Đại học Thái Nguyên - Chương trình Kỹ thuật Điện và Công nghệ Thông tin

Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài nhằm nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố Lạng Sơn, đảm bảo hiệu suất và ổn định.

• Người hướng dẫn: TS. Đặng Duy Hòa
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Kỹ Thuật Điện
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Nội dung của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
• 1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện
• 1.1.1. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao
• 1.1.2. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện
• 1.1.3. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài
• 1.2. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn
• 1.2.1. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm gần đây
• 1.2.2. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn
• 1.3. Giải pháp lọc sóng hài
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
• 2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực
• 2.1.1. Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực
• 2.1.2. Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực
• 2.1.3. Bộ lọc tích cực nối tiếp
• 2.1.4. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện
• 2.1.5. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi công suất
• 2.1.6. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực
• 2.2. Các thuật toán lọc tích cực dựa trên miền tần số
• 2.3. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian
• 2.4. Xây dựng cấu trúc điều khiển
• 2.5. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink
• 2.5.1. Khối nguồn xoay chiều 3 pha
• 2.5.2. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI
• 2.5.3. Khâu tính toán độ méo dạng (THD)
• 2.5.4. Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha
• 2.5.5. Khâu đo dòng điện, điện áp
• 2.6. Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực
• 2.7. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Đại học Thái Nguyên Ngành Kỹ thuật Điện CNTT là gì

Đại học Thái Nguyên (ĐHTN) là một trung tâm đào tạo và nghiên cứu khoa học lớn của Việt Nam. Trong đó, Kỹ thuật Điện và Công nghệ Thông tin (CNTT) là hai ngành mũi nhọn, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn nhân lực chất lượng cao cho sự phát triển kinh tế - xã hội của khu vực và cả nước. Ngành Kỹ thuật Điện tập trung vào các hệ thống điện, điện tử, tự động hóa, trong khi CNTT chú trọng vào phát triển phần mềm, hệ thống thông tin, và các ứng dụng công nghệ mới. Cả hai ngành đều có sự liên kết chặt chẽ, hỗ trợ lẫn nhau trong nhiều lĩnh vực, tạo nên một hệ sinh thái học thuật và nghiên cứu năng động.

1.1. Tổng quan về ngành Kỹ thuật Điện tại ĐHTN

Ngành Kỹ thuật Điện tại ĐHTN đào tạo kỹ sư có khả năng thiết kế, vận hành, bảo trì các hệ thống điện, điện tử trong công nghiệp và dân dụng. Sinh viên được trang bị kiến thức về điện tử công suất, điều khiển tự động, hệ thống điện, năng lượng tái tạo. Chương trình học kết hợp lý thuyết và thực hành, giúp sinh viên nắm vững kiến thức chuyên môn và kỹ năng thực tế. Theo nghiên cứu của Nguyễn Trung Kiên, việc áp dụng các phương pháp mới trong giảng dạy giúp nâng cao chất lượng đào tạo (Tham khảo luận văn Thạc Sĩ, ĐHTN, 2020).

1.2. Tìm hiểu về ngành Công nghệ Thông tin tại ĐHTN

Ngành Công nghệ Thông tin tại ĐHTN tập trung vào đào tạo kỹ sư có khả năng phát triển phần mềm, xây dựng và quản trị hệ thống thông tin, ứng dụng công nghệ thông tin trong các lĩnh vực khác nhau. Chương trình học bao gồm các môn học về lập trình, cơ sở dữ liệu, mạng máy tính, an ninh mạng. Sinh viên được khuyến khích tham gia các dự án thực tế, giúp rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm và giải quyết vấn đề. Ngành chú trọng vào việc đào tạo sinh viên có khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của công nghệ.

II. Thách thức trong đào tạo Kỹ thuật Điện CNTT hiện nay

Mặc dù có nhiều tiềm năng phát triển, đào tạo Kỹ thuật Điện và CNTT tại ĐHTN cũng đối mặt với không ít thách thức. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đòi hỏi chương trình đào tạo phải liên tục cập nhật để đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động. Bên cạnh đó, cơ sở vật chất, trang thiết bị thực hành cần được đầu tư nâng cấp để tạo điều kiện tốt nhất cho sinh viên học tập và nghiên cứu. Việc thu hút và giữ chân đội ngũ giảng viên giỏi, có kinh nghiệm thực tế cũng là một vấn đề quan trọng.

