Nghiên cứu bù hệ số công suất để cải thiện chất lượng điện năng của mạng điện cấp cho thành phố lạng sơn​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ TRẦN TUẤN NGHIÊN CỨU BÙ HỆ SỐ CÔNG SUẤT ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MẠNG ĐIỆN CẤP CHO THÀNH PHỐ LẠNG SƠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN - 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ TRẦN TUẤN NGHIÊN CỨU BÙ HỆ SỐ CÔNG SUẤT ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MẠNG ĐIỆN CẤP CHO THÀNH PHỐ LẠNG SƠN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Xuân Minh THÁI NGUYÊN - 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Lê Trần Tuấn Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Xuân Minh Đề tài luận văn: Nghiên cứu bù hệ số công suất để cải thiện chất lượng điện cấp cho thành phố Lạng Sơn Ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8.52.02.01 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Chủ tịch Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 4/10/2020 với nội dung sau: Đã sửa số lỗi tả, soạn thảo luận văn Đã chỉnh sửa phần kết luận chung luận văn Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận văn PGS.TS Trần Xuân Minh Lê Trần Tuấn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Võ Quang Lạp i LỜI CAM ĐOAN Họ tên: Lê Trần Tuấn Học viên: Lớp cao học K21, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Ngun Nơi cơng tác: Xí nghiệp dịch vụ điện lực Lạng Sơn Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu bù hệ số công suất để cải thiện chất lượng điện cấp cho thành phố Lạng Sơn” 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 Ngun Mọi thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm số liệu luận văn Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020 Học viên thực Lê Trần Tuấn 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 Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo, cán bộ, viên chức 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 giúp tơi 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 tháng năm 2020 Học viên Lê Trần Tuấn iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LƯỚI ĐIỆN VÀ TÌNH HÌNH TIÊU THỤ ĐIỆN THÀNH PHỐ LẠNG SƠN .3 1.1 Giới thiệu chung lưới điện Thành phố Lạng Sơn .3 1.1.1 Đặc điểm tự nhiên .3 1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội .3 1.1.3 Đặc điểm lưới điện 1.2 Các lộ đường dây trung cấp điện đồ thị phụ tải điển hình .6 1.2.1 Xuất tuyến 471E13.2 1.2.2 Xuất tuyến 472E13.2 1.2.3 Xuất tuyến 473E13.2 1.2.4 Xuất tuyến 474E13.2 1.2.5 Xuất tuyến 375E13.2 1.3 Kết thực tiêu tổn thất 10 1.4 Số liệu trạm biến áp (tháng 12/2019) 11 1.5 Sơ đồ nguyên lý lộ đường dây trung 23 Kết luận chương 28 CHƯƠNG 2: CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA MẠNG ĐIỆN 29 2.1 Các tiêu chất lượng điện áp nguồn cung cấp 29 2.1.1 Độ lệch điện áp 29 2.1.2 Độ dao động điện áp 30 2.1.3 Độ không sin điện áp 31 2.1.4 Độ đối xứng điện áp 31 2.2 Các phương pháp đánh giá chất lượng điện áp 32 2.2.1 Đánh giá chất lượng điện áp theo theo độ lệch điện áp 32 2.2.2 Đánh giá độ đối xứng điện áp 38 2.2.3 Đánh giá mức độ hình sin 40 2.3 Các biện pháp nâng