Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống phân phối điện năng hiện đại, sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp cùng các thiết bị điện tử công suất đã tạo ra áp lực lớn lên chất lượng điện lưới. Tại khu vực thành phố Bắc Kạn, hệ thống lưới điện trung thế có tổng chiều dài 197,584 km với 217 trạm biến áp và tổng dung lượng đạt 49 MVA, đang cấp điện trực tiếp cho 18.593 khách hàng. Dữ liệu vận hành thực tế giai đoạn 2015–2018 cho thấy tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật có xu hướng gia tăng liên tục từ 3,26% lên 3,60%, đồng thời tổn thất điện năng thương phẩm toàn thành phố biến động ở mức cao từ 4,15% đến 4,83%. Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng này bắt nguồn từ sự gia tăng của các phụ tải phi tuyến như lò hồ quang, bể mạ điện, bộ biến tần và các hệ thống chỉnh lưu công nghiệp, làm sản sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) lan truyền ngược về nguồn cấp.

Sóng hài không chỉ làm gia tăng công suất tổn hao vô ích trên đường dây mà còn gây sụt áp, quá nhiệt máy biến áp, méo dạng dòng điện và suy giảm hệ số công suất. Đứng trước yêu cầu cấp thiết về việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán kiểm soát, loại bỏ sóng hài và bù công suất phản kháng cho lưới điện thành phố Bắc Kạn thuộc quản lý của Công ty Điện lực Bắc Kạn. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho bộ lọc tích cực song song, từ đó đưa hệ số méo dạng tổng dòng điện về dưới ngưỡng 5,0% theo chuẩn IEEE 519 và nâng hệ số công suất của toàn hệ thống lên trên 0,95. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa to lớn trong việc giảm tổn thất kỹ thuật, tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí vận hành hàng năm và đảm bảo tính liên tục cho hệ thống điện khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng vững chắc của lý thuyết phân tích chuỗi Fourier trong miền tần số và lý thuyết công suất tức thời trong miền thời gian. Chuỗi Fourier cho phép phân rã các hàm dòng điện và điện áp tuần hoàn không sin thành tổng của thành phần cơ bản tần số 50 Hz và các sóng điều hòa bậc cao có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Để đánh giá mức độ biến dạng của tín hiệu, nghiên cứu ứng dụng chỉ số hệ số méo dạng tổng sóng hài đối với cả dòng điện và điện áp.

Trọng tâm của giải pháp là cấu trúc bộ lọc tích cực song song sử dụng bộ biến đổi nguồn áp ba pha ba dây hoặc bốn dây dựa trên công nghệ van bán dẫn đóng ngắt tần số cao. Cơ chế điều khiển triệt tiêu sóng hài vận hành dựa trên lý thuyết công suất tác dụng và phản kháng tức thời được phát triển bởi giáo sư Akagi. Phương pháp này thực hiện chuyển đổi hệ tọa độ dòng điện và điện áp ba pha tự nhiên sang hệ tọa độ vuông góc cố định để tách biệt thành phần công suất một chiều tương ứng với sóng cơ bản và thành phần dao động xoay chiều đại diện cho sóng hài. Bộ điều khiển sẽ tính toán dòng điện bù tức thời để kích hoạt bộ nghịch lưu phát ra dòng điện ngược pha hoàn toàn với dòng sóng hài của phụ tải, đồng thời cung cấp công suất phản kháng cần thiết để ổn định điện áp thanh cái một chiều và đưa dòng điện nguồn về dạng sóng sin thuần túy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thu thập thực tế từ toàn bộ lưới điện trung áp sau trạm 110kV E26.1 Bắc Kạn gồm 2 máy biến áp công suất 25 MVA. Hệ thống phân phối bao gồm 6 xuất tuyến 35kV (các lộ 371, 372, 373, 374, 376, 378) với tổng chiều dài 142,355 km và 3 xuất tuyến 22kV (các lộ 471, 472, 474) có tổng chiều dài 56,775 km. Cỡ mẫu khảo sát bao quát toàn diện 217 trạm biến áp phân phối, trong đó tập trung phân tích sâu vào các lộ có phụ tải lớn và thành phần phi tuyến cao như lộ 371 mang tải cực đại 6.640 kW và lộ 472 mang tải cực đại 6.506 kW.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích dòng phân bố công suất và mô phỏng thực nghiệm số trên môi trường phần mềm MATLAB/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng là khả năng mô hình hóa chính xác các quá trình quá độ diễn ra cực nhanh từ hàng chục micro giây đến vài mili giây trong các bộ biến đổi bán dẫn mà không làm gián đoạn việc cung cấp điện thực tế. Mô hình mô phỏng bao gồm khối nguồn xoay chiều ba pha 50 Hz, các phụ tải phi tuyến điển hình như bộ chỉnh lưu cầu diode và thyristor ba pha điều khiển độ rộng xung PWM kết hợp tải trở cảm, khối bộ lọc tích cực nguồn áp VSI, khối thuật toán tách dòng bù và khối đo lường hệ số méo dạng thời gian thực. Toàn bộ chu trình nghiên cứu, khảo sát và kiểm chứng mô hình được thực hiện hoàn tất trong giai đoạn 2018–2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực trạng lưới điện và mô phỏng thực nghiệm cấu trúc bộ lọc tích cực đã mang lại bốn phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, số liệu thống kê vận hành lưới điện thành phố Bắc Kạn khẳng định tổn thất kỹ thuật gia tăng tỷ lệ thuận với mức độ mở rộng của các phụ tải phi tuyến, tăng từ 3,26% năm 2015 lên mức 3,60% vào năm 2018. Đồng thời, tổn thất điện năng tổng thể đạt đỉnh 4,83% vào năm 2017, phản ánh mức độ suy giảm chất lượng điện năng nghiêm trọng khi chưa có giải pháp lọc sóng hài chủ động.

