Luận văn thạc sĩ về ứng dụng thiết bị điều áp DVR trong khắc phục sụt áp lưới điện TP.HCM

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật điện ứng dụng thiết bị điều áp động dvr nhằm khắc phục hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Trần Duy Lương
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Nhật Nam
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Ứng Dụng Thiết Bị Điều Áp Động (DVR) Nhằm Khắc Phục Hiện Tượng Sụt Áp Ngắn Hạn Trên Lưới Điện Phân Phối TP HCM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Trong bối cảnh hiện nay, sụt áp ngắn hạn trên lưới điện là một vấn đề nghiêm trọng, đặc biệt tại TP.HCM, nơi có mật độ tiêu thụ điện năng cao. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng này bao gồm sự cố ngắn mạch, khởi động động cơ lớn và các thay đổi đột ngột trong tải. Việc sử dụng thiết bị điều áp động (DVR) đã được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để khắc phục vấn đề này. DVR hoạt động bằng cách cung cấp điện áp bù cho các phụ tải nhạy cảm, từ đó giảm thiểu thiệt hại kinh tế và cải thiện chất lượng điện năng cho lưới điện. Theo nghiên cứu, DVR không chỉ giúp khắc phục sụt áp mà còn giảm thiểu độ biến dạng sóng hài, cải thiện toàn diện chất lượng điện năng.

II. Tổng quan về sụt áp ngắn hạn

Sụt áp ngắn hạn là hiện tượng mà trong đó điện áp hiệu dụng giảm xuống dưới 0,9 pu trong thời gian ngắn. Đây là một trong những vấn đề phổ biến trong hệ thống điện và có thể gây ra thiệt hại lớn cho các thiết bị điện tử nhạy cảm. Nghiên cứu cho thấy, hơn 90% các sự kiện sụt áp là do sự cố ngắn mạch. Để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, các tiêu chuẩn như SEMI F47 đã được đưa ra để xác định ngưỡng chịu đựng của thiết bị điện. Việc áp dụng các biện pháp khắc phục, bao gồm cả việc lắp đặt DVR, là cần thiết để đảm bảo chất lượng điện năng cho các phụ tải quan trọng.

2.1 Nguyên nhân gây sụt áp ngắn hạn

Nguyên nhân chính dẫn đến sụt áp ngắn hạn bao gồm ngắn mạch trong lưới điện, khởi động động cơ lớn và các tác động từ bên ngoài như thời tiết. Những nguyên nhân này thường tạo ra các dao động điện áp đột ngột, ảnh hưởng đến các thiết bị điện trong hệ thống. Việc phân tích nguyên nhân là bước quan trọng để tìm ra các giải pháp khắc phục hiệu quả.

2.2 Các biện pháp hạn chế sụt giảm điện áp

Để hạn chế sụt áp, có thể áp dụng nhiều biện pháp khác nhau như cải thiện cấu trúc lưới điện, giảm thời gian loại trừ sự cố và sử dụng các thiết bị như DVR. Việc lắp đặt DVR giúp cung cấp điện áp bù kịp thời, từ đó cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu thiệt hại cho các phụ tải nhạy cảm.

III. Giới thiệu về thiết bị điều áp động DVR

DVR là một thiết bị điện tử công suất được thiết kế để khắc phục sụt áp ngắn hạn. Nó hoạt động bằng cách cung cấp một điện áp bù cho các phụ tải nhạy cảm trong thời gian ngắn. Cấu trúc của DVR bao gồm bộ cấp năng lượng, bộ biến đổi (inverter) và bộ lọc tần số chuyển mạch. DVR có khả năng phản ứng nhanh chóng với các thay đổi về điện áp, từ đó đảm bảo rằng các thiết bị điện luôn hoạt động trong ngưỡng cho phép. Theo nghiên cứu, việc sử dụng DVR đã chứng minh hiệu quả trong việc cải thiện chất lượng điện năng và bảo vệ các phụ tải quan trọng khỏi các hiện tượng bất thường.

3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của DVR

Cấu trúc của DVR bao gồm nhiều thành phần quan trọng như bộ biến đổi (inverter) và máy biến áp ghép nối tiếp. Bộ biến đổi có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện áp xoay chiều phù hợp với yêu cầu của lưới điện. Nguyên lý hoạt động của DVR dựa trên việc đo lường điện áp lưới và cung cấp điện áp bù kịp thời, từ đó khôi phục điện áp về mức cho phép.

