Luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối khi vận hành nguồn thủy điện nhỏ tại tỉnh lạng sơn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối khi vận hành nguồn thủy điện nhỏ tại, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Hoàng Văn Thuận
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Ý
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối từ nguồn thủy điện nhỏ tại Lạng Sơn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Lạng Sơn

Tóm tắt

I. Chất lượng điện áp

Chất lượng điện áp là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của lưới điện phân phối. Điện áp không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị mà còn tác động đến sự ổn định của toàn bộ hệ thống điện. Các vấn đề liên quan đến điện áp như sự biến đổi dài hạn, điện áp thay đổi đột ngột, và điện áp ba pha không cân bằng đều có thể gây ra những tác động tiêu cực. Theo tiêu chuẩn EN50160, điện áp cung cấp cho khách hàng phải nằm trong khoảng dung sai cho phép, cụ thể là ±10% trong 10 phút với 95% thời gian trong tuần. Điều này có nghĩa là việc duy trì chất lượng điện áp là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện. Việc không tuân thủ các tiêu chuẩn này có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị và giảm hiệu suất sản xuất. Do đó, việc cải thiện chất lượng điện áp trong lưới điện phân phối là một nhiệm vụ cấp bách.

1.1. Ảnh hưởng của điện áp

Điện áp có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của các thiết bị điện. Đối với động cơ, mô men quay tỷ lệ với bình phương điện áp, do đó, sự thay đổi điện áp có thể làm giảm hiệu suất hoạt động của động cơ. Đối với thiết bị chiếu sáng, điện áp giảm có thể làm giảm quang thông và tuổi thọ của đèn. Các thiết bị điện tử cũng rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp, gây ra hiện tượng nhiễu và ảnh hưởng đến chất lượng hình ảnh. Đặc biệt, các thiết bị đốt nóng như bếp điện trở cũng bị ảnh hưởng bởi điện áp, khi điện áp giảm, hiệu quả đốt nóng giảm rõ rệt. Những tác động này cho thấy rằng việc duy trì chất lượng điện áp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của các thiết bị điện trong lưới điện phân phối.

II. Tiềm năng và khai thác nguồn thủy điện

Nguồn thủy điện nhỏ (TĐN) đang trở thành một giải pháp quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối. TĐN không chỉ có chi phí lắp đặt thấp mà còn có tác động môi trường không đáng kể. Việc phát triển TĐN có thể giúp giải quyết vấn đề điện khí hóa nông thôn, nâng cao mức sống và điều kiện sản xuất cho người dân. Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc, tổng công suất các dự án TĐN trên toàn thế giới đã tăng đáng kể trong những năm qua, cho thấy tiềm năng phát triển lớn của nguồn năng lượng này. Việt Nam cũng có tiềm năng TĐN phong phú, với tổng công suất các công trình đang hoạt động chiếm gần 26% tổng tiềm năng đã được phát hiện. Tuy nhiên, việc khai thác TĐN cũng cần phải gắn liền với bảo vệ môi trường và đảm bảo chất lượng điện áp trong lưới điện phân phối.

2.1. Tác động của TĐN đến lưới điện

Việc vận hành TĐN trong lưới điện phân phối có thể tạo ra dòng công suất ngược, ảnh hưởng đến chế độ làm việc của các thiết bị bù và điều chỉnh điện áp. Điều này có thể dẫn đến tình trạng sụt áp tại một số nút và quá áp tại các nút khác, gây ra những vấn đề về chất lượng điện áp. Đầu tư phát triển TĐN cần phải được thực hiện một cách cẩn thận để tránh những tác động tiêu cực đến môi trường và đảm bảo rằng chất lượng điện áp trong lưới điện phân phối được duy trì ở mức độ cao nhất.