Thứ hai, kết quả mô phỏng các bộ biến đổi bán dẫn cho thấy tải phi tuyến tạo ra độ méo dạng dòng điện rất lớn. Cụ thể, dòng điện phía nguồn khi cấp cho bộ chỉnh lưu cầu diode ba pha và bộ chỉnh lưu thyristor điều khiển trực tiếp bị biến dạng nghiêm trọng với phổ sóng hài tập trung dày đặc ở các bậc lẻ 5, 7, 11 và 13. Hệ số méo dạng tổng dòng điện của hệ thống khi chưa có bộ lọc lên tới mức 29,80%, vượt gần 6 lần so với tiêu chuẩn cho phép.

Thứ ba, khi tích hợp bộ lọc tích cực song song vào điểm kết nối chung tại thời điểm từ 0,3 giây đến 0,4 giây, bộ lọc lập tức phát dòng bù ngược pha để triệt tiêu các thành phần sóng hài bậc cao. Dòng điện nguồn ba pha nhanh chóng được sin hóa, chỉ số méo dạng tổng dòng điện giảm mạnh từ 29,80% xuống chỉ còn 3,15%, tương ứng với mức giảm méo dạng lên tới 89,4%.

Thứ tư, bên cạnh chức năng lọc sóng hài, bộ lọc tích cực đã thực hiện xuất sắc nhiệm vụ bù công suất phản kháng động. Hệ số công suất của hệ thống được cải thiện rõ rệt từ mức 0,78 trước khi lọc lên tiệm cận mức lý tưởng 0,99 sau khi kích hoạt bộ lọc, đồng thời công suất phản kháng truyền tải từ nguồn giảm về gần 0 kVAR, giữ cho điện áp thanh cái một chiều luôn ổn định.

Thảo luận kết quả

Sự biến dạng sóng dòng điện trên lưới điện xuất phát từ quá trình đóng cắt không tuyến tính của các phần tử bán dẫn, khiến dòng điện tiêu thụ không còn tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào. Khi các dòng sóng hài này chạy qua tổng trở của đường dây trung áp dài hơn 197 km, chúng tạo ra các sụt áp phi tuyến, làm méo dạng điện áp tại các thanh cái và lan truyền ảnh hưởng xấu tới toàn bộ 18.593 khách hàng trong khu vực.

So sánh với các nghiên cứu sử dụng bộ lọc thụ động truyền thống gồm cuộn cảm và tụ điện LC, bộ lọc tích cực song song áp dụng lý thuyết công suất tức thời thể hiện tính vượt trội tuyệt đối. Bộ lọc LC truyền thống chỉ lọc được một vài tần số cố định, dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm với hệ thống và phụ thuộc nhiều vào thông số lưới. Trong khi đó, bộ lọc tích cực có khả năng thích nghi linh hoạt với mọi biến động tải, khử đồng thời nhiều bậc sóng hài và không gây cộng hưởng.

