 kV và cho
đến nay vẫn còn sử dụng rộng rãi. Toàn bộ lưới điện này thiết kế ba pha ba dây và
làm việc ở chế độ trung tính cách điện. Lưới điện này thường được xây dựng sau
các trạm biến áp trung gian 35/6 kV, 35/10 kV và có một số xây dựng sau các trạm
biến áp 110/35/6 kV hay 110/35/10 kV nhằm đưa điện tới sâu các tâm phụ tải.Với
điện áp này có thể cung cấp điện vào sâu cho các khu vực dân cư, len lỏi vào các
khu vực chật hẹp, giảm bán kính cung cấp điện hạ áp. Những năm trước do phụ tải
sử dụng điện phát triển thấp với bán kính cung cấp (5-10) km thì lưới điện cấp này
phát huy tốt các ưu điểm của mình. Ngày nay, do các phụ tải sử dụng điện phát triển
mạnh nên lưới điện này bộc lộ nhiều nhược điểm không thích ứng, đặc biệt đối với
các khu vực thành thị, các khu vực kinh tế phát triển,… Mặt khác, các đường dây
lưới điện này đều xây dựng theo mạng điện hình tia một mạch nên độ an toàn trong
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
cung cấp điện không cao. Xu hướng thay thế dần lưới điện này bằng lưới điện 22
kV trung tính trực tiếp nối đất đang được thực hiện.
1.3. Vấn đề cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện
Duy trì điện áp bình thường là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo
chất lượng điện năng của hệ thống điện. Sự thay đổi đột ngộtđiệnáp hay những sự
cố bất thường sẽ gây thiệt hại lớn:
- Điện áp giảm thấp quá mức có thể gây nên độ trượt quá lớn ở các động cơ
không đồng bộ, dẫn đến qúa tải về công suất phản kháng ở các bộ nguồn điện.
- Điện áp giảm thấp cũng làm giảm hiệu quả phát sáng của các đèn chiếu sáng,
làm giảm khả năng truyền tải của đường dây và ảnh hưởng đến độ ổn định của các
máy phát làm việc song song.
- Điện áp tăng cao có thể làm già cỗi cách điện của thiết bị điện (làm tăng dòng
rò) và thậm chí có thể đánh thủng cách điện làm hư hỏng thiết bị.
Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống điện được duy trì ở một giá trị định
trước nhờ có những phương thức vận hành hợp lí, chẳng hạn như tận dụng công
suất phản kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các
phần tử trong hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lí của những đường dây truyền
tải, chọn tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp ...
Điện áp cũng có thể được duy trì nhờ các thiết bị tự động điều chỉnh kích từ
(TĐK) của các máy phát điện và máy bù đồng bộ, các thiết bị tự động thay đổi tỷ số
biến đổi của máy biến áp, các thiết bị tự động thay đổi dung lượng của các tụ bù
tĩnh. Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều
khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần
thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện. Các thiết bị này kết hợp với các bộ
vi xử lý cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự
động hoá cao, đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống
điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng. Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ thống bù, góp phần nâng
cao tính ổn định của hệ thống điện.
Trong xu thế hình thành và phát triển của xã hội và kinh tế thì vấn đề chất
lượng nguồn điện đã và đang được quan tâm sâu sắc bởi vì các lí do sau đây:
- Xuất hiện các phụ tải công nghiệp mới với các yêu cầu cao hơn các phụ tải
truyền thống về chất lượng điện năng.
- Giá trị thiệt hại do mất điện tăng hơn trước đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện
cao hơn.
- Nhờ công nghệ điện tử công suất thế hệ mới phát triển mạnh mà các bộ biến
đổi nguồn điện áp (Voltage Source Converter - VSC) ngày càng được áp dụng
nhiều vào thực tiễn.
- Các yêu cầu khắt khe hơn từ các cơ quan điều tiết điện lực và các thách thức
nảy sinh trong vấn đề phí điều tiết cũng tạo điều kiện phát triển các dịch vụ hỗ trợ
và cộng thêm trong ngành điện như điều chỉnh điện áp, điều chỉnh công suất phản
kháng, v.v...
