danh_gia_hieu_qua_nang_cao_chat_luong_dien_nang_cua_cac_thiet_bi_d_facts_trong_luoi_cong_nghiep_co_lo_ho_quang_0745

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ASSESSMENT OF D-FACTS PERFORMANCE ON POWER QUALITY MITIGATION FOR THE INDUSTRIAL ISTRIBUTION SYSTEMS WITH THE PRESENCE OF ELECTRIC ARC FURNACE ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ D-FACTS TRONG LƯỚI CƠNG NGHIỆP CĨ LÕ HỒ QUANG Nguyễn Văn Minh1, Bạch Quốc Khánh2, Phạm Việt Phương2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long, 2Trường Đại học Bách kho Hà Nội Ngày nhận bài: 25/12/2017, Ngày chấp nhận đăng: 26/2/2018, Phản biện: TS Nguyễn Đăng Toản Abstract: The paper analyses a case study where D-FACTS effectiveness for power quality (PQ) mitigation in the distribution system with the presence of electric arc furnace is considered, that typically refers to PQ issues in industrial distribution systems in Vietnam now The effectiveness is considered systematically, not only for a single load The comparative estimation is made between using the Dynamic Voltage Restorer (DVR) and Distribution Statics synchronous Compensator (D-STATCOM) on MatLab/Simulink in IEEE 13 bus test system including an electric arc furnace Diffirent scienarios of DVR and D-STATCOM connecting locations are introduced for better illustrating their effectiveness of mitigating harmonics generated by the electric arc furnace operation The results in the paper can be referred by utilities for mitigating PQ in the distribution system connected with the electric arc furnace Key words: Power quality; distribution system; non-linear load; EAF; DVR; D-STATCOM Tóm tắt: Bài báo phân tích trường h p đánh giá hiệu c a thi t bị D-FACTS việc cải thiện chất lư ng điện (CLĐN) lưới phân phối có lị hồ qu ng điện điển hình cho vấn đề CLĐN đ ng nóng n y lưới điện công nghiệp Việt Nam Hiệu n ng c o CLĐN đư c xét cho toàn hệ thống không cho riêng ph tải c thể Việc đánh giá có t nh so sánh hiệu c a việc s d ng thi t bị ph c hồi điện áp động (DVR) thi t bị b đồng tĩnh (DST TCOM) đư c thực MatLab/Simulink s d ng lưới điện mẫu 13 nút c a IEEE mơ lị hồ qu ng điện dựa mô điện dẫn phi n c a hồ quang Các kịch vị tr đặt DVR D-ST TCOM đư c đề xuất để làm rõ hiệu khả hạn ch sóng hài lưới điện sinh lị hồ qu ng điện Bài báo dùng làm liệu tham khảo cho đơn vị cung cấp điện nhằm cải thiện CLĐN lưới phân phối có lị hồ qu ng điện Từ khóa: Chất lư ng điện năng; lưới phân phối; tải phi n; lò hồ qu ng điện, DVR; D-STATCOM 32 Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày ngành điện Việt Nam bước đầu chuyển sang vận hành theo mơ hình thị trường, yêu cầu cung cấp điện với chất lượng ngày nâng cao từ phía khách hàng thơng qua hợp đồng với quy định cụ thể độ tin cậy, chất lượng điện áp, tần số [1, 2] Tuy nhiên, chất lượng điện (CLĐN) hệ thống điện ln có nguy bị làm xấu nhiều nguyên nhân Một nguyên nhân việc tồn nhiều tải phi tuyến, đặc biệt hệ thống phân phối điện [2, 3] Gần đây, phát triển công nghiệp sản xuất thép Việt Nam gây nhiều ảnh hưởng xấu đến CLĐN lưới phân phối cơng nghiệp Ngun nhân việc sử dụng lị hồ quang điện - tải phi tuyến Điện dẫn lị hồ quang có dạng phi tuyến biến thiên tương đối bất định gây vấn đề CLĐN dao động điện áp sóng hài Nhìn chung, cơng suất lị hồ quang lớn vấn đề CLĐN trở nên trầm trọng Trong lưới phân phối điện khu cơng nghiệp có nhiều phụ tải gần nhà máy sản xuất thép, than phiền khách hàng CLĐN có thời điểm trở nên nóng đơn vị quản lý cung cấp điện Việc tìm kiếm giải pháp hiệu nhằm hạn chế tác động xấu đến CLĐN lò hồ quang điện vấn đề thời quản lý vận hành lưới phân phối điện Ngày nay, giải pháp hiệu cao nhằm đảm bảo CLĐN lưới Số 15 tháng 2-2018 phân phối sử dụng thiết bị D-FACTS Các thiết bị này sử dụng nghịch lưu nguồn áp VSI (Voltage Source Inverter) cho phép khắc phục nhiều tượng CLĐN biến thiên điện áp, sóng hài, dao động điện áp… Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng thiết bị D-FACTS thiết bị phục hồi điện áp động DVR (Dynamic Voltage Restorer) nối tiếp đường dây [3, 4, 5] thiết bị bù tĩnh D-STATCOM (Distribution Static Synchronous Compensator) nối song song với tải [3, 6, 7] Tuy nhiên hiệu sử dụng hai thiết bị khác tùy theo kịch đối tượng áp dụng Đến có nghiên cứu so sánh hiệu sử dụng DVR D-STATCOM nâng cao CLĐN [8], nhiên vấn đề CLĐN lưới phân phối gây lò hồ quang, hiệu sử dụng DVR D-STATCOM cần kiểm chứng lại Nhằm giúp làm sáng tỏ điều này, báo phân tích so sánh hiệu cải thiện CLĐN lưới phân phối điện có lị hồ quang sử dụng DVR D-STATCOM Bài báo sử dụng lưới phân phối IEEE 13 nút ba pha cân với tải tổng hợp cho trước [9] tải phi tuyến lị hồ quang Việc mơ lưới điện, lị hồ quang thiết bị D-FACTS với kịch kết nối xây dựng Matlab/Simulink TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ D-FACTS Các thiết bị D-FACTS xem thiết bị FACTS sử dụng lưới phân phối Như giới thiệu phần trước, báo xem xét 33 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) việc sử dụng hai thiết bị DVR D-STATCOM 2.1 Thiết bị DVR Là thiết bị FACTS, DVR kết nối nối tiếp đoạn mạch điện với mục đích để bảo vệ phụ tải điện nhạy cảm với CLĐN, ngăn cản việc phát thải vấn đề CLĐN vào lưới điện từ nguồn “gây ô nhiễm” CLĐN Một ứng dụng phổ biến DVR bảo vệ phụ tải kiện sụt giảm điện áp ngắn hạn cố ngắn mạch lưới điện… Bên cạnh DVR hoạt động tổng trở hạn chế phát thải sóng hài bù dao động điện áp [3, 4, 5] hợp nhằm đảm bảo điện áp cho đối tượng bảo vệ Khả bù điện áp phụ thuộc lớn vào lực (công suất) nguồn chiều 2.2 Thiết bị D-Statcom Một dạng khác D-FACTS thiết bị D-STATCOM Thiết bị kết nối song song với phụ tải cần bảo vệ song song với nguồn gây vấn đề CLĐN để hạn chế lan truyền vấn đề CLĐN Nhờ vậy, D-STATCOM khắc phục ảnh hưởng CLĐN biến thiên điện áp, không đối xứng điện áp, sóng hài bù cơng suất phản kháng lưới điện [3, 6, 7] Hình Sơ đồ kết nối lƣới DVR Hình Sơ đồ khối điển hình D-STATCOM Hình biểu diễn cấu trúc DVR trường hợp ứng dụng điển hình, nối lưới phụ tải thông qua máy biến áp kết nối Về mặt cấu trúc, DVR sử dụng biến đổi nguồn áp (VSC) với phía chiều sử dụng nhiều dạng nguồn lượng Tùy thuộc vào biên độ điện áp bảo vệ phía tải (VL) mà DVR chèn điện áp tương ứng, điện áp đo lường so sánh với điện áp mẫu Khi có chênh lệch điện áp, nghịch lưu điều khiển nguồn áp để bổ sung vào lượng điện áp bù phù Hình minh họa trường hợp ứng dụng điển hình D-STATCOM kết nối song song D-STATCOM với phụ tải nút phụ tải kết nối với lưới điện (điểm kết nối chung - PCC) D-STATCOM kết nối thông qua máy biến áp kết nối Điện áp nút D-STATCOM nối vào (VL) so sánh với giá trị mẫu Sự khác biệt điện áp dùng làm tín hiệu để điều khiển nghịch lưu nguồn áp D-STATCOM bơm công suất phù hợp để nâng điện áp lên giá trị mong muốn 34 Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MƠ PHỎNG LỊ HỒ QUANG ĐIỆN : Hằng số thời gian hồ quang Hồ quang điện ứng dụng rộng rãi công nghiệp luyện kim, sản xuất thép, hàn điện Nhiệt lượng lớn hồ quang dùng để nấu chảy kim loại cho mục đích Các lò hồ quang điện dùng cho sản xuất thép thường có cơng suất lớn Sự phi tuyến điện dẫn hồ quang điện gây vấn đề lớn biến dạng sóng dao động điện áp cho lưới điện phụ tải lân cận Trong trình luyện thép sử dụng lị hồ quang, q trình hồ quang lớn xảy trình nấu chảy kim loại Do tính chất bất định hồ quang việc điều chỉnh khe hở điện cực khiến khó mơ q trình Trong phương pháp mơ lị hồ quang điện, báo sử dụng phương pháp mô dựa kết hợp phương pháp Cassie phương trình tốn học Mayr [10] Điện dẫn G lò hồ quang điện giai đoạn nấu chảy có dạng sau: Việc mơ phương trình điện dẫn hồ quang (1) [10] xây dựng Matlab/Simulink (hình 6) sử dụng báo để tạo vấn đề CLĐN lò hồ quang điện sinh lưới phân phối   i   vi G  Gmin  1  exp      I   E0  (1) i  G.v Trong đó: i, v: Dịng điện điện áp hồ quang; Gmin: Điện dẫn ban đầu điện cực hồ quang chưa sinh ra; Eo: Điện áp hồ quang không đổi trạng thái xác lập; Io: Dịng điện chuyển dịch khơng đổi; Số 15 tháng 2-2018 4.1 Lƣới điện mẫu Bài báo sử dụng lưới phân phối điện mẫu 13 nút IEEE (hình 3) đặc trưng cho lưới điện cơng nghiệp với nguồn cấp (nút 650) 12 nút tải [9] Lò hồ quang điện giả thiết nối vào nút 633 tương đối gần nguồn kịch thử nghiệm Mơ hình thử nghiệm sử dụng tương tự lưới điện công nghiệp Việt Nam có lị hồ quang 4.2 Các kịch lắp đặt D-FACTS  i2  i2 dG  exp      dt  I  P0 Po: Tổn hao hồ quang không đổi; XÂY DỰNG MƠ PHỎNG LƢỚI ĐIỆN CĨ LỊ HỒ QUANG VÀ CÁC KỊCH BẢN SỬ DỤNG THIẾT BỊ D-FACTS Để so sánh hiệu khắc phụ CLĐN thiết bị DVR D-STATCOM lưới điện có lị hồ quang điện trên, giả thiết sau đề xuất:  Vấn đề CLĐN: Bài báo xem xét khả DVR D-STATCOM khắc phục vấn đề sóng hài gây lò hồ quang cách đánh giá THD%  Các kịch vị trí đặt DVR D-STATCOM: Hai trường hợp vị trí đặt xem xét Kịch đầu tiên, đặt DVR nhánh 632-645 đặt D-STATCOM nút 632 gần nguồn 35 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hình Kịch thứ hai đặt D-STATCOM nút 692 xa nguồn Đó vị trí cho phép thấy hiệu khắc phục CLĐN thiết bị D-FACTS Bảng Lƣới điện mẫu thiết bị D-FACTS lò hồ quang Nguồn HTĐ 12kV, 50Hz Các tham số DVR Mạch lọc L=510-3(H); R=0.026; C=1.010-3(F) Máy biến áp kết nối 10MVA, tỷ số biến 1:1 6.9kV Các tham số D-STATCOM Mạch lọc L=0,6(H); R=1, C=4,210-3(F) Máy biến áp kết nối 100MVA, tỷ số biến 1:1 12kV Mạch lò hồ quang điện Hình Lƣới phân phối mẫu 13 nút Các thơng số D-FACTS lị hồ quang cho bảng Máy biến áp kết nối lị hồ quang Cơng suất 10MVA, tỷ số biến 12/0,4kV RHV = 0,002pu; LHV = 0,04pu; RLV = 0,002pu; LLV = 0,04pu Cáp nối lò MBA kết nối RA = RB = RC = 0,0004; LA = LB = LC = 1.6x10-5H Lò hồ quang o=100.10-6; 1=110.10-6; Po=100; Io=10; Eo=200; Gmin=0,008; =0,05 [10] Hình Lƣới điện mẫu có lị hồ quang điện 36 Số 15 tháng 2-2018 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (a) (b) Hình Mơ hình thiết bị DVR (a) D-STATCOM (b) Simulink 4.3 Mô Simulink Hình mơ simulink mơ tả lưới điện mẫu có lắp đặt thiết bị D-FACTS lị hồ quang điện Chi tiết mơ simulink thiết bị DVR D-STATCOM gồm phần điều khiển cho hình Các mơ tham khảo trực tiếp từ [8] biến thiên điện áp (chất lượng điện áp) đo so sánh với điện áp mẫu Số 15 tháng 2-2018 Việc so sánh thực thông qua phép biến đổi Park từ hệ tọa độ a-b-c sang hệ tọa độ d-q-0 so sánh hệ d-q-0 Sự sai khác biến đổi ngược trở lại từ d-q-0 a-b-c, khâu PWM generator sử dụng để phát xung điều khiển cho nghịch lưu phát điện áp công suất bù cho kiện chất lượng điện Lò hồ quang điện mơ có 37 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tham khảo [10] thông số máy biến áp kết nối điều chỉnh lại cho phù hợp với lưới phân phối mẫu 13 nút (12kV) Các tham số lò hồ quang cho hệ đơn vị tương đối bảng Mô Simulink pha lò hồ quang diễn tả hệ phương trình (1) hình 6, Ba pha ghép lại subsystem “EAF” kết nối vào lưới điện mẫu hình Hình Mơ hình điện dẫn pha lị hồ quang Simulink Hình Simulink Subsystem mơ tả pha lị hồ quang 38 Số 15 tháng 2-2018