Luận án TS: Giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung nâng cao chất lượng điện áp

Luận án trình bày giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung, giúp nâng cao chất lượng điện áp, tối ưu hiệu suất động cơ trong nhà máy công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: Phạm Trung Dũng
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Bù phân tán ĐKTT: Nâng cao chất lượng điện áp nhà máy
• Loại tài liệu: Luận án

Tóm tắt

I. Khái niệm về Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung

Bù phân tán điều khiển tập trung (BPT-ĐKTT) là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực điều chỉnh chất lượng điện áp nhà máy. Hệ thống này kết hợp các thiết bị bù công suất phản kháng được bố trí tại nhiều vị trí khác nhau trong mạng lưới điện, đồng thời được điều khiển từ một trung tâm tập trung. Phương pháp này vừa tận dụng ưu điểm của bù tập trung (điều khiển dễ dàng) vừa kế thừa lợi ích của bù phân tán (hiệu quả cao, giảm tổn thất). Công nghệ BPT-ĐKTT giúp cải thiện đáng kể chất lượng điện áp, ổn định điện áp tại các điểm phụ tải, và nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn hệ thống điện nhà máy.

1.1. Định nghĩa và Nguyên tắc Hoạt động

Bù phân tán điều khiển tập trung là hệ thống kết hợp các tụ điện và thiết bị bù phản ứng nhanh tại các điểm khác nhau trong mạng lưới. Các thiết bị này được kích hoạt theo lệnh từ bộ điều khiển trung tâm dựa trên những tín hiệu từ khối đo lường. Nguyên tắc hoạt động dựa trên việc phát hiện độ lệch điện áp, dao động điện áp và bất đối xứng, sau đó tự động điều chỉnh công suất phản kháng bù để duy trì điện áp ổn định.

1.2. Ưu Điểm So Với Các Phương Pháp Truyền Thống

So với bù tập trung truyền thống, BPT-ĐKTT giảm tổn thất công suất tác dụng trên đường dây tải, giảm sụt áp và cải thiện độ ổn định điện áp tại các điểm phụ tải xa. Hệ thống này có khả năng đáp ứng nhanh chóng, có thể điều chỉnh trong vòng vài mili giây, tốt hơn nhiều so với bù bằng tụ cố định hay máy bù đồng bộ thông thường.

II. Cấu Trúc Hệ Thống Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung

Hệ thống BPT-ĐKTT bao gồm ba thành phần chính: khối đo lường, bộ điều khiển tập trung và các thiết bị bù phân tán. Khối đo lường được lắp đặt tại các điểm quan trọng trong mạng lưới để thu thập dữ liệu về chất lượng đielectric áp như điện áp hiệu dụng, tần số, độ méo dạng sóng (sóng hài), độ bất đối xứng. Bộ điều khiển tập trung xử lý các tín hiệu này bằng các thuật toán điều khiển thông minh, từ đó phát lệnh điều chỉnh tới các thiết bị bù công suất phản kháng tại các nhánh khác nhau. Các thiết bị bù này thường bao gồm tụ bù có điều chỉnh dạng bậc, lọc sóng hài chủ động hoặc thiết bị bù phản ứng nhanh.

2.1. Khối Đo Lường và Thu Thập Dữ Liệu

Khối đo lường gồm các cảm biến điện áp, dòng điện và các mạch xử lý tín hiệu. Nó liên tục giám sát chất lượng điện áp tại các điểm nút của mạng lưới nhà máy. Các tín hiệu được số hóa và gửi tới bộ điều khiển tập trung. Dữ liệu thu thập giúp nhận biết những dao động điện áp, sụt áp, điện áp bất đối xứng và sóng hài để điều chỉnh kịp thời.

2.2. Bộ Điều Khiển Tập Trung và Thuật Toán

Bộ điều khiển tập trung sử dụng vi xử lý hoặc hệ thống SCADA hiện đại để thực thi các thuật toán điều khiển. Thuật toán chính bao gồm: điều chỉnh bù công suất phản kháng, lọc sóng hài, và điều chỉnh độ không đối xứng điện áp. Các lệnh điều khiển được gửi tới các thiết bị bù phân tán thông qua các giao thức truyền thông tin cậy.

