Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế bộ cân bằng pha tự động cho lưới điện hạ áp góp phần làm giảm sự mất cân bằng dòng điện giữa các pha và không gây mất điện trên tải trong quá trình tự động chuyển pha của tải.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 15 THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG PHA TỰ ĐỘNG CHO LƯỚI PHÂN PHỐI HẠ ÁP DESIGN THE AUTOMATIC PHASE BALANCING EQUIPMENT FOR LOW VOLTAGE DISTRIBUTION NETWORK Trần Tùng Giang, Lê Trọng Nghĩa, Trương Ngọc Anh, Trương Thị Bích Ngà, Bùi Thị Tuyết Đan Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngày tòa soạn nhận 5/7/2016, ngày phản biện đánh giá 01/8/2016, ngày chấp nhận đăng 05/9/2016 TÓM TẮT Cân pha vấn đề trọng công tác thiết kế vận hành lưới điện phân phối hạ Nếu việc cân pha lớn gây tải, tổn thất điện năng, chí hư hỏng máy biến áp thiết bị Bài báo trình bày phương pháp thiết kế cân pha tự động cho lưới điện hạ áp góp phần làm giảm cân dòng điện pha khơng gây điện tải q trình tự động chuyển pha tải Phương pháp đề xuất xử lý tín hiệu dịng điện từ biến dịng mạch để điều khiển đóng ngắt thiết bị điện tử công suất chuyển pha kết hợp với thiết bị đóng cắt hạ nhằm tạo cân pha lưới điện phân phối, có khả vận hành tải liên tục ổn định Kết kiểm tra thực nghiệm cho thấy hiệu phương pháp đề xuất có khả ứng dụng thực tiễn lắp đặt xưởng sản xuất, hộ gia đình Từ khóa: cân pha; cân pha; chuyển pha; lưới điện phân phối ABSTRACT Phase balancing is one of the issues to be considered in the design and operation of low-voltage electricity distribution networks If the phase imbalance is too large, it will cause the overload, power loss, and even damage transformers and equipment This paper presents the design method for automatic phase balance equipment for low voltage distribution network in order to reduce the current imbalance between phases In this case study, the process of automatic phase conversion will not cause blackouts on load The proposed method deals with the current signals from the transformer to control switching of power electronic equipments for the phase transition In combination with low-voltage switchgear in order to create phase balance in the networks continuously and stably Experimental test results showed the effectiveness of the proposed method It is applicable for installation at the factory or household Keywords: Phase balancing; phase imbalance; phase transition; low-voltage distribution network GIỚI THIỆU Cùng với phát triển kinh tế, xã hội, nhu cầu sử dụng điện gia đình ngày tăng phần lớn tải pha, việc gia tăng nhanh chóng tải pha phân pha không đồng gây cân pha Việc cân pha làm phát nóng, hư hại cách điện dây dẫn pha tải; xuất dòng điện dây 16 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh trung tính, gây tổn thất điện máy biến áp đường dây, làm giảm chất lượng điện tăng chi phí hoạt động q trình phân phối điện Theo thông tư 39 Bộ công thương việc cân pha lưới điện phân phối [1]: Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch điện áp pha không vượt 3% điện áp danh định cấp điện áp 110kV 5% điện áp danh định cấp điện áp trung áp hạ áp Mất cân điện áp khác độ lớn điện áp pha (dây), điện áp pha không lệch 120 độ lí Mất cân dịng điện tương tự cân điện áp, giá trị dịng điện pha lệch khơng q 15% Có nhiều nguyên nhân gây cân pha, có nguyên nhân chủ yếu: thành phần pha lưới pha, phân bố phụ tải pha không đều, cân pha tải Có nhiều cơng trình giới nghiên cứu việc cân pha cho lưới hạ áp giải pháp để giảm thiệt hại cân pha gây [2-5] Các nghiên cứu chủ yếu nghiên cứu việc tái cấu trúc lưới để cân pha, giảm tổn thất, sử dụng hệ thống thông tin tiêu thụ điện từ khách hàng để tính tốn dịng điện sau chọn thứ tự pha để cân tải Tuy nhiên nghiên cứu chưa đề cập đến vấn đề giải nhiệt ảnh hưởng sóng hài sử dụng thiết bị điện tử công suất lâu dài, sử dụng nhiều chuyển đổi kế, việc phân bố dòng tải pha nhau, thực tế vận hành giá trị phụ tải khác tiếp tục gây cân pha theo thời gian; việc hoán vị phụ tải pha khác gây điện cho phụ tải, gây bất tiện cho khách hàng Thực tế ứng dụng mơ hình “Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp” lưới điện Chợ Lách, Bến Tre, dựa đề tài “Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp” Nguyễn Ngọc Cẩn - Nguyễn Hoài Thương [6] “Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp có dịng tải lớn” Nguyễn Văn Thọ - Thị Thanh Tuyền [7], cho thấy cân pha tự động có hạn chế là: chuyển tốt tải trở, tải cảm cịn tượng sớm pha trễ pha dịng điện q trình chuyển pha làm thiết bị hoạt động không ổn định Bài báo trình bày việc thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp có xem xét đến giải pháp hạn chế tượng trễ/sớm pha sử dụng giải thuật dị tìm điểm zero chuyển pha tải cảm, đề xuất giải pháp điều khiển hoạt động đóng ngắt chuyển tải pha mà khơng gây điện tải, nhằm tạo cân pha lưới điện, có khả vận hành tải liên tục, ổn định nâng cao chất lượng vận hành phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam Ngồi ra, báo cịn đề xuất giải pháp sử dụng thiết bị đóng cắt dài hạn kết hợp với sử dụng linh kiện điện tử công suất ngắn hạn để hạn chế triệt để việc phát nóng khử sóng hài sử dụng linh kiện điện tử cơng suất gây Kết thực nghiệm cho thấy hiệu giải pháp đề xuất Ở Việt Nam nay, để hạn chế việc cân pha, công ty điện lực thường sử dụng biện pháp phân bố phụ tải THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG PHA pha trình thiết kế, TỰ ĐỘNG hoán vị thường xuyên phụ tải phân phối để giảm thiểu khác biệt hệ 2.1 Yêu cầu thiết kế thống pha Tuy nhiên, giải pháp gây Bộ cân pha tự động thiết kế hạn chế sau: thiết với yêu cầu sau: Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Điện áp định mức tải 230VAC - Dòng điện lớn dây pha: phụ thuộc vào tỉ số máy biến dòng (50/5, 100/5, 200/5,…) - Khả mang tải: phụ thuộc vào dòng định mức SCR Contactor - Tự động chuyển tải qua lại pha mà không làm điện hay gây cố ngắn mạch Dựa vào yêu cầu thiết kế, cân pha tự động xây dựng khối bản: khối lấy tín hiệu (biến dịng); khối điều khiển; cấu chấp hành (SCR-Contactor); khối hiển thị; tải Sơ đồ khối hệ thống Hình mạch nhanh coi tức thời không gây điện khơng ảnh hưởng nhiều tới q trình hoạt động thiết bị; Contactor chịu trách nhiệm mang tải thời gian dài hạn chế sóng hài lưới sử dụng SCR lâu dài, trình chuyển mạch contactor chậm nên dùng để mang tải sau SCR chuyển mạch xong; CB với chức bảo vệ ngắn mạch, cách ly mạch điều khiển mạch động lực Sơ đồ kết nối mạch động lực mạch điều khiển trình bày Hình Hình 3: LA LB CB SCRA SCRB CTTA Hình Sơ đồ khối hệ thống cân pha Ở đây: khối lấy tín hiệu sử dụng biến áp 220V/12V (1A) cảm biến dòng ACS712 để đo dịng tín hiệu ngõ vào khối điều khiển so sách lệch pha; khối điều khiển sử dụng board Arduino để xử lý tín hiệu lấy từ cảm biến ACS712, xử lý sóng sin đưa tín hiệu điều khiển cho cấu chấp hành (SCR-Contactor); khối hiển thị sử dụng hình LCD hiển thị dòng điện pha giá trị lệch pha cho phép để tiện theo dõi cài đặt giá trị độ lệch cho phép 2.2 CTTB LOAD N Hình Sơ đồ nguyên lý mạch động lực ~220V ~220V BIẾN ÁP A BIẾN ÁP B ~12V ~12V MẠCH XỬ LÝ SÓNG 11 ARDUINO UNO R3 5v 0v Thiết kế mạch động lực mạch điều khiển Mạch động lực mạch chịu trách nhiệm mang tải thời gian dài, mang tải trình chuyển pha Do đó, thiết kế sử dụng: SCR để mang tải trình chuyển mạch, trình chuyển 17 A1 A2 A3 A4 A5 ACS712 B MẠCH KÍCH RELAY RELAY SCR A RELAY CTT A RELAY SCR B ACS712 A RELAY CTT B Hình Sơ đồ kết nối mạch điều khiển 18 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh BẮT ĐẦU ĐỌC TÍN HIỆU TỪ CẢM BIẾN ĐĨNG SSRA TÍNH DÕNG LỆCH IA, IB DELAY S IB ≤ 1,15IA ĐÓNG CTTA IA ≤ 1,15IB Đ DELAY S NGẮT SSRA DELAY DELAY IB ≤ 1,15IA IA ≤ 1,15IB Đ ĐÓNG SSRB DELAY DELAY NGẮT CCTA, X=0 NGẮT CCTB , X=1 DELAY DELAY DÕ ĐIỂM ZERO LA DÕ ĐIỂM ZERO LB CÓ ĐIỂM ZERO CÓ ĐIỂM ZERO Đ S Đ CH TRÌNH NGẮT CH TRÌNH NGẮT S S Đ ĐÓNG SSRA S S Đ DELAY 4ms DELAY 4ms DÕ ĐIỂM ZERO LB DÕ ĐIỂM ZERO LB CÓ ĐIỂM ZERO CĨ ĐIỂM ZERO Đ S Đ CH TRÌNH NGẮT CH TRÌNH NGẮT DELAY DELAY ĐĨNG CTTB ĐĨNG CTTA DELAY DELAY NGẮT SSRB NGẮT SSRA END Hình Lưu đồ giải thuật điều khiển mạch cân pha tự động Các ngõ biến dòng mắc nối tiếp với cảm biến ACS712 có tín hiệu ngõ điện áp tỉ lệ tuyến tính với dịng điện qua cảm biến Các đầu điện áp cảm biến đọc ADC vi điều khiển tính giá trị chênh lệch ∆I dịng tải pha Giá trị chênh lệch dòng tải ∆I so sánh với ngưỡng để định đưa tín hiệu điều khiển đóng ngắt SCR Contactor Việc lấy tín hiệu dạng sóng pha A pha B giúp đóng ngắt xác điểm zero pha Lưu đồ giải thuật điều khiển giản đồ thời gian trình tự đóng ngắt thiết bị mạch động lực qua relay trung gian, tương ứng khoảng thời gian chuyển mạch trình bày Hình Hình THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH Bộ cân pha tự động sau thiết kế thử nghiệm lưới pha dây có sơ đồ kết nối trình bày Hình A B N SĨNG SIN NGUỒN CẢM BIẾN A CẢM BIẾN B BỘ DÕ ĐIỂM ZERO PHA A ARDUINO BỘ DÕ ĐIỂM ZERO PHA B XUNG KHI CÓ ĐIỂM ZERO A>>B 1s BIẾN ÁP B MẠCH XỬ LÝ SÓNG SCRA RELAY CCT A RELAY SCRB RELAY CTT B LOAD RELAY MẠCH KÍCH RELAY XUNG CHO PHÉP DÕ ZERO DÕ PHA A BIẾN ÁP A SCRA Hình Sơ đồ kết nối cân pha tự động lưới pha dây CCTA XUNG CHO PHÉP DÕ ZERO DO PHA B XUNG KHI CÓ ĐIỂM ZERO SCRB 2s 1s 3.1 CCTB SĨNG RA TẢI Mơ tả sơ đồ kết nối thử nghiệm mơ hình Chức thiết bị mơ hình: DO PHA B B>>A 2s 1s SCRB - Biến dòng lắp LA LB để lấy tín hiệu dịng điện dây pha - Cảm biến dòng điện (ACS712) chuyển đổi dòng