Tổng quan nghiên cứu

Tại các trung tâm công nghiệp lớn của tỉnh Thái Nguyên, tốc độ đô thị hóa và mở rộng sản xuất diễn ra nhanh chóng với hơn 15.423 khách hàng sử dụng điện. Trong cấu trúc mạng điện khu vực, Trạm biến áp 110kV Gò Đầm với quy mô công suất 1x63 MVA và 1x25 MVA đóng vai trò là nguồn cấp điện huyết mạch cho toàn bộ thành phố Sông Công và Khu công nghiệp Sông Công. Tuy nhiên, sự gia tăng mạnh mẽ của các phụ tải phi tuyến công suất lớn như lò nung hồ quang luyện gang thép, máy hàn công nghiệp, bộ biến đổi bán dẫn và hệ truyền động tại các nhà máy đã làm xuất hiện các thành phần sóng điều hòa bậc cao. Hiện tượng này gây méo dạng điện áp, làm quá nhiệt thiết bị, gia tăng tổn thất điện năng và gây nguy cơ tác động sai các thiết bị bảo vệ trên lưới trung áp 35kV, 22kV và 6kV.

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm phân tích thực trạng phân bố công suất và tổn thất điện năng của lưới điện Sông Công giai đoạn 2011 - 2014, đồng thời khảo sát cơ chế sinh sóng hài của các bộ chỉnh lưu công nghiệp. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là thiết kế thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực song song dựa trên lý thuyết công suất tức thời p-q để triệt tiêu sóng hài và bù công suất phản kháng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện phân phối tỉnh Thái Nguyên, trực tiếp tại khu vực trạm 110kV Gò Đầm. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giảm hệ số méo dạng sóng hài tổng THD dòng điện từ mức trên 30,72% xuống dưới ngưỡng an toàn 5,0% theo tiêu chuẩn IEEE 519, đồng thời hạ tỷ lệ tổn thất kỹ thuật lưới điện Sông Công từ 5,46% năm 2011 xuống dưới mức 3,8%, đảm bảo vận hành kinh tế và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng phân tích chuỗi Fourier cho tín hiệu chu kỳ không sin f(t), cho phép phân rã điện áp và dòng điện thành thành phần tần số cơ bản 50 Hz cùng các thành phần sóng điều hòa bậc n có biên độ Fn và góc pha xác định. Luận văn áp dụng lý thuyết công suất tức thời p-q của Hirofumi Akagi trên hệ tọa độ trực giao alpha-beta kết hợp phép biến đổi Park sang hệ tọa độ dq quay đồng bộ để tính toán chính xác công suất tác dụng tức thời p và công suất phản kháng tức thời q của hệ thống ba pha.

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào ba khái niệm cốt lõi: Hệ số méo dạng tổng sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) đo lường mức độ biến dạng của dạng sóng thực so với sóng sin chuẩn; Bộ lọc tích cực song song cấu thành từ bộ nghịch lưu nguồn áp VSI (Voltage Source Inverter) sử dụng van bán dẫn điều khiển đóng cắt tần số cao; và Tiêu chuẩn kỹ thuật IEEE 519-2014 cùng IEC 1000-3-4 quy định giới hạn độ méo điện áp tổng không vượt quá 5,0% cho cấp điện áp dưới 69 kV và kiểm soát dòng hài đối với các thiết bị công nghiệp có dòng đầu vào trên 75 A.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập thực tế từ Công ty Điện lực Thái Nguyên và Trung tâm thí nghiệm điện, bao gồm thông số kỹ thuật chi tiết của 108 đường dây trung thế, 164 trạm biến áp phân phối với tổng dung lượng 264 MVA, cùng chuỗi số liệu theo dõi tổn thất điện năng thực tế qua 4 năm từ 2011 đến 2014.