III. Tác Động của BPT ĐKTT Đến Chất Lượng Điện Áp Nhà Máy

Chất lượng điện áp là một yếu tố quyết định đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện trong nhà máy, đặc biệt là động cơ không đồng bộ. Khi chất lượng điện áp bị suy giảm do độ lệch điện áp, điện áp bất đối xứng hoặc méo dạng sóng, hiệu suất động cơ giảm, tổn thất tăng và tuổi thọ thiết bị rút ngắn. Hệ thống BPT-ĐKTT hoạt động bằng cách bù công suất phản kháng để giảm sụt áp trên đường dây tải, ổn định điện áp tại các nút mạng lưới. Ngoài ra, các khối lọc sóng hài giúp giảm sóng hài và các tần số cao không mong muốn. Kết quả là chất lượng điện áp được cải thiện đáng kể, hiệu suất động cơ tăng cao, tổn thất công suất trên mạng lưới giảm, và độ tin cậy hệ thống tăng lên.

3.1. Cải Thiện Ổn Định Điện Áp

Bằng cách bù công suất phản kháng thông minh, BPT-ĐKTT giảm sụt áp trên các đoạn đường dây tải. Điều này đảm bảo chất lượng điện áp tại các điểm phụ tải xa luôn nằm trong phạm vi cho phép (±10% theo chuẩn). Điện áp ổn định giúp động cơ hoạt động ở điểm công suất tối ưu, tránh hiện tượng quá tải hoặc hoạt động kém hiệu quả.

3.2. Giảm Tổn Thất Công Suất và Chi Phí Vận Hành

Bù công suất phản kháng giảm dòng điện phản ứng trên đường dây, từ đó giảm tổn thất công suất tác dụng trên máy biến áp và cáp dây. Hệ số công suất (cosφ) được cải thiện, làm giảm chi phí điện năng. Doanh nghiệp có thể tiết kiệm 10-15% chi phí điện hàng năm khi triển khai hệ thống BPT-ĐKTT.

IV. Ứng Dụng và Triển Khai BPT ĐKTT Trong Nhà Máy

Bù phân tán điều khiển tập trung đã được áp dụng thành công tại nhiều nhà máy sản xuất với quy mô lớn, đặc biệt là những nhà máy có tải không ổn định hoặc tải có động cơ lớn. Các bước triển khai bao gồm: (1) Khảo sát mạng lưới điện nhà máy để xác định các điểm bố trí thiết bị bù; (2) Tính toán tối ưu hóa công suất bù công suất phản kháng cần thiết tại mỗi vị trí; (3) Chọn loại thiết bị bù phù hợp (tụ điều chỉnh bậc, lọc sóng hài chủ động); (4) Lập trình bộ điều khiển với các thuật toán điều chỉnh điện áp phù hợp; (5) Lắp đặt, vận hành thử nghiệm và giám sát. Trước khi triển khai toàn bộ, nên mô phỏng hệ thống bằng phần mềm để dự đoán hiệu quả. Các nhà máy đã áp dụng báo cáo cải thiện chất lượng điện áp rõ rệt, giảm sụt áp và nâng cao độ tin cậy vận hành.

4.1. Quy Trình Thiết Kế và Lắp Đặt

Bước đầu tiên là khảo sát chi tiết mạng lưới điện nhà máy, vẽ sơ đồ đơn tuyến, xác định các điểm phụ tải lớn. Tiếp theo, sử dụng tính toán tối ưu hóa để xác định vị trí bố trí thiết bị bù sao cho hiệu quả nhất. Sau đó chọn loại thiết bị bù phù hợp về công suất và tốc độ đáp ứng. Cuối cùng, thiết kế sơ đồ điện, lập trình bộ điều khiển và tiến hành lắp đặt.