- Các dây chuyền sản xuất tự động (bao gồm các hệ truyền động, robot,...), các
hệ thống thông tin và hệ thống điều khiển,... là các phụ tải cần nguồn điện với chất
lượng cao. Các phụ tải “kiểu mới” này nhạy cảm hơn với chất lượng điện năng so
với phụ tải cơ điện trước đây.
Trên thực tế, ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đã có rất nhiều biện
pháp cải thiện chất lượng điện năng. Tuỳ vào từng cấp điện áp mà có các biện pháp
cải thiện chất lượng điện năng khác nhau.
1.4. Các biện pháp cải thiện chất lượng điện năng
1.4.1. Đối với lưới điện cao áp
Trong lưới điện cao áp, người ta sử dụng các thiết bị truyền tải điện xoay
chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System - FACTS).
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Các loại thiết bị FACTS chủ yếu:
• Các máy bù tĩnh (SVC – Static VAR Compensator): là những thiết bị
FACTS quan trọng, được sử dụng trong nhiều năm để cải thiện tính kinh tế của các
đường dây truyền tải bằng cách giải quyết các vấn đề điện áp. Nhờ độ chính xác,
tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định
và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông
thường. Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất,
cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công
suất phản kháng.
• Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng thyristor (TCSC – Thyristor
Controlled Series Compensator): là một mở rộng của các tụ nối tiếp truyền thống
thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điều khiển bằng thyristor. Đặt một
bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù
nối tiếp thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là
tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng
bộ và điều khiển dòng công suất đường dây.
• Máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM – Stastic Synchroniuos Compensator): là
thiết bị SVC dựa trên GTO (thyristor kiểu cổng đóng - gate turn-off). So với loại
SVC thông thường, STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung
kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng các hệ thống truyền tải cao áp, như
vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn. Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng cao
hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể được xem như một nguồn
dòng độc lập với điện áp hệ thống.
• Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM là
một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải
qua mạch DC của nó tạo ra UPFC. Thiết bị này giống như một biến áp chuyển dịch
pha nhưng có thể gắn một điện áp nối tiếp của góc pha yêu cầu thay vì một điện áp
có góc pha cố định. UPFC kết hợp lợi ích của một STATCOM và TCSC.
6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.4.2. Đối với lưới điện trung áp
Một giải pháp được đưa ra là sử dụng hệ thống lưu trữ điện năng BESS
(Battery Energy Storage System).
Lý tưởng mà nói, dòng điện xoay chiều trên lưới điện cung cấp cho các hộ
tiêu thụ phải là hình sin.Tuy nhiên, sự tồn tại các phần tử phi tuyến trên lưới điện
của nhà cung cấp cũng như về phía phụ tải làm xuất hiện các sóng hài, ảnh hưởng
đến tính năng vận hành của lưới điện và thiết bị.Các phần tử phi tuyến điển hình là
lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bão hoà của vật liệu sắt từ), các dụng cụ
bán dẫn công suất như điốt, thyristor của các bộ biến đổi. Thường thì sóng hài bội 3
triệt tiêu được nhờ cuộn dây đấu tam giác trong máy biến áp (cùng với đó là tổn thất
điện năng), song các sóng hài bậc lẻ khác (giá trị nhỏ nhất là bậc 5 và bậc 7) vẫn lan
truyền theo đường dây, gây tổn thất điện năng, tác động xấu đến sự vận hành của
các thiết bị, nhất là các động cơ ba pha... chưa kể các sóng hài bậc cao hơn có thể
gây sóng điện từ lan truyền trong không gian, ảnh hưởng đến các thiết bị thu phát
sóng rađiô.
Về mặt lý thuyết, hệ thống lưu trữ năng lượng điện tạo ra một điện áp hình
sin với biên độ và tần số thích hợp để cung cấp cho lưới điện (22kV-50Hz chẳng
hạn).
Trong thực tế, những sóng hình sin điện áp và dòng điện cùng tần số bị ảnh
hưởng trong phạm vi khác nhau bởi những sự cố có thể xuất hiện trong hệ thống.
Đối với hệ thống cung cấp điện: Có thể bị sự cố hoặc gián đoạn cung cấp
điện. Những thiết bị dùng điện có thể ảnh hưởng đến hệ thống cung cấp.
