Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung nâng cao chất lượng điện áp trong nhà máy công nghiệp sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 0
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung nâng cao chất lượng điện áp trong nhà máy công nghiệp sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ" được nghiên cứu với mục tiêu: Tối ưu hóa tổn thất công suất tác dụng cho các chế độ hoạt động của các nhà máy, khu công nghiệp sử dụng nhiều các động cơ không đồng bộ, đồng thời nâng cao chất lượng điện áp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung nâng cao chất lượng điện áp trong nhà máy công nghiệp sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP TRONG NHÀ MÁY CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG NHIỀU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI: HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Phạm Trung Dũng 2. TS Đinh Ngọc Quang Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đức Khoát Phản biện 2: PGS.TS Lê Văn Doanh Phản biện 3: PGS.TS Trương Xuân Tùng Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đề tài góp phần làm sáng tỏ việc nâng cao hiệu suất ĐC-KĐB, giảm tổn thất điện năng, góp phần nâng cao hiệu quả, làm tăng tuổi thọ, khả năng làm việc của động cơ là một bài toán cấp bách và đang được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài là tối ưu hóa tổn thất công suất tác dụng cho các chế độ hoạt động của các nhà máy, khu công nghiệp sử dụng nhiều các động cơ không đồng bộ, đồng thời nâng cao chất lượng điện áp 3. Đối tượng nghiên cứu Các phụ tải sử dụng các ĐC-KĐB công suất lớn. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng thuật toán, phương trình tính toán xác định vị trí bù, dung lượng bù trong mạng hạ áp nhằm nâng cao chất lượng điện áp. Và tối ưu hóa chế độ làm việc theo các điều kiện của hệ thống điện trong các nhà máy 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng bằng máy tính để đánh giá kết quả, kiểm chứng các thuật toán đã xây dựng và đưa ra các đề xuất. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất phương trình để tính toán lượng tổn thất công suất trong các nhà máy và xí nghiệp, trong đó có tính tới ảnh hưởng của CLĐA tới hiệu suất của ĐC- KĐB giúp quá trình tối ưu hóa tổn thất của tải và có cơ sở khoa học vững chắc. Luận án đề xuất phương pháp bù phân tán, điều khiển tập trung và xây dựng cơ sở lý thuyết cho giải pháp mới này. Kết quả mô phỏng việc sử dụng phương pháp đề xuất đem lại hiệu quả giảm tổn thất CSTD so với phương pháp truyền thống đang sử dụng rộng rãi trên thế giới. - Ý nghĩa thực tiễn: Luận án tiến hành thiết kế chế tạo hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung và lắp đặt thực nghiệm cho thấy tổn thất công suất tác dụng tổng tại nhà máy giảm với các điều kiện của lưới điện Việt Nam. 7. Bố cục của luận án Luận án gồm: Chương 1. Tổng quan về chất lượng điện năng và phương pháp bù công suất phản kháng Chương 2. Phương pháp bù phân tán điều khiển tập trung cho lưới điện phân phối Chương 3. Giải pháp xây dựng cấu hình hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung Chương 4. Mô phỏng và thực nghiệm hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung
2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng 1.1.1 Đặt vấn đề Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, bài toán về chất lượng điện năng (CLĐN) ngày càng trở nên quan trọng với mọi quốc gia trên thế giới. Việc giải quyết tốt bài toán này sẽ giúp cho quốc gia sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, tăng cường độ tin cậy và an toàn cung cấp điện, tăng tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị sản xuất, truyền tải, phân phối, tiêu thụ điện cũng như đảm bảo sức khỏe cho các khách hàng sử dụng điện. Bài toán CLĐN bao gồm các bài toán nhỏ liên quan đến chất lượng điện áp (CLĐA) và chất lượng tần số, trong đó chất lượng tần số được quản lý bởi đơn vị điều độ hệ thống điện quốc gia. Chính vì vậy, trong giới hạn của luận án, tác giả tập trung nghiên cứu, phân tích CLĐA do các phụ tải gây ra và tác động ngược trở lại của CLĐA đến các phụ tải. 1.1.2 Các tham số ảnh hưởng của chất lượng điện áp Để giải quyết bài toán CLĐA người ta thường tập trung vào xét các yếu tố chính sau: độ lệch điện áp so với định mức, dao động điện áp, độ không đối xứng điện áp của hệ thống 3 pha, độ không sin điện áp. Có thể thấy 4 yếu tố trên của CLĐA sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới hiệu suất làm việc của các thiết bị điện, tuy nhiên yếu tố dao động điện áp không ảnh hưởng nhiều đến ĐC- KĐB. Thực tế cho thấy, trong các nhà máy có rất nhiều loại phụ tải điện khác nhau, phụ tải là các động cơ điện không đồng bộ, chiếm khoảng 60% trên tổng số lượng phụ tải nhưng lại tiêu thụ khoảng 70% sản lượng điện hàng năm. Chính vì vậy, trong khuôn khổ của luận án, tác giả sẽ nghiên cứu, phân tích chi tiết ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của ĐC-KĐB. 1.2 Ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của động cơ 1.2.1 Ảnh hưởng của độ lệch điện áp Một số nghiên cứu gần đây của các nhà nghiên cứu đã chỉ ra, độ lệch điện áp ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất (η) và hệ số công suất (cosφ) của các động cơ. Theo những kết quả nghiên cứu của Kostic, đã chứng minh khả năng tiết kiệm năng lượng của các động cơ sẽ rất hiệu quả trong dải điện áp Uđm ±5%, bởi vì hơn 80% động cơ, đặc biệt là các động cơ có công suất nhỏ và trung bình (1 - 30kW) làm việc ở hệ số tải là 70%. 1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp bất đối xứng Khi độ không cân bằng điện áp là 2%, 3,5% và 5% thì tổn thất công suất trong
3 phần ứng của các động cơ điện tăng lên lần lượt là 8%, 25% và 50% so với tổn thất công suất danh định của các động cơ. Bên cạnh đó, khi độ không đối xứng điện áp lớn hơn 5% thì tổn thất công suất trên các cuộn dây sẽ lớn hơn 90% so với tổn thất công suất danh định. Một số kết quả nghiên cứu cũng cho thấy hiệu suất động cơ giảm từ 93,2% ở độ cân bằng điện áp là 0% xuống 59,51% khi điện áp mất cân bằng 5%. 1.2.3 Ảnh hưởng của độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài) đến hiệu quả sử dụng năng lượng của động cơ Sự xuất hiện sóng hài điện áp làm cho điện trở và điện kháng trong mạch rotor thay đổi. Theo nghiên cứu của Colin Debruyne và cộng sự cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trong hầu hết các bộ phận của động cơ theo ảnh hưởng của mức độ sóng hài. Ở cùng một bậc sóng hài, nhiệt độ tăng lên khi biên độ sóng hài tăng. Mặt khác, hiệu quả của động cơ tiết kiệm năng lượng và động cơ tiêu chuẩn đều giảm khi bậc của sóng hài tăng. Nhận xét CLĐA không đảm bảo sẽ làm tăng tổn thất công suất, tăng nhiệt độ trong động cơ dẫn đến hiệu suất làm việc và tuổi thọ của các động cơ giảm xuống. Do vậy, cần phải có những giải pháp để nâng cao, cải thiện chất lượng điện áp. 1.3 Các giải pháp điều chỉnh điện áp 1.3.1 Nguyên lý chung Việc duy trì điện áp ổn định là một trong những biện pháp cơ bản để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện. Điện áp thực tế tại các nút phụ tải được xác định theo công thức sau: U 2 = U1 - ΔU (1.1) ∆U - Tổn thất điện áp trên đường dây: P.R + Q.X ΔU = (1.2) U1 Vì vậy để điều chỉnh điện áp, người ta có thể sử dụng các phương pháp sau: 1.3.2 Điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát điện Phương pháp này thì tốc độ điều chỉnh điện áp không quá nhanh do phụ thuộc vào đặc tính của máy phát và công suất cơ đầu vào. Mặt khác, do khoảng cách từ các máy phát điện đến các nút phụ tải nằm cách xa nhau và phân bố không đồng đều nên giải pháp này không khả thi khi cần điều chỉnh điện áp tại từng nút phụ tải. 1.3.3 Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc sử dụng bộ điều áp dưới tải của máy biến áp Để thay đổi điện áp thứ cấp của máy biến áp, người ta sử dụng các đầu phân áp của máy biến áp.
4 1.3.4 Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp điều chỉnh và biến áp bổ trợ hoặc sử dụng bộ tụ có điều chỉnh Việc điều chỉnh thông số của lưới điện có thể thực hiện bằng 2 cách chính sau: (1) Xây dựng thêm các đường dây hoặc lắp đặt thêm máy biến áp để giảm điện trở, điện kháng, từ đó giảm sụt điện áp trên các thiết bị này. (2) Đối với các phụ tải có nhu cầu CSPK lớn, việc cung cấp CSPK cho các phụ tải này không nhất thiết được cấp từ nguồn mà có thể được cấp từ một nguồn phát CSPK bên ngoài đặt ngay tại phụ tải như phương pháp bù ngang, bù dọc. 1.3.5 Sa thải phụ tải Nhằm giảm bớt lượng công suất tác dụng và phản kháng truyền tải trên đường dây điện nhằm giảm bớt hiện tượng sụt áp tại các nút trên hệ thống điện. 1.3.6 Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tiết diện đường dây Khi nâng cao tiết diện dây dẫn sẽ giảm được tổng trở đường dây, do vậy sẽ giảm tổn thất điện áp làm cho điện áp tại các điểm nút tăng lên. Ngoài ra, khi tăng tiết diện đường dây sẽ làm giảm tổn thất công suất, nâng cao khả năng mang tải của đường dây...Tuy nhiên giải pháp này đòi hỏi vốn đầu tư lớn và đặc biệt là không khả thi với các nhà máy đang hoạt động. 1.3.7 Lọc sóng hài Một trong những nguyên nhân làm cho CLĐA không đảm bảo là do sóng hài bậc cao trên lưới điện. Sóng hài không chỉ gây ra hiện tượng làm méo dạng sóng điện áp, dòng điện mà còn làm cho điện áp thay đổi. Do vậy, giải quyết được bài toán lọc sóng hài cũng là một trong những giải pháp điều chỉnh điện áp. Để hạn chế ảnh hưởng của sóng hài ta có thể sử dụng các bộ lọc sóng hài tích cực và bộ lọc thụ động. 1.3.8 Điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng Phương pháp điều chỉnh điện áp bằng cách sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng là phương pháp phổ biến nhất hiện nay. Nguyên lý của phương pháp này là điều chỉnh lượng công suất phản kháng hợp lý để giữ cho điện áp ổn định: P.R + (Q - Q b )X U 2 = U1 - ΔU = U1 - (1.3) U1 Ngoài ra việc bù CSPK chính xác và hợp lý sẽ giúp giảm đáng kể lượng tổn thất công suất tác dụng trên các thiết bị điện theo công thức sau: P2 + Q2 ΔP = .R (1.4) U2 Như vậy với việc giảm bớt lượng công suất phản kháng chạy qua các thiết bị điện và tăng điện áp trên các thiết bị thì bù công suất phản kháng hợp lý sẽ làm giảm đáng kể lượng tổn thất trên các thiết bị truyền tải và phân phối.
5 1.4 Các phương pháp bù công suất phản kháng Hiện tại, có rất nhiều phương pháp bù công suất phản kháng khác nhau, có nhiều cách phân loại khác nhau. Một trong các phương pháp được chia như sau: 1.4.1 Bù bằng máy bù đồng bộ Sử dụng máy bù đồng bộ, thực chất là động cơ điện đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích thích. Biện pháp này có thể điều chỉnh trơn công suất bù và công suất bù có thể điều chỉnh dương hoặc âm. Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản của giải pháp này là thiết bị cồng kềnh, ồn, chi phí bảo dưỡng, sửa chữa lớn, giá thành cao, tổn thất công suất lớn, hay hỏng hóc do sử dụng thiết bị quay với vận tốc lớn. 1.4.2 Bù tĩnh đóng cắt theo bậc Đây là phương pháp có điều chỉnh công suất của thiết bị bù bằng cách đóng cắt các tụ điện khác nhau tùy theo yêu cầu của phụ tải điện. Tuy nhiên, phương pháp bù này có khá nhiều nhược điểm như: tốc độ phản ứng rất chậm, không thể điều chỉnh trơn công suất phản kháng theo đúng yêu cầu của phụ tải. 1.4.3 Sử dụng các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh Hiện nay, thiết bị FACTS thường được áp dụng trong hệ thống điện đó là các thiết bị bù tĩnh có tên SVC và thiết bị có tên STATCOM. Ngoài ra, một thiết bị bù mới, thiết bị bù lai, được cải tiến từ thiết bị SVC cũng đang được sử dụng. 1. Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh (SVC) Thông thường SVC bao gồm 1 tụ điện C đóng cứng vào lưới điện và một cuộn kháng L được điều khiển công suất thông qua hệ thống thyristor đấu song song ngược chiều nhau. Bằng cách điều chỉnh thời gian mở cuộn kháng trong 1 chu kỳ điện (thông qua góc mở α của hệ thống thyristor) công suất của cuộn kháng sẽ được điều chỉnh trơn. Công suất của SVC sẽ là công suất của tụ điện C và công suất của cuộn kháng L: QSVC = QC − QL ( ) (1.5) Thiết bị SVC có tốc độ phản ứng nhanh, bù trơn công suất phản kháng, giá thành thấp. Tuy vậy, tổn thất do thiết bị gây ra lớn; Trong quá trình điều chỉnh trơn công suất cuộn kháng thì thiết bị gây ra sóng hài lớn trên lưới điện. 2. Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu đồng bộ tĩnh (STATCOM) Thiết bị STATCOM có cấu tạo gồm bộ biến đổi nguồn áp DC-AC với thiết bị lưu trữ năng lượng thường là tụ điện. Thiết bị này vận hành như một nguồn áp đồng bộ nối với đường dây thông qua máy biến áp. Điện áp điều khiển đầu ra giữ cùng pha với điện áp dây và được điều khiển để tiêu thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng tương tự như máy bù đồng bộ nhưng với tốc độ phản ứng nhanh hơn rất nhiều do không có phần quay. So với SVC và các thiết bị bù khác thì STATCOM có nhiều ưu điểm hơn; thời gian phản ứng rất nhanh, cỡ 10ms; Có độ tin cậy cao hơn. Bên cạnh đó, thiết bị này còn tồn tại nhược điểm như: Chi phí chế tạo thiết bị còn khá cao.
