Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế phát triển công nghiệp và hiện đại hóa hệ thống năng lượng, chất lượng điện năng không chỉ dừng lại ở việc đáp ứng công suất phụ tải mà còn đòi hỏi độ chuẩn hóa cao về mặt dạng sóng điện áp và dòng điện. Tại khu vực thành phố Lạng Sơn, nguồn điện phân phối chủ yếu được cung cấp từ Trạm biến áp 110kV E13.2 với quy mô công suất 2 x 40 MVA (115/35/22kV), vận hành thông qua 9 xuất tuyến trung thế trải dài trên tổng chiều dài đường dây 995,697 km và phục vụ 812 trạm biến áp phân phối cho 96.820 khách hàng. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của các phụ tải phi tuyến công nghiệp như lò hồ quang, bể mạ điện, máy biến tần và bộ chỉnh lưu công suất lớn đã làm phát sinh các thành phần sóng điều hòa bậc cao (sóng hài). Thực trạng này gây ra hiện tượng méo dạng điện áp, làm tăng tổn thất kỹ thuật của hệ thống từ 3,26% lên 3,60% và đẩy tỷ lệ tổn thất điện năng tổng thể duy trì ở mức 4,31% đến 4,83%.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá thực trạng phân bố sóng hài trên lưới điện phân phối thành phố Lạng Sơn, từ đó nghiên cứu, thiết kế cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song (Shunt Active Power Filter - AFn) nhằm triệt tiêu sóng điều hòa bậc cao và bù công suất phản kháng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ hệ thống lưới điện trung thế 22kV và 35kV trên địa bàn thành phố Lạng Sơn, với trọng tâm là các nút phụ tải công nghiệp có mức độ phát xạ sóng hài lớn trong giai đoạn 2015 - 2020. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được lượng hóa rõ nét qua mục tiêu đưa hệ số méo dạng tổng của dòng điện (THD) từ mức trên 25% về dưới ngưỡng tiêu chuẩn 5,0% theo IEEE 519-2014, đồng thời nâng cao hệ số công suất của lưới điện lên trên 0,95, góp phần giảm thiểu chi phí tổn thất và gia tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết sóng điều hòa bậc cao và kỹ thuật xử lý tín hiệu công suất hiện đại. Bất kỳ tín hiệu điện áp hoặc dòng điện tuần hoàn không hình sin nào cũng được phân tích thành chuỗi Fourier vô hạn, bao gồm thành phần tần số cơ bản 50 Hz và các thành phần sóng hài có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản. Để đánh giá mức độ biến dạng của dạng sóng, chỉ số hệ số méo dạng tổng dòng điện và điện áp (THD) được sử dụng làm thước đo định lượng chuẩn theo các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE std 519-2014 và IEC 1000-4-3.

Trọng tâm lý thuyết của đề tài là ứng dụng lý thuyết công suất tức thời (lý thuyết p-q của tác giả Akagi) trên hệ tọa độ trực giao $\alpha\beta0$ kết hợp với khung tọa độ quay đồng bộ $dq$ (biến đổi Park). Mô hình toán học này cho phép phân tách chính xác công suất tác dụng tức thời và công suất phản kháng tức thời thành hai thành phần: thành phần một chiều (tương ứng với sóng cơ bản) và thành phần xoay chiều (tương ứng với các bậc sóng hài). Cấu trúc bộ lọc tích cực song song sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) 3 pha kết hợp mạch khóa bán dẫn IGBT, được điều khiển thông qua bộ điều khiển dòng PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). Hệ thống này tạo ra dòng điện bù có độ lớn tương đương nhưng ngược pha hoàn toàn với thành phần sóng hài của tải, từ đó triệt tiêu triệt để các sóng hài bậc cao trên đường dây nguồn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ cơ sở dữ liệu vận hành thực tế của Công ty Điện lực Lạng Sơn trong giai đoạn 2015 - 2018. Số liệu bao gồm thông số kỹ thuật của 9 xuất tuyến trung thế (4 lộ 35kV gồm 373, 374, 375, 376 và 5 lộ 22kV gồm 471, 472, 473, 474, 476), cấu trúc mạng dây dẫn 995,697 km, tổng dung lượng 215.550,5 kVA của 812 máy biến áp, cùng các biểu đồ phụ tải cực đại và cực tiểu.

Về cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu toàn bộ đối với 9 lộ đường dây trung thế sau trạm 110kV E13.2 để tính toán trào lưu công suất và tổn thất lưới điện. Đồng thời, phương pháp chọn mẫu có chủ đích được thực hiện để khảo sát chi tiết 3 cụm phụ tải phi tuyến điển hình có công suất phát xạ sóng hài lớn nhất trên địa bàn: Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn (xưởng cơ khí, bể mạ), Công ty TNHH Bảo Long (lò hồ quang, xưởng đúc) và Công ty Cổ phần Xi măng Lạng Sơn (hệ truyền động động cơ lớn, bộ chỉnh lưu công suất).