4.2. Giám Sát Vận Hành và Bảo Dưỡng

Sau khi lắp đặt, hệ thống cần được giám sát liên tục thông qua SCADA hoặc giao diện giám sát. Các chỉ số như chất lượng điện áp, hệ số công suất, tổn thất công suất được theo dõi. Bảo dưỡng định kỳ kiểm tra tụ điện, thiết bị bù và bộ điều khiển để đảm bảo hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, bài toán về chất lượng điện năng (CLĐN) ngày càng trở nên quan trọng với mọi quốc gia trên thế giới. Việc giải quyết tốt bài toán này sẽ giúp cho quốc gia sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, tăng cường độ tin cậy và an toàn cung cấp điện (qua đó đảm bảo về an ninh năng lượng), tăng tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị sản xuất, truyền tải, phân phối, tiêu thụ điện cũng như đảm bảo sức khỏe cho các khách hàng sử dụng điện [1], [2], [11-18]. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển như vũ bão của công nghệ, các thiết bị điện tử có công suất cao ngày càng trở nên phổ biến như: hệ thống máy lạnh, các máy điện công suất lớn, các bộ các bộ biến đổi…[19] Cùng với đó là sự thay thế của các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió, năng lượng mặt trời…) cho các nhà máy điện truyền thống như nhiệt điện than, nhiệt điện khí [11], [20], [21]… Sự thay đổi về mặt công nghệ này khiến cho việc sử dụng năng lượng trở nên hiệu quả, sạch và mang lại những lợi ích to lớn về mặt môi trường. Tuy nhiên, nó cũng có ảnh hưởng rất lớn tới vấn đề về CLĐN do những tương tác của các thiết bị này với hệ thống điện.

Theo các tiêu chuẩn về CLĐN phổ biến trên thế giới như Gost 13109 - 1997 của Nga [22], IEC-61000 hay IEEE-1159 [23], có khoảng trên 50 thông số ảnh hưởng tới CLĐN. Tuy nhiên, chỉ có 11 thông số được gọi là chỉ số CLĐN bao gồm: - Độ lệch điện áp xác lập δUy; - Mức biến đổi điện áp δUt; - Độ nhấp nháy Pt; - Hệ số méo dạng sin của điện áp Ku; - Hệ số thành phần điện áp sóng hài bậc n: Ku(n); 8 - Hệ số không đối xứng điện áp thứ tự nghịch K2U; - Hệ số không đối xứng điện áp thứ tự không K0U; - Độ lệch tần số Δf; - Thời gian kéo dài của sụt điện áp Δts; - Điện áp xung Ux; - Hệ số quá điện áp tức thời KttU. Cũng theo tiêu chuẩn này, các yếu tố ảnh hưởng lớn nhất tới các chỉ tiêu về CLĐN được cho như trong bảng sau: Bảng 1. Các yếu tố ảnh hưởng tới CLĐN Đặc tính của Tác nhân có xác suất làm xấu Các chỉ số CLĐN điện năng CLĐN cao nhất Tổ chức cung cấp năng lượng Độ lệch điện áp Độ lệch điện áp và hộ tiêu thụ Mức độ thay đổi điện áp Dao động điện Hộ tiêu thụ với phụ tải biến đổi δUt áp nhanh Độ nhấp nháy Pt Hệ số méo dạng sin điện Độ không sin áp KU Hộ tiêu thụ với phụ tải phi điện áp Hệ số của thành phần điện tuyến áp sóng hài bậc n: Ku(n) Độ không đối Hệ số không đối xứng xứng điện áp điện áp thứ tự nghịch K2U Hộ tiêu thụ với phụ tải không của hệ thống 3 Hệ số không đối xứng đối xứng pha điện áp thứ tự không K0U Độ lệch tần số Độ lệch tần số ∆f Tổ chức cung cấp năng lượng Sụt điện áp Thời gian sụt điện áp ∆ts Tổ chức cung cấp năng lượng Điện áp xung Điện áp xung Ux Tổ chức cung cấp năng lượng Quá điện áp tức Hệ số quá điện áp tức thời Tổ chức cung cấp năng lượng thời KttU 9 Có thể thấy, CLĐN là một phạm trù rất rộng và có sự tương tác rất lớn giữa hộ tiêu thụ và các khâu liên quan tới cung cấp năng lượng như sản xuất, truyền tải và phân phối.

