Nghiên cứu thiết kế bộ lọc tích cực để hạn chế sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu thiên phát

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu thiết kế lọc tích cực để hạn chế sóng hài cho lưới điện Nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát Ngô Văn Thái Ngovanthai200671@gmail.com thainv@vinhthanhltd.vn Ngành Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Bạch Quốc Khánh Viện: Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 10/2020 LỜI CẢM ƠN Qua luận văn này, tác giả xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Bạch Quốc Khánh - GVHD, thầy, cô giáo giảng viên môn Hệ Thống Điện, Viện Điện, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức hay giúp đỡ tác giả suốt trình thực luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, tập thể lớp 18BKTĐ.KH, ban lãnh đạo công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ Vinh Thành công ty đối tác tạo điều kiện thời gian, tài liệu để tác giả hồn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày… tháng… năm 2020 Học viên Ngô Văn Thái MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài 1.2 Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): 1.3 Tên đề tài: 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: 1.5 Phương pháp nghiên cứu: 1.6 Nội dung đề tài, vấn đề cần giải quyết: CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 2.1 Sóng hài 2.2 Các nguồn sinh sóng hài 2.3 2.4 2.2.1 Máy biến áp 2.2.2 Máy điện quay 2.2.3 Thiết bị hồ quang 2.2.4 Bộ biến đổi công suất tĩnh Ảnh hưởng sóng hài đến hệ thống điện 2.3.1 Ảnh hưởng sóng hài đến cách điện thiết bị điện 2.3.2 Trở kháng hệ thống 13 2.3.3 Dung kháng tụ điện 15 2.3.4 Một số ảnh hưởng cụ thể khác sóng điều hịa bậc cao 15 Các biện pháp giảm sóng hài bậc cao 19 2.4.1 Máy biến áp 19 2.4.2 Máy điện quay 19 2.4.3 Sử dụng lọc công suất 20 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG ĐẾN LƯỚI ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG LỊ HỒ QUANG 24 3.1 3.2 Lò hồ quang điện 24 3.1.1 Khái quát lò hồ quang điện 24 3.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 24 Ảnh hưởng lò hồ quang đến lưới điện 28 3.2.1 Sụt giảm điện áp khởi động lò hồ quang 28 3.2.2 Quá điện áp hồ quang 29 3.2.3 Phát sinh sóng hài 29 3.3 3.2.4 Méo dạng sóng điện áp dòng điện 29 3.2.5 Dao động điện áp flicker 29 Một số phương pháp mô mơ lị hồ quang 29 3.3.1 Phương pháp phân tích miền thời gian 30 3.3.2 Phương pháp sử dụng mạch điện tương đương khảo sát miền thời gian (DTEC) 34 3.3.3 Phương pháp phân tích miền tần số 35 3.3.4 Kết mô 36 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT CÔNG SUẤT TỨC THỜI VÀ MƠ HÌNH BỘ LỌC TÍCH CỰC PHA DÂY 41 4.1 Đặt vấn đề 41 4.2 Các phương pháp điều khiển lọc tích cực 41 4.3 4.2.1 Phương pháp dựa miền tần số 41 4.2.2 Phương pháp dựa miền thời gian 43 Mơ hình hố hệ thống lọc tích cực dựa lý thuyết cơng suất tức thời 46 CHƯƠNG MƠ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA LỊ HỒ QUANG VÀ BỘ LỌC TÍCH CỰC ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NHÀ MÁY ĐÚC GANG CẦU THIÊN PHÁT 49 5.1 Khái quát 49 5.2 Xây dựng mô hình tải lị hồ quang 49 5.3 Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink 52 5.4 5.3.1 Cấu trúc thư viện simulink 52 5.3.2 Cấu trúc thư viện Simpowersystems 56 Mô tượng chớp nháy điện áp lò hồ quang gây 59 5.5 Mơ lọc sóng hài sử dụng cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát 62 5.6 Đánh giá hiệu sử dụng lọc tích cực việc giảm thiểu sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát 64 5.6.1 Giới thiệu hợp thí nghiệm đánh