Về quy mô và phương pháp chọn mẫu, nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích trên toàn bộ 13 xuất tuyến trung áp trọng điểm sau trạm 110kV Gò Đầm, bao gồm 6 lộ 22kV (điển hình như lộ 472 và 474 cấp điện cho Khu công nghiệp Sông Công) và 7 lộ 6kV (như lộ 672, 673, 674, 675 cấp cho Nhà máy Diesel Sông Công và Nhà máy Phụ tùng số 1). Đây là những tuyến đường dây có mức độ tập trung phụ tải công nghiệp phi tuyến cao nhất trên địa bàn.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô hình hóa và mô phỏng số trên môi trường phần mềm Matlab/Simulink kết hợp thuật toán biến đổi Fourier nhanh FFT và kỹ thuật điều chế vector không gian SVM. Lý do lựa chọn phương pháp này là khả năng cung cấp các khối mô hình phần tử công suất chuyên sâu, cho phép phân tích động học tức thời của bộ lọc tích cực trong miền thời gian thực với độ phân giải cao dưới 0,001 giây, đảm bảo an toàn tuyệt đối trước khi ứng dụng vào thực tế. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và mô phỏng được thực hiện liên tục trong mốc thời gian từ năm 2014 đến đầu năm 2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích mô hình phụ tải phi tuyến công nghiệp cho thấy bộ chỉnh lưu cầu Diode 3 pha tạo ra độ méo dòng điện THD lên tới 30,72%, trong khi bộ chỉnh lưu cầu Thyristor 3 pha ghi nhận mức THD xấp xỉ 28,28%. Các thành phần sóng hài bậc 5 (chiếm 20% đến 22% biên độ cơ bản), bậc 7 (chiếm 10% đến 12%), bậc 11 và bậc 13 chiếm ưu thế lớn nhất, làm biến dạng nghiêm trọng dạng sóng dòng điện nguồn thành hình bậc thang gãy khúc.

Thứ hai, kết quả tính toán lưới điện thành phố Sông Công giai đoạn 2011 - 2014 phản ánh tỷ lệ tổn thất điện năng tổng thể giảm dần từ 6,66% năm 2011 xuống 6,05% năm 2012, 5,99% năm 2013 và 4,94% năm 2014. Trong đó, tổn thất kỹ thuật chiếm tỷ trọng lớn, lần lượt là 5,46% năm 2011, 5,05% năm 2012, 4,5% năm 2013 và 3,8% năm 2014, nguyên nhân chủ yếu do sóng hài và dòng công suất phản kháng từ các nhà máy luyện thép gây ra.

Thứ ba, khi kích hoạt bộ lọc tích cực song song trong mô phỏng Matlab/Simulink, dòng điện bù iF được bơm liên tục vào đường dây để triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao. Dòng điện nguồn ba pha nhanh chóng trở về dạng hình sin chuẩn chỉ sau khoảng thời gian chuyển tiếp 0,02 giây, làm giảm hệ số méo hài tổng THD từ mức 30,72% xuống còn 3,24%, đáp ứng xuất sắc giới hạn 5,0% của tiêu chuẩn IEEE 519.

Thứ tư, bộ lọc tích cực đồng thời thực hiện chức năng bù công suất phản kháng tức thời, nâng hệ số công suất cos phi của hệ thống từ mức ban đầu 0,78 lên tiệm cận 0,98 - 0,99 tại thời điểm xác lập sau 0,25 giây hoạt động.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện vượt bậc của các thông số kỹ thuật khẳng định rằng cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực dựa trên bộ nghịch lưu VSI có khả năng tạo ra dòng bù tức thời ngược pha hoàn hảo với các thành phần sóng hài của phụ tải phi tuyến.

Trong thực tế phân tích, toàn bộ dữ liệu chất lượng điện có thể được trình bày một cách trực quan qua biểu đồ phân tích phổ FFT thể hiện sự suy giảm biên độ của từng bậc sóng hài từ bậc 1 đến bậc 25 trước và sau khi lọc, kết hợp cùng bảng so sánh đối chiếu các đại lượng điện áp đỉnh, dòng điện hiệu dụng, hệ số cos phi và mức suy giảm công suất phản kháng.

