Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện năng của mạng điện cấp cho nhà máy gang thép lào cai

i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Ngô Đức Hiếu Học viên: Lớp cao học K21 KTĐ, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Nơi công tác: Trường Cao đẳng Lào Cai, TP Lào Cai Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Tôi xin cam đoan vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Minh giúp đỡ cán Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hịan tồn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Học viên thực Ngô Đức Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian nghiên cứu thực luận văn nhận hướng dẫn, bảo tận tình PGS.TS Trần Xuân Minh, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tơi Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện tốt để tơi hịan thành đề tài nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn đóng góp quý báu bạn lớp động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến quan xí nghiệp, đặc biệt Nhà máy Gang thép Lào Cai giúp khảo sát tìm hiểu thực tế lấy số liệu phục vụ cho luận văn Cuối cùng, xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hòan thiện luận văn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Học viên Ngô Đức Hiếu iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ VII MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Kết dự kiến Đối tượng phạm vi nghiên cứu Công cụ, thiết bị nghiên cứu Bố cục đề tài Kế hoạch thực CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI 1.1 Tổng quan chung 1.2 Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Nhà máy Gang thép Lào Cai 1.3 Các tải sử dụng nhà máy gang thép Lào Cai gây sóng hài 12 1.3.1 Máy biến áp 12 1.3.2 Động 12 1.3.3 Đèn huỳnh quang, đèn LED 12 1.3.4 Các thiết bị hồ quang 12 1.3.5 Các thiết bị điện tử 13 1.4 Kết luận chương 13 CHƯƠNG 2:SÓNG HÀI BẬC CAO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 14 2.1 Đặt vấn đề 14 iv 2.2 Tổng quan sóng điều hịa bậc cao 15 2.2.1 Ảnh hưởng sóng điều hịa bậc cao quy định giới hạn thành phần sóng điều hịa bậc cao lưới điện 17 2.2.2 Một số nguồn tạo sóng điều hịa bậc cao cơng nghiệp 20 2.3 Phương pháp lọc sóng hài bậc cao 26 2.3.1 Bộ lọc sóng điều hịa bậc cao 26 2.3.2 Các dạng lọc tích cực 33 2.4 Kết luận chương 36 CHƯƠNG 3:THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐỂ LỌC SĨNG HÀI CHO MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI 38 3.1 Đặt vấn đề 38 3.2 Lý thuyết phương pháp lọc tích cực 38 3.2.1 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền tần số 38 3.2.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa miền thời gian 40 3.3 Thiết kế điều khiển lọc tích cực song song dự lý thuyết công suất tức thời p-q 52 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý 52 3.3.2 Cấu trúc điều khiển 53 3.4 Kết luận chương 57 CHƯƠNG 4:MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 58 4.1 Chương trình mơ lọc Matlab-Simulink 58 4.2 Thông số phần tử tham số điều khiển 60 4.3 Kết mô 60 4.4 Kết luận chương 64 Kết luận 65 Kiến nghị 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 v DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT Thuật ngữ đầy đủ Chữ viết tắt Chú thích Cung cấp CCĐ điện LED