giá chất lượng điện 64 5.6.2 Kết mô đánh giá tác động lọc tích cực việc giảm thiểu sóng hài 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Đồ thị thay đổi sóng hài bậc cao Hình 2.2 Đồ thị dịng điện bão hồ máy biến áp Hình 2.3 Đồ thị thành phần dịng điện từ hóa máy biến áp Hình 2.4 Ví dụ từ trường máy điện quay Hình 2.5 Ví dụ sóng hài dòng điện sinh động đồng pha Hình 2.6 Mức độ điện áp dòng điện điều hòa lò điện hồ quang Hình 2.7 Dạng sóng điện áp hồ quang điện Hình 2.8 Dạng đường cong điện áp có chu kỳ hình sin (a), dạng nhọn (b) dạng đầu (c) có điện áp tác động 10 Hình 2.9 Đồ thị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3 pha 𝜓3 11 R 32T Hình 2.10 Quan hệ trở kháng tần số hệ thống có tính cảm 14 Hình 2.11 Lọc tích cực kiểu song song 21 Hình 2.12 Lọc tích cực kiểu nối tiếp 22 Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện lị hồ quang 27 Hình 3.2 Sụt giảm điện áp khởi động lò hồ quang 29 Hình 3.3 Đặc tính V-I model 31 Hình 3.4 Đặc tính V-I Model 32 Hình 3.5 Đặc tính V-I model 33 Hình 3.6 Sơ đồ mạch điện tương đương model 34 Hình 3.7 Sơ đồ mạch điện thay model 35 Hình 3.8 Sơ đồ mạch điện thay thể tần số 36 Hình 3.9 Sơ đồ mạch thay nguồn sóng hài điện áp 36 Hình 3.10 Sơ đồ hệ thống cấp điện cho lị hồ quang 37 Hình 3.11 Kết mô model đề xuất 38 Hình 4.1 Phương pháp tính tốn FFT 42 Hình 4.2 Nguyên lý hoạt động mạch lọc tích cực song song pha 43 Hình 4.3 Các khối thuật tốn điều khiển lọc tích cực kiểu song song 45 Hình 4.4 Sơ đồ lọc tích cực mắc song song pha dây 46 Hình 4.5 Sơ đồ khối lưới điện thử nghiệm 47 Hình 5.1 Thư viện khối nguồn 53 Hình 5.2 Thư viện khối Sink 54 Hình 5.3 Thư viện khối Signal Routing 55 Hình 5.4 Thư viện khối phép toán 56 Hình 5.5 Thư viện khối nguồn điện 58 Hình 5.6 Sơ đồ mạch điện tương đương lị hồ quang ba pha 59 Hình 5.7 Mơ hình điện dẫn pha A lị hồ quang ba pha 60 Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 61 Hình 5.9 Sơ đồ mơ hệ thống 61 Hình 5.10 Hợp thí nghiệm chất lượng điện C.A 8336 65 Hình 5.11 Cấu tạo C.A 8336 66 Hình 5.12 Mơ Simulink lưới điện mẫu giải pháp sử dụng lọc tích cực 66 Hình 5.13 Điện áp hiệu dụng PCC 67 Hình 5.14 Điện dẫn, điện áp, dòng điện EAF điện áp pha A PCC 67 Hình 5.15 Đặc tính điện áp - dòng điện hồ quang điện pha A 67 Hình 5.16 Biên dạng sóng dịng điện cấp điện áp 0,4kV 68 Hình 5.17 Biên dạng sóng điện áp cấp điện áp 0,4kV 68 Hình 5.18 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 110kV 68 Hình 5.19 Biên dạng sóng điện áp hệ thống 110kV 69 Hình 5.20 Biên dạng sóng dịng điện pha A cấp điện áp 22kV 69 Hình 5.21 Biên dạng sóng điện áp pha B pha C cấp điện áp 22kV 70 Hình 5.22 Sóng hài dịng điện cấp điện áp 0,4kV 70 Hình 5.23 Sóng hài điện áp cấp điện áp 0,4kV 71 Hình 5.24 Sóng hài dòng điện cấp điện áp 110kV 71 Hình 5.25 Sóng hài điện áp cấp điện áp 110kV 71 Hình 5.26 Kết đo thực tế biên dạng sóng nhà máy 72 Hình 5.27 Kết đo thực tế phổ sóng hài dịng điện chưa lắp lọc 73 Hình 5.28 Mơ hình lưới điện nhà máy có lọc sóng hài tích cực 73 Hình 5.29 Điện áp hiệu dụng PCC sau lắp lọc sóng hài 74 Hình 5.30 Đặc tính v-i pha A EAF sau lắp lọc 74 Hình 5.31 Điện dẫn, điện áp, dòng điện EAF điện áp pha A PCC sau lắp lọc 74 Hình 5.32 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 110kV sau lắp lọc 75 Hình 5.33 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 110kV sau lắp lọc 75 Hình 5.34 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 0,4kV sau lắp lọc 75 Hình 5.35 Biên dạng sóng điện áp hệ thống 0,4kV sau lắp lọc 76 Hình 5.36 Sóng hài dịng điện cấp điện áp 110kV sau lắp lọc 76 Hình 5.37 Sóng