CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT GIẢM ĐIỆN ÁP NGẮN HẠN 1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng 1.1 Định nghĩa: Chất lượng điện năng là chỉ các hiện tượng biến thiên về điện áp, dòng điện và tần số dẫn đến làm các thiết bị điện trong hệ thống điện ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng theo chức năng được thiết kế. Có rất nhiều hiện tượng CLĐN xuất hiện trong hệ thống điện gây hậu quả trên và theo IEEE1159-1995, CLĐN được phân loại theo các đặc trưng về biên độ, thời gian tồn tại và phổ tần đặc trưng như được cho trong Bảng 1.1: Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995 Phạm vi Khoảng thời gian Độ lớn điện Nhóm phổ tần điển hình áp điển hình điển hình 1.1 Quá độ xung kích 1.1 Nano giây 5 ns < 50 ns 1.2 Micro giây 1– s 50 ns – 1 ms 1.3 Mili giây 0,1 ms > 1 ms 1.2 Quá độ dao động 1.1 Tần số thấp < 5 kHz 0,3 – 50 ms 0 – 4 pu(*) 1.2 Tần số trung bình 5 – 500 kHz 20µs 0 – 8 pu 1.3 Tần số cao 0,5 – 5 MHz 5 µs 0 – 4 pu 2. Biến thiên điện áp ngắn hạn 2.1 Mất điện áp 0,5 – 30 chu kỳ < 0,1 pu 2.2 Sụt áp (Sag) 0,5 – 30 chu kỳ 0,1 – 0,9 pu 2.3 Tăng áp (Swell) 0,5 – 30 chu kỳ 1,1 – 1,8 pu 2.2 Thoáng qua 2.1 Mất điện áp 30 chu kỳ - 3 s <0,1 pu 2.2 Sụt áp 30 chu kỳ - 3 s 0,1 – 0,9 pu 2.3 Tăng áp 30 chu kỳ - 3 s 1,1 – 1,4 pu 2.1 Mất điện áp 3 s – 1 phút < 0,1 pu 2.2 Sụt áp 3 s – 1 phút 0,1 – 0,9 pu 2.3 Tăng áp 3 s – 1 phút 1,1 – 1,2 pu 3.
Biến thiên điện áp dài hạn 3.1 Mất điện áp duy trì > 1 phút 0,0 pu 3.2 Thấp điện áp > 1 phút 0,8 – 0,9 pu 3.3 Quá điện áp > 1 phút 1,1 – 1,2 pu 4. Mất đối xứng điện áp Xác lập 0,5 – 2 % 1 5. Biến dạng sóng 5.1 Một chiều Xác lập 5.2 Sóng hài Xác lập 5.3 Liên sóng hài 0 – 6 kHz Xác lập 5.4 Vết cắt trên dạng sóng Xác lập 5.5 Nhiễu ồn Phổ tần rộng Xác lập 0 – 1% 6. Dao động điện áp < 25 Hz 0,1 – 7% * pu: Per unit – Đơn vị tương đối.
( ) Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng gây sóng hài là những hiện tượng gây tác động xấu chủ yếu đến các thiết bị điện trong lưới phân phối điện Việt Nam hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Để chuẩn bị cho các phân tích trong nội dung nghiên cứu ở các phần sau của luận án, một số kiến thức chính về hai hiện tượng CLĐN trên được trình bày tóm tắt như các mục sau.2 Tại sao vấn đề chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm [2, 3]? Thuật ngữ chất lượng điện năng đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật điện từ cuối những năm 1980. Có nhiều nguyên nhân khiến mọi người ngày càng quan tâm đến vấn đề chất lượng điện năng: - Vấn đề chất lượng điện năng ngày càng được quan tâm, vì ngày nay khách hàng đã sử dụng nhiều loại thiết bị “thông minh” với hiệu suất ngày càng cao, đòi hỏi điều kiện khắt khe hơn về cung cấp điện, chẳng hạn như điện hệ thống truyền động sử dụng bộ điều chỉnh điện tử công suất, hệ thống chỉnh lưu và đảo chiều, bộ điều chỉnh và điều chỉnh công suất phản kháng, điều khiển điện áp trong hệ thống cung cấp điện. Cũng chính các loại thiết bị này là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng, đặc biệt là sự hiện diện của sóng hài điện áp và dòng điện trong lưới điện phân phối.
- Khách hàng sử dụng điện ngày càng nhận thức rõ hơn về tác động của chất lượng điện năng đến sản xuất và sử dụng điện, các yêu cầu về chất lượng của điện áp, độ tin cậy của nguồn cấp, mức độ biến dạng sóng hài và độ không cân bằng của nguồn điện ngày càng khắt khe và được thỏa thuận sẵn trong các hợp đồng mua bán điện. - Hệ thống điện phân phối là một hệ thống phức tạp, có tính tích hợp cao, sự làm việc hoặc hỏng hóc của một phần tử trong hệ thống có thể ảnh hưởng đến phần tử khác hoặc thậm chí toàn bộ hệ thống. Sự cố ở một phần tử của lưới điện có thể ảnh hưởng đến nhiều loại phụ tải, ngược lại, sóng hài xảy ra trong thiết bị tiêu thụ điện của khách hàng này có thể lan sang những khách hàng gần đó, thậm chí đến các phần tử khác của lưới. Nhà sản xuất thiết bị điện, đơn vị phân phối điện và khách hàng sử dụng điện đều quan tâm đến chất lượng điện năng.
