Tác giả: PGS.TS. Phạm Văn Hòa - Địa Chỉ: Trường Đại học quốc tế Bắc Hà – Thị Trấn Lim, Huyện Tiên Du Tình Bắc Ninh

             ThS. Phạm văn hiệp - Địa Chỉ: Trường Đại học quốc tế Bắc Hà – Thị Trấn Lim, Huyện Tiên Du Tình Bắc

             ThS. Nguyễn Quang Việt - Địa Chỉ: Ban KHCN Tập đoàn Điện lực VN – số 30 Lý Thái Tổ - Hoàn kiếm - Hà Nội

Abstract:

In practice, consumption devices are not only resistive but also reactive and this reactance varies with time. Therefore, grid voltage is not stable and coefficients always change in spite of using Automatic Reactive Power Regulator. To regulate voltage and cosφ in an expected range, it is necessary to change the parameters of regulators as the loads change.

Determining regulated threshold and time of switching and changing parameters of regulators are controlled by microprocessor and power electronic components. Microprocessor provides a flexible energy control and a high automation ability to ensure  a high reliability and stability of the system.

This paper presents how to determine the flexible regulated threshold to ensure the quality of supply energy.

1. Introduction

Sơ đồ lưới điện có dạng chung như trên hình 1. Nguồn cấp là từ thanh cái trạm 500kV, qua biến áp hạ xuống 110kV, 220kV, hay thanh cái phía cao áp của nhà máy điện bằng đường dây tải điện  theo cơ cấu mạch vòng hay hình tia dẫn điện đến khu vực phụ tải điện áp được hạ xuống 35kV, 22kV hay 10kV, 6kV. Nếu là 35kV thì tồn tại các đường dây 35kV đi sâu tới phụ tải và tại đó hạ xuống 22kV, 10kV hay 6kV. Từ thanh cái 22kV, 10kV, 6kV hình thành các đường dây phân phối hình tia, cũng có thể là mạch vòng nhưng khi vận hành vẫn để ở chế độ hình tia [1,2,3]. Từ các đường dây này theo điểm phụ tải đấu các máy biến áp hạ xuống điện áp hạ thế  380/220V để cấp điện cho các phụ tải hạ thế. Sau trạm hạ áp hình thành các đường dây hạ thế có cấu trúc hình tia dẫn điện đến từng hộ tiêu thụ.

                                                                                   

Trong sơ đồ cấp điện nêu trên, hệ số công suất cosj và bù công suất phản kháng được đề cập đến ở từng cấp điện áp. Qua khảo sát thực tế tại một số Công ty truyền tải và Điện lực các tỉnh,  giá trị cosj ở các cấp điện áp thể hiện khá rõ nét như sau:

     - Tại các cấp điện áp 35kV trở lên hệ số công suất cosj giờ cao điểm có giá trị khoảng 0,8, giờ thấp điểm có giá trị khoảng 0,99. Cũng chính vì vậy mà cosj có giá trị tại các đầu nhánh đường dây cấp 22kV,10kV, 6kV cũng khá cao, tương đương với đường dây cao áp. Các thiết bị bù trên lưới cao áp và trung áp hiện đang sử dụng bù cố định.

      -  Tại cuối các nhánh đường dây cấp 22kV,10kV, 6kV giá trị cosj không còn cao nữa. Các máy biến áp hạ áp 22kV,10kV, 6 kV xuống 0,4kV trong nhiều trường hợp vận hành non tải nên giá trị cosj đầu ra đường dây điện hạ thế bị tụt xuống. Xa hơn nữa tại đầu vào phụ tải điện áp hạ thế 0,4kV giá trị cosj khá thấp, do các phụ tải điện (đồ điện) như quạt, điều hoà nhiệt độ, đèn Neon, tủ lạnh,….có giá trị cosj thấp, tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Do vậy việc đặt các thiết bị bù không riêng gì phía điện áp trung áp mà còn cần, rất cần ở  phía hạ áp.

