Bài viết trình bày vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng, nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và tác động của yếu tố này đến sức khỏe, năng suất lao động; phân tích các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, tập trung làm nổi bật giải pháp bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài đề xuất; một phương pháp xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng dựa trên đường cong Q-V. Mời các bạn cùng tham khảo!
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MỘT GIẢI PHÁP MỚI ĐỂ HẠN CHẾ NHẤP NHÁY ĐIỆN ÁP TRONG MẠNG HẠ ÁP VÀ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VỚI PHƯƠNG PHÁP BÙ NHANH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG DỰA TRÊN ĐƯỜNG CONG Q-V THE NOVEL SOLUTION FOR LIMITATION OF FLICKER IN LOW VOLTAGE NETWORK AND POWER QUALITY IMPROVEMENT WITH A FAST METHOD OF REACTIVE POWER COMPENSATION BASED ON Q-V CURVES Hoàng Đăng Khoa1*, Nguyễn Tiến Dũng2, Bùi Anh Tuấn3, Phạm Trung Dũng4 Cục Điện lực Năng lượng tái tạo, 2Trường Đại Học Điện lực, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp, 4Học viện Kỹ thuật quân Ngày nhận bài: 24/12/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2020, Phản biện: TS Đặng Việt Hùng Tóm tắt: Bài báo trình bày vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng, nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện tác động yếu tố đến sức khỏe, suất lao động; phân tích giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, tập trung làm bật giải pháp bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài đề xuất; phương pháp xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng dựa đường cong Q-V Bài báo giới thiệu thiết bị cải thiện tượng nhấp nháy điện áp mạng hạ áp Từ khóa chính: Chất lượng điện năng, bù công suất phản kháng, dao động điện áp, nhấp nháy điện áp, nhấp nháy ánh sáng Abstract: This paper presents improving power quality, the causes that adversely affect the power quality, labour performance, and human health The paper also analyzes solutions to improve power quality and focuses on highlighting reactive power compensation solution with proposed harmonic filtering Furthermore, the current research points out a method of reactive power compensation based on Q-V curves to decide a reactive power compensation capacity Moreover, the method makes eliminating flicker in low voltage network Keywords: Power quality, reactive power compensation, voltage fluctuations, flickering voltage, flashing light ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với phát triển nhanh khoa học công nghệ, thiết bị điện, điện tử Số 25 có cơng suất độ cao ngày trở nên phổ biến, nguồn lượng tái tạo ngày khai thác triệt để 61 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) toán chất lượng điện ngày trở nên quan trọng với quốc gia giới Việc giải tốt toán giúp nâng cao hiệu tiết kiệm lượng; tăng cường độ tin cậy an toàn hệ thống cấp điện, đảm bảo an ninh lượng Mặt khác, việc nâng cao chất lượng điện giúp tăng tuổi thọ, tăng khả làm việc thiết bị sản xuất trình truyền tải, phân phối, sử dụng điện làm giảm ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động khả an toàn lao động [1], [2] Nâng cao chất lượng điện mối quan tâm hàng đầu bên liên quan nhà sản xuất thiết bị, đơn vị cung ứng điện khách hàng sử dụng điện Hiện tượng nhấp nháy điện áp (Flicker) tượng liên quan đến chất lượng điện nói chung chất lượng điện áp nói riêng Trong tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điện năng, tượng nhấp nháy điện áp tiêu chí quan trọng Theo phân tích đơn vị cung cấp điện than phiền khách hàng tiêu thụ điện nhấp nháy điện áp nguyên nhân số than phiền, chiếm khoảng 44% khu vực nông thôn Phần Lan [3] Tuy nhiên, Việt Nam, nhấp nháy điện áp dường vấn đề mẻ chưa có nghiên cứu đầy đủ liên quan vấn đề dao động điện áp hay nhấp nháy điện áp nhằm đưa giải pháp khắc phục hiệu Trong báo cáo [4] [5], nhóm tác 62 giả đưa vấn đề liên quan đến tượng Flicker với số kết đo đạc, khảo sát tượng nhấp nháy điện áp số phụ tải lựa chọn Việt Nam Thông qua kết cho thấy số địa điểm tập trung nhiều phụ tải có tính phi tuyến mức sóng hài, nhấp nháy điện áp ngắn hạn nhấp nháy điện áp dài hạn vượt vài chục lần so với mức cho phép Bên cạnh đó, nhóm tác giả nghiên cứu, tìm hiểu phân tích ngun nhân gây tượng Flicker để từ đề xuất số giải pháp khắc phục tượng Trong khuôn khổ báo này, nhóm tác giả trình bày giải pháp khắc phục tượng Flicker việc bù nhanh trơn công suất phản kháng với nguyên lý, thuật toán điều khiển thiết bị đề xuất Mức độ hiệu thiết bị kiểm nghiệm thông qua việc xử lý tượng Flicker máy hàn hồ quang pha HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG NHẤP NHÁY ĐIỆN ÁP BẰNG GIẢI PHÁP BÙ NHANH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2.1 Đề xuất giải pháp Việc trì điện áp vận hành ổn định mong muốn nhà vận hành hệ thống điện từ lâu Tuy nhiên, việc hạn chế dao động điện áp trình vận hành hệ thống điện lớn thường địi hỏi chi phí lớn Nhiều nghiên cứu từ lâu đưa biện pháp để hạn chế tượng Tuy nhiên, giải pháp chủ yếu nhà cung cấp điện đưa Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) dừng lại cấp điện áp cao áp với chi phí sản xuất lớn, giá thành thiết bị cao hiệu mang lại chưa tương xứng quan trọng giải pháp chưa khắc phục gốc rễ vấn đề dao động điện áp phía hạ áp nhằm thỏa mãn u cầu Thơng tư 39/2015-BCT [7] Vì vậy, việc nghiên cứu, tìm hiểu để đưa giải pháp khắc phục vấn đề nhấp nháy điện áp phía hạ áp vấn đề bỏ ngỏ bối cảnh Nguyên nhân gây nhấp nháy điện áp thiết bị đấu nối vào hệ thống điện có dịng điện thay đổi theo chu kỳ đột ngột làm xuất dao động điện áp Dao động điện áp xuất công suất tiêu thụ lớn phụ tải thay đổi thường xuyên, đặc biệt thay đổi công suất phản kháng q trình đóng, cắt phụ tải đặc tính cơng nghệ bên thiết bị điện Hiện nay, để khảo sát, đo đạc chất lượng điện năng, thị trường có nhiều hãng sản xuất thiết bị đo Kyoritsu hay Hioki Các thiết bị dễ sử dụng với độ xác cao Hình giới thiệu thiết bị đo hãng Kyoritsu sản xuất Thiết bị cho phép kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua cổng USB để lưu liệu hiển thị hình ảnh lưu liệu vào thẻ nhớ Đối với máy hàn hồ quang, công suất tác dụng máy hàn nhỏ, từ 1-3 kW, nhỏ nhiều so với công suất phản kháng Việc công suất phản kháng dao động mạnh nguyên nhân gây tượng nhấp nháy điện áp (hình 2) [4] Hình Giao diện đầu kết nối thiết bị đo flicker hãng Kyoritsu Số 25 Ngồi việc dao động cơng suất phản kháng mạnh hồ quang, máy hàn cịn gây sóng hài, chủ yếu sóng hài bậc bậc (hình 3) [4] Có thể thấy sóng hài bậc chiếm 8% 16% so với sóng Các sóng hài khác có biên độ nhỏ Các sóng hài 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tương tác với thiết bị khác gây tượng méo dạng điện áp, khiến cho tượng nhấp nháy điện áp thêm trầm trọng Như để xử lý cách hợp tượng nhấp nháy điện áp, cần xem xét xử lý việc điều chỉnh nhanh bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài bậc bậc Q 20 15 10 Q 12:43:12 12:43:29 12:43:47 12:44:04 12:44:21 12:44:38 12:44:56 12:45:13 -5 Hình Dao động công suất phản kháng máy hàn hồ quang pha Hình Phổ sóng hài máy hàn hồ quang pha Với phát triển nhanh chóng mặt công nghệ, thiết bị bù công suất phản kháng kết hợp với lọc sóng hài ngày hồn tồn có khả điều chỉnh gần tức thời công suất phản kháng với 64 giá thành rẻ Chính vậy, biết quy luật thay đổi công suất phản kháng phụ tải gây tượng Flicker ta dễ dàng xử lý vấn đề Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Theo số tài liệu nghiên cứu hướng dẫn áp dụng tiêu chất lượng điện năng, mắt người có đặc điểm giống lọc dải thơng có tần số khoảng 0,5-35 Hz mức độ cảm nhận thông lượng ánh sáng lớn tần số dao động từ tới Hz [3] Đối với nguồn sáng cung cấp từ đèn sợi đốt, dải tần số trên, mắt