TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MẠNG 6KV MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH

Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án có mục đích nghiên cứu cụ thể như sau: Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp 6kV theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Điện khí hóa,

Khoa Cơ-Điện, trường Đại học Mỏ-Địa chất

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Chất lượng điện năng đã được quan tâm và nghiên cứu từ đầu những năm 1980 Những vi phạm về chất lượng điện năng có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với lưới điện các xí nghiệp công nghiệp và có thể gây thiệt hại nặng nề cho nền kinh tế Quốc dân Các thiệt hại chủ yếu là do: hư hại thiết bị, gây gián đoạn cung cấp điện do sụt áp, dao động điện áp vượt quá giới hạn cho phép, gián đoạn cung cấp điện thời gian ngắn và thời gian dài, sóng hài, chớp điện Ở Việt Nam trong những năm gần đây, chất lượng điện năng đã được quan tâm

ở tầm Quốc gia (Nghị định 45, nghị định 137) [15], [16] Với tầm quan trọng như thế việc nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh mang tính cấp thiết và thời sự

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Luận án có mục đích nghiên cứu cụ thể như sau: Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp 6kV theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án

* Đối tượng nghiên cứu: Mạng 6kV các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

* Phạm vi nghiên cứu: Chất lượng điện áp của lưới 6kV và ảnh hưởng

của chất lượng điện áp tới các thiết bị nhạy cảm với sóng hài

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các nghiên cứu chất lượng điện năng ở Việt Nam và thế giới;

- Nghiên cứu đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng

- Xây dựng công cụ giám sát độ lệch điện áp và đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh

- Nghiên cứu một số giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của sóng hài tới các phần tử cơ bản của lưới điện

- Kết luận và kiến nghị

5 Phương pháp nghiên cứu

- Dùng phương pháp phân tích, tổng hợp và công cụ tin học hiện đại để đánh giá lưới điện trung áp 6kV mỏ lộ thiên Quảng Ninh theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng

- Áp dụng phương pháp cấu trúc hệ thống, mô hình toán học, sử dụng các công cụ tin học để mô phỏng hệ thống, nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng.mạng 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

* Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng được công thức hiệu chỉnh khi xét đến ảnh hưởng của các máy xúc điện trên các khởi hành 6kV giúp quá trình đánh giá chất lượng điện áp lưới điện ở chế độ tĩnh phù hợp với đặc điểm công nghệ khai thác;

- Xây dựng được thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực để hạn chế ảnh hưởng của sóng hài, giảm độ méo sóng hài xuống mức an toàn theo các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới

* Ý nghĩa thực tiễn:

- Luận án đã nghiên cứu, đánh giá những tác động của sóng hài dòng điện tới các bộ tụ bù công suất phản kháng trong các trường hợp có kể tới trạm biến áp chính và không kể tới trạm biến áp chính, là cơ sở để xây dựng được giới hạn vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù giúp tránh được hiện tượng phá hủy do cộng hưởng song song;

- Nghiên cứu thuật toán lựa chọn tự động đầu phân áp đảm bảo độ lệch điện áp ở chế độ cực đại, tránh quá áp ở chế độ cực tiểu phục vụ công tác vận hành hiệu quả trong các trạm biến áp chính 35/6kV của các mỏ

lộ thiên;

-Họ đường cong tránh cộng hưởng song song cũng sẽ giúp các nhà quản

lý lưới lựa chọn chế độ vận hành phù hợp nhất nhằm hạn chế tối đa tác động tiêu cực của sóng hài dòng điện tới các bộ tụ bù công suất phản kháng

7 Những kết quả mới

- Thành lập được công cụ hiện đại phản ánh đặc thù lưới dùng để tính toán và giám sát độ lệch điện áp ở chế độ tĩnh, đề xuất giải pháp cải thiện độ lệch điện áp không cần can thiệp vào cấu trúc lưới;

- Thành lập được công thức thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng của các

máy xúc điện tới các chỉ tiêu chất lượng điện áp trên lưới 6kV;

- Xây dựng được giới hạn vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù công

suất phản kháng trên thanh cái 6kV tránh hiện tượng phá hủy do cộng hưởng song song khi không kể và có kể đến ảnh hưởng của các máy biến áp;

- Xây dựng thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực giảm độ méo của sóng hài tới mức an toàn theo tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới

8 Những luận điểm bảo vệ

- Vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù được xây dựng căn cứ vào

giới hạn điện áp, dòng điện, dung lượng công suất khả phát của các bộ

tụ, đảm bảo các bộ tụ không bị phá hủy khi trên lưới xuất hiện sóng hài dòng điện do tránh được hiện tượng cộng hưởng song song khi kể tới tổng trở của trạm biến áp chính 35/6kV;