3.2 Các chế độ hoạt động của DVR

DVR có thể hoạt động trong nhiều chế độ khác nhau, bao gồm chế độ bảo vệ và chế độ điều chỉnh điện áp. Trong chế độ bảo vệ, DVR sẽ tự động cung cấp điện áp bù khi phát hiện sụt áp. Điều này giúp giảm thiểu thiệt hại cho các thiết bị điện và đảm bảo rằng chất lượng điện năng luôn được duy trì ở mức tối ưu.

IV. Đánh giá hiệu quả của DVR trên lưới điện TP

Nghiên cứu về việc lắp đặt DVR tại các trạm điện phân phối tại TP.HCM cho thấy thiết bị này có khả năng cải thiện đáng kể chất lượng điện năng. Việc mô phỏng bằng phần mềm Mathlab/Simulink cho thấy DVR có thể cung cấp điện áp bù hiệu quả trong các tình huống sụt áp khác nhau. Kết quả cho thấy, việc lắp đặt DVR không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại cho các thiết bị nhạy cảm mà còn cải thiện độ ổn định của lưới điện. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng cho các phụ tải công nghiệp và dân dụng tại khu vực này.

4.1 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả

Sử dụng phần mềm mô phỏng Mathlab/Simulink, việc lắp đặt DVR trên lưới điện 22kV cho thấy khả năng khôi phục điện áp nhanh chóng và hiệu quả. Các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng DVR có thể giảm thiểu thiệt hại cho các thiết bị điện trong các trường hợp sụt áp nghiêm trọng.

4.2 Tác động đến chất lượng điện năng

Việc lắp đặt DVR không chỉ giúp khắc phục sụt áp mà còn cải thiện chất lượng điện năng tổng thể. Các nghiên cứu chỉ ra rằng DVR có thể giảm thiểu độ biến dạng sóng hài và cải thiện độ ổn định của điện áp, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện trong lưới phân phối.

V. Kết luận và hướng phát triển

Luận văn đã chứng minh rằng việc ứng dụng thiết bị điều áp DVR là một giải pháp hiệu quả để khắc phục sụt áp ngắn hạn trên lưới điện TP.HCM. DVR không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện năng mà còn bảo vệ các phụ tải nhạy cảm khỏi các hiện tượng bất thường. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc mở rộng ứng dụng DVR trên các lưới điện khác và nghiên cứu thêm về các công nghệ mới trong lĩnh vực điều áp điện năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Sụt giảm điện áp ngắn hạn (voltage sag) là hiện tượng CLĐN mà trong đó trị số hiệu dụng của điện áp giảm xuống dưới 0,9 pu trong thời gian dưới 1 phút. Nguyên nhân chính dẫn đến sụt giảm điện áp ngắn hạn chủ yếu là do ngắn mạch trong lưới điện, khởi động các động cơ, đóng điện không tải máy biến áp, trong đó ngắn mạch là nguyên nhân dẫn đến trên 90% các sự kiện sụt giảm điện áp ngắn hạn trong hệ thống điện. Hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn có thể gây nên những hậu quả thiệt hại nặng nề về kinh tế, khi các thiết bị điện nhạy cảm với CLĐN nói chung và sụt giảm điện áp ngắn hạn nói riêng ngày càng được sử dụng nhiều trong lưới điện, đặc biệt là các thiết bị ứng dụng các linh kiện điện tử công suất. Tại Việt Nam gần đây, nhiều khiếu nại của khách hàng sử dụng điện có liên quan đến hậu quả của sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối đang đặt ra các vấn đề lớn về đảm bảo CLĐN cho phía cấp điện.

Có nhiều giải pháp mà trong đó, hiện nay, sử dụng các thiết bị FACTS như bộ điều áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) kết nối nối tiếp trong mạch điện là hướng giải quyết ngày càng được áp dụng rộng rãi, do giá thành ngày càng giảm của các thiết bị điện tử công suất. Về cách thức thực hiện thì có 2 cách tiếp cận. Thứ nhất là khách hàng sẽ bỏ tiền ra để mua thiết bị FACTS để bảo vệ cho riêng họ. Trong trường hợp đó, thường khách hàng sẽ ngại đầu tư vào lưới có CLĐN thấp và giải pháp này chỉ là thụ động.

Thứ hai là đảm bảo CLĐN ngay cho lưới điện. Khi đó, chính phía cấp điện là người đầu tư cho thiết bị FACTS. Từ đó CLĐN sẽ được cải thiện một cách tổng thể cho cả lưới một cách chủ động. Hiện nay trên lưới điện phân phối của TPHCM, đã có quy định đối với điện áp được kết nối với khách hàng chỉ cho phép dao động điện áp trong khoảng ±5%, tuy nhiên trên lưới điện không thể tránh khỏi các hiện tượng sụt giảm điện áp (voltage sag, voltage dip) do các nguyên nhân chủ quan và khách quan khác nhau.

