Trong bài viết này, tác giả thực hiện ba mô hình mô phỏng hồ quang khác nhau dưới Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng cũng sẽ được giới thiệu và so sánh. Tác giả cũng giới thiệu việc nghiên cứu độ nhấp nháy điện áp và đề xuất một cách nghiên cứu khác cho vấn đề này. Kết quả phân tích, thảo luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nằm ở phần cuối của bài viết này.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 29 MÔ HÌNH HĨA CÁC LỊ HỒ QUANG ĐIỆN PHỤC VỤ CHO VIỆC NGHIÊN CỨU SỰ NHẤP NHÁY ĐIỆN ÁP VÀ SÓNG HÀI MODELING ELECTRICAL ARC FURNACES FOR VOLTAGE FLICKER AND HAMORNIC STUDY Trần Lê Nhật Hồng, Dỗn Văn Đơng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng; tlnhoang@ute.udn.vn, dvdong@ute.udn.vn Tóm tắt - Điện áp nhấp nháy sóng hài vấn đề chất lượng điện đưa vào hệ thống điện hành vi ngẫu nhiên phi tuyến hoạt động lò hồ quang Các nhà sản xuất thép lo lắng hiệu ứng cố gắng thực biện pháp phòng ngừa để tối thiểu chúng Vì vậy, việc xây dựng mơ hình lò hồ quang để thể tình hoạt động khác cần thiết Trong báo này, tác giả thực ba mơ hình mơ hồ quang khác Matlab Simulink Kết mô giới thiệu so sánh Tác giả giới thiệu việc nghiên cứu độ nhấp nháy điện áp đề xuất cách nghiên cứu khác cho vấn đề Kết phân tích, thảo luận đề xuất hướng nghiên cứu nằm phần cuối báo Abstract - Voltage flicker and harmonic are problems related to power quality which are brought to a power system via non-linear and stochastic behavior of an arc furnace in operation Steel makers worry about these effects and try to take precaution measures to minimize them Therefore, it is necessary to construct arc furnace models to simulate their various operational situations In this paper, the authors introduce three different models of arc furnaces by means of Matlab Simulink Simulation results are also introduced and compared In addtition, the authors also introduce the study of voltage flicker and propose another way of researching this issue The results of the analysis, discussion and further research suggestions are presented at the end of this paper Từ khóa - lò hồ quang điện; sóng hài; độ nhấp nháy điện áp; mơ hình hóa; Matlab Simulink Key words - electrical arc furnace; harmonic; flicker; modeling; Matlab Simulink Đặt vấn đề Từ đầu kỉ XX, lò hồ quang sử dụng rộng rãi cơng nghiệp để sản xuất thép Nó sử dụng nhiệt từ hồ quang điện để đạt nhiệt độ đủ lớn làm nóng chảy kim loại [1] Với linh hoạt mình, lò hồ quang cho phép làm đơn giản trình sản xuất thép Tuy nhiên, lò hồ quang phụ tải tiêu thụ điện lớn Đây phụ tải khơng cân bằng, khơng tuyến tính biến đổi theo thời gian đồng thời gây không cân điện áp (flickers), sinh sóng hài biên độ lớn, gây nhiễu loạn lưới điện biến đổi mạnh công suất phản kháng làm giảm hệ số công suất Để nghiên cứu tính chất lò hồ quang, cần xây