-Sử dụng công thức hiệu chỉnh l xt =(0,0301n+0,033)±0,00321 để

kể tới đặc điểm khi xúc và xả tải máy xúc điện 6kV khi tính toán đánh giá chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh sẽ cho ra kết quả phù hợp với công nghệ khai thác mỏ lộ thiên;

- Thuật toán lựa chọn đầu phân áp tối ưu cho cả chế độ tải cực đại và tải cực tiểu phù hợp với đặc điểm của lưới, và cải thiện hiệu quả độ lệch điện áp ở chế độ tĩnh mà không cần can thiệp vào cấu trúc lưới;

- Thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực có nhiều thuộc tính ưu việt, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra, kết quả đạt được đảm bảo tiêu chuẩn Quốc gia và Quốc tế

9 Kết cấu luận án

Luận án được trình bày trong 141 trang thuyết minh trong đó có 126 hình vẽ, 36 bảng biểu Bao gồm: 04 chương, kết luận, kiến nghị và phụ lục

Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng

Chương 2: Khảo sát chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp và đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của sóng hài

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1 Khái quát chung về chất lượng điện năng

1.1.1Những tiêu chuẩn và yêu cầu về chất lượng điện năng

• Những chỉ tiêu chất lượng điện năng được phân thành hai nhóm chính: Những chỉ tiêu thuộc về tần số và những chỉ tiêu thuộc

về điện áp Với lưới trung áp của Việt Nam, Điều 15 Nghị định

137/2013/NĐ-CP [16] của Chính phủ quy định Trong điều kiện

bình thường, độ lệch điện áp cho phép trong khoảng ± 5% so với điện áp danh định của lưới điện và được xác định tại vị trí đặt thiết bị đo đếm điện hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận Đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố, độ lệch điện áp

cho phép từ +5% đến -10%;” Về sóng hài Theo IEC 61000

[72], với lưới trung áp biến dạng riêng rẽ của từng thành phần

hài không được vượt quá 3% và tổng méo sóng hài không được vượt quá 5%

1.1.2 Những giải pháp cơ bản để đánh giá và cải thiện chất lượng điện năng

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới về chất lượng điện năng 1.2.1 Những nghiên cứu về độ lệch điện áp và độ dao động điện áp

Độ lệch điện áp, độ dao động điện áp là những tham số phụ thuộc cơ bản vào: cấu trúc lưới, thông số các phần tử chính trong khâu truyền tải (đường dây, máy biến áp), phụ thuộc điện áp nguồn, đặc điểm của phụ tải [63], [105], [115] Những thiết bị được xem là quan trọng và cần ổn định điện áp đầu vào, có điện áp được cải thiện bằng cách bù song song hoặc nối tiếp

1.2.2 Những nghiên cứu về sóng hài

Những nghiên cứu về sóng hài dòng điện tập trung chủ yếu ở cấp điện áp trung và hạ áp và tập trung vào:

+ Nguồn phát sinh sóng hài trên lưới điện;

+ Ảnh hưởng của sóng hài tới sự vận hành bình thường của lưới điện cũng như các phần tử trên lưới;

+ Biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống điện

Những tác động tới hệ thống bảo vệ rơle

Đối với hệ thống rơle kỹ thuật số, những tổng hợp của nhóm chuyên gia Steven A.Kunsman [47] đã chỉ ra rằng: Sự biến dạng của dạng sóng điện áp và dòng điện trên lưới điện trung áp sẽ có ảnh hưởng khác nhau tới hệ thống bảo vệ rơle Với các rơle kỹ thuật số áp dụng các giải pháp kỹ thuật trong lọc sóng hài, chúng có thể làm việc tin cậy ngay

cả khi trong lưới điện có sóng hài Các rơle kỹ thuật số sử dụng phương pháp lọc số sẽ miễn nhiễm với các thành phần sóng hài bậc cao

Những ảnh hưởng tới máy biến áp

Tác động chủ yếu của các sóng hài bậc cao tới các máy biến áp là hiệu ứng phát nóng phụ trên cách điện và trong lõi thép của máy biến áp và sinh ra nhiệt lượng làm giảm tuổi thọ của máy biến áp

Hình 1.20: Hệ số suy giảm tương ứng với độ méo của sóng hài [56]

a) Theo O.E Gouda [64] b) Theo Mohammad Yazdani-Asrami [94]