      Thông thường dung lượng bù lắp đặt được tính toán theo phụ tải tính toán (giá trị công suất lớn nhất có thể) [4,5]. Trên thực tế công suất phụ tải luôn thay đổi do yêu cầu của tiêu thụ, do đó điện áp và giá trị cosj thay đổi theo làm ảnh hưởng chất lượng điện cung cấp cho phụ tải. Không những thế, công suất bù không sử dụng hết sẽ chạy ngược về lưới, làm tăng tổn thất trên lưới. Do vậy cần thiết phải có sự điều khiển đóng cắt bù và điều chỉnh các tham số của thiết bị bù tuỳ thuộc vào sự thay đổi của công suất phụ tải,  đảm bảo chất lượng điện áp, giá trị cosj và tránh hiện tường công suất bù thừa chạy về lưới. Việc điều khiển đóng cắt và thay đổi tham số của thiết bị bù có thể được thực hiện được nhờ các cơ cấu của các mạch điện tử công suất, mà trong đó điều khiển góc mở α của thyristor.

    Sau đây sẽ giới thiệu một cấu trúc điện tử công suất để điều khiển góc α của thyristor.

 

2. Cấu trúc mạch điện tử công suất điều chỉnh góc mở α của Thyristor.

2.1. Sơ đồ cấu trúc

Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor như hình 2

Mạch điều khiển có các chức năng sau [6,7]:

- Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp trên Thyristor.

- Tạo ra được các xung để mở Thyristor. Xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx= 20-100 s đối với thiết bị chỉnh lưu hoặc cặp Thyristor đấu song song.

Độ rộng xung được xác định theo biểu thức: 

trong đó:          Idt là dòng duy trì của Thyristor

                        di/dt là tốc độ gia tăng của dòng tải.

                                                               Hình 2.Cấu trúc mạch điển tử công suất điều khiển góc mở α

Cấu trúc của một mạch điều khiển Thyristor gồm 4 khâu chính sau đây:

- Tạo xung mẫu chuẩn (cảm biến): tạo ra xung mẫu chuẩn, sau đó đồng bộ với điện áp điều khiển để mở Thyristor khi cần thiết.

- Xác định xung điều khiển theo xung mẫu (bộ tạo xung điều khiển) căn cứ vào xung mẫu chuẩn để tạo ra xung điều khiển mở Thyristor đùng thời điểm

- Bộ khuếch đại xung (KĐ): Khuếch đại xung mẫu và xung để mở Thyristor theo mong muốn.

- Phần cách ly: cách ly giữa mạch động lực với mạch điều khiển.

Khi thay đổi giá trị điện áp một chiều Uđk thì góc mở  sẽ thay đổi.

 

2.2. Nguyên tắc điều khiển

Sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” như hình 3 để thực hiện điều chỉnh vị trí đặt xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên (Q1,Q2), được cách ly qua U1,U2 và đưa đến khối công suất điều khiển đóng mở tụ bù.

Theo nguyên tắc này[4,5], ở khâu so sánh có hai điện áp đặt vào:

- Điện áp đồng bộ sin, sau khi ra khỏi bộ tạo xung chuẩn được tạo thành tín hiệu cos

- Điện áp điều khiển là áp một chiều có thể biến đổi được.

Điện áp umẫu= Um sinwt thì: Uc = Um coswt

Giá trị a được tính theo phương trình sau: Umcosa = Uđk

Do đó:                         a = arccos(Udk/Um)

 - khi Udk = Um thì       a = 0

 - khi Udk = 0 thì                      a =p/2

 - khi Udk = -Um thì    a = p

Uc

Umẫu

Udk

                                                                                

    Như vậy, khi điều chỉnh Udk từ trị -Um đến +Um ta có thể điều chỉnh được góc a từ 0 đến p.

                                                         

                                                                 H ình 4. Sơ đồ mô phỏng (đo dạng sóng trong bộ tạo xung điều khiển từ xung mẫu)

Mạch gồm hai kênh đóng mở cho (Q1,Q2). Mỗi kênh gồm có 3 khối chính: khối tạo hàm coswt, khối so sánh và khối khuếch đại.

- Khối tạo hàm coswt cho 2 kênh là: U1A, U3A và các R,C.