cao chất lượng điện áp 40 iv 2.3.1 Các biện pháp chung 40 2.3.2 Nâng cao chất lượng điện áp điều chỉnh điện áp .42 2.3.3 Các biện pháp nâng cao chất lượng điện áp 47 Kết luận chương 50 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG MẠNG ĐIỆN CẤP CHO THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 51 3.1 Các phương pháp bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất truyền thống 51 3.1.1 Phương pháp nâng cao hệ số cosϕ tự nhiên 51 3.1.2 Phương pháp nâng cao hệ số cosϕ nhân tạo 53 3.2 Phương pháp sử dụng thiết bị bù FACTS 57 3.2.1 Nhóm mắc nối tiếp 57 3.2.2 Nhóm mắc song song 58 3.3 Vị trí đặt thiết bị bù 60 3.4 Xác định dung lượng bù 61 3.5 Đề xuất phương pháp bù CSPK cải thiện chất lượng điện .63 Kết luận chương 64 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG DSVC 65 4.1 Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR 65 4.2 Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC .66 4.2.1 Phương pháp bù CSPK sử dụng chuyển mạch khí (DVC) 66 4.2.2 Phương pháp bù CSPK sử dụng thyristor (SVC) 67 4.2.3 Phương pháp bù lai DSVC 68 4.3 Thiết kế điều khiển hệ thống bù công suất phản kháng DSVC 69 4.3.1 Mơ hình hóa hệ thống bù cơng suất phản kháng FC-TCR 69 4.3.2 Tính tốn giá trị tụ bù cố định FC 70 4.3.3 Tính tốn giá trị điện cảm (L) nhánh TCR 71 4.3.4 Mối liên hệ điện cảm nhánh TCR, góc diều khiển BBĐ, việc bù CSPK 72 v 4.3.5 Thiết kế điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 73 4.4 Mô hệ thống phần mềm Matlab/Simulink 76 4.4.1 Sơ đồ mô 76 4.4.2 Kết mô 79 Kết luận chương 81 KẾT LUẬN 82 KIẾN NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Cosϕ CSPK CSTD DSVC E13.2 FACTS FC FC-TCR MBA PF PID SSSC SVC STATCOM TCR TCSC TSC Var W kW vii CSPK giá trị CSPK phụ tải gây ra, việc bù thừa bù thiếu dẫn tới hệ số công suất nhỏ Do ta có cơng thức tính giá trị tụ bù cho hệ thống bù công suất phản kháng sau: = Trong đó: : Giá trị điện áp hiệu dụng đặt tụ (đơn vị V) : Giá trị tụ điện (đơn vị Var) : Công suất tác dụng phụ tải (đơn vị W) φ1: Góc lệch pha điện áp dịng điện trước thực bù CSPK φ2: Góc lệch pha điện áp dòng điện mong muốn sau thực việc bù CSPK : Tần số lưới điện (đơn vị Hz) Trong thực tế sản xuất, tải thay đổi phụ thuộc vào u cầu nhà máy Để thích ứng với việc thay đổi đó, giá trị tụ bù cố định nên chọn cho đủ để cung cấp cho lượng CSPK lớn gây phụ tải > > Hoặc: ℎ ℎ Trong CSPK gây phụ tải thời điểm hoạt động sản xuất bình thường sẽ lượng cơng suất phản kháng mà tụ bù cần cung cấp = ℎ 4.3.3 Tính tốn giá trị điện cảm (L) nhánh TCR Bộ SVC không trao đổi lượng công suất phản kháng với lưới điện mà hệ số công suất 1, điều kiện hoạt động lượng cơng suất phản kháng mà nhánh tụ cố định bù thừa sẽ hấp thụ điện cảm nhánh TCR Giá trị điện cảm L nhánh TCR tính cơng thức sau = Trong đó: , , tương ứng sẽ trở kháng điện cảm L nhánh TCR, dung kháng tụ bù cố định, giá trị dung kháng bù đủ điều kiện phụ tải không 71 tăng CSPK 4.3.4 Mối liên hệ điện cảm nhánh TCR, góc diều khiển BBĐ, việc bù CSPK 4.3.4.1 Sự phụ thuộc điện cảm (L) vào góc điều khiển BBĐ (α) Bản chất việc điều chỉnh cảm kháng nhánh TCR điều khiển góc mở thyristor (góc điều khiển biến