LÀM THẾ NÀO ĐỂ KIỂM SOÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN LỚN VỚI NHIỀU NGUỒN VÀO

Kiểm soát công suất phản kháng

Hầu hết các hệ thống bù công suất phản kháng được điều khiển theo từng bước. Vì vậy, điều quan trọng là phải "biết" khi nào được phép (kích hoạt hoặc) ngắt kích hoạt một bước tụ điện thông qua rơ-le bù hệ số công suất (bộ điều khiển). Giá trị được gọi là C/k được tính bằng cách lấy kích thước bước tụ điện C chia cho tỷ lệ k của máy biến dòng.

Ví dụ, rõ ràng rằng một tụ điện có dung lượng 50kVAr sẽ không được kích hoạt nếu rơ-le bù đo được sự sai lệch chỉ 10kVAr so với công suất phản kháng mục tiêu đã cài đặt trước.

Bài viết kỹ thuật này giải thích hai cách để kiểm soát công suất phản kháng trong các nhà máy có nhiều nguồn đầu vào.

1. Đo lường bằng cách lấy tổng các máy biến dòng

Các nhà máy điện lớn thường có nhiều nguồn cấp vào với hai hoặc nhiều máy biến áp vận hành song song. Về việc kiểm soát công suất phản kháng, có hai giải pháp khả thi.

Giải pháp đầu tiên, theo Hình 1, là đo tải qua ba máy biến dòng có thông số 1500A/5A, với mỗi nguồn cấp được cấp bởi một máy biến áp công suất 1000kVA. Ba đường dòng điện được cộng lại thông qua một máy biến dòng tổng hợp với ba đường vào, mỗi đường có dòng 5 A, và một đường ra cũng có dòng 5A.

Kết quả này được kết nối với đường dòng của rơ-le bù hệ số công suất, điều khiển một hệ thống bù công suất trung tâm 12 cấp với công suất 600kVAr.

Hình 1 - Hệ thống bù bằng cách lấy tổng tín hiệu của các biến dòng

Phương pháp này có một nhược điểm lớn: Để kiểm soát công suất phản kháng một cách hiệu quả, cần phải đảm bảo hai máy cắt nối mạch (Coupling Circuit Breakers) 1 và 2 luôn đóng. Trong trường hợp xảy ra ngắn mạch, cả ba máy biến áp thường tạo ra công suất rất lớn.

Giả sử máy cắt nối mạch 1 được mở - khi đó, rơ-le bù hệ số công suất sẽ không thể bù công suất phản kháng cho các tải được kết nối với thanh cái ở phía bên trái. Tuy nhiên, rơ-le lại ghi nhận nhu cầu cao hơn để kích hoạt thêm các tụ điện.

🔔 Điều này có thể dẫn đến hiện tượng bù quá mức tại máy biến áp 2 và 3 - nghĩa là công suất phản kháng dung đi lên thanh cái của cấp điện áp trung thế và qua máy biến áp 1 để bù cho các tải. Việc truyền tải công suất phản kháng này gây ra tổn thất công suất tác dụng bổ sung trên dây cáp và trong các máy biến áp.

Nhược điểm thứ ba là rơ-le bù hệ số công suất không thể "nhìn thấy" khu vực nào xuất hiện công suất phản kháng, do máy biến dòng tổng hợp và hệ thống bù trung tâm được kết nối với thanh cái ở giữa. Mặc dù vậy, việc tính toán giá trị C/k là rất quan trọng để điều chỉnh chính xác.
Để tính toán, sử dụng Phương trình 1:

Hệ số k được xác định riêng biệt:

• Tham số đầu tiên biểu thị tỷ số tổng của ba máy biến dòng (CTs).
• Tham số thứ hai, biểu thị tỷ số của máy biến dòng tổng hợp, nhân với nhau tạo ra tỷ số tổng rất lớn k=900. Cần kiểm tra xem độ nhạy tối thiểu của rơ-le (1%) có phù hợp hay không.

Cuối cùng, giá trị C/k được tính theo Phương trình 1:

ℹ️ Lưu ý: Giá trị này có thể được điều chỉnh trên hầu hết các rơ-le bù hệ số công suất thông qua việc cài đặt thủ công C/k hoặc tại các rơ-le với khả năng điều chỉnh bán tự động. Thị trường cung cấp các rơ-le bù hệ số công suất để cài đặt các tham số như "tỷ số máy biến dòng" và "kích thước bước nhỏ nhất" một cách số hóa. Cài đặt sai có thể dẫn đến hiện tượng 'tìm kiếm' (hunting) ở từng bước tụ điện!

Giả sử có thêm một nguồn cấp thứ tư với một máy biến áp công suất 1000 kVA, điều này làm tăng tỷ số tổng liên quan đến bốn máy biến dòng lên k=1200, và giá trị C/k giảm xuống khoảng 0.038.

Giá trị này giảm đáng kể so với mức nhạy 1%.

Khi đó, chỉ có thể điều chỉnh hệ số từ 0.65 lên 0.85, hoặc trong một cách tính khác, để xem tại mức phần trăm nào của kích thước bước (50kVar) mà một rơ-le bù hệ số công suất với khả năng tự động điều chỉnh C/k hoàn toàn sẽ bắt đầu kiểm soát:

Rơ-le sẽ kích hoạt lại tụ điện ở mức 85% tương ứng với 50kVar, hoặc 42.5kVar. Tuy nhiên, việc kiểm soát chính xác các tụ điện sẽ không còn được đảm bảo do các sai số dung sai của rơ-le và tụ điện.