hài điện áp cấp điện áp 110kV sau lắp lọc 77 Hình 5.38 Sóng hài dịng điện cấp điện áp 0,4kV sau lắp lọc sóng hài 77 Hình 5.39 Sóng hài dịng điện cấp điện áp 0,4kV sau lắp lọc 78 Hình 5.40 Kết đo thực tế biến dạng sóng sóng hài dịng điện sau lắp lọc 78 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Giá trị đường cong điện áp biến thiên theo biên độ 𝜂3 pha 𝜓3 sóng hài điện áp bậc 11 R Bảng 3.1 Các thông số mơ thống cung cấp điện cho lị hồ quang 37 Bảng 3.2 So sánh thành phần sóng hài Model 39 Bảng 3.3 Bảng tóm tắt phương pháp mơ 40 Bảng 5.1 Thông số hệ thống điện thử nghiệm 62 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Chú thích PCC Điểm kết nối chung THD Total Harmonic Distortion UTHD Sóng hài điện áp ITHD Sóng hài dịng điện AF Active filter VIC V-I characteristic DVIC Direct V-I characteristic TDEC Time domain equivalent circuit HVS 10 HDSNDE 11 UIE 12 CLĐN Chất lượng điện 13 NNĐA Nhấp nháy điện áp (Voltage Flicker) 14 EAF Harmonic Voltage Source Harmonic domain of nonlinear differential equation Union Internationale d’Electrothermie Electric arc furnace CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Cơ sở khoa học thực tiễn đề tài Ngày nay, phát triển xã hội tốc độ tăng trưởng kinh tế kéo theo phát triển sở hạ tầng lĩnh vực xây dựng mà tốc độ tăng trưởng ngành sản xuất gang, thép trở nên phát triển Giá điện Việt Nam thấp đồng nghĩa với việc nhiều doanh nghiệp đưa lò hồ quang điện (EAF) vào hệ thống phân phối gây nhiều vấn đề chất lượng điện dao động điện áp, sóng hài cân điện áp Chính sách pháp luật nhà nước đưa yêu cầu cung cấp điện đảm vảo cung cấp điện với chất lượng ngày nâng cao từ phía khách hàng EVN thơng qua quy định cụ thể độ tin cậy, chất lượng điện áp, tần số… thúc trình tìm kiếm giải pháp nhằm khắc phục vấn đề Dòng điện hài dòng lượng không sử dụng với thiết bị lưới, thành phần chuyển hoá sang dạng nhiệt gây tổn hao Bản chất phi tuyến tính thời gian thay đổi lò hồ quang điện (EAF) tạo nhấp nháy điện áp, sóng hài cân điện áp/ dòng điện Tại Việt Nam, nghiên cứu vấn đề chất lượng điện liên quan đến EAF thiếu dẫn đến thiếu giải pháp hiệu để giảm thiểu vấn đề chất lượng điện EAF gây thúc đẩy nghiên cứu Một điều quan trọng đưa số giải pháp nhằm khắc phục ảnh hưởng EAF đến hệ thống điện phân phối Việc sử dụng thiết bị để lọc bỏ thành phần sóng hài, quan tâm năm gần Một phương pháp lọc sóng hài sử dụng lọc tích cực để cải thiện hiệu suất EAF vấn đề chất lượng điện hệ thống điện để nâng cao chất lượng giảm thiểu ảnh hưởng EAF đến chất lượng điện hệ thống điện Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng mơ hình lị hồ quang điện mạch lọc tích cực sóng hài cho hệ thống điện Thiết kế lọc tích cực cho lưới điện nhà máy để giảm thiểu sóng hài nâng cao chất lượng điện 1.2 Mục đích đề tài (các kết cần đạt được): Trình bày ảnh hưởng sóng hài đến hệ thống điện Phân tích giải pháp hạn chế ảnh hưởng sóng hài giúp nâng cao CLĐN Đưa mơ hình mơ lò hồ quang điện Nghiên cứu lọc tích cực thuật tốn bù sóng hài Nghiên cứu, thiết kế lọc sóng hài nhằm hạn chế sóng hài cho lưới điện, cụ thể lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát, KCN Đại Đồng – Hoàn Sơn, Tiên Du, Bắc Ninh So sánh, đánh giá kết mô kết kiểm tra thực tế nhà máy Hình 5.32 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 110kV sau lắp lọc Hình 5.33 Biên dạng sóng dịng điện hệ thống 110kV sau lắp lọc Hình 5.34 Biên dạng sóng dòng điện hệ thống 0,4kV sau lắp lọc 75 Hình 5.35 Biên dạng sóng điện áp hệ thống 0,4kV sau lắp lọc Hình 5.36 Sóng hài dịng điện cấp điện áp 110kV sau lắp lọc 76 Hình 