đổi xoay chiều - xoay chiều) để điều chỉnh dòng điện qua điện cảm, từ điều khiển lượng cơng suất phản kháng hấp thụ nhánh TCR Dòng điện qua điện cảm điều khiển cách thay đổi góc kích mở α tính theo cơng thức sau = Cảm kháng biến đổi điện cảm (L) biểu diễn hàm số góc kích mở thyristor phương trình sau ()= ∗ Trong đó: : dòng điện chạy qua nhánh TCR, [A]; : góc điều khiển, có giới hạn nằm khoảng (0, π), [rad]; ( ) hàm số biểu thị giá trị điện cảm theo góc điều khiển, [H]; ( ) hàm số biểu diễn hàm cảm kháng thay đổi nhánh TCR ứng với góc điều khiển, [Ω] Ta thấy cảm kháng nhánh TCR hàm phụ thuộc vào góc điều khiiển biến đổi (α) 4.3.4.2 Cơ sở việc bù công suất phản kháng Công suất phản kháng gây phụ tải bù nhánh bù FC-TCR mắc song song với phụ tải Tổng công suất phản kháng FC-TCR tính cơng thức sau ()= Trong đó: 72 điện dẫn tụ bù cố định đ ( ) điện dẫn nhánh TCR xác định hàm phụ thuộc vào góc điều khiển BBĐ mơ tả phương trình sau ()= 4.3.5 Thiết kế điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols Phương pháp Ziegler-Nichols pháp thực nghiệm để xác định tham số điều khiển P, PI, PID cách dự vào đáp ứng độ đối tượng điều khiển Tùy theo đặc điểm đối tượng, Ziegler Nichols đưa hai phương pháp lựa chọn tham số điều khiển: Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất: Hình 4.7: Đáp ứng bước nhảy hệ hở có dạng S Phương pháp áp dụng cho đối tượng có đáp ứng tín hiệu vào hàm nấc có dạng chữ S (Hình 4.6) nhiệt độ lị nhiệt, tốc độ động cơ… Thông số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số kp 73 BĐK P PI PID Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai: Phương pháp áp dụng cho đối tượng có khâu tích phân lý tưởng mực chất lỏng bồn chứa, vị trí hệ truyền động dùng động cơ… Đáp ứng độ hệ hở đối tượng tăng đến vô Phương pháp thực sau: Hình 8: Xác định hệ số khuếch đại tới hạn kth - Thay điều khiển PID hệ kín khuếch đại (hình 4.8) - Tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín chế độ biên giới ổn định, tức h(t) có dạng dao động điều hịa - Xác định chu kỳ Tth dao động Thông số điều khiển chọn theo bảng sau: Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ Thông số BĐK P PI PID Thiết kế điều khiển hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR Giả thiết tính tốn với trường hợp tải pha có thơng số sau: - Cơng suất phụ tải (động cơ) PLoad=2.2KW 74 - Điện áp định mức hiệu dụng phụ tải: Vrms= 220V; - Hệ số công suất nhãn động cơ: cos = 0.7 Tính tốn tụ cuộn kháng: - Giá trị tụ điện bù đủ phụ tải tương ứng tính cơng thức sau: = - Giá trị tụ bù cố định lựa chọn cho thích ứng với lượng cơng suất phản kháng tăng lên 2.5 lần - Ứng với giá trị tụ bù cố định nhánh FC, ta tính giá trị điện cảm (L) nhánh TCR theo công thức sau: = Thông số điều khiển PID xác định thông qua thực nghiệm theo phương pháp Zigler-nichol Bộ điều khiển áp dụng dạng tỷ lệ - tích phân (PI), có hàm truyền sau: W PI Trong đó: Kp = 7.5, Ki = 150 (s)=K 75 4.4 Mô hệ thống phần mềm Matlab/Simulink 4.4.1 Sơ đồ mô Hình 4.9: Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR Để xây dựng sơ đồ mô phỏng, ta xuất phát từ cấu trúc điều khiển cho hình 4.9 Từ sơ đồ cấu trúc điều khiển hình 