Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài nhằm cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện thành phố, mang lại hiệu quả cao.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Danh Hoằng
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện Thành phố Lạng Sơn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN
• 1.1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện
• 1.2. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao
• 1.3. Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao
• 1.4. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện
• 1.5. Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài
• 1.6. Tổng quan lưới điện thành phố Lạng Sơn
• 1.7. Lưới điện trung thế
• 1.8. Tổn thất điện năng của khu vực thành phố Lạng Sơn trong một vài năm gần đây
• 1.9. Đánh giá hiện trạng theo kết quả tính toán
• 1.10. Một số phụ tải phát sinh sóng hài lớn tại thành phố Lạng Sơn
• 1.11. Giải pháp lọc sóng hài
• 1.12. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SÓNG HÀI VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
• 2.1. Tổng quan bộ lọc tích cực
• 2.2. Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực
• 2.3. Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực
• 2.4. Phân loại bộ lọc tích cực
• 2.5. Bộ lọc tích cực song song
• 2.6. Bộ lọc tích cực nối tiếp
• 2.7. Bộ lọc tích cực dựa theo nguồn cung cấp điện
• 2.8. Bộ lọc tích cực theo bộ biến đổi công suất
• 2.9. Nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực
• 2.10. Các thuật toán lọc tích cực
• 2.10.1. Các thuật toán lọc tích cực dựa trên miền tần số
• 2.10.2. Phương pháp DFT (Discrete Fourier Transform)
• 2.10.3. Phương pháp FFT (Fast Fourier Transform)
• 2.10.4. Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian
• 2.10.5. Phương pháp xác định dòng bù trong hệ dq
• 2.10.6. Phương pháp xác định dòng bù dựa trên lý thuyết p-q
• 2.11. Xây dựng cấu trúc điều khiển
• 2.12. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
• 3.1. Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink
• 3.2. Khối nguồn xoay chiều 3 pha. Khối tải phi tuyến và bộ điều khiển dòng PI. Khối bộ lọc tích cực
• 3.3. Khâu tính toán độ méo dạng (THD)
• 3.4. Khâu chuyển đổi để lấy tín hiệu đo dòng điện và điện áp ba pha
• 3.5. Khâu đo dòng điện, điện áp
• 3.6. Kết quả mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ thống
• 3.6.1. Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực
• 3.6.2. Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực
• 3.7. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống
• 3.8. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài tại Lạng Sơn

Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài là một trong những vấn đề quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng tại Lạng Sơn. Với sự phát triển của các thiết bị điện tử và phụ tải phi tuyến, hiện tượng phát sinh sóng hài ngày càng trở nên phổ biến. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện mà còn gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng khác. Việc áp dụng các phương pháp lọc sóng hài sẽ giúp cải thiện đáng kể chất lượng điện năng, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng điện cho các phụ tải.

1.1. Tầm quan trọng của chất lượng điện năng tại Lạng Sơn

Chất lượng điện năng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định của các thiết bị điện. Tại Lạng Sơn, việc nâng cao chất lượng điện năng không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất mà còn bảo vệ các thiết bị khỏi hư hỏng do sóng hài gây ra.

1.2. Các vấn đề phát sinh từ sóng hài trong lưới điện

Sóng hài gây ra nhiều tác động tiêu cực như quá áp, méo điện áp và tổn thất điện năng. Những vấn đề này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống mà còn làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện.

II. Vấn đề và thách thức trong việc lọc sóng hài

Việc lọc sóng hài trong lưới điện gặp nhiều thách thức do sự đa dạng của các phụ tải và tính chất phi tuyến của chúng. Các thiết bị điện hiện đại thường phát sinh sóng hài ở nhiều tần số khác nhau, gây khó khăn trong việc thiết kế bộ lọc hiệu quả. Hơn nữa, việc áp dụng các công nghệ lọc sóng hài cũng cần phải đảm bảo tính kinh tế và khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài.