Do vậy phải xem xét một cách kỹ lưỡng các vấn đề liên quan đến ảnh hưởng của CLĐN. Bài toán CLĐN bao gồm các bài toán nhỏ liên quan đến chất lượng điện áp (CLĐA) và chất lượng tần số, trong đó chất lượng tần số được quản lý bởi đơn vị điều độ hệ thống điện quốc gia. Chính vì vậy, trong giới hạn của luận án, tác giả tập trung nghiên cứu, phân tích CLĐN do các phụ tải gây ra và tác động ngược trở lại của CLĐN đến các phụ tải. Dựa theo Bảng 1.1, các bài toán về CLĐN được giải quyết thông qua CLĐA.

Các tham số ảnh hưởng của chất lượng điện áp CLĐA cung cấp có thể tác động trực tiếp đến nhiều khách hàng công nghiệp. Ngày nay các dây chuyền sản xuất công nghiệp đều được trang bị hiện đại với trình độ tự động hóa cao và thường "nhạy cảm" hơn với các thông số của điện năng được cung cấp so với thế hệ các thiết bị điện cơ trước đây. Quy mô sản xuất càng lớn, thiết bị sử dụng càng hiện đại thì hậu quả của CLĐA xấu (sụt áp, tần số không ổn định, xuất hiện sóng hài bậc cao, gián đoạn cung cấp điện,…) càng trở nên nghiêm trọng. Bài toán đánh giá quan hệ đảm bảo CLĐA ngày càng trở nên phức tạp theo cách nhìn của từng đối tác.

Đối với nhà sản xuất thiết bị điện là giá thành sản phẩm, một thiết bị điện nếu được chế tạo để có thể hoạt động bình thường trong một dải biến thiên rộng của thông số CLĐA thường có giá thành cao. Đối với đơn vị cung cấp điện: nâng cao CLĐA thường đồng nghĩa với những khoản đầu tư lớn để nâng cấp lưới điện làm giảm lợi nhuận thu được, vì vậy nếu không có những điều kiện pháp lý ràng buộc, các đơn vị điện lực thường không hào hứng với những giải pháp tốn kém để nâng cao CLĐA. Mặt khác trong điều kiện thị trường điện lực phát triển, các ràng buộc kỹ thuật trong hợp đồng mua bán điện liên quan đến CLĐA sẽ là động lực để các đơn vị cung ứng điện có trách nhiệm hơn trong việc đảm bảo CLĐA cho khách hàng sử dụng điện. 10 CLĐA cũng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện năng, hiệu quả sản xuất kinh doanh, chi phí và tiện nghi của khách hàng.

Ngược lại, nhiều thiết bị sử dụng điện của khách hàng lại là nguyên nhân gây nên những vấn đề về CLĐA đối với các hộ tiêu thụ lân cận và cả hệ thống cung cấp điện. Vì vậy để giải quyết toàn diện vấn đề CLĐA sao cho CLĐA được giữ ở mức cao và ổn định sẽ giúp cho các thiết bị điện hoạt động với hiệu suất cao nhất, giảm tổn thất, nâng cao tuổi thọ của các thiết bị thì cần có sự phối hợp của các bên liên quan. Do đó người ta thường tập trung vào xét các yếu tố chính của CLĐA sau: 1) Độ lệch điện áp so với định mức Điện áp bị lệch do nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có phần đóng góp của cả các công ty điện lực và các thiết bị tiêu thụ điện. Mỗi thiết bị điện đều có giá trị điện áp định mức không đổi, nếu điện áp quá cao sẽ dẫn tới hư hỏng do vấn đề cách điện, còn khi điện áp quá thấp thì sẽ làm cho hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị giảm [2].

