Cải thiện tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối sử dụng thiết bị d statcom
- 61 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cải thiện tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới
phân phối sử dụng thiết bị D-STATCOM
LÊ MINH THẮNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. BẠCH QUỐC KHÁNH
TS. TRẦN THANH SƠN
Chữ ký của GVHD
Khoa: Điện
HÀ NỘI, 2022
1
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Minh Thắng
Đề tài luận văn: Cải thiện tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối sử dụng
thiết bị D-STATCOM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật điện
Mã số SV: 20202830M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả không cần sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
29/10/2022.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm
2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Trần Thanh Sơn Lê Minh Thắng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Nguyễn Xuân Tùng
2
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất được xuất hiện trong mọi lĩnh vực
liên quan trực tiếp đến ngành điện. Ví dụ, trong các ngành công nghiệp, hầu hết
tất cả các động cơ được điều khiển bởi các bộ truyền động điện tử công suất, rất
nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. Do đó, các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng
(CLĐN) ngày càng trở nên khắt khe và các công ty điện lực liên tục phải tìm
kiếm các biện pháp liên quan để cải thiện chỉ số CLĐN.
Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển kinh tế quan trọng, mức tiêu thụ
điện năng đã tăng gấp ba lần trong vòng mười năm qua. Việc mở rộng và nâng
cấp lưới điện là điều tất yếu; tuy nhiên, điều này đã dẫn đến các sự cố thường
xuyên hơn và các vấn đề về chất lượng điện năng, đặc biệt là trên mạng lưới
phân phối.
Trong những năm gần đây, sự tiến bộ của ứng dụng điện tử công suất đã đưa
ra nhiều giải pháp khác nhau để cải thiện chất lượng điện năng. Các giải pháp sử
dụng các thiết bị Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (D-FACTS) như thiết
bị bù đồng bộ tĩnh (D-STATCOM), thiết bị khôi phục điện áp động (DVR) luôn
nằm trong số những giải pháp tốt nhất để cải thiện chất lượng hệ thống điện [1].
Các giải pháp đó thường được phân loại thành hai cách tiếp cận, đó là “cải thiện
phân tán” và “cải thiện tập trung”[2][3]. Trong khi cách tiếp cận đầu tiên tập
trung vào bảo vệ khách hàng cá nhân, thì cách tiếp cận sau có thể làm cải thiện
chất lượng điện năng trên toàn hệ thống. Đó là lý do tại sao cách tiếp cận thứ hai
rất được các công ty điện lực quan tâm, đặc biệt là trước áp lực về yêu cầu chất
lượng điện cao từ khách hàng trên thị trường điện. Với sự hạ nhiệt đáng kể gần
đây trong chi phí của các thiết bị điện tử công suất, các giải pháp để giảm thiểu
sụt giảm điện áp hệ thống bằng cách sử dụng các thiết bị công suất tùy chỉnh như
các nguồn điện áp dựa trên biến tần như D- STATCOM đã trở nên nhiều hơn và
phổ biến hơn [4].
Vấn đề lựa chọn tối ưu vị trí và công suất của các thiết bị tùy chọn công suất
để cải thiện CLĐN trong lưới phân phối luôn được quan tâm khi ứng dụng của
của các thiết bị này được đề cập và [2] đưa ra một cái nhìn tổng quan về các
nghiên cứu khác nhau để mô hình hóa và giải quyết vấn đề bằng cách cách sử
dụng thiết bị tùy chọn công suất để "cải thiện tập trung" của CLĐN nói chung.
Luận văn này nghiên cứu và giải quyết bài toán “Tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và
công suất của D-STATCOM giảm thiểu tổng thể SANH trong lưới phân phối, sử
dụng giải thuật di truyền (GA). Trong đề tài này, mô hình hóa D-STATCOM để
giảm thiểu SANH dựa trên định lý xếp chồng Thevenin. Các hàm mục tiêu xem
xét chi phí đầu tư cho D-STATCOM và một chỉ số đại điện cho hiện tượng sụt áp
ngắn hạn (SANH), là tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống (SARFIx).
2. Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề của bài
toán tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và công suất của D-STATCOM giảm thiểu tổng
3
thể SANH trong lưới phân phối do ảnh hưởng của ngắn mạch. Mục tiêu chính
của đề tài như sau:
- Đề xuất mô hình toán học chi tiết cho thuật toán mô phỏng tác động
của thiết bị D-STATCOM trong cải thiện SANH khi có tác động của
ngắn mạch.
- Đề xuất phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và công suất của D-
STATCOM giảm thiểu tổng thể SANH trong lưới phân phối do ảnh
hưởng của ngắn mạch.
3. Nội dung nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lĩnh vực đang được quan tâm và ảnh hưởng trực tiếp
đến khách hàng sử dụng điện là vấn đề chất lượng điện năng trong lưới phân
phối, đặc biệt SANH, đồng thời nghiên cứu các giải pháp và cách triển khai khắc
phục. Luận án xem xét giải pháp sử dụng các thiết bị D-FACTS và tập trung vào
thiết bị D-STATCOM để nghiên cứu mô hình hóa vấn đề ứng dụng D-
STATCOM để giảm thiểu sụt áp tổng thể trong hệ thống phân phối đang được
quan tâm. Bên cạnh đó, luận vặn còn nghiên cứu về GA, nguyên lý và các ứng
dụng của giải thuật di truyền trong các lĩnh lực đặc biệt là trong lĩnh vực điện
lực. Đề tài đã nghiên cứu các phương pháp và công cụ để có thể áp dụng GA vào
bài toán tối ưu hóa được đưa ra.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để ứng dụng thiết bị D-STATCOM cải thiện tổng thể SANH trong lưới điện
phân phối, luận văn nghiên cứu phương pháp mô hình hóa cho trường hợp một
và nhiều D-STATCOM được đặt trên lưới trong trường hợp ngắn mạch xảy ra
trên hệ thống lưới điện phân phối để tính toán chỉ số sụt áp hệ thống cũng như
nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa vị trí và công suất D-STATCOM trong lưới điện
phân phối để cải thiện tổng thể SANH, trong đó bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu
được tính đến. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được xét đến với 2 mục tiêu
chính: ví trí đặt và công suất đặt của thiết bị D-STATCOM. Giải pháp của bài
toán là các phương pháp tìm kiếm heuristics và GA là một trong những phương
pháp điển hình.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải và sự xuất hiện càng nhiều của các thiết bị
điện tử công suất đòi hỏi lưới điện phân phối phải đảm bảo và nâng cao các chỉ
tiêu về CLĐN để đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải. Việc không đảm bảo được
các chỉ tiêu về CLĐN có thể gây ra các thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến
uy tín của các công ty điện lực. Việc đầu tư lắp đặt các thiết bị lên lưới điện
không chỉ dựa trên khía cạnh tối thiểu hóa chi phí đầu tư mà còn phải đảm bảo
đồng thời cho việc vận hành tối ưu lưới điện. Do đó, đề tài nghiên cứu “Cải thiện
tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối sử dụng thiết bị D-STATCOM” sẽ
đóng góp một phương pháp mới cho trong việc đầu tư, phát triển, nâng cao
CLĐN trong lĩnh vực phân phối điện năng.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
4
Lời cảm ơn
Tuy đã nỗ lực nhưng còn nhiều hạn chế do việc thiếu kinh nghiệm thực tế cũng
như kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận
được các ý kiến đóng góp, đánh giá để trau dồi thêm kiến thức và hoàn thiện bản
thân. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện cũng như
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện luận văn thạc sĩ tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy Bạch Quốc Khánh và thầy Trần Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn, đồng
hành với em trong thời gian vừa qua. Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo
của các thầy, cô để không ngừng học hỏi, mở mang kiến thức trong thời gian sắp
tới.
5
Tóm tắt nội dung luận văn
Trong thực tế, vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng quan trọng nhất là trong
hệ thống điện ngày các có nhiều thiết bị hiện đại và rất nhạy cảm với sự thay đổi
của chất lượng điện năng dù là rất nhỏ. Và một trong những khía cạnh của chất
lượng điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến phụ tải và các thiết bị trên lưới đó là
chất lượng điện áp. Khi chất lượng điện áp không được đảm bảo trong những tiêu
chuẩn làm việc cho phép của thiết bị thì sẽ có thể dẫn đến các thiết bị hoạt động
không chính xác hoặc gây ra hư hỏng, sự cố thiết bị. Hơn thế, các thiết bị nhạy
với điện áp thường là những thiết bị đóng vai trò quan trọng trong các dây
chuyển sản xuất công nghiệp, khi các thiết bị này hoạt động không đúng có thể
kéo theo hậu quả có thể cả dây chuyển công nghiệp sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp gây
mất an toàn và thiệt hại nặng nề về mặt kinh tế. Các vấn đề tác động đến chất
lượng điện áp thường do các sự cố xảy ra trong lưới điện và mức độ ảnh hưởng
phụ thuộc vào loại sự cố, thời gian loại trừ. Việc sử dụng các thiết bị D-FACT để
cải thiện chất lượng điện năng nói chung và chất lượng điện áp nói riêng ngày
càng phổ biến. Hiện nay, các thiết bị D-FACT đã được chế tạo và xuất hiện nhiều
hơn trên thị trường với chi phí sản xuất ngày càng giảm. Do đó, luận văn đề xuất
xây dựng mô hình tối ưu hóa quy mô và vị trí đặt của các thiết bị D-FACT (cụ
thể là thiết bị D-STATCOM) trên lưới điện phân bổi nhằm cải thiên tổng thể chất
lượng điện năng trên toàn lưới điện. Bài toán được xây dựng là bài toán tối ưu
hóa đa mục tiêu có ràng buộc sử dụng giải thuật di truyền (GA). Công cụ tính
toán chính dựa trên nền tảng của phần mềm Matlab đã được chứng minh tính
đúng đắn qua thực tế. Kết quả mang lại là những phương án đầu tư tối ưu nhất
với những kịch bản đầu tư sử dụng thiết bị thiết bị và hiệu quả mang lại tốt nhất
tương ứng với kịch bản đầu tư đó.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
6
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT ÁP
NGẮN HẠN ........................................................................................................ 12
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng (CLĐN) .......................................... 12
1.1.1 Tại sao CLĐN lại là vấn đề được quan tâm .............................. 12
1.1.2 Định nghĩa về CLĐN ................................................................ 13
1.1.3 CLĐN – Chất lượng điện áp? ................................................... 13
1.1.4 Quy trình và thông số đánh giá CLĐN ..................................... 13
1.1.5 Quy định về CLĐN ở Việt Nam ............................................... 15
1.2 Sụt áp ngắn hạn (SANH).......................................................................... 15
1.2.1 Định nghĩa về SANH ................................................................ 15
1.2.2 Nguyên nhân của SANH ........................................................... 15
1.2.3 Những ảnh hưởng của SANH ................................................... 17
1.2.4 Ước tính suất SANH ................................................................. 19
1.2.5 Giảm thiểu SANH ..................................................................... 19
1.3 Kết luận .................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ D-STATCOM TRONG CẢI ĐIỆN
SỤT ÁP NGẮN HẠN ......................................................................................... 25
2.1 Định nghĩa về thiết bị D-FACTS và bộ bù công suất phản kháng trong hệ
thống điện ............................................................................................................. 25
2.1.1 D-FACTS .................................................................................. 25
2.1.2 Phân loại các thiết bị FACTS.................................................... 25
2.1.3 Bù song song và bù nối tiếp ...................................................... 26
2.1.4 Các loại bù công suất phản kháng ............................................. 26
2.2 Nguyên lý hoạt động của D-STATCOM ................................................. 26
2.3 Mô hình trạng thái ổn định của D-STATCOM để cải thiện sụt giảm điện
áp .................................................................................................................. 27
2.4 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH ......................................... 29
2.4.1 Tổng quan ................................................................................. 29
2.4.2 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH .......................... 31
2.5 Kết luận .................................................................................................... 33
7
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ D-STATCOM TRONG
CẢI THIỆN TỔNG THỂ SỤT ÁP NGẮN HẠN TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI
.............................................................................................................................. 34
3.1 Tổng quan................................................................................................. 34
3.1.1 Hàm mục tiêu và ràng buộc ...................................................... 34
3.1.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu (MOO) ................................................ 36
3.1.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng giải thuật di truyền (GA) ....... 38
3.2 Áp dụng vào bài toán ứng dụng D-STATCOM ....................................... 41
3.2.1 Lưới trung áp mẫu ..................................................................... 41
3.2.2 Tính toán ngắn mạch ................................................................. 42
3.2.3 Các thông số cho trước ............................................................. 42
3.2.4 Phân tích kết quả ....................................................................... 43
3.3 Tổng kết ................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 47
4.1 Kết luận .................................................................................................... 47
4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai ........................................ 47
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 48
Phụ lục 1: Tập hợp nghiệm tối ưu Parecto ........................................................... 48
Phụ lục 2: Thông số lưới điện .............................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 60
CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ...................................................................... 61
8
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các bước cơ bản trong đánh giá chất lượng điện năng ......................... 14
Hình 1.2 Ví dụ về SANH ..................................................................................... 15
Hình 1.3 Vị trí xảy ra ngắn mạch trong hệ thống cấp điện .................................. 16
Hình 1.4 Ví dụ về các vị trí ngắn mạch gây ra hoạt động sai các thiết bị sản xuất
nhạy với điện áp tại một cơ sở công nghiệp......................................................... 17
Hình 1.5 SANH do ngắn mạch xảy ra trên đường dây cấp điện song song ........ 18
Hình 2.1 Bộ điều khiển bù điện áp song song ..................................................... 27
Hình 2.2 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH ...................................... 28
Hình 2.3 Đường đặc tính V-I của D-STATCOM ................................................ 28
Hình 2.4 Sơ đồ một sợ của hệ thống bốn nút (trái) và sơ đồ điện kháng (phải) .. 29
Hình 2.5 Sơ đồ điện kháng thay thế cho hình Hình 2.4 ....................................... 30
Hình 2.6 Lưới điện xảy ra sự cố ba pha trên nút 2 được mô phỏng bởi Vf và -Vf30
Hình 2.7 Mô hình ma trận tổng trở nút nhìn từ D-STATCOM ........................... 32
Hình 3.1 Tính toán hệ số SARFIX với hệ thống lắp đặt một D-STATCOM ....... 35
Hình 3.2 Sơ đồ khối của bài toán MOO sử dụng GA .......................................... 40
Hình 3.3 Lưới điện 33 nút IEEE .......................................................................... 41
Hình 3.4 Lưới điện 69 nút IEEE .......................................................................... 42
Hình 3.5 Số lần điện áp sụt với X = 50% tại các nút trong lưới không có và có
một D-STATCOM được đặt tại Bus 12, IDSmax = 0,1322pu ................................ 44
Hình 3.6 Một D-STATCOM ở nút 12 cải thiện điện áp tại các nút lân cận ........ 45
Hình 3.7 SARFI50 với các kịch bản đặt D-STATCOM với IDSmax = 0.1322pu ... 45
Hình 3.8 Đường công Pareto tương ứng với các mức sụt giảm điện áp X = 50, 70,
80, 90% cho một D-STATCOM .......................................................................... 46
9
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3-1 Tập nghiệm tối ưu vị trí và công suất của D-STATCOM với mức sụt
giảm điện áp là X = 50% ...................................................................................... 43
10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CLĐN Chất lượng điện năng
SANH Sụt áp ngắn hạn
D-STATCOM Thiết bị bù đồng bộ tĩnh
GA Giải thuật di truyền
SARFIx Tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống
MOO Tối ưu hóa đa mục tiêu (multi-objective optimization)
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT ÁP
NGẮN HẠN
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng (CLĐN)
1.1.1 Tại sao CLĐN lại là vấn đề được quan tâm
Hiện nay, cả các công ty điện lực và người tiêu dùng điện cuối cùng đang
ngày càng quan tâm đến CLĐN. Thuật ngữ CLĐN đã trở thành một trong những
từ thông dụng phổ biến nhất trong ngành điện kể từ cuối những năm 1980. Nó là
một khái niệm chung cho vô số những dao động của hệ thống điện. Các vấn đề
này là không mới, điểm mới là các kỹ sư hiện đang cố gắng giải quyết những vấn
đề này bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận một cách hệ thống thay vì xử lý
bằng những cách phân tán, riêng lẻ.
Có bốn lý do để quan tâm đến vấn đề CLĐN:
1. Các thiết bị ngày nay nhạy cảm hơn với những thay đổi của chất lượng
nguồn điện so với những thiết bị trong quá khứ. Phụ tải ngày nay bao gồm
nhiều bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý và các thành phần điện tử công
suất nhạy cảm với các dao động trong hệ thống.
2. Sự phát triển của hệ thống điện đã cho phép phát triển các động cơ kiểm
soát tốc độ hiệu suất cao và tụ bù ngang để điều chỉnh hệ số công suất, cải
thiện tổn thất điện năng. Điều này dẫn đến tăng mức sóng hài trên hệ
thống điện và có nhiều người lo ngại về tác động trong tương lai đối với
hệ thống điện.
3. Khách hàng sử dụng điện quan tâm hơn đến chất lượng nguồn điện. Họ
nhận thức rõ hơn về các vấn đề như mất điện, sụt áp, sự cố thoáng qua và
đòi hỏi nhiều hơn về CLĐN.
4. Ngày nay, càng nhiều các thiết bị hoặc dây chuyền công nghiệp được đấu
nối vào hệ thống điện. Vì vậy, khi xảy ra sự cố của một phần tử có thể gây
ra sự cố nghiêm trọng trên toàn hệ thống điện.
Lý do cuối cùng mà chúng ta quan tâm đến CLĐN là các ảnh hưởng của nó
đến hoạt động kinh tế xã hội. Có những tác động kinh tế đến các công ty điện lực
và khách hàng của họ.
Chất lượng điện năng có thể tác động trực tiếp đến nhiều khách hàng là phụ
tải công nghiệp. Gần đây người ta rất chú trọng đến việc phát triển ngành công
nghiệp ngày càng tăng tính tự động hóa và xuất hiện thêm nhiều thiết bị hiện đại
hơn. Điều này có nghĩa là thiết bị điện tử, tiết kiệm năng lượng hiện nay nhạy
cảm hơn nhiều với sự thay đổi điện áp điện áp cung cấp so với các thiết bị điện
cơ trước đây. Do đó, khách hàng phụ tải công nghiệp hiện nay nhận thức sâu sắc
hơn về những dao động nhỏ trong hệ thống điện. Vì vậy, sẽ xảy tổn thất kinh tế
rất lớn do ảnh hưởng của những dao động nhỏ trong hệ thống.
12
1.1.2 Định nghĩa về CLĐN
Định nghĩa về CLĐN thay đổi theo thời gian và khác nhau giữa các quốc
gia. Do yêu cầu của xã hội và sự phát triển của đất nước, CLĐN có thể chỉ được
định nghĩa là độ tin cậy hoặc nhiều tiêu chuẩn khác.
Ngày nay, CLĐN thường được định nghĩa bởi:
− Đối với đơn vị cung cấp điện: CLĐN là độ tin cậy của nguồn cung cấp, phụ
thuộc vào sự cố, dao động của phụ tải và ảnh hưởng của sét đối với hệ thống.
− Đối với nhà sản xuất thiết bị điện: CLĐN là đặc tính của nguồn cung cấp để
thiết bị hoạt động tốt.
− Đối với người tiêu dùng: Bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện, điện áp hoặc
tần số khiến các thiết bị hoạt động không đúng cách hoặc bị hỏng.
Trong hệ thống điện, CLĐN chủ yếu được sử dụng để đảm bảo chất lượng
năng lượng điện cung cấp cho người tiêu dùng, do đó CLĐN có thể được định
nghĩa là: Bất kỳ sự cố điện nào biểu hiện bằng sai lệch điện áp, dòng điện hoặc
tần số dẫn đến hỏng hóc hoặc vận hành sai thiết bị của khách hàng. CLĐN tốt
có thể được thể hiện bởi điện áp cung cấp ổn định nằm trong phạm vi quy định,
tần số xoay chiều ổn định gần với giá trị danh định và dạng sóng đường cong
điện áp trơn (dạng sóng sin). Nói chung, sẽ rất đúng khi coi CLĐN là sự tương
thích giữa nguồn cấp và phụ tải đầu nối vào. Thuật ngữ này được sử dụng để mô
tả công suất điện truyền tải điện và khả năng hoạt động bình thường của phụ tải.
Nếu không có nguồn điện thích hợp, thiết bị điện (hoặc phụ tải) có thể hoạt động
sai, hư hỏng hoặc hoàn toàn không hoạt động. Có nhiều tác nhân dẫn đến giảm
chất lượng nguồn điện và nhiều lí do để giải thích cho các tác nhân đó.
1.1.3 CLĐN – Chất lượng điện áp?
Khi CLĐN được xem xét, chất lượng của điện áp đang được giải quyết
trong hầu hết các trường hợp. Về mặt kỹ thuật, công suất tỷ lệ với tích của điện
áp và dòng điện. Sẽ rất khó để xác định chất lượng của công suất vì phụ thuộc
vào dòng điện mà dòng điện thay đổi theo mức tiêu thụ của phụ tải. Vì vậy, hệ
thống cung cấp điện chỉ có thể kiểm soát chất lượng của điện áp. Do đó, các tiêu
chuẩn trong lĩnh vực chất lượng điện được dành để duy trì điện áp cung cấp trong
các giới hạn nhất định.
1.1.4 Quy trình và thông số đánh giá CLĐN
Các vấn đề về chất lượng điện bao gồm một loạt các hiện tượng khác nhau,
như đã mô tả trước đây. Mỗi hiện tượng này có thể có nhiều nguyên nhân khác
nhau và có thể sử dụng các giải pháp khác nhau để nâng cao CLĐN và hiệu suất
của thiết bị. Tuy nhiên, cần có một phương pháp đồng bộ để tìm ra nguyên nhân
dẫn đến các hiện tượng này, đặc biệt nếu phương pháp tiếp cận trực tiếp đến sự
đáp ứng giữa hệ thống cung cấp điện và khách hàng. Hình 1.1 đưa ra một phương
pháp đồng bộ thường được yêu cầu trong điều tra chất lượng điện năng, cùng với
những vấn đề chính cần được giải quyết ở mỗi bước.
13
Hình 1.1 Các bước cơ bản trong đánh giá chất lượng điện năng
Phương pháp đồng bộ cũng phải xem xét việc đánh giá đến vấn đề chất
lượng điện hiện có hoặc vấn đề phát sinh từ những thiết kế mới hoặc từ các thay
đổi đối với hệ thống điện. Hệ thống đo đếm sẽ đóng một vai trò quan trọng trong
việc đánh giá CLĐN. Khi thực hiện các phép đo, điều quan trọng là phải ghi lại
các tác động của sự thay đổi CLĐN đồng thời có thể tìm ra được nguyên nhân
dẫn đến các tác động đó.
Các giải pháp cần được đánh giá theo quan điểm toàn hệ thống, và cả tính
kinh tế và các yêu cầu kỹ thuật cần phải được xem xét. Các giải pháp khả thi có
thể được áp dụng ở tất cả các cấp của hệ thống điện từ đơn vị cung cấp điện đến
thiết bị sử dụng cuối. Các giải pháp không khả thi về mặt kỹ thuật sẽ bị loại bỏ và
các giải pháp khả thi sẽ được lựa chọn dựa trên cơ sở so sánh về lợi ich kinh tế.
Giải pháp tối ưu sẽ phụ thuộc vào loại vấn đề, số lượng người dùng bị ảnh hưởng
và tính khả thi. Vai trò của mô phỏng và phép đo để đánh giá các vấn đề về
CLĐN được mô tả riêng cho từng loại kịch bản. Các giải pháp hiện có và tính
kinh tế của các giải pháp này cũng được đề cập trong các chương của luận văn.
Chất lượng điện năng có thể được mô tả như một tập hợp các giá trị của các
thông số, chẳng hạn như:
− Sóng hài
− Mất điện ngắn hạn (<1 phút)
− Mất điện thời gian dài (> 1 phút)
− Dạng sóng điện áp thấp hoặc cao
− Điện áp thoáng qua, quá điện áp (đóng/cắt thiết bị, sét)
− Nhấp nháy
− Mất cân bằng điện áp
14
− Biên độ điện áp cao hoặc thấp trong thời gian dài
1.1.5 Quy định về CLĐN ở Việt Nam
Tại Việt Nam, CLĐN của các chỉ số lưới điện phân phối được quy định
trong [5] và [6], hạn chế sự biến đổi tần số, điện áp, hạn chế sóng hài, mất cân
bằng ba pha và nhấp nháy điện áp.
1.2 Sụt áp ngắn hạn (SANH)
1.2.1 Định nghĩa về SANH
SANH (thuật ngữ IEC) được [7] định nghĩa là sự giảm mức điện áp hiệu
dụng xuống 10% - 90% (1% - 90% đối với EN 50160 - Tiêu chuẩn về đặc tính
điện áp trong hệ thống phân phối công cộng) ở mức danh định, tại tần số danh
định trong khoảng thời gian từ ½ chu kỳ (đối với tần số 50Hz là 0.02 giây) đến
một phút. Ngoài ra, SANH được phân loại là hiện tượng biến đổi điện áp trong
thời gian ngắn, là một trong những vấn đề về chất lượng điện năng.
Khoảng thời gian sụt giảm điện áp được chia thành ba loại: thoáng qua (½
chu kỳ đến 30 chu kỳ), tức thời (30 chu kỳ đến 3 giây) và tạm thời (3 giây đến 1
phút). Các khoảng thời gian này liên quan với thời gian hoạt động của thiết bị
bảo vệ cũng như phân chia thời lượng do các tổ chức kỹ thuật quốc tế khuyến
nghị. Hình 1.2, điện áp sụt 75% xuống 0,25 p.u diễn ra trong 0,55 giây, sau đó nó
có thể được phân loại là thoáng qua (27,5 chu kỳ).
Hình 1.2 Ví dụ về SANH
Đôi khi, người ta nhầm lẫn khi phân biệt giữa hiện tượng sụt giảm điện áp
dài hạn, quá độ điện áp và SANH. Sụt giảm điện áp dài hạn là sự giảm điện áp
trong thời gian dài hơn nhiều, vài phút hoặc nhiều giờ trong khi quá độ điện áp
được định nghĩa là sự tăng đột ngột trong thời gian ngắn của năng lượng điện và
là kết quả của sự giải phóng đột ngột năng lượng đã được lưu trữ trước đó hoặc
được tạo ra bởi các phương tiện khác, chẳng hạn như phụ tải lớn hoặc sét.
1.2.2 Nguyên nhân của SANH
SANH thường do sự cố (ngắn mạch) trên hệ thống điện. Ví dụ một khách
hàng được cung cấp từ bộ cấp nguồn được cung cấp bởi một xuất tuyến trên sơ
đồ thể hiện trong Hình 1.3. Nếu ngắn mạch trên cùng một ngăn lộ đầu ra phía
15kV của trạm biến áp 110kV, khách hàng sẽ gặp sự cố điện áp trong thời gian
15
ngắn mạch, sau đó là gián đoạn khi máy cắt mở ra để loại bỏ sự cố ngắn mạch.
Nếu ngắn mạch có tính chất tạm thời, hoạt động tự đóng lại sẽ thành công và sự
cố gián đoạn sẽ chỉ là tạm thời. Thông thường sẽ cần khoảng 5 hoặc 6 chu kỳ để
cầu dao hoạt động, trong thời gian đó xảy ra hiện tượng sụt áp. Máy cắt sẽ vẫn
mở trong tối thiểu 12 chu kỳ tối đa 5 giây tùy thuộc vào các hoạt động tự đóng
lại. Thiết bị nhạy với điện áp gần như chắc chắn sẽ không hoạt động hoặc gặp sự
cố trong thời gian gián đoạn này.
Hình 1.3 Vị trí xảy ra ngắn mạch trong hệ thống cấp điện
Một sự kiện phổ biến hơn nhiều sẽ là sự cố ở một trong các thiết bị từ trạm
biến áp 110kV được cấp điện từ hai đường dây song song và bị sự cố một trong
hai đường dây (vị trí sự cố được thể hiện trong Hình 1.3). Trong một trong hai
trường hợp này, khách hàng sẽ gặp phải hiện tượng sụt áp trong khoảng thời gian
mà sự cố thực sự xảy ra trên hệ thống. Ngay sau khi máy cắt mở để loại bỏ sự cố,
điện áp bình thường sẽ được khôi phục cho khách hàng.
Lưu ý rằng để loại bỏ được sự cố, cả hai máy cắt A và B phải hoạt động. Sự
cố sẽ được loại bỏ trong 5 hoặc 6 chu kỳ. Trong trường hợp này có hai đường
dây cung cấp cho trạm biến áp phân phối và chỉ có một đường dây bị sự cố. Do
đó, khách hàng được cung cấp từ trạm biến áp sẽ chỉ thấy SANH chứ không phải
gián đoạn. Sự cố trên xuất tuyến số 4 có thể được loại bỏ bằng cầu chì hoặc cầu
dao, tùy thuộc vào phương pháp tiết kiệm chi phí của công ty điện lực. Bất kỳ vị
trí sự cố nào trong số này đều có thể khiến thiết bị của khách hàng hoặc động sai
hoặc sự cố. Tự tác động của các sự cố đối với hệ thống lưới điện truyền tải và hệ
thống lưới điện phân phối sẽ phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của hệ thống
(trung tính nối đất trực tiếp và trung tính cách điện, mật độ sét, ngắn mạch chạm
đất và không chạm đất, v.v.) và độ nhạy của thiết bị với sụt áp. Hình 1.4 cho thấy
một ví dụ về sự cố của các sự kiện gây ra hoạt động sai thiết bị cho một khách
hàng công nghiệp. Lưu ý rằng sự cố trên xuất tuyến của khách hàng chỉ chiếm
23% tổng số lượng các sự cố ảnh hưởng đến chế độ làm việc bình thường của các
thiết bị. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu rõ việc sụt giảm điện áp
của hệ thống và độ nhạy của thiết bị đối với hiện tượng này.
16
Hình 1.4 Ví dụ về các vị trí ngắn mạch gây ra hoạt động sai các thiết bị sản xuất nhạy
với điện áp tại một cơ sở công nghiệp
SANH cũng có thể do đóng cắt phụ tải hoặc khởi động động cơ lớn. Chẳng
hạn, một động cơ có thể tạo ra từ sáu đến mười lần dòng điện ở mức đầy tải của
nó trong quá trình khởi động. Nếu cường độ dòng điện lớn hơn dòng ngắn mạch
hiện được cài đặt, thì SANH có thể cần phải quan tâm.
Việc chuyển đổi nguồn cấp điện cũng là một lý do khác gây ra hiện tượng
sụt áp trong phụ tải công nghiệp. Có hai nguồn cung cấp song song khác nhau
hoạt cùng cấp điện cho phụ tải sẽ gây ra sự thay đổi điện áp tức thời nhanh
chóng. Sự thay đổi tức thời mức điện áp có thể gây ra hiện tượng SANH trong
công nghiệp mà các thiết bị công nghiệp sẽ không bị ảnh hưởng trừ khi thiết bị
này nhạy với mức điện áp, nói cách khác là thiết bị có thể bị ảnh hưởng ngay cả
khi độ SANH rất thấp. Các nhà sản xuất ngày nay đang tăng cường nhiều thiết bị
điện tử công suất để có khả năng phục hồi điện tốt hơn.
Việc đóng điện cho nhiều máy biến áp cũng có thể gây ra dòng khởi động
đáng kể, tự nó ảnh hưởng đến máy biến áp, ảnh hưởng đến cuộn dây và giảm tuổi
thọ. Mặt khác, việc đóng điện cho nhiều máy biến áp cũng có thể ảnh hưởng đến
vân hành hệ thống điện, do làm giảm CLĐN và hoạt động sai của các thiết bị bảo
vệ. Các vấn đề về CLĐN do nhiều máy biến áp đóng điện, chủ yếu ở dạng
SANH. Hệ thống có tính trở kháng có thể bị sụt áp nghiêm trọng.
1.2.3 Những ảnh hưởng của SANH
Việc SANH có gây ra sự cố hay không sẽ phụ thuộc vào độ lớn và thời gian
của SANH cũng như độ nhạy của thiết bị. Nhiều loại thiết bị điện tử nhạy cảm
với SANH, bao gồm bộ điều khiển biến tần, bộ công tắc tơ động động cơ, rô bốt,
bộ PLC, bộ nguồn bộ điều khiển và rơ le điều khiển. Phần lớn thiết bị này được
sử dụng trong các ứng dụng quan trọng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể
dẫn đến thời gian ngừng hoạt động rất tốn kém khi xảy ra hiện tượng SANH.