5.37 Sóng hài điện áp cấp điện áp 110kV sau lắp lọc Hình 5.38 Sóng hài dòng điện cấp điện áp 0,4kV sau lắp lọc sóng hài 77 Hình 5.39 Sóng hài dòng điện cấp điện áp 0,4kV sau lắp lọc Hình 5.40 Kết đo thực tế biến dạng sóng sóng hài dịng điện sau lắp lọc 78 Kết luận: Tại chương này, luận văn xây dựng mơ Matlab/Simulink EAF để phân tích tượng CLĐN sinh EAF giải pháp sử dụng lọc tích cực để hạn chế vấn đề CLĐN sinh EAF Luận văn sử dụng lưới điện mẫu lưới điện nhà máy công ty Thiên Phát trường hợp điển hình lưới điện cơng nghiệp có EAF Kết mô so sánh với kết đo thực tế để kiểm nghiệm mơ Tính chất phi tuyến bất định điện dẫn EAF nguyên nhân dẫn đến biến dạng, sóng hài dao động điện áp Kết mơ hồn tồn phù hợp với kết kiểm nghiệm đo đạc thực tế Mô công cụ tham khảo tốt để thiết kế giải pháp nâng cao CLĐN lưới điện có lị hồ quang điện 79 KẾT LUẬN CHUNG Đất nước ta ngày phát triển theo đường cơng nghiệp hóa, đại hóa Để làm tốt việc ngành lượng nói chung ngành điện nói riêng cần phải ưu tiên phát triển mạnh mẽ Cùng với việc xây dựng thêm nhiều nhà máy điện, nhiều đường dây trạm biến áp để tăng cơng suất hệ thống điện vấn đề cần quan tâm nâng cao chất lượng điện cung cấp Luận văn nêu số tượng chất lượng điện ngành điện nói riêng ngành cơng nghiệp nói chung quan tâm đặc biệt tượng dao động điện áp hay nhấp nháy điện áp Một loại hình phụ tải sử dụng rộng rãi phổ biến ngành cơng nghiệp lượng có ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện lò hồ quang Để nghiên cứu ảnh hưởng đến lưới điện luận văn nêu số phương pháp mơ lị hồ quang đưa phương pháp để mô ảnh hưởng lò hồ quang ba pha đến lưới điện, đặc biệt tượng sóng hài Mơ phương pháp ứng dụng rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành hệ thống đưa lại hiệu tốt việc nghiên cứu khoa học thực tiễn sản xuất trở thành công cụ mạnh với trợ giúp máy tính Các cơng ty điện lực hay đơn vị thiết kế sử dụng phương pháp mô để áp dụng vào thực tế việc thiết kế dự báo phụ tải điện có lị hồ quang hoạt động Luận văn mô thành cơng tượng sóng hài lị hồ quang ba pha gây cho lưới điện công cụ Matlab/Simulink mơ lọc tích cực nhằm khắc phục tượng Để đề tài phát triển trở thành công cụ hiệu việc tính tốn thiết kế thiết bị để khắc phục tượng nhấp nháy điện ápsóng hài số tiêu khác liên quan tới chất lượng điện, thời gian tới tác giả tiếp tục nghiên cứu mô tượng liên quan tới vấn đề chất lượng điện 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Angelo Baggini, Handbook of Power Quality, John Wiley & Sons Ltd, 2008 [2] Bach Quoc Khanh, Modelling Power Quality Phenomena in Distribution System Connected with Electric Arc-furnace Using Matlab/Simulink, RCEEE2016 proceedings, 17-18 Nov 2016 [3] Bach Quoc Khanh, “Matlab/simulink of Power Quality Issues in Industrial Distribution System with the Presence of Electric Arc-Furnace”, Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ - Đại Học Công Nghiệp Hà Nội số 41, 2017, 15-17 [4] T Zheng, E.B Makram, A.A Girgis, Effect of different arc furnace models on voltage distortion, Proceedings 8th International Conference On Harmonics and Quality of Power Proceedings, 1998 [5] King-Jet Tseng- Yaoming Wang-D Mahinda Vilathgamuwa, An Exprimentally Verified Hybrid Cassie-Mayr Electric Arc Model for Power Electronics Simulations, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol No 3, May 1997 [6] H.Mokhtari, Assistant professor, M Hejri, Graduate Student, A New Three Phase Time-Domain Model for Electric Arc Furnaces Using MATLAB, Transmission and Quality of Power proceeding, 1998, Vol.2, pages 10791085 [7] A Tavakkoli, Mehdi Ehsan, M T Batahiee, Mousa Marzband, A SIMULINK study of electric arc furnace power quality improvement by using STATCOM, Procedings, IEEE International Conference on Industrial Technology, 2008 ICIT 2008 [8] Active Harmonic Filtering of a Distributed AC System- Muhammad Shahbaz [9] Niklesh Das1, Prof Sandeep Mude, Power Quality Improvement of Three Phase System using Shunt Active Power Filter, International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, Vol 5, Issue 3, March 2017, ISSN (Online) 2321 – 2004 ISSN (Print) 2321 – 5526 [10] H Akagi, E H Watanabe, M Aredes, Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, IEEE Press, 2007 [11] Instantaneous p-q Power Theory for Control of Compensators in Micro Grids, E H Watanabe , Senior Member, IEEE, J L Afonso, Member, IEEE 1COPPE/ UFRJ – Electrical Eng Department, 21941-972, Rio de Janeiro, Brazil [12] Leszek S Czarnecki, “Instantaneous Reactive power p-q theory and Power properties of 3-phase system”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 21, No 1, pp.362-367, Jan 2006 81 [13] J Afonso, C Couto and J Martins, “Active Filters with control based on pq theory,” IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, Vol 47, No 3, pp 5-10, September 2000 [14] Jiang Zheng Rong, From Passive to Active Harmonic and Reactive Power Control (in Chinese), China Machine Press, 2014 [15] Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng, “Phân tích, mơ lọc tích cực dạng lai nhằm nâng cao chất lượng điện lưới điện phân phối”, Tạp chí Khoa Học Công Nghệ Năng Lượng - Trường Đại Học Điện Lực số 13, Tháng 11 - 2017, 35-41 [16] Test Report 82 Journal of Science and Technology PHỤ LỤC Về mô Matlab/Simulink chất lượng điện lưới phân phối điện có lị hồ quang điện giải pháp sử dụng lọc tích cực On a Matlab/Simulink of power quality issues in distribution system with the presence of electric arc furnaces and mitigation solution using active filter Ngô Văn Thái 1,2, Bạch Quốc Khánh1,* Hanoi University of Science and Technology, No 1, Dai Co Viet, Hai Ba Trung, Hanoi, Viet Nam Công ty TNHH Dịch vụ Thương Mại Vinh Thành, 46/64, Thạch Bàn, Long Biên, Hà Nội Abstract The randomly non-linearity of the conductance of the electric arc furnace (EAF) produces voltage flicker and harmonics in power systems Nowadays, the application of EAF in steel production industry in Vietnam also results in the said poor power quality (PQ) and it’s been critical to find approperiate solutions for its mitigation recently This paper develops a time-domain simulation of EAF that generates PQ issues such as voltage flicker and harmonics in distribution system and the solution using active filter (AF) for PQ mitigation in MATLAB/ SIMULINK and thus, it is possible to assess the influence of different parameters of EAF (i.e harmonic and voltage flicker generating loads) on the AF sizing and calibration The simulation results are also comparatively assessed with power quality data measured from the distribution system of the factory of Thien Phat Company Keywords: Electric Arc Furnace, harmonics, power quality, active filter, distribution system Tóm tắt Sự phi tuyến bất định đặc tính điện dẫn lị hồ quang điện (EAF) gây vấn đề chất lượng điện cho lưới điện nhấp nháy điện áp sóng hài Hiện nay, phát triển ứng dụng lò hồ quang công nghiệp sản xuất thép Việt Nam gây nhiều vấn đề chất lượng điện (CLĐN) nêu yêu cầu tìm giải pháp khắc phục vấn đề CLĐN trở nên cấp thiết Việt Nam thời gian qua Bài báo nghiên cứu xây dựng mô miền thời gian vấn đề chất lượng điện sử