Hệ thống lưu trữ điện năng cục bộ được sử dụng tại các trạm biến áp trung
áp để:
- Cung cấp năng lượng điện cho những tải nhạy cảm, tải yêu cầu chất lượng
điện cao.
7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
- Cung cấp điện cho tải khi sự cố nguồn năng lượng điện (đóng vai trò như
mộtUPS):
Sự cố trong các nguồn năng lượng điện có thể xảy ra trong quá trình lắp đặt
trang thiết bị hoặc sự cố ở đầu vào hệ thống (quá tải, nhiễu, mất cân bằng pha…).
Những sự cố này có thể gây ra những hậu quả khác nhau. Những sự cố ảnh hưởng
đến việc cung cấp năng lượng điện cho thiết bị có thể phân thành các loại sau:
Lệch điện áp.
Ngừng hoạt động.
Tăng đột ngột điện áp.
Thay đổi tần số.
Xuất hiện sóng hài.
Nhiễu tần số cao…
Sự cố có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, đặc biệt là làm ảnh hưởng
đến chất lượng, thậm chí làm gián đoạn việc cung cấp điện.
Những lợi ích khi sử dụng hệ thống lưu trữ điện năng trong các hệ thống
truyền tải điện có thể tóm tắt như sau:
- Sử dụng tốt hơn các hệ thống truyền tải hiện có:
Tại nhiều nước, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển
luồng tải của các đường dây truyền tải có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt ở những
nước có thị trường điện chưa được kiểm soát, nơi các vị trí phát điện và trung tâm
tải có thể thay đổi nhanh chóng. Thông thường, việc bổ sung các đường dây truyền
tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng bị giới hạn bởi những cản trở về kinh tế và
môi trường. Các thiết bị hệ thống dự trữ điện năng giúp đáp ứng những yêu cầu này
với những hệ thống truyền tải hiện có.
- Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải:
8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác
nhau. Mặc dù các thiết bị hệ thống dự trữ điện năng không thể ngăn chặn sự cố,
nhưng chúng có thể giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp
điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây.
- Tăng độ ổn định động và quá độ của lưới:
Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và
các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải.Các vấn
đề này cũng có thể dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất
vòng hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây.Các thiết bị hệ thống dự trữ điện năng
làm ổn định các hệ thống truyền tải với việc nâng cao công suất truyền tải và giảm
nguy cơ sự cố đường dây.
- Tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp đòi hỏi chất lượng
điện năng cao:
Các ngành công nghiệp hiện đại phụ thuộc vào chất lượng điện cung cấp bao
gồm các yêu cầu khắt khe về dao động của điện áp, tần số và không bị cắt điện.
Những sự thay đổi về điện áp và tần số hay sự mất nguồn cấp có thể dẫn đến ngưng
trệ trong quá trình sản xuất mà hệ quả là những tổn thất lớn về kinh tế. Các thiết bị
hệ thống dự trữ điện năng có thể giúp cung cấp chất lượng cấp điện năng theo yêu
cầu.
Việc ứng dụng hệ thống dự trữ điện năng vào trong hệ thống truyền tải điện đã
mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng
một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các dao động hệ thống.
Hệ thống lưu trữ điện năng đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế
giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống
điện.Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết
lưới điện và tính toán các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích về kinh tế mà thiết bị
hệ thống dự trữ điện năng mang lại.
9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
1.4.3. Đối với lưới điện hạ áp
Với mạng hạ áp thì hệ thống thường được sử dụng là UPS (Uninterruptible
Power System) được hiểu như là hệ thống nguồn cung cấp liên tục hay đơn giản
hơn là bộ lưu trữ điện dự phòng nhằm làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho hệ
thống.
Từ yêu cầu của các thiết bị về mức độ nguồn điện liên tục và chất lượng, UPS
được phân thành các dòng sản phẩm chính về công nghệ như sau:UPS Offline, UPS
Online, UPS tĩnh, UPS quay.