2.1. Cập nhật chương trình đào tạo theo xu hướng công nghệ mới

Sự phát triển của Internet of Things (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), và điện toán đám mây (Cloud Computing) đòi hỏi chương trình đào tạo Kỹ thuật Điện và CNTT phải có sự thay đổi để bắt kịp xu hướng. Các môn học mới về IoT, AI, Big Data cần được đưa vào chương trình giảng dạy. Đồng thời, cần tăng cường đào tạo về kỹ năng mềm, kỹ năng làm việc nhóm, và khả năng tự học cho sinh viên. Việc liên kết với doanh nghiệp để xây dựng chương trình đào tạo thực tế cũng rất quan trọng.

2.2. Nâng cấp cơ sở vật chất và trang thiết bị thực hành

Để đảm bảo chất lượng đào tạo, cơ sở vật chất và trang thiết bị thực hành cần được đầu tư nâng cấp. Các phòng thí nghiệm cần được trang bị các thiết bị hiện đại, đáp ứng yêu cầu của các môn học chuyên ngành. Việc xây dựng các phòng thí nghiệm ảo, mô phỏng các hệ thống thực tế cũng là một giải pháp hiệu quả. Bên cạnh đó, cần tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận với các phần mềm chuyên dụng, các công cụ phát triển phần mềm mới nhất.

2.3. Thu hút và giữ chân đội ngũ giảng viên giỏi

Đội ngũ giảng viên đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng đào tạo. Cần có chính sách thu hút và giữ chân đội ngũ giảng viên giỏi, có kinh nghiệm thực tế. Việc tạo điều kiện cho giảng viên tham gia các khóa đào tạo nâng cao trình độ chuyên môn, tham gia các dự án nghiên cứu khoa học, và hợp tác với doanh nghiệp là rất quan trọng. Đồng thời, cần có chính sách đãi ngộ hợp lý để thu hút các chuyên gia từ doanh nghiệp tham gia giảng dạy.

III. Cách cải thiện chất lượng đào tạo Kỹ thuật Điện CNTT

Để cải thiện chất lượng đào tạo, ĐHTN cần áp dụng đồng bộ nhiều giải pháp. Tăng cường hợp tác với doanh nghiệp để xây dựng chương trình đào tạo thực tế, phù hợp với nhu cầu của thị trường lao động. Đổi mới phương pháp giảng dạy, tăng cường tính chủ động, sáng tạo của sinh viên. Đầu tư vào nghiên cứu khoa học, khuyến khích sinh viên tham gia các dự án nghiên cứu. Xây dựng môi trường học tập năng động, sáng tạo, khuyến khích sinh viên phát triển toàn diện.

3.1. Tăng cường hợp tác với doanh nghiệp để nâng cao tính thực tiễn

Việc hợp tác với doanh nghiệp giúp sinh viên có cơ hội tiếp cận với các dự án thực tế, làm quen với môi trường làm việc chuyên nghiệp. Doanh nghiệp có thể tham gia vào việc xây dựng chương trình đào tạo, cung cấp các bài toán thực tế cho sinh viên giải quyết. Sinh viên có thể thực tập tại doanh nghiệp, được hướng dẫn bởi các chuyên gia có kinh nghiệm. Việc này giúp sinh viên nắm vững kiến thức chuyên môn và kỹ năng thực tế, đáp ứng yêu cầu của thị trường lao động.

3.2. Đổi mới phương pháp giảng dạy phát huy tính chủ động

Cần chuyển từ phương pháp giảng dạy truyền thống, thụ động sang phương pháp giảng dạy tích cực, chủ động. Giảng viên đóng vai trò là người hướng dẫn, hỗ trợ sinh viên tự học, tự nghiên cứu. Sử dụng các phương pháp giảng dạy hiện đại như dạy học theo dự án, dạy học theo tình huống, dạy học trực tuyến. Khuyến khích sinh viên tham gia thảo luận, tranh luận, trình bày ý tưởng. Việc này giúp sinh viên phát triển tư duy phản biện, khả năng giải quyết vấn đề, và kỹ năng làm việc nhóm.