dựng cách xác đầy đủ mơ hình lò hồ quang ba pha Bước có tầm quan trọng hàng đầu để thực sau bước nâng cao chất lượng lượng hệ thống điện cung cấp cho chúng Các nhân tố ảnh hưởng đến hoạt động lò hồ quang q trình làm nóng chảy tinh chế vật liệu, vị trí điện cực điện áp cung cấp Hơn nữa, q trình làm nóng chảy kim loại q trình ngẫu nhiên, thật khó để đưa mộ mơ hình xác định xác cho phụ tải lò hồ quang Nhìn chung, phương pháp mơ hình hóa lò hồ quang chia làm hai loại phương pháp miền thời gian phương pháp miền tần số [2], [3] Trong phương pháp miền tần số, đại diện cho hiệu điện dòng điện hồ quang sóng hài thành phần chúng Sau đó, tần số thành phần, mạch điện tương đương cho hệ thống đưa lò hồ quang xem nguồn điện áp Đáp ứng toàn hệ thống xếp chồng đáp ứng hệ thống tần số [3], [4] Phương pháp cần số giá trị đo hiệu điện dòng điện hồ quang để thiết lập mơ hình nguồn dòng cho sóng hài Vì vậy, phương pháp khơng sử dụng thiếu đo đạc [5] Phương pháp miền thời gian dựa sở đặc tính điện áp – dòng điện (VIC) Hồ quang điện có tính chất phi tuyến biến đối theo thời gian, nên việc mơ tính chất miền thời gian dễ miền tần số [3], [6] Mặc dù phương pháp yêu cầu nhiều thời gian tính tốn [7], nhiên với phát triển khoa học máy tính ngày nay, nhược điểm dần khắc phục Nhiều nghiên cứu thực mơ hình mạch pha [3], [8], điều dẫn đến có sai lệch thành phần sóng hài pha q trình làm nóng chảy kim loại hoạt động không cân [7] Trong báo này, tác giả thực mơ hình hóa ba mơ hình lò hồ quang miền thời gian Các mơ hình lò hồ quang xây dựng với mơ hình nguồn ba pha Matlab Simulink Tác giả thực việc mô độ nhấp nháy điện áp (flicker) với vài tần số nhấp nháy khác Các thành phần sóng hài so sánh với tiêu chuẩn quy định hệ thống điện phân phối [9] Mơ hình lò hồ quang miền thời gian 2.1 Mơ hình (model 1) Các nghiên cứu [4], [7] đặc tính V-I thực tế Hình 1, với vig điện áp bắt đầu phóng hồ quang tương ứng với dòng điện i1 veg điện áp tắt hồ quang tương ứng với dòng điện i2 Hai điện áp xác định chiều dài hồ quang trình hoạt động Model giả thiết tuyến tính hóa đặc tính V-I hai phương trình tuyến tính tương ứng với đoạn AB AC Đoạn CD xem đối xứng với AB qua điểm O Với R R2 hệ số góc AC AB, model cho chu kì biểu diễn sau: Trần Lê Nhật Hồng, Dỗn Văn Đông 30 𝑅1 𝑖 𝑣ớ𝑖 − 𝑖1 ≤ 𝑖 < 𝑖1 𝑅2 𝑖 + 𝑣𝑖𝑔 (1 − 𝑣= { 𝑅2 𝑖 − 𝑣𝑖𝑔 (1 − 𝑅2 𝑅1 𝑅2 𝑅1 ) 𝑣ớ𝑖 𝑖1 ≤ 𝑖 ≤ 𝑖2 (1) ) 𝑣ớ𝑖 − 𝑖2 ≤ 𝑖 < −𝑖1 Với Đặc tính V-I model chia theo tăng giảm dòng điện (i↗ i↘) Đặc tính mơ tả phương trình sau [4]: 𝑅1 𝑖 𝑣ớ𝑖 (−𝑖3 ≤ 𝑖 < 𝑖1 , 𝑣à 𝑖 ↗) ℎ𝑜ặ𝑐 (−𝑖1 ≤ 𝑖 < 𝑖3 𝑣à 𝑖 ↘) 𝑖 −𝑖 𝑣𝑠𝑡 + (𝑣𝑖𝑔 − 𝑣𝑠𝑡 )exp ( ) 𝑣𝑖𝑔 𝑖1 = 𝑅1 𝑣𝑒𝑥 1 𝑖2 = − 𝑣𝑖𝑔 ( − ) 𝑅2 𝑅2 𝑅1 𝑖𝑇 𝑣= (2) 𝑖 +𝑖 −𝑣𝑠𝑡 − (𝑣𝑖𝑔 − 𝑣𝑠𝑡 )exp ( ) Thực tế v 𝑣ớ𝑖 𝑖1 ≤ 𝑖 < 𝑖2 𝑣à 𝑖 ↗ 𝑣𝑠𝑡 + (𝑖 − 𝑖2 )𝑅2 𝑣ớ𝑖 𝑖2 ≤ 𝑖 𝑣à 𝑖 ↗ 𝑣𝑒𝑥 + (𝑖 − 𝑖3 )𝑅3 𝑣ớ𝑖 𝑖3 ≤ 𝑖 𝑣à 𝑖 ↘ 𝑖𝑇 Model v i 𝑣ớ𝑖 − 𝑖2 ≤ 𝑖 < −𝑖1 𝑣à 𝑖 ↘ −𝑣𝑠𝑡 + (𝑖 + 𝑖2 )𝑅2 𝑣ớ𝑖 𝑖 < 𝑖2 