Luận văn nghiên cứu thiết kế thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp lưới điện

Luận văn nghiên cứu thiết kế thiết bị bù hạ thế nhằm ổn định điện áp lưới điện, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy trong hệ thống điện.

• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Dũng
• Trường học: Đại học Kỹ thuật Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Luận văn nghiên cứu thiết kế thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp lưới điện
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN TỈNH BẮC KẠN CÁC TỒN TẠI TRONG VẬN HÀNH
• 1.1. Nguồn điện cấp điện cho tỉnh Bắc Kạn
• 1.1.1. Các nguồn thủy điện vừa và nhỏ
• 1.2. Thống kê lưới điện hiện trạng
• 1.3. Tình hình vận hành lưới phân phối lộ 371, trạm E26
• 1.4. Một số tồn tại và các phương pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới phân phối lộ 371, trạm E26
• 1.5. Các phương pháp bù công suất phản kháng nâng cao hệ số công suất đã thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Công suất & hệ số công suất
• 2.1.1. Giới thiệu về các loại công suất
• 2.1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất
• 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất
• 2.2. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất
• 2.2.1. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện
• 2.2.2. Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện
• 2.2.3. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp
• 2.3. Bù CSPK sử dụng cấu trúc FC-TCR
• 2.3.1. Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và việc bù CSPK
• 2.4. Bộ tạo xung điều khiển Thyristor
• 2.5. Bộ điều khiển phản hồi cosφ (Khối Th-KĐTG)
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Bù Hạ Thế Ổn Định Điện Áp Lưới Điện

Ổn định điện áp lưới điện là yếu tố then chốt đảm bảo chất lượng điện năng, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng và lưới điện ngày càng phức tạp. Bù hạ thế đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp ổn định, giảm thiểu sụt áp và nâng cao hiệu quả truyền tải điện. Việc thiết kế thiết bị bù hạ thế hiệu quả là một thách thức đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về đặc tính lưới điện và các phương pháp điều khiển hiện đại. Theo tài liệu nghiên cứu, việc áp dụng các giải pháp bù hạ thế không chỉ cải thiện chất lượng điện năng mà còn kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện.

1.1. Tầm Quan Trọng của Ổn Định Điện Áp Lưới Điện Phân Phối

Ổn định điện áp trong lưới điện phân phối ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện, giảm thiểu nguy cơ hư hỏng và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Điện áp không ổn định có thể gây ra các vấn đề như giảm hiệu suất chiếu sáng, quá nhiệt động cơ và sai lệch trong hoạt động của các thiết bị điện tử nhạy cảm. Do đó, việc bù hạ thế hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho người tiêu dùng.

1.2. Vai Trò của Bù Hạ Thế trong Hệ Thống Điện Hiện Đại

Bù hạ thế ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt là khi tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và các tải phi tuyến. Các thiết bị bù hạ thế giúp duy trì điện áp ổn định, cải thiện hệ số công suất và giảm thiểu tổn thất điện năng. Các giải pháp bù tĩnh SVC và bù đồng bộ STATCOM đang được ứng dụng rộng rãi để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng.

II. Thực Trạng Sụt Áp Và Giải Pháp Bù Hạ Thế Hiện Nay

Sụt áp là một vấn đề phổ biến trong lưới điện, đặc biệt là ở các khu vực nông thôn hoặc khu công nghiệp có tải lớn. Nguyên nhân sụt áp có thể do khoảng cách truyền tải xa, tải không cân bằng hoặc hệ số công suất thấp. Các giải pháp bù hạ thế truyền thống như sử dụng tụ bù cố định thường không hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề sụt áp biến động. Việc áp dụng các giải pháp bù hạ thế linh hoạt và thông minh là cần thiết để đảm bảo điện áp ổn định trong mọi điều kiện vận hành.

2.1. Các Nguyên Nhân Gây Sụt Áp Trong Lưới Điện

Nhiều yếu tố có thể gây ra sụt áp trong lưới điện, bao gồm khoảng cách truyền tải xa, tải không cân bằng, hệ số công suất thấp và sự thay đổi đột ngột của tải. Sụt áp có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng, như giảm hiệu suất thiết bị, hư hỏng thiết bị và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho người tiêu dùng.

