Những nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN

8. Cấu trúc nội dung của luận án

1.4Những nghiên cứu ở trong và ngoài nước về CKBN

1.4.1 Những nghiên cứu trong nước

10

Như đã được bình luận và phân tích ở các nội dung trước cho thấy vai trò quan trọng của CKBN trong nhiệm vụ tiêu thụ công suất phản kháng dư thừa trên lưới điện truyền tải cao áp và siêu cao áp, tránh những tác động không mong muốn trên hệ thống do quá áp gây ra. Tại Việt Nam, trong những năm qua, các nhà nghiên cứu và các hãng chế tạo dành nhiều sự quan tâm tới CKBN, với các công trình nghiên cứu liên quan tới cuộn kháng điện. Hầu hết các nghiên cứu liên quan tới ứng dụng CKBN trên lưới truyền tải điện, như nghiên cứu tính chọn thông số công suất cho CKBN trên đường dây cao áp được đưa ra ở công trình nghiên cứu [17] của tác giả Nguyễn Văn Đại hay nghiên cứu chế độ vận hành kháng bù ngang trên đường dây 500 kV Việt Nam của tác giả Lê Thành Chung [18] ... Tại Việt Nam hiện nay có nhiều hãng chế tạo MBA, cấu trúc của CKBN có nhiều phần tương quan nhất định với MBA, do đó có thể dùng chung một số máy móc thiết bị trong dây chuyền sản xuất. Các nghiên cứu về quan hệ điện từ trong CKBN là cơ sở để các hãng chế tạo máy điện tại Việt Nam từng bước làm chủ công nghệ tiến tới sản xuất CKBN dùng cho lưới truyền tải điện cao áp và siêu cao áp.

1.4.2 Những nghiên cứu ngoài nước

Việc nghiên cứu về cuộn kháng điện dùng trong hệ thống truyền tải điện cao áp và siêu cao áp đã được thực hiện từ rất sớm trên thế giới, nhiều công trình công bố về các hướng nghiên cứu liên quan đến CKBN. Có thể chia ra thành các nhóm công trình nghiên cứu về cấu trúc mạch từ với khe hở trên trụ; nghiên cứu về tổn hao; nghiên cứu về tính toán, mô hình mạch từ và mô hình mô phỏng bằng phương pháp PTHH, có thể tổng hợp thành các nhóm như sau:

1.4.2.1 Nhóm nghiên cứu về cấu trúc mạch từ với khe hở trên trụ

Một số công trình của các nhóm tác giả cho thấy vai trò của khe hở trên trụ của cuộn kháng. Công trình của nhóm tác giả Radoslaw Jez và cộng sự [19] đã trình bày vai trò của khe hở thêm vào trên mạch từ và thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng phương pháp PTHH qua công cụ COMSOL Multiphysics với lõi thép có tiết diện chữ nhật để đánh giá ảnh hưởng của kích thước khe hở trên

mