Luận văn: Nâng cao chất lượng hệ thống bù cos phi vô cấp cho phụ tải 3 pha không đối xứng

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về nâng cao chất lượng hệ thống bù cos phi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng, áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại.

• Tác giả: Trần Thị Loan
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nâng cao chất lượng hệ thống bù cosphi vô cấp cho phụ tải ba pha không đối xứng bằng phương pháp điều khiển hiện đại
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về bù cos phi vô cấp cho phụ tải 3 pha

Bù cos phi vô cấp là kỹ thuật điều chỉnh hệ số công suất liên tục, không theo bậc. Phương pháp này đặc biệt quan trọng với phụ tải 3 pha không đối xứng trong hệ thống điện công nghiệp. Phụ tải không đối xứng xuất hiện khi các pha tiêu thụ công suất khác nhau. Tình trạng này gây ra dòng điện ngược pha, tăng tổn thất và giảm tuổi thọ thiết bị. Thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) là giải pháp hiệu quả. SVC sử dụng thyristor để điều khiển dòng điện qua cuộn kháng. Góc cắt thyristor thay đổi liên tục từ 90 đến 180 độ. Điều này cho phép điều chỉnh công suất phản kháng một cách chính xác. Hệ thống bù vô cấp giúp duy trì cos phi ở mức tối ưu. Kết quả là giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp. Công nghệ này phù hợp với các nhà máy, khu công nghiệp có phụ tải biến đổi lớn.

1.1. Khái niệm bù cos phi vô cấp

Bù cos phi vô cấp là phương pháp điều chỉnh hệ số công suất liên tục theo nhu cầu thực tế. Khác với bù theo cấp, bù vô cấp sử dụng thiết bị bán dẫn công suất. Thyristor đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển dòng điện. Giá trị dòng điện qua cuộn kháng thay đổi trơn tru. Điều này đảm bảo hệ số công suất luôn ở mức mong muốn. Phương pháp này phù hợp với phụ tải có công suất dao động lớn. Hệ thống phản ứng nhanh với mọi thay đổi của tải.

1.2. Phụ tải 3 pha không đối xứng

Phụ tải 3 pha không đối xứng là loại tải tiêu thụ công suất khác nhau giữa các pha. Hiện tượng này thường gặp trong sản xuất công nghiệp. Các thiết bị hàn điện, lò nung, máy gia công là nguồn gây mất đối xứng. Mất đối xứng tạo ra dòng phân thứ tự và dòng ngược pha. Các dòng này gây tổn thất nhiệt lớn trên đường dây. Thiết bị điện hoạt động không ổn định và giảm tuổi thọ. Bù cos phi đúng cách giúp khắc phục vấn đề này.

II. Phân tích vấn đề phụ tải không đối xứng

Phụ tải 3 pha không đối xứng gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hệ thống điện. Dòng điện phân thứ tự xuất hiện khi các pha mất cân bằng. Giá trị dòng này tỷ lệ thuận với mức độ mất đối xứng. Dòng phân thứ tự quay ngược chiều tạo momen cản trong động cơ. Kết quả là động cơ nóng lên và giảm hiệu suất. Điện áp tại các pha cũng bị lệch, gây hư hỏng thiết bị. Phụ tải công nghiệp lớn thường xuyên gặp tình trạng này. Các thiết bị hàn điện gây dao động công suất đột ngột. Lò điện hồ quang tạo ra dòng hài bậc cao phức tạp. Máy gia công kim loại có đặc tính tải không ổn định. Hệ thống truyền tải phải chịu thêm tổn thất đáng kể. Hóa đơn tiền điện tăng do bị phạt công suất phản kháng. Giải pháp bù truyền thống không đáp ứng được yêu cầu. Cần thiết kế hệ thống bù thông minh, thích ứng với tải thực tế.

2.1. Tác động đến hệ thống điện

Phụ tải không đối xứng tác động tiêu cực đến toàn bộ hệ thống điện. Dòng phân thứ tự gây quá nhiệt cho máy biến áp. Đường dây truyền tải chịu thêm tổn thất nhiệt. Điện áp tại điểm nối lưới bị lệch pha nghiêm trọng. Thiết bị bảo vệ hoạt động sai do dòng không cân bằng. Các tải khác trong khu vực cũng bị ảnh hưởng. Chất lượng điện năng giảm đáng kể. Tình trạng kéo dài gây hư hỏng thiết bị đắt tiền.

