Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng điện năng ngày càng trở thành vấn đề quan trọng trong hệ thống điện hiện đại, đặc biệt khi phụ tải phi tuyến ngày càng phổ biến do sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất. Theo tiêu chuẩn IEEE-519, chỉ số méo dạng tổng (THD) của dòng điện không được vượt quá 5% để đảm bảo chất lượng điện năng. Tuy nhiên, trong thực tế, các phụ tải phi tuyến như động cơ, bộ chỉnh lưu, và thiết bị điện tử công suất tạo ra sóng hài làm méo dạng sóng điện áp và dòng điện, gây ra nhiều vấn đề như tăng tổn thất, giảm tuổi thọ thiết bị và ảnh hưởng đến hệ số công suất. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất và kiểm nghiệm giải pháp điều khiển bộ lọc tích cực song song nhằm giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống điện 3 pha 4 dây, với phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện cấp điện áp 0,4 kV tại Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng phần mềm MATLAB-Simulink để mô phỏng và phân tích hiệu quả của phương pháp đề xuất trên 5 loại phụ tải phi tuyến khác nhau. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm chỉ số THD, nâng cao hệ số công suất và đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng điện năng, góp phần tăng tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết sóng hài và chỉ số THD: Sóng hài là các thành phần tần số bội số của tần số cơ bản 50 Hz, gây méo dạng sóng điện áp và dòng điện. THD được tính bằng tỉ số giữa tổng bình phương các thành phần hài so với thành phần cơ bản, theo tiêu chuẩn IEC 61000-2-2 và IEEE-519.

  • Bộ lọc tích cực song song (Shunt Active Power Filter - SAPF): Thiết bị điện tử công suất sử dụng biến tần nguồn áp để bù sóng hài và cải thiện hệ số công suất. SAPF hoạt động bằng cách tạo ra dòng điện bù ngược pha với sóng hài tải, giúp dòng điện nguồn trở lại dạng sin.

  • Phương pháp điều khiển dựa trên lý thuyết bình phương cực tiểu thưa thớt (Sparse LMS - SLMS): Thuật toán SLMS được sử dụng để trích xuất dòng điện tham chiếu từ dòng tải, điện áp nguồn và điện áp DC của bộ lọc, giúp tối ưu hóa việc bù sóng hài.

  • Bộ điều khiển dòng trễ (Hysteresis Current Controller - HCC): Bộ điều khiển này tạo ra các xung đóng cắt cho bộ nghịch lưu IGBT dựa trên sự so sánh giữa dòng tham chiếu và dòng nguồn, đảm bảo dòng điện bù chính xác và đáp ứng nhanh.

Các khái niệm chính bao gồm sóng hài, THD, bộ lọc tích cực song song, thuật toán SLMS, và bộ điều khiển dải trễ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên mô hình toán học của hệ thống điện 3 pha 4 dây, các loại tải phi tuyến và bộ lọc tích cực song song.

  • Phương pháp phân tích: Thuật toán SLMS được áp dụng để trích xuất dòng điện tham chiếu, kết hợp với bộ điều khiển dải trễ để điều khiển bộ lọc. Hiệu quả được đánh giá qua chỉ số THD và hệ số công suất.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình được kiểm nghiệm trên 5 loại phụ tải phi tuyến khác nhau, bao gồm cầu chỉnh lưu 1 pha và 3 pha, tải phi tuyến ba pha, tải phi tuyến một pha, động cơ một chiều có điều khiển, và tải RC kết hợp UPS. Quá trình nghiên cứu và mô phỏng kéo dài trong khoảng 18 tháng, từ tháng 10/2018 đến tháng 4/2020.

  • Phần mềm sử dụng: MATLAB-Simulink được dùng để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng cao trong việc nâng cao chất lượng điện năng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm chỉ số THD hiệu quả: Kết quả mô phỏng cho thấy chỉ số THD của dòng điện nguồn sau khi sử dụng bộ lọc tích cực với thuật toán SLMS giảm xuống dưới 5%, thỏa mãn tiêu chuẩn IEEE-519. Ví dụ, với tải loại 1 (cầu chỉnh lưu 1 pha và 3 pha có điều khiển), THD giảm từ khoảng 25% xuống còn dưới 4%.

  2. Hệ số công suất đạt gần 1: Hệ số công suất của hệ thống được cải thiện rõ rệt, đạt giá trị xấp xỉ 1 sau khi áp dụng bộ lọc tích cực, giúp giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả truyền tải điện.

  3. So sánh với các phương pháp khác: Phương pháp SLMS vượt trội hơn so với thuật toán PSO và phương pháp hệ quy chiếu dq cải tiến về cả độ chính xác và tốc độ xử lý. Ví dụ, thời gian xử lý giảm khoảng 20% so với PSO, trong khi THD cũng thấp hơn khoảng 1-2%.