𝑣à 𝑖 ↘ {−𝑣𝑒𝑥 + (𝑖 + 𝑖3 )𝑅3 𝑣ớ𝑖 𝑖 < 𝑖3 𝑣à 𝑖 ↗ Trong R1, R2, R3 hệ số góc tương ứng giai đoạn, và: 𝑣𝑖𝑔 𝑣𝑒𝑥 𝑖1 = ; 𝑖2 = 3𝑖1 ; 𝑖 = ; 𝑣à 𝑖 𝑇 = 1.5𝑖1 𝑅1 𝑅1 2.3 Mơ hình (model 3) Một phương pháp xấp xỉ đặc tính V-I khác đưa Hình [4] v Hình Đặc tính V-I thực tế mơ hình 2.2 Mơ hình (model 2) Model tuyến tính hóa hồn tồn đặc tính V-I Như model khơng thể mơ tả hết tính chất đặc tính này, bắt đầu làm nóng chảy kim loại v exponential vig vex R1 vst R2 R3 i3 i1 i i2 Hình Đặc tính V-I mơ hình i Vì hiệu điện hồ quang thay đổi phân cực nhanh, nên model bỏ qua thời gian tăng điện áp, dẫn đến thay đổi đột ngột điện áp hồ quang dòng điện hồ quang qua điểm zero Một chu kì hồn chỉnh đặc tính V-I đưa cơng thức sau [11]: 𝑣 = 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑖)(𝑣𝑎𝑡 + Hình Đặc tính V-I mơ hình Model giới thiệu Hình [10] Model khơng xấp xỉ tuyến tính hồn tồn đặc tính V-I chia q trình làm nóng chảy kim loại làm ba phần: • Giai đoạn 1: Điện áp tăng từ -vex đến vig, lò hoạt động điện trở dòng điện thay đổi từ -i3 đến i1 • Giai đoạn 2: giai đoạn bắt đầu làm nóng chảy kim loại Điện áp giảm đột ngột qua điện cực, điện áp hồ quang giảm từ vig xuống vst dòng điện hồ quang tăng nhẹ từ i1 đến i2 Giai đoạn điện áp rơi xấp xỉ hàm mũ • Giai đoạn 3: giai đoạn xem tiến trình làm nóng chảy kim loại bình thường Điện áp rơi từ từ tuyến tính từ vst xuống vex 𝐶 𝐷+|𝑖| ) (3) Với C công suất hiệu dụng, D hệ số, vat phản ảnh điều kiện hoạt động lò tính theo cơng thức kinh nghiệm sau [4]: 𝑣𝑎𝑡 = 𝐴 + 𝐵 𝑙 Trong đó, A, B hệ số kinh nghiệm l chiều dài hồ quang Mơ hình hóa mơ hình lò hồ quang Để đưa khác mơ hình lò hồ quang, hệ thống lò hồ quang ba pha xây dựng với sơ đồ Hình 4, với Zs trở kháng đường dây, PCC điểm kết nối chung, AF phía điện áp thấp máy biến áp đại diện trở kháng Zc Các thông số giới thiệu [4] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN Zs PCC Rs+jXs v(t) Zc 31 AF Rc+jXc Hình Sơ đồ hệ thống lò hồ quang Sơ đồ mô xây dựng Matlab Simulink giới thiệu Hình Nguồn pha Zs PCC Zc EAF Hình Sơ đồ mơ Matlab Simulink Kết mơ đặc tính V-I model 1, model 2, model giới thiệu hình sau: Hình Mơ đặc tính V-I model Từ kết mô phỏng, model mơ đặc tính V-I xác hai model model Bởi vì, model mơ tả đầy đủ ba pha lò nấu thép hai model model 3, mơ tả có hai pha Hơn nữa, model khơng tuyến tính hóa hồn tồn đặc tính V-I model Model khơng xem xét q trình tăng điện áp ban đầu phụ thuộc hồn tồn vào cơng thức kinh nghiệm áp dụng tổng quát cho việc nghiên cứu tác động đến lưới điện tất lò hồ quang Vì vậy, phần tiếp theo, tác giả sử dụng model cho nghiên cứu kết đưa thực với model Nghiên cứu sóng hài nhấp nháy điện áp (flicker) Điện áp nhấp nháy tượng ngẫu nhiên biến đổi theo thời gian Theo tiêu chuẩn IEC6100-4-15, IEEE-519, biến đổi điện áp trung bình nằm dải tần số 0,5-25Hz Để phân tích vấn đề này, cần có mơ hình động lò hồ quang [3] đưa phương pháp điều chỉnh hệ số góc R2 nằm giai đoạn dòng điện qua điện cực nhiều hơn, theo công thức sau: 𝑅2 (𝑡) = 𝑅2 (1 + 𝑚 𝑠𝑖𝑛(2𝜋𝑓𝑓 𝑡) (4) Với m hệ số điều chỉnh 𝑓𝑓 tần số nhấp nháy điện áp Hình Mơ đặc tính V-I model Hình Mơ đặc tính V-I model Tuy nhiên, trình nấu chảy kim loại từ bắt đầu đến kết thúc trình động Vì vậy, mơ hình tải động xem xét biến đổi theo chu kì Do đó, tác giả đề xuất xem hệ số góc bắt đầu trình nấu chảy kim loại R2 R3 model (các model khác xem xét tương tự) biến đổi theo chu kì định nghĩa phương trình (4) Kết giới thiệu Bảng với giá trị m=0,4 nhiều giá trị 𝑓𝑓 khác Do chênh lệch pha nhỏ, nên đây, tác giả đưa kết pha Từ Bảng 1, thấy độ nhấp nháy điện áp không ảnh hưởng nhiều đến sóng hài thành phần TDH điện áp dòng điện điểm PCC Tuy nhiên, điện áp điểm PCC, thành phần sóng hài bậc vượt tiêu chuẩn cho phép Đối với dòng điện điểm PCC thành phần sóng hài bậc THD vượt tiêu chuẩn cho phép Thành phần sóng hài bậc dòng điện điện áp điểm PCC cao Hơn hệ số công suất thấp (0,785 so với tiêu chuẩn 0,85) Điều đặt cần phải thực lọc sóng hài bù cơng suất phản kháng để giảm sóng hài tăng hệ số công suất phù hợp với tiêu chuẩn Trần Lê Nhật Hồng, Dỗn Văn Đơng 32 Bảng Thành phần sóng hài hệ số cơng suất với tần số ff khác Sóng hài (%) ff=5 ff=10 ff=15 ff=18 TCV N (%) Bậc 0,02 0,04 0,04 0,08 Bậc 3,42 3,34 3,35 3,33 Bậc 2,25 2,27 2,28 2,27 Điện áp PCC Dòng điện PCC Bậc 0,04 0,05 0,05 0,06 Bậc 11 1,39 1,23 1,24 1,23 THD 4,54 4,62 4,61 4,6 6,5 Bậc 0,17 0,06 0,48 0,32 Bậc 5,23 4,95 4,98 4,82 Bậc 2,52 2,44 2,45 2,42 Bậc 0,06 0,02 0,09 0,07 Bậc 11 0,93 0,84 0,85 0,83 THD 6,11 6,79 6,81 6,82 0,78 0,785 0,78 0,785 0,85 Hệ số công suất Độ nhấp nháy điện áp ứng với tần số khác giới thiệu Bảng Độ nhấp nháy điện áp ứng với ff=15Hz giới thiệu Hình Bảng Độ nhấp nháy điện áp ứng với ff khác Tần số ff=5 Flicker ( ∆𝑉 𝑉 , %) ff=10 3,36 3,06 ff=15 ff=18 4,33 4,24 Hình Độ nhấp nháy điện áp ứng với ff=15Hz Từ Bảng 2, ta thấy độ nhấp nháy điện áp cao (>3%) phụ thuộc nhiều vào tần số nhấp nháy Từ kết nhận được, ta thấy lò hồ quang làm suy giảm lớn chất lượng điện điểm PCC (nằm mức so với tiêu chuẩn Việt Nam) Điều gây nên tổn thất lớn điện làm cho thiết bị đấu nối vào điểm PCC nhanh hư hỏng Từ cần có biện pháp để nâng cao chất lượng điện điểm PCC Kết luận Trong báo này, tác giả giới thiệu ba mơ hình lò hồ quang miền thời gian Các mơ hình thực sở xấp xỉ gần đặc tính V-I Các mơ hình thực mô Matlab Simulink Kết mơ cho thấy mơ hình cho kết tốt hai mơ hình lại Tác giả đề xuất nghiên cứu độ nhấp nháy điện áp từ bắt đầu trình nấu chảy kim loại cách xem hệ số góc R2 R3 biến đổi theo chu kì Kết phân tích từ mơ hình cho thấy lò hồ quang tác động lớn đến chất lượng điện điểm kết nối chung PCC lưới điện Chất lượng điện điểm không đáp ứng tiêu chuẩn Việt Nam Các kết thu