CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Chất lượng điện năng là một lĩnh vực nghiên cứu rất rộng bao gồm các phương pháp và các thiết bị được thiết kế tính toán sao cho duy trì được dạng sóng sin hoặc là gần hình sin của nguồn cung cấp tại điện áp định mức và tần số định mức của hệ thống điện năng. Sự phát triển của khoa học công nghệ trong thời gian gần đây, đặc biệt là các tiến bộ trong việc ứng dụng các thiết bị điện tử công suất đã mang lại rất nhiều sự thuận tiện trong công nghệ cũng như các lợi ích về mặt kinh tế. Nhưng song song cùng với các ưu điểm đó thì các tiến bộ công nghệ trên có những tác động không nhỏ đến chất lượng điện năng của nguồn cung cấp, đòi hỏi phải nghiên cứu tìm hiểu và khắc phục những ảnh hưởng đó. Các hệ thống điện năng ngày nay các chỉ số chất lượng luông nằm trong giới hạn cho phép, và đôi khi nhưng rất hiếm là vượt ra ngoài giới hạn này, để tránh các tình trạng nguy hiểm xuất hiện do điều kiện này gây ra thì độ tin cậy và độ an toàn của hệ thống cần thiết phải tuân theo các tiêu chuẩn nhất định của để đảm bảo chất lượng cho hệ thống điện năng.
Một trong các vấn đề chính đang được đặc biệt quan tâm hiện nay là các tính chất của điện áp trong lĩnh vực năng lượng điện, và một trong các tính chất đó là điều khiển và dự báo các điều hoà xuất hiện trong hệ thống. Vì chất lượng điện áp đã trở thành một đặc điểm quan trọng của hàng hoá tiêu dùng trên thị trường, nên người ta liên tục tập trung vào việc tìm kiếm, mô tả về chất lượng điện năng và trên hết là dự đoán cách thức phản ứng của hệ thống điện năng. Với việc mở rộng tải điện tử công suất, đặc biệt là trong các mạng phân phối đã mang lại sự bất cập cho hoạt động của hệ thống và đòi hỏi một phương pháp phân tích sâu sắc và toàn diện để dự đoán Luận văn thạc sĩ 2004-2006 LÊ ANH TUẤN Đại học BKHN Thiết bị điện-Điện tử -6- các sự cố nghiêm trọng liên quan đến chất lượng công suất trước khi nó xảy ra. Hay nói cách khác, là phải áp dụng các tiêu chuẩn một cách nghiêm khắc để giúp cho việc kiểm soát các ảnh hưởng trong một giới hạn cho phép.2 CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG Chất lượng điện năng được đưa ra định nghĩa vào đầu thập kỉ 80 của thế kỉ 20 và ngay lập tức nó trở thành một khái niệm gây tranh cãi trong hệ thống công nghiệp năng lượng, cho đến ngày nay thì còn rất nhiều các bất đồng về việc sử dụng khái niệm trên, về cách định nghĩa nó và việc áp dụng nó thế nào cho chính xác.
Nguyên nhân chính là rất khó có thể định nghĩa một đại lương vật lý kiểu công, và vì thế một số khái niệm khác đã được sử dụng để thay thế cho khái niệm này. Một trong các khái niệm này là “chất lượng điện áp”, nó được sử dụng rất nhiều trong các ấn bản tại châu Âu và được hiểu là chất lượng của sản phẩm do nhà cung cấp điện đưa ra cho người sử dụng. Định nghĩa tiếp theo bổ sung cho khái niệm trên là “chất lượng dòng điện”, nó được định nghĩa là sự sai lệch của dòng điện thực tế với dòng điện sin lý tưởng. Vì vậy trong khi chất lượng điện áp quan tâm đến cái mà nhà cung cấp điện đưa cho người sử dụng thì chất lượng dòng điện lại quan tâm đến cái mà người sử dụng nhận được thì hệ thống cung cấp.