2.2. Thách thức trong bù công suất phản kháng

Bù công suất phản kháng cho tải không đối xứng gặp nhiều thách thức. Các pha cần lượng bù khác nhau theo thời gian thực. Hệ thống bù truyền thống dùng tụ cố định không linh hoạt. Bù theo cấp gây dao động điện áp do đóng cắt giật. Cần đo lường chính xác công suất từng pha riêng biệt. Thuật toán điều khiển phải xử lý dữ liệu nhanh. Thiết bị phải chịu được dòng hài và nhiễu điện từ. Giải pháp cần có khả năng thích ứng với thay đổi tải nhanh.

III. Giải pháp bù vô cấp bằng phương pháp điều khiển hiện đại

Giải pháp bù vô cấp sử dụng hệ thống SVC kết hợp điều khiển hiện đại. Cấu trúc SVC bao gồm TCR (cuộn kháng điều khiển thyristor) và tụ bù cố định. Thyristor cho phép điều khiển góc cắt liên tục từ 90 đến 180 độ. Dòng điện qua TCR thay đổi theo hàm liên tục của góc cắt. Công thức tính dòng dựa trên khai triển Fourier. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID cải tiến. Bộ điều khiển tích phân giúp loại bỏ sai số tĩnh. Tín hiệu điều khiển được tính toán dựa trên cos phi thực tế. Bộ vi xử lý thu thập dữ liệu từ các cảm biến dòng, điện áp. Thuật toán phát hiện và bù riêng cho từng pha. Phương pháp vector công suất tính toán chính xác nhu cầu bù. Tốc độ đáp ứng của hệ thống đạt mili giây. Hệ thống hoạt động ổn định với mọi loại tải không đối xứng. Chi phí đầu tư hợp lý so với hiệu quả mang lại.

3.1. Cấu trúc thiết bị SVC

Thiết bị SVC gồm hai phần chính: cuộn kháng TCR và tụ bù FC. TCR sử dụng cặp thyristor đấu ngược chiều. Góc cắt thyristor quyết định dòng điện qua cuộn kháng. Tụ bù FC cung cấp công suất phản kháng cơ bản. Tổ hợp TCR-FC cho phép bù liên tục từ cảm sang dung. Bộ điều khiển trung tâm xử lý tín hiệu và phát lệnh. Cảm biến dòng, điện áp cung cấp dữ liệu đầu vào. Hệ thống giao tiếp giám sát từ xa qua mạng truyền thông.

3.2. Thuật toán điều khiển PID cải tiến

Thuật toán PID cải tiến tối ưu cho hệ thống bù cos phi. Thành phần proportional phản ứng nhanh với sai lệch tức thời. Thành phần integral loại bỏ sai số tĩnh theo thời gian. Thành phần derivative giảm overshoot và tăng ổn định. Hệ số điều chỉnh được tunning theo đặc tính tải thực tế. Bộ điều khiển hoạt động ở tần số lấy mẫu cao. Xử lý tín hiệu số giúp chống nhiễu hiệu quả. Kết quả là cos phi duy trì ổn định ở mức 0.95 trở lên.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về bù cos phi vô cấp cho phụ tải 3 pha không đối xứng đạt kết quả tích cực. Hệ thống SVC với điều khiển hiện đại đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Cos phi được duy trì ở mức 0.95 đến 0.99 trong mọi điều kiện tải. Tổn thất điện năng giảm đáng kể, tiết kiệm chi phí vận hành. Điện áp lưới ổn định hơn, giảm nguy cơ sự cố. Hệ thống đáp ứng nhanh với thay đổi tải trong thời gian ngắn. Phương pháp điều khiển PID cải tiến đảm bảo độ chính xác cao. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm phù hợp với lý thuyết. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Nhà máy thép, xi măng, hóa chất là đối tượng hưởng lợi lớn. Chi phí đầu tư hoàn vốn trong 2-3 năm vận hành. Đây là giải pháp bền vững cho quản lý năng lượng hiệu quả. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp trí tuệ nhân tạo vào điều khiển.

4.1. Kết quả đạt được

Hệ thống bù vô cấp đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận. Cos phi tăng từ 0.7 lên 0.95 sau khi lắp đặt. Dòng điện phản kháng giảm 60-70% so với trước bù. Điện áp tại bus thanh cái ổn định trong khoảng cho phép. Nhiệt độ máy biến áp giảm rõ rệt do giảm tải. Hóa đơn tiền điện giảm 15-20% mỗi tháng. Hệ thống vận hành liên tục 24/7 với độ tin cậy cao. Bảo trì thiết bị đơn giản và chi phí thấp.