Mặc dù đã sử dụng chức năng relay 90 (bộ điều chỉnh điện áp tự động) cho việc điều chỉnh điện áp về ngưỡng cho phép, tuy nhiên Họ và tên: Trần Duy Lương MSHV: 1970043 2 thời gian đáp ứng khoảng 5 phút khi có hiện tượng điện áp bất thường. Do đó, trong khoảng thời gian này nếu các khách hàng yêu cầu CLĐN cao sẽ bị hư hỏng các thiết bị. Tuy nhiên trên lưới điện TP.HCM chưa áp dụng các thiết bị điện tử công suất như DVR nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối. Sở dĩ có vấn đề này là vì bên quản lý lưới phân phối là các công ty điện lực chưa thật sự quan tâm đến việc ứng dụng của các thiết bị FACTS.

Với những lý do trên, luận văn với đề tài: “Ứng dụng thiết bị điều áp động (DVR) nhằm khắc phục hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên lưới điện phân phối TP HCM” Được tác giả đặt ra nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới điện phân phối TP. Tình hình nghiên cứu: Được ứng dụng lắp đặt lần đầu trên lưới trung thế 12.47 kV phục vụ cho nhà máy sản xuất và dệt sợi tự động tại công ty Duke Power (North Carolina, Hoa Kỳ) tháng 8 năm 1996 [1]. Với các kết quả thử nghiệm thành công ban đầu từ việc xây dựng mô hình DVR nguyên mẫu được công bố trong tài liệu [1]. Từ đó cho đến nay, ngày càng có nhiều các công trình nghiên cứu về thiết bị DVR.

Trong đó tập trung vào việc nâng cao hiệu suất của DVR với nhiều cấu trúc liên kết DVR khác nhau đưa ra, các giải pháp phát triển và nâng cấp bộ lưu trữ năng lượng, bộ biến đổi và hệ thống điều khiển trong DVR [2], [3], Tuy nhiên, lại ít có tài liệu phân tích, đưa ra các giải pháp cụ thể để ứng dụng lắp đặt thiết bị DVR thực tế trên lưới, cụ thể là lưới điện phân phối: tài liệu [4] đưa ra các giải pháp lựa chọn thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng khảo sát thiết bị DVR trên lưới điện phân phối 6.6 kV sử dụng phần mềm EMTDC/PSCAD, nhưng chưa đưa ra các trường hợp thực tế trên lưới để kiểm chứng; tài liệu [5] mô phỏng, khảo sát đánh giá độ hiệu quả của DVR so với UPS trong việc chống sụt áp ngắn hạn 1 pha cho lưới điện phân phối ở Sri Lanka sử dụng phần mềm EMTDC/PSCAD, nhưng lại chưa chi tiết trong việc xây dựng mô hình hóa và đưa ra các trường hợp khảo sát cụ thể. Những hạn chế này có thể khiến cho các khách hàng, Họ và tên: Trần Duy Lương MSHV: 1970043 3 công ty điện lực gặp khó khăn trong việc tiếp cận áp dụng thiết bị DVR cải thiện chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối. Ở Việt Nam, dù đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu nhưng cho đến nay có khá ít các tài liệu trong nước đề cập đến thiết bị DVR cho thấy mức độ ít phổ biến của thiết bị này ở nước ta. Dù vậy vẫn có 2 bài báo trong nước nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị DVR đáng chú ý là: • “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị phục hồi điện áp động để ngăn chặn sụt áp ngắn hạn trên lưới điện phân phối” [6] của tác giả Ngô Minh Khoa, Đoàn Đức Tùng nghiên cứu việc sử dụng bộ lọc Kalman tuyến tính được sử dụng để ước lượng biên độ điện áp ba pha và phát hiện sụt áp ngắn hạn nhanh hơn so với phương pháp biến đổi Fourier thông thường, các kết quả nghiên cứu được mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

• “Thiết kế mô phỏng và thực nghiệm bộ khôi phục điện áp động (DVR) cho bù lõm điện áp trên lưới điện công nghiệp” [7] của tác giả Trần Duy Trinh, Nguyễn Văn Liễn, Trần Trọng Minh và Nguyễn Hoàng Mai đã trình bày các thủ tục thiết kế chi tiết về cấu hình công suất và vị trí lắp đặt cho một DVR. Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink và mô hình thực nghiệm DVR với công suất 5kVA trong phòng thí nghiệm. Những kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong đề tài chứng minh độ hiệu quả chống sụt áp ngắn hạn của DVR, làm cơ sở để áp dụng DVR trong thực tế. Hai bài báo trên dù đã đem đến những kết quả tích cực ban đầu cho việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị DVR ở Việt Nam.