3.3. Đầu tư vào nghiên cứu khoa học và khuyến khích sinh viên tham gia

Nghiên cứu khoa học là một hoạt động quan trọng, giúp nâng cao trình độ chuyên môn của giảng viên và sinh viên. Cần có chính sách khuyến khích giảng viên và sinh viên tham gia các dự án nghiên cứu khoa học. Đầu tư vào các phòng thí nghiệm nghiên cứu, trang bị các thiết bị hiện đại. Tổ chức các hội nghị khoa học, các cuộc thi khoa học để sinh viên có cơ hội trình bày kết quả nghiên cứu của mình. Việc này giúp sinh viên phát triển khả năng nghiên cứu, sáng tạo, và giải quyết các vấn đề thực tế.

IV. Ứng dụng nghiên cứu Kỹ thuật Điện CNTT vào thực tiễn

Các nghiên cứu trong lĩnh vực Kỹ thuật Điện và CNTT tại ĐHTN có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các giải pháp về tiết kiệm năng lượng, năng lượng tái tạo có thể được áp dụng trong công nghiệp và dân dụng. Các hệ thống tự động hóa có thể được sử dụng để nâng cao hiệu quả sản xuất. Các ứng dụng CNTT có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề trong quản lý, giáo dục, y tế, và các lĩnh vực khác.

4.1. Phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo

Nghiên cứu về các giải pháp tiết kiệm năng lượng và năng lượng tái tạo là một hướng đi quan trọng. Phát triển các hệ thống điện thông minh, sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, điều hòa không khí, và các thiết bị điện gia dụng. Việc này góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng.

4.2. Ứng dụng tự động hóa trong sản xuất và công nghiệp

Tự động hóa là một xu hướng tất yếu trong sản xuất và công nghiệp. Phát triển các hệ thống tự động hóa để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí, và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Ứng dụng robot, hệ thống điều khiển tự động, và các công nghệ thông minh trong các quy trình sản xuất. Việc này giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và thích ứng với sự thay đổi của thị trường.

4.3. Ứng dụng CNTT trong quản lý giáo dục y tế và các lĩnh vực

CNTT có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để giải quyết các vấn đề thực tế. Phát triển các hệ thống quản lý thông tin, quản lý tài chính, quản lý nhân sự. Xây dựng các hệ thống học trực tuyến, các ứng dụng hỗ trợ giảng dạy. Ứng dụng CNTT trong chẩn đoán bệnh, quản lý hồ sơ bệnh án, và các dịch vụ y tế từ xa. Việc này giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và chất lượng dịch vụ trong các lĩnh vực.

V. Tương lai nào cho Kỹ thuật Điện CNTT tại ĐHTN

Ngành Kỹ thuật Điện và CNTT tại ĐHTN có nhiều tiềm năng phát triển trong tương lai. Với sự đầu tư của nhà nước, sự hỗ trợ của doanh nghiệp, và sự nỗ lực của đội ngũ giảng viên và sinh viên, ĐHTN có thể trở thành một trung tâm đào tạo và nghiên cứu khoa học hàng đầu trong khu vực và cả nước. Sinh viên tốt nghiệp từ ĐHTN sẽ có cơ hội làm việc trong các công ty công nghệ hàng đầu, các viện nghiên cứu, và các tổ chức chính phủ.

5.1. Phát triển các chương trình đào tạo tiên tiến hội nhập quốc tế

Cần tiếp tục phát triển các chương trình đào tạo tiên tiến, đáp ứng yêu cầu của thị trường lao động quốc tế. Tăng cường hợp tác với các trường đại học hàng đầu trên thế giới để trao đổi sinh viên, giảng viên, và kinh nghiệm đào tạo. Xây dựng các chương trình đào tạo bằng tiếng Anh, thu hút sinh viên quốc tế đến học tập tại ĐHTN. Việc này giúp nâng cao vị thế của ĐHTN trên bản đồ giáo dục thế giới.