III. Mô hình lưới điện phân phối

Mô hình lưới điện phân phối là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp. Mạng điện 1 pha và 3 pha đều có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến cách thức phân phối điện năng. Việc sử dụng máy biến áp điều áp dưới tải (OLTC) là một giải pháp hiệu quả để điều chỉnh điện áp trong lưới điện phân phối. Mô hình hóa lưới điện bằng các công cụ như Matlab Simulink giúp phân tích và dự đoán các tình huống khác nhau trong quá trình vận hành. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc điều chỉnh điện áp có thể giúp giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của lưới điện.

3.1. Phương pháp mô phỏng

Phương pháp mô phỏng lưới điện phân phối sử dụng các thuật toán như Newton-Raphson và Particle Swarm Optimization (PSO) để tối ưu hóa quá trình điều chỉnh điện áp. Các phương pháp này cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện áp và đưa ra các giải pháp cải thiện hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp này có thể giúp giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện áp trong lưới điện phân phối, từ đó đảm bảo cung cấp điện ổn định cho người tiêu dùng.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Việc cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối từ nguồn thủy điện nhỏ tại Lạng Sơn là một nhiệm vụ quan trọng và cần thiết. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ mới và phương pháp mô phỏng có thể giúp nâng cao hiệu suất hoạt động của lưới điện. Hướng phát triển trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình vận hành và bảo trì lưới điện, đồng thời đảm bảo rằng các tiêu chuẩn chất lượng điện áp được tuân thủ. Điều này không chỉ giúp nâng cao chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành điện lực tại Việt Nam.

4.1. Đề xuất giải pháp

Để cải thiện chất lượng điện áp, cần có các giải pháp đồng bộ như nâng cấp hạ tầng lưới điện, áp dụng công nghệ điều chỉnh điện áp hiện đại và tăng cường công tác quản lý vận hành. Việc đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của chất lượng điện áp cũng cần được chú trọng. Các giải pháp này sẽ giúp đảm bảo rằng lưới điện phân phối hoạt động hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng và góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội của địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1. CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại. Cùng với sự gia tăng về quy mô thì các vấn đề kỹ thuật cũng rất được quan tâm, đó là việc nâng cao chất lượng điện năng ở LĐPP. Điều này có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống.

Điện áp là một chỉ tiêu quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng điện năng cung cấp. Thực tế cho thấy chất lượng cung cấp điện bị ảnh hưởng đáng kể bởi chất lượng điện áp cung cấp cho khách hàng, nó bị tác động bởi các thông số trên đường dây khác nhau. Có thể có các dạng như: sự biến đổi dài hạn của điện áp so với điện áp định mức, điện áp thay đổi đột ngột, những xung dốc dao động hoặc điện áp ba pha không cân bằng. Hơn nữa tính không đồng đều như tần số thay đổi, sự không tuyến tính của hệ thống hoặc trở kháng phụ tải sẽ làm méo dạng sóng điện áp, các xung nhọn do các thu lôi sinh ra cũng có thể được lan truyền trong hệ thống cung cấp.

Để ngăn ngừa các hiệu ứng có hại cho thiết bị của hệ thống cung cấp trong một mức độ nhất định, luật và các quy định khác nhau tồn tại trong các vùng khác nhau để chắc rằng mức độ của điện áp cung cấp không được ra ngoài dung sai quy định. Các đặc tính của điện áp cung cấp được chỉ rõ trong các tiêu chuẩn chất lượng điện áp, thường được mô tả bởi tần số, độ lớn, dạng sóng và tính đối xứng của điện áp 3 pha. Trên thực tế có sự dao động tương đối rộng trong việc chấp nhận các dung sai có liên quan đến điện áp. Các tiêu chuẩn luôn luôn được phát triển hợp lý để đáp lại sự phát triển của kỹ thuật kinh tế và chính trị.

Bởi một vài nhân tố ảnh hưởng đến điện áp cung cấp là ngẫu nhiên trong không gian và thời gian, nên một vài đặc trưng có thể được mô tả trong các tiêu chuẩn với các tham số tĩnh để thay thế cho các giới hạn đặc biệt. Một khía cạnh quan trọng trong việc áp dụng các tiêu chuẩn là để xem xét ở nơi nào và ở đâu trong mạng cung cấp, các đặc tính của điện áp là định mức. Tiêu chuẩn Châu Âu EN50160 chỉ rõ các đặc điểm của điện áp ở các đầu cuối cung cấp cho khách hàng dưới các điều kiện vận hành bình 4 thường. Các đầu cuối cung cấp được định nghĩa là điểm kết nối của khách hàng nối vào hệ thống công cộng.

EN50160 chỉ ra rằng trong các thành viên của Eropean Communities - Cộng đồng Châu Âu, dải biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp cung cấp trong 10 phút (điện áp pha hoặc điện áp dây) là 10% với 95% thời gian trong tuần. Với HTĐ áp 3 pha 4 dây, là 230 V giữa pha và trung tính. Nói đúng ra, điều này có nghĩa là mỗi tuần có hơn 8 giờ không có giới hạn cho giá trị của điện áp cung cấp. Cũng có một số ý kiến cho rằng dung sai điện áp 10% là quá rộng.

Ở Việt Nam, chất lượng điện năng được quy định tại TCVN, Luật Điện lực, Quy phạm trang bị điện, Tiêu chuẩn kỹ thuật điện và gần đây nhất là Thông tư 32/2010/TT- BCT: - Trong điều kiện vận hành bình thường, điện áp được phép dao động trong khoảng 5% so với điện áp danh định và được xác định tại phía thứ cấp của MBA cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận trong hợp đồng khi bên mua đạt HSCS cosφ = 0.85 và thực hiện đúng biểu đồ phụ tải đã thỏa thuận trong hợp đồng. - Trong trường hợp LĐ chưa ổn định, điện áp được dao động từ +5 % đến -10 %. Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó.

Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các thiết bị có cosφ thấp và các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi đột biến về tiêu thụ CSTD và CSPK như: các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn, v. Độ lệch điện áp tại phụ tải là giá trị sai lệch giữa điện áp thực tế trên cực của các thiết bị điện so với điện áp định mức của mạng điện. Độ lệch điện áp được tiêu chuẩn hóa theo mỗi nước. Ở Việt Nam quy định: - Độ lệch cho chiếu sáng công nghiệp và công sở, đèn pha trong giới hạn: từ –2.

- Độ lệch cho động cơ: từ –5. - Các phụ tải còn lại: –5% đến +5%. 5 Với các sự cố xảy ra trên ĐDTT mặc dù không gây ra mất điện cho khách hàng do đã được bảo vệ bởi các thiết bị bảo vệ như rơle, máy cắt tự động, v. Tuy nhiên hiện tượng sụt áp vẫn xảy ra.

Do đó phải đảm bảo không được tăng quá 110 % điện áp danh định ở các pha không bị sự cố đến khi sự cố bị loại trừ. Ngoài ra bên cung cấp và khách hàng cũng có thể thoả thuận trị số điện áp đấu nối, trị số này có thể cao hơn hoặc thấp hơn các giá trị được ban hành. Lưới phân phối hạ áp cấp điện trực tiếp cho hầu hết các thiết bị điện. Trong lưới phân phối hạ áp các thiết bị điện đều có thể được nối với nó cả về không gian và thời gian (tại bất kỳ vị trí nào, bất kỳ thời gian nào).

Vì vậy trong toàn bộ lưới phân phối hạ áp điện áp phải được thỏa mãn các tiêu chuẩn. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN ÁP - Đối với động cơ: Mô men của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp U đặt vào động cơ. Đối với động cơ đồng bộ khi điện áp thay đổi làm cho momen quay thay đổi, khả năng phát CSPK của máy phát và máy bù đồng bộ giảm đi khi điện áp giảm quá 5% so với định mức. Vì vậy bất kỳ sự thay đổi điện áp nào cũng tác động không tốt đến sự làm việc của các động cơ.