Hình 1.18: Sơ đồ mô phỏng tính toán độ tăng nhiệt độ của lớp dầu trên

bề mặt máy biến áp khi mang tải là không sin

Những ảnh hưởng của sóng hài tới các bộ tụ bù tĩnh

IEEE standard 18-1992 [71] đã quy định nghiêm ngặt khi vận hành các tụ bù tĩnh trên các trạm biến áp trung gian, cụ thể:

- Đối với các đại lượng định mức của các bộ tụ bù:

+ Chỉ cho phép vận hành với điện áp cực đại 1,1Uđm;

+ Chỉ cho phép vận hành với điện áp cực đại 1,2 U đỉnh

+ Chỉ cho phép vận hành với dòng điện cực đại 180% Iđm;

+ Công suất phản kháng tối đa được phát là 135% Qđm;

- Đối với các giới hạn thời gian:

+ Điện áp cực đại chịu được 2,2 lần Uđm trong0,1s;

+ Điện áp cực đại chịu được 2,0 lần Uđm trong0,25s;

+ Điện áp cực đại chịu được 1,7 lần Uđm trong1s;

+ Điện áp cực đại chịu được 1,4 lần Uđm trong15s;

+ Điện áp cực đại chịu được 1,3 lần Uđm trong 1 phút;

+ Điện áp cực đại chịu được 1,25 lần Uđm trong30 phút;

1.3 Tình nghiên cứu trong nước về chất lượng điện năng

1.4 Tổng kết chương 1

Từ chương 1 có một số nhận xét sau:

- Các công trình nghiên cứu về chất lượng điện năng chủ yếu tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu thuộc độ lệch điện áp, độ dao động điện áp và dạng không sin của đường cong điện áp

- Một số công trình đã nghiên cứu và thành lập các hệ số tải để đưa vào các tính toán độ lệch điện áp

- Những ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống điện được nghiên cứu khá đầy đủ và phong phú Sóng hài dòng điện sẽ gây phát nóng và giảm tuổi thọ vận hành của các máy biến áp Những ảnh hưởng này mang tính dài hạn Thứ ba, hiện tượng cộng hưởng khi có mặt các bộ tụ bù công suất phản kháng trên lưới có thể phá hủy tức khắc các thiết bị này trong thời gian rất ngắn Do vậy cần có giải pháp để hạn chế và triệt tiêu những ảnh hưởng này

Chương 2 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI 6KV CÁC MỎ

LỘ THIÊN QUẢNG NINH 2.1 Tổng quan về lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh

- Điện năng tiêu thụ ở các mỏ lộ thiên chiếm tỷ trọng ở mức cao

- Suất tiêu hao điện năng ở các mỏ trong những năm gần đây có sự thay đổi không lớn, một phần do sản lượng của các mỏ khá ổn định

- Phụ tải tiêu thụ đáng kể điện năng ở các mỏ là hệ thống bơm thoát nước, các máy xúc điện, máy khoan

- Ở các mỏ sử dụng phổ biến các thiết bị biến đổi điện tử công suất làm ảnh hưởng tới chất lượng điện năng trong toàn bộ lưới điện

2.2 Mô hình hóa các phần tử của lưới để phục vụ công tác khảo sát đánh giá chất lượng điện năng

2.2.1 Mô hình hóa đường dây truyền tải điện năng

Qua so sánh đáp ứng điện áp bằng sơ đồ mô phỏng trên hình 2.5

và kết quả thu được trên hình 2.6, 2.7 lựa chọn sơ đồ thay thế hình π do

có đáp ứng tổng trở ổn định nhanh hơn

Hình 2.6: Đáp ứng điện áp pha của hai loại sơ đồ thay thế ĐDK

2.2.2 Các máy biến áp ba pha

2.2.3 Mô hình hóa các động cơ không đồng bộ 6kV

2.2.4 Mô hình hóa động cơ đồng bộ 6kV: Sơ đồ mô phỏng động cơ

cho ở hình 2.18 và 2.20

Hình 2.18:

Sơ đồ mô phỏng khối rotor và stator trong

hệ trục dq0

2.2.5 Mô phỏng biến tần và khởi động mềm

2.2.5.1 Mô phỏng biến tần

a) Dòng điện stator b) Từ thông tổng c)Điện áp

Trong quá trình khởi động, dòng điện ba pha phía stator của động

cơ được đưa vào mạch phản hồi dòng điện, dòng điện này sẽ được sử dụng

để điều khiển góc mở của bộ SCR [104], [115], [135] Nguyên lý này giúp làm giảm ảnh hưởng của dòng điện khởi động tới động cơ

10

Hình 2.25: Mô phỏng khởi

động mềm

2.3.1 Khảo sát độ lệch điện áp

Qua các kết quả tính toán nhận thấy rằng:

- Ở một số khởi hành có chiều dài lớn, phụ tải phân nhánh độ lệch điện

áp vượt quá giới hạn 5% cho phép

- Giờ trung điểm và thấp điểm, về cơ bản chất lượng điện áp của lưới 6kV là đảm bảo

2.3.2 Khảo sát sóng hài trên lưới 6kV các mỏ lộ thiên

Một số kết quả đo thực nghiệm về dạng sóng hài dòng điện do biến tần trực tiếp và gián tiếp trên lưới 6kV được cho ở hình 2.36

a)Điện áp ba pha b) Dạng sóng dòng điện Hình 2.36: Dạng sóng dòng áp ba pha đo sau biến tần hạ áp Cọc Sáu 2.4 Kết luận chương 2

* Về sử dụng mô hình mô phỏng trong khảo sát đánh giá chất lượng điện năng lưới 6kV

- Việc tiến hành mô phỏng trên môi trường Matlab cho phép khảo sát, đánh giá được đầy đủ và toàn bộ các chỉ tiêu chất lượng điện áp của lưới 6kV Những mô phỏng, đánh giá đã được so sánh với các kết quả đo thực nghiệm một lần nữa minh chứng tính đúng đắn của phương pháp lựa chọn trình bày trong chương này

* Về chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh: Một số khởi hành trên lưới 6kV

hiện đang có sự vi phạm về độ lệch điện áp cũng như tổn hao điện áp

* Về sóng hài dòng điện:

- Hầu hết các kết quả mô phỏng đều cho thấy THD trên các điểm nút PCC của lưới đều vượt quá giới hạn tổng méo sóng hài cho phép 5%

Các biến tần hạ áp, mặc dù đã được bố trí các bộ lọc và được lấy điện gián tiếp qua máy biến áp có cuộn hạ áp đấu tam giác nhưng vẫn sinh ra

sóng hài có phổ hài bậc 5, 7, 9, 11

a) Phổ dòng điện hài b) Phổ điện áp hài

Hình 2.39: Phổ sóng hài của máy biến áp biến tần hạ áp mỏ Cao Sơn

-Các kết quả đo thực nghiệm trên các hình 2.36 tới 2.39 vào các thời điểm khác nhau trên lưới (từ 9h03 tới 9h35-hình 2.39) cho thấy

có vi phạm về sóng hài, đòi hỏi cần đánh giá đầy đủ về nguy hại và ảnh hưởng của chúng đối với sự vận hành bình thường của các trang bị điện quan trọng

Chương 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG CỤ TÍNH TOÁN ĐỘ LỆCH ĐIỆN ÁP VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT

LƯỢNG ĐIỆN ÁP Ở CHẾ ĐỘ TĨNH 3.1 Khái quát chung

3.2 Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp

3.2.1 Ứng dụng ma trận Jacobian xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp lưới trung áp 6kV các mỏ lộ thiên

Phương trình dạng ma trận để tính điện áp tại một nút bất kỳ trong hệ thống điện 6kV gồm 4 nút như phương trình (3.12) Nghiệm của phương trình dạng ma trận (3.12) sẽ được giải nhờ quá trình lặp như vòng lặp trong lưu đồ thuật toán hình 3.4

Ở dạng tổng quát, công thức tổng quát ở bước thứ k+1 dùng tính biên độ điện áp và góc pha của một nút bất kỳ trong lưới 6kV là:

(3.15)

( ) ( ) 1

i

k i

+

=

+

) (

) ( )

( ) ( )

i

k i

k i

k

i

V

V V

V V

(3.12)

3.2.2 Ứng dụng thuật toán biến đổi ma trận Jacobian để tính toán lựa chọn đầu phân áp trong các trạm biến áp chính 35/6kV của mỏ nhằm cải thiện độ lệch điện áp

Sơ đồ tổng quát của lưới điện 6kV từ nguồn cho tới các phụ tải

ở xa nhất được cho trên hình 3.3

Hình 3.3: Sơ đồ tổng quát tính toán lựa chọn đầu phân áp lưới 6kV

Để đảm bảo chất lượng điện áp, độ lệch điện áp tại C và D (ΔV C và ΔV D)

ở cả chế độ tải cực đại và chế độ tải cực tiểu phải thỏa mãn hệ bất phương trình (3.33):

≤

≤ Δ

std

std C

std

V V V

V V V

δ δ

δ δ

Thay ΔVC và ΔVD ở (3.33) bằng các giá trị ở (3.32) và thực hiện biến đổi toán học tương đương, điều kiện để lựa chọn đầu phân áp tại