Do đó việc giữ cho điện áp ổn định là rất quan trọng đối với khả năng làm việc và độ bền của thiết bị điện. Theo các quy định hiện hành trên thế giới và Việt Nam, độ lệch điện áp so với định mức không quá +10% và -5% tại điểm đấu nối với nhà máy điện, còn tại điểm đấu nối của khách hàng sử dụng điện là ±5% [3]. 2) Dao động điện áp Hiện tượng điện áp thay đổi rất nhanh trong thời gian ngắn (dưới 1 phút) được gọi là dao động điện áp. Nguyên nhân của hiện tượng này chủ yếu do các phụ tải điện có đặc tính làm việc biến đổi nhanh (các động cơ, máy hàn điện, lò hồ quang, …) hoặc do việc đóng, cắt các nguồn năng lượng tái tạo hoặc do tính không ổn định của nguồn năng lượng sơ cấp.

Dao động điện áp cũng làm cho hiệu suất của thiết bị giảm rất nhanh đồng thời còn ảnh hưởng đến sức khoẻ, sự an toàn của người lao động [4]. Theo quy định thì dao động điện áp không được vượt quá 2,5% điện áp danh định [3]. 3) Độ không đối xứng điện áp của hệ thống 3 pha Nguyên nhân của hiện tượng này thường là do có sự phân chia không đồng đều công suất giữa các phụ tải trên từng pha hoặc các máy ba pha gặp sự cố. 11 Việc điện áp 3 pha lệch nhau thường tác động rất lớn tới các phụ tải ba pha, đặc biệt là các động cơ, nó làm cho các động cơ bị rung lắc và hiệu suất giảm rất nhanh [2].

Thông tư 30/2019/TT-BCT quy định, độ không đối xứng điện áp 3 pha không vượt quá 5% [3]. Tuy nhiên, để các động cơ hoạt động hiệu quả thì nên giữ cho độ không đối xứng dưới 3% để tránh tổn thất tăng cao. 4) Độ không sin điện áp Nguyên nhân chủ yếu của hiện tượng này là do phụ tải phi tuyến của các hộ tiêu thụ gây ra làm cho dạng sóng dòng điện, điện áp không giữ được dạng hình sin. Ảnh hưởng chủ yếu hiện tượng này là gây ra tổn thất công suất tác dụng phụ rất lớn trên đường dây và trong máy biến áp, gây cộng hưởng làm hư hỏng các thiết bị điện, gây quá điện áp, quá tải dòng điện và gây ra các sai sót trong các thiết bị đo lường, điều khiển [5].

Ngoài ra, nó còn gây ra tổn thất trên các thiết bị điện thông thường khác với lượng nhỏ hơn. Chính vì vậy để hạn chế những ảnh hưởng tiêu cực của các hiện tượng méo dạng sóng, các tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia đều có những yêu cầu về hạn chế sóng hài của những thiết bị điện. Tại Việt Nam, Theo Thông tư 30/2019/TT-BCT quy định về lưới điện phân phối, giá trị từng sóng hài riêng rẽ không được vượt quá 3% điện áp ở tần số cơ bản (50Hz) và tổng méo dạng tất cả sóng hài không được vượt quá 6,5% ở trung và hạ áp. Có thể thấy 4 yếu tố trên của CLĐA sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu suất làm việc của các thiết bị điện.

Chính vì vậy, việc nâng cao CLĐA là một trong những bài toán cơ bản trong việc giảm tổn thất, nâng cao tuổi thọ thiết bị. Với lưới điện phân phối, sản lượng điện tiêu thụ trong các nhà máy, khu công nghiệp là rất lớn cho nên CLĐA trong hệ thống điện phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động của các phụ tải công nghiệp này. Thực tế cho thấy, trong các nhà máy có rất nhiều loại phụ tải điện khác nhau, phụ tải là các động cơ điện không đồng bộ, chiếm khoảng 60% trên tổng số lượng phụ tải nhưng lại tiêu thụ khoảng 70% sản lượng điện hàng năm [24].