Cân bằng công suất bằng phương thức vận hành nguồn điện

Chương i các định hướng kĩ thuật cơ bản Tổng hợp và phân tích các thông tin về nguồn điện và phụ tải là bước đầu rất quan trọng trong công tác thiết kế mạng điện , từ đó có thể đưa ra được những phương án nối dây một cách hợp lý, kinh tế, hiệu quả, đáp ứng được nhu cầu của phụ tải và của hệ thống. Trước khi thiết kế ta cần phân tích các đặc điểm của nguồn và phụ tải nằm trong phạm vi thiết kế như số nguồn điện, đặc điểm của nguồn phát, khả năng phát, công suất phát định mức, công suất phát kinh tế, nhiên liệu sử dụng ... và đặc điểm của phụ tải: số phụ tải công suất yêu cầu, sơ đồ bố trí, mức độ đảm bảo cung cấp điện ... i. Phân tích nguồn cung cấp điện và phụ tải Hệ thống được thiết kế gồm: Nguồn điện: 01 nhà máy nhiệt điện (NĐ) có công suất 3x50MW và 01 hệ thống nguồn có công suất vô cùng lớn. Khoảng cách giữa 2 nguồn khoảng 131,5 km Phụ tải điện: bao gồm 08 hộ tiêu thụ điện được phân bố khá đồng đều giữa 2 nguồn điện bao gồm các hộ tiêu thụ điện loại I và loại III có tổng công suất phụ tải cực đại là 226MW. Nguồn điện: Nhà máy nhiệt điện gồm 3 tổ máy có công suất đặt mỗi tổ là 50 MW, điện áp định mức của máy phát là 10,5kV; hệ số công suất cosφNĐ = 0,8. Tổng công suất của nhà máy nhiệt điện NĐ là : PNĐ = 3´50 = 150MW Đối với nhà máy nhiệt điện có lò than phun thì phụ tải kinh tế của nó là 0,85á 0,9 phụ tải định mức, phụ tải ổn định > 70%, dưới 70% thì phun thêm dầu mazút, dưới 30% thì không nên chạy lò. Lò than phun thì phù hợp với phụ tải biến động nhiều, điều chỉnh nhanh, quá tải, tối đa là 15%. Do nhà máy điện được nối với hệ thống điện có công suất vô cùng lớn nên đây là một điểm thuận lợi trong thiết kế lưới điện. Khi đó nguồn hệ thống sẽ giữ vai trò nguồn cân bằng đảm bảo luôn giữ được ổn định công suất và tần số. Nhà máy điện sẽ giữ vai trò chủ đạo cấp điện tối đa (theo khả năng của các tổ máy) cho các phụ tải. Nguồn hệ thống có hệ số công suất là cosφHT = 0,8. Phụ tải: Tổng công suất cực đại của phụ tải là: 48+32+26+25+28+24+28+15 = 226 MW Trong chế độ phụ tải cực tiểu, tổng công suất các phụ tải chỉ bằng 70% so với chế độ phụ tải cực đại: =70%´226 = 158,2MW Thời gian sử dụng công suất cực đại của các phụ tải là Tmax= 4500h. Các phụ tải 1, 2, 3, 6, 7, 8 là các hộ tiêu thụ loại I nên phải đảm bảo yêu cầu cấp điện liên tục, do đó đường dây cấp điện đến các hộ này sẽ là các đường dây mạch kép hoặc mạch vòng, đảm bảo sao cho khi sự cố một lộ đường dây thì các hộ tiêu thụ trên vẫn được cung cấp điện bình thường. Riêng phụ tải 4 và 5 là các hộ tiêu thụ lọai III nên sẽ chỉ cần thiết kế đường dây 1 mạch cấp điện đến các hộ này. Các phụ tải đều nằm trong khoảng giữa hai nguồn điện, nên đây là điều kiện thuận lợi cho việc đề ra các phương án nối dây, kết hợp với việc cung cấp điện cho các hộ tiêu thụ và nối liên lạc giữa hai nguồn điện với nhau tạo thành một hệ thống điện thống nhất. Sơ đồ địa lí phân bố nguồn và các phụ tải điện xem hình vẽ H1.1 Hình 1.1: Sơ đồ địa lí phân bố nguồn và các phụ tải điện Các số liệu về phụ tải được cho trong bảng 1.1: Bảng 1.1 Các thông số Các hộ tiêu thụ 1 2 3 4 5 6 7 8 Pi(MW) 48 32 26 25 28 24 28 15 Hệ số cosφ 0,90 0,90 0,90 0,85 0,90 0,85 0,90 0,85 Qi(MVAr) 23,25 15,50 12,59 15,49 13,56 14,87 13,56 9,30 (MW) 226 (MVAr) 118,12 II. Các định hướng thiết kế. Căn cứ vào Sơ đồ địa lí phân bố nguồn và các phụ tải điện (hình vẽ H1.1) và dựa trên đặc điểm, tính chất nguồn và phụ tải, ta có các định hướng thiết kế như sau : Các phụ tải 1, 3, 4, 5, 8 ở gần nhà máy nhiệt điện NĐ nên có xu hướng được cấp điện