So với các bộ lọc thụ động LC truyền thống vốn dễ gây cộng hưởng làm tăng điện áp và giảm hiệu quả theo thời gian, bộ lọc tích cực song song thể hiện tính ưu việt nhờ tốc độ đáp ứng tính bằng mili-giây, khả năng tự động thích ứng khi công suất phụ tải công nghiệp dao động từ 500 kW lên đến 3000 kW tại các lộ 672, 673, 674, 675 mà không gây ra bất kỳ rủi ro cộng hưởng nào trên thanh cái trung áp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu và thực nghiệm mô phỏng, luận văn đưa ra 4 giải pháp cụ thể nhằm nâng cao chất lượng nguồn điện tại các khu công nghiệp trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thí điểm bộ lọc tích cực song song công suất 300 kVA đến 500 kVA tại các điểm đấu nối chung của các lộ dây 472 và 474 trong Khu công nghiệp Sông Công. Mục tiêu đưa hệ số méo hài THD dòng điện về dưới 4,0% và nâng hệ số cos phi lên trên 0,95 trong vòng 12 tháng do Công ty Điện lực Thái Nguyên phối hợp với các doanh nghiệp thực hiện.

Thứ hai, nâng cấp hệ thống đo lường và giám sát chất lượng điện năng trực tuyến tại 100% thanh cái trạm 110kV Gò Đầm và các trạm biến áp trung gian 35/10kV, 22/6kV. Hệ thống thực hiện thu thập tự động các chỉ số THD, công suất phản kháng và độ lệch điện áp với chu kỳ cập nhật 5 phút một lần, hoàn thành trong thời gian 6 tháng do Phòng Điều độ Điện lực quản lý.

Thứ ba, đẩy nhanh tiến độ chuyển đổi cấp điện áp từ 6kV sang chuẩn hóa 22kV trên toàn địa bàn thành phố Sông Công. Dự án do Tổng công ty Điện lực miền Bắc cấp vốn nhằm cải tạo 23,2 km đường dây 6kV cũ, thay thế các máy biến áp trung gian 22/6kV để đưa tỷ lệ tổn thất kỹ thuật lưới điện xuống dưới mức 3,5% vào quý 4 năm 2017.

Thứ tư, ban hành quy chế phối hợp kiểm tra định kỳ và áp dụng chế tài xử lý phát thải sóng hài. Sở Công Thương tỉnh Thái Nguyên chủ trì ban hành hướng dẫn thực thi nghiêm ngặt Thông tư 39/2015/TT-BCT và tiêu chuẩn IEEE 519, bắt buộc các nhà máy luyện thép có công suất phụ tải trên 1000 kW phải lắp đặt thiết bị lọc sóng hài trước khi đấu nối, tiến hành kiểm tra đo đạc định kỳ 6 tháng một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và giải pháp công nghệ thiết thực cho 4 nhóm đối tượng sau:

Thứ nhất, kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện tại các công ty điện lực: Tài liệu cung cấp cơ sở tính toán phân bố công suất, xác định tổn thất kỹ thuật và phương pháp lựa chọn vị trí đặt thiết bị bù tích cực trên lưới điện phân phối 22kV và 35kV nhằm tối ưu hóa chế độ vận hành kinh tế.

Thứ hai, cán bộ quản lý kỹ thuật và cơ điện tại các doanh nghiệp trong khu công nghiệp: Nắm vững giải pháp ứng dụng bộ lọc tích cực để khử sóng hài do biến tần và lò hồ quang sinh ra, giúp kéo dài tuổi thọ động cơ, giảm phát nóng máy biến áp và loại trừ tiền phạt công suất phản kháng khi cos phi dưới 0,85.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện: Có thêm tài liệu tham khảo chất lượng về lý thuyết công suất tức thời p-q, các phép biến đổi hệ tọa độ Park - Clarke và quy trình thiết kế mô hình mô phỏng hệ thống điện tử công suất trên Matlab/Simulink.