- Khối so sánh cho 2 kênh là: U2A, U4A, VR2.

- Khối khuếch đại xung cho 2 kênh gồm: Q1,Q2 và R22,R21,R3,R05, U1,U2.

Mạch làm việc theo nguyên tắc điều khiển “arccos”, sử dụng IC Khuếch đại thuật toán, thực hiện tạo hàm  coswt và so sánh “cùng dấu”. Tín hiệu ra của các khối tạo hàm coswt được đưa vào cổng In(+), In(-) được cấp bằng nguồn [±5V] của U2A, U4A. Thay đổi điện áp điều khiển bằng cách thay đổi biến trở VR2. Đầu ra của của khối so sánh được đưa vào chân (B) của Q1,Q2 thông qua điện trở hạn dòng R3,R05, tín hiệu xung điều khiển được lấy ra qua IC cách ly U1,U2.

     Sau đây giới thiệu m ột s ố d ạng xung đo tại C với các giá trị Udk khác nhau

           Dạng xung đo tại C khi Udk= 0

 

            Dạng xung đo tại C khi Udk>0

 

             Dạng xung đo tại C khi Udk <0

   Từ kết quả mô phỏng ta có các nhận xét sau: Nếu lấy điểm 0 của điện áp lưới làm gốc, thì:

   - Khi điện áp Udk = 0, ta nhận được góc mở a = 900

   - Khi điện áp Udk< 0, ta nhận được góc mở a > 900

   - Khi điện áp Udk> 0, ta nhận được góc mở a < 900

   - Tuỳ theo thông số của các Thyristor, ta thiết kế tầng khuếch đại xung phù hợp đủ để mở Thyristor.

3. Kết luận

 3.1. Để đảm bảo chất lượng điện áp, ổn định giá trị cosφ trong cung cấp điện  cần có điều khiển đóng cắt cũng như thay đổi tham số của các thiết bị bù tuỳ vào nhu cầu công suất của phụ tải.

3.2. Việc áp dụng kỹ thuật điện tử công suất để thực hiện các điều khiển nêu trên là rẩt khả dĩ . Sử dụng phương pháp xác định xung điều khiển để đóng Thyristor, có ưu điểm hơn so với phương pháp đóng bằng tay hoặc điều khiển đóng các công tắc tơ ở chỗ là không sinh ra tia lửa điện, không là điện áp tăng giảm theo từng nấc, và đặc biệt không gây nhiễu và hài khi thiết bị làm việc. 

 

Tài liệu tham khảo

1. Trần Đình Long. Quy hoạch phát triển năng lượng và Điện. Hà nội 1998
2. Trần Bách. Lưới điện & Hệ thống điện.T1 Hà nội 2000. T2 2002
3. Baumol, W.J. (1997), “Privatization, Competitive Entry and Rational Rules for Residual Regulation” University of Tasmania, Department of Economics, Occasional Paper No. 2, pp. 7-8. September.
4. Estache A., Rossi M., Russier C. (2004), “The Case of International Coordination of Electricity Regulation: Evidence from the Measurement of Efficiency in South America”, Journal of Regulatory Economics; 25:3 271-295, 2004.
5. Hattori T., Jamasb T., and Pollitt M. (2003), “The Performance of UK and Japanese Electricity Distribution Systems 1985-1998: A Comparative Efficiency Analysis”, Cambridge-MIT Institute Project IR-45, October 2003.
6. Rungsuriyawiboon S., Coelli T. (2004), “Regulatory Reform and Economic Performance in US Electricity Generation”, Centre for Efficiency and Productivity Analysis, School of Economics University of Queensland. Thanassoulis E. (2001), “Introduction to the Theory and Application of Data Envelopment Analysis”, Massachusetts, Kluwer Academic Publishers.
7. А.с. 1468791. Устройство для управления компенсированным выпрямительно-инверторным преобразователем электроподвижного состава. Авторы изобретения В.А. Кучумов, В.А. Татарников, Н.Н. Широченко, З.Г. Бибинеишвили. - Опубл. в БИ №12, 1989 г., кл. В 60 L 9/12.