dụng lò hồ quang điện giải pháp khắc phục vấn đề chất lượng điện sử dụng lọc tích cực (AF) Matlab/Simulink để từ cho phép đánh giá ảnh hưởng tham số lò hồ quang điện (phụ tải gây sóng hài dao động điện áp) đến việc lựa chọn lọc tích cực Kết mô kiểm chứng so với kết đo thực tế lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát Từ khóa: Lị hồ quang điện, Sóng hài, Chất lượng điện, Bộ lọc tích cực, Lưới phân phối Giới thiệu * Lò hồ quang điện – Electric Arc Furnace (EAF) dùng phổ biến lĩnh vực sản xuất thép, ngành kinh tế phát triển Việt Nam nhiều năm qua Bản chất phi tuyến bất định điện dẫn EAF nguyên nhân sinh nhiều vấn đề chất lượng điện (CLĐN) dao động điện áp sóng hài [1] Cơng suất phụ tải thường lại lớn làm xấu CLĐN lưới điện gây nhiều tranh chấp hộ dùng điện với đơn vị quản lý vận hành lưới điện, đặc biệt lưới phân phối Trong thời gian qua, Việt Nam có số nghiên cứu mơ vấn * Corresponding author: Tel.: (+84) 904.698.900 Email: khanh.bachquoc@hust.edu.vn KHCN.QT2.BM3 đề CLĐN giải pháp [2], việc hiểu rõ chất, chế phát sinh vấn đề CLĐN EAF, phân tích yếu tố ảnh hưởng đặc biệt giải pháp khắc phục vấn đề CLĐN sinh EAF thiếu Bài báo cố gắng mô vận hành EAF nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát nối với lưới phân phối, vấn đề CLĐN sinh giải pháp sử dụng lọc tích cực để cải thiện CLĐN Kết mơ so sánh đánh giá với kết đo thực tế Mô cho phép đánh giá cách hiệu yếu tố ảnh hưởng đến CLĐN giải pháp sử dụng thiết bị lọc tích cực Bài báo gồm phần sau: phần mơ lị hồ quang điện, phần - xây dựng mơ lọc tích cực, phần – mơ lưới điện nhà máy Thiên Phát có sử dụng EAF giải pháp cải thiện CLĐN [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology Mơ lị hồ quang điện 2.1 Phương trình mơ tả đặc tính làm việc lị hồ quang điện Nghiên cứu vấn đề CLĐN EAF sinh dựa mô điện dẫn EAF Các mơ hình điện dẫn EAF giai đoạn nguy hiểm bất định (giai đoạn nấu chảy phôi thép) miền thời gian miền tần số phân tích [3] Trong nghiên cứu này, điện dẫn EAF mô dựa kết hợp mơ hình Cassie Mayr để mô tả điện dẫn EAF hai chế độ dòng điện cao thấp [4] miền thời gian Phương trình độ dẫn hồ quang G EAF sau riêng Phụ tải nhà máy đẳng trị tải thụ động cấp điện qua máy biến áp phân phối Hình Hình Sơ đồ sợi lưới điện mẫu Bảng Thông số hệ thống điện thử nghiệm Phần tử Nguồn (1) Trong đó: i, v: Dịng điện điện áp EAF, G : Điện dẫn ban đầu hai điện cực khơng có hồ quang đổi Trạm biến áp 110kV E : Điện áp hồ quang trạng thái ổn định khơng Lị hồ quang Lị hồ quang kết hợp máy biến áp: Cơng suất: S n =1500kVA; Tần số: 50Hz Thông số cuộn dây máy biến áp: Cao áp: R HV =0,002pu; L HV = 0,04pu Hạ áp: R LV =0,002pu; L LV =0,04pu Cáp từ máy biến đến lò hồ quang: R A = R B = R C = 0,0004Ω L A =L B =L C =1.6x10-5H Các thơng số lị hồ quang: =100.10-6; =110.10-6; P o =100; I o =10; E o =200; G =0,008; =0,05 [3] Đường dây 110kV R L =0.1Ω; L=1.10-3(H) P : Hằng số tổn hao lượng I : Dòng điện dịch chuyển θ: Hằng số thời gian lượng hồ quang với tham số cho trước Khi hồ quang cháy tắt, i nhỏ , i lớn [3] Mơ hình cho phép nghiên cứu ảnh hưởng thông số EAF đến CLĐN vận hành lưới thiết kế giải pháp cải thiện CLĐN như: - Điều chỉnh thành phần thụ động hạn chế tác động EAF trở kháng nguồn; Thông số Điện áp: 110kV; Tần số: 50Hz Công suất: 500MVA Tỷ số X/R: Tỷ số điện áp: 110kV/22kV Công suất: 40MVA; Tần số: 50Hz Thơng số cuộn dây máy biến áp: Phía cao áp: R HV =0,002pu; L HV =0,04pu Phía hạ áp: R LV =0,002pu; L LV =0,004pu 2.3 Mơ hình mơ lò hồ quang điện - Sử dụng thiết bị bù thông qua thyristor, thành phần thụ động, thiết bị FACTS; - Thiết kế lọc