2.1. Những thách thức trong thiết kế bộ lọc sóng hài

Thiết kế bộ lọc sóng hài cần phải cân nhắc đến nhiều yếu tố như tần số hoạt động, công suất và loại phụ tải. Việc không đáp ứng được các yêu cầu này có thể dẫn đến hiệu quả lọc không cao.

2.2. Tác động của sóng hài đến hệ thống điện

Sóng hài không chỉ làm giảm hiệu suất của hệ thống mà còn gây ra các vấn đề như quá nhiệt, hỏng hóc thiết bị và giảm tuổi thọ của các linh kiện điện tử.

III. Phương pháp lọc sóng hài hiệu quả cho lưới điện Lạng Sơn

Để nâng cao chất lượng điện năng, việc áp dụng các phương pháp lọc sóng hài là cần thiết. Các bộ lọc tích cực được thiết kế để loại bỏ sóng hài và bù công suất phản kháng, từ đó cải thiện hiệu suất của hệ thống điện. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc tích cực có thể giảm đáng kể mức độ sóng hài trong lưới điện.

3.1. Giới thiệu về bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực là thiết bị sử dụng công nghệ điện tử công suất để loại bỏ sóng hài. Thiết bị này có khả năng điều chỉnh và bù công suất phản kháng, giúp cải thiện chất lượng điện năng.

3.2. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh dòng điện để loại bỏ các thành phần sóng hài. Điều này giúp duy trì chất lượng điện năng ổn định và giảm thiểu tổn thất.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phương pháp lọc sóng hài tại Lạng Sơn

Việc áp dụng phương pháp lọc sóng hài đã mang lại nhiều lợi ích cho lưới điện tại Lạng Sơn. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc tích cực không chỉ giúp giảm sóng hài mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống điện. Điều này đã được chứng minh qua các mô hình mô phỏng và thực nghiệm thực tế.

4.1. Kết quả nghiên cứu và mô phỏng

Các mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng bộ lọc tích cực có thể giảm đáng kể mức độ sóng hài trong lưới điện. Kết quả này đã được xác nhận qua các thí nghiệm thực tế tại Lạng Sơn.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc cải thiện chất lượng điện năng

Cải thiện chất lượng điện năng không chỉ giúp giảm tổn thất mà còn tiết kiệm chi phí cho các doanh nghiệp và hộ gia đình. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế cho toàn bộ hệ thống.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp lọc sóng hài để nâng cao chất lượng điện năng tại Lạng Sơn đã chỉ ra rằng việc áp dụng bộ lọc tích cực là một giải pháp hiệu quả. Tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ lọc sóng hài mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng điện năng.

5.1. Tương lai của công nghệ lọc sóng hài

Công nghệ lọc sóng hài sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng điện năng trong tương lai.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về các phương pháp lọc sóng hài khác nhau để tìm ra giải pháp tối ưu nhất cho lưới điện tại Lạng Sơn và các khu vực khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối Thành phố Lạng Sơn được cấp nguồn chính từ Trạm biến áp 110kV E13.2 với quy mô công suất 2x40 MVA (cấp điện áp 115/35/22kV), quản lý 995,697 km đường dây trung thế, 812 trạm biến áp phân phối với tổng công suất 215.550,5 kVA và phục vụ 96.820 khách hàng. Trong giai đoạn 2015 - 2018, tỷ lệ tổn thất điện năng chung của khu vực dao động từ 4,15% đến 4,83%, trong đó tổn thất kỹ thuật luôn duy trì ở mức cao từ 3,26% đến 3,60%.