Các đơn vị sản xuất thiết bị điện mong muốn nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị, đơn vị phân phối điện luôn cố gắng giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên lưới điện, tăng độ 2 tin cậy cung cấp điện, hạn chế tối đa khiếu nại của khách hàng về chất lượng dịch vụ, chủ yếu là chất lượng điện năng cung cấp; còn về phía khách hàng, chất lượng điện năng có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện, an toàn và tuổi thọ của thiết bị điện. Đối với đơn vị phân phối điện, các chỉ tiêu chất lượng điện năng được quan tâm là chất lượng điện áp, tần số, độ tin cậy cung cấp điện,… Đối với các nhà sản xuất thiết bị điện, chất lượng điện năng được quan tâm là bộ các thông số đảm bảo thiết bị hoạt động tốt. Bộ thông số này có thể khác nhau giữa các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau. Khách hàng sử dụng điện thường đánh giá chất lượng điện năng trên quan điểm an toàn, đảm bảo các thông số trong phạm vi vận hành lâu dài với thiết bị của mình.
Trong phạm vi nghiên cứu này, chất lượng điện năng được hiểu là các vấn đề liên quan đến sự dao động dòng điện, điện áp hoặc tần số có thể dẫn đến hoạt động kém hiệu quả hoặc hư hỏng thiết bị của khách hàng hoặc của đơn vị phân phối, đặc biệt là hiện tượng sụt áp ngắn hạn.3 Chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối ở Việt Nam Chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối ở Việt Nam được quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT Quy định về hệ thống điện phân phối về các chỉ tiêu chất lượng điện năng: Tần số, điện áp, cân bằng pha, sóng hài, nhấp nháy điện áp, dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố,.2 Sụt giảm điện áp ngắn hạn 1.1 Tóm tắt hiện tượng Hình 1.1: Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995) 3 Theo tiêu chuẩn IEEE1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn (BĐN) là sự thay đổi trị số điện áp hiệu dụng ở tần số HTĐ (50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút. Tùy theo biên độ (magnitude) và thời gian tồn tại (duration) của sự kiện, BĐN còn có thể được phân loại cụ thể hơn thành các dạng như Hình 1. Trong các hiện tượng BĐN, sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) thường hay xảy ra hơn và cũng là đối tượng được nghiên cứu nhiều hơn.2 Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện - Ngắn mạch trong hệ thống điện Nguyên nhân chủ yếu gây ra trên 90% SANH là do các sự cố (ngắn mạch) trong hệ thống điện.2 minh họa SANH do sự cố ngắn mạch trên một nhánh của xuất tuyến 22kV (sự cố 1). Khi đó, điện áp lưới sẽ giảm dần từ nguồn về đến điểm ngắn mạch và tại thanh cái 22kV của trạm biến áp trung gian 110/22kV, điện áp sẽ giảm sâu.
Sau một thời gian nhất định, bảo vệ ở đầu rẽ nhánh bị sự cố là cầu chì 22kV sẽ tác động loại để trừ nhánh này. Nhờ đó, điện áp tại thanh cái 22kV sẽ được phục hồi. Các phụ tải nối vào các xuất tuyến 22kV khác sẽ trải qua sự kiện SANH. Sự cố cũng có thể xảy ra trên các xuất tuyến khác, hoặc tại máy biến áp, hoặc sự cố ở trên lưới truyền tải như điểm sự cố 2, Hình 1.
Trong thời gian bảo vệ A và B làm việc, các phụ tải trên lưới cũng sẽ chịu SANH.2: Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch Biên độ SANH chính là điện áp nút của lưới điện khi có ngắn mạch. Hình dạng chủ yếu của SANH do sự cố ngắn mạch có dạng hình chữ nhật với hai đặc trưng chính là biên độ và thời gian tồn tại (Hình 1.3: Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật Biên độ này phụ thuộc vào tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch như tổng trở ngắn mạch, sơ đồ lưới điện, công suất ngắn mạch. Thời gian tồn tại của SANH chính là thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ lưới điện. Đối với lưới phân phối, bảo vệ chính được sử dụng về cơ bản là bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc thường lâu hơn 0,5 giây.
Đối với lưới truyền tải bảo vệ thường là loại cắt nhanh nên thời gian thường chỉ cỡ 0,1-0,2 giây. - Khởi động động cơ Động cơ điện là phụ tải rất phổ biến trong hệ thống điện, đặc biệt trong các lưới điện công nghiệp. Các động cơ điện, đặc biệt là động cơ không đồng bộ, do dòng điện mở máy lớn khi mở máy trực tiếp cũng gây sụt giảm điện áp lớn trên mạch nối với động cơ trong thời gian mở máy. Do đó, các phụ tải nối chung mạch cấp điện với động cơ được mở máy sẽ trải qua SANH với đặc tính có dạng hình tam giác như Hình 1.
Dạng đặc tính SANH của động cơ như vậy là do việc giảm dần dòng điện mở máy khi tốc độ động cơ tăng dần ở thời điểm cuối của SANH.4: Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ Ngoài ra, SANH còn do các nguyên nhân như đóng các phụ tải lớn vào lưới điện, mở máy không tải máy biến áp công suất lớn. Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, SANH thường có biên độ giảm nhỏ và ít gây nguy hiểm cho lưới điện.