Light Emitting Diode DFT Discrete Fourier Transform FFT Fast Fourier Transform APF Active Power Filter PWM Pulse Width Modulation LDF Low Pass Filter UPS Uninterruptible Power Supply MBA Máy biến áp THD Total Harmonic Distortion MW Mêgawatt KV Kilovolt IFFT Inverse Fast Fourier Transfrom PID Proportional Integral Derivative IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Tiêu chuẩn ieee std 519 giới hạn nhiễu điện áp 18 Bảng 2.2 Tiêu chuẩn ieee std 519 giới hạn nhiễu dòng điện 19 Bảng 2.3: Iec 1000-3-4 19 vii DANH MỤC CÁC HÌNH, SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Hình ảnh nhà máy gang thép lào cai Hình 1.2 Sơ đồ đo lường bảo vệ trạm biến áp 11 0kv nhà máy gang thép lào cai Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện nhà máy gang thép lào cai Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 110 kv nhà máy gang thép lào cai Hình 1.5 Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng luyện thép nhà máy gang thép lào cai Hình 1.6 Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng thiêu kết - nhà máy gang thép lào cai Hình 1.7 Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân luyện gang nhà máy gang thép lào cai 10 Hình 1.8 Sơ đồ trạm 10kv hệ thống quạt gió lị cao 10 Nhà máy gang thép lào cai 10 Hình 1.9 Sơ đồ trạm phân phối 10kv phân xưởng ô xy - ni tơ nhà máy gang thép lào cai 11 Hình 1.10 Sơ đồ đấu dây trạm biến áp phân xưởng khí nén nhà máy gang thép lào cai 11 Hình 2.1 A) dạng sóng sin, b) dạng sóng sin bị méo(sóng chu kỳ khơng sin) 15 Hình 2.2 Các thành phần sóng điều hịa 16 Hình 2.3 Mơ hình mơ chỉnh lưu cầu pha diode 21 Hình 2.4 Dạng dòng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha không điều khiển 21 Hình 2.5 Phổ sóng hài dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha điều khiển 22 Hình 2.6 Mơ hình mơ chỉnh lưu cầu pha diode 22 viii Hình 2.7 Dạng dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha diode 23 Hình 2.8 Phổ sóng hài dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha diode 23 Hình 2.9 Mơ hình mơ chỉnh lưu cầu pha có điều khiển (dùng thyristor) 24 Hình 2.10 Dạng dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha có điều khiển  = 300 24 Hình 2.11 Phổ sóng hài dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha có điều khiển  = 300 24 Hình 2.12 Phổ sóng hài dòng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha có điều khiển  = 900 25 Hình 2.13 Dạng dòng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha có điều khiển  = 900 25 Hình 2.14 Sơ đồ lọc r-c với tụ đấu có trung tính nối 27 Hình 2.15 Sơ đồ lọc l-c với tụ đấu có trung tính nối đất 28 Hình 2.16 Sơ đồ mơ hệ thống chưa có lọc thụ động 28 Hình 2.17 Dạng điện áp dịng điện vị trí b1 chưa có lọc thụ động 29 Hình 2.18 Dạng dịng điện vị trí b2 chưa có lọc thụ động 29 Hình 2.19 Phổ sóng hài điện áp vị trí b1 b2 chưa có lọc thụ động 30 Hình 2.20 Mơ hình mơ hệ thống có lọc thụ động 31 Hình 2.21 Phổ sóng hài điện áp điểm b1 có lọc thụ động 31 Hình 2.22 Cấu trúc mạng điện có lọc tích cực song song 34 Hình 2.23 Cấu trúc mạng điện có lọc tích cực nối tiếp 35 Hình 2.24 Cấu trúc lọc kết hợp lọc tích cực lọc thụ động 36 Hình 3.1 Minh họa phương pháp fft 40 Hình 3.2 Thuật tốn xác định dịng bù hệ dq 41 Hình 3.3 Thuật tốn