Sự gia tăng nhanh chóng của các phụ tải công nghiệp phi tuyến như nhà máy sản xuất xi măng, xưởng cơ khí, dây chuyền mạ điện và lò hồ quang đã làm phát sinh lượng lớn sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) lan truyền vào lưới điện. Hiện tượng này làm méo dạng nghiêm trọng sóng điện áp và dòng điện, gia tăng tổn hao nhiệt trên dây dẫn, gây quá nhiệt máy biến áp và làm suy giảm tuổi thọ của các thiết bị đóng cắt.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá toàn diện hiện trạng phát sinh sóng hài trên lưới điện phân phối Thành phố Lạng Sơn, từ đó thiết kế cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song (Shunt Active Power Filter - APF) nhằm khử triệt để các thành phần dòng điện sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống xuất tuyến 22kV và 35kV thuộc quyền quản lý của Công ty Điện lực Lạng Sơn với các dữ liệu vận hành thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc đưa hệ số méo dạng tổng dòng điện (THDi) từ mức trên 25% về dưới 3,5% (đáp ứng nghiêm ngặt tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519 với ngưỡng THD < 5%), đồng thời nâng cao hệ số công suất cosφ lên trên 0,98, góp phần giảm thiểu tổn thất kỹ thuật và đảm bảo an toàn vận hành 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 chuỗi biến đổi Fourier và lý thuyết công suất tức thời p-q (Instantaneous Reactive Power Theory do Akagi phát triển), kết hợp cùng phép biến đổi hệ tọa độ quay d-q (biến đổi Park - Clark). Chuỗi Fourier cho phép phân tích sóng tuần hoàn không sin thành tổng các thành phần sóng điều hòa tần số cơ bản 50Hz và các sóng hài bậc cao có tần số bằng bội số nguyên (150Hz, 250Hz, 350Hz...). Lý thuyết p-q thực hiện chuyển đổi dòng áp từ hệ tọa độ ba pha tĩnh abc sang hệ tọa độ trực giao α-β để bóc tách chính xác công suất tác dụng tức thời và công suất phản kháng tức thời thành các thành phần một chiều (cơ bản) và xoay chiều (hài).

Khung lý thuyết tích hợp bốn khái niệm then chốt trong kỹ thuật điện hiện đại:

• Hệ số méo dạng sóng hài tổng (THD - Total Harmonic Distortion): Chỉ số định lượng tỷ lệ phần trăm giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần sóng hài so với thành phần sóng cơ bản.
• Bộ lọc tích cực song song (APF): Thiết bị điện tử công suất đóng vai trò như một nguồn dòng bù, liên tục bơm vào điểm đấu nối chung dòng điện ngược pha với dòng hài của phụ tải để triệt tiêu nhiễu.
• Bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI - Voltage Source Inverter): Cấu trúc biến đổi sử dụng van bán dẫn IGBT kết hợp tụ điện DC-link để tạo điện áp bù mong muốn.
• Thuật toán điều khiển dòng điện PI kết hợp kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Đảm bảo dòng bù bám sát tín hiệu tham chiếu với độ chính xác cao.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ số liệu đo đạc thực tế của Công ty Điện lực Lạng Sơn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 9 xuất tuyến trung áp sau trạm 110kV E13.2 Lạng Sơn (gồm 5 lộ 22kV: 471, 472, 473, 474, 476 và 4 lộ 35kV: 373, 374, 375, 376) với 812 trạm biến áp và 3 cụm phụ tải công nghiệp phi tuyến điển hình gồm: Công ty Cổ phần Xi măng Lạng Sơn, Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn và Công ty TNHH Bảo Long. Phương pháp chọn mẫu chủ đích (purposive sampling) được áp dụng nhằm tập trung phân tích sâu các nút tải có dung lượng tiêu thụ lớn và mật độ thiết bị phi tuyến cao.