điện thành điện áp tuyến tính theo dịng thứ cấp biến dịng - Mạch xử lý sóng nhận tín hiệu cho phép từ vi điều khiển Arduino, cho phép mạch CCTB DÕ PHA A SCRA 2s 1s CCTA SÓNG RA TẢI Hình Giản đồ thời gian đóng ngắt thiết bị Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh xử lý sóng hoạt động đẩy tín hiệu vi điều khiển Arduino - Vi điều khiển Arduino xử lý tín hiệu từ cảm biến đưa lệnh cho mạch xử lý sóng hoạt động Sau nhận tín hiệu từ mạch xử lý sóng Arduino đưa định qua mạch điều khiển relay - Tải đấu pha LA, LB thông qua SCRA – ContactorA SCRB – ContactorB Hình Thiết bị cân pha tự động cho lưới hạ áp sau thi công Ở đây: CB đóng tải Module Contactor Module SCR Adapter cấp nguồn Domino đấu nối Mạch kích SCR Arduino+LCD Bo mạch kích Biến áp lấy tín hiệu 10 Relay trung gian 19 - Khi dòng cân vượt mức cho phép (ILA> 1,15.ILB), tín hiệu điều khiển ngõ vi điều khiển kích đóng SCRA sau 1s ngắt ContactorA Sau ngắt ContactorA mạch điều khiển cho phép mạch xử lý sóng hoạt động, mạch xử lý sóng xác định điểm zero LA ngắt SCRA Tiếp mạch xử lý sóng xác định điểm zero LB đóng SCRB sau khoảng thời gian 2s kích đóng ContactorB xong 1s sau kích ngắt SCRB Tải chuyển từ LA sang LB - Việc kích ngắt SCRA trước đóng SCRB để khơng xảy cố ngắn mạch - Việc dị điểm zero để mạch chuyển xác thời điểm có điện áp 0, ngắt điểm pha A đóng điểm pha B Ưu điểm lớn việc hạn chế sớm trễ pha tải cảm gây - Thời gian chuyển mạch từ SCRA sang SCRB gần tức thời, khơng gây điện cho tải SCR giúp hạn chế hồ quang đóng cắt - Contactor đóng vai trị mạch ln có khả mang tải lớn sau SCR bị ngắt, giúp vận hành liên tục, dòng điện chạy qua SCR thời gian ngắn nên sinh nhiệt độ triệt tiêu việc sinh sóng hài Kết so sánh dạng sóng ngõ trường hợp có/ khơng có giải thuật dị tìm điểm zero trình bày Hình Hình Nguyên lý hoạt động: - Ở điều kiện bình thường (ILA ≤ 1,15.ILB), tín hiệu điều khiển ngõ vi điều khiển kích đóng SCRA, kích ngắt SCRB ContactorB Sau khoảng thời gian 2s kích đóng ContactorA xong 1s sau kích ngắt SCRA, Tải đấu LA Hình Dạng sóng dịng điện khơng có giải thuật dị tìm điểm zero 20 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh cân pha cho nhóm hộ tiêu thụ, ứng với dòng định mức cân pha 1/2 giá trị chênh lệch cực đại pha Điểm 1: Ngắt pha A Điểm 2: Đóng pha B Hình Dạng sóng dịng điện có sử dụng giải thuật dị tìm điểm zero 3.2 Ứng dụng thực tế mơ hình Trường hợp mơ hình lắp đặt thử nghiệm máy biến áp pha, 12.7/0.4kV, 25 kVA, có sơ đồ kết nối Hình 10 Giả sử đường dây mạch có dòng lớn cao điểm 100A pha Trong trình đo đạc nhận thấy chênh lệch dịng tải mạch thời điểm khác pha 20A (lớn nhất) Như đặt vài cân pha tải nhóm tải gần cuối từ cuối đường dây phân phối có dịng tải xấp xỉ 10A cân tải tốt đường dây tiết kiệm chi phí đầu tư 25 kVA 12.7/0.4 kV Hình 10 Sơ đồ tổng thể mắc cân pha thực tế Trên thực tế không cần lắp nhiều cân pha vì: - Khi thiết kế đường dây phân phối hạ áp, người thiết kế phân chia pha gần cân lý thuyết - Tuy nhiên, hộ gia đình tiêu thụ dịng khơng q lớn, nên cần lắp KẾT LUẬN Bộ cân pha tự động sau thiết kế chuyển đổi tải tự động pha xảy tượng cân pha mà không gây điện tải góp phần