5.2. Xây dựng hệ sinh thái khởi nghiệp sáng tạo cho sinh viên

Cần xây dựng một hệ sinh thái khởi nghiệp sáng tạo, tạo điều kiện cho sinh viên hiện thực hóa ý tưởng kinh doanh của mình. Cung cấp các khóa đào tạo về khởi nghiệp, tư vấn kinh doanh, và hỗ trợ tài chính cho sinh viên. Tổ chức các cuộc thi khởi nghiệp, các sự kiện kết nối doanh nghiệp và sinh viên. Việc này giúp sinh viên phát triển tư duy sáng tạo, kỹ năng kinh doanh, và tinh thần khởi nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối Thành phố Lạng Sơn đóng vai trò huyết mạch trong việc cung cấp năng lượng phục vụ phát triển kinh tế và đời sống dân sinh khu vực biên giới phía Bắc. Toàn bộ hệ thống quản lý quy mô vận hành gồm 995,697 km đường dây trung thế (trong đó ngành điện sở hữu 853,15 km) cùng 812 trạm biến áp phân phối với tổng dung lượng đạt 215.550,5 kVA. Trạm biến áp 110kV E13.2 Lạng Sơn sở hữu 2 máy biến áp công suất 2x40 MVA, cấp điện qua các cấp điện áp 115/35/22kV.

Tuy nhiên, sự bùng nổ của các phụ tải phi tuyến công nghiệp như xưởng gia công cơ khí, lò luyện và công nghệ mạ kim loại thuộc Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn đã làm gia tăng các sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trên lưới. Hiện tượng này làm biến dạng điện áp và dòng điện, dẫn đến tổn thất điện năng toàn thành phố dao động ở mức cao từ 4,15% đến 4,83% trong giai đoạn 2015 - 2018. Đáng chú ý, tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật có xu hướng tăng liên tục từ 3,26% lên 3,60%, gây suy giảm hệ số công suất, phát sinh quá nhiệt trên dây dẫn và làm giảm tuổi thọ thiết bị.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích hiện trạng phát sinh sóng hài trên lưới trung thế 22kV và 35kV của Thành phố Lạng Sơn, từ đó thiết kế cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song nhằm loại bỏ sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc đưa hệ số méo dạng dòng điện từ mức trên 8,40% về dưới 3,00%, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và đưa tổn thất lưới phân phối về mức mục tiêu dưới 4,00%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân tích chuỗi Fourier để khai triển các tín hiệu chu kỳ không sin thành tổng của thành phần sóng cơ bản tần số 50 Hz và các sóng điều hòa bậc cao (bậc 2, 3, 5, 7, 11...). Khi tải mất cân bằng hoặc có tính phi tuyến, sóng hài được phân loại thành thứ tự thuận (bậc 4, 7, 11), thứ tự nghịch (bậc 2, 5, 8) và thứ tự không (bậc 3, 6, 9).

Chỉ tiêu đánh giá then chốt là hệ số độ méo dạng sóng hài tổng (Total Harmonic Distortion - THD) đối với dòng điện và điện áp. Nghiên cứu áp dụng lý thuyết công suất tức thời p-q và phép biến đổi không gian từ hệ tọa độ ba pha tĩnh abc sang hệ tọa độ trực giao alpha-beta và hệ tọa độ quay d-q. Cấu trúc bộ lọc tích cực sử dụng mạch nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Inverter - VSI) tích hợp khóa bán dẫn công suất IGBT, kết hợp bộ điều khiển dòng điện PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM hoặc vectơ không gian SVM. Hệ thống đảm bảo tuân thủ nghiêm ngặt tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519-2014 (giới hạn THD điện áp dưới 5,00% đối với lưới dưới 69kV và THD dòng điện từ 4,00% đến 15,00% tùy tỷ số ngắn mạch SCR) cùng tiêu chuẩn IEC 1000-4-3.