Hình 1.5 cho thấy một sự cố ngắn mạch và điện áp sụt xuống 65%. Mặc dù đây
là sụt áp trong thời gian rất ngắn và hầu như không thể nhận thấy bằng cách quan
sát sự nhấp nháy của đèn báo hiệu nhưng nhiều dây chuyền công nghiệp vẫn có
thể ngừng hoạt động.
17
Hình 1.5 SANH do ngắn mạch xảy ra trên đường dây cấp điện song song
Ảnh hưởng của SANH đối với động cơ cảm ứng: Khi điện áp cung cấp cho
động cơ cảm ứng giảm, tốc độ động cơ giảm. Tùy thuộc vào biên độ và thời gian
sụt áp, tốc độ động cơ có thể phục hồi về giá trị bình thường khi biên độ điện áp
phục hồi. Nếu không, động cơ có thể bị ngừng. Đáp ứng trong cả hai trường hợp
phụ thuộc vào các thông số động cơ và đặc tính tốc độ mômen của mức mang tải.
Các tác động có thể xảy ra của SANH sẽ là ngừng hệ thống hoặc làm giảm
hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị điện, cụ thể là động cơ. Do đó, những xáo trộn
như vậy là vấn đề đặc biệt nghiêm trọng đối với ngành công nghiệp mà sự cố của
một thiết bị có thể dẫn đến thiệt hại lớn về kinh tế.
Khi xảy ra hiện tượng SANH, nguồn điện bên trong các thiết bị điện tử sẽ
sử dụng một phần năng lượng dự trữ của nó để bù đắp cho sự mất mát của điện
áp đầu vào. Nếu dùng năng lượng để đáp ứng cho phần điện áp bị mất do SANH,
nguồn điện có thể mất khả năng duy trì điện áp một chiều chính xác cho tất cả
các thiết bị đang hoạt động, chẳng hạn như mạch tích hợp, bên trong thiết bị -
ngay cả trong vài mili giây. Khoảng thời gian này đủ lâu để làm hỏng dữ liệu
trong thiết bị điện tử dựa trên bộ vi xử lý và gây ra sự cố của thiết bị kỹ thuật số.
Điển hình, các thiết bị biến tần xoay chiều được quảng cáo là có khả năng
chịu SANH áp tốt. Tuy nhiên, kiểm tra kỹ hơn có thể cho thấy điều ngược lại. Sự
dịch pha liên quan đến sự mất cân bằng do điện áp gây ra có ảnh hưởng trực tiếp
đến phản ứng của biến tần xoay chiều vì mạch cầu điot biến tần phản ứng với sự
chênh lệch lớn nhất giữa hai điện áp ở hai đầu bất kỳ. Cho dù biên độ điện áp hay
góc pha, sự mất cân bằng tạm thời của điện áp cung cấp trong quá trình SANH
có thể dẫn đến hoạt động của biến tần hoặc các thiết bị bảo vệ của nó bị lỗi do
mất cân bằng dòng điện quá mức trong biến tần.
18
1.2.4 Ước tính suất SANH
Điều quan trọng là phải hiểu suất SANH dự kiến của hệ thống cung cấp để
có thể thiết kế các hạ tầng và phát triển các thông số kỹ thuật của thiết bị để đảm
bảo hoạt động tối ưu của các cơ sở sản xuất. Sau đây là quy trình chung để làm
việc với khách hàng công nghiệp để đảm bảo tính tương thích giữa các đặc tính
của hệ thống cung cấp và hoạt động của cơ sở:
1. Xác định số lần và đặc điểm của sụt áp do sự cố lưới truyền tải.
2. Xác định số lượng và đặc điểm của sụt áp do sự cố lưới phân phối (đối với
phụ tải được cung cấp từ lưới phân phối).
3. Xác định độ nhạy của thiết bị đối với SANH. Điều này sẽ xác định hiệu
suất thực tế của quá trình sản xuất dựa trên hiệu suất sụt áp được tính toán
ở bước 1 và 2.
4. Đánh giá tính kinh tế của các giải pháp khác nhau có thể cải thiện hiệu
suất, trên hệ thống cung cấp điện (ít xảy ra SANH hơn) hoặc trong thiết bị
của khách hàng (khả năng chống SANH tốt hơn).
Độ SANH có thể được đánh giá bằng các chỉ số biến thiên điện áp hiệu
dụng, một trong số đó là 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑥𝑥 : đại diện cho số lượng trung bình của các sự
kiến biến thiện điện áp hiệu dụng cụ thể đã xảy ra trong khoảng thời gian đánh
giá cho mỗi khách hàng, trong đó các lần được xác định là những lần biến thiên
điện áp có cường độ nhỏ hơn x đối với sụt áp hoặc cường độ lớn hơn x đối với
quá áp:
∑ 𝑁𝑁𝑖𝑖 (1.1)
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑥𝑥 =
𝑁𝑁𝑇𝑇
Trong đó X = ngưỡng điện áp hiệu dụng; các giá trị có thể là 140, 120, 110,
90, 80, 70, 50 và 10%.
𝑁𝑁𝑖𝑖 = số khách hàng gặp phải độ lệch điện áp trong thời gian ngắn với cường
độ trên X phần trăm đối với X> 100% hoặc dưới X phần trăm đối với X <100%
do sự kiện i.
𝑁𝑁𝑇𝑇 = tổng số khách hàng được phục vụ từ phần hệ thống được đánh giá.
Lưu ý rằng SARFI được xác định đối với ngưỡng điện áp x. Ví dụ: nếu một
công ty điên lực có khách hàng bị sụt áp dưới 70% điện áp danh định, thì nhóm
này có thể được đánh giá bằng cách sử dụng 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆70 .
Việc sử dụng SARFI ngày càng phổ biến là để xác định ngưỡng dưới dạng
một đường cong. Ví dụ: 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 sẽ đại diện cho tần số của các sự kiện biến
thiên giá trị hiệu dụng bên ngoài đường bao dung sai điện áp đường cong ITI. Ba
chỉ số đường cong thường được tính: 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 , 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 , 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 .
1.2.5 Giảm thiểu SANH
Các giải pháp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của một dây chuyền hoặc
thiết bị có thể được áp dụng ở nhiều cấp độ khác nhau và nhiều cách tiếp cận.
Các công nghệ khác nhau có sẵn cần được đánh giá dựa trên các yêu cầu cụ thể
của dây chuyền để xác định giải pháp tối ưu để cải thiện suất SANH.
19
Các phương pháp giảm SANH và cải thiện các vấn đề CLĐN khác:
1. Giảm số lượng sự cố ngắn mạch.
2. Giảm thời gian giải trừ sự cố.
3. Thay đổi hệ thống sao cho các sự cố ngắn mạch dẫn đến các sự cố ít
nghiêm trọng hơn tại các thiết bị đầu cuối hoặc tại điểm giao nhận điện
năng của khách hàng.
4. Kết nối thiết bị giảm thiểu giữa thiết bị nhạy với điện áp và nguồn cấp.
5. Cải thiện khả năng chống SANH của thiết bị.
Các phương pháp giảm thiểu này sẽ được thảo luận tiếp theo. Các phương
pháp thiết kế hệ thống điện và thiết bị giảm thiểu khác tại điểm giao nhận điện hệ
thống - thiết bị chỉ có thể áp dụng cho hệ thống điện mới và sẽ không được thảo
luận trong luận án này. Các kỹ sư điện luôn sử dụng kết hợp các phương pháp
giảm thiểu để đảm bảo thiết bị hoạt động tin cậy.
1.2.5.1. Giảm số lượng sự cố ngắn mạch
Giảm số lượng sự cố ngắn mạch trong hệ thống không chỉ làm giảm tần số
SANH mà còn giảm tần số gián đoạn cấp điện. Do đó, đây là một cách rất hiệu
quả để nâng cao chất lượng nguồn cung cấp và nhiều khách hàng cho rằng đây là
giải pháp hiển nhiên khi xảy ra sự cố SANH hoặc ngắn mạch. Thực tế, giải pháp
này không đơn giản. Ngắn mạch không chỉ dẫn đến SANH hoặc gián đoạn điện
áp lâu dài cho khách hàng mà còn có thể gây hư hỏng cho thiết bị của công ty
điện lực và đơn vị phát điện. Do đó, hầu hết các công ty điện lực sẽ giảm tần suất
sự cố ngắn mạch xuống mức có thể và khả thi về mặt kinh tế. Trong nhiều trường
hợp, vẫn có thể cải thiện thêm bằng một trong những phương pháp sau:
− Thay thế đường dây trên không bằng cáp ngầm. Một phần lớn các sự cố ngắn
mạch là do thời tiết bất lợi hoặc các tác động bên ngoài khác. Các dây cáp
ngầm ít bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng bên ngoài (ngoại trừ khả năng đào).
Tỷ lệ sự cố trên cáp ngầm là một cấp độ nhỏ hơn đối với đường dây trên
không. Hiệu quả là làm giảm đáng kể số lượng sụt áp và gián đoạn. Một
nhược điểm của cáp ngầm là thời gian sửa chữa thường kéo dài.
− Sử dụng dây có vỏ bọc cho đường dây trên không. Một sự phát triển gần đây
là việc xây dựng các đường dây trên không với dây cách điện. Thông thường
dây dẫn của đường dây trên không là dây dẫn trần. Với dây có vỏ bọc, ruột
dẫn được bọc một lớp vật liệu cách điện mỏng. Mặc dù lớp này không phải là
lớp cách nhiệt hoàn toàn, nhưng nó đã được chứng minh là có hiệu quả trong
việc giảm tỷ lệ sự cố của đường dây trên không. Ngoài ra, các loại dây dẫn
khác có thể làm giảm tỷ lệ sự cố.
− Thực hiện chính sách chặt chẽ về cắt tỉa cây đảm bảo hành lang an toàn điện.
Sự tiếp xúc giữa cành cây và dây điện có thể là nguyên nhân quan trọng gây
ra sự cố ngắn mạch, đặc biệt là trong quá trình đường dây mang tải cao. Do
sự nóng lên của dây, độ võng của chúng tăng lên, làm cho khả năng tiếp xúc
với cây cối nhiều hơn. Lưu ý rằng đây cũng là thời gian mà hậu quả của sự cố
chập điện là nặng nề nhất.
20
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cải thiện tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới
phân phối sử dụng thiết bị D-STATCOM
LÊ MINH THẮNG
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. BẠCH QUỐC KHÁNH
TS. TRẦN THANH SƠN
Chữ ký của GVHD
Khoa: Điện
HÀ NỘI, 2022
1
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Minh Thắng
Đề tài luận văn: Cải thiện tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối sử dụng
thiết bị D-STATCOM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật điện
Mã số SV: 20202830M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả không cần sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
29/10/2022.
Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm
2022
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
TS. Trần Thanh Sơn Lê Minh Thắng
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TS. Nguyễn Xuân Tùng
2
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Đặt vấn đề
Ngày nay, các thiết bị điện tử công suất được xuất hiện trong mọi lĩnh vực
liên quan trực tiếp đến ngành điện. Ví dụ, trong các ngành công nghiệp, hầu hết
tất cả các động cơ được điều khiển bởi các bộ truyền động điện tử công suất, rất
nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. Do đó, các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng
(CLĐN) ngày càng trở nên khắt khe và các công ty điện lực liên tục phải tìm
kiếm các biện pháp liên quan để cải thiện chỉ số CLĐN.
Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển kinh tế quan trọng, mức tiêu thụ
điện năng đã tăng gấp ba lần trong vòng mười năm qua. Việc mở rộng và nâng
cấp lưới điện là điều tất yếu; tuy nhiên, điều này đã dẫn đến các sự cố thường
xuyên hơn và các vấn đề về chất lượng điện năng, đặc biệt là trên mạng lưới
phân phối.
Trong những năm gần đây, sự tiến bộ của ứng dụng điện tử công suất đã đưa
ra nhiều giải pháp khác nhau để cải thiện chất lượng điện năng. Các giải pháp sử
dụng các thiết bị Hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt (D-FACTS) như thiết
bị bù đồng bộ tĩnh (D-STATCOM), thiết bị khôi phục điện áp động (DVR) luôn
nằm trong số những giải pháp tốt nhất để cải thiện chất lượng hệ thống điện [1].
Các giải pháp đó thường được phân loại thành hai cách tiếp cận, đó là “cải thiện
phân tán” và “cải thiện tập trung”[2][3]. Trong khi cách tiếp cận đầu tiên tập
trung vào bảo vệ khách hàng cá nhân, thì cách tiếp cận sau có thể làm cải thiện
chất lượng điện năng trên toàn hệ thống. Đó là lý do tại sao cách tiếp cận thứ hai
rất được các công ty điện lực quan tâm, đặc biệt là trước áp lực về yêu cầu chất
lượng điện cao từ khách hàng trên thị trường điện. Với sự hạ nhiệt đáng kể gần
đây trong chi phí của các thiết bị điện tử công suất, các giải pháp để giảm thiểu
sụt giảm điện áp hệ thống bằng cách sử dụng các thiết bị công suất tùy chỉnh như
các nguồn điện áp dựa trên biến tần như D- STATCOM đã trở nên nhiều hơn và
phổ biến hơn [4].
Vấn đề lựa chọn tối ưu vị trí và công suất của các thiết bị tùy chọn công suất
để cải thiện CLĐN trong lưới phân phối luôn được quan tâm khi ứng dụng của
của các thiết bị này được đề cập và [2] đưa ra một cái nhìn tổng quan về các
nghiên cứu khác nhau để mô hình hóa và giải quyết vấn đề bằng cách cách sử
dụng thiết bị tùy chọn công suất để "cải thiện tập trung" của CLĐN nói chung.
Luận văn này nghiên cứu và giải quyết bài toán “Tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và
công suất của D-STATCOM giảm thiểu tổng thể SANH trong lưới phân phối, sử
dụng giải thuật di truyền (GA). Trong đề tài này, mô hình hóa D-STATCOM để
giảm thiểu SANH dựa trên định lý xếp chồng Thevenin. Các hàm mục tiêu xem
xét chi phí đầu tư cho D-STATCOM và một chỉ số đại điện cho hiện tượng sụt áp
ngắn hạn (SANH), là tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống (SARFIx).
2. Mục tiêu của đề tài
Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề của bài
toán tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và công suất của D-STATCOM giảm thiểu tổng
3
thể SANH trong lưới phân phối do ảnh hưởng của ngắn mạch. Mục tiêu chính
của đề tài như sau:
- Đề xuất mô hình toán học chi tiết cho thuật toán mô phỏng tác động
của thiết bị D-STATCOM trong cải thiện SANH khi có tác động của
ngắn mạch.
- Đề xuất phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu vị trí và công suất của D-
STATCOM giảm thiểu tổng thể SANH trong lưới phân phối do ảnh
hưởng của ngắn mạch.
3. Nội dung nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu về lĩnh vực đang được quan tâm và ảnh hưởng trực tiếp
đến khách hàng sử dụng điện là vấn đề chất lượng điện năng trong lưới phân
phối, đặc biệt SANH, đồng thời nghiên cứu các giải pháp và cách triển khai khắc
phục. Luận án xem xét giải pháp sử dụng các thiết bị D-FACTS và tập trung vào
thiết bị D-STATCOM để nghiên cứu mô hình hóa vấn đề ứng dụng D-
STATCOM để giảm thiểu sụt áp tổng thể trong hệ thống phân phối đang được
quan tâm. Bên cạnh đó, luận vặn còn nghiên cứu về GA, nguyên lý và các ứng
dụng của giải thuật di truyền trong các lĩnh lực đặc biệt là trong lĩnh vực điện
lực. Đề tài đã nghiên cứu các phương pháp và công cụ để có thể áp dụng GA vào
bài toán tối ưu hóa được đưa ra.
4. Phương pháp nghiên cứu
Để ứng dụng thiết bị D-STATCOM cải thiện tổng thể SANH trong lưới điện
phân phối, luận văn nghiên cứu phương pháp mô hình hóa cho trường hợp một
và nhiều D-STATCOM được đặt trên lưới trong trường hợp ngắn mạch xảy ra
trên hệ thống lưới điện phân phối để tính toán chỉ số sụt áp hệ thống cũng như
nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa vị trí và công suất D-STATCOM trong lưới điện
phân phối để cải thiện tổng thể SANH, trong đó bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu
được tính đến. Bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được xét đến với 2 mục tiêu
chính: ví trí đặt và công suất đặt của thiết bị D-STATCOM. Giải pháp của bài
toán là các phương pháp tìm kiếm heuristics và GA là một trong những phương
pháp điển hình.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải và sự xuất hiện càng nhiều của các thiết bị
điện tử công suất đòi hỏi lưới điện phân phối phải đảm bảo và nâng cao các chỉ
tiêu về CLĐN để đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải. Việc không đảm bảo được
các chỉ tiêu về CLĐN có thể gây ra các thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng đến
uy tín của các công ty điện lực. Việc đầu tư lắp đặt các thiết bị lên lưới điện
không chỉ dựa trên khía cạnh tối thiểu hóa chi phí đầu tư mà còn phải đảm bảo
đồng thời cho việc vận hành tối ưu lưới điện. Do đó, đề tài nghiên cứu “Cải thiện
tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối sử dụng thiết bị D-STATCOM” sẽ
đóng góp một phương pháp mới cho trong việc đầu tư, phát triển, nâng cao
CLĐN trong lĩnh vực phân phối điện năng.
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
4
Lời cảm ơn
Tuy đã nỗ lực nhưng còn nhiều hạn chế do việc thiếu kinh nghiệm thực tế cũng
như kiến thức nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận
được các ý kiến đóng góp, đánh giá để trau dồi thêm kiến thức và hoàn thiện bản
thân. Em xin cảm ơn các thầy, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện cũng như
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dìu dắt, giúp đỡ em trong thời gian thực
hiện luận văn thạc sĩ tại trường. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy Bạch Quốc Khánh và thầy Trần Thanh Sơn đã tận tình hướng dẫn, đồng
hành với em trong thời gian vừa qua. Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo
của các thầy, cô để không ngừng học hỏi, mở mang kiến thức trong thời gian sắp
tới.
5
Tóm tắt nội dung luận văn
Trong thực tế, vấn đề về chất lượng điện năng ngày càng quan trọng nhất là trong
hệ thống điện ngày các có nhiều thiết bị hiện đại và rất nhạy cảm với sự thay đổi
của chất lượng điện năng dù là rất nhỏ. Và một trong những khía cạnh của chất
lượng điện năng ảnh hưởng trực tiếp đến phụ tải và các thiết bị trên lưới đó là
chất lượng điện áp. Khi chất lượng điện áp không được đảm bảo trong những tiêu
chuẩn làm việc cho phép của thiết bị thì sẽ có thể dẫn đến các thiết bị hoạt động
không chính xác hoặc gây ra hư hỏng, sự cố thiết bị. Hơn thế, các thiết bị nhạy
với điện áp thường là những thiết bị đóng vai trò quan trọng trong các dây
chuyển sản xuất công nghiệp, khi các thiết bị này hoạt động không đúng có thể
kéo theo hậu quả có thể cả dây chuyển công nghiệp sẽ bị ảnh hưởng trực tiếp gây
mất an toàn và thiệt hại nặng nề về mặt kinh tế. Các vấn đề tác động đến chất
lượng điện áp thường do các sự cố xảy ra trong lưới điện và mức độ ảnh hưởng
phụ thuộc vào loại sự cố, thời gian loại trừ. Việc sử dụng các thiết bị D-FACT để
cải thiện chất lượng điện năng nói chung và chất lượng điện áp nói riêng ngày
càng phổ biến. Hiện nay, các thiết bị D-FACT đã được chế tạo và xuất hiện nhiều
hơn trên thị trường với chi phí sản xuất ngày càng giảm. Do đó, luận văn đề xuất
xây dựng mô hình tối ưu hóa quy mô và vị trí đặt của các thiết bị D-FACT (cụ
thể là thiết bị D-STATCOM) trên lưới điện phân bổi nhằm cải thiên tổng thể chất
lượng điện năng trên toàn lưới điện. Bài toán được xây dựng là bài toán tối ưu
hóa đa mục tiêu có ràng buộc sử dụng giải thuật di truyền (GA). Công cụ tính
toán chính dựa trên nền tảng của phần mềm Matlab đã được chứng minh tính
đúng đắn qua thực tế. Kết quả mang lại là những phương án đầu tư tối ưu nhất
với những kịch bản đầu tư sử dụng thiết bị thiết bị và hiệu quả mang lại tốt nhất
tương ứng với kịch bản đầu tư đó.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
6
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... 10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT ÁP
NGẮN HẠN ........................................................................................................ 12
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng (CLĐN) .......................................... 12
1.1.1 Tại sao CLĐN lại là vấn đề được quan tâm .............................. 12
1.1.2 Định nghĩa về CLĐN ................................................................ 13
1.1.3 CLĐN – Chất lượng điện áp? ................................................... 13
1.1.4 Quy trình và thông số đánh giá CLĐN ..................................... 13
1.1.5 Quy định về CLĐN ở Việt Nam ............................................... 15
1.2 Sụt áp ngắn hạn (SANH).......................................................................... 15
1.2.1 Định nghĩa về SANH ................................................................ 15
1.2.2 Nguyên nhân của SANH ........................................................... 15
1.2.3 Những ảnh hưởng của SANH ................................................... 17
1.2.4 Ước tính suất SANH ................................................................. 19
1.2.5 Giảm thiểu SANH ..................................................................... 19
1.3 Kết luận .................................................................................................... 23
CHƯƠNG 2. MÔ PHỎNG THIẾT BỊ D-STATCOM TRONG CẢI ĐIỆN
SỤT ÁP NGẮN HẠN ......................................................................................... 25
2.1 Định nghĩa về thiết bị D-FACTS và bộ bù công suất phản kháng trong hệ