6 3. Thiết bị bù trơn công suất phản kháng dựa trên nguyên lý lai Thiết bị bù lai là sự hoàn thiện của SVC, bao gồm các bộ tụ điện mắc song song được điều chỉnh bằng các thiết bị điện tử như thyristor, công suất của cuộn kháng được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc mở của thyristor. Thiết bị này có ưu điểm là kết cấu gọn nhẹ, tổn hao công suất thấp, ít gây sóng hài và đặc biệt là giá thành rẻ hơn. 1.5 Các phương pháp bố trí thiết bị bù công suất phản kháng Có nhiều phương pháp triển khai đặt các thiết bị bù trong hệ thống lưới điện phân phối, mỗi loại có những ưu nhược điểm riêng. Khi xét tới lưới phân phối hạ áp thường chia làm 2 loại bù tập trung và bù phân tán. 1.5.1 Phương pháp bù tập trung Thường được áp dụng cho các loại tải ổn định và liên tục. Phương pháp này có ưu điểm lắp đặt thuận lợi, dễ theo dõi, kiểm tra tình trạng hoạt động của thiết bị; làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó có khả năng dễ dàng mở rộng các nhánh phụ tải khi cần thiết và tăng dung lượng bù khi phụ tải tăng. Trong nghiên cứu "S. S. Kanojia" đề xuất phương pháp bù tập trung với giải pháp tối ưu chi phí giá thành cho hệ thống bù. Bên cạnh đó, phương pháp bù tập trung cũng có nhược điểm điển hình là không kiểm soát và điều khiển được điện áp tại các nút dưới phụ tải, do vậy không tối ưu được CLĐA tại các nút của phụ tải và không tối ưu được tổn hao của toàn hệ thống. 1.5.2 Phương pháp bù nhiều vị trí Bù nhiều vị trí khác nhau hay còn gọi là bù phân tán thường sử dụng khi mạng điện lớn, phức tạp, khi chế độ tải tiêu thụ theo thời gian của các nhánh thay đổi khác nhau, tải động có nhiều nguồn phân tán. Bù phân tán giúp tối ưu tổn thất công suất tác dụng và tổn hao trên đường dây, tổn hao của hệ thống. Để hệ thống kiểm soát được sự ổn định điện áp trên các nút cũng như tối ưu được tổn thất công suất tác dụng toàn hệ thống. Luận án sẽ nghiên cứu đề xuất hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung và trình bày cụ thể trong các chương sau. 1.6 Kết luận Trong phần đầu của chương, tác giả đã đưa ra các chỉ tiêu đánh giá CLĐN nói chung. Để hiểu rõ ảnh hưởng của CLĐA đến khả năng hoạt động của các thiết bị điện, điện tử, tác giả lựa chọn ĐC-KĐB là đối tượng nghiên cứu. Đây là thành phần phụ tải chính và tiêu thụ phần lớn năng lượng điện trong các nhà máy công nghiệp. Các giải pháp nâng cao CLĐA cũng đã được tác giả tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích. Mỗi giải pháp đều có những ưu, nhược điểm riêng và giải pháp nâng cao CLĐA bằng cách sử dụng các thiết bị điều chỉnh dòng công suất phản kháng hiện đang là giải pháp tối ưu và phù hợp nhất. Mỗi một phương án lắp đặt đều có ưu, nhược điểm riêng. Để khắc phục nhược điểm này, luận án sẽ nghiên cứu, đề xuất giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm nhằm kết nối, phân tích chế độ và tính toán lượng công suất tối ưu và điều khiển dung lượng giữa các thiết bị bù trong nhà máy.
7 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1 Phương pháp tính toán tối ưu hóa lượng bù CSPK cho tải có động cơ không đồng bộ 2.1.1 Tính toán tổn thất công suất tác dụng của lưới điện phân phối Hiện tại để tính toán lượng công suất bù tối ưu cho các thiết bị điện, trong đó có ĐC-KĐB thường được tính toán theo: ΔP = ΔPdd + ΔPMBA + ΔPbu (2.1) Trong đó: P-Tổng tổn thất của một nhà máy hoặc hệ thống điện; Pdd -Tổn thất trên các đường dây; PMBA-Tổn thất trên các máy biến áp; Pbu -Tổn thất trên các thiết bị bù. Theo công thức (2.1) đã bỏ qua tổn thất công suất tác dụng trên thiết bị tiêu thụ công suất. Trong khi đó tổn hao của các thiết bị này có liên quan trực tiếp đến CLĐA cấp cho thiết bị. Như vậy để xác định tổn hao CSTD tổng của nhà máy một cách triệt để, cần phải xét đến tổn thất công suất trên thiết bị, sẽ giải quyết được bài toán tối ưu về tổn thất CSTD cho toàn nhà máy. 1 Hệ thống phân phối điển hình của lưới điện Để thuận tiện cho việc xem xét quá trình tối ưu hóa tổn thất của thiết bị bù, ta sẽ xét một sơ đồ nguyên lý của một hệ thống phân phối điển hình (Hình 2.1). Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của lưới điện phân phối 2 Sơ đồ thay thế hệ thống phân phối lưới điện Để thuận tiện cho việc tính toán và phân tích hệ thống điện, ta sẽ sử dụng một sơ đồ thay thế trong hình 2.2. Hình 2.2. Sơ đồ thay thế của lưới điện Lúc này, lượng công suất tổn thất trên toàn bộ các thiết bị điện gây ra khi có đặt