2.2. Đánh Giá Hiệu Quả Các Phương Pháp Bù Hạ Thế Truyền Thống

Các phương pháp bù hạ thế truyền thống, như sử dụng tụ bù cố định, có ưu điểm là đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, chúng thường không hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề sụt áp biến động và có thể gây ra hiện tượng quá áp khi tải thấp. Do đó, cần phải đánh giá kỹ lưỡng hiệu quả của các phương pháp bù hạ thế truyền thống trước khi áp dụng.

2.3. Phân tích lưới điện tỉnh Bắc Kạn tồn tại trong vận hành

Hiện tại, Công ty Điện lực Bắc Kạn đang quản lý và vận hành lưới điện phân phối trên địa bàn tỉnh. Tỉnh là khu vực miền núi, phụ tải thường không tập trung, tuyến đường dây trung thế sau các trạm 110kV dài (có đường dây trụ chính lên đến 180km, chưa kể các nhánh rẽ). Việc đầu tư các trạm 110kV đến gần các trung tâm phụ tải là rất tốn kém. Do đường dây truyền tải dài dẫn đến phát sinh lượng công suất phản kháng Q gọi là công suất vô công gây ra.

III. Thiết Kế Thiết Bị Bù Hạ Thế Tối Ưu Cách Tiếp Cận Mới

Việc thiết kế mạch bù hạ thế tối ưu đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về lý thuyết mạch điện, điều khiển tự động và công nghệ điện tử công suất. Các giải pháp bù hạ thế hiện đại thường sử dụng các thiết bị điện tử công suất như bù tĩnh SVC và bù đồng bộ STATCOM để điều khiển công suất phản kháng một cách linh hoạt và chính xác. Việc áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến như tự động điều chỉnh điện áp và điều khiển thiết bị bù hạ thế giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.

3.1. Lựa Chọn Cấu Hình Thiết Bị Bù Hạ Thế Phù Hợp

Việc lựa chọn cấu hình thiết bị bù hạ thế phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của lưới điện và yêu cầu về chất lượng điện năng. Các cấu hình phổ biến bao gồm bù ngang, bù dọc, bù tĩnh SVC và bù đồng bộ STATCOM. Mỗi cấu hình có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phải dựa trên phân tích kỹ thuật và kinh tế.

3.2. Ứng Dụng Các Thuật Toán Điều Khiển Hiện Đại

Các thuật toán điều khiển hiện đại, như điều khiển PID, điều khiển mờ và điều khiển mạng nơ-ron, có thể được ứng dụng để điều khiển SVC và điều khiển STATCOM một cách hiệu quả. Các thuật toán này giúp hệ thống bù hạ thế đáp ứng nhanh chóng với sự thay đổi của tải và duy trì điện áp ổn định trong mọi điều kiện vận hành. Việc mô phỏng bù hạ thế bằng các phần mềm chuyên dụng giúp tối ưu hóa các thông số điều khiển và đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.3. Tính toán bù hạ thế và thiết kế tụ bù cuộn kháng bù

Tính toán công suất bù cần thiết để đạt hệ số công suất mong muốn. Xác định dung lượng tụ bù hoặc điện cảm cuộn kháng cần thiết. Chọn loại tụ bù và cuộn kháng bù phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Xem xét các yếu tố như điện áp định mức, dòng điện định mức, tần số và nhiệt độ làm việc.

IV. Ứng Dụng Thiết Bị Bù Hạ Thế Trong Thực Tế Nghiên Cứu Điển Hình

Nhiều dự án đã triển khai thành công việc ứng dụng thiết bị bù hạ thế để cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu tổn thất điện năng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các giải pháp bù hạ thế không chỉ mang lại lợi ích về kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Các kết quả nghiên cứu thiết kế thiết bị bù hạ thế cung cấp thông tin hữu ích cho việc triển khai các dự án tương tự trong tương lai. Theo tài liệu nghiên cứu, việc bù hạ thế có thể giúp giảm thiểu tổn thất điện năng lên đến 15%.

4.1. Phân Tích Kết Quả Thử Nghiệm và Đánh Giá Hiệu Quả

Việc phân tích kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống bù hạ thế là bước quan trọng để xác định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp. Các chỉ số quan trọng cần được theo dõi và đánh giá bao gồm điện áp, dòng điện, hệ số công suất và tổn thất điện năng. Kết quả phân tích sẽ cung cấp thông tin chi tiết về hiệu quả hoạt động của hệ thống và giúp điều chỉnh các thông số điều khiển để đạt được hiệu suất tối ưu.

4.2. Các Dự Án Triển Khai Thực Tế Và Bài Học Kinh Nghiệm

Nhiều dự án đã triển khai thành công việc ứng dụng các giải pháp bù hạ thế trong thực tế, từ các khu dân cư nhỏ đến các khu công nghiệp lớn. Các dự án này cung cấp nhiều bài học kinh nghiệm quý báu về thiết kế, triển khai và vận hành hệ thống bù hạ thế. Việc chia sẻ kinh nghiệm và kiến thức giúp nâng cao hiệu quả của các dự án tương tự trong tương lai.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Của Thiết Bị Bù Hạ Thế

Thiết kế thiết bị bù hạ thế đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng điện năng và nâng cao hiệu quả truyền tải điện. Các giải pháp bù hạ thế hiện đại, với sự hỗ trợ của công nghệ điện tử công suất và điều khiển tự động, đang ngày càng trở nên phổ biến. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp bù hạ thế thông minh và linh hoạt là hướng đi quan trọng để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng trong tương lai.

5.1. Tổng Kết Các Ưu Điểm Của Giải Pháp Bù Hạ Thế

Các giải pháp bù hạ thế mang lại nhiều ưu điểm quan trọng, bao gồm cải thiện chất lượng điện năng, giảm thiểu tổn thất điện năng, nâng cao hiệu suất thiết bị và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Việc áp dụng các giải pháp bù hạ thế góp phần bảo vệ môi trường và thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành điện.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai của thiết bị bù hạ thế bao gồm phát triển các thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả hơn, tích hợp các chức năng thông minh và tự động, và ứng dụng các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến. Việc phát triển các giải pháp bù hạ thế linh hoạt và có khả năng thích ứng với sự thay đổi của tải là một thách thức quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực vùng cao thường đối mặt với bài toán sụt áp và tổn thất công suất nghiêm trọng do địa hình phức tạp, bán kính cấp điện kéo dài và phụ tải phân tán không đồng đều. Tại tỉnh Bắc Kạn, đường dây trục chính trung áp xuất tuyến từ trạm 110 kV có chiều dài lên tới 180 km, cấp điện cho địa bàn rộng lớn nhưng mật độ tiêu thụ chỉ đạt mức bình quân 104,0 kVA trên mỗi trạm biến áp phân phối. Điển hình là lộ 371 thuộc trạm E26.1 có tổng chiều dài lên tới 555,5 km (bao gồm 105,1 km đường trục chính và 602,1 km các nhánh rẽ), đang chịu mức tổn thất công suất lên tới 8,33% cùng độ sụt áp 5,43% ở chế độ phụ tải cực đại 6,7 MW.

Vấn đề cốt lõi phát sinh từ sự gia tăng của công suất phản kháng cảm tính trên đường dây truyền tải kéo dài, làm suy giảm hệ số công suất và phát sinh hiện tượng sụt áp sâu vào giờ cao điểm, đồng thời gây quá áp cuối nguồn vào thời điểm non tải do dung tính ký sinh. Các giải pháp truyền thống như lắp đặt máy biến áp tự ngẫu tăng áp 35 kV với tổng dung lượng 12.000 kVA hay sử dụng các bộ tụ bù tĩnh cơ khí bộc lộ nhiều hạn chế về chi phí đầu tư lớn, chiếm dụng diện tích mặt bằng và dễ dẫn đến tình trạng bù thừa hoặc bù thiếu gây mất ổn định hệ thống.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu, tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp theo nguyên lý bù kết hợp có cấp và vô cấp (cấu trúc tụ tĩnh kết hợp kháng điều khiển bằng Thyristor - FC-TCR) tích hợp bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân (PID) phản hồi hệ số công suất. Phạm vi nghiên cứu tập trung thực nghiệm trên hệ thống lưới điện trung và hạ áp do Công ty Điện lực Bắc Kạn quản lý trong giai đoạn 2018 - 2019. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi trực tiếp giải quyết bài toán giảm tổn thất điện năng, đưa hệ số công suất duy trì trên ngưỡng 0,95, nâng cao chất lượng điện áp và gia tăng độ tin cậy cung cấp điện theo đúng định hướng kỹ thuật của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý luận của đề tài dựa trên lý thuyết truyền tải điện năng xoay chiều ba pha, nguyên lý biến đổi điện từ và lý thuyết bù công suất phản kháng trong hệ thống điện. Mối quan hệ giữa công suất tác dụng P (tính bằng kW), công suất phản kháng Q (tính bằng kVAr) và công suất biểu kiến S (tính bằng kVA) được xác định chặt chẽ thông qua tam giác công suất và hệ số công suất cos phi. Khi dòng điện phản kháng truyền tải trên đường dây tăng cao, nó không sinh công hữu ích nhưng trực tiếp gây sụt áp và tổn hao nhiệt lượng tỷ lệ với bình phương dòng điện toàn phần.

Khung mô hình nghiên cứu ứng dụng cấu trúc bù tĩnh linh hoạt bao gồm nhánh tụ điện cố định (Fixed Capacitor - FC) phát công suất dung và nhánh cuộn cảm điều khiển bằng Thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR) tiêu thụ công suất cảm biến thiên liên tục. Điểm cốt lõi nằm ở việc điều khiển góc kích mở alpha của hai van Thyristor đấu song song ngược chiều trong khoảng từ 90 độ đến 180 độ nhằm thay đổi giá trị dòng điện hiệu dụng qua điện kháng L, qua đó điều chỉnh trơn công suất phản kháng tổng hợp. Thuật toán điều khiển tự động phản hồi tín hiệu cos phi sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển, giúp triệt tiêu sai số xác lập và tối ưu hóa thời gian đáp ứng quá độ của hệ thống điện lực hạ thế 0,4 kV.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ số liệu đo đếm SCADA và báo cáo vận hành kỹ thuật thực tế năm 2018 của Công ty Điện lực Bắc Kạn, bao gồm hiện trạng mang tải của 2 trạm biến áp 110 kV tổng công suất 75 MVA, 3 nhà máy thủy điện nhỏ với tổng công suất phát 10,1 MW (Tà Làng 4,5 MW, Thượng Ân 2,4 MW, Nậm Cắt 3,2 MW) và 14 xuất tuyến trung áp trên địa bàn toàn tỉnh.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm toàn bộ không gian vận hành của lộ 371 trạm E26.1 cấp điện cho các huyện Pác Nặm, Ngân Sơn, Ba Bể và Bạch Thông với 368 trạm biến áp 35/0,4 kV (tổng dung lượng 36.135,5 kVA), 89 điểm đặt tụ bù hạ thế 0,4 kV (tổng dung lượng 2.970 kVAr) và 3 điểm đặt tụ bù trung áp 35 kV (tổng dung lượng 1.650 kVAr). Phương pháp chọn mẫu điển hình có chủ đích được áp dụng vì đây là xuất tuyến đường dây dài nhất, cấu trúc hình tia phức tạp nhất và có tỷ lệ tổn thất kỹ thuật cao nhất trên toàn địa bàn.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải tích mạch điện lý thuyết và mô phỏng số hóa chuyên sâu trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink. Lý do lựa chọn MATLAB/Simulink xuất phát từ khả năng mô phỏng chính xác các phần tử phi tuyến công suất, mạch tạo xung đồng pha và thuật toán chỉnh định tham số PID theo hai phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols (bước 1 và bước 2), đảm bảo kết quả kiểm chứng có độ tin cậy kỹ thuật cao trước khi triển khai chế tạo phần cứng. Timeline nghiên cứu được thực hiện xuyên suốt trong thời gian 12 tháng, từ khâu khảo sát thực địa, xây dựng mô hình toán, lập trình mô phỏng đến kiểm nghiệm đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng tính toán đã mang lại các phát hiện kỹ thuật quan trọng:

• Thực trạng tổn thất kỹ thuật trên xuất tuyến 371 ở mức rất cao với tổn thất công suất chiếm 8,33% và sụt áp đạt 5,43% ở chế độ công suất cực đại 6,7 MW (công suất trung bình đạt 5,0 MW tương ứng mức mang tải 40,2%), nguyên nhân do 96,4% lưới trung áp sử dụng cấp điện áp 35 kV dây trần nhôm lõi thép AC50 đến AC120 trải dài qua địa hình đồi núi hiểm trở.
• Hệ thống bù tĩnh hiện hữu gồm 89 điểm bù hạ thế với 2.970 kVAr đóng ngắt bằng công tắc tơ cơ khí bộc lộ rõ nhược điểm đóng cắt giật cục theo từng cấp định sẵn. Tình trạng này dẫn đến sai số điều chỉnh lớn, gây ra hiện tượng bù thừa vào ban đêm khi non tải làm tăng vọt điện áp lưới, hoặc bù thiếu vào các khung giờ cao điểm tiêu thụ.
• Động cơ không đồng bộ trong các cơ sở chế biến khoáng sản và sinh hoạt nông thôn khi vận hành non tải tiêu thụ lượng công suất vô công chiếm từ 60% đến 70% định mức, khiến hệ số công suất tự nhiên giảm sâu xuống dưới 0,70. Trong khi đó, tổn thất công suất tác dụng của thiết bị bù tụ tĩnh chỉ mất khoảng 0,003 đến 0,005 kW/kVAr, thấp hơn đáng kể so với mức tiêu hao 0,015 đến 0,02 kW/kVAr của máy bù đồng bộ quay.
• Hệ thống thiết bị bù hạ thế cấu trúc FC-TCR tích hợp bộ điều khiển PID được thiết kế thành công trên MATLAB/Simulink cho phép điều chỉnh góc mở Thyristor alpha liên tục từ 90 độ đến 180 độ. Thiết bị này giúp nâng hệ số công suất cos phi từ mức ban đầu khoảng 0,75 lên mức xấp xỉ 0,98 đến 0,99, đồng thời kéo giảm độ sụt áp cuối nguồn từ 5,43% xuống dưới 3,2%, hoàn toàn đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật điện lực quốc gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự mất ổn định điện áp trên lưới phân phối Bắc Kạn là sự kết hợp bất lợi giữa tải mang tính cảm kháng chiếm ưu thế và trở kháng đường dây quá lớn do chiều dài lộ 371 lên tới 555,5 km. Khi dòng điện vô công chạy trên tuyến đường dài, độ sụt áp tỷ lệ thuận với điện kháng cảm X của dây dẫn khiến điện áp cuối nguồn tụt giảm nghiêm trọng.

Kết quả mô phỏng trên phần mềm được biểu diễn trực quan qua hệ thống đồ thị dạng sóng điện áp đầu nguồn - cuối nguồn, giản đồ vector dòng áp và bảng so sánh các tham số điều khiển Kp, Ki, Kd thu được theo phương pháp Ziegler-Nichols. Dữ liệu dạng sóng chứng minh rằng mạch tạo xung điều khiển đồng pha kết hợp biến áp xung BAX đã kích mở chính xác hai van Thyristor, giúp phản ứng bù diễn ra tức thời với thời gian trễ dưới 0,02 giây ngay khi phụ tải thay đổi đột ngột.

So với giải pháp lắp đặt máy biến áp tự ngẫu AT 35 kV (tổng dung lượng 12.000 kVA với 2 trạm đang vận hành thử nghiệm) vốn đòi hỏi vốn đầu tư lớn, quy trình vận hành phức tạp và làm phát sinh tổn hao không tải trong lõi thép, giải pháp thiết bị bù hạ thế FC-TCR thể hiện tính ưu việt vượt trội. Thiết bị bù hạ thế FC-TCR đặt trực tiếp tại các trạm biến áp phân phối 35/0,4 kV vừa triệt tiêu dòng phản kháng ngay tại nguồn phát sinh, giải phóng dung lượng truyền tải cho 707,2 km đường dây trung áp, vừa tiết kiệm ước tính từ 35% đến 40% chi phí đầu tư so với việc xây dựng trạm biến áp tăng áp trung gian.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán khoa học và thực tế vận hành lưới điện, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

• Triển khai lắp đặt thí điểm 10 đến 15 bộ thiết bị bù tĩnh hạ thế FC-TCR tại các trạm biến áp phân phối 35/0,4 kV có bán kính cấp điện lớn và phụ tải công nghiệp nặng cuối lộ 371 trong giai đoạn quý 1 đến quý 3 năm 2020. Mục tiêu nhằm nâng hệ số cos phi trung bình toàn tuyến lên trên 0,95 và giảm tổn thất điện áp xuống dưới 4,0%. Trách nhiệm thực hiện thuộc về Phòng Kỹ thuật và Điều độ - Công ty Điện lực Bắc Kạn.
• Hoàn thiện chế tạo module điều khiển vi xử lý chuyên dụng tích hợp thuật toán PID số hóa cho mạch phát xung Thyristor, hoàn thành thử nghiệm độ bền điện từ và khả năng chống nhiễu sóng hài trong vòng 6 tháng. Đơn vị chủ trì là nhóm nghiên cứu phối hợp cùng Trung tâm Thí nghiệm điện và Khoa Kỹ thuật Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
• Thay thế từng bước các bộ tụ bù tĩnh đóng cắt tiếp điểm cơ khí truyền thống (hiện có 89 điểm với 2.970 kVAr hạ thế) bằng hệ thống bù tĩnh bán dẫn thông minh trong kế hoạch đầu tư cải tạo lưới điện trung hạn 2020 - 2025 của đơn vị điện lực. Ban Quản lý dự án và các Điện lực trực thuộc huyện Ba Bể, Ngân Sơn chịu trách nhiệm khảo sát và lập danh mục ưu tiên thay thế.
• Ban hành quy chuẩn kỹ thuật vận hành và quy trình bảo dưỡng định kỳ đối với các thiết bị van bán dẫn công suất, tụ điện và cuộn kháng TCR, giảm thiểu tỷ lệ sự cố điện áp do biến dạng phi tuyến xuống dưới mức 1,0% trong năm đầu vận hành thương mại. Chủ thể phê duyệt và giám sát thực hiện là Tổng công ty Điện lực miền Bắc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị học thuật lẫn ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng:

• Kỹ sư quản lý vận hành, điều độ hệ thống điện tại các công ty điện lực trực thuộc Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC) và các đơn vị điện lực vùng cao: Giúp nắm bắt phương pháp tính toán dung lượng bù, giải pháp giảm tổn thất trên các tuyến đường dây 35 kV kéo dài trên 100 km.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện (Mã ngành 8520201) tại các trường đại học kỹ thuật: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR, kỹ thuật thiết kế mạch lực bán dẫn và phương pháp chỉnh định bộ điều khiển PID trên MATLAB/Simulink.
• Doanh nghiệp sản xuất, chế tạo thiết bị điện công nghiệp và giải pháp chất lượng điện năng: Ứng dụng bản vẽ thiết kế nguyên lý, sơ đồ khối mạch phát xung và thuật toán điều khiển để thương mại hóa các dòng sản phẩm tủ bù hạ thế thông minh tự động ổn định điện áp.
• Cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy khai thác khoáng sản, khu công nghiệp có hệ thống động cơ không đồng bộ công suất lớn: Hướng dẫn chi tiết các biện pháp nâng cao cos phi tự nhiên và bố trí dung lượng bù kinh tế tại chỗ nhằm tránh bị phạt tiền mua công suất phản kháng hàng tháng.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống bù FC-TCR có ưu điểm gì vượt trội so với tụ bù cơ khí truyền thống? Hệ thống bù FC-TCR kết hợp tụ cố định và cuộn kháng điều khiển bằng góc mở van Thyristor cho phép điều chỉnh trơn, liên tục công suất phản kháng với thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 20 mili-giây. Thiết bị khắc phục triệt để hiện tượng bù thừa hay bù thiếu, loại bỏ hồ quang điện đóng cắt của công tắc tơ và nâng tuổi thọ làm việc của tụ điện lên gấp 2 đến 3 lần.

Tại sao xuất tuyến đường dây 371 trạm 110 kV Bắc Kạn lại chịu mức tổn thất công suất cao tới 8,33%? Lộ 371 có tổng chiều dài lên tới 555,5 km chạy qua vùng núi hiểm trở, cấp điện cho 368 trạm biến áp phân phối với mật độ phụ tải rất thưa thớt (bình quân chỉ 104,0 kVA/trạm). Dây dẫn chủ yếu là nhôm lõi thép tiết diện AC50 đến AC95 có trở kháng lớn, cộng với lượng công suất vô công cảm tính từ các động cơ không đồng bộ chạy non tải gây ra dòng phản kháng lớn và phát sinh tổn thất nhiệt cao.

Phương pháp Ziegler-Nichols được áp dụng như thế nào trong việc chỉnh định bộ điều khiển PID của thiết bị bù? Nghiên cứu ứng dụng cả hai phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols để xác định chính xác các hệ số tỷ lệ Kp, tích phân Ki và vi phân Kd của bộ điều khiển phản hồi cos phi. Thông qua việc phân tích đường cong đáp ứng quá độ bậc thang và xác định hệ số khuếch đại tới hạn trên không gian mô phỏng Simulink, hệ thống triệt tiêu hoàn toàn sai số xác lập và giữ hệ số cos phi ổn định quanh mức 0,98.

Việc lắp đặt thiết bị bù hạ thế có thể giải quyết được hiện tượng quá điện áp khi đường dây non tải không? Thiết bị giải quyết rất hiệu quả bài toán này nhờ nhánh cuộn kháng điều khiển TCR. Khi lưới điện vận hành ở chế độ non tải (đặc biệt vào ban đêm), điện dung ký sinh trên 707,2 km đường dây trung thế sinh ra lượng dư thừa công suất dung làm vọt điện áp; lúc này góc kích Thyristor được tự động điều chỉnh mở rộng để cuộn kháng TCR tiêu thụ lượng vô công dư thừa, ghìm điện áp lưới về mức định mức an toàn.

Hiệu quả kinh tế của thiết bị bù FC-TCR hạ thế so với việc đầu tư máy biến áp tự ngẫu tăng áp 35 kV như thế nào? Đầu tư máy biến áp tự ngẫu 35 kV dung lượng 12.000 kVA đòi hỏi chi phí thiết bị và xây lắp móng cột, trạm biến áp rất đắt đỏ, đồng thời làm tăng tổn thất không tải liên tục. Trong khi đó, việc trang bị các cụm thiết bị bù FC-TCR tại thanh cái hạ áp 0,4 kV có chi phí đầu tư thấp hơn khoảng 35% đến 40%, lắp đặt nhanh gọn, tiêu hao công suất tác dụng cực nhỏ (chỉ 0,003 - 0,005 kW/kVAr) và giải quyết triệt để bài toán chất lượng điện áp từ gốc phụ tải.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và định lượng toàn diện hiện trạng kỹ thuật lưới điện tỉnh Bắc Kạn, làm rõ nguyên nhân gây ra mức tổn thất công suất 8,33% và sụt áp 5,43% trên xuất tuyến dài 555,5 km của lộ 371 trạm 110 kV E26.1.
• Xây dựng thành công cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh về hệ thống bù tĩnh công suất phản kháng hạ thế theo cấu trúc FC-TCR, kết hợp tối ưu giữa nhánh tụ tĩnh cố định và nhánh điện kháng điều khiển góc mở Thyristor.
• Thiết kế và mô phỏng chính xác bộ điều khiển PID phản hồi cos phi trên nền tảng MATLAB/Simulink, ứng dụng phương pháp Ziegler-Nichols để tối ưu hóa thời gian đáp ứng quá độ và độ ổn định hệ thống.
• Chứng minh tính khả thi kỹ thuật khi thiết bị bù giúp nâng cao hệ số công suất từ 0,75 lên mức tiệm cận 0,98 - 0,99, kéo giảm sụt áp cuối nguồn xuống dưới mức quy định 5% và tiết kiệm chi phí so với phương án dùng máy biến áp tự ngẫu.
• Cung cấp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc phục vụ công tác quy hoạch, cải tạo và số hóa hệ thống bù công suất phản kháng cho Công ty Điện lực Bắc Kạn nói riêng và lưới điện phân phối nông thôn miền núi Việt Nam nói chung.

Kế hoạch phát triển tiếp theo của đề tài là tiến hành chế tạo thử nghiệm phần cứng thiết bị bù mẫu, tích hợp bộ vi điều khiển công nghiệp và thực hiện đo đạc kiểm chuẩn tại 3 trạm biến áp phân phối khu vực Ba Bể trong quý 4 năm 2020. Các đơn vị quản lý vận hành điện lực và kỹ sư quan tâm có thể trực tiếp liên hệ, trao đổi học thuật hoặc tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu tại Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – Đại học Thái Nguyên để tiếp cận chi tiết các giải pháp tính toán và sơ đồ mạch thiết kế.