thống điện ............................................................................................................. 25
2.1.1 D-FACTS .................................................................................. 25
2.1.2 Phân loại các thiết bị FACTS.................................................... 25
2.1.3 Bù song song và bù nối tiếp ...................................................... 26
2.1.4 Các loại bù công suất phản kháng ............................................. 26
2.2 Nguyên lý hoạt động của D-STATCOM ................................................. 26
2.3 Mô hình trạng thái ổn định của D-STATCOM để cải thiện sụt giảm điện
áp .................................................................................................................. 27
2.4 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH ......................................... 29
2.4.1 Tổng quan ................................................................................. 29
2.4.2 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH .......................... 31
2.5 Kết luận .................................................................................................... 33
7
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA THIẾT BỊ D-STATCOM TRONG
CẢI THIỆN TỔNG THỂ SỤT ÁP NGẮN HẠN TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI
.............................................................................................................................. 34
3.1 Tổng quan................................................................................................. 34
3.1.1 Hàm mục tiêu và ràng buộc ...................................................... 34
3.1.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu (MOO) ................................................ 36
3.1.3 Tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng giải thuật di truyền (GA) ....... 38
3.2 Áp dụng vào bài toán ứng dụng D-STATCOM ....................................... 41
3.2.1 Lưới trung áp mẫu ..................................................................... 41
3.2.2 Tính toán ngắn mạch ................................................................. 42
3.2.3 Các thông số cho trước ............................................................. 42
3.2.4 Phân tích kết quả ....................................................................... 43
3.3 Tổng kết ................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN .................................................................................. 47
4.1 Kết luận .................................................................................................... 47
4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai ........................................ 47
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 48
Phụ lục 1: Tập hợp nghiệm tối ưu Parecto ........................................................... 48
Phụ lục 2: Thông số lưới điện .............................................................................. 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 60
CÁC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ...................................................................... 61
8
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các bước cơ bản trong đánh giá chất lượng điện năng ......................... 14
Hình 1.2 Ví dụ về SANH ..................................................................................... 15
Hình 1.3 Vị trí xảy ra ngắn mạch trong hệ thống cấp điện .................................. 16
Hình 1.4 Ví dụ về các vị trí ngắn mạch gây ra hoạt động sai các thiết bị sản xuất
nhạy với điện áp tại một cơ sở công nghiệp......................................................... 17
Hình 1.5 SANH do ngắn mạch xảy ra trên đường dây cấp điện song song ........ 18
Hình 2.1 Bộ điều khiển bù điện áp song song ..................................................... 27
Hình 2.2 Mô hình D-STATCOM để giảm thiểu SANH ...................................... 28
Hình 2.3 Đường đặc tính V-I của D-STATCOM ................................................ 28
Hình 2.4 Sơ đồ một sợ của hệ thống bốn nút (trái) và sơ đồ điện kháng (phải) .. 29
Hình 2.5 Sơ đồ điện kháng thay thế cho hình Hình 2.4 ....................................... 30
Hình 2.6 Lưới điện xảy ra sự cố ba pha trên nút 2 được mô phỏng bởi Vf và -Vf30
Hình 2.7 Mô hình ma trận tổng trở nút nhìn từ D-STATCOM ........................... 32
Hình 3.1 Tính toán hệ số SARFIX với hệ thống lắp đặt một D-STATCOM ....... 35
Hình 3.2 Sơ đồ khối của bài toán MOO sử dụng GA .......................................... 40
Hình 3.3 Lưới điện 33 nút IEEE .......................................................................... 41
Hình 3.4 Lưới điện 69 nút IEEE .......................................................................... 42
Hình 3.5 Số lần điện áp sụt với X = 50% tại các nút trong lưới không có và có
một D-STATCOM được đặt tại Bus 12, IDSmax = 0,1322pu ................................ 44
Hình 3.6 Một D-STATCOM ở nút 12 cải thiện điện áp tại các nút lân cận ........ 45
Hình 3.7 SARFI50 với các kịch bản đặt D-STATCOM với IDSmax = 0.1322pu ... 45
Hình 3.8 Đường công Pareto tương ứng với các mức sụt giảm điện áp X = 50, 70,
80, 90% cho một D-STATCOM .......................................................................... 46
9
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3-1 Tập nghiệm tối ưu vị trí và công suất của D-STATCOM với mức sụt
giảm điện áp là X = 50% ...................................................................................... 43
10
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CLĐN Chất lượng điện năng
SANH Sụt áp ngắn hạn
D-STATCOM Thiết bị bù đồng bộ tĩnh
GA Giải thuật di truyền
SARFIx Tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống
MOO Tối ưu hóa đa mục tiêu (multi-objective optimization)
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SỤT ÁP
NGẮN HẠN
1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng (CLĐN)
1.1.1 Tại sao CLĐN lại là vấn đề được quan tâm
Hiện nay, cả các công ty điện lực và người tiêu dùng điện cuối cùng đang
ngày càng quan tâm đến CLĐN. Thuật ngữ CLĐN đã trở thành một trong những
từ thông dụng phổ biến nhất trong ngành điện kể từ cuối những năm 1980. Nó là
một khái niệm chung cho vô số những dao động của hệ thống điện. Các vấn đề
này là không mới, điểm mới là các kỹ sư hiện đang cố gắng giải quyết những vấn
đề này bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận một cách hệ thống thay vì xử lý
bằng những cách phân tán, riêng lẻ.
Có bốn lý do để quan tâm đến vấn đề CLĐN:
1. Các thiết bị ngày nay nhạy cảm hơn với những thay đổi của chất lượng
nguồn điện so với những thiết bị trong quá khứ. Phụ tải ngày nay bao gồm
nhiều bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý và các thành phần điện tử công
suất nhạy cảm với các dao động trong hệ thống.
2. Sự phát triển của hệ thống điện đã cho phép phát triển các động cơ kiểm
soát tốc độ hiệu suất cao và tụ bù ngang để điều chỉnh hệ số công suất, cải
thiện tổn thất điện năng. Điều này dẫn đến tăng mức sóng hài trên hệ
thống điện và có nhiều người lo ngại về tác động trong tương lai đối với
hệ thống điện.
3. Khách hàng sử dụng điện quan tâm hơn đến chất lượng nguồn điện. Họ
nhận thức rõ hơn về các vấn đề như mất điện, sụt áp, sự cố thoáng qua và
đòi hỏi nhiều hơn về CLĐN.
4. Ngày nay, càng nhiều các thiết bị hoặc dây chuyền công nghiệp được đấu
nối vào hệ thống điện. Vì vậy, khi xảy ra sự cố của một phần tử có thể gây
ra sự cố nghiêm trọng trên toàn hệ thống điện.
Lý do cuối cùng mà chúng ta quan tâm đến CLĐN là các ảnh hưởng của nó
đến hoạt động kinh tế xã hội. Có những tác động kinh tế đến các công ty điện lực
và khách hàng của họ.
Chất lượng điện năng có thể tác động trực tiếp đến nhiều khách hàng là phụ
tải công nghiệp. Gần đây người ta rất chú trọng đến việc phát triển ngành công
nghiệp ngày càng tăng tính tự động hóa và xuất hiện thêm nhiều thiết bị hiện đại
hơn. Điều này có nghĩa là thiết bị điện tử, tiết kiệm năng lượng hiện nay nhạy
cảm hơn nhiều với sự thay đổi điện áp điện áp cung cấp so với các thiết bị điện
cơ trước đây. Do đó, khách hàng phụ tải công nghiệp hiện nay nhận thức sâu sắc
hơn về những dao động nhỏ trong hệ thống điện. Vì vậy, sẽ xảy tổn thất kinh tế
rất lớn do ảnh hưởng của những dao động nhỏ trong hệ thống.
12
1.1.2 Định nghĩa về CLĐN
Định nghĩa về CLĐN thay đổi theo thời gian và khác nhau giữa các quốc
gia. Do yêu cầu của xã hội và sự phát triển của đất nước, CLĐN có thể chỉ được
định nghĩa là độ tin cậy hoặc nhiều tiêu chuẩn khác.
Ngày nay, CLĐN thường được định nghĩa bởi:
− Đối với đơn vị cung cấp điện: CLĐN là độ tin cậy của nguồn cung cấp, phụ
thuộc vào sự cố, dao động của phụ tải và ảnh hưởng của sét đối với hệ thống.
− Đối với nhà sản xuất thiết bị điện: CLĐN là đặc tính của nguồn cung cấp để
thiết bị hoạt động tốt.
− Đối với người tiêu dùng: Bất kỳ sự thay đổi nào của dòng điện, điện áp hoặc
tần số khiến các thiết bị hoạt động không đúng cách hoặc bị hỏng.
Trong hệ thống điện, CLĐN chủ yếu được sử dụng để đảm bảo chất lượng
năng lượng điện cung cấp cho người tiêu dùng, do đó CLĐN có thể được định
nghĩa là: Bất kỳ sự cố điện nào biểu hiện bằng sai lệch điện áp, dòng điện hoặc
tần số dẫn đến hỏng hóc hoặc vận hành sai thiết bị của khách hàng. CLĐN tốt
có thể được thể hiện bởi điện áp cung cấp ổn định nằm trong phạm vi quy định,
tần số xoay chiều ổn định gần với giá trị danh định và dạng sóng đường cong
điện áp trơn (dạng sóng sin). Nói chung, sẽ rất đúng khi coi CLĐN là sự tương
thích giữa nguồn cấp và phụ tải đầu nối vào. Thuật ngữ này được sử dụng để mô
tả công suất điện truyền tải điện và khả năng hoạt động bình thường của phụ tải.
Nếu không có nguồn điện thích hợp, thiết bị điện (hoặc phụ tải) có thể hoạt động
sai, hư hỏng hoặc hoàn toàn không hoạt động. Có nhiều tác nhân dẫn đến giảm
chất lượng nguồn điện và nhiều lí do để giải thích cho các tác nhân đó.
1.1.3 CLĐN – Chất lượng điện áp?
Khi CLĐN được xem xét, chất lượng của điện áp đang được giải quyết
trong hầu hết các trường hợp. Về mặt kỹ thuật, công suất tỷ lệ với tích của điện
áp và dòng điện. Sẽ rất khó để xác định chất lượng của công suất vì phụ thuộc
vào dòng điện mà dòng điện thay đổi theo mức tiêu thụ của phụ tải. Vì vậy, hệ
thống cung cấp điện chỉ có thể kiểm soát chất lượng của điện áp. Do đó, các tiêu
chuẩn trong lĩnh vực chất lượng điện được dành để duy trì điện áp cung cấp trong
các giới hạn nhất định.
1.1.4 Quy trình và thông số đánh giá CLĐN
Các vấn đề về chất lượng điện bao gồm một loạt các hiện tượng khác nhau,
như đã mô tả trước đây. Mỗi hiện tượng này có thể có nhiều nguyên nhân khác
nhau và có thể sử dụng các giải pháp khác nhau để nâng cao CLĐN và hiệu suất
của thiết bị. Tuy nhiên, cần có một phương pháp đồng bộ để tìm ra nguyên nhân
dẫn đến các hiện tượng này, đặc biệt nếu phương pháp tiếp cận trực tiếp đến sự
đáp ứng giữa hệ thống cung cấp điện và khách hàng. Hình 1.1 đưa ra một phương
pháp đồng bộ thường được yêu cầu trong điều tra chất lượng điện năng, cùng với
những vấn đề chính cần được giải quyết ở mỗi bước.
13
Hình 1.1 Các bước cơ bản trong đánh giá chất lượng điện năng
Phương pháp đồng bộ cũng phải xem xét việc đánh giá đến vấn đề chất
lượng điện hiện có hoặc vấn đề phát sinh từ những thiết kế mới hoặc từ các thay
đổi đối với hệ thống điện. Hệ thống đo đếm sẽ đóng một vai trò quan trọng trong
việc đánh giá CLĐN. Khi thực hiện các phép đo, điều quan trọng là phải ghi lại
các tác động của sự thay đổi CLĐN đồng thời có thể tìm ra được nguyên nhân
dẫn đến các tác động đó.
Các giải pháp cần được đánh giá theo quan điểm toàn hệ thống, và cả tính
kinh tế và các yêu cầu kỹ thuật cần phải được xem xét. Các giải pháp khả thi có
thể được áp dụng ở tất cả các cấp của hệ thống điện từ đơn vị cung cấp điện đến
thiết bị sử dụng cuối. Các giải pháp không khả thi về mặt kỹ thuật sẽ bị loại bỏ và
các giải pháp khả thi sẽ được lựa chọn dựa trên cơ sở so sánh về lợi ich kinh tế.
Giải pháp tối ưu sẽ phụ thuộc vào loại vấn đề, số lượng người dùng bị ảnh hưởng
và tính khả thi. Vai trò của mô phỏng và phép đo để đánh giá các vấn đề về
CLĐN được mô tả riêng cho từng loại kịch bản. Các giải pháp hiện có và tính
kinh tế của các giải pháp này cũng được đề cập trong các chương của luận văn.
Chất lượng điện năng có thể được mô tả như một tập hợp các giá trị của các
thông số, chẳng hạn như:
− Sóng hài
− Mất điện ngắn hạn (<1 phút)
− Mất điện thời gian dài (> 1 phút)
− Dạng sóng điện áp thấp hoặc cao
− Điện áp thoáng qua, quá điện áp (đóng/cắt thiết bị, sét)
− Nhấp nháy
− Mất cân bằng điện áp
14
− Biên độ điện áp cao hoặc thấp trong thời gian dài
1.1.5 Quy định về CLĐN ở Việt Nam
Tại Việt Nam, CLĐN của các chỉ số lưới điện phân phối được quy định
trong [5] và [6], hạn chế sự biến đổi tần số, điện áp, hạn chế sóng hài, mất cân
bằng ba pha và nhấp nháy điện áp.
1.2 Sụt áp ngắn hạn (SANH)
1.2.1 Định nghĩa về SANH
SANH (thuật ngữ IEC) được [7] định nghĩa là sự giảm mức điện áp hiệu
dụng xuống 10% - 90% (1% - 90% đối với EN 50160 - Tiêu chuẩn về đặc tính
điện áp trong hệ thống phân phối công cộng) ở mức danh định, tại tần số danh
định trong khoảng thời gian từ ½ chu kỳ (đối với tần số 50Hz là 0.02 giây) đến
một phút. Ngoài ra, SANH được phân loại là hiện tượng biến đổi điện áp trong
thời gian ngắn, là một trong những vấn đề về chất lượng điện năng.
Khoảng thời gian sụt giảm điện áp được chia thành ba loại: thoáng qua (½
chu kỳ đến 30 chu kỳ), tức thời (30 chu kỳ đến 3 giây) và tạm thời (3 giây đến 1
phút). Các khoảng thời gian này liên quan với thời gian hoạt động của thiết bị
bảo vệ cũng như phân chia thời lượng do các tổ chức kỹ thuật quốc tế khuyến
nghị. Hình 1.2, điện áp sụt 75% xuống 0,25 p.u diễn ra trong 0,55 giây, sau đó nó
có thể được phân loại là thoáng qua (27,5 chu kỳ).
Hình 1.2 Ví dụ về SANH
Đôi khi, người ta nhầm lẫn khi phân biệt giữa hiện tượng sụt giảm điện áp
dài hạn, quá độ điện áp và SANH. Sụt giảm điện áp dài hạn là sự giảm điện áp
trong thời gian dài hơn nhiều, vài phút hoặc nhiều giờ trong khi quá độ điện áp
được định nghĩa là sự tăng đột ngột trong thời gian ngắn của năng lượng điện và
là kết quả của sự giải phóng đột ngột năng lượng đã được lưu trữ trước đó hoặc
được tạo ra bởi các phương tiện khác, chẳng hạn như phụ tải lớn hoặc sét.
1.2.2 Nguyên nhân của SANH
SANH thường do sự cố (ngắn mạch) trên hệ thống điện. Ví dụ một khách
hàng được cung cấp từ bộ cấp nguồn được cung cấp bởi một xuất tuyến trên sơ
đồ thể hiện trong Hình 1.3. Nếu ngắn mạch trên cùng một ngăn lộ đầu ra phía
15kV của trạm biến áp 110kV, khách hàng sẽ gặp sự cố điện áp trong thời gian
15
ngắn mạch, sau đó là gián đoạn khi máy cắt mở ra để loại bỏ sự cố ngắn mạch.
Nếu ngắn mạch có tính chất tạm thời, hoạt động tự đóng lại sẽ thành công và sự
cố gián đoạn sẽ chỉ là tạm thời. Thông thường sẽ cần khoảng 5 hoặc 6 chu kỳ để
cầu dao hoạt động, trong thời gian đó xảy ra hiện tượng sụt áp. Máy cắt sẽ vẫn
mở trong tối thiểu 12 chu kỳ tối đa 5 giây tùy thuộc vào các hoạt động tự đóng
lại. Thiết bị nhạy với điện áp gần như chắc chắn sẽ không hoạt động hoặc gặp sự
cố trong thời gian gián đoạn này.
Hình 1.3 Vị trí xảy ra ngắn mạch trong hệ thống cấp điện
Một sự kiện phổ biến hơn nhiều sẽ là sự cố ở một trong các thiết bị từ trạm
biến áp 110kV được cấp điện từ hai đường dây song song và bị sự cố một trong
hai đường dây (vị trí sự cố được thể hiện trong Hình 1.3). Trong một trong hai
trường hợp này, khách hàng sẽ gặp phải hiện tượng sụt áp trong khoảng thời gian
mà sự cố thực sự xảy ra trên hệ thống. Ngay sau khi máy cắt mở để loại bỏ sự cố,
điện áp bình thường sẽ được khôi phục cho khách hàng.
Lưu ý rằng để loại bỏ được sự cố, cả hai máy cắt A và B phải hoạt động. Sự
cố sẽ được loại bỏ trong 5 hoặc 6 chu kỳ. Trong trường hợp này có hai đường
dây cung cấp cho trạm biến áp phân phối và chỉ có một đường dây bị sự cố. Do
đó, khách hàng được cung cấp từ trạm biến áp sẽ chỉ thấy SANH chứ không phải
gián đoạn. Sự cố trên xuất tuyến số 4 có thể được loại bỏ bằng cầu chì hoặc cầu
dao, tùy thuộc vào phương pháp tiết kiệm chi phí của công ty điện lực. Bất kỳ vị
trí sự cố nào trong số này đều có thể khiến thiết bị của khách hàng hoặc động sai
hoặc sự cố. Tự tác động của các sự cố đối với hệ thống lưới điện truyền tải và hệ
thống lưới điện phân phối sẽ phụ thuộc vào các đặc tính cụ thể của hệ thống
(trung tính nối đất trực tiếp và trung tính cách điện, mật độ sét, ngắn mạch chạm
đất và không chạm đất, v.v.) và độ nhạy của thiết bị với sụt áp. Hình 1.4 cho thấy
một ví dụ về sự cố của các sự kiện gây ra hoạt động sai thiết bị cho một khách
hàng công nghiệp. Lưu ý rằng sự cố trên xuất tuyến của khách hàng chỉ chiếm
23% tổng số lượng các sự cố ảnh hưởng đến chế độ làm việc bình thường của các
thiết bị. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc hiểu rõ việc sụt giảm điện áp
của hệ thống và độ nhạy của thiết bị đối với hiện tượng này.
16
Hình 1.4 Ví dụ về các vị trí ngắn mạch gây ra hoạt động sai các thiết bị sản xuất nhạy
với điện áp tại một cơ sở công nghiệp
SANH cũng có thể do đóng cắt phụ tải hoặc khởi động động cơ lớn. Chẳng
hạn, một động cơ có thể tạo ra từ sáu đến mười lần dòng điện ở mức đầy tải của
nó trong quá trình khởi động. Nếu cường độ dòng điện lớn hơn dòng ngắn mạch
hiện được cài đặt, thì SANH có thể cần phải quan tâm.
Việc chuyển đổi nguồn cấp điện cũng là một lý do khác gây ra hiện tượng
sụt áp trong phụ tải công nghiệp. Có hai nguồn cung cấp song song khác nhau
hoạt cùng cấp điện cho phụ tải sẽ gây ra sự thay đổi điện áp tức thời nhanh
chóng. Sự thay đổi tức thời mức điện áp có thể gây ra hiện tượng SANH trong
công nghiệp mà các thiết bị công nghiệp sẽ không bị ảnh hưởng trừ khi thiết bị
này nhạy với mức điện áp, nói cách khác là thiết bị có thể bị ảnh hưởng ngay cả
khi độ SANH rất thấp. Các nhà sản xuất ngày nay đang tăng cường nhiều thiết bị
điện tử công suất để có khả năng phục hồi điện tốt hơn.
Việc đóng điện cho nhiều máy biến áp cũng có thể gây ra dòng khởi động
đáng kể, tự nó ảnh hưởng đến máy biến áp, ảnh hưởng đến cuộn dây và giảm tuổi
thọ. Mặt khác, việc đóng điện cho nhiều máy biến áp cũng có thể ảnh hưởng đến
vân hành hệ thống điện, do làm giảm CLĐN và hoạt động sai của các thiết bị bảo
vệ. Các vấn đề về CLĐN do nhiều máy biến áp đóng điện, chủ yếu ở dạng
SANH. Hệ thống có tính trở kháng có thể bị sụt áp nghiêm trọng.
1.2.3 Những ảnh hưởng của SANH
Việc SANH có gây ra sự cố hay không sẽ phụ thuộc vào độ lớn và thời gian
của SANH cũng như độ nhạy của thiết bị. Nhiều loại thiết bị điện tử nhạy cảm
với SANH, bao gồm bộ điều khiển biến tần, bộ công tắc tơ động động cơ, rô bốt,
bộ PLC, bộ nguồn bộ điều khiển và rơ le điều khiển. Phần lớn thiết bị này được
sử dụng trong các ứng dụng quan trọng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể
dẫn đến thời gian ngừng hoạt động rất tốn kém khi xảy ra hiện tượng SANH.
Hình 1.5 cho thấy một sự cố ngắn mạch và điện áp sụt xuống 65%. Mặc dù đây
là sụt áp trong thời gian rất ngắn và hầu như không thể nhận thấy bằng cách quan
sát sự nhấp nháy của đèn báo hiệu nhưng nhiều dây chuyền công nghiệp vẫn có
thể ngừng hoạt động.
17
Hình 1.5 SANH do ngắn mạch xảy ra trên đường dây cấp điện song song
Ảnh hưởng của SANH đối với động cơ cảm ứng: Khi điện áp cung cấp cho
động cơ cảm ứng giảm, tốc độ động cơ giảm. Tùy thuộc vào biên độ và thời gian
sụt áp, tốc độ động cơ có thể phục hồi về giá trị bình thường khi biên độ điện áp
phục hồi. Nếu không, động cơ có thể bị ngừng. Đáp ứng trong cả hai trường hợp
phụ thuộc vào các thông số động cơ và đặc tính tốc độ mômen của mức mang tải.
Các tác động có thể xảy ra của SANH sẽ là ngừng hệ thống hoặc làm giảm
hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị điện, cụ thể là động cơ. Do đó, những xáo trộn
như vậy là vấn đề đặc biệt nghiêm trọng đối với ngành công nghiệp mà sự cố của
một thiết bị có thể dẫn đến thiệt hại lớn về kinh tế.
Khi xảy ra hiện tượng SANH, nguồn điện bên trong các thiết bị điện tử sẽ
sử dụng một phần năng lượng dự trữ của nó để bù đắp cho sự mất mát của điện
áp đầu vào. Nếu dùng năng lượng để đáp ứng cho phần điện áp bị mất do SANH,
nguồn điện có thể mất khả năng duy trì điện áp một chiều chính xác cho tất cả
các thiết bị đang hoạt động, chẳng hạn như mạch tích hợp, bên trong thiết bị -
ngay cả trong vài mili giây. Khoảng thời gian này đủ lâu để làm hỏng dữ liệu
trong thiết bị điện tử dựa trên bộ vi xử lý và gây ra sự cố của thiết bị kỹ thuật số.
Điển hình, các thiết bị biến tần xoay chiều được quảng cáo là có khả năng
chịu SANH áp tốt. Tuy nhiên, kiểm tra kỹ hơn có thể cho thấy điều ngược lại. Sự
dịch pha liên quan đến sự mất cân bằng do điện áp gây ra có ảnh hưởng trực tiếp
đến phản ứng của biến tần xoay chiều vì mạch cầu điot biến tần phản ứng với sự
chênh lệch lớn nhất giữa hai điện áp ở hai đầu bất kỳ. Cho dù biên độ điện áp hay
góc pha, sự mất cân bằng tạm thời của điện áp cung cấp trong quá trình SANH
có thể dẫn đến hoạt động của biến tần hoặc các thiết bị bảo vệ của nó bị lỗi do
mất cân bằng dòng điện quá mức trong biến tần.
18
1.2.4 Ước tính suất SANH
Điều quan trọng là phải hiểu suất SANH dự kiến của hệ thống cung cấp để
có thể thiết kế các hạ tầng và phát triển các thông số kỹ thuật của thiết bị để đảm
bảo hoạt động tối ưu của các cơ sở sản xuất. Sau đây là quy trình chung để làm
việc với khách hàng công nghiệp để đảm bảo tính tương thích giữa các đặc tính
của hệ thống cung cấp và hoạt động của cơ sở:
1. Xác định số lần và đặc điểm của sụt áp do sự cố lưới truyền tải.
2. Xác định số lượng và đặc điểm của sụt áp do sự cố lưới phân phối (đối với
phụ tải được cung cấp từ lưới phân phối).
3. Xác định độ nhạy của thiết bị đối với SANH. Điều này sẽ xác định hiệu
suất thực tế của quá trình sản xuất dựa trên hiệu suất sụt áp được tính toán
ở bước 1 và 2.
4. Đánh giá tính kinh tế của các giải pháp khác nhau có thể cải thiện hiệu
suất, trên hệ thống cung cấp điện (ít xảy ra SANH hơn) hoặc trong thiết bị
của khách hàng (khả năng chống SANH tốt hơn).
Độ SANH có thể được đánh giá bằng các chỉ số biến thiên điện áp hiệu
dụng, một trong số đó là 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑥𝑥 : đại diện cho số lượng trung bình của các sự
kiến biến thiện điện áp hiệu dụng cụ thể đã xảy ra trong khoảng thời gian đánh
giá cho mỗi khách hàng, trong đó các lần được xác định là những lần biến thiên
điện áp có cường độ nhỏ hơn x đối với sụt áp hoặc cường độ lớn hơn x đối với
quá áp:
∑ 𝑁𝑁𝑖𝑖 (1.1)
𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑥𝑥 =
𝑁𝑁𝑇𝑇
Trong đó X = ngưỡng điện áp hiệu dụng; các giá trị có thể là 140, 120, 110,
90, 80, 70, 50 và 10%.
𝑁𝑁𝑖𝑖 = số khách hàng gặp phải độ lệch điện áp trong thời gian ngắn với cường
độ trên X phần trăm đối với X> 100% hoặc dưới X phần trăm đối với X <100%
do sự kiện i.
𝑁𝑁𝑇𝑇 = tổng số khách hàng được phục vụ từ phần hệ thống được đánh giá.
Lưu ý rằng SARFI được xác định đối với ngưỡng điện áp x. Ví dụ: nếu một
công ty điên lực có khách hàng bị sụt áp dưới 70% điện áp danh định, thì nhóm
này có thể được đánh giá bằng cách sử dụng 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆70 .
Việc sử dụng SARFI ngày càng phổ biến là để xác định ngưỡng dưới dạng
một đường cong. Ví dụ: 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 sẽ đại diện cho tần số của các sự kiện biến
thiên giá trị hiệu dụng bên ngoài đường bao dung sai điện áp đường cong ITI. Ba
chỉ số đường cong thường được tính: 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 , 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼𝐼 , 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 .
1.2.5 Giảm thiểu SANH
Các giải pháp nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của một dây chuyền hoặc
thiết bị có thể được áp dụng ở nhiều cấp độ khác nhau và nhiều cách tiếp cận.
Các công nghệ khác nhau có sẵn cần được đánh giá dựa trên các yêu cầu cụ thể
của dây chuyền để xác định giải pháp tối ưu để cải thiện suất SANH.
19
Các phương pháp giảm SANH và cải thiện các vấn đề CLĐN khác:
1. Giảm số lượng sự cố ngắn mạch.
2. Giảm thời gian giải trừ sự cố.
3. Thay đổi hệ thống sao cho các sự cố ngắn mạch dẫn đến các sự cố ít
nghiêm trọng hơn tại các thiết bị đầu cuối hoặc tại điểm giao nhận điện
năng của khách hàng.
4. Kết nối thiết bị giảm thiểu giữa thiết bị nhạy với điện áp và nguồn cấp.
5. Cải thiện khả năng chống SANH của thiết bị.
Các phương pháp giảm thiểu này sẽ được thảo luận tiếp theo. Các phương
pháp thiết kế hệ thống điện và thiết bị giảm thiểu khác tại điểm giao nhận điện hệ
thống - thiết bị chỉ có thể áp dụng cho hệ thống điện mới và sẽ không được thảo
luận trong luận án này. Các kỹ sư điện luôn sử dụng kết hợp các phương pháp
giảm thiểu để đảm bảo thiết bị hoạt động tin cậy.
1.2.5.1. Giảm số lượng sự cố ngắn mạch
Giảm số lượng sự cố ngắn mạch trong hệ thống không chỉ làm giảm tần số
SANH mà còn giảm tần số gián đoạn cấp điện. Do đó, đây là một cách rất hiệu
quả để nâng cao chất lượng nguồn cung cấp và nhiều khách hàng cho rằng đây là
giải pháp hiển nhiên khi xảy ra sự cố SANH hoặc ngắn mạch. Thực tế, giải pháp
này không đơn giản. Ngắn mạch không chỉ dẫn đến SANH hoặc gián đoạn điện
áp lâu dài cho khách hàng mà còn có thể gây hư hỏng cho thiết bị của công ty
điện lực và đơn vị phát điện. Do đó, hầu hết các công ty điện lực sẽ giảm tần suất
sự cố ngắn mạch xuống mức có thể và khả thi về mặt kinh tế. Trong nhiều trường
hợp, vẫn có thể cải thiện thêm bằng một trong những phương pháp sau:
− Thay thế đường dây trên không bằng cáp ngầm. Một phần lớn các sự cố ngắn
mạch là do thời tiết bất lợi hoặc các tác động bên ngoài khác. Các dây cáp
ngầm ít bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng bên ngoài (ngoại trừ khả năng đào).
Tỷ lệ sự cố trên cáp ngầm là một cấp độ nhỏ hơn đối với đường dây trên
không. Hiệu quả là làm giảm đáng kể số lượng sụt áp và gián đoạn. Một
nhược điểm của cáp ngầm là thời gian sửa chữa thường kéo dài.
− Sử dụng dây có vỏ bọc cho đường dây trên không. Một sự phát triển gần đây
là việc xây dựng các đường dây trên không với dây cách điện. Thông thường
dây dẫn của đường dây trên không là dây dẫn trần. Với dây có vỏ bọc, ruột
dẫn được bọc một lớp vật liệu cách điện mỏng. Mặc dù lớp này không phải là
lớp cách nhiệt hoàn toàn, nhưng nó đã được chứng minh là có hiệu quả trong
việc giảm tỷ lệ sự cố của đường dây trên không. Ngoài ra, các loại dây dẫn
khác có thể làm giảm tỷ lệ sự cố.
− Thực hiện chính sách chặt chẽ về cắt tỉa cây đảm bảo hành lang an toàn điện.
Sự tiếp xúc giữa cành cây và dây điện có thể là nguyên nhân quan trọng gây
ra sự cố ngắn mạch, đặc biệt là trong quá trình đường dây mang tải cao. Do
sự nóng lên của dây, độ võng của chúng tăng lên, làm cho khả năng tiếp xúc
với cây cối nhiều hơn. Lưu ý rằng đây cũng là thời gian mà hậu quả của sự cố
chập điện là nặng nề nhất.
20