bởi nguồn NĐ. Các phụ tải 2, 6, 7 ở gần nguồn hệ thống nên sẽ có xu hướng được cấp điện bởi nguồn hệ thống HT Các hộ tiêu thụ điện loại I sẽ được cấp điện từ 2 nguồn khác nhau hoặc từ một nguồn bằng đường dây mạch kép. Các hộ tiêu thụ điện loại III sẽ được cấp điện từ 1 nguồn bằng đường dây mạch đơn. Thiết kế ít nhất một đường dây liên lạc giữa 2 nguồn HT và NĐ để nâng cao độ ổn định cho hệ thống cũng như có được sự hỗ trợ công suất từ phía nguồn HT khi xảy ra sự cố tại nguồn NĐ. Chương ii cân bằng công suất-định phương thức vận hành nguồn điện Trong hệ thống điện chế độ vận hành ổn định chỉ tồn tại khi có sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng. Việc cân bằng công suất trong hệ thống trước hết là kiểm tra xem khả năng cung cấp của các nguồn điện so với nhu cầu tiêu thụ của các phụ tải, từ đó có thể bố trí sơ bộ công suất nguồn cho các phụ tải, xác định phương thức vận hành cho nhà máy điện trong hệ thống trong các chế độ phụ tải cực đại, cực tiểu, sự cố. I. Cân bằng công suất tác dụng. Cân bằng công suất tác dụng nhằm giữ ổn định tần số của hệ thống. Điều đó có nghĩa là tổng công suất tác dụng phát ra phải cân bằng với tổng công suất tác dụng yêu cầu. Sự cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống được biểu diễn bằng biểu thức: (2.1) Trong đó : : là tổng công tác dụng phát ra của các nguồn điện : Tổng công suất tác dụng cực đại của phụ tải, (m : hệ số đồng thời, trong tính toán thiết kế ta lấy m = 1). = 226 MW : Là tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây và máy biến áp, trong tính toán sơ bộ lấy bằng 10% = 10%= 10%.226 = 22,6 MW : Tổng công suất tác dụng tự dùng của các nhà máy điện, trong hệ thống điện thiết kế có nguồn NĐ nên công suất tự dùng cho nhà máy được lấy khoảng 10% công suất đặt, ta có: = 10%´150 = 15 MW : Tổng công suất tác dụng dự trữ của hệ thống, được lấy từ thanh góp hệ thống điện. Như vậy, tổng công suất yêu cầu của các nguồn điện để đảm bảo cân bằng công suất tác dụng là: Công suất phát của nguồn nhiệt điện là: PNĐ = 150 MW Khi đó lượng công suất còn lại sẽ do nguồn hệ thống đảm nhiệm, ta có: PHT = PF – PNĐ =263,6-120 = 113,6 MW Như vậy, với lượng công suất phát của các nguồn như trên thì điều kiện cân bằng công suất tác dụng đã được thỏa mãn. II. Cân bằng công suất phản kháng. Để giữ ổn định điện áp tại các nút trong hệ thống thì bắt buộc phải có sự cân bằng công suất phản kháng trong toàn bộ hệ thống nói chung và từng khu vực nói riêng. Sự thiếu hụt công suất phản kháng sẽ làm cho điện áp tại các nút giảm sút. Sự cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống được biểu diễn bằng biểu thức sau: (2.2) Trong đó : : là tổng công suất phản kháng phát ra của các nguồn điện : : Tổng công suất phản kháng cần bù (nếu cần thiết). : Tổng công suất phản kháng cực đại của các phụ tải, (m: hệ số đồng thời, trong tính toán lấy m=1). Từ (2.2) ta có: (2.3) Nếu Qb<0 thì không cần phải bù công suất phản kháng. Ta có: = .tgφ= (48+32+26+28+28)´0,48 + (25+24+15)´0,62 = 118,12 MVAr : Tổng tổn thất công suất phản kháng trong các máy biến áp của hệ thống, thường lấy = (15á20)% , do đó ta có: = 15% = 15%.118,12 = 17,72 MVAr , lần lượt là tổng tổn thất công suất phản kháng trên các đoạn đường dây và công suất phản kháng do dung dẫn đường dây gây ra. Trong thiết kế sơ bộ ta coi 2 giá trị này xấp xỉ bằng nhau.