sóng hài để giảm thiểu tác động sóng hài lên hệ thống điện… 2.2 Lưới điện mẫu mô hình mơ Lưới điện mẫu sử dụng mô lưới điện nhà máy đúc gang cầu cơng ty Thiên Phát, điển hình cho phụ tải EAF lưới phân phối Việt Nam với thông số lưới, phụ tải EAF dựa thực tế cho Bảng Nhà máy cấp điện qua trạm biến áp trung gian 110/22kV EAF cấp máy biến áp 22/0,4kV KHCN.QT2.BM3 [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology Hình Mơ hình điện dẫn pha A EAF Trong Simulink, EAF ba pha mô ba hệ thống tương ứng Hình mơ hệ thống pha EAF với liệu đầu vào đưa Bảng Hình mơ phương trình độ dẫn ba pha EAF (1) Hình Mơ phương trình điện dẫn pha A EAF Sơ đồ sợi lưới điện mẫu (Hình 1) mơ Matlab/Simulink Hình Chạy mơ thời gian 0,4 giây, ta thu biến dạng sóng dịng điện sóng hài dịng điện hệ thống cấp điện áp 110kV 0,4kV thể Hình 5, 6, Hình vẽ đặc tính v-i EAF điện áp PCC cho pha A Tại đầu cực EAF (Hình 5), dao động điện áp sóng hài lớn Tại điểm nối với hệ thống (Hình 6), dao động điện áp sóng hài tổng trở cao máy biến áp cấp cho EAF máy biến áp trung gian, nhiên THD sóng hài dịng điện lưới tương đối lớn (khoảng 17,08%) Trong lưới điện thực tế nhà máy sử dụng đo CLĐN Chauvin Arnoux CA8336 để đo biên độ sóng sóng hài dịng điện nhà máy 0,4kV ta thu hình ảnh Hình THD pha 22,1%; 22,68% 22,4% [5] So sánh kết mô kết đo thực tế tương đối phù hợp Hình Mơ Simulink lưới điện mẫu giải pháp sử dụng lọc tích cực Hình Biến dạng sóng sóng hài dòng điện KHCN.QT2.BM3 [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology phía 0,4kV Hình Đặc tính v-i pha A EAF Hình Biên dạng sóng sóng hài dịng điện phía 110kV Hình Kết đo thực tế Biên dạng sóng sóng hài dịng điện chưa lắp lọc Xây dựng mơ hình lọc tích cực Bộ lọc tích cực – Active filter (AF) thiết bị sử dụng inverter để khử đồng thời nhiều bậc sóng hài bù đắp biến dạng sóng [6] Các AF kết nối song song với nguồn phát sinh sóng hài (Hình 10) để ngăn chặn việc bơm sóng hài lên lưới Hình Điện dẫn, điện áp, dòng điện EAF điện áp pha A PCC Hình 10 Mơ hình cấu trúc hệ thống KHCN.QT2.BM3 [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology Thuật toán điều khiển AF để đảm bảo lọc sóng hài bù đắp biến dạng sóng diễn giải theo sơ đồ khối Hình 11 [7] (3) (4) Trong đó: : cơng suất biểu kiến lọc w, f: Tốc độ góc tần số lưới điện : Độ biến thiên điện áp DC (=5%U DC ) , : Điện áp nghịch lưu điện áp pha PCC Hình 11 Các khối thuật tốn điều khiển lọc tích cực kiểu song song Thuật tốn điều khiển AF dựa lý thuyết công suất tức thời với biến đổi Park sang hệ tọa độ quay p-q [8, 9] để bù sóng hài xây dựng dựa lý thuyết đơn giản, dễ dàng thực hiệu cao Hình 11 trình bày sơ đồ khối điều Hình 12 sơ đồ khối kết nối AF vào lưới điện : Biên độ tần số xung tam giác THD I , : Tổng sóng hài dịng điện dịng điện cực đại PCC Từ thông số đo đếm nhà máy đúc gàn cầu Thiên phát ta tính dung lượng tụ điện AF có giá trị 16,8mF theo cơng thức (4) Bộ lọc thơng thấp có bậc lọc: Giới hạn băng thơng: 20× rad/s Mơ Matlab/Simulink lưới điện mẫu có AF Hình Chạy mơ đo lại biến dạng sóng, sóng hài dòng điện điện áp, điện dẫn, điện áp dòng điện EAF kết thể Hình 14-17 Hình 12 Sơ đồ khối lưới điện mẫu Mô Matlab/Simulink lưới điện mẫu với lọc tích cực Thơng số lưới mẫu thiết lập Bảng Từ kết đo đếm thực tế 0,4kV nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát ta có dịng điện lớn đầu cực máy biến áp EAF 1539A THD I lớn 22,67% [5] tính tốn thơng số AF Từ điện áp điểm kết nối AF ta tính chọn nguồn điện chiều cho nghịch lưu [10] 645(V) (2) Chọn U DC = 660V Điện cảm điện dung AF tính theo cơng thức [10]: KHCN.QT2.BM3 Hình 