Nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng mạng 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ XUÂN THÀNH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MẠNG 6KV MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 62.52.02.02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội- Năm 2015 2 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 Phản biện 1: TSKH Trần Kỳ Phúc ……………………………………………………………. Phản biện 2: PGS.TS Trần Bách ………………………………………………………… Phản biện 3: PGS. TS Lê Tòng …………………………………………………………… Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi… giờ… ngày … tháng … năm 2015 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất 3 1 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. 4 - 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; 5 33 -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 00321,0)033,00301,0( ± + = nl xt 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; 6 4 - 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%. 7 445 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. 8 66 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 1,1U đm ; + 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% I đm ; + Công suất phản kháng tối đa được phát là 135% Q đm; - Đối với các giới hạn thời gian: + Điện áp cực đại chịu được 2,2 lần U đm trong 0,1s; + Điện áp cực đại chịu được 2,0 lần U đm trong 0,25s; + Điện áp cực đại chịu được 1,7 lần U đm trong 1s; 9 7 + Điện áp cực đại chịu được 1,4 lần U đm trong 15s; + Điện áp cực đại chịu được 1,3 lần U đm trong 1 phút; + Điện áp cực đại chịu được 1,25 lần U đm trong 30 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. 10 8 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. a) Khi không tải b) Khi có tải 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 [...]... nâng cao chất lượng điện năng lưới trung áp Những kết quả đã thực hiện trong luận án bao gồm: - Đánh giá tổng quan về hiện trạng lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên điển hình khu vực Đông Bắc Quảng Ninh; - Khảo sát và đánh giá tổng quan chất lượng điện năng hiện tại của lưới điện 6kV các khai trường mỏ lộ thiên Qua những khảo sát đánh giá có thể thấy hiện tại lưới điện 6kV đang gặp phải một số vi phạm về chất. .. 2013 3 Lê Xuân Thành, Nguyễn Anh Nghĩa, Nghiên cứu phân tích chất lượng điện áp trong lưới 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh ứng dụng ma trận điện cảm mô phỏng động cơ cao áp, Tạp chí khoa học công nghệ Mỏ, số 2 năm 2014 4 Lê Xuân Thành, Ảnh hưởng của biến tần trực tiếp tới chất lượng điện năng của lưới trung áp 6kV các mỏ lộ thiên, Tạp chí khoa học công nghệ Mỏ, số 5 năm 2014 5 Lê Xuân Thành, Nguyễn... 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... khuyên hữu ích trong việc ứng dụng kỹ thuật điện tử công suất cũng như giải pháp làm giảm độ méo sóng hài khi cần thiết - Chất lượng điện năng là vấn đề không mới, nhưng tính thời sự của chất lượng điện năng lúc nào cũng mang tính thời đại Vì thế cần đề xuất xây dựng bộ tiêu chuẩn chất lượng điện năng làm căn cứ để giám sát việc kinh doanh và mua bán điện năng của các phụ tải công nghiệp 27 DANH MỤC... phạm về chất lượng điện áp gồm hai chỉ tiêu chất lượng điện áp chính trên lưới 6kV là: độ lệch điện áp và độ dao động điện áp khi mạng làm việc ở chế độ xác lập và sóng hài dòng điện gây ra bởi các thiết bị điện tử công suất hiện đang vận hành trong lưới như biến tần, các bộ khởi động mềm; - Xây dựng được phần mềm giám sát giúp tính toán nhanh độ lệch điện áp và tổn hao điện áp trên lưới điện 6kV Công... xác định độ lệch điện áp và tổn hao điện áp khi vận hành mạng điện thực tế ở mỏ; - Xác định được vùng vận hành an toàn là giới hạn cho phép của các tụ bù công suất phản kháng về dòng điện, điện áp và dung lượng khả phát khi có sự tồn tại sóng hài trong lưới điện - Nghiên cứu và tính toán ảnh hưởng của sóng hài dòng điện đến điều kiện cộng hưởng song song khi có kể tới các máy biến áp 35 /6kV của trạm biến... định điện áp, dòng điện, dung lượng khả phát so với các đại lượng định mức của tụ 18 16 20 Hình 4.7b: Các kết quả tính toán thời gian vận hành của tụ khi có các sóng hài trong lưới trung áp 6kV Hình 4.8: Vùng vận hành an toàn của tụ điện khi có sóng hài trong lưới trung áp 6kV các mỏ lộ thiên Việt Nam 4.2.2 Xây dựng đặc tính tránh cộng hưởng song song khi có các sóng hài trong lưới trung áp 6kV Khi... bảo độ lệch điện áp tại các nút PCC cuối các khởi hành nằm trong giới hạn cho phép là ±5%, không gây quá áp cục bộ ở chế độ phụ tải cực tiểu; - Xây dựng và thành lập được công thức thực nghiệm, phản ánh ảnh hưởng của số lượng máy xúc tới quá trình tính toán chất lượng điện áp của lưới điện 6kV, giúp tính chính xác tổn hao điện áp và độ lệch điện áp ở các khởi hành 6kV có trang bị các máy xúc điện Công... hưởng của dòng điện khởi động tới động cơ Hình 2.25: Mô phỏng khởi động mềm 10 12 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... 5 Lê Xuân Thành, Nguyễn Anh Nghĩa, Mô phỏng và đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng điện áp trong lưới 6kV các mỏ lộ thiên, Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất, số 4 năm 2014 6 Le Xuan Thanh, Building up the power factor correction capacitors’ safety operation region to advoid the bad effect of power harmonics on QuangNinh’s 6kV open pit mines, International conferrence of Advanced in Mining and Tunelling, . 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. . 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. 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