Phương pháp phân tích số liệu kết hợp giữa phân tích thống kê tổn thất điện năng và mô hình hóa toán học mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn Matlab/Simulink là khả năng mô phỏng chính xác đáp ứng động học tức thời của hệ thống điện lực và các bộ biến đổi công suất trong miền thời gian thực. Toàn bộ chu kỳ nghiên cứu, tính toán và mô phỏng kiểm chứng được thực hiện trong giai đoạn 2018 - 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích hiện trạng và mô phỏng hệ thống đã làm sáng tỏ các phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, các phụ tải công nghiệp đặc thù tại Lạng Sơn sử dụng nhiều bộ chỉnh lưu cầu diode và thyristor gây méo dạng dòng điện nghiêm trọng. Khi chưa có bộ lọc tích cực, dòng điện nguồn cấp cho tải phi tuyến bị biến dạng dạng bậc thang, hệ số méo dạng tổng dòng điện THDi lên tới 25,60%, vượt gấp 5 lần so với giới hạn 5,0% quy định tại tiêu chuẩn IEEE 519-2014. Trong đó, sóng hài bậc 5 (250Hz) và bậc 7 (350Hz) chiếm tỷ trọng biên độ cao nhất, lần lượt là 18,2% và 11,4% so với thành phần cơ bản.

Thứ hai, tổn thất kỹ thuật có sự phân bổ không đều giữa các lộ dây trung áp. Lộ 373 cấp điện áp 35kV có công suất cực đại Pmax đạt 19,5 MW ghi nhận tỷ lệ tổn thất công suất cao nhất lên tới 6,62%. Ở lưới 22kV, lộ 472 (Pmax = 6,3 MW) có mức tổn thất công suất là 3,71%, trong khi các lộ khác như 471, 473, 474 và 476 dao động trong khoảng 2,00% đến 2,32%. Sự xuất hiện đồng thời của sóng hài và công suất phản kháng là nguyên nhân chính đẩy dòng hiệu dụng tăng cao, gây quá tải cục bộ.

Thứ ba, khi kích hoạt bộ lọc tích cực song song APF điều khiển theo lý thuyết p-q, dòng điện phía nguồn được tái tạo hoàn toàn về dạng hình sin chuẩn. Hệ số méo dạng THDi giảm mạnh từ 25,60% xuống chỉ còn 3,24%, tức giảm hơn 87% lượng sóng hài trên lưới.

Thứ tư, bộ lọc APF thể hiện khả năng bù công suất phản kháng vượt trội. Hệ số công suất cosφ của hệ thống được cải thiện rõ rệt từ mức 0,78 khi chưa bù lên mức 0,99 sau khi bù, điện áp một chiều trên tụ DC bus luôn duy trì ổn định quanh giá trị đặt.

Thảo luận kết quả

Cơ chế triệt tiêu sóng hài thành công là nhờ bộ lọc tích cực đã tính toán chính xác dòng bù tức thời và điều khiển đóng cắt các van IGBT với tần số cao, tạo ra dòng bù có độ lớn tương đương nhưng ngược pha 180 độ so với dòng hài bậc cao của tải.

Trên các đồ thị phân tích phổ tần số Fourier (FFT Spectrum) và dạng sóng dòng điện ba pha thu được từ Matlab/Simulink trong khoảng thời gian từ 0,4s đến 0,5s, đáp ứng động của bộ lọc diễn ra cực kỳ nhanh chóng chỉ trong khoảng 10ms đến 20ms (tương đương nửa chu kỳ đến 1 chu kỳ sóng cơ bản). Dòng điện nguồn lập tức trở về dạng sin mượt mà ngay sau khi bộ lọc tác động.

Khi so sánh với các giải pháp lọc thụ động truyền thống bằng tụ điện và cuộn cảm LC, bộ lọc tích cực thể hiện tính ưu việt tuyệt đối vì không gây ra hiện tượng cộng hưởng song song với trở kháng lưới và có khả năng thích ứng linh hoạt với mọi sự thay đổi phụ tải. Bảng dữ liệu phân tích phổ cũng cho thấy biên độ các thành phần điều hòa bậc 5, 7, 11, 13 đều giảm về dưới ngưỡng 1,0%, khẳng định độ tin cậy cao của cấu trúc điều khiển PI được thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu, 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể được đề xuất nhằm tối ưu hóa chất lượng điện năng cho Thành phố Lạng Sơn:

1. Triển khai lắp đặt thí điểm bộ lọc tích cực song song APF: Đầu tư lắp đặt các tủ lọc tích cực công suất 150kVA - 300kVA tại các nút phụ tải phi tuyến trọng điểm như trạm biến áp cấp nguồn cho Công ty Cổ phần Xi măng Lạng Sơn và Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn trong vòng 12 tháng tới, đặt mục tiêu duy trì THDi toàn trạm dưới 4,0%. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Lạng Sơn phối hợp với các doanh nghiệp khách hàng.

2. Hiện đại hóa hệ thống giám sát và đo lường sóng hài trực tuyến: Lắp đặt bổ sung hệ thống công tơ điện tử đa chức năng và rơle số có tính năng ghi nhận liên tục các chỉ số THD, công suất phản kháng tại toàn bộ 9 xuất tuyến trạm 110kV E13.2 Lạng Sơn trong lộ trình 2021 - 2023. Chủ thể thực hiện: Phòng Kỹ thuật và Trung tâm Điều độ Điện lực Lạng Sơn.

3. Nâng cấp và cải tạo hạ tầng lưới phân phối trung áp: Tiếp tục thực hiện lộ trình chuyển đổi toàn diện các đoạn đường dây 10kV còn lại lên cấp điện áp chuẩn 22kV, thay thế các tuyến dây trần cũ tiết diện nhỏ bằng dây bọc ASXV 120/95 và cáp ngầm XLPE trên các tuyến lộ 471, 472, 473 nhằm kéo giảm tỷ lệ tổn thất điện năng toàn thành phố xuống dưới 4,0% vào năm 2025. Chủ thể thực hiện: Ban Quản lý Dự án Lưới điện Lạng Sơn.

4. Xây dựng quy chế kiểm soát phát thải sóng hài và chế tài kỹ thuật: Ban hành các điều khoản bắt buộc về giới hạn sóng hài theo Thông tư của Bộ Công Thương và tiêu chuẩn IEEE 519 đối với các khách hàng công nghiệp đấu nối mới có công suất trạm chuyên dùng từ 250kVA trở lên. Chủ thể thực hiện: Sở Công Thương tỉnh Lạng Sơn phối hợp cùng Công ty Điện lực Lạng Sơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện: Nắm vững phương pháp phân tích tổn thất kỹ thuật, đánh giá mức độ suy giảm chất lượng điện năng do sóng hài gây ra trên lưới phân phối 22kV - 35kV, từ đó đưa ra phương án vận hành tối ưu hóa trạm biến áp 110kV.
• Cán bộ kỹ thuật và quản lý năng lượng tại các nhà máy sản xuất công nghiệp: Vận dụng sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu nguồn áp VSI và giải pháp lọc tích cực để khử sóng hài cho các phụ tải máy hàn, lò nung hồ quang, hệ truyền động biến tần, giúp kéo dài tuổi thọ động cơ và tránh bị phạt công suất phản kháng.
• Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang nghiên cứu chuẩn mực về ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p-q, biến đổi tọa độ Park - Clark và xây dựng mô hình thuật toán điều khiển trên Matlab/Simulink.
• Các đơn vị tư vấn thiết kế và chế tạo thiết bị điện tử công suất: Tham khảo cấu trúc điều khiển dòng PI và mạch lọc tích cực 3 pha để nghiên cứu, phát triển và thương mại hóa các dòng sản phẩm tủ lọc sóng hài tích cực APF sản xuất trong nước.

Câu hỏi thường gặp

Sóng điều hòa bậc cao gây ra những tác hại nghiêm trọng nào đối với hệ thống điện? Sóng hài làm tăng giá trị dòng điện hiệu dụng và điện áp đỉnh, gây tổn hao phát nhiệt lớn trên lõi thép và cuộn dây máy biến áp, làm suy giảm cách điện và gây quá nhiệt tụ bù. Trong thực tế tại lưới Lạng Sơn, sóng hài là nguyên nhân trực tiếp làm tăng tổn thất điện năng kỹ thuật lên mức 3,60% và có nguy cơ làm rơle bảo vệ tác động sai.