8 thiết bị bù CSPK - điều chỉnh điện áp sẽ là công thức (2.1) nhưng được cộng thêm phần thay đổi hiệu suất của ĐC-KĐB, cụ thể như sau: ΔP = ΔPtd + ΔPbu + ΔPDC-KDB (2.2) Trong đó: *) Tổn thất trên cáp và các máy biến áp của hệ thống Ptd; P 2 + (Q tt - Qb ) 2 ΔPtd =ΔPdd + ΔPMBA =R td tt 2 .10-3 (2.3) U ht Với: Rtd - Tổng trở tương đương của hệ thống quy về hạ áp của MBA-T2, (); Ptt , Qtt - Công suất tác dụng, công suất phản kháng tính toán, (kW), (kVAr); Qb - Công suất của thiết bị bù, (kVAr). *) Tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù Pbu, được tính như sau; ΔPbu =Δpb .Qb (2.4) Với: pb - Tổn thất công suất tác dụng của thiết bị bù, (kW/kVAr). *) Tổn thất của ĐC-KĐB có xét ảnh hưởng của CLĐA tới hiệu suất PDC_KDB; ΔPDC_KDB = Ptt . 1- ηmax - ΔηQ tt - Qb    (2.5) Với: max - Hiệu suất lớn nhất của động cơ; {Qtt -Qb} – Hàm hiệu suất theo biến Qb của động cơ giảm khi có sự thay đổi điện áp đặt trên động cơ. Như vậy công thức (2.2) có thể đươc viết lại như sau: Ptt + (Q tt - Qb ) 2 2 ΔP = R td 2 .10-3 + Δpb .Qb + Ptt . 1- ηmax - ΔηQ tt - Qb    (2.6) U ht Khi xét đến tổn thất công suất tác dụng, bỏ qua tổn thất về cơ; tổn thất về điện từ trường…Khi đó công thức (2.6) chỉ xét đến yếu tố ảnh hưởng do CLĐA gây ra, ta có công thức thay thế sau: P 2 + (Q tt - Qb )2 ΔP = R td tt 2 .10-3 + Δp b .Qb + Ptt . - ΔηQ tt - Qb    (2.7) U ht Công thức (2.7) biểu diễn tổn thất công suất tác dụng tổng trong một lưới điện phân phối điển hình. 2.1.2 Tối ưu hóa bù CSPK cho lưới điện phân phối Để tính toán lượng công suất bù tối ưu trong hệ thống điện với tiêu chí tổn thất công suất tác dụng trên toàn hệ thống P nhỏ nhất, điều kiện cần là giá trị đạo hàm bậc nhất của P theo biến số Qb phải bằng không. Từ phương trình (2.7) ta sẽ có: ΔP (Q - Q ) ΔηQ tt - Qb  = -2R td tt 2 b .10-3 + Δp b - Ptt . =0 (2.8) Qb U ht Qb Trên thực tế thì mối quan hệ giữa điện áp đặt trên ĐC-KĐB và hiệu suất của thiết bị này đã được đưa vào tiêu chuẩn NEMA (Hình 2.3).
9 Hình 2.3. Quan hệ giữa điện áp và hiệu năng động cơ theo NEMA Trên thực tế, độ sụt áp tại các ĐC-KĐB khi có thiết bị bù được tính theo công thức sau: P .R + (Q tt - Qb )X td ΔU= tt td (2.9) U ht Trong hình 2.3 quan hệ giữa sự biến thiên điện áp và biến thiên hiệu suất động cơ có thể được biểu diễn theo công thức sau: ΔηQtt - Qb  = ( K1.ΔU DC + K 2 .ΔU DC + C )×10-2 2 (2.10) Trong đó: K1, K2 và C - Những hằng số được xác định dựa trên đường cong thực nghiệm theo hình 2.3. UDC - Tỷ số phần trăm giữa hiệu số điện áp đặt trên động cơ (UDC) với giá trị điện áp định mức của động cơ (Udm_DC) so với giá trị điện áp định mức này: (U ht1.103 - U dm_DC )U ht -  Ptt .R td + (Q tt - Q b )X td  ΔU DC = .100 (2.11) U dm_DC U ht Từ công thức (2.10) ta sẽ biểu diễn được mối quan hệ giữa đạo hàm bậc nhất của hàm số ΔηQ tt -Q b  theo biến số Qb được công thức sau: ΔηQ tt - Q b   ΔU DC ΔU DC  =  2K1.ΔU DC . + K2. ×10 -2 (2.12) Q b  Q b Q b  Vậy từ công thức (2.8) và (2.12) ta có: ΔP 1 = - A1.(Q tt - Qb ) + A 2 .Δpb - A3  =0 (2.13) Qb ( U .U ht ) 2 dm_DC Trong đó các hệ số A1, A2, A3 lần lượt là: A1 =2R td .10-3.Udm_DC - 2.102 .K1.Ptt .X td 2 ; A 2 = ( U dm_DC .U ht ) 2 2 A 3 =2.102 .K1.Ptt .X td . ( U ht1.103 - U dm_DC ) U ht - Ptt .R td  + K 2 .Ptt .X td .U dm_DC .U ht  
10 Giải phương trình (2.13), ta sẽ nhận được kết quả như sau: A .Δp - A3 Q b = Q tt - 2 b1 (2.14) A1 Các hệ số A1, A2, A3 là các hằng số, nên giá trị Qb được xác định ở trên có phải là dung lượng tối ưu không ứng với tổng tổn thất P của toàn bộ hệ thống đạt nhỏ nhất? Khi đó luận án xem xét tới đạo hàm bậc 2 của hàm tổng tổn thất P theo Qb. Vậy theo công thức (2.7) ta có:  2ΔP A1 = (2.15) QbQb ( U .U ht ) 2 dm_DC Với: A1 = 2R td .10-3.U dm_DC - 2.102 .K1.Ptt .X td 2 2 Theo (Hình 2.3) đường cong thay đổi hiệu suất là đường parabol lồi nên hệ số K1 có giá trị âm, cho nên A1 sẽ luôn là một số dương, khi đó giá trị đạo hàm bậc hai của hàm tổng tổn thất công suất tác dụng theo công suất bù luôn dương. Vì vậy tổng tổn thất P có giá trị nhỏ nhất với giá trị Q b được xác định theo (2.14) và chính là điểm bù công suất tối ưu về mặt kỹ thuật. Tuy nhiên, trên thực tế, các xí nghiệp công nghiệp thường sử dụng rất nhiều các loại ĐC-KĐB với công suất khác nhau và đặt tại nhiều những vị trí khác nhau. Để tối ưu hóa các chế độ làm việc của các ĐC-KĐB đặt phân tán, luận án sẽ đề xuất giải pháp bù CSPK - điều chỉnh điện áp kiểu phân tán, điều khiển tập trung. 2.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung .Đểxem xét phương pháp điều chỉnh điện áp bằng bù CSPK nhằm giảm thiểu tổn thất trong nhà máy, ta sẽ sử dụng hệ thống các thiết bị bù CSPK dạng phân tán. Sơ đồ của hệ thống điện phân tán kết hợp với các thiết bị bù thể hiện trong hình 2.4. Đồng thời để thuận tiện cho việc tính toán, xem xét tác động qua lại giữa các thiết bị phân tán (thiết bị bù) đặt rải rác tại các phụ tải phân tán với thiết bị trung tâm và các thuật toán tối ưu hóa của các thiết bị này, ta sẽ xem xét sơ đồ thay thế tính toán của hệ thống điện theo mục Hình 2.4. Sơ đồ nối điện chung trong (2.2.1) dưới đây. nhà máy khi có thiết bị bù
11 2.2.1 Sơ đồ thay thế mạng điện khi có thiết bị bù Từ sơ đồ hình 2.4 ta có sơ đồ thay thế của nhà máy khi có thiết bị bù hình 2.5 dưới đây: Hình 2.5. Sơ đồ thay thế lưới điện của nhà máy khi có thiết bị bù Theo công thức (2.6) lúc này, tổn thất do ĐC-KĐB thứ i (i = 1÷ n) gây ra trên lưới điện khi có thiết bị bù phân tán thứ i đưa vào: Pi2 + (Qi - Qbi )2 -3 ΔPi =R li 2 .10 + Δp bi .Qbi +Pi . - Δηi Qi - Qbi    (2.16) U TC Với: UTC - Điện áp trên thanh cái, (kV); pbi - Tổn thất công suất tác dụng của thiết bị bù phân tán thứ i (i = 1÷ n), (kW/kVAr); Qbi - Công suất bù của thiết bị bù phân tán thứ i (i = 1÷ n) , (kVAr); Pi, Qi - Công suất tác dụng, công suất phản kháng của động cơ thứ i (i = 1÷ n), (kW), (kVAr); i{Qi - Qbi} - là phần hiệu suất của động cơ thứ i (i = 1÷ n) giảm khi có sự thay đổi điện áp đặt trên động cơ. Ngoài những tổn thất do động cơ, thiết bị bù gây ra trên lưới, thì còn có tổn thất của thiết bị bù trung tâm. Do trên nhánh mắc thiết bị trung tâm không có phụ tải nên tổn thất trung tâm là: P + (Q - Qb - QbTrt ) 2 2 ΔPTrt = R td 2 .10-3 + Δp bTrt .QbTrt (2.17) U ht1 Trong đó: Rtd - Tổng trở tương đương của hệ thống quy về phía hạ áp của MBA-T2 (Ω); P - Tổng công tác dụng của n động cơ (kW); Q - Tổng công suất phản kháng trên n động cơ, (kVAr); Qb - Tổng công suất phản kháng bù của tất cả n động cơ, (kVAr); QbTrt - Công suất của thiết bị bù trung tâm, (kVAr);
12 Uht1 - Điện áp của hệ thống quy về lưới hạ thế, (kV); pbTrt - Tổn thất công suất tác dụng của thiết bị bù trung tâm, (kW/kVAr). Lúc này tổng tổn thất của toàn bộ nhà máy theo sơ đồ thay thế (Hình 2.4) gồm n ĐC-KĐB, khi có n thiết bị bù phân tán và một thiết bị bù trung tâm là: ΔP = ΔP1 + ΔP2 + + ΔPn + ΔPTrt (2.18) Từ (2.16), (2.17) và (2.18) ta sẽ có phương trình sau: P12 + (Q1 - Q b1 ) 2 ΔP = R l1 2 .10-3 + Δp b1.Q b1 + P1. - Δη1 Q1 - Q b1 +   U TC Pn2 + (Q n - Q bn ) 2 + R ln 2 .10-3 + Δp bn .Q bn + Pn . - Δηn Q n - Q bn    (2.19) U TC P + (Q - Q b - Q bTrt ) 2 2 + R td 2 .10-3 + Δp bTrt .Q bTrt U ht1 Để tính toán công suất bù tối ưu trong hệ thống điện của toàn bộ nhà máy với tiêu chí tổn thất công suất tác dụng trên toàn hệ thống P là nhỏ nhất, ta cần phải tìm cực trị của phương trình (2.19). Điều kiện cần là giá trị đạo hàm bậc 1 của P theo biến số Qb phải bằng không. Từ công thức (2.19) ta sẽ có phương trình sau:  ΔPi 2R li .10-3 Δηi Qi - Q bi  2R td .10-3  =- (Qi - Q bi ) - Pi . +Δp bi - (Q - Q b - Q bTrt );  Q bi 2 U TC Q bi 2 U ht1  (2.20) ΔPTrt 2R .10 -3  Q = - td 2 (Q - Q b - Q bTrt ) + Δp bTrt .  bTrt U ht1 Do đó để giải phương trình (2.20) cần phải tìm mối quan hệ giữa đạo hàm của hàm hiệu suất là ẩn số Qb như công thức (2.12). Tương tự như mục (2.1.2) để xác định giá trị Qbi khi đó ta tính ΔPi =0 , do đó ta có: Q bi  ΔPi 1 2  Q = -A i1.(Qi - Q bi ) + A i2 .(Δp bi - Δp bTrt ) - A i3  = 0  bi ( Udm_DC .UTC ) (2.21)   ΔPTrt 2R td .10-3  Q =- 2 (Q - Q b - Q bTrt ) + Δp bTrt = 0  bTrt U ht1 Trong đó các hệ số Ai1, Ai2, Ai3 được xác định theo biểu thức sau: A = 2R .10-3 .U 2 2 2 dm_DC - 2.10 .K1.Pi .X li ;  i1 li  A i2 = ( U dm_DC .U TC ) 2 (2.22)    A i3 = Pi .X li . 2.102 .K1. ( U TC .103 - U dm_DC ) U TC - Pi .R li  +K 2 .U dm_DC .U TC   