người phát nhấp nháy ánh sáng điện áp dao động khoảng 0,3% giá trị điện áp trung bình Vì vậy, để hạn chế tượng nhấp nháy điện áp, thiết bị hạn chế dao động điện áp phải có thời gian tác động cực nhanh, khoảng thời gian < chu kỳ điện (khoảng 60 ms hệ thống điện có tần số 50 Hz) Thiết bị dùng phổ biến để hạn chế tượng dao động điện áp thiết bị bù thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh tốc độ cao (Static Var Compensator – SVC) có cấu hình FC-TCR thường không đáp ứng yêu cầu đề tụ điện thiết kế cố định Tuy nhiên lượng sóng hài phát vào hệ thống lớn q trình điều chỉnh trơn cơng suất cuộn kháng Ngồi ra, thiết bị cần có lọc sóng hài nhằm đảm bảo tiêu chí chất lượng điện hiệu việc hạn chế nhấp nháy điện áp Trên phân tích ưu nhược điểm nhóm thiết bị đây, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu thiết kế xây dựng thiết bị bù SVC cải tiến, tích hợp với khả lọc sóng hài bậc Số 25 lọc thụ động để hạn chế dao động điện áp với thời gian phản ứng PL rated and Uh > U > UL Đúng Tính tốn lượng cơng suất bù cần thiết Qbù Sai Qbù > Qmax Đúng Qbù = Qmax (trường hợp Qbù lớn Qmax lấy giá trị Qmax) Phát xung điểu khiển thyristo để thay đổi cơng suất thiết bị Kết thúc Hình Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị SVC cải tiến hạn chế tượng Flicker Số 25 69 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2.3 Kết đo đạc Để đánh giá khả hoạt động thiết bị hạn chế flicker theo điều kiện thực tế, nhóm tác giả tiến hành lắp đặt thử nghiệm thiết bị cho máy hàn hồ quang hồ quang pha xưởng thực hành Trường Đại học Điện lực Thời gian thử nghiệm đặt thiết bị từ ngày 15/4/2019 tới ngày 22/4/2019 Công suất lớn máy hàn hồ quang pha 47kW, Việt Nam sản xuất, hệ số công suất khoảng 0,6 Trong q trình thử a) nghiệm, nhóm tác giả đặt công suất máy hàn 24 kW Việc đo đạc thử nghiệm tiến hành 02 trường hợp: Trường hợp 1: Không đặt thiết bị thiết bị hạn chế flicker; Trường hợp 2: Đặt thiết bị thiết bị hạn chế flicker * Giá trị nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst): * Giá trị Pst: b) Hình Kết đo giá trị Pst máy hàn hồ quang pha trước (a) sau (b) đặt thiết bị hạn chế flicker Kết cho thấy chưa đặt thiết bị hạn chế flicker độ nhấp nháy ngắn hạn Pst lên tới 3,7 (vượt mức cho phép khoảng 370%) dao động mạnh Tuy nhiên, sau lắp đặt thiết bị hạn chế flicker a) giá trị Pst cịn khoảng 0,52, giá trị nhỏ yêu cầu Thông tư 39BCT [6] cho lưới điện phân phối (nhỏ 1) * Giá trị nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt): b) Hình 10 Kết đo giá trị Plt máy hàn hồ quang pha trước (a) sau (b) đặt thiết bị hạn chế flicker 70 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trước lắp đặt thiết bị hạn chế flicker giá trị Plt lên tới 1,8, vượt mức cho phép 225% Sau lắp đặt thiết bị hạn chế flicker, giá trị Plt thấp, khoảng 0,51 Qua phần đo đạc, khảo sát đánh giá hiệu thiết bị hạn chế flicker nhóm tác giả thiết kế, giá trị điện áp nhấp nháy ngắn hạn (Pst) nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) nằm ngưỡng cho phép theo thông tư 39/2015-BCT Bên cạnh đó, sau đặt thiết bị SVC cải tiến, sóng hài bậc giảm đáng kể Sóng hài bậc giảm từ mức 10 A xuống 2,3 A (khoảng 70%) cịn sóng hài bậc giảm từ mức 20 A xuống khoảng 5,3 A (khoảng 70%) (hình 11) Đồng thời hệ số cơng suất φ cải thiện đáng kể sau lắp đặt thiết bị hạn chế nhấp nháy điện áp, từ 0,3-0,6 lên tới 0,8-0,95 (hình 12) Hình 11 Phổ sóng hài sau đặt thiết bị hạn chế nhấp nháy điện áp Hình 12 Hệ số cơng suất sau đặt thiết bị hạn chế nhấp nháy điện áp Số 25 71 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) KẾT LUẬN Bài báo phân tích nguyên nhân gây tượng nhấp nháy điện áp hệ thống điện nói chung cho máy hàn hồ quang pha nói riêng Các tiêu chuẩn đánh giá tượng nhấp nháy điện áp nhóm tác giả giới thiệu Trong báo, chúng tơi phân tích hậu tượng nhấp nháy điện áp đến sức khỏe người, đến hiệu làm việc thiết bị điện đến chất lượng