Tại sao bộ lọc tích cực song song APF lại vượt trội hơn bộ lọc thụ động LC? Bộ lọc LC thụ động có cấu trúc cố định, chỉ lọc được một số bậc hài định sẵn và dễ gây hiện tượng cộng hưởng nguy hiểm với cảm kháng của lưới điện. Ngược lại, bộ lọc tích cực APF sử dụng van đóng cắt IGBT có khả năng tự động thích nghi linh hoạt, lọc đồng thời nhiều bậc hài biến thiên và nâng cao hệ số công suất cosφ lên trên 0,98.

Nguyên lý tính toán dòng bù dựa trên lý thuyết công suất tức thời p-q hoạt động như thế nào? Lý thuyết p-q thực hiện biến đổi dòng điện và điện áp ba pha từ hệ tọa độ abc sang hệ trực giao α-β để tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng tức thời. Thuật toán sẽ lọc bỏ thành phần một chiều (sóng cơ bản) và giữ lại thành phần xoay chiều (sóng hài), từ đó tổng hợp tín hiệu dòng bù ngược pha để bơm trở lại lưới.

Tiêu chuẩn IEEE 519-2014 quy định giới hạn độ méo sóng hài trên lưới điện phân phối ra sao? Tiêu chuẩn IEEE 519 quy định tổng độ méo sóng hài điện áp THDu tại điểm đấu nối chung có điện áp dưới 69kV không được vượt quá 5,0% (độ méo sóng hài từng bậc không quá 3,0%). Đối với dòng điện, chỉ số THDi cho phép dao động trong ngưỡng từ 5,0% đến 20,0% tùy thuộc vào tỷ số dòng ngắn mạch trên dòng phụ tải (SCR).

Thời gian đáp ứng của bộ lọc tích cực trong các ứng dụng công nghiệp là bao lâu? Nhờ ứng dụng vi điều khiển kỹ thuật số và kỹ thuật điều chế xung PWM tần số cao, các bộ lọc tích cực APF ở dải công suất trung bình (100kVA đến 10MVA) đạt thời gian đáp ứng cực nhanh trong khoảng 10ms đến 20ms, đảm bảo triệt tiêu tức thời các dao động sóng hài phát sinh từ các phụ tải biến thiên liên tục.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích sâu sắc hiện trạng lưới điện Thành phố Lạng Sơn với 9 xuất tuyến trung áp, chỉ rõ nguyên nhân gây tổn thất kỹ thuật ở mức 3,26% - 3,60% do ảnh hưởng từ các phụ tải phi tuyến công nghiệp.
• Xây dựng thành công cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song APF ứng dụng lý thuyết công suất tức thời p-q và kỹ thuật điều chế PWM trên nghịch lưu nguồn áp VSI.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh hiệu quả vượt trội khi kéo giảm hệ số méo dạng dòng điện THDi từ 25,60% xuống 3,24%, đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn IEEE 519.
• Đồng thời thực hiện bù công suất phản kháng nhanh chóng, nâng hệ số công suất cosφ từ 0,78 lên 0,99 và ổn định điện áp hệ thống.
• Đề xuất lộ trình 4 giải pháp khả thi kết hợp giữa đầu tư công nghệ lọc tích cực và quy hoạch lưới điện phân phối đến năm 2025.

Đóng góp của luận văn là cơ sở khoa học và công nghệ vững chắc giúp Công ty Điện lực Lạng Sơn và các doanh nghiệp nâng cao chất lượng điện năng, tiết kiệm điện năng tiêu thụ. Các kỹ sư và nhà quản lý hãy ứng dụng ngay giải pháp bộ lọc tích cực APF để tối ưu hóa hiệu quả vận hành hệ thống điện phân phối.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HIỆN TƯỢNG PHÁT SINH SÓNG HÀI VÀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 1. Tổng quan hiện tượng phát sinh sóng điều hòa bậc cao (sóng hài) trong lưới điện 1. Những vẫn đề cơ bản về sóng điều hòa bậc cao Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong đời sống dân sinh cũng như sản xuất công nghiệp hết sức đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại, đồng nghĩa kéo theo đó là yêu cầu nâng cao khả năng đáp ứng về truyền tải và chất lượng của hệ thống cung cấp điện. Như ta đã biết rằng, điện năng truyền tải trong hệ thống cung cấp điện thông qua việc sử dụng một sóng điện từ có tần số 50 Hz (Việt Nam) hoặc 60 Hz (Mỹ, Nhật), gọi là sóng cơ bản.