Một khái niệm tiếp theo là “chất lượng nguồn cung cấp” (quality of supply) là một khái niệm hữu dụng nếu không quan tâm đến các trách nhiệm của người sử dụng, bởi vì như theo khái niệm nguồn cung cấp đã không bao hàm các mối quan hệ tích cực của người sử dụng. Một khái niệm sau là “chất lượng tiêu thụ” (quality of consumption), nhưng khái niệm này ít được dùng trong ngành công nghiệp năng lượng cho nên không nên quan tâm nhiều đến nó. Trong các tiêu chuẩn, thuật ngữ “chất lượng điện năng ” đã được chính thức sử dụng rất nhiều nơi. Ở Mỹ trong tiêu chuẩn của IEEE (Institue of Electric and Electronic Luận văn thạc sĩ 2004-2006 LÊ ANH TUẤN Đại học BKHN Thiết bị điện-Điện tử -7- Engineers ), một trong các tiêu chuẩn của Uỷ ban hợp tác các tiêu chuẩn ( Standard Coordinate Committees) SCC, cụ thể là SCC 22 đã chính thức viết: Chất lượng điện năng.
Mặc dù trong các tài liệu (tiêu chuẩn) của IEC (International Electronical Commission) Uỷ ban điện quốc tế, một tổ chức thiết lập các tiêu chuẩn về điện trên quốc tế, thuật ngữ “chất lượng điện năng” không hề xuất hiện chính thức, mãi cho đến năm 2002 rong một bản dự thảo tiêu chuẩn của IEC thuật ngữ “chất lượng điện năng ” mới được sử dụng lần đầu tiên. Và cũng cần nhấn mạnh rằng IEC ngày càng chấp nhận thuật ngữ “chất lượng điện năng ” hơn. Nhận xét về nội dung các đóng góp chính cho vấn đề định nghĩa chất lượng điện năng ở những năm gần đây, nói chung chất lượng điện năng thường được sử dụng để biểu thị chất lượng của điện áp. Cùng với việc tập trung định nghĩa chất lượng điện năng, người ta cũng mô tả nó như là một vấn đề tác động đến trước tiên người tiêu dùng, kèm theo định nghĩa vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng như sau: Bất kì một vấn đề công suất sử dụng đều cho thấy sự sai lệch tần số, dòng điện, điện áp gây nên các hỏng hóc hay sự hoạt động sai cho các thiết bị của người sử dụng thì đó là vấn đề của chất lượng điện năng.
Thêm vào đó, đối với các ứng dụng có thể định nghĩa chất lượng điện năng theo độ tin cậy và biểu diễn nó dưới dạng thống kê, ví dụ hệ thống có độ tin cậy 99,98%. Với các nhà sản xuất thiết bị có thể định nghĩa chất lượng điện năng là các tính chất của hệ thống điện cho phép các thiết bị của họ có thể hoạt động tương thích mà không có sự cố gì. Tuy nhiên các tính chất này có thể rất khác nhau, điều đó phụ thuộc vào các tiêu chuẩn của mỗi nước hoặc mỗi vùng địa lý. Do các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến các thiết bị của người sử dụng cũng như đối với hệ thống điện nên các cơ quan tiêu chuẩn hoá của các quốc gia cũng như quốc tế đã bắt đầu định nghĩa và phân loại chất lượng điện năng liên quan đến các hiện tượng trong hệ Luận văn thạc sĩ 2004-2006 LÊ ANH TUẤN Đại học BKHN Thiết bị điện-Điện tử -8- thống năng lượng.