điện Các kết xử lý tượng nhấp nháy điện áp máy hàn hồ quang pha cho thấy thiết bị mà nhóm tác giả nghiên cứu chế tạo mang lại hiệu tốt chất lượng điện năng, tiết kiệm điện giá thành Thông qua kết nghiên cứu này, nhóm tác giả tiếp tục hướng tới việc thử nghiệm hạn chế tượng flicker phụ tải lớn nhằm đưa giải pháp toàn diện giải vấn đề nhấp nháy điện áp hệ thống điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Sổ tay tra cứu chất lượng điện năng, Hội điện lực Việt Nam, 2014 [2] Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù công suất phản kháng lưới điện hạ áp dựa nguyên lý lai”, 2014 [3] Hoàng Đăng Khoa, Đinh Ngọc Quang, Bùi Anh Tuấn, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị hạn chế tượng nhấp nháy ánh sáng dao động điện áp gây sở công nghiệp sử dụng động điện pha Việt Nam”, 2017 [4] Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “ Nghiên cứu khảo sát tượng nhấp nháy điện áp số phụ tải điển hình biện pháp khắc phục”, 2015 [5] Bùi Anh Tuấn, Lê Thị Vân Anh, Đinh Ngọc Quang, Hoàng Đăng Khoa, “Phân tích, khảo sát đánh giá tượng nhấp nháy điện áp số phụ tải lựa chọn Việt Nam ” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ lượng - Trường Đại học Điện lực, số 11/2016 [6] Nguyễn Tiến Dũng, Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “ Nghiên cứu, chế tạo thiết bị hạn chế nhấp nháy điện áp (Flicker) cho máy hàn hồ quang pha ”, 2019 [7] Thông tư số: 39/2015/TT-BCT [8] Snehal B Bhaladhare, P-V, Q-V Curve – A Novel Approach for Voltage Stability Analysis, National Conference on Innovative Paradigms in Engineering & Technology (NCIPET-2013) [9] Abdullah M.Shaalan1, Mohammed Abdulqader Surrati, Effect of SVC on Composite Power System Reliability Level, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol.1 Issue 6, December 2012 [10] George J Wakileh, Power Systems Harmonics- Fundamentals, Analysis And Filters Design, Nhà xuất Springer – 2001 72 Số 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Hoàng Đăng Khoa nhận Thạc sĩ Đại học Inha University, Hàn Quốc vào năm 2010 Tác giả nghiên cứu sinh ngành điện tử, Viện Điện tử, Tin học - Tự động Hóa, Bộ Cơng Thương Lĩnh vực nghiên cứu: bù công suất phản kháng chất lượng điện Tác giả Nguyễn Tiến Dũng tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhận Thạc sĩ ngành điều khiển tự động hóa Học viện Kỹ thuật quân năm 2014 Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển hệ thống bù để nâng cao chất lượng điện năng, tự động hóa nhà máy, khu cơng nghiệp Tác giả Bùi Anh Tuấn tốt nghiệp đại học chuyên ngành hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001, nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Đại học Claude Bernard – Lyon1, Cộng hòa Pháp năm 2011 Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu điện từ, bù công suất phản kháng, chất lượng điện lượng Tác giả Phạm Trung Dũng tốt nghiệp đại học Học viện Kỹ thuật quân năm 1986, nhận Thạc sĩ Trường quốc gia Hàng không vũ trụ Pháp năm 1999, Tiến sĩ Trường Đại học hàng không quốc gia Matxcova 2004, cơng nhận học hàm Phó giáo sư năm 2012 Lĩnh vực nghiên cứu: lý thuyết điều khiển tự động đại, AI điều khiển, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu Số 25 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 74 Số 25 ... quang pha HẠN CHẾ HIỆN TƯỢNG NHẤP NHÁY ĐIỆN ÁP BẰNG GIẢI PHÁP BÙ NHANH CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2.1 Đề xuất giải pháp Việc trì điện áp vận hành ổn định mong muốn nhà vận hành hệ thống điện từ lâu... (đường cong Q-V) để nâng cao chất lượng điện áp nâng cao hệ số công suất cosφ [5] Đường cong Q-V mối quan hệ công suất phản kháng điện áp điểm đặt thiết bị (V2) với giá trị khác cơng suất tác dụng... tượng méo dạng điện áp, khiến cho tượng nhấp nháy điện áp thêm trầm trọng Như để xử lý cách hợp tượng nhấp nháy điện áp, cần xem xét xử lý việc điều chỉnh nhanh bù công suất phản kháng kết hợp