Tuy nhiên trong thực tế, do một số nguyên nhân như: Sự cố đường dây, các phụ tải phi tuyến như: tải lò nung, tải bể điện phân, tải bể mạ… làm cho phát sinh phía nguồn hệ thống cung cấp điện các sóng điện từ có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Các sóng này gọi chung là sóng điều hòa bậc cao (hay còn gọi là sóng hài). Sự tồn tại của các sóng điều hòa bậc cao trong hệ thống điện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị điện và đường dây truyền tải. Chúng gây ra hiện tượng: quá áp, méo điện áp lưới và dòng điện, tổn thất điện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng điện năng và gián đoạn cung cấp điện.

Vấn đề đặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng điều hòa bậc cao ra khỏi hệ thống điện. Các thiết bị được sử dụng để loại bỏ sóng điều hòa bậc cao gọi là các bộ lọc. Có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp. Đề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, đảm bảo các yêu cầu đặt ra về chất lượng điện năng cho lưới cung cấp và phân phối điện đến phụ tải.

Tổng quan về sóng điều hòa bậc cao Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp hình sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn có chất lượng tốt. Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng. Khi đó dạng sóng 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] không còn dạng sin [10, 11] được thể hiện trên hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin) Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng điều hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản. Với điều kiện vận hành cân bằng các sóng điều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không: - Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11… - Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8… - Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa 3, 6, 9… Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng điều hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên.

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện nên cần phải chú ý khi tổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao lớn hơn mức độ cho phép. Sóng điều 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hòa dòng điện bậc cao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản. Thí dụ: Ta có dòng điện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần số 50(Hz), suy ra đây là dòng điều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dòng không sử dụng được với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz). Vì vậy nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao.5 f(t) Thành phần cơ bản 1 0.5 Thành phần bậc 5 0 -0.5 Thành phần bậc 7 -1 -1.2: Các thành phần sóng điều hòa Để phân tích sóng chu kỳ không sin thành các sóng điều hoà, ta sử dụng chuỗi Fourier với chu kỳ T(s) và tần số cơ bản f = 1/T (Hz) hoặc ω = 2πf (rad/s), có thể biểu diễn một sóng chu kỳ không sin f(t) theo Fourier như biểu thức sau: (1.1) Trong đó : : Giá trị trung bình Fn: Biên độ của sóng điều hòa bậc n trong chuỗi Fourier Thành phần sóng cơ bản Thành phần sóng cơ bản : Góc pha của sóng điều hòa bậc n Ta có thể viết như sau: (1.2) Ta quy ước: Khi đó ta có thể viết như sau: 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3) Im FFT window: 1 of 10.96 cycles of selected signal 2000 1000 0 -1000 Re Hình 1.3: Phân tích Fn thành an và bn -2000 0.215 Ví dụ phổ của hài được thể hiệnTime như(s)sau: Fundamental (50Hz) = 1205 , THD= 8.40% 8 Mag (% of Fundamental) 6 4 2 0 0 5 10 15 20 Harmonic order Hình 1.4: Phổ của các thành phần điều hòa Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan trọng nhất dùng để đánh giá sóng điều hòa bậc cao.4) X1 Trong đó: X1: Biên độ thành phần cơ bản Xn: Biên độ thành phần điều hòa bậc n.