Phương pháp phân tích được thực hiện bằng mô phỏng số trên môi trường phần mềm Matlab/Simulink. Lý do lựa chọn phương pháp này là tính ưu việt trong việc giải các phương trình vi phân phi tuyến phức tạp của các bộ biến đổi công suất, cho phép mô phỏng chính xác đáp ứng động học tức thời của bộ lọc trong phạm vi mili-giây, kiểm tra độ ổn định của vòng điều khiển PI và đo lường trực quan hệ số THD qua thuật toán biến đổi Fourier nhanh (FFT). Toàn bộ quá trình nghiên cứu và mô phỏng được thực hiện hoàn tất trong giai đoạn 2019 - 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích hiện trạng lưới điện thành phố Lạng Sơn và mô phỏng hệ thống đã chỉ ra các phát hiện mang tính then chốt:

Thứ nhất, các phụ tải công nghiệp sử dụng bộ chỉnh lưu 1 pha và 3 pha không điều khiển hoặc điều khiển trực tiếp bằng Thyristor tạo ra dòng điện nguồn biến dạng nghiêm trọng dạng xung nhọn và răng cưa. Phổ tần số sóng hài tập trung chủ yếu ở các bậc lẻ bậc 5, 7, 11 và 13. Khi chưa có bộ lọc, hệ số méo dạng dòng điện tổng THD của phụ tải phi tuyến đo được lên tới 28,40%, vượt xa ngưỡng quy định 5,0% của tiêu chuẩn IEEE 519-2014.

Thứ hai, tính toán phân bố công suất cho thấy tổn thất kỹ thuật tập trung rất lớn ở các lộ trung thế mang tải cao. Cụ thể, lộ 373 (công suất cực đại 19,5 MW, chiều dài 614,51 km) có tỷ lệ tổn thất công suất lên tới 6,62%; lộ 472 (công suất cực đại 6,3 MW) có mức tổn thất công suất là 3,71%. Tổn thất điện năng kỹ thuật toàn thành phố tăng đều qua các năm: 3,26% năm 2015; 3,40% năm 2016; 3,50% năm 2017 và chạm mức 3,60% vào năm 2018.

Thứ ba, khi tích hợp mô hình bộ lọc tích cực song song AFn sử dụng giải thuật công suất tức thời $p-q$ và bộ điều khiển PI, chất lượng điện năng được cải thiện vượt bậc. Dạng sóng dòng điện nguồn từ trạng thái biến dạng méo mó đã được nắn chỉnh trở lại dạng sóng hình sin chuẩn xác. Hệ số méo dạng THD của dòng điện pha nguồn giảm từ 28,40% xuống chỉ còn 2,15% (giảm hơn 13 lần), đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn kỹ thuật điện lực quốc tế.

Thứ tư, hệ thống lọc tích cực chứng minh khả năng bù công suất phản kháng tức thời xuất sắc. Hệ số công suất $\cos\varphi$ của hệ thống được nâng từ mức thấp 0,76 - 0,82 lên xấp xỉ 0,98. Công suất phản kháng truyền tải từ nguồn giảm về gần bằng 0, giải phóng dung lượng truyền tải cho đường dây và trạm biến áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự méo dạng dòng điện bắt nguồn từ đặc tính đóng cắt phi tuyến của các linh kiện bán dẫn công suất trong các nhà máy sản xuất cơ khí, xi măng và luyện kim. Dòng điện phi tuyến chạy qua tổng trở đường dây tạo nên sụt áp méo dạng, lan truyền sóng hài điện áp ngược trở lại lưới điện chung 22kV/35kV. Điều này giải thích vì sao tổn thất kỹ thuật của thành phố Lạng Sơn liên tục tăng trong giai đoạn 2015 - 2018 cùng với tốc độ mở rộng phụ tải công nghiệp.

Về phương thức trực quan hóa, toàn bộ dữ liệu động học được biểu diễn trực quan qua các biểu đồ phổ tần số FFT (Fast Fourier Transform), đồ thị sóng dòng điện 3 pha theo miền thời gian trước và sau khi kích hoạt bộ lọc, cùng bảng ma trận so sánh chi tiết các chỉ số điện áp, dòng điện, công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q và hệ số $\cos\varphi$. Sự tương phản rõ rệt giữa dạng sóng dòng điện trước thời điểm 0,4 giây (khi chưa có lọc) và sau thời điểm 0,4 giây (khi bộ lọc hoạt động) là minh chứng xác thực cho tốc độ đáp ứng động học cực nhanh của bộ điều khiển.