lựa chọn sóng điều hịa cần bù hệ dq 42 ix Hình 3.4 Các thành phần công suất lý thuyết p-q tọa độ abc 48 Hình 3.5 Các thành phần cơng suất cần bù p, q, p0 , p0 tọa độ abc 49 Hình 3.6 Cấu trúc tính tốn dịng điện đặt cho lọc tích cực 51 Sử dụng lý thuyết công suất tức thời p-q 51 Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý lọc tính cực song song 52 Hình 3.8 Cấu trúc điều khiển lọc tích cực sử dụng điều khiển pi 53 Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển mạch vịng điện áp 55 Hình 3.10 Cấu trúc điều khiển dòng điện 55 Hình 3.11 Minh họa nguyên lý làm việc khối pwm 56 Hinh 4.1 Chương trinh mo hoạt dộng lọc tich cực song song matlad- simulink- plecs 58 Hình 4.2 Dịng điện tải pha a kết phân tích fourier (dịng điện nguồn chỉnh lưu cầu pha diode) 61 Hình 4.3 Dịng điện đầu lọc (dịng bù sóng hài) 61 Hình 4.4 Dịng điện ba pha nguồn có lọc sóng hài 62 Hình 4.5 Điện áp tụ lọc 62 Hình 4.6 Dịng điện nguồn pha a kết phân tích fourier 63 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật ứng dụng ngày nhiều biến đổi bán dẫn công suất số loại phụ tải điện phi tuyến khác làm xuất sóng hài bậc cao với biên độ mức cho phép hệ thống cung cấp điện Các sóng hài dịng điện gây nhiều ảnh hưởng xấu đến trình truyền tải điện tăng tổn thất công suất, tăng sai số thiết bị đo lường, gây nhiễu cho hệ thống thông tin, làm méo dạng điện áp nguồn (điện áp nguồn dạng hình sin) ảnh hưởng khơng tốt đến thiết bị sử dụng điện, Mức độ sử dụng thiết bị đại tăng, phát triển công nghiệp mạnh kéo theo dung lượng loại tải phi tuyến gây sóng hài dịng điện lớn Để đảm bảo chất lượng điện năng, yêu cầu biên độ sóng hài bậc cao dịng điện lưới phải nằm giới hạn định Trên giới áp dụng tiêu chuẩn để khống chế mức nhiễm sóng hài tiêu chuẩn: IEEE 159-2014, IEC 1000-4-3 Với đặc điểm loại phụ tải điện Nhà máy Gang thép Lào Cai, nhiều phụ tải Nhà máy gây sóng hài dịng điện ảnh hưởng đến hộ tiêu thụ dùng chung đường nguồn cấp với Nhà máy Vì vậy, để giảm ảnh hưởng sóng hài bậc cao tải phi tuyến Nhà máy gây đảm bảo tiêu chuẩn quy định sóng hài việc sử dụng thiết bị lọc sóng cần thiết Vì vậy, tác giả lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai” Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tổng quan mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai - Lựa chọn phương pháp xác định thành phần sóng hài dịng điện lưới - Thiết kế cấu trúc điều khiển lọc tích cực để khử sóng hài bậc cao cho mạng điện hạ áp, áp dụng cho mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai - Mô phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống 2 Kết dự kiến - Mơ hình cấu trúc điều khiển lọc tích cực cho một nhóm phụ tải phi tuyến - Mơ hình (chương trình) kết mơ lọc tích cực mạng hạ áp Matlab-Simulink Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai; - Sóng hài gây tải phi tuyến; - Bộ lọc tích cực Cơng cụ, thiết bị nghiên cứu Máy tính phần mềm mơ Matlab/Simulink Bố cục đề tài Ngoài phần Mở đầu, Kết luận hướng phát triển, Tài liệu tham khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Chương 2: Sóng hài bậc cao phương pháp lọc sóng hài Chương 3: Thiết kế lọc tích cực để lọc sóng hài cho mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Chương 4: Mô đánh giá chất lượng hệ thống