Nhưng cũng cho thấy rằng việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị DVR trong việc chống sụt áp ngắn hạn vẫn chưa được đi sâu vào 1 trường hợp thực tế cụ thể. Do đó, luận văn lựa chọn đề tài “Ứng dụng thiết bị điều áp động (DVR) nhằm khắc phục hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên lưới điện phân phối TP HCM”, với mục tiêu chính là mô phỏng khảo sát, đánh giá hiệu quả của việc chống sụt áp ngắn hạn của DVR để áp dụng cho lưới điện phân phối 22kV trạm Intel, hiện đang bị ảnh hưởng lớn bởi sụt áp ngắn hạn trên lưới. Họ và tên: Trần Duy Lương MSHV: 1970043 4 Mục tiêu nghiên cứu: Luận văn nghiên cứu đánh giá một số CLĐN và xem xét các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới điện phân phối TP.HCM với các mục tiêu cụ thể sau: 1. Xây dựng mô hình lưới điện phân phối và ứng dụng DVR nhằm khắc phục hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối.

Khảo sát các hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối do ngắn mạch, mất nguồn phía lưới truyền tải, khởi động động cơ lớn… 3. Nghiên cứu đánh giá độ hiệu quả của bộ DVR nhằm khắc phục hiện tượng sụt áp ngắn hạn trên lưới điện phân phối. Bổ sung khảo sát và đánh giá độ hiệu quả của bộ DVR trong việc cải thiện chất lượng điện áp khi xuất hiện các hiện tượng bất thường điện áp khác trên lưới điện phân phối như quá điện áp, mất cân bằng áp. Trong ba mục tiêu trên, mục tiêu (1,2,3) là mục tiêu chính của luận văn, xây dựng mô hình và giả lập các hiện tượng có thể xảy ra dẫn đến sụt áp ngắn hạn trên lưới điện phân phối để chứng minh tính hiệu quả của việc sử dụng thiết bị DVR trên lưới điện.

Còn mục tiêu (4) cho thấy các hiệu quả khác của DVR trong việc cải thiện chất lượng điện áp cho lưới điện khi xuất hiện các trường hợp bất thường khác gây ảnh hưởng điện áp. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là giải pháp nâng cao CLĐN sử dụng thiết bị DVR ở lưới điện phân phối 22kV trên địa bàn TP.HCM trên tuyến dây có khách hàng quan trọng có yêu cầu về cải thiện chất lượng điện áp. Phương pháp nghiên cứu: Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm đánh giá tác dụng của DVR với các vấn đề CLĐN gồm sụt áp ngắn hạn do ngắn mạch, mở máy động cơ lớn, ảnh hưởng từ Họ và tên: Trần Duy Lương MSHV: 1970043 5 lưới truyền tải. Toàn bộ các mô hình trên được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink.

Các trường hợp mô phỏng sẽ đánh giá hiệu quả cải thiện điện áp của DVR dựa trên các đường cong chịu đựng điện áp của các thiết bị bán dẫn, điện tử công suất được đề cập trong các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 1159, SEMI F47. Ý nghĩa của đề tài: Với những vấn đề đặt ra và các mục tiêu đề ra của luận văn, những điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính: + Ý nghĩa khoa học: Do chưa có nghiên cứu nào ở Cty ĐL Tp.HCM về ứng dụng thiết bị DVR để cải thiện CLĐN đối với hệ thống điện phân phối nên nghiên cứu này có thể xem như một trong những hướng nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này tại Cty ĐL Tp. Luận văn này sẽ cố gắng xây dựng mô hình toán mô tả tác dụng của thiết bị DVR trong mô hình chung của lưới điện theo hiện tượng CLĐN tương ứng. Việc tính toán dung lượng và khảo sát đánh giá khả năng bù áp của DVR căn cứ theo các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 1159, SEMI F47 cũng có giá trị tham khảo nhất định cho việc ứng dụng thiết bị này vào lưới điện hiện hữu.

+ Ý nghĩa thực tiễn chính: Lưới điện TP.HCM là nơi cấp điện cho nhiều nhà máy, khu công nghiệp công nghệ cao.