Luận án 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

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Trung Dũng, TS Đinh Ngọc Quang cùng với các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Dũng ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám Đốc, Viện Tên lửa và Kỹ thuật Điều khiển, Bộ môn Kỹ thuật Điện - Học viện Kỹ thuật Quân sự, cùng với Ban Giám Hiệu, Khoa Điều Khiển và Tự động hóa Trường Đại học Điện lực, đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Trung Dũng, người hướng dẫn khoa học thứ nhất và TS. Đinh Ngọc Quang, người hướng dẫn thứ hai, đã tận tình chỉ bảo, đưa ra những nội dung chính cần phải giải quyết để tôi hoàn thành bản luận án này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, nhóm nghiên cứu, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Dũng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ......................................................................... vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. xiv MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ....................................................... 7 Tổng quan về chất lượng điện năng ........................................................ 7 1.1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 7 1.1.2. Các tham số ảnh hưởng của chất lượng điện áp ................................ 9 Ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của động cơ ................. 12 1.2.1. Ảnh hưởng của độ lệch điện áp ....................................................... 12 1.2.2. Ảnh hưởng của điện áp bất đối xứng .............................................. 14 1.2.3. Ảnh hưởng của độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài) đến hiệu quả sử dụng năng lượng của động cơ ................................................................... 15 Các giải pháp điều chỉnh điện áp .......................................................... 18 1.3.1. Nguyên lý chung ............................................................................. 18 1.3.2. Điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh dòng điện kích từ máy phát điện ............................................................................................................ 19 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 .......................................................... 20 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 .............................................................. 20 1.3.5. Sa thải phụ tải .................................................................................. 21 1.3.6. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tiết diện đường dây ........... 21 1.3.7. Lọc sóng hài .................................................................................... 22 1.3.8. Điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng ................ 24 iv Các phương pháp bù công suất phản kháng .......................................... 25 1.4.1. Bù bằng máy bù đồng bộ ................................................................. 25 1.4.2. Bù tĩnh đóng cắt theo bậc ................................................................ 25 1.4.3. Sử dụng các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh ......................... 26 Các phương pháp bố trí thiết bị bù công suất phản kháng .................... 30 1.5.1. Phương pháp bù tập trung ............................................................... 30 1.5.2. Phương pháp bù nhiều vị trí ............................................................ 31 Kết luận ................................................................................................. 34 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ............................................................................... 36 Phương pháp tính toán tối ưu hóa lượng bù CSPK cho tải có động cơ không đồng bộ .............................................................................................. 37 2.1.1. Tính toán tổn thất công suất tác dụng của lưới điện phân phối ...... 37 2.1.2. Tối ưu hóa bù CSPK cho lưới điện phân phối ................................ 43 Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển tập trung ........................................................................................................ 48 2.2.1. Mô tả hệ thống phân phối phụ tải trong nhà máy ........................... 49 2.2.2. Sơ đồ thay thế mạng điện khi có thiết bị bù .................................... 53 Kết luận ................................................................................................. 60 Chương 3 GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG .......................................................................... 62 Cấu trúc của hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung ....................... 63 3.1.1. Sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT ............................................................ 63 3.1.2. Các thành phần của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT ............................. 65 3.1.3. Hoạt động của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT ...................................... 65 Bộ điều khiển của hệ thống ................................................................... 68 3.2.1. Khối đo lường và các tín hiệu đầu vào ............................................ 70 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. ............................................. 72 3.2.3. Khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống ................... 79 Thuật toán điều khiển ............................................................................ 82 v 3.3.1. Chương trình chính .......................................................................... 82 3.3.2. Khối điều chỉnh độ không đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA) .......... 83 3.3.3. Khối lọc sóng hài ............................................................................. 85 3.3.4. Khối điều chỉnh bù CSPK- ĐCĐA ................................................. 87 Kết luận ................................................................................................. 89 Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG .......................................................................... 91 Mô phỏng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung .......................... 91 4.1.1. Các tham số của hệ thống ................................................................ 91 4.1.2. Xấp xỉ hóa đường cong NEMA ...................................................... 92 4.1.3. Các kịch bản mô phỏng ................................................................... 93 4.1.4. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 95 Chế tạo và thực nghiệm hệ thống BPT-ĐKTT ..................................... 99 4.2.1. Thiết kế hệ thống ............................................................................. 99 4.2.2. Hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung sau khi được chế tạo . 101 4.2.3. Lắp đặt thử nghiệm thiết bị ........................................................... 103 4.2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện của nhà máy thông tin M1........... 104 4.2.5. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 104 Kết luận ............................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 113 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 116 PHỤ LỤC ...................................................................................................... 126 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. ...................................... 126 Thiết kế chế tạo hệ thống .................................................................... 128 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa {Qtt -Qb} (%) Hiệu suất của động cơ giảm khi có sự thay đổi điện áp đặt trên động cơ pbu (kW/kVAr) Tổn thất công suất tác dụng đơn vị của thiết bị bù Pbu (kW) Tổn thất công suất tác dụng thiết bị bù PDC_KDB (kW) Tổn thất của động cơ điện không đồng bộ có tính tới ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới hiệu suất Pdd (kW) Tổn thất trên đường dây PMBA (kW) Tổn thất trên các máy biến áp PN (kW) Tổn hao công suất ngắn mạch của máy biến áp P (kW) Tổng tổn thất công suất tác dụng l (km) Chiều dài cáp Ptt (kW) Công suất tác dụng tính toán Qb (kVAr) Công suất của thiết bị bù Qtt (kVAr) Công suất phản kháng tính toán r0 (Ω/km) Điện trở của cáp trên một đơn vị dài Rht (Ω) Điện trở của hệ thống điện RT1 (Ω) Điện trở của MBA-T1 RT2 (Ω) Điện trở của MBA-T2 Sdm1 (MVA) Công suất định mức của MBA-T1 Sdm2 (MVA) Công suất định mức của MBA-T2 U1 (kV) Điện áp định mức phía cao áp của MBA-T1 U2 (kV) Điện áp định mức phía hạ áp của MBA-T2 Udc (V) Điện áp đặt trên động cơ Udm (V) Điện áp định mức của động cơ vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Uht (kV) Điện áp của hệ thống điện UN (%) Điện áp ngắn mạch của MBA x0 (Ω/km) Điện kháng của cáp trên một đơn vị dài Xht (Ω) Điện kháng của hệ thống điện XT1 (Ω) Điện kháng của MBA-T1 XT2 (Ω) Điện kháng của MBA-T2 INM (3) (kA) Dòng điện ngắn mạch 3 pha Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt AC/DC Alternating Current / Direct Current Xoay chiều/ một chiều SCADA Supervisory Control And Data Acquisition Hệ thống điều khiển giám sát thu thập dữ liệu CPU Central Processing Unit Bộ điều khiển trung tâm DG Distributed Generation Nguồn phân tán FACTS Flexible Alternating Current Transmission System Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt GTO Gate turn-off thyristor Thyristor khóa bằng cực điều khiển HPF High pass filter Bộ lọc thông cao IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IGCT Integrated Gate Commutated Thyristor Cổng chuyển mạch tích hợp thyristor viii Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt MCU Microcontroller Unit Bộ vi điều khiển OLTC On-load tap changer Điều chỉnh áp dưới tải PLL Phase-locked loop Vòng Khóa pha PWM Pulse Width Modulation Bộ điều chế độ rộng xung RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối STATCOM Static Synchronous Conpensator Bộ bù đồng bộ tĩnh SVC Static Var Compensator Thiết bị bù tĩnh TCR Thyristor Controlled Reactor Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor THD Total Harmonic Distortion Tổng biến dạng sóng hài TSC Thyristor Switched Capacitor Tụ điện đóng mở trực tiếp bằng Thyristor VSC Voltage Source Converter Bộ nghịch biến đổi nguồn áp VUF Voltage Unbalance Factor Hệ số mất cân bằng điện áp BI Biến dòng BPT-ĐKPT Bù phân tán điều khiển phân tán BPT-ĐKTT Bù phân tán điều khiển tập trung BU Biến áp CLĐA Chất lượng điện áp CLĐN Chất lượng điện năng CSPK Công suất phản kháng CSTD Công suất tác dụng ĐC ĐAKĐX Điều chỉnh điện áp không ix Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt đối xứng ĐCĐA Điều chỉnh điện áp ĐCĐAPT-ĐKTT Điều chỉnh điện áp phân tán điều khiển tập trung ĐC-KĐB Động cơ không đồng bộ KDX Độ không đối xứng KT Kích từ PT Phân tán TĐK Thiết bị tự động điều chỉnh kích từ THDI Tổng sóng hài dòng điện THDU Tổng sóng hài điện áp x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ảnh hưởng của giá trị điện áp đến hiệu suất của động cơ ứng với các mức độ tải khác nhau ...................................................................................... 12 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của công suất đầu vào động cơ theo điện áp .......... 13 Hình 1.3. Tổn thất công suất sắt từ theo điện áp bất đối xứng ....................... 14 Hình 1.4. Hệ số giảm tải của động cơ công suất trung bình theo độ không đối xứng điện áp .................................................................................................... 14 Hình 1.5. Sự thay đổi điện trở, hệ số tự cảm và điện kháng trên mạch rotor theo sóng hài ........................................................................................................... 15 Hình 1.6. Sự thay đổi nhiệt độ của các bộ phận trong động cơ không đồng bộ 4kW, 4 cực khi đầy tải bởi sóng hài điện áp ................................................... 