Kế hoạch thực Toàn nội dung luận văn thực tháng kể từ ngày có định Kế hoạch thực cụ thể sau: STT Nội dung nghiêncứu Nghiên cứu tổng quan mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Thời gian Ghi thực tháng Nghiên cứu sóng hài bậc cao tháng Phương pháp khử sóng hài bậc cao tháng Xây dựng mơ hình tốn đối tượng điều khiển; tháng Thiết kế điều khiển lọc tích cực, mơ phỏng, hiệu chỉnh thơng số, đánh giá chất lượng hệ thống; Hồn thiện luận văn tháng tháng CHƯƠNG TỔNG QUAN MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI 1.1 Tổng quan chung Nhà máy Gang thép Lào Cai khởi công xây dựng vào tháng 4/2011 Đây dự án sản xuất công nghiệp cấp Trung ương quản lý, liên doanh Tập đồn Gang thép Cơn Gang (Trung Quốc) Tổng công ty Thép Việt Nam đầu tư với tổng vốn 337 triệu USD (trong phía Trung Quốc góp 45%) Dự án chia làm giai đoạn, đó, giai đoạn I có cơng suất thiết kế 500.000 gang/năm xưởng luyện phôi thép với công suất 500.000 tấn/năm Giai đoạn II nâng công suất lên gấp lần với việc xây dựng thêm dây chuyền cán thép mở rộng mặt xây dựng nhà máy theo quy hoạch Nhà máy Gang thép Lào Cai sản xuất khối lượng sản phẩm công nghiệp có trị giá 7.000 tỷ đồng, nộp ngân sách Nhà nước 700 tỷ đồng/năm Nguồn nguyên liệu chủ yếu quặng sắt khai thác mỏ Quý Xa (Văn Bàn) với tổng trữ lượng 120 triệu Hình 1.1 Hình ảnh Nhà máy Gang thép Lào Cai Tên gọi đầy đủ: Cơng ty TNHH Khống sản Luyện kim Việt – Trung Tên viết tắt: VTM Trụ sở chính: KCN Tằng Loỏng, Thị trấn Tằng Loỏng, Huyện Bảo Thắng, Tỉnh Lào Cai Tel: (84.214) 3836 885- Fax: (84.214) 3830 345 1.2 Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Điện sản xuất từ nhà máy điện truyền tải mạng Điện nguồn lượng chủ yếu khơng thay hoạt động sản xuất nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp Từ hoạt động máy móc thiết bị động lực, hệ thống chiếu sáng nhà máy đến hoạt động hệ thống thiết bị sinh hoạt, thiết bị thí nghiệm, thiết bị văn phịng…phục vụ cho cơng tác quản lí, điều chỉnh điều hành sản xuất Vì nhà máy, xí nghiệp đòi hỏi phải ứng dụng thiết kế hệ thống cung cấp điện đắn Có đáp ứng nhu cầu sử dụng điện hiệu sử dụng điện loại hộ tiêu thụ nhà máy, xí nghiệp Một hệ thống cung cấp điện cho xí nghiệp cơng nghiệp bao gồm khâu sau: + Trạm biến áp (có thể đường dây không đến trạm biến áp) + Mạng điện sau trạm biến áp đến phân xưởng + Mạng điện phân xưởng Nếu xí nghiệp có qui mơ lớn, gồm nhiều trạm biến áp hay phải thành lập trạm biến áp trung gian ta phải thiết kế sơ đồ nối dây hay hệ thống phân phối cao áp cho trạm biến áp Một hệ thống cung cấp điện hợp lí hay gọi phương án tối ưu phải lựa chọn qua toán so sánh theo hai tiêu kỹ thuật tính kinh tế vài phương án đưa có tính thuyết phục cao Muốn phải tìm hiểu kỹ đặc điểm quy trình sản xuất, đánh giá phân loại hộ phụ tải cho máy, nhóm máy phân xưởng…và nhà máy Tức công việc thiết kế ta phải phân tích q trình công nghệ nhà máy Nhà máy gang thép Lào Cai nhà máy mang nét đặc trưng nhà máy xí nghiệp cơng nghiệp thường có thực tế Nhà máy có hộ phụ tải phân xưởng, nhà hành chính, kho, phịng kiểm nghiệm, ngồi cịn có trạm bơm, bãi trống đường đi, vườn hoa…Với chức nhiệm vụ sau: Mỗi hội phụ tải có yêu cầu CCĐ riêng, tuỳ thuộc vào tầm quan trọng loại phụ tải yêu cầu phụ tải, dựa vào nguời