Nghiên Cứu Phương Pháp Bù Công Suất Phản Kháng Trong Hệ Thống Điện Phân Phối

• Tác giả: Nguyễn Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Trung Dũng
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Bù Công Suất Phản Kháng Trong Hệ Thống Điện Phân Phối
• Loại tài liệu: luận án

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
• 1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng
• 1.2. Các tham số ảnh hưởng của chất lượng điện áp
• 1.3. Ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của động cơ
• 1.4. Ảnh hưởng của độ lệch điện áp
• 1.5. Ảnh hưởng của điện áp bất đối xứng
• 1.6. Ảnh hưởng của độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài) đến hiệu quả sử dụng năng lượng của động cơ
• 1.7. Các giải pháp điều chỉnh điện áp
• 1.7.1. Điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát điện
• 1.7.2. Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc sử dụng bộ điều áp dưới tải của máy biến áp
• 1.7.3. Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp điều chỉnh và biến áp bổ trợ hoặc sử dụng bộ tụ có điều chỉnh
• 1.7.4. Sa thải phụ tải
• 1.7.5. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tiết diện đường dây
• 1.7.6. Lọc sóng hài
• 1.7.7. Điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng
• 1.8. Các phương pháp bù công suất phản kháng
• 1.8.1. Bù bằng máy bù đồng bộ
• 1.8.2. Bù tĩnh đóng cắt theo bậc
• 1.8.3. Sử dụng các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh
• 1.9. Các phương pháp bố trí thiết bị bù công suất phản kháng
• 1.9.1. Phương pháp bù tập trung
• 1.9.2. Phương pháp bù nhiều vị trí
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
• 2.1. Phương pháp tính toán tối ưu hóa lượng bù CSPK cho tải có động cơ không đồng bộ
• 2.2. Tính toán tổn thất công suất tác dụng của lưới điện phân phối
• 2.3. Tối ưu hóa bù CSPK cho lưới điện phân phối
• 2.4. Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung
• 2.5. Mô tả hệ thống phân phối phụ tải trong nhà máy
• 2.6. Sơ đồ thay thế mạng điện khi có thiết bị bù
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG
• 3.1. Cấu trúc của hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung
• 3.2. Sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT
• 3.3. Các thành phần của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT
• 3.4. Hoạt động của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT
• 3.5. Bộ điều khiển của hệ thống
• 3.6. Khối đo lường và các tín hiệu đầu vào
• 3.7. Thiết bị bù trung tâm và thiết bị phân tán của hệ thống điều chỉnh điện áp kiểu phân tán, điều khiển tập trung
• 3.8. Khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống
• 3.9. Thuật toán điều khiển
• 3.9.1. Chương trình chính
• 3.9.2. Khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA)
• 3.9.3. Khối lọc sóng hài
• 3.9.4. Khối điều chỉnh bù CSPK- ĐCĐA
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG
• 4.1. Mô phỏng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung
• 4.2. Các tham số của hệ thống
• 4.3. Xấp xỉ hóa đường cong NEMA
• 4.4. Các kịch bản mô phỏng
• 4.5. Kết quả mô phỏng
• 4.6. Chế tạo và thực nghiệm hệ thống BPT-ĐKTT
• 4.7. Thiết kế hệ thống
• 4.8. Hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung sau khi được chế tạo
• 4.9. Lắp đặt thử nghiệm thiết bị
• 4.10. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện của nhà máy thông tin M1
• 4.11. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Bù Công Suất Phản Kháng Trong Điện Phân Phối

Bài toán về chất lượng điện năng ngày càng trở nên quan trọng. Sự phát triển công nghệ đòi hỏi sử dụng năng lượng hiệu quả, tiết kiệm, mang lại lợi ích lớn cho nhà sản xuất và người tiêu dùng. Tuy nhiên, thiết bị và dây chuyền công nghệ mới cũng gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng. Giải quyết bài toán nâng cao chất lượng điện năng, điều chỉnh điện áp tại phụ tải điện, giúp tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí, nâng cao năng suất và tăng độ bền thiết bị. Theo PGS.TS Phạm Trung Dũng, việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp bù công suất phản kháng là vô cùng cần thiết trong bối cảnh hiện nay. Việc sử dụng bù công suất phản kháng trong điện phân phối trở thành giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng điện. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét đến việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo và các thiết bị điện tử công suất vào lưới điện.

1.1. Các Tham Số Ảnh Hưởng Đến Chất Lượng Điện Áp Cần Biết

Chất lượng điện năng (CLĐN) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Các yếu tố chính bao gồm: độ lệch điện áp, điện áp bất đối xứng, và độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài). Độ lệch điện áp ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của động cơ. Điện áp bất đối xứng gây tổn thất công suất sắt từ. Sóng hài làm thay đổi điện trở, hệ số tự cảm và điện kháng trên mạch rotor, đồng thời làm tăng nhiệt độ của các bộ phận trong động cơ. Việc hiểu rõ các tham số này giúp đưa ra giải pháp điều khiển công suất phản kháng hiệu quả. Các thiết bị bù tĩnh như tụ bù, SVC, STATCOM đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp.

1.2. Tác Động Của Chất Lượng Điện Năng Đến Động Cơ Điện Giải Pháp

Chất lượng điện năng kém ảnh hưởng lớn đến động cơ điện. Độ lệch điện áp làm giảm hiệu suất. Điện áp bất đối xứng gây tổn thất. Sóng hài làm tăng nhiệt độ và giảm tuổi thọ động cơ. Các giải pháp bao gồm: điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát điện, đặt đầu phân áp cố định hoặc sử dụng bộ điều áp dưới tải của máy biến áp, sử dụng máy biến áp điều chỉnh và biến áp bổ trợ hoặc sử dụng bộ tụ có điều chỉnh, sa thải phụ tải, thay đổi tiết diện đường dây, lọc sóng hài, và bù công suất phản kháng. Mục tiêu là giảm tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện cho hệ thống điện.

1.3. Các Phương Pháp Bù Công Suất Phản Kháng Phổ Biến Hiện Nay

Các phương pháp bù công suất phản kháng bao gồm: bù bằng máy bù đồng bộ, bù tĩnh đóng cắt theo bậc, và sử dụng các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh. Bù tĩnh đóng cắt theo bậc sử dụng các tụ điện đóng cắt bằng Thyristor. Các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh bao gồm SVC và STATCOM. Các phương pháp bố trí thiết bị bù bao gồm: bù tập trung và bù nhiều vị trí. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của lưới điện phân phối và bài toán tối ưu hóa công suất.

II. Hướng Dẫn Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung Cho Lưới Điện

Luận án tập trung nghiên cứu phương pháp điều khiển tập trung cho các thiết bị phân tán. Mục tiêu là kết hợp điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng, và nâng cao chất lượng điện năng. Phương pháp này giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng trong các nhà máy. Phương trình tổn thất được thiết lập cho tất cả các phần tử, có xét đến ảnh hưởng tương hỗ của việc bù công suất phản kháng, lọc sóng hài, tại từng phần tử. Phương pháp điều khiển đảm bảo tốc độ phản ứng nhanh, chính xác để đáp ứng thay đổi liên tục trên lưới điện. Cần tối ưu hóa điều chỉnh điện áp để đảm bảo ổn định điện áp.

2.1. Tính Toán Tối Ưu Lượng Bù CSPK Cho Tải Động Cơ Không Đồng Bộ

Việc tính toán tối ưu lượng bù công suất phản kháng cho tải có động cơ không đồng bộ (ĐC-KĐB) là rất quan trọng. Cần tính toán tổn thất công suất tác dụng của lưới điện phân phối. Sau đó, tối ưu hóa bù công suất phản kháng cho lưới điện phân phối. Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung được áp dụng. Hệ thống phân phối phụ tải trong nhà máy được mô tả. Sơ đồ thay thế mạng điện khi có thiết bị bù được xây dựng. Cần đảm bảo tính toán chính xác để tối ưu hóa công suất và giảm tổn thất.

2.2. Điều Chỉnh Điện Áp Với Thiết Bị Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung

Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung (BPT-ĐKTT) là một giải pháp hiệu quả. Hệ thống BPT-ĐKTT bao gồm các thiết bị bù đặt tại nhiều vị trí khác nhau trong lưới điện. Các thiết bị này được điều khiển bởi một bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm thu thập thông tin về điện áp, dòng điện, và công suất phản kháng tại các vị trí khác nhau. Dựa trên thông tin này, bộ điều khiển trung tâm sẽ điều chỉnh lượng bù công suất phản kháng của từng thiết bị để duy trì điện áp ổn định và giảm tổn thất. Cần phân tích mô hình hệ thống điện để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

2.3. Ảnh Hưởng Tương Hỗ Và Tối Ưu Hóa Tổn Thất Công Suất Tác Dụng

Việc bù CSPK không chỉ cải thiện điện áp mà còn ảnh hưởng đến tổn thất công suất tác dụng. Ảnh hưởng tương hỗ giữa các thiết bị bù và các tải cần được xem xét. Cần xây dựng phương trình tính toán tổng tổn thất của lưới phân phối. Mục tiêu là tối thiểu tổn thất công suất tác dụng của hệ thống. Phương trình này cần tính đến ảnh hưởng tương hỗ của các thiết bị phân tán và ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới hiệu suất của động cơ không đồng bộ. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống điện là rất hữu ích để đánh giá hiệu quả của các giải pháp.

III. Xây Dựng Cấu Hình Hệ Thống Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung

Luận án đề xuất xây dựng một cấu hình hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung (BPT-ĐKTT). Cấu trúc hệ thống bao gồm: sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT, các thành phần của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT, và hoạt động của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT. Hệ thống cần có bộ điều khiển, khối đo lường và các tín hiệu đầu vào, thiết bị bù trung tâm và thiết bị phân tán, và khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống. Thuật toán điều khiển đóng vai trò quan trọng. Cần chương trình chính, khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp, khối lọc sóng hài, và khối điều chỉnh bù CSPK - Điều chỉnh điện áp. Các giải pháp bù công suất tự động cần được tích hợp.

3.1. Cấu Trúc Và Thành Phần Của Hệ Thống BPT ĐKTT Chi Tiết

Cấu trúc hệ thống BPT-ĐKTT bao gồm một bộ điều khiển trung tâm, các thiết bị bù phân tán, và một hệ thống truyền thông. Bộ điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu từ các thiết bị bù phân tán và từ các cảm biến trong lưới điện. Sau đó, bộ điều khiển trung tâm sử dụng các thuật toán điều khiển để điều chỉnh lượng bù công suất phản kháng của từng thiết bị bù phân tán. Các thiết bị bù phân tán thường là các tụ điện hoặc các cuộn kháng. Hệ thống truyền thông được sử dụng để truyền dữ liệu giữa bộ điều khiển trung tâm và các thiết bị bù phân tán. Cần lựa chọn các thiết bị có độ tin cậy hệ thống điện cao.

3.2. Hoạt Động Của Hệ Thống ĐCĐAPT ĐKTT Và Bộ Điều Khiển

Hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT hoạt động bằng cách liên tục đo lường điện áp và dòng điện tại các điểm khác nhau trong lưới điện. Dữ liệu này được gửi đến bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng các thuật toán để xác định lượng công suất phản kháng cần thiết để duy trì điện áp ổn định. Sau đó, bộ điều khiển trung tâm sẽ gửi lệnh đến các thiết bị bù phân tán để điều chỉnh lượng bù công suất phản kháng. Bộ điều khiển trung tâm có thể sử dụng các thuật toán phương pháp tối ưu để xác định lượng bù công suất phản kháng tối ưu.