làm giảm tổn thất điện lưới điện Mạch thiết kế hoạt động ổn định tải đèn, máy vi tính, động pha…và có khả mang dịng tải lớn, triệt tiêu vấn đề phát nóng sóng hài sử dụng thiết bị điện tử công suất Kết thử nghiệm cho thấy cân pha tự động chuyển tải nhanh thời điểm định trước vận hành tải cảm, trình chuyển mạch, tải mang tính cảm hoạt động bình thường cho thấy hiệu phương pháp đề xuất, làm tảng để ứng dụng vào việc phát triển hệ thống cân pha tự động trạm biến áp phân phối, hay điều khiển từ xa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Thông tư 39 Bộ công thương – Thông tư quy định hệ thống điện phân phối, 2015 Karim MANSOURI, Mouna BEN HAMED, Lassaad SBITA and Mehdi DHAOUI, Three-Phase Balancing in a LV Distribution Smart-Grids Using Electrical Load Flow Variation: “L.F.B.M.”, 16th international conference on Sciences and Techniques of Automatic control & computer engineering - STA'2015, Monastir, Tunisia, December 21-23, pp 427-431, 2015 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [3] 21 Chia-Hung Lin,Chao-Shun Chen, Hui-Jen Chuang, and Cheng-Yu Ho, Heuristic Rule-Based Phase Balancing of Distribution Systems by Considering Customer Load Patterns, IEEE Transactions On Power Systems, Vol 20, No 2, pp.709-716, 2005 [4] Mukwanga W Siti, Dan Valentin Nicolae, Adisa A Jimoh, and Abhisek Ukil, Reconfiguration and Load Balancing in the LV and MV Distribution Networks for Optimal Performance, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol 22, No 4, pp 2534-2540, 2007 [5] M.-Y Huang, C.-S Chen, C.-H Lin, M.-S Kang, H.-J Chuang, C.-W Huang, Three-phase balancing of distribution feeders using immune algorithm; IET Gener Transm Distrib., Vol 2, No 3, pp 383–392, 2008 [6] Nguyễn Ngọc Cẩn, Nguyễn Hoài Thương; Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp; ĐHSPKT TPHCM, 2015 [7] Nguyễn Văn Thọ, Thị Thanh Tuyền; Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp có dịng tải lớn; ĐHSPKT TPHCM, 2015 [8] Quyền Huy Ánh; Cung cấp điện, pp 29-34, ĐHSPKT TPHCM, 2006 [9] http://vi.wikipedia.org/Hieu_ung_Hall/ [10] http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=Acs712/ [11] Một số trang web tham khảo: - http://www.dientumaytinh.com/ - http://machdientu.net/ - http://webdien.com/ - http://www.hocavr.com/index.php/lectures/ - http://arduino.vn/reference/attachinterrupt/ - http://arduino360.com/thu-vien-arduino/ Tác giả chịu trách nhiệm viết ThS Trần Tùng Giang Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: giangtt@hcmute.edu.vn ... ? ?Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp? ?? Nguyễn Ngọc Cẩn - Nguyễn Hoài Thương [6] ? ?Thiết kế cân pha tự động cho lưới hạ áp có dịng tải lớn” Ngũn Văn Thọ - Thị Thanh Tuyền [7], cho thấy cân. .. nhiều cân pha vì: - Khi thiết kế đường dây phân phối hạ áp, người thiết kế phân chia pha gần cân lý thuyết - Tuy nhiên, hộ gia đình tiêu thụ dịng khơng q lớn, nên cần lắp KẾT LUẬN Bộ cân pha tự động. .. Nam nay, để hạn chế việc cân pha, công ty điện lực thường sử dụng biện pháp phân bố phụ tải THIẾT KẾ BỘ CÂN BẰNG PHA pha trình thiết kế, TỰ ĐỘNG hoán vị thường xuyên phụ tải phân phối để giảm