13 Vậy Qbi với (i = 1÷ n) và (Q – Qb - QbTrt) chính là lượng công suất tối ưu để chạy trên đường dây li. Từ đó xác định được dung lượng bù Qbi với (i = 1÷ n) cho các phụ tải phụ tải và QbTrt cho trung tâm. Khi đó phương trình (2.38) đạt cực trị tại giá trị sau:  Ai2 .(Δp bi - Δp bTrt ) - Ai3 Q bi = Qi -  Ai1  (2.23) Q = (Q - Q ) - Δp bTrt .U ht1 2  bTrt   b 2R td .10-3 Xét vi đạo hàm bậc hai của hàm tổn thất P theo Qb cho kết quả dương. Vậy tổng tổn thất của nhà máy tính theo công thức (2.19) khi có thiết bị bù và bù trung tâm, đạt giá trị nhỏ nhất khi có giá trị được xác định theo (2.23). 2.3 Kết luận Luận án đã đề xuất công thức mới để tính toán lượng tổn thất công suất tác dụng trong các nhà máy có tính tới ảnh hưởng của chất lượng điện áp đến tổn thất. Từ đó đề xuất phương trình tính toán lượng công suất bù tối ưu mới. Đề xuất phương pháp sử dụng các thiết bị bù CSPK đặt phân tán tại các phụ tải, đồng thời có một phần tử đặt ở trung tâm để điều khiển và tính toán lượng công suất bù để giảm thiểu lượng tổn thất CSTD. Xây dựng cơ sở lý thuyết và thuật toán điều khiển cho hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung dựa trên tính toán giảm thiểu hóa tổn thất toàn bộ hệ thống điện.
14 Chương 3 GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG 3.1 Cấu trúc của hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung 3.1.1 Sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều chỉnh điện áp dạng phân tán điều khiển tập trung được cho trong hình 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT 3.1.2 Các thành phần của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT Bộ điều khiển trung tâm: Tính toán, xác định thông số điều chỉnh điện áp tại từng phụ tải thông qua việc thay đổi công suất bù trên các thiết bị phân tán và trung tâm. Thiết bị bù công suất phản kháng trung tâm: Có chức năng bổ sung công suất cần thiết cho hệ thống. Thiết bị cuộn kháng trung tâm: Giúp cho công suất của toàn bộ hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT được điều chỉnh trơn. Các thiết bị bù đặt tại phụ tải: là những thiết bị dạng tụ điện hoặc nhánh lọc sóng hài đóng cắt theo bậc đặt tại các hệ thống phụ tải phân tán. 3.1.3 Hoạt động của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT Bộ điều khiển trung tâm sẽ tiến hành xác định điện áp, dòng điện cũng như các thông số về CLĐA và công suất tại từng phụ tải điện trong nhà máy. Bộ xử lý của bộ
15 điều khiển trung tâm sẽ tiến hành tính toán lượng công suất cần bù tối ưu tại từng nhánh phụ tải sao cho điện áp và tổn thất công suất tác dụng trong nhà máy đạt giá trị nhỏ nhất. 3.2 Bộ điều khiển của hệ thống Hệ thống này sẽ bao gồm 3 khối chính là: khối đầu vào, khối xử lý trung tâm, và khối điều khiển như hình 3.2 Hình 3.2. Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ thống Hình 3.3. Sơ đồ khối của ĐCĐAPT-ĐKTT. mạch đo lường Trong mỗi khối lại có những phần tử riêng làm các nhiệm vụ khác nhau, dưới đây sẽ trình bày chi tiết hơn. 3.2.1 Khối đo lường và các tín hiệu đầu vào Các tín hiệu đầu vào của hệ thống gồm ba thành phần chính: Khối đo lường các đại lượng điện; nhập và cài đặt hằng số ban đầu; các tín hiệu trạng thái hoạt động của các phần tử trong hệ thống. 1 Khối đo lường các đại lượng điện Sơ đồ khối của mạch đo lường và phân tích sóng hài được cho trong hình 3.3. Mạch đo lường và phân tích sóng hài là một trong những khâu quan trọng nhất trong bộ điều khiển của thiết bị. Khả năng làm việc với tốc độ cao, chính xác của mạch này sẽ đảm bảo khả năng vận hành có hiệu quả của hệ thống. Bộ phận này cần đáp ứng được yêu cầu cao về độ chính xác và tốc độ đo lường cũng như tính ổn định trong quá trình làm việc. 2 Khối nhập các thông số đầu vào Nhập các thông số đầu vào của hệ thống điện như Rht và Xht; Các thông số đầu vào của máy biến áp (T1 và T2) là RT và XT; Các thông số đầu vào của cáp điện là RC và XC; Các thông số điện trở tương đương Rtd và Xtd; Thông số về tổn thất công suất tác dụng pb; Một thông số khác là các hệ số của đường cong quan hệ giữa hiệu suất ĐC-KĐB và chênh lệch điện áp (hay còn gọi là đường cong NEMA); Các thông số cáp cung cấp cho ĐC-KĐB.