3.3. Thuật Toán Điều Khiển Lọc Sóng Hài Điều Chỉnh CSPK và Điện Áp

Thuật toán điều khiển của hệ thống BPT-ĐKTT bao gồm ba khối chính: khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA), khối lọc sóng hài, và khối điều chỉnh bù CSPK-Điều chỉnh điện áp (ĐCĐA). Khối ĐC-KĐXDA có chức năng giảm thiểu sự mất cân bằng điện áp trong lưới điện. Khối lọc sóng hài có chức năng loại bỏ các thành phần sóng hài trong dòng điện và điện áp. Khối điều chỉnh bù CSPK-ĐCĐA có chức năng điều chỉnh lượng bù công suất phản kháng để duy trì điện áp ổn định và tối ưu hóa công suất.

IV. Mô Phỏng và Thực Nghiệm Hệ Thống Bù Phân Tán Điều Khiển Tập Trung

Luận án thực hiện mô phỏng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung (BPT-ĐKTT) để đánh giá hiệu quả. Các tham số của hệ thống được xác định. Đường cong NEMA được xấp xỉ hóa. Các kịch bản mô phỏng được xây dựng. Kết quả mô phỏng được phân tích. Sau đó, hệ thống BPT-ĐKTT được chế tạo và thực nghiệm. Thiết kế hệ thống được trình bày. Hệ thống BPT-ĐKTT sau khi được chế tạo. Lắp đặt thử nghiệm thiết bị. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện của nhà máy thông tin M1. Kết quả thực nghiệm được đánh giá. Cần chú trọng đến hiệu quả kinh tế và chi phí đầu tư.

4.1. Các Tham Số Mô Phỏng Hệ Thống Và Kịch Bản Ứng Dụng

Các tham số của hệ thống bao gồm: điện áp định mức, dòng điện định mức, công suất định mức, và trở kháng của các thành phần trong lưới điện. Các kịch bản mô phỏng bao gồm: thay đổi tải, ngắn mạch, và sóng hài. Mục tiêu của mô phỏng là đánh giá khả năng của hệ thống BPT-ĐKTT trong việc duy trì điện áp ổn định và giảm tổn thất trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Cần sử dụng các phần mềm mô phỏng hệ thống điện chuyên dụng để đảm bảo tính chính xác.

4.2. Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Hiệu Quả Bù CSPK Phân Tán

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống BPT-ĐKTT có thể duy trì điện áp ổn định và giảm tổn thất trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Hệ thống BPT-ĐKTT cũng có thể cải thiện hệ số công suất của lưới điện. So sánh kết quả mô phỏng với các phương pháp bù công suất phản kháng khác, hệ thống BPT-ĐKTT cho thấy hiệu quả vượt trội. Cần phân tích kỹ thuật chi tiết để chứng minh hiệu quả.

4.3. Chế Tạo Và Thực Nghiệm Hệ Thống BPT ĐKTT Thực Tế

Hệ thống BPT-ĐKTT được chế tạo và thực nghiệm tại nhà máy thông tin M1. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống BPT-ĐKTT hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Hệ thống BPT-ĐKTT có thể giảm tổn thất và cải thiện hệ số công suất của lưới điện. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng, cho thấy sự tương đồng. Cần xem xét đến chi phí vận hành để đánh giá tính khả thi.

V. Ứng Dụng Bù CSPK Trong Lưới Điện Thông Minh Tương Lai

Việc ứng dụng bù công suất phản kháng trong lưới điện thông minh mở ra nhiều tiềm năng. Năng lượng tái tạo, như hệ thống điện mặt trời và hệ thống điện gió, có thể được tích hợp hiệu quả hơn. Điều này giúp tăng cường độ tin cậy hệ thống điện và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Bù công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điều chỉnh điện áp và giảm tổn thất điện năng trong lưới điện thông minh. Các bài toán tối ưu hóa trở nên phức tạp hơn nhưng cũng mang lại hiệu quả cao hơn.