Thứ tư, chuyên gia tư vấn thiết kế và tích hợp giải pháp tự động hóa: Ứng dụng các phân tích thực nghiệm để lựa chọn cấu hình bộ nghịch lưu áp VSI, tính toán thông số tụ DC và cuộn kháng lọc AC phù hợp với các hệ thống tải phi tuyến công nghiệp có công suất từ 100 kVA đến 10 MVA.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao sóng điều hòa bậc cao lại xuất hiện nhiều tại lưới điện thành phố Sông Công? Thành phố Sông Công tập trung Khu công nghiệp Sông Công với nhiều nhà máy luyện thép, đúc kim loại và sản xuất phụ tùng sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn. Các thiết bị này có đặc tính tải phi tuyến, làm phát sinh sóng hài bậc 5, bậc 7 với độ méo THD dòng điện lên tới 30,72%, khiến tổn thất điện năng năm 2011 lên tới 6,66%.

Bộ lọc tích cực song song có ưu điểm gì vượt trội so với bộ lọc thụ động LC? Bộ lọc thụ động LC chỉ lọc được một số tần số cố định và dễ gây cộng hưởng làm hỏng tụ điện khi thông số lưới biến động. Trong khi đó, bộ lọc tích cực song song có thể lọc đồng thời nhiều bậc sóng hài từ bậc 2 đến bậc 25, thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 0,02 giây và tự thích nghi khi công suất phụ tải thay đổi liên tục.

Lý thuyết công suất tức thời p-q hỗ trợ tính toán dòng bù như thế nào? Lý thuyết p-q chuyển đổi hệ thống điện áp và dòng điện ba pha abc sang hệ tọa độ trực giao alpha-beta để xác định công suất tác dụng và phản kháng tức thời. Thuật toán sẽ tách các thành phần công suất dao động do sóng hài gây ra để tính toán chính xác tín hiệu dòng bù iF cần bơm ngược pha vào lưới điện.

Tiêu chuẩn IEEE 519 quy định giới hạn sóng hài điện áp và dòng điện như thế nào? Theo tiêu chuẩn IEEE 519, độ méo điện áp tổng THD tại điểm đấu nối chung có cấp điện áp dưới 69 kV không được vượt quá 5,0%, với độ méo từng thành phần riêng lẻ dưới 3,0%. Giới hạn méo dòng điện THD dao động từ 5,0% đến 20,0% tùy theo tỷ số dòng ngắn mạch trên dòng tải cực đại.

Bộ lọc tích cực có khả năng nâng cao hệ số công suất cos phi không? Bộ lọc tích cực hoàn toàn có thể kết hợp chức năng lọc sóng hài và bù công suất phản kháng tức thời. Bằng cách điều khiển bộ nghịch lưu nguồn áp VSI phát dòng phản kháng bù, thiết bị giúp nâng hệ số công suất cos phi từ 0,78 lên trên 0,98 chỉ sau 0,25 giây kích hoạt.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện thực trạng vận hành và tổn thất kỹ thuật của lưới điện thành phố Sông Công sau trạm 110kV Gò Đầm, làm rõ tác hại của sóng hài phát sinh từ các phụ tải phi tuyến công nghiệp.
  • Xây dựng thành công thuật toán điều khiển bộ lọc tích cực song song dựa trên lý thuyết công suất tức thời p-q và kỹ thuật điều chế vector không gian.
  • Kiểm chứng mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh bộ lọc giảm độ méo hài dòng điện THD từ 30,72% xuống còn 3,24% và nâng hệ số cos phi lên 0,98 - 0,99.
  • Đề xuất lộ trình triển khai thử nghiệm hệ thống lọc tích cực tại Khu công nghiệp Sông Công và chuẩn hóa lưới điện 22kV trong giai đoạn 2016 - 2018.
  • Các đơn vị quản lý điện lực và doanh nghiệp sản xuất công nghiệp nên nghiên cứu ứng dụng giải pháp này để nâng cao chất lượng điện năng và tối ưu hóa chi phí vận hành.