tạo điều kiện cho nghiên cứu thiết kế tối ưu lọc sóng hài bù công suất phản kháng để giảm độ nhấp nháy điện áp nâng cao chất lượng điện điểm PCC phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển tiềm lực Khoa học Công nghệ Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đề tài có mã số T2018-06-104 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Four arc électrique”, Wikipédia 22-Feb-2018 [2] O Ozgun and A Abur, “Flicker study using a novel arc furnace model”, IEEE Trans Power Deliv., vol 17, no 4, pp 1158–1163, Oct 2002 [3] M A Golkar and S Meschi, “MATLAB modeling of arc furnace for flicker study”, in 2008 IEEE International Conference on Industrial Technology, 2008, pp 1–6 [4] T Zheng, E B Makram, and A A Girgis, “Effect of different arc furnace models on voltage distortion”, in 8th International Conference on Harmonics and Quality of Power Proceedings (Cat No.98EX227), 1998, vol 2, pp 1079–1085 vol.2 [5] W Ting, S Wennan, and Z Yao, “A new frequency domain method for the harmonic analysis of power systems with arc furnace”, in 1997 Fourth International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, APSCOM-97 (Conf Publ No 450), 1997, vol 2, pp 552–555 vol.2 [6] K A Nguyen, C Hoang, T H Le, T C Le, and D B Ngo, “Modelling and simulation static VAR compensator by Matlab/Simulink for reducing impacts of EAF on power”, in Hội Nghị Sinh viên nghiên cứu khoa học lần thứ 7, 2010, pp 100–105 [7] M A P Alonso and M P Donsion, “An improved time domain arc furnace model for harmonic analysis”, Power Deliv IEEE Trans On, vol 19, no 1, pp 367–373, Jan 2004 [8] T Zheng and E B Makram, “An adaptive arc furnace model”, IEEE Trans Power Deliv., vol 15, no 3, pp 931–939, Jul 2000 [9] “Thông Tư Quy định hệ thống điện phân phối.” 39/2015/TT-BCT, 18-Nov-2015 [10] S Juan Celada, “Electrical analysis of the steel melting arc furnace”, Iron Steel Eng., vol 70, pp 35–39, May 1993 [11] G C Montanari, M Loggini, A Cavallini, L Pitti, and D Zaninelli, “Arc-furnace model for the study of flicker compensation in electrical networks”, IEEE Trans Power Deliv., vol 9, no 4, pp 2026–2036, Oct 1994 (BBT nhận bài: 15/8/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 16/10/2018) ... đến lưới điện tất lò hồ quang Vì vậy, phần tiếp theo, tác giả sử dụng model cho nghiên cứu kết đưa thực với model Nghiên cứu sóng hài nhấp nháy điện áp (flicker) Điện áp nhấp nháy tượng ngẫu nhiên... dài hồ quang Mơ hình hóa mơ hình lò hồ quang Để đưa khác mơ hình lò hồ quang, hệ thống lò hồ quang ba pha xây dựng với sơ đồ Hình 4, với Zs trở kháng đường dây, PCC điểm kết nối chung, AF phía điện. .. mô hình lò hồ quang miền thời gian Các mơ hình thực sở xấp xỉ gần đặc tính V-I Các mơ hình thực mô Matlab Simulink Kết mô cho thấy mơ hình cho kết tốt hai mơ hình lại Tác giả đề xuất nghiên cứu