Phương pháp nghiên cứu

Để bảo đảm tính đại diện, cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ 9 lộ xuất tuyến trung thế sau trạm 110kV E13.2 Lạng Sơn, bao gồm 4 lộ 35kV (lộ 373, 374, 375, 376) và 5 lộ 22kV (lộ 471, 472, 473, 474, 476). Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng để khảo sát sâu các xuất tuyến có phụ tải đỉnh cao như lộ 373 (công suất cực đại 19,50 MW) và lộ 473 (công suất cực đại 11,00 MW), nơi tập trung nhiều phụ tải công nghiệp nặng.

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng thông số vận hành thực tế, số liệu thống kê tổn thất điện năng và cấu trúc kết lưới trong 4 năm liên tiếp (2015 - 2018) do Công ty Điện lực Lạng Sơn cung cấp. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp mô phỏng số trên môi trường Matlab/Simulink kết hợp thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT) và vòng khóa pha (PLL). Lý do lựa chọn mô phỏng số là nhằm đánh giá chính xác phản ứng động học của bộ lọc tích cực, kiểm chứng khả năng bù sóng hài theo thời gian thực mà không gây rủi ro gián đoạn cung cấp điện trên lưới điện thực tế trong timeline nghiên cứu từ năm 2018 đến năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích chuỗi số liệu vận hành cho thấy tỷ lệ tổn thất kỹ thuật của lưới điện Thành phố Lạng Sơn tăng đều qua các năm: 3,26% (năm 2015), 3,40% (năm 2016), 3,50% (năm 2017) và chạm mức 3,60% (năm 2018), tương đương mức gia tăng 10,43% sau 4 năm do sự gia tăng thiết bị điện tử công suất chưa qua xử lý lọc sóng.

Thứ hai, tính toán phân bố dòng công suất chỉ ra sự chênh lệch tổn thất lớn giữa các tuyến đường dây. Tuyến 35kV lộ 373 với chiều dài 614,51 km chịu tổn thất công suất lên tới 6,62% ở mức công suất đỉnh 19,50 MW. Trong khi đó, tuyến 22kV lộ 472 dài 58,20 km có tổn thất công suất là 3,71% tại phụ tải cực đại 6,30 MW.

Thứ ba, kết quả mô phỏng các phụ tải điển hình (chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển và không điều khiển) chứng minh dòng điện nguồn bị méo mó nghiêm trọng, biên độ sóng hài bậc 5 và bậc 7 chiếm tỷ trọng áp đảo, đẩy chỉ số THD dòng điện lên mức 8,40% đến trên 15,00%, vượt ngưỡng cho phép của IEEE 519.

Thứ tư, khi kích hoạt bộ lọc tích cực song song có bộ điều khiển dòng PI trong mô hình Matlab/Simulink, dạng sóng dòng điện pha A được tái tạo mượt mà về dạng hình sin chuẩn chỉ sau khoảng thời gian xác lập cực ngắn từ 0,40 giây đến 0,50 giây. Độ méo dạng THD dòng điện giảm ngoạn mục từ trên 8,40% xuống dưới 3,00%, đồng thời công suất phản kháng được bù đắp tức thời, đưa hệ số công suất của hệ thống đạt xấp xỉ 0,98.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây suy giảm chất lượng điện năng tại địa bàn là do quá trình phi tuyến hóa từ các mạch chỉnh lưu Diode, Thyristor trong các xưởng cơ khí và mạ điện làm méo điện áp nguồn, gây hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp và gia tăng nhiệt lượng vô công.

Về mặt trực quan hóa, toàn bộ diễn biến động học được phản ánh rõ nét qua biểu đồ phổ biên độ tần số FFT, đồ thị đáp ứng dòng điện theo miền thời gian thực từ 0 đến 0,50 giây và bảng đối chiếu các chỉ số THD trước và sau khi kích hoạt bộ lọc. So với các giải pháp lọc thụ động LC truyền thống vốn dễ gây hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm và chỉ lọc được một tần số cố định, bộ lọc tích cực thể hiện tính ưu việt vượt trội nhờ khả năng lọc đa tần số và tự động thích ứng với sự thay đổi của phụ tải. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu tiên tiến trên thế giới về ổn định chất lượng điện năng công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, lắp đặt hệ thống bộ lọc tích cực song song (Shunt APF) dung lượng 150 kVA đến 300 kVA tại thanh cái hạ áp của các doanh nghiệp có nguồn phát thải sóng hài lớn như Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn; hướng đến mục tiêu khống chế THD dòng điện dưới 3,50% và nâng hệ số cos phi trên 0,95; tiến độ thực hiện trong vòng 6 đến 12 tháng; chủ thể triển khai là Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Lạng Sơn phối hợp với khách hàng công nghiệp.