- UPS online : Hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi kép: từ AC sang DC
sau đó chuyển ngược DC sang AC. Do đó nguồn điện cung cấp cho tải hoàn toàn do
UPS tạo ra đảm bảo ổn định cả về điện áp và tần số.Điều này làm cho các thiết bị
được cung cấp điện bởi UPS hầu như cách ly hoàn toàn với sự thay đổi của lưới
điện. Vì vậy, nguồn do UPS online tạo ra là nguồn điện sạch (lọc hầu hết các sự cố
trên lưới điện), chống nhiễu hoàn toàn. Điện áp ra hoàn toàn hình SIN.
Hình 1.1. Cấu trúc UPS online
- UPS offline : Khi có nguồn điện lưới UPS sẽ cho điện lưới thẳng tới phụ
tải. Khi mất điện, tải sẽ được chuyển mạch cấp điện từ ắc quy qua bộ inverter.Dạng
điện áp ra của bộ inverter loại này thường là dạng xung chữ nhật, không Sin. Phạm
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP
vi áp dụng UPS loại này thường cho các thiết bị đơn giản, công suất nhỏ, ít nhạy
cảm lưới điện, đòi hỏi độ tin cậy thấp.
Hình 1.2. Cấu trúc UPS offline
- UPS tĩnh: Sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất làm chức năng chỉnh lưu
và nạp ăcqui để tích trữ điện năng khi làm việc bình thường.Khi xảy ra sự cố,điện
áp một chiều qua bộ nghịch lưu được biến thành điện áp xoay chiều và được cấp
cho các tải ưu tiên.Ưu điểm của UPS tĩnh là kích thước nhỏ gọn,đáp ứng nhanh,vận
hành đơn giản, làm việc chắc chắn,dòng cho phép lớn.
- UPS quay: Sử dụng máy điện làm chức năng nghịch lưu.
11
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU
CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN VỀ CÁC BỘ NGHỊCH LƯU
2.1. Sự cần thiết của các bộ nghịch lưu
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều
không đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều để cung cấp cho tải xoay chiều.
Đại lượng được điều khiển ở ngõ ra là điện áp hoặc dòng điện.Theo quá trình điện
từ xảy ra trong nghịch lưu, có thể chia chúng thành các loại: nghịch lưu dòng,
nghịch lưu áp, nghịch lưu cộng hưởng. Ở đây ta chỉ xem xét nghịch lưu dòng và
nghịch lưu áp.
Nguồn một chiều cung cấp cho bộ nghịch lưu áp có tính chất nguồn điện áp
và nguồn cho bộ nghịch lưu dòng có tính nguồn dòng điện.Các bộ nghịch lưu tương
ứng được gọi là là bộ nghịch lưu áp và bộ nghịch lưu dòng.
Trong trường hợp nguồn điện ở đầu vào và đại lượng ở đầu ra không giống
nhau, ví dụ bộ nghịch lưu cung cấp dòng điện xoay chiều từ nguồn điện áp một
chiều, ta gọi chúng là bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện từ nguồn điện áp hoặc bộ
nghịch lưu dòng nguồn áp.
Các bộ nghịch lưu tạo thành bộ phận chủ yếu trong cấu tạo của bộ biến
tần.Ứng dụng quan trọng và tương đối rộng rãi của chúng nhằm vào lĩnh vực truyền
động điện động cơ xoay chiều với độ chính xác cao.Trong lĩnh vực tần số cao, bộ
nghịch lưu được dùng trong các thiết bị lò cảm ứng trung tần, thiết bị hàn trung tần.
Bộ nghịch lưu còn được dùng để tạo ra nguồn điện xoay chiều cho nhu cầu gia đình,
làm nguồn cấp điện liên tục UPS, điều khiển chiếu sáng, bộ nghịch lưu còn được
ứng dụng vào lĩnh vực bù nhiễu công suất phản kháng. Các tải xoay chiều thường
mang tính cảm kháng (ví dụ động cơ không đồng bộ, lò cảm ứng), dòng điện qua
các linh kiện không thể ngắt bằng quá trình chuyển mạch tự nhiên. Do đó, mạch bộ
nghịch lưu thường chứa linh kiện tự kích ngắt để có thể điều khiển quá trình ngắt
dòng điện.
12