- Đối với thiết bị chiếu sáng: Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm với điện áp, khi điện áp giảm 2.5% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%. Đối với đèn huỳnh quang khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm (20-25)%, với các đèn có khí, khi điện áp giảm xuống quá 20% định mức thì nó sẽ tắt và nếu duy trì độ tăng điện áp kéo dài thì có thể cháy bóng đèn. Đối với các đèn hình khi điện áp nhỏ hơn 95% điện áp định mức thì chất lượng hình ảnh bị méo. Các đài phát hoặc thu vô tuyến, các thiết bị liên lạc bưu điện, các thiết bị tự động hóa rất nhạy cảm với sự thay đổi của điện áp.

Như khi xảy ra dao động điện áp nó sẽ gây ra dao động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và thiết bị điện tử. Chính vì thế độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng và thiết bị điện tử được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác. - Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở: 6 Công suất tiêu thụ trong các phụ tải loại này tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào. Khi điện áp giảm hiệu quả đốt nóng của các phần tử giảm rõ rệt.

Đối với các lò điện sự biến đổi điện áp ảnh hưởng nhiều đến đặc tính kinh tế kỹ thuật của các lò điện. - Đối với nút phụ tải tổng hợp: Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thành phần thì CSTD và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theo đường đặc tính tĩnh của phụ tải. CSTD ít chịu ảnh hưởng của điện áp so với CSPK. Khi điện áp giảm thì CSTD và CSPK đều giảm, đến một giá trị điện áp Ugh nào đó, nếu điện áp tiếp tục giảm CSPK tiêu thụ tăng lên, hậu quả là điện áp lại càng giảm và phụ tải ngừng làm việc, hiện tượng này gọi là hiện tượng thác điện áp, có thể xảy ra với một nút phụ tải hay toàn HTĐ khi điện áp giảm xuống (70-80)% so với điện áp định mức ở nút phụ tải.

Đây là một sự cố vô cùng nguy hiểm cần phải có biện pháp ngăn chặn kịp thời. - Đối với HTĐ: Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của HTĐ. Điện áp giảm sẽ làm giảm CSPK do máy phát điện và các thiết bị bù sinh ra. Đối với MBA, khi điện áp tăng, làm tăng tổn thất không tải, tăng độ cảm ứng từ trong lõi thép gây phát nóng cục bộ.

Khi điện áp tăng quá cao có thể chọc thủng cách điện. NHỮNG VẤN ĐỀ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP Để duy trì điện áp trên đầu cực thiết bị dùng điện trong miền giới hạn hay nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để ít nhất có thể bù được các tổn thất điện áp do các phần tử trong các hệ thống cung cấp điện gây ra và trong nhiều trường hợp chúng ta phải phối hợp nhiều biện pháp điều chỉnh điện áp với nhau vì có phương pháp điều chỉnh này có thể cải thiện được thông số này nhưng lại gây ảnh hưởng không tốt đến các thông số khác. Nhìn chung, trong các biện pháp điều chỉnh điện áp hiện nay chúng ta thấy rằng: Đối với các phương pháp điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện: Bằng cách thay đổi kích từ của máy phát điện để điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện. Biện pháp này thực hiện đơn giản và có ảnh hưởng chung trong toàn mạng.

Nhưng bất cập ở chỗ, nếu đáp ứng tốt cho phụ tải ở gần thì lại không phù hợp với phụ tải ở xa và ngược lại. 7 Đối với các MBA trung gian (TBA trung gian) cấp điện cho một vùng rộng lớn, thường dùng MBA có điều chỉnh điện áp dưới tải. Trong trường hợp chỉ có MBA thường thì thanh cái phía hạ áp của MBA của MBA nên đặt các máy đồng bộ công suất lớn để tiến hành điều chỉnh điện áp.