So sánh với các giải pháp lọc thụ động LC truyền thống (dễ gây ra hiện tượng cộng hưởng song song nguy hiểm và chỉ lọc được một số tần số cố định), giải pháp bộ lọc tích cực song song AFn chứng minh tính ưu việt vượt trội về khả năng tự động thích ứng linh hoạt khi phụ tải thay đổi liên tục, triệt tiêu đồng thời nhiều bậc sóng hài mà không làm phát sinh nguy cơ cộng hưởng lưới.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng lưới điện thành phố Lạng Sơn:

Thứ nhất, triển khai lắp đặt thí điểm hệ thống bộ lọc tích cực song song (Shunt APF) dung lượng từ 150 kVA đến 500 kVA tại thanh cái hạ áp của các trạm biến áp chuyên dùng có mức phát xạ sóng hài lớn (Công ty Cổ phần Xi măng Lạng Sơn, Công ty Cổ phần Xây lắp điện Lạng Sơn). Mục tiêu đưa chỉ số THD dòng điện tại điểm đấu nối chung (PCC) xuống dưới 4,0% và nâng hệ số $\cos\varphi \ge 0,95$ trong khung thời gian 6 đến 12 tháng. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp tiêu thụ điện lớn phối hợp cùng Công ty Điện lực Lạng Sơn.

Thứ hai, thực hiện nâng cấp, cải tạo tiết diện dây dẫn và chuyển đổi đồng bộ toàn bộ lưới điện trung thế 35kV cũ nát, non tải sang cấp điện áp chuẩn hóa 22kV. Ưu tiên phân kỳ san tải khẩn cấp cho các xuất tuyến có mức mang tải và tổn thất cao như Lộ 373 (Pmax 19,5 MW) và Lộ 473 (Pmax 11,0 MW), nhằm mục tiêu cắt giảm từ 0,3% đến 0,5% tỷ lệ tổn thất kỹ thuật của toàn thành phố giai đoạn 2021 - 2023. Chủ thể thực hiện là Phòng Kỹ thuật và Quản lý Đầu tư - Công ty Điện lực Lạng Sơn.

Thứ ba, tích hợp các thiết bị đo lường và giám sát chất lượng điện năng trực tuyến (Power Quality Analyzer) trang bị thuật toán phân tích sóng hài thời gian thực tại Trạm biến áp 110kV E13.2 Lạng Sơn. Mục tiêu hoàn thành trong năm 2022 do Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Bắc và Công ty Điện lực Lạng Sơn chủ trì vận hành.

Thứ tư, xây dựng và ban hành quy chế kiểm soát phát xạ sóng hài đối với các khách hàng công nghiệp đấu nối vào lưới điện trung áp. Áp dụng cơ chế biểu giá thưởng/phạt nghiêm ngặt đối với các phụ tải có hệ số $\cos\varphi < 0,90$ hoặc vi phạm giới hạn sóng hài theo quy chuẩn kỹ thuật của Bộ Công Thương và tiêu chuẩn IEEE 519-2014, có hiệu lực từ quý 1 năm 2022 dưới sự giám sát của Sở Công Thương tỉnh Lạng Sơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

  1. Kỹ sư quản lý và điều độ vận hành lưới điện phân phối: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn xác trong việc tính toán trào lưu công suất, đánh giá tổn thất kỹ thuật trên lưới điện 22kV/35kV và xác định tọa độ lắp đặt tối ưu cho các thiết bị bù chất lượng điện năng.
  2. Cán bộ kỹ thuật, quản lý năng lượng tại các doanh nghiệp công nghiệp: Vận dụng trực tiếp cấu trúc thiết kế bộ lọc tích cực và giải pháp bù công suất phản kháng để bảo vệ dây chuyền tự động hóa, giảm nhiệt độ vận hành động cơ, tăng tuổi thọ máy biến áp và loại bỏ tiền phạt công suất phản kháng.
  3. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Điện tử công suất: Khai thác mô hình toán học giải thuật công suất tức thời $p-q$, biến đổi tọa độ Clark/Park và cấu trúc điều khiển PI-PWM trên Matlab/Simulink làm tài liệu tham khảo nghiên cứu chuyên sâu.
  4. Chuyên gia tư vấn thiết kế hệ thống điện và cơ quan quản lý nhà nước: Sử dụng số liệu khảo sát thực tế và phân tích kỹ thuật để xây dựng định mức kinh tế kỹ thuật, tiêu chuẩn đấu nối phụ tải công nghiệp và các chính sách nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

1. Sóng hài bậc cao phát sinh từ những nguồn nào trên lưới điện thành phố Lạng Sơn và gây ra những tác hại gì?
Sóng hài phát sinh chủ yếu từ các phụ tải phi tuyến công nghiệp như lò hồ quang, bể mạ điện của Công ty CP Xây lắp điện và bộ biến đổi truyền động tại Công ty CP Xi măng Lạng Sơn. Tác hại chính gồm làm méo dạng sóng điện áp, gây phát nóng quá mức làm hỏng cách điện máy biến áp, tăng tổn thất kỹ thuật lên 3,60% và làm sai lệch thiết bị đo đếm điện năng.

2. Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên lựa chọn bộ lọc tích cực song song (AFn) thay vì bộ lọc thụ động LC truyền thống?
Bộ lọc thụ động LC có chi phí thấp nhưng nhược điểm lớn là chỉ lọc được các tần số cố định, kích thước cồng kềnh và dễ gây ra hiện tượng cộng hưởng song song làm khuếch đại dòng hài nguy hiểm. Ngược lại, bộ lọc tích cực AFn có khả năng triệt tiêu đồng thời nhiều bậc sóng hài, tự động thích ứng với phụ tải biến thiên liên tục và tích hợp chức năng bù công suất phản kháng linh hoạt.

3. Tiêu chuẩn IEEE 519-2014 quy định giới hạn độ méo sóng hài dòng điện và điện áp như thế nào?
Theo IEEE 519-2014, tại cấp điện áp dưới 69kV, tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) tại điểm đấu nối chung không được vượt quá 5,0%, trong đó thành phần sóng hài đơn lẻ không quá 3,0%. Đối với dòng điện, giới hạn THD dao động từ 5,0% đến 20,0% tùy thuộc vào tỷ số ngắn mạch (SCR) của hệ thống điện tại điểm đấu nối phụ tải.

4. Giải thuật công suất tức thời p-q hoạt động như thế nào trong việc tạo dòng điện bù sóng hài?
Giải thuật $p-q$ chuyển đổi tín hiệu điện áp và dòng điện 3 pha từ hệ tọa độ $abc$ sang hệ tọa độ trực giao $\alpha\beta0$. Từ đó, công suất tác dụng và phản kháng tức thời được tính toán và phân tách thành phần một chiều (cơ bản) và xoay chiều (sóng hài). Mạch điều khiển sẽ tính toán dòng điện bù $i_C$ ngược pha chính xác với thành phần xoay chiều để bơm ngược lại lưới.

5. Ứng dụng kết quả nghiên cứu này mang lại lợi ích kinh tế cụ thể gì cho ngành điện lực địa phương?
Ứng dụng giải pháp giúp hạ chỉ số THD dòng điện từ 28,40% xuống 2,15%, nâng hệ số công suất $\cos\varphi$ lên trên 0,95. Điều này giúp giảm tỷ lệ tổn thất kỹ thuật của lưới điện từ mức 3,60% hiện tại, kéo dài tuổi thọ cho 812 máy biến áp phân phối, giảm nguy cơ sự cố nhảy rơle bảo vệ sai và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí vận hành hàng năm.

Kết luận

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu khoa học và thực tiễn đề ra thông qua các đóng góp nổi bật:

  • Khảo sát và số hóa toàn diện bức tranh vận hành của 995,697 km đường dây trung thế, 812 trạm biến áp và phân tích hiện trạng tổn thất điện năng kỹ thuật 3,60% tại thành phố Lạng Sơn.
  • Định danh và phân tích chính xác đặc tính phát sinh sóng hài bậc cao từ các phụ tải công nghiệp điển hình như xưởng cơ khí, lò hồ quang, bể mạ và nhà máy xi măng.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu trúc điều khiển bộ lọc tích cực song song AFn dựa trên lý thuyết công suất tức thời $p-q$, bộ điều khiển dòng PI và kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM.
  • Kiểm chứng hiệu quả xuất sắc trên mô hình mô phỏng Matlab/Simulink khi giảm chỉ số THD dòng điện từ 28,40% xuống còn 2,15%, đồng thời nâng hệ số công suất $\cos\varphi$ lên 0,98.
  • Đề xuất lộ trình 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, quản lý và chính sách có tính khả thi cao nhằm cải thiện triệt để chất lượng điện năng cho địa phương.

Về kế hoạch tiếp theo, ngành điện địa phương cần tiến hành chế tạo thử nghiệm mô hình mẫu bộ lọc tích cực công suất nhỏ (pilot project) để lắp đặt thực địa tại một trạm biến áp phân phối công nghiệp trong vòng 12 tháng tới. Các cấp quản lý, kỹ sư và doanh nghiệp tiêu thụ điện cần chủ động phối hợp ứng dụng ngay giải pháp lọc tích cực này nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành và xây dựng lưới điện thông minh, an toàn, hiệu quả.