Từ công thức trên ta có thể đánh giá độ méo dạng dòng điện và điện áp qua hệ số méo dạng như sau: 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail]  Hệ số méo dạng dòng điện:   I n2 n2 THD  (1.5) I1 Trong đó: I1: Biên độ thành phần dòng cơ bản In: Biên độ thành phần dòng điều hòa bậc n.  Hệ số méo dạng điện áp:  U n2 n2 THD  (1.6) U1 Trong đó: U1: Biên độ thành phần điện áp cơ bản Un: Biên độ thành phần điện áp điều hòa bậc n. Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn như IEEE 519-2014, IEC 1000-4-3 về giới hạn thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới, đối với mỗi loại tải qui định THD < 5%, riêng đối với tải kỹ thuật số THD < 3%. Ảnh hưởng của sóng hài và quy định giới hạn thành phần sóng hài trên lưới điện *.

Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng điều hòa bậc cao đó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị đỉnh của dòng điện và điện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau: = (1.8) Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên độ của tín hiệu điện áp hay dòng điện tăng do sóng điều hòa bậc cao, sẽ dẫn đến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách điện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn. Ảnh hưởng của sóng điều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau: 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail]  Các máy điện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của động cơ tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao động cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…  Các thiết bị đóng cắt: Làm tăng nhiệt độ và tổn hao trên thiết bị; Có thể gây hiện tượng khó đóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn đến tuổi thọ của thiết bị giảm…  Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác động sai, tác động ngược, …  Các tụ điện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất điện môi (làm giảm dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…  Các dụng cụ đo: Ảnh hưởng đến sai số của các thiết bị sử dụng đĩa cảm ứng, như: điện kế, rơ le quá dòng…  Thiết bị điều khiển điện tử công suất: Việc điện áp bị méo có thể gây ra trường hợp xác định điểm không để tính góc mở cho các khóa điện tử công suất bị sai, làm cho mạch hoạt động không chính xác… * Giới hạn về thành phần sóng điều hòa bậc cao trên lưới điện. Trên thế giới đưa ra một số tiêu chuẩn: - IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp: Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu điện áp Điện áp tại điểm nối Nhiễu điện áp từng loại Nhiễu điện áp tổng chung sóng điều hòa(%)= cộng các loại sóng điều hòa THD (%) ≤ 69 KV 3,0 5,0 Trên 69 KV đến 161KV 1,5 2,5 Trên 161 KV 1,0 1,5 - IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện cho hệ thống phân phối chung (từ 120V đến 69KV) (tính theo % của Itải). 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng điện Tỷ số ngắn h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h<35 35≤h THD mạch(SCR=ISC/Itải) <20 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 5,0 Từ 20 đến 50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 8,0 Từ 50 đến 100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 12,0 Từ 100 đến 1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 15,0 Trên 1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 20,0  Hài bậc chẵn được giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên  h: Bậc của sóng điều hòa - IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng đầu vào mỗi pha trên 75A Bảng 1.3: IEC 1000-3-4 Bậc sóng điều Giá trị (%) Bậc sóng điều Giá trị (%) hòa (n) hòa (n) chấp nhận.

Một số nguyên nhân phát sinh sóng hài Nguồn tạo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện được tạo ra bởi các tải phi tuyến. Các thiết bị điện tử công suất Các thiết bị điện tử công suất bản thân được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như Diot, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến gây nên các sóng điều hòa bậc cao. Tùy theo cấu trúc của các bộ biến đổi mà có thể sinh ra các dạng sóng điều hòa khác nhau. Thông thường, để hạn chế sóng điều hòa bậc cao, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng số van trong mạch chỉnh lưu lên.

Tuy nhiên khi chọn giải pháp như vậy sẽ dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất điện áp lớn… *. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.5: Mô hình bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển Hình 1.6: Dòng điện phía nguồn cung cấp sinh ra bởi bộ chỉnh lưu cầu diode 1 pha không điều khiển 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.7: Dạng dòng điện phía nguồn và phổ tần *. Kiểm tra với bộ chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển cung cấp cho một phụ tải R-L nối tiếp có mô hình như hình 1.