Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng điện năng ngày càng trở thành vấn đề quan trọng trong ngành kỹ thuật điện, đặc biệt khi các thiết bị điện hiện đại đòi hỏi nguồn điện ổn định và sạch để hoạt động hiệu quả. Tại huyện Châu Thành, tỉnh An Giang, lưới điện phân phối đang chịu ảnh hưởng đáng kể từ các phụ tải phi tuyến gây ra sóng hài, làm giảm chất lượng điện năng và tăng tổn thất điện năng. Theo số liệu đo đạc thực tế năm 2017 tại Công ty Điện lực An Giang, tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện (THDi) tại một số phụ tải có thể lên tới trên 20%, vượt xa giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích khả năng giảm thiểu sóng hài trên lưới điện phân phối huyện Châu Thành, từ đó đề xuất các giải pháp thực tế nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật theo quy định hiện hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các phụ tải phi tuyến có sóng hài cao nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành trong giai đoạn 2017-2018. Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện địa phương mà còn góp phần giảm tổn thất điện năng, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đồng thời hỗ trợ Công ty Điện lực An Giang trong việc quản lý và phát triển hệ thống điện phân phối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về chất lượng điện năng và sóng hài trong hệ thống điện phân phối. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết sóng hài và phân tích Fourier: Sóng hài được định nghĩa là các thành phần sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản 50 Hz. Phân tích chuỗi Fourier rời rạc được sử dụng để xác định biên độ và pha của các thành phần sóng hài trong tín hiệu dòng điện và điện áp. Tổng độ méo dạng sóng hài (THD) là chỉ số quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm sóng hài, được tính theo công thức: [ THD = \frac{\sqrt{\sum_{h=2}^n X_h^2}}{X_1} \times 100% ] trong đó (X_h) là giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc (h), (X_1) là giá trị hiệu dụng của sóng cơ bản.

  2. Mô hình bộ lọc sóng hài tích cực (Active Power Filter - APF): Bộ lọc tích cực được thiết kế để bù và loại bỏ sóng hài do phụ tải phi tuyến gây ra. Luận văn sử dụng bộ điều khiển Logic Mờ (Fuzzy Logic Controller - FLC) để điều khiển APF, với ưu điểm là thời gian đáp ứng nhanh và hiệu quả lọc sóng hài cao hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: sóng hài bậc cao, tổng độ méo dạng sóng hài (THD), bộ lọc tích cực, điều khiển Logic Mờ, tải phi tuyến, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần trong dây dẫn.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập số liệu thực tế và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các phụ tải phi tuyến có sóng hài cao nối vào lưới điện phân phối huyện Châu Thành, được xác định qua số liệu đo đạc thực tế năm 2017 của Công ty Điện lực An Giang. Phương pháp chọn mẫu là chọn các phụ tải tiêu biểu có THDi vượt ngưỡng cho phép.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước chính:

  • Thu thập và phân tích số liệu sóng hài thực tế tại các phụ tải.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng lưới điện phân phối với tải phi tuyến trên Matlab-Simulink.
  • Mô phỏng ba trường hợp: không có bộ lọc sóng hài, có bộ lọc sóng hài điều khiển bằng giải thuật PI, và có bộ lọc sóng hài điều khiển bằng giải thuật Logic Mờ.
  • So sánh kết quả mô phỏng về tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện (THDi) và đánh giá hiệu quả của từng giải pháp.
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 10/2017 đến tháng 10/2018.

Phương pháp phân tích dữ liệu chủ yếu là phân tích định lượng dựa trên kết quả mô phỏng và so sánh với tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mức độ sóng hài thực tế tại huyện Châu Thành: Theo số liệu đo đạc năm 2017, tổng độ méo dạng sóng hài dòng điện (THDi) tại các phụ tải phi tuyến dao động trong khoảng từ 10% đến trên 35%, vượt xa giới hạn 12% theo tiêu chuẩn Việt Nam và 5% theo tiêu chuẩn IEEE. Ví dụ, một số phụ tải có THDi lên đến 35,3% (Công ty Đại Phát) và 28,7% (NM Tole Thiên Công).

  2. Hiệu quả của bộ lọc sóng hài điều khiển bằng giải thuật PI: Mô phỏng cho thấy bộ lọc tích cực điều khiển bằng PI giảm THDi từ khoảng 23,99% xuống còn khoảng 15,5%, cải thiện đáng kể nhưng vẫn chưa đạt tiêu chuẩn Việt Nam.

  3. Hiệu quả của bộ lọc sóng hài điều khiển bằng giải thuật Logic Mờ (FLC): Giải thuật Logic Mờ cho kết quả vượt trội, giảm THDi từ 23,99% xuống còn 10,19%, đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng điện năng. Tuy nhiên, mức này vẫn chưa đáp ứng được tiêu chuẩn IEEE với ngưỡng dưới 5%.

  4. So sánh các giải pháp: Bộ lọc điều khiển bằng FLC có thời gian đáp ứng nhanh hơn và chất lượng lọc sóng hài tốt hơn so với bộ lọc điều khiển bằng PI. Số luật mờ được sử dụng trong nghiên cứu là 49 luật, cao hơn so với các nghiên cứu trước đây, giúp tín hiệu điều khiển tinh tế hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sóng hài cao là do các phụ tải phi tuyến như thiết bị điện tử công suất, máy biến áp vận hành trong vùng bão hòa, lò hồ quang và các thiết bị phóng điện. Sóng hài gây ra tổn thất điện năng, làm giảm tuổi thọ thiết bị và ảnh hưởng đến độ tin cậy của lưới điện. Kết quả mô phỏng cho thấy việc áp dụng bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng Logic Mờ là giải pháp khả thi và hiệu quả để giảm sóng hài trên lưới điện phân phối huyện Châu Thành.