(= ) : Tổng công suất phản kháng tự dùng của các nhà máy điện : = .tgφ Với nguồn NĐ có cosφ=0,8, ta xác định được công suất phản kháng tự dùng như sau: = 15 ´ 0,75 = 11,25 MVAr : Tổng công suất phản kháng dự trữ của hệ thống, được lấy từ thanh góp hệ thống điện. Từ đó ta có : = + + = 118,12 + 17,72 + 11,25 = 147,09 MVAr Trong đó công suất phản kháng do nguồn NĐ cấp là: Lượng công suất phản kháng do thanh góp hệ thống cung cấp là: = 143,6´0,75=107,7 MVAr Từ (2.3), ta có: =147,09-(107,7+112,5) = -73,11 < 0, Do đó hệ thống điện không cần phải bù sơ bộ công suất phản kháng. III. Định phương thức vận hành sơ bộ cho nhà máy điện. 1. Chế độ phụ tải cực đại. Hệ thống điện thiết kế gồm 2 nguồn phát là nguồn nhà máy nhiệt điện NĐ và nguồn hệ thống HT, trong đó nguồn HT, có công suất vô cùng lớn, sẽ giữ vai trò nút cân bằng, còn nguồn NĐ giữ vai trò chủ đạo cung cấp điện cho các phụ tải lân cận tùy theo khả năng phát của mình. Trong chế độ phụ tải cực đại, nguồn NĐ sẽ phát công suất kinh tế để đáp ứng nhu cầu công suất yêu cầu của phụ tải. Lượng công suất còn lại cung cấp cho các phụ tải sẽ được bù đắp từ nguồn HT. Đối với các nhà máy nhiệt điện thường phát công suất phát kinh tế nằm trong khoảng (80á90)% công suất định mức, nên trong chế độ phụ tải cực đại, nguồn NĐ sẽ phát 80% công suất với công suất phát ra là: PNĐ = 80% ´ 150 = 120 MW Công suất tự dùng của nhà máy nhiệt điện NĐ là: Ptd = 10% ´ 120 =12 MW Công suất nguồn NĐ phát lên lưới điện là: 120 - 12=108 MW Tổng công suất phụ tải và tổn thất trên mạng điện là: = 226 + 10%´226 = 248,6 MW Lượng công suất còn lại sẽ do nguồn HT phát là: PHT = 248,6 - 108 = 140,6 MW Như vậy trong chế độ phụ tải cực đại, nguồn NĐ vận hành cả 3 tổ máy với 80% công suất đặt, nguồn HT cung cấp vào hệ thống 140,6 MW. 2. Chế độ phụ tải cực tiểu. Tổng công suất của phụ tải ở chế độ phụ tải cực tiểu là : = 70%.= 70%´ 226 = 158,2 MW Tổng công suất của phụ tải và tổn thất trên mạng điện là : = 158,2 + 10%´158,2 = 174,02 MW Trong chế độ phụ tải cực tiểu sẽ cho 01 tổ máy của nguồn NĐ nghỉ, chỉ vận hành 02 tổ máy. Khi đó công suất phát của nguồn NĐ trong chế độ phụ tải cực tiểu là: PNĐ = 80% ´ 2 ´ 50 = 80 MW Công suất tự dùng của nguồn NĐ khi đó là : Ptd = 10% ´ 80 = 8 MW Công suất nguồn NĐ phát lên lưới là 80 - 8 = 72 MW Trong chế độ phụ tải cực tiểu, lượng công suất cần huy động từ nguồn HT là PHT = 174,02 - 72 = 102,02 MW Như vậy trong chế độ phụ tải cực tiểu, nguồn NĐ vận hành 2 tổ máy với 80% công suất đặt, nguồn HT cung cấp vào hệ thống 102,02 MW. 3. Trường hợp sự cố. Trường hợp sự cố được xem xét khi hệ thống đang cung cấp điện cho các phụ tải ở chế độ cực đại thì nhà máy nhiệt điện bị hư hỏng 01 tổ máy phát. Khi đó 02 tổ máy còn lại phải vận hành với 100% công suất, đồng thời nguồn HT với vai trò là nút cân bằng, cũng sẽ hỗ trợ thêm công suất để bù đắp vào lượng công suất thiếu hụt (nếu cần thiết). Khi sự cố 01 tổ máy, công suất phát của nguồn NĐ là: PNĐ = 2 ´ 50 = 100 MW Công suất tự dùng của nguồn NĐ khi đó là : Ptd = 10% ´ 100 = 10 MW Công suất nguồn NĐ phát lên lưới là 100 - 10 = 90 MW Trong chế độ sự cố, lượng công suất cần huy động từ nguồn HT là: PHT = 248,6 - 90 = 158,6 MW Như vậy, so với chế độ phụ tải cực đại, nguồn HT sẽ phải hỗ trợ thêm 18 MW (158,6 MW ở chế độ sự cố so với 140,6 MW trong chế độ phụ tải cực đại). Tóm lại, khi xảy ra sự cố hư hỏng 01 tổ máy của nguồn NĐ thì 02 tổ máy còn lại sẽ phải vận hành 100% công suất đồng thời nguồn HT phải phát thêm 18MW đưa tổng công suất phát của nguồn HT lên 158,6MW mới đảm bảo đáp ứng được nhu cầu phụ tải. Tổng hợp phương thức vận hành trong các chế độ được cho trong bảng 2.1: Bảng 2.1 Chế độ Phụ tải cực đại Phụ tải cực tiểu Sự cố Nguồn NĐ 80%´(3´50)=120 MW 80%´(2´50)=80 MW 100%´(2´50)=100 MW Nguồn HT Phát 140,6 MW Phát 102,02 MW Phát 158,6 MW