16 Hình 1.7. Sự thay đổi tổn thất công suất ở sóng hài điện áp bậc 5 trong động cơ không đồng bộ 4 cực công suất 4kW và 55kW, ở các chế độ tải khác nhau ...... 17 Hình 1.8. Sự thay đổi hiệu suất của động cơ ở sóng hài điện áp bậc 5 .......... 17 Hình 1.9. Sơ đồ thay thế và đồ thị véctơ điện áp của máy phát ..................... 19 Hình 1.10. Cấu trúc một số loại bộ lọc hài thụ động ...................................... 22 Hình 1.11. Bộ lọc hài tích cực lai song song .................................................. 23 Hình 1.12. Bộ lọc hài tích cực lai nối tiếp ...................................................... 23 Hình 1.13. Phương pháp bù tĩnh đóng cắt theo bậc ........................................ 25 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC ................................................. 27 Hình 1.15. Sơ đồ khối của phương pháp điều chỉnh theo điện áp SVC ......... 27 Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị bù lai ................................................ 29 Hình 1.17. Sự thay đổi độ lệch điện áp theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công suất phản kháng ............................................................................................... 32 Hình 1.18. Độ thay đổi hệ số công suất theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công suất phản kháng ............................................................................................... 32 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của lưới điện phân phối ....................................... 38 Hình 2.2. Sơ đồ thay thế của lưới điện ............................................................ 39 xi Hình 2.3. Quan hệ giữa điện áp và hiệu năng động cơ theo NEMA .............. 44 Hình 2.4. Sơ đồ nối điện chung trong nhà máy khi chưa có thiết bị bù ......... 51 Hình 2.5. Sơ đồ nối điện chung trong nhà máy khi có thiết bị bù .................. 52 Hình 2.6. Sơ đồ thay thế lưới điện của nhà máy khi có thiết bị bù ................. 53 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT .................................. 64 Hình 3.2. Sơ đồ quá trình đo lường và điều khiển khi sử dụng các bộ đo lường và điều khiển tại từng phần tử phân tán. ......................................................... 66 Hình 3.3. Sơ đồ khối của bộ điều khiển hệ thống ........................................... 68 Hình 3.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT. ............. 69 Hình 3.5. Sơ đồ khối của mạch đo lường ........................................................ 71 Hình 3.6. Thiết bị bù công suất phản kháng trung tâm ................................... 73 Hình 3.7. Thiết bị cuộn kháng trung tâm ........................................................ 73 Hình 3.8. Thiết bị cuộn kháng trung tâm ........................................................ 74 Hình 3.9. Thiết bị phân tán cho tải phi tuyến .................................................. 76 Hình 3.10. Thiết bị phân tán cho tải tuyến tính .............................................. 76 Hình 3.11. Thiết bị phân tán cho tải hỗn hợp ................................................. 77 Hình 3.12. Sơ đồ khối điều khiển công suất tụ điện một pha ......................... 79 Hình 3.13. Sơ đồ khối điều khiển công suất tụ điện ba pha ........................... 80 Hình 3.14. Sơ đồ khối điều khiển các bộ lọc .................................................. 81 Hình 3.15. Sơ đồ khối điều khiển cuộn kháng trung tâm ............................... 82 Hình 3.16. Lưu đồ thuật toán chính ................................................................ 83 Hình 3.17. Lưu đồ thuật toán điều chỉnh độ không đối xứng điện áp ............ 85 Hình 3.18. Lưu đồ thuật toán điều khiển lọc sóng hài .................................... 86 Hình 3.19. Lưu đồ thuật toán bù CSPK .......................................................... 88 Hình 4.1. Đường cong NEMA cho động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng cho mô phỏng ......................................................................................................... 93 Hình 4.2. Mô hình lưới điện bù phân tán điều khiển phân tán với tải đặc trưng là ba ĐC-KĐB ................................................................................................. 94 xii Hình 4.3. Mô hình lưới điện bù phân tán điều khiển tập trung với tải đặc trưng là ba ĐC-KĐB ................................................................................................. 95 Hình 4.4. Công suất bù phân tán cho từng tải động cơ. .................................. 97 Hình 4.5. Tổn thất của từng động cơ và tổng tổn thất P khi áp dụng phương pháp BPT-ĐKPT ............................................................................................. 97 Hình 4.6. Công suất bù trên các tải khi áp dụng hệ phân tán điều khiển tập trung ......................................................................................................................... 98 Hình 4.7. Tổn thất của từng động cơ và tổng tổn thất P khi thực hiện BPT- ĐKTT .............................................................................................................. 98 Hình 4.8. Tổng tổn thất CSTD khi điện áp thay đổi từ 0,9Udm đến 1,1Udm trong các trường hợp. ................................................................................................ 98 Hình 4.9. Tổng tổn thất CSTD khi điện áp thay đổi ngẫu nhiên trong các trường hợp. .................................................................................................................. 98 Hình 4.10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển hệ thống ....................................... 100 Hình 4.11. Mô đun điều khiển trung tâm của bộ điều khiển ........................ 101 Hình 4.12. Mô đun điều chỉnh công suất thiết bị .......................................... 101 Hình 4.13. Mặt trước và bên trong của thiết bị bù trung tâm ....................... 102 Hình 4.14. Mặt trước và bên trong của tủ bù phân tán ................................. 102 Hình 4.15. Bộ điều khiển bị trung tâm được gắn trên mặt trong cánh tủ ..... 103 Hình 4.16. Sơ đồ bố trí hệ thống BPT-