5.1. Tích Hợp Năng Lượng Tái Tạo Và Ổn Định Lưới Điện Với CSPK

Năng lượng tái tạo, như hệ thống điện mặt trời và hệ thống điện gió, thường có tính biến động cao. Bù công suất phản kháng giúp ổn định điều chỉnh điện áp và tần số trong lưới điện khi có sự thay đổi đột ngột trong nguồn cung cấp từ năng lượng tái tạo. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lưới điện thông minh để đảm bảo hoạt động ổn định và độ tin cậy hệ thống điện cao.

5.2. Vai Trò Của Bù CSPK Trong Phát Triển Lưới Điện Thông Minh

Lưới điện thông minh yêu cầu khả năng điều khiển và giám sát cao. Bù công suất phản kháng có thể được điều khiển tự động để đáp ứng các thay đổi trong lưới điện, giúp giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện. Hệ thống SCADA được sử dụng để thu thập dữ liệu và điều khiển các thiết bị bù công suất phản kháng một cách hiệu quả.

5.3. Thách Thức Và Cơ Hội Phát Triển Bù CSPK Hiện Đại

Việc phát triển các hệ thống bù công suất phản kháng hiện đại đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm chi phí đầu tư cao, độ phức tạp của thuật toán điều khiển, và yêu cầu về độ tin cậy hệ thống điện. Tuy nhiên, cũng có nhiều cơ hội, như sự phát triển của các công nghệ mới (như STATCOM và SVC), sự giảm giá của các thiết bị điện tử công suất, và sự gia tăng nhu cầu về chất lượng điện trong lưới điện thông minh.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Về Bù CSPK

Luận án đã trình bày các phương pháp và giải pháp bù công suất phản kháng trong hệ thống điện phân phối. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện, giảm tổn thất điện năng, và tối ưu hóa công suất. Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm đã chứng minh hiệu quả của hệ thống BPT-ĐKTT. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, tích hợp năng lượng tái tạo một cách hiệu quả hơn, và phân tích các yếu tố kinh tế liên quan đến việc triển khai các hệ thống bù công suất phản kháng.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính Đã Đạt Được

Luận án đã đề xuất một phương pháp điều khiển tập trung cho các thiết bị phân tán nhằm kết hợp điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng, và nâng cao chất lượng điện năng. Luận án cũng đã xây dựng một phương trình tính tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện, có xét tới ảnh hưởng của chất lượng điện áp đến hiệu suất làm việc của động cơ không đồng bộ. Cuối cùng, luận án đã thực nghiệm hóa các kết quả nghiên cứu bằng việc đề xuất thiết kế, chế tạo một hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung.

6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Tiềm Năng

Các hướng nghiên cứu mở rộng tiềm năng bao gồm: phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn, tích hợp năng lượng tái tạo một cách hiệu quả hơn, nghiên cứu các phương pháp tối ưu hóa chi phí triển khai hệ thống BPT-ĐKTT, và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống điện. Cần xem xét đến các yếu tố môi trường và xã hội khi triển khai các hệ thống bù công suất phản kháng.

6.3. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Về Bù CSPK Cho Tương Lai

Nghiên cứu về bù công suất phản kháng có tầm quan trọng đặc biệt cho tương lai của lưới điện. Khi lưới điện ngày càng trở nên phức tạp hơn, việc duy trì chất lượng điện ổn định và giảm tổn thất điện năng là vô cùng quan trọng. Bù công suất phản kháng đóng vai trò then chốt trong việc đáp ứng những yêu cầu này. Đồng thời, nó còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của lưới điện thông minh và năng lượng tái tạo.