Các dữ liệu đo đạc trong nghiên cứu được minh chứng rõ nét thông qua biểu đồ phân tích phổ tần biến đổi Fourier nhanh và đồ thị sóng sin dòng điện theo thời gian thực. Bảng đối chuẩn trước và sau xử lý cho thấy toàn bộ các chỉ số nhiễu sóng hài riêng lẻ và méo dạng tổng đều tuân thủ chặt chẽ tiêu chuẩn IEEE 519 (giới hạn méo dòng dưới 5,0%) và tiêu chuẩn IEC 1000-3-4.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng mô phỏng, tác giả đề xuất bốn nhóm giải pháp chiến lược nhằm triển khai ứng dụng thực tế:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thí điểm các trạm lọc tích cực song song công suất 100 kVA đến 500 kVA tại các nút phụ tải tập trung nhiều thiết bị công nghiệp nặng thuộc lộ 371 và lộ 472. Mục tiêu đặt ra là duy trì hệ số méo dạng tổng dòng điện tại các thanh cái này dưới 4,0% trong mọi khung giờ vận hành, lộ trình thực hiện hoàn thành trong vòng 12 tháng do Công ty Điện lực Bắc Kạn chủ trì.

Thứ hai, ban hành quy chế giám sát bắt buộc về chất lượng điện năng đối với 50 trạm biến áp chuyên dùng của khách hàng công nghiệp. Yêu cầu các đơn vị này trang bị hệ thống giám sát sóng hài trực tuyến và tự động bù công suất phản kháng để đảm bảo hệ số công suất luôn đạt trên 0,95, thời gian áp dụng trong vòng 18 tháng dưới sự kiểm tra của Sở Công Thương và ngành điện.

Thứ ba, thực hiện hiện đại hóa kết cấu lưới điện bằng việc tiếp tục cải tạo, nâng tiết diện dây dẫn và đẩy nhanh tiến độ chuyển đổi toàn bộ các nhánh rẽ 10kV còn lại lên cấp điện áp chuẩn 22kV. Giải pháp này giúp san tải cho các đường dây 35kV hiện hữu, hướng tới mục tiêu giảm tỷ lệ tổn thất kỹ thuật toàn thành phố xuống dưới mức 3,0% trong kế hoạch trung hạn 2–3 năm của Tổng công ty Điện lực miền Bắc.

Thứ tư, tích hợp thuật toán điều khiển lọc sóng hài thích nghi vào trung tâm điều khiển tự động hóa SCADA/DMS. Đội ngũ kỹ sư điều độ cần ứng dụng hệ thống này để tự động tính toán, phát lệnh điều khiển bù công suất phản kháng theo thời gian thực, hoàn thành lộ trình nâng cấp phần mềm điều độ trong giai đoạn 24 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang tính thực tiễn cao, là tài liệu chuyên khảo giá trị cho bốn nhóm đối tượng:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành, điều độ viên tại các công ty điện lực và đơn vị truyền tải điện. Tài liệu cung cấp bức tranh chi tiết về phương pháp tính toán trào lưu công suất, đánh giá mức độ suy hao năng lượng do sóng hài và quy trình cấu hình bộ lọc tích cực trên lưới điện phân phối thực tế cấp 22kV và 35kV.

Nhóm thứ hai là các giám đốc kỹ thuật, cán bộ quản lý năng lượng tại các nhà máy sản xuất, xí nghiệp luyện kim và khu công nghiệp. Luận văn cung cấp giải pháp toàn diện để loại bỏ sóng hài sinh ra từ biến tần và lò hồ quang, giúp doanh nghiệp tránh các khoản phạt tiền mua công suất phản kháng và bảo vệ an toàn cho hệ thống máy móc.

Nhóm thứ ba là các nhà nghiên cứu, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa. Công trình là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp áp dụng lý thuyết công suất tức thời của Akagi, kỹ thuật điều khiển nghịch lưu nguồn áp VSI và phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink.