Thứ hai, nâng cấp và cải tạo tiết diện dây dẫn trên các tuyến xuất tuyến mang tải cao, đặc biệt là thay thế dây nhôm lõi thép AC-70 bằng cáp nhôm bọc XLPE tiết diện 120 mm2 cho lộ 373 (614,51 km) và lộ 472 (58,20 km), đồng thời chuyển đổi dứt điểm các nhánh 10kV còn lại lên cấp 22kV; mục tiêu cắt giảm tổn thất công suất lộ 373 từ 6,62% xuống dưới 4,50%; thời gian hoàn thành giai đoạn 2021 - 2023; đơn vị thực hiện là Ban Quản lý Dự án Điện lực Lạng Sơn.

Thứ ba, thiết lập mạng lưới giám sát chất lượng điện năng tự động (Power Quality Monitoring) thông qua việc gắn công tơ điện tử đo đếm sóng hài tại trạm 110kV E13.2 và 812 trạm biến áp phân phối; chỉ tiêu kỹ thuật đạt tần suất truyền dữ liệu dưới 5 phút mỗi lần và độ sẵn sàng hệ thống đạt 99,50%; lộ trình thực hiện từ năm 2021 đến năm 2022; giao Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Lạng Sơn chủ trì.

Thứ tư, ban hành quy chế thỏa thuận kỹ thuật đấu nối yêu cầu kiểm định mức phát thải sóng hài định kỳ 6 tháng một lần đối với mọi phụ tải công nghiệp đấu nối vào lưới 22kV và 35kV; áp dụng chế tài xử phạt hệ số công suất phản kháng thấp theo biểu giá quy định; hoàn thành phê duyệt quy chế trong quý 1 năm kế tiếp; cơ quan chịu trách nhiệm là Sở Công Thương Lạng Sơn phối hợp cùng Công ty Điện lực Lạng Sơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành và điều độ viên tại các công ty điện lực cấp tỉnh, thành phố. Luận văn cung cấp phương pháp luận thực chiến trong việc tính toán phân bố công suất, xác định điểm nút phát sinh sóng hài trên lưới trung thế 22kV/35kV và quy trình vận hành thiết bị lọc để ngăn ngừa sự cố tác động sai của rơ-le bảo vệ.

Nhóm thứ hai là các kỹ sư thiết kế hệ thống điện công nghiệp và tự động hóa. Công trình mang đến bản thiết kế chi tiết về mạch nghịch lưu áp VSI, cấu trúc điều khiển dòng PI và mạch tạo xung PWM, hỗ trợ trực tiếp cho dự án chế tạo tủ bù tích cực cho nhà xưởng sản xuất có tải phi tuyến lớn.

Nhóm thứ ba là học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện. Toàn bộ mô hình mô phỏng xây dựng trên Matlab/Simulink cùng hệ phương trình toán học biến đổi tọa độ Park - Clarke là tài liệu tham khảo giá trị cho các đề tài nghiên cứu về chất lượng điện năng và thiết bị điện tử công suất.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý năng lượng tại các nhà máy, khu công nghiệp. Luận văn hỗ trợ xây dựng giải pháp tối ưu hóa năng lượng, cải thiện hệ số công suất cos phi trên 0,90, giảm thiểu mức phạt điện năng vô công và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống động cơ và máy biến áp.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính gây phát sinh sóng hài trên lưới điện Thành phố Lạng Sơn là gì? Sóng hài phát sinh chủ yếu từ các phụ tải phi tuyến công nghiệp như bộ biến đổi điện tử công suất, máy biến tần, máy hàn hồ quang và bể mạ tại Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn. Các linh kiện bán dẫn Diode và Thyristor làm biến dạng dòng điện sin, khiến tổn thất kỹ thuật lưới tăng từ 3,26% lên 3,60% trong giai đoạn 2015 - 2018.