4.2. Tiềm năng ứng dụng

Công nghệ bù vô cấp có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Ngành thép sử dụng lò hồ quang cần bù tích cực. Nhà máy xi măng với tải lớn, biến đổi liên tục. Khu công nghiệp tập trung nhiều nhà máy khác nhau. Hệ thống điện mặt trời nối lưới cũng cần bù công suất. Bệnh viện, trung tâm dữ liệu yêu cầu chất lượng điện cao. Giải pháp có thể mở rộng cho lưới điện thông minh. Chi phí giảm dần khi công nghệ sản xuất trong nước phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙ COSPHI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN TẢI ĐIỆN 1. Đặc điểm tiêu thụ điện của phụ tải công nghiệp công suất lớn 1. Các thiết bị động lực công nghiệp. Bao gồm các động cơ quạt máy, khí nén, máy bơm làm việc ở chế độ dài hạn.

Công suất từ một đến hàng nghìn KW, sử dụng điện áp (0,25 đến 10 KV) có phụ tải tương đối bằng phẳng đặc biệt là những động cơ có công suất lớn. Phụ tải này thường đối xứng ba pha có hệ số công suất từ (0,80 đến 0,85). Các thiết bị nâng hạ vận chuyển làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số công suất từ (0,3 đến 0,8) có thể sử dụng điện áp xoay chiều, một chiều. Các thiết bị chiếu sáng Thường là thiết bị một pha có công suất nhỏ.

Phụ tải này ít biến đổi nhưng phụ thuộc vào thời gian và các mùa trong năm. Nói chung phụ tải chiếu sáng có thể ngừng cung cấp để sửa chữa, tuy nhiên trong những trường hợp không cho phép mất điện lâu, như những khu vực sản xuất, khu vực thành phố. Các thiết bị biến đổi Là các thiết bị có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều, hoặc biến đổi thành dòng ba pha tần số khác 50Hz. Các thiết bị biến đổi gồm các loại: Máy phát, động cơ, bán dẫn, bộ biến tần… Dùng trong ngành công nghệ luyện kim, các thiết bị này dùng điện áp một chiều, làm việc chế độ dài hạn có hệ số công suất từ (0,85 đến 0,9).

Dùng cho giao thông vận tải trong các xí nghiệp như cần trục, cầu trục có phụ tải đỉnh nhọn. Các động cơ truyền động máy gia công Là thiết bị thông dụng, có dải công xuất thông dụng từ vài đến hàng trăm KW, gồm nhiều kiểu khác nhau nhưng đa số là động cơ KĐB 3 pha với điện áp định mức là 220V, 380V, 660V. Hệ số công suất dao động trong phạm vi rộng phụ thuộc vào quy trình công nghệ. Ở một số máy yêu cầu tốc độ quay lớn, điều chỉnh thường xuyên, phụ tải bằng phẳng nên dùng động cơ điện một chiều lấy điện từ các 13 bộ biến đổi.

Nói chung các thiết bị này xếp vào hộ loại 2, một số ít là loại 1. Các lò điện và thiết bị nhiệt Lò điện trở: Hệ số công suất gần bằng 1 bao gồm các loại: Lò phản ứng, lò hồ quang, lò hỗn hợp. Thiết bị nhiệt: Thiết bị ra nhiệt điện từ, thiết bị ra nhiệt điện trở, các bộ gia nhiệt. Các thiết bị hàn Là các thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có hệ số công suất thấp.

Ví dụ máy hàn hồ quang (0,3 đến 0,35), máy hàn tiếp xúc (0,4 đến 0,7). Bù công suất phản kháng cho phụ tải trong lưới điện công nghiệp 1. Khái quát về công suất phản kháng Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng sau (hình 1-1): Hình 1.1: Mạch điện đơn giản (mang tính cảm) RL CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện. Nguồn phát sóng công suất phản kháng 1.

Các nguồn phát công suất phản kháng Khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện rất hạn chế, do cosφ của nhà máy thường là 0,8 - 0,9 hoặc cao hơn. Vì lý do kinh tế nên người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều công suất phản kháng cho phụ tải mà chỉ phụ trách một phần công suất phản kháng của phụ tải. Phần còn lại do các thiết bị bù. Nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù đồng bộ.

Ưu điểm, nhược điểm của các nguồn công suất phản kháng - Ưu điểm: + Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến 14 áp, đường dây…). + Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải. + Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp. Vì vậy, ta cần có biện pháp bù cos φ để hạn chế ảnh hưởng của nó.

Cũng tức là ta nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ. - Nhược điểm: Trong thực tế công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật: - Về kinh tế: Chúng ta phải trả chi phí tiền điện cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ trong khi thực tế nó không đem lại lợi ích gì. - Về kỹ thuật: Công suất phản kháng là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp và tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng 1.

Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và máy biến áp) Từ công suất tổn thất công suất trên đường dây truyền tải: Ta biết : 𝑄 𝜑 = 𝑎𝑐𝑡𝑎𝑔 (1.1) 𝑃 Năng cosφ thì φ giảm với P không đổi thì Q giảm: 𝑃2 +𝑄2 𝑃2 𝑄2 ∆𝑃 = 𝑅= 𝑅+ 𝑅 = ∆𝑃(𝑃) + ∆𝑃(𝑄) (1.2) 𝑈2 𝑈 2 𝑈2 D phần tổn hao công suất do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do công suất tác dụng thì ta không thể giảm, nhưng thành phần do công suất phản kháng thì có thể giảm được. Nếu Q giảm thì ∆P(Q) sẽ giảm dẫn đến ∆P giảm thì ∆A cũng giảm. Hệ quả là giảm tổn hao công suất dẫn đến giảm tổn thất điện năng hay nói cách khác là giảm tiền điện 1.

Giảm tổn thấy điện áp trong mạng điện Từ công suất tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải: 𝑃𝑅+𝑄𝑋 𝑃𝑅 𝑄𝑋 ∆𝑈 = = + = ∆𝑈(𝑃) + ∆𝑈(𝑄) (1.3) 𝑈 𝑈 𝑈 Do phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra, thành phần do công suất tác 15 dụng thì không thể giảm nhưng thành phần do công suất phản kháng thì có thể giảm được, đường dây quá xa các thiết bị tiêu thụ điện, điện áp cuối đường dây thường sụt giảm nhiều làm động cơ, các thiết bị sử dụng điện khó hoạt động, phát nóng nhiều, dễ cháy. Do đó phải bù lại hệ số công suất cosphi. Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp √𝑃2 +𝑄2 𝐼= (1.𝑈 Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (I là hằng số) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng bằng cách giảm công suất phản kháng. Ngoài ra khi tăng cosφ còn giảm chi phí kim loại màu góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện, giảm giá thành tiền điện, tăng độ dự trữ ổn định của hệ thống, giảm tổn thất hệ thống, tối ưu hóa các thành phần cung cấp điện… 1.

Thiết bị bù công suất phản kháng SVC 1. Cấu trúc chung của SVC 1. Khái quát về bù công suất phản kháng SVC Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi hay còn gọi là SVC (Static VAR Compensator) là một thiết bị bù công suất phản kháng tác động nhanh trên lưới điện truyền tải điện áp cao. SVC là một thiết bị trong nhóm thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS).

Nó được dùng để điều chỉnh điện áp và tăng khả năng ổn định của hệ thống điện. Yếu tố static cho thấy SVC sử dụng các thiết bị không chuyển động hay rõ hơn là sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều chỉnh thông số thiết bị hơn là sử dụng máy cắt và dao cách ly. Trước khi phát minh ra SVC, người ta phải sử dụng các máy phát điện cỡ lớn hay tụ đồng bộ để bù công suất phản kháng. SVC là thiết bị tự động điều chỉnh điện kháng, được chế tạo để điều chỉnh điện áp tại các nút đặt SVC và điều chỉnh công suất phản kháng.

Nếu hệ thống thừa công suất phản kháng hay điện áp tại nút cao hơn giá trị cho phép, SVC sẽ đóng vai trò là các kháng bù ngang. Khi đó, SVC sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ 16 thống và hạ thấp điện áp tại nút điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản: - Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành). - Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như thyristor hoặc triắc có cực điều khiển, hệ thống điều khiển góc mở dùng các bộ vi điều khiển như 8051, PIC 16f877, VAR. Ngược lại, nếu hệ thống thiếu công suất phản kháng, các tụ bù ngang sẽ được tự động đóng vào.

Do đó, công suất phản kháng được bơm thêm vào hệ thống, điện áp của nút được cải thiện. SVC cũng thường được đặt tại các vị trí có tải thay đổi nhiều với tốc độ cao, như lò điện. SVC dùng để làm trơn dao động điện áp. Cấu trúc của SVC Sơ đồ cấu trúc SVC được thể hiện trên hình 1.2: Cấu trúc và nguyên lý làm việc của SVC SVC được cấu tạo từ 3 phần tử chính bao gồm: + Kháng điều chỉnh bằng thyristor - TCR (Thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.

+ Kháng đóng mở bằng thyristor - TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. + Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor): có chức năng phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng thyristor. Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng 17 kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các chức năng chính của SVC bao gồm: - Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù. - Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch.) trong hệ thống điện. - Tăng cường tính ổn định của hệ thống điện. - Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong hệ thống điện như ngắn mạch, mất tải đột ngột.

- Ngoài ra, SVC còn có các chức năng phụ mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành hệ thống điện như: + Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh. + Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây. + Giảm góc làm việc δ làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. + Giảm tổn thất công suất và điện năng.