So với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng 49 luật mờ trong bộ điều khiển FLC giúp cải thiện độ chính xác và khả năng thích ứng của bộ lọc, từ đó nâng cao chất lượng điện năng. Kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong kỹ thuật điện nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh THDi trước và sau khi sử dụng bộ lọc điều khiển bằng PI và FLC, cũng như bảng tổng hợp số liệu THDi tại các phụ tải tiêu biểu, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng Logic Mờ trên lưới điện phân phối huyện Châu Thành: Tập trung vào các phụ tải phi tuyến có sóng hài cao, nhằm giảm THDi xuống dưới 12% trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện là Công ty Điện lực An Giang phối hợp với các đơn vị kỹ thuật.

  2. Nghiên cứu tối ưu tham số bộ điều khiển Logic Mờ: Tiếp tục điều chỉnh và hoàn thiện các luật mờ để giảm THDi xuống dưới 5% theo tiêu chuẩn IEEE trong 2 năm tới, nhằm nâng cao chất lượng điện năng đạt chuẩn quốc tế.

  3. Tăng cường giám sát và đo đạc sóng hài định kỳ: Thiết lập hệ thống đo đạc tự động tại các điểm đấu nối phụ tải phi tuyến để phát hiện và xử lý kịp thời các hiện tượng sóng hài vượt ngưỡng. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực An Giang đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ kỹ thuật và khách hàng sử dụng điện: Tổ chức các khóa đào tạo về tác hại của sóng hài và các biện pháp giảm thiểu, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và sử dụng điện năng sạch. Thời gian triển khai trong 1 năm, do Công ty Điện lực An Giang phối hợp với các cơ sở đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và quản lý ngành điện: Giúp hiểu rõ nguyên nhân, ảnh hưởng và các giải pháp kỹ thuật giảm sóng hài, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và quản lý lưới điện phân phối.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về sóng hài, bộ lọc tích cực và ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong điều khiển hệ thống điện.

  3. Doanh nghiệp sử dụng điện công nghiệp: Nhận thức được tác động của sóng hài đến thiết bị và sản xuất, từ đó phối hợp với ngành điện để áp dụng các giải pháp cải thiện chất lượng điện năng.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và ban ngành liên quan: Hỗ trợ xây dựng chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định về chất lượng điện năng phù hợp với thực tế và xu hướng công nghệ mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sóng hài là gì và tại sao nó lại gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện?
    Sóng hài là các thành phần sóng sin có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản 50 Hz, gây méo dạng sóng điện áp và dòng điện. Chúng làm tăng tổn thất điện năng, giảm tuổi thọ thiết bị và gây nhiễu cho hệ thống điện.

  2. Tại sao bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng Logic Mờ hiệu quả hơn bộ lọc điều khiển bằng PI?
    Logic Mờ có khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và không chính xác tốt hơn, đáp ứng nhanh và điều chỉnh linh hoạt hơn, giúp giảm sóng hài hiệu quả hơn so với bộ điều khiển PI truyền thống.

  3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để đánh giá chất lượng điện năng liên quan đến sóng hài?
    Tiêu chuẩn Việt Nam quy định THDi không vượt quá 12% đối với các đấu nối công suất lớn, trong khi tiêu chuẩn IEEE yêu cầu THDi dưới 5% để đảm bảo chất lượng điện năng cao.

  4. Giải pháp nào được đề xuất để giảm sóng hài trên lưới điện phân phối huyện Châu Thành?
    Sử dụng bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng giải thuật Logic Mờ, tối ưu tham số điều khiển, giám sát sóng hài định kỳ và đào tạo nâng cao nhận thức cho cán bộ và khách hàng.

  5. Làm thế nào để đo và phân tích sóng hài trong hệ thống điện?
    Sử dụng thiết bị đo sóng hài chuyên dụng kết hợp với phân tích chuỗi Fourier rời rạc để xác định biên độ và pha của các thành phần sóng hài, từ đó đánh giá mức độ ô nhiễm sóng hài.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và mô phỏng thành công giải pháp giảm sóng hài trên lưới điện phân phối huyện Châu Thành, tỉnh An Giang bằng bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng Logic Mờ.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy THDi giảm từ 23,99% xuống còn 10,19%, đạt tiêu chuẩn Việt Nam nhưng chưa đạt tiêu chuẩn IEEE.
  • Giải pháp sử dụng Logic Mờ có ưu điểm về thời gian đáp ứng và chất lượng lọc so với bộ điều khiển PI.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu tham số bộ điều khiển để đạt chuẩn quốc tế và triển khai áp dụng thực tế tại địa phương.
  • Khuyến khích các đơn vị liên quan áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế bộ lọc sóng hài tích cực điều khiển bằng Logic Mờ trên các phụ tải tiêu biểu trong huyện Châu Thành, đồng thời mở rộng nghiên cứu tối ưu điều khiển nhằm đáp ứng tiêu chuẩn IEEE. Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện được khuyến nghị phối hợp chặt chẽ để áp dụng giải pháp này, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả sử dụng điện tại địa phương.