Về hệ số k: Không quan trọng liệu tất cả các máy biến áp có hoạt động hay không. Hệ số k chỉ đơn giản là một hằng số đặc trưng cho toàn bộ hệ thống điện.

"Phương pháp kiểm soát công suất phản kháng này có một số nhược điểm như đã nêu ở trên. Việc lắp đặt các hệ thống bù công suất riêng lẻ cho từng nguồn cấp sẽ phù hợp hơn nhiều, như được mô tả trong các đoạn sau".

2. Vận hành song song các hệ thống bù công suất cho từng nguồn cấp

Dựa trên Hình 2, có thể thấy ngay các lợi thế. Việc kiểm soát công suất phản kháng được thực hiện riêng lẻ cho từng nguồn cấp với sự hỗ trợ của hệ thống bù công suất riêng, mỗi hệ thống được điều khiển bởi một bộ điều khiển công suất phản kháng tự động.

Hình 2 - Hệ thống bù bằng cách lấy tín hiệu riêng của từng nguồn vào

Việc vị trí của các máy cắt nối mạch (Coupling Circuit Breakers) 1 và 2 mở hay đóng không quan trọng. Nếu chúng mở, các hệ thống bù công suất sẽ hoạt động riêng lẻ. Nếu chúng đóng, hệ thống sẽ vận hành song song, như sẽ được thảo luận tiếp theo. Tất cả ba rơ-le bù hệ số công suất hoạt động song song đều được cài đặt trước với mục tiêu hệ số công suất giống nhau.

ℹ️ Về thời gian trễ chuyển đổi mỗi bước: Không cần thiết phải đặt cùng một giá trị chính xác, chỉ cần một giá trị ước lượng, ví dụ, trong khoảng 35 đến 40 giây mỗi bước.

Việc tính toán giá trị C/kC/kC/k từ Phương trình 1 lại rất đơn giản vì không cần phải xem xét máy biến dòng tổng hợp.

Tỷ số của máy biến dòng được tính như sau:

"Giá trị C/k này cần được cài đặt trước tại mỗi rơ-le với khả năng điều chỉnh thủ công hoặc bán tự động C/k, giống hệt nhau trong trường hợp các máy cắt nối mạch được mở. Nhưng điều gì xảy ra khi các máy cắt nối mạch được đóng?"

Kích thước bước 50kVar chỉ là một phần ba được đo bởi các máy biến dòng, giả sử cùng một điện áp trở kháng ở các máy biến áp khi hoạt động song song.

ℹ️ Điều này có nghĩa là giá trị C/k cài đặt trước phụ thuộc vào vị trí của các máy cắt nối mạch và phải được điều chỉnh liên tục. Đây thực sự là một nhược điểm lớn khi sử dụng rơ-le bù hệ số công suất với khả năng điều chỉnh C/k thủ công hoặc bán tự động.

Giải pháp tốt nhất sẽ là sử dụng các rơ-le bù hệ số công suất với tính năng "tự động điều chỉnh C/ k hoàn toàn".

Hệ thống luôn ghi nhận hiệu ứng bù tại mỗi bước bất kể vị trí của các máy cắt nối mạch 1 và 2. Ngay cả khi máy cắt nối mạch 2 mở và máy cắt nối mạch 1 đóng, máy biến dòng của hệ thống bù C ghi nhận kích thước đầy đủ của tụ điện, trong khi các máy biến dòng của hệ thống bù A và B chỉ ghi nhận một nửa kích thước.

Không cần thiết phải thảo luận thêm về các nhược điểm của rơ-le bù hệ số công suất với khả năng điều chỉnh C/kC/kC/k thủ công hoặc bán tự động.

"Trong quá trình lắp đặt các nhà máy điện lớn với dòng điện hơn 1000 A, cần đặc biệt chú ý rằng, ví dụ, các dây cáp từ các máy biến áp đến thanh cái phải có cùng chiều dài để đảm bảo phân phối tải đối xứng."

Một tình huống khác cần đề cập là trường hợp khi một máy biến áp, chẳng hạn như máy số 3, ngừng hoạt động do bảo trì. Khi đó, với điều kiện các máy cắt nối mạch đều đóng, rơ-le bù hệ số công suất của hệ thống bù C được kích hoạt nhưng không nhận được tín hiệu từ máy biến dòng.

Hình 3 - Hàm số giữa đường cos φ và đường C/k

Liên quan đến Hình 3, không có véc-tơ nào tồn tại vượt quá ngưỡng C/k. Các rơ-le cũ sẽ ở chế độ "chờ" với số lượng tụ điện được kết nối như trước. Chúng sẽ không thể thiết lập kiểm soát cho đến khi việc bảo trì hoàn tất.

Không phải tất cả các loại rơ-le bù hệ số công suất đều có khả năng ngắt kết nối tụ điện sau một khoảng thời gian đo lường đã định khi hiển thị "không dòng điện" hoặc I=0. Do đó, điều quan trọng là phải thu thập thông tin này từ nhà sản xuất.

U TÓM TẮT :

1. Kiểm soát công suất phản kháng độc lập với vị trí của máy cắt nối mạch.

2. Khả năng giới hạn công suất trong trường hợp xảy ra ngắn mạch.

3. Bù phi tập trung, cho phép vị trí bù gần hơn nhiều với các tải tiêu thụ công suất phản kháng.