Theo các định nghĩa được đưa ra của IEEE, khởi đầu từ IEEE Emerald Book , mô tả chất lượng điện năng là một khái niệm của việc nối nguồn và nối đất cho các thiết bị nhạy cảm mà theo cách đó là phù hợp cho việc hoạt động của các thiết bị đó. Vào năm 2000 IEC đã bắt đầu có bước khởi đầu về vấn đề chất lượng điện năng kết quả là đưa ra được một bản dự thảo và đề nghị việc định nghĩa chất lượng điện năng theo cách sau: Chất lượng điện năng là một bộ các hệ số định nghĩa các đặc tính của nguồn cung cấp năng lượng khi phân phối cho người sử dụng tại các điều kiện hoạt động bình thường, với mặt nguồn cung cấp hoạt động liên tục và các tính chất của điện áp(sự đối xứng, tần số, biên độ và dạng sóng). Tuy nhiên định nghĩa này vấp phải rất nhiều sự nhầm lẫn bởi vì sự giới hạn của chất lượng điện năng trong các điều kiện hoạt động bình thường. Do đó, người ta đã chỉnh sửa định nghĩa thành: Các tính chất về điện tại một điểm cho trước trong một hệ thống điện, được đánh giá đối lập với một bộ các hệ thống công nghệ mẫu tham chiếu (với một chú ý là: trong nhiều trường hợp các hệ số này có thể liên quan đến sự tương thích về mặt điện được cung cấp bởi lưới điện và các tải được nối với lưới đó).
Tuy nhiên, trong phiên bản tại Đức của chính bản dự thảo này (được xuất bản vào 06/2003) người ta gọi là “spannungsqualität” dịch một cách trực tiếp có nghĩa là chất lượng điện áp. Tóm lại, thuật ngữ chất lượng điện năng vẫn còn là một chủ đề tranh cãi vì thế việc đưa ra được một định nghĩa cuối cùng là vấn đề của tương lai. Tổng kết các tranh luận ở trên, có thể nói rằng mặc dù thuật ngữ chất lượng điện năng được sử dụng theo các nghĩa hơi khác nhau, hay đều giống nhau tại một số quốc gia và một số tiêu chuẩn nhưng các thuật ngữ chất lượng điện áp, chất lượng điện năng đều có một điểm chung là chúng tính đến sự tương tác giữa các ứng dụng và người sử dụng, tức là giữa hệ thống năng lượng và tải. Điều cần nhấn mạnh ở đây là các mối tương tác này ngày càng Luận văn thạc sĩ 2004-2006 LÊ ANH TUẤN Đại học BKHN Thiết bị điện-Điện tử -9- được tăng cường, đặc biệt là trong thời đại công nghệ thông tin và xã hội hoá thông tin, mang lại những cơ hội mới cho độ tin cậy và chất lượng của hệ thống cung cấp điện.
Chất lượng điện năng liên quan trực tiếp đến độ an toàn và chức năng của các cơ cấu hạ tầng cơ bản của mỗi quốc gia và trong mấy năm gần đây vấn đề chất cải thiện nâng cao chất lượng điện năng ngày càng nhận được những quan tâm chú ý của các quốc gia. Ở Mỹ đã triển khai các chương trình kiểu như Đề xuất cho Sự phát triển và Ứng dụng của Độ an toàn, Độ tin cậy, Chất lượng và Sẵn có (Proposal for Development of Security, Reliability, Quality and Availability SRQA ), hay Mô hình Tối ưu Các cấu hình Hệ thống Năng lượng cho Nền kinh tế Số (Modeling for Optimizing Power System Configurations for Digital Economy ). Họ đặt ra các điều khoản định nghĩa mức độ an toàn dành cho quản lý chiến lược và các thành phần then chốt để quản lý các hệ thống điện hiện đại phục vụ cho tiêu dùng số ngày càng tăng và dựa trên các chương trình an ninh dành cho các cấu trúc trọng điểm tương tự như hệ thống năng lượng theo quan điểm chính trị. Vấn đề an ninh sẽ được kết hợp với độ ổn định và chất lượng điện, với các hệ thống đánh giá giám sát và tự động hoá, với các phương pháp đo lường, và với các tiêu chuẩn an toàn của các hệ thông năng lượng điện.