Chỉ số độ méo sóng hài THD trên lưới điện phân phối phải tuân theo tiêu chuẩn nào? Theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519-2014 và IEC 1000-4-3 được luận văn áp dụng, tổng độ méo sóng hài điện áp THD tại điểm đấu nối cấp điện áp dưới 69kV không được vượt quá 5,00%, riêng các phụ tải kỹ thuật số nhạy cảm yêu cầu THD dưới 3,00%. Giới hạn phát xạ dòng điện được quy định chặt chẽ từ 4,00% đến 15,00% theo tỷ số ngắn mạch.

Tại sao bộ lọc tích cực APF lại vượt trội hơn bộ lọc thụ động truyền thống? Bộ lọc tích cực sử dụng mạch nghịch lưu nguồn áp IGBT điều khiển linh hoạt qua thuật toán PI, có khả năng lọc đồng thời nhiều bậc sóng hài (bậc 3, 5, 7, 11) và tự động thích ứng với biến thiên tải. Ngược lại, bộ lọc thụ động LC dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng điện áp gây nguy cơ nổ tụ và chỉ lọc được một tần số cố định.

Mô hình mô phỏng trong luận văn chứng minh hiệu quả lọc sóng hài như thế nào? Kết quả chạy mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink cho thấy trong khoảng thời gian từ 0,40 giây đến 0,50 giây khi kích hoạt bộ lọc, dòng điện pha A từ dạng xung méo dạng nghiêm trọng với THD trên 8,40% được chuyển hóa về dạng hình sin mượt mà, giúp chỉ số THD giảm sâu xuống dưới mức 3,00% và bù công suất phản kháng tối ưu.

Giải pháp nào giúp giảm tổn thất trên đường dây dài như lộ 373 Lạng Sơn? Lộ 373 có chiều dài 614,51 km với công suất cực đại 19,50 MW gây tổn thất công suất 6,62%. Luận văn đề xuất kết hợp lắp đặt bộ lọc tích cực tại các trạm phụ tải lớn, cải tạo nâng tiết diện dây dẫn lên chuẩn AC-120 và hoán đổi vị trí các máy biến áp đầy tải sang non tải để tối ưu hóa phân bố dòng công suất.

Kết luận

• Luận văn đã khảo sát và đánh giá toàn diện thực trạng lưới điện phân phối Thành phố Lạng Sơn với quy mô 995,697 km đường dây và 812 trạm biến áp, chỉ rõ nguyên nhân làm gia tăng tổn thất kỹ thuật từ 3,26% lên 3,60%.
• Hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết về giải tích Fourier, lý thuyết công suất tức thời p-q và phép biến đổi tọa độ trực giao để nhận dạng chính xác sóng điều hòa bậc cao.
• Thiết kế thành công cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song APF tích hợp bộ điều khiển PI và kỹ thuật điều chế PWM trên phần mềm Matlab/Simulink.
• Chứng minh thực nghiệm mô phỏng khả năng triệt tiêu sóng hài vượt trội, đưa chỉ số méo dạng THD từ trên 8,40% xuống dưới 3,00% và nâng hệ số cos phi đạt 0,98.
• Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành có tính ứng dụng cao cho ngành điện địa phương.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp giải pháp công nghệ lọc tích cực có luận cứ khoa học vững chắc và mô hình mô phỏng tin cậy, giải quyết triệt để bài toán nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện đô thị miền núi.

Kế hoạch tiếp theo đề xuất triển khai thử nghiệm lắp đặt mô hình APF thực địa tại lộ 472 trong vòng 12 tháng tới và nhân rộng ra toàn bộ các xuất tuyến công nghiệp trước năm 2025.

Các đơn vị quản lý vận hành lưới điện và doanh nghiệp công nghiệp hãy nhanh chóng áp dụng giải pháp bộ lọc tích cực này để tối ưu hóa chi phí điện năng và bảo vệ an toàn hệ thống thiết bị.