16 3 Khối thu thập các tín hiệu trạng thái hệ thống Thu thập thông tin các thông số hoạt động của hệ thống, đưa về bộ xử lý trung tâm của bộ điều khiển. Thông tin trạng thái này giúp cho quá trình tính toán tối ưu thực hiện chính xác hơn bằng cách loại bỏ những phần tử dừng hoạt động ra khỏi phương trình tính toán. 3.2.2 Thiết bị bù trung tâm và thiết bị phân tán của hệ thống điều chỉnh điện áp kiểu phân tán, điều khiển tập trung. 1 Thiết bị bù công suất phản kháng trung tâm Thiết bị bù CSPK trung tâm bao gồm các hệ thống bù bằng tụ điện tĩnh hoặc là các bộ lọc kết hợp bù CSPK theo kiểu thụ động. 2 Thiết bị cuộn kháng trung tâm Thiết bị gồm cuộn kháng mắc nối tiếp với các cặp thyristor đấu song song ngược tại 3 pha riêng rẽ. Thông qua việc thay đổi góc mở α của thyristor kết hợp với việc đóng thay đổi công suất của các thiết bị bù công suất phản kháng, nhằm mục đích điều chỉnh trơn công suất của hệ thống và qua đó điều chỉnh trơn điện áp. 3 Các thiết bị phân tán đặt tại phụ tải. Là các thiết bị bù CSPK cho các loại tải (tải phi tuyến, tải tuyến tính, tải hỗn hợp) được đặt rải rác. 4 Sử dụng zero crossing để giúp giảm dao động điện áp khi đóng cắt các nhánh của hệ thống điều chỉnh điện áp phân tán. Đối với các thiết bị sử dụng điện tử để đóng cắt, do tốc độ làm việc nhanh thì việc lựa chọn thời điểm tốt nhất sẽ dễ dàng được thực hiện khi điện áp rơi trên tụ điện bằng với điện áp trên lưới điện (hay còn gọi là zero crossing). Lúc này quá trình quá độ sẽ diễn ra rất nhanh và gần như không có ảnh hưởng gì tới tuổi thọ cũng như độ bền của các thiết bị đóng cắt. 3.2.3 Khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống Khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống bù CSPKPT sẽ có 4 thành phần chính gồm: - Điều chỉnh các tụ điện 1 pha tại thiết bị trung tâm; - Điều chỉnh các tụ điện 3 pha tại các thiết bị phân tán, thiết bị trung tâm; - Điều chỉnh các bộ lọc; - Điều chỉnh cuộn kháng trung tâm. 3.3 Thuật toán điều khiển 3.3.1 Chương trình chính Để hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT hoạt động hiệu quả đúng yêu cầu đề ra lưu đồ thuật toán chương trình chính thực hiện cho hệ thống như dưới đây (Hình 3.4).
17 3.3.2 Khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA) Lưu đồ thuật toán cho điều chỉnh điện áp không đối xứng cho trong (Hình 3.5). Hình 3.4. Lưu đồ thuật toán chính Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán điều chỉnh độ không đối xứng điện áp 3.3.3 Khối lọc sóng hài Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán điều khiển lọc sóng hài Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán bù CSPK
18 Hệ thống phân tích, tính toán phổ sóng hài trong các chế độ khác nhau rồi từ đó đưa ra lệnh đóng các bộ lọc một cách hợp lý và chính xác theo lưu đồ (Hình 3.6). 3.3.4 Khối điều chỉnh bù CSPK- ĐCĐA Sơ đồ thuật toán của khối bù CSPK – ĐCĐA cho trong hình 3.7. Khối này sẽ truyền những lệnh điều khiển tới khối điều khiển để tiến hành bù CSPK kết hợp ĐCĐA. 3.4 Kết luận Luận án đã tiến hành đề xuất một hệ thống điều chỉnh điện áp phân tán điều khiển tập trung với những đặc điểm quan trọng nhất của hệ thống này như sau: Hệ thống sử dụng một hệ thống đo lường nhiều kênh song song đo trực tiếp tại bộ điều khiển trung tâm; Chỉ sử dụng một bộ điều khiển duy nhất cho tất cả các thiết bị phân tán và trung tâm nên hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT này có thể phối hợp để điều chỉnh trơn công suất toàn bộ hệ thống; Hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT có thể đo đạc và tính toán lượng công suất tối ưu tại từng nhánh phụ tải và dựa trên các cấu hình của lưới điện có tính tới cả những ảnh hưởng tương hỗ của từng phần tử trong lưới điện. Luận án cũng tiến hành xây dựng sơ đồ khối và chức năng từng khối trong bộ điều khiển tập trung. Từ những yêu cầu của từng khối, luận án đã xây dựng thuật toán điều khiển cho từng thiết bị trong hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT và các chương trình điều khiển. Từ đó mô phỏng, chế tạo thử nghiệm được trình bày trong chương 4.