  4. Hiệu quả trên đa dạng loại tải: Bộ lọc tích cực với thuật toán đề xuất hoạt động hiệu quả trên 5 loại tải phi tuyến khác nhau, bao gồm cả tải cân bằng và không cân bằng, chứng minh tính linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả này là do thuật toán SLMS giúp trích xuất dòng điện tham chiếu chính xác hơn, giảm sai số trong điều khiển bộ lọc. Bộ điều khiển dải trễ giúp tạo ra các xung đóng cắt nhanh và chính xác, đảm bảo dòng điện bù phù hợp với dòng tải. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng PSO hay dq, phương pháp này đơn giản hơn, giảm thời gian tính toán nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả lọc sóng hài.

Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh THD trước và sau khi sử dụng bộ lọc, cũng như bảng tổng hợp hệ số công suất và thời gian xử lý của các phương pháp khác nhau. Điều này minh chứng rõ ràng cho ưu điểm của giải pháp đề xuất trong việc nâng cao chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bộ lọc tích cực song song với thuật toán SLMS trong các trạm biến áp phân phối: Động tác này nhằm giảm sóng hài và nâng cao chất lượng điện năng, dự kiến thực hiện trong vòng 12 tháng, do các công ty điện lực và đơn vị quản lý hệ thống điện thực hiện.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành về phương pháp điều khiển mới: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thuật toán SLMS và bộ điều khiển dải trễ, nâng cao năng lực vận hành và bảo trì bộ lọc tích cực, thời gian thực hiện 6 tháng, do các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật đảm nhiệm.

  3. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các hệ thống điện công nghiệp có tải phi tuyến phức tạp: Áp dụng và điều chỉnh thuật toán cho các hệ thống có tải đa dạng hơn, nhằm tối ưu hóa hiệu quả lọc sóng hài, thời gian nghiên cứu 18 tháng, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghiệp phối hợp thực hiện.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ hỗ trợ thiết kế bộ lọc tích cực: Tạo ra các công cụ hỗ trợ thiết kế và mô phỏng bộ lọc tích cực dựa trên thuật toán SLMS, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và triển khai, thời gian thực hiện 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu phần mềm và kỹ thuật điện phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và học viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về sóng hài, bộ lọc tích cực và thuật toán điều khiển hiện đại, hỗ trợ học tập và nghiên cứu.

  2. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Tài liệu giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động và cách thức điều khiển bộ lọc tích cực, nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực điện công nghiệp: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu mới, làm nền tảng cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

  4. Doanh nghiệp và cơ quan quản lý ngành điện: Hỗ trợ trong việc lựa chọn và triển khai các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất và chi phí vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ lọc tích cực song song là gì và tại sao cần sử dụng?
    Bộ lọc tích cực song song là thiết bị điện tử công suất dùng để bù sóng hài và cải thiện hệ số công suất bằng cách tạo dòng điện bù ngược pha với sóng hài tải. Nó giúp giảm méo dạng sóng, nâng cao chất lượng điện năng và bảo vệ thiết bị điện.

  2. Thuật toán SLMS có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    SLMS giúp trích xuất dòng điện tham chiếu chính xác với độ phức tạp tính toán thấp, giảm thời gian xử lý so với các thuật toán như PSO hay dq, đồng thời duy trì hiệu quả lọc sóng hài cao.

  3. Chỉ số THD là gì và tại sao quan trọng?
    THD (Total Harmonic Distortion) là chỉ số đo độ méo dạng sóng điện áp hoặc dòng điện do sóng hài gây ra. THD thấp giúp đảm bảo chất lượng điện năng, giảm tổn thất và tăng tuổi thọ thiết bị.

  4. Phần mềm MATLAB-Simulink được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    MATLAB-Simulink được dùng để mô hình hóa hệ thống điện, các loại tải phi tuyến và bộ lọc tích cực, từ đó mô phỏng và phân tích hiệu quả của thuật toán điều khiển đề xuất.

  5. Giải pháp này có thể áp dụng cho hệ thống điện công nghiệp không?
    Có, giải pháp được thiết kế linh hoạt và đã được kiểm nghiệm trên nhiều loại tải phi tuyến khác nhau, phù hợp với các hệ thống điện công nghiệp có phụ tải phức tạp.

Kết luận

  • Đề xuất thành công phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực song song dựa trên lý thuyết bình phương cực tiểu thưa thớt (SLMS) và bộ điều khiển dải trễ, giúp giảm chỉ số THD dưới 5% theo tiêu chuẩn IEEE-519.
  • Phương pháp cải thiện hệ số công suất lên gần 1, nâng cao hiệu quả truyền tải và giảm tổn thất điện năng.
  • Hiệu quả được chứng minh trên 5 loại tải phi tuyến khác nhau, cho thấy tính linh hoạt và khả năng ứng dụng rộng rãi.
  • So sánh với các phương pháp PSO và dq cải tiến, giải pháp đề xuất có ưu điểm về độ chính xác và tốc độ xử lý.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng ứng dụng cho hệ thống công nghiệp phức tạp và phát triển công cụ hỗ trợ thiết kế bộ lọc tích cực.

Để nâng cao chất lượng điện năng và giảm thiểu tác động của sóng hài, các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện nên xem xét áp dụng giải pháp bộ lọc tích cực với thuật toán SLMS. Độc giả quan tâm có thể tiếp cận luận văn để hiểu sâu hơn về phương pháp và ứng dụng thực tiễn.