14 Biên dạng sóng sóng hài dịng điện phía 110kV sau lắp lọc [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology Kết cho thấy hiệu sử dụng AF để giảm thiểu sóng hài THD đầu cực EAF giảm 6,67% Theo kết đo thực tế THD I pha cải thiện 8,7%; 9,6%; 8,7% [5] thỏa mãn yêu cầu chất lượng điện Kết đo thực tế phù hợp với kết mơ Hình 17 Kết đo thực tế biến dạng sóng sóng hài dịng điện sau lắp lọc Kết luận Hình 15 Biến dạng sóng sóng hài dịng điện phía 0,4kV sau lắp lọc Bài báo xây dựng mô Matlab/Simulink EAF để phân tích tượng CLĐN sinh EAF giải pháp sử dụng lọc tích cực để hạn chế vấn đề CLĐN sinh EAF Bài báo sử dụng lưới điện mẫu lưới điện nhà máy công ty Thiên Phát một trường hợp điển hình lưới điện cơng nghiệp có EAF Kết mơ so sánh với kết đo thực tế để kiểm nghiệm mơ Tính chất phi tuyến bất định điện dẫn EAF nguyên nhân dẫn đến biến dạng, sóng hài dao động điện áp Kết mơ hồn tồn phù hợp với kết kiểm nghiệm đo đạc thực tế Mô công cụ tham khảo tốt để thiết kế giải pháp nâng cao CLĐN lưới điện có lị hồ quang điện Tài liệu tham khảo Hình 16 Điện dẫn, điện áp, dòng điện EAF điện áp pha A PCC sau lắp lọc KHCN.QT2.BM3 [1] Angelo Baggini, Handbook of Power Quality, John Wiley & Sons Ltd, (2008) [2] Bạch Quốc Khánh, Matlab/simulink of Power Quality Issues in Industrial Distribution System with the Presence of Electric Arc-Furnace, Tạp chí Khoa Học Cơng Nghệ - Đại Học Cơng Nghiệp Hà Nội, 41 (2017) 15-17 [3] T Zheng, E.B Makram, A.A Girgis, Effect of different arc furnace models on voltage distortion, IEEE 8th International Conference On Harmonics and Quality of Power, Athens, Greece (1998) [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 Journal of Science and Technology [4] King-Jet Tseng, Yaoming Wang and D Mahinda Vilathgamuwa, An Exprimentally Verified Hybrid Cassie-Mayr Electric Arc Model for Power Electronics Simulations, IEEE Transactions on Power Electronics, 12.3 (1997) 429-436 [5] Biên thí nghiệm giám sát CLĐN nhà máy sản xuất gang cầu Công ty Thiên Phát (2019) [6] Niklesh Das1, Prof Sandeep Mude, Power Quality Improvement of Three Phase System using Shunt Active Power Filter, International Journal of Innovative Research in Electrical, Electronics, Instrumentation and Control Engineering, 5.3 (2017) (Online) 2321 – 2004, (Print) 2321 – 5526 KHCN.QT2.BM3 [7] H Akagi, E H Watanabe, M Aredes, Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning, IEEE Press (2007) [8] Leszek S Czarnecki, “Instantaneous Reactive power p-q theory and Power properties of 3-phase system”, IEEE Transactions on Power Delivery, 21.1 (2006) 362-367 [9] J Afonso, C Couto and J Martins, Active Filters with control based on p-q theory,” IEEE Industrial Electronics Society Newsletter, 47.3 (2000) 5-10 [10] Jiang Zheng Rong, From Passive to Active Harmonic and Reactive Power Control (in Chinese), China Machine Press (2014) [Type text] Ban hành lần ngày 11/8/2014 ... giá kết mô kết kiểm tra thực tế nhà máy 1.3 Tên đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế lọc tích cực để hạn chế sóng hài cho lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát? ?? 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu: ... Nghiên cứu lọc tích cực thuật tốn bù sóng hài Nghiên cứu, thiết kế lọc sóng hài nhằm hạn chế sóng hài cho lưới điện, cụ thể lưới điện nhà máy đúc gang cầu Thiên Phát, KCN Đại Đồng – Hoàn Sơn, Tiên... tập trung nghiên cứu xây dựng mơ hình lị hồ quang điện mạch lọc tích cực sóng hài cho hệ thống điện Thiết kế lọc tích cực cho lưới điện nhà máy để giảm thiểu sóng hài nâng cao chất lượng điện 1.2