4.9, chương trình mơ hệ thống (cũng cịn gọi sơ đồ mô phỏng) xây dựng Matlab/Simulink sau: - Khối nguồn: Hình 4.10: Khối nguồn pha cung cấp cho phụ tải 76 - Khối Thyristor (BBĐ): Hình 4.11: Khối Thyristor thơng số (gồm thyristor mắc song song ngược) - Khối mơ hình đối tượng điều khiển Khối bao gồm nguồn, thyristor, tụ bù, tải, v.v ta có sơ đồ khối Matlab/Simulink hình 4.12: Hình 4.12: Khối mơ hình đối tượng điều khiển 77 - Khối phát xung điều khiển Hình 4.13: Khối phát xung điều khiển - Khối tính cơng suất P, Q 78 Hình 4.14: Khối tính tốn cơng suất tác dụng, phản kháng P, Q Từ khối ta có sơ đồ mơ Matlab/Simulink tồn hệ thống bù cơng suất phản kháng hình 4.15: Hình 4.15: Sơ đồ mơ tồn hệ thống 4.4.2 Kết mơ Với mục đích kiểm tra tính đắn hệ thống, hệ số công suất mong muốn đặt ban đầu 0.85, tiếp đến giảm xuống 0.8 thời điểm 0.4s, sau lại tăng lên 0.85 thời điểm 0.8s Đối với phụ tải có thơng số: P = 2kW; U = 220V; Cos =0.7; f =50Hz, đáp ứng cosϕ hệ thống điện áp điều khiển Udk (V) thể qua hình 4.16 hình 4.17 79 Hình 4.16: Đáp ứng cos hệ thống Hình 4.17: Đáp ứng điện áp điều khiển Kết mô phương pháp bù CSPK kiểu FC-TCR cho chất lượng tốt, tải thay đổi gây lượng thay đổi cơng suất phản kháng hệ thống bù trì hệ số cơng suất bám theo hệ số cơng suất đặt (hình 4.16) 80 Hình 4.18: Xung kích điều khiển thyristors BBĐ điện áp điện cảm L thuộc nhánh TCR Xung điều khiển thyristor BBĐ điện áp điện cảm thuộc nhánh TCR biểu diễn hình 4.18 Hình 4.21 tương ứng với phụ tải cố định phụ tải thay đổi Kết mô cấu trúc điều khiển đề xuất có chất lượng đáp ứng yêu cầu đặt số hạn chế dao động Hệ thống đáp ứng tốt theo yêu cầu thay đổi cosϕ kể thay đổi tải Kết luận chương Chương thực xây dựng cấu trúc phần lực phần điều khiển hệ thống bù CSPK kiểu FC-TCR trongthiết bị bù DSVC Chương thực tính tốn tham số khâu với số liệu phụ tải giả thiết tiến hành mô kiểm chứng đièu khiển nhờ Matlab/Simulink 81 KẾT LUẬN Tác giả luận văn tiến hành khảo sát, thu thập liệu mạng điện cung cáp cho thành phố Lạng Sơn, để đánh giá thực trạng hệ số công suất trạm biến áp nhằm đánh giá chất lượng điện trạm biến áp mạng điện thành phố Luận văn đã tìm hiểu tiêu đánh giá chất lượng điện điện áp tần số Với quan điểm, tần số hệ thống định thường ổn định nên quan tâm đến tiêu đánh giá chất lượng điện áp rút kết luận biện pháp có ảnh hưởng lớn đến chất lượng điẹn áp nút mạng điện cải thiện hệ số cơng suất mà biện pháp thực bù công suất phản kháng cho mạng điện Luận văn tìm hiểu phương pháp bù cơng suất phản kháng, phân tích ưu nhược điẻm phương pháp, kết hợp với thực tế biến động công suất phản kháng phụ tải tiêu thụ số trạm biến áp, luận văn lựa chọ giải pháp dùng thiết bị bù lai với kết hợp DVC FC-TCR Luận văn xây dựng cấu trúc điều khiển thiết bị bù FC-TCR, thiết kế điều khiển tiến hành mô hệ thống Các kết mô cho thấy cấu trúc luận văn đề xuất đáp ứng yêu cầu bù trơn công suất phản kháng cho mạng điện, hệ số công suất hệ thống bám theo giá trị đặt có thay đổi nhanh công tải (cả P Q) phạm vi định KIẾN NGHỊ Tuy luận văn đạt kết mặt tính tốn lý thuyết chưa có điều kiện kiểm nghiệm thiết bị thực, để áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế cần phải tiến hành thực nghiệm để kiểm chứng thực hiệu chỉnh cần thiết 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Đăng Khải, Huỳnh Bá Minh, “Bù Công suất phản kháng lưới cung cấp phân phối điện”, Nhà xuất khoa học & kỹ thuật, 2003 [2] Trần Xuân Minh, Đỗ Trung Hải, “Điện tử công suất”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2016 [3] Hoàng Minh Sơn, “Cơ sở hệ thống điều khiển trình”, Nhà xuất bách khoa Hà Nội [4] Luật số 50/2010/QH12 Quốc hội ban hành Luật sử dụng lượng tiết kiệm hiệu [5] A Hamadi, S Rahmani and K Al-Haddad, “A hybrid passive filter configuration for VAR control and harmonic compensation”, IEEE Transactions on Industrial [6] Dang Van Huyen, Phan Thanh Hien, Nguyen Duy Cuong, “Design of Dynamic- Static Var Compensation based on Microcontroller for Improving Power Factor”, IEEE International Conference on Systems Science and Engineering 2017 [7] Dugan, Roger C, Mark McGranaghan, Surya Santoso, and H Wayne Beaty, Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Inc, 2003 [8] D Chapman, “introduction to power quality”, European Copper Institute publicaiton, Feb 2012 [9] E Acha, “Modelling and simulation in power networks”, John Wiley&Sons, 2004 [10] E Dallago, G Sassone, M Storti and G Venchi, “Experimental analysis and comparison on a powerfactor controller including a delta – sigma pressing stage”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 45, no 4, pp 544-551, 1998 [11] IEEE, “Proposed terms and definitions for flexible AC transmission system”, New [12] J.Berge and R K Varma, “Design and development of a static var compensator for load compensation using real time digital simulator and hardware simulation”, Proceedings of IEEE Conference on Power Engineering, pp 6-12, 2007 [13] Nader Barsoum, “Programming of PIC micro-controller for power factor correction”, 83 Proceedings of iEEE Conference of Modeling & Simulation, pp 19-25, 2007 [14] Ruberg, S., Ferreira, H., L’Abbate, A., Hager, U., Fulli, G., Li, Y.: Improving network controllability by Flexible Alternating Current Transmission System (FACTS) and by High Voltage Direct Current (HVDC) transmission systems, REALISEGRID Deliverable D1.2.1, Jun 2009 [15] T.V Trujillo, C.R Fuerte-Esquivel and J.H.T Hernandez, “Advanced tree-phase static Var compensator models for power flow analysis Generation, Transmission and Distribution”, IEEE Proceedings, vol 150, pp 119-127, 2003 ISSN 1350-2360 84 ... công suất thường nhỏ Với lý trên, lựa chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu bù hệ số công suất để cải thiện chất lượng điện cấp cho thành phố Lạng Sơn” Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu thực trạng mạng. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LÊ TRẦN TUẤN NGHIÊN CỨU BÙ HỆ SỐ CÔNG SUẤT ĐỂ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA MẠNG ĐIỆN CẤP CHO THÀNH PHỐ LẠNG SƠN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 8520201... trạng mạng điện cấp cho thành phố Lạng Sơn hệ số công suất trạm biến áp thành phố - Nghiên cứu phương pháp bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất - Lựa chọn cấu trúc thiết bị bù thiết