ta chia hộ phụ tải làm loại sau: - Hộ phụ tải loại I Gồm thiết bị ngừng CCĐ cho gây nguy hiểm đến tính mạng nguời, làm hư hỏng nặng thiết bị, gây rối loạn q trình sản xuất xí nghiệp tạo hàng loạt phế phẩm ảnh hưởng lớn đến trị gây thiệt hại lớn cho kinh tế quốc dân Vì hộ phụ tải loại I yêu cầu tính liên tục cấp điện cao khơng cho phép ngừng CCĐ Hộ phụ tải loại I thường phải đuợc cung cấp từ hai nguồn độc lập có nguồn dự phịng nhanh giảm thời gian điện xuống nhỏ Thời gian điện với hộ loại I thường thời gian đóng nguồn dự phịng - Hộ phụ tải loại II Hộ phụ tải loại II gồm thiết bị ngừng CCĐ gây nhiều phế phẩm, ngừng trệ hoạt động xí nghiệp, hư hỏng thiết bị mức độ nhẹ trường hợp trên, gây lãng phí lao động Như với hộ phụ tải loại II ngừng CCĐ gây thiệt hại kinh tế Nó cho phép điện khoảng thời gian ngắn để thay thiết bị hư hỏng Phương án CCĐ cho hộ phụ tải loại II lấy điện từ nguồn hai nguồn, đường dây đơn kép, có nguồn dự phịng khơng có nguồn dự phịng, phải dựa kết so sánh kinh tế khoản tiền phải đầu tư thêm có đặt thiết bị dự phịng với khoản tiền thiệt hại sản xuất bị ngừng trệ điện khơng có thiết bị dự phịng - Hộ phụ tải loại III Hộ phụ tải loại III gồm thiết bị cịn lại khơng nằm loại 7 Hộ phụ tải loại III có yêu cầu CCĐ liên tục thấp so với hai loại Cho phép điện thời gian dài để sửa chữa thay thiết bị cần thiết Phương án CCĐ cho hộ loại III dùng nguồn đường dây đơn (một lộ) Tổng lượng tiêu thụ điện Nhà máy Gang thép trung bình đạt 630.000 kWh/ngày; đồng thời, nhà máy Khu cơng nghiêp Tằng Loỏng có trạm biến áp 110 kV Bao gồm có TBA 110 với cơng suất trạm 2×63MVA Hình 1.2 Sơ đồ đo lường bảo vệ trạm biến áp 11 0kV Nhà máy Gang thép Lào Cai Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý trạm biến áp 110 kV Nhà máy Gang thép Lào Cai Từ cung cấp điện tới trạm phân phối: + Trạm phân phối 10KV luyện thép: Hình 1.5 Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân xưởng luyện thép Nhà máy Gang thép Lào Cai + Trạm biến áp phân phối 10 KV thêu kết: Hình 1.6 Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân xưởng thiêu kết - Nhà máy Gang thép Lào Cai 10 + Trạm phân phối 10 KV luyện gang: Hình 1.7 Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân luyện gang Nhà máy Gang thép Lào Cai + Trạm 10 KV quạt gió lị cao: Hình 1.8 Sơ đồ trạm 10kV hệ thống quạt gió lị cao Nhà máy Gang thép Lào Cai 11 + Trạm phân phối 10 KV Ô xy – Ni tơ: Hình 1.9 Sơ đồ trạm phân phối 10kV phân xưởng Ô xy - Ni tơ Nhà máy Gang thép Lào Cai + Máy biến áp trạm khí nén 2×2000 KVA: Hình 1.10 Sơ đồ đấu dây trạm biến áp phân xưởng khí nén Nhà máy Gang thép Lào Cai ... đề tài: ? ?Nghiên cứu lọc sóng hài để cải thiện chất lượng điện mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai? ?? Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Tổng quan mạng điện cấp cho Nhà máy Gang thép Lào Cai - Lựa... QUAN MẠNG ĐIỆN NHÀ MÁY GANG THÉP LÀO CAI 1.1 Tổng quan chung 1.2 Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện Nhà máy Gang thép Lào Cai 1.3 Các tải sử dụng nhà máy gang thép Lào Cai. .. lục, luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng điện Nhà máy Gang thép Lào Cai Chương 2: Sóng hài bậc cao phương pháp lọc sóng hài Chương 3: Thiết kế lọc tích cực để lọc sóng hài cho mạng