Nhóm thứ tư là các kỹ sư thiết kế và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất. Các sơ đồ khối chi tiết, giải thuật trích xuất dòng bù và thông số mạch điều khiển trong luận văn là cơ sở quan trọng phục vụ công tác chế tạo các bộ lọc tích cực thương mại hóa tại thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Sóng hài bậc cao trong hệ thống điện sinh ra từ đâu và gây nguy hại gì? Sóng hài sinh ra chủ yếu từ các tải phi tuyến như bộ biến đổi công suất, biến tần, lò nung hồ quang và đèn chấn lưu điện tử. Chúng làm tăng trị số hiệu dụng của dòng điện, gây phát nhiệt quá mức trên cuộn dây máy biến áp, làm suy giảm tuổi thọ cách điện và gia tăng tổn thất kỹ thuật lưới điện thêm 15% đến 20%.

Vì sao bộ lọc tích cực song song được đánh giá cao hơn bộ lọc thụ động truyền thống? Bộ lọc thụ động cấu thành từ cuộn cảm và tụ điện chỉ có thể lọc một tần số cố định và có nguy cơ gây cộng hưởng hệ thống. Ngược lại, bộ lọc tích cực sử dụng van bán dẫn có thể lọc đồng thời nhiều bậc sóng hài, bù công suất phản kháng linh hoạt với thời gian đáp ứng cực nhanh dưới 5 mili giây.

Lý thuyết công suất tức thời giúp bộ lọc triệt tiêu sóng hài bằng cách nào? Thuật toán thực hiện chuyển đổi các đại lượng dòng và áp ba pha sang hệ tọa độ vuông góc để tách riêng thành phần công suất không đổi và công suất dao động. Bộ điều khiển sử dụng thành phần dao động này để tính toán dòng bù ngược pha, giúp khử hoàn toàn dòng sóng hài ngay tại điểm nối chung.

Tiêu chuẩn quốc tế quy định ngưỡng giới hạn của sóng hài như thế nào? Tiêu chuẩn IEEE 519 quy định độ méo dạng tổng điện áp không được vượt quá 5,0% đối với lưới điện dưới 69kV, đồng thời giới hạn méo dạng dòng điện trong khoảng 5,0% đến 12,0% tùy thuộc vào tỷ số ngắn mạch của hệ thống. Luận văn đã kiểm chứng mô hình đạt hoàn toàn ngưỡng tiêu chuẩn này.

Mô hình nghiên cứu trong luận văn đạt được hiệu quả cải thiện định lượng ra sao? Kết quả mô phỏng thực nghiệm chứng minh bộ lọc tích cực đã cắt giảm hệ số méo dạng tổng dòng điện từ 29,80% xuống còn 3,15%, đồng thời nâng hệ số công suất của lưới điện từ 0,78 lên mức 0,99, đưa hệ thống về trạng thái vận hành tối ưu.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và mang lại những đóng góp khoa học thiết thực:

  • Khảo sát và đánh giá toàn diện hiện trạng lưới điện trung thế thành phố Bắc Kạn với chiều dài 197,584 km và 217 trạm biến áp, làm rõ mối liên hệ giữa tải phi tuyến và mức tổn thất kỹ thuật 3,60%.
  • Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song dựa trên lý thuyết công suất tức thời và bộ nghịch lưu nguồn áp ba pha.
  • Xây dựng mô hình mô phỏng chi tiết trên MATLAB/Simulink, chứng minh khả năng triệt tiêu sóng hài vượt bậc khi hạ chỉ số méo dạng tổng dòng điện từ 29,80% xuống 3,15%.
  • Nâng cao chất lượng điện năng tổng thể thông qua việc bù công suất phản kháng động, đưa hệ số công suất đạt mức 0,99 và ổn định điện áp thanh cái một chiều.
  • Đề xuất lộ trình 4 bước khả thi giúp ngành điện địa phương triển khai ứng dụng thực tế trong vòng 12 đến 24 tháng tới nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng.

Công trình khẳng định tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ điện tử công suất cao cấp vào quản lý vận hành hệ thống điện phân phối. Các đơn vị quản lý lưới điện và doanh nghiệp công nghiệp cần sớm nghiên cứu, đầu tư lắp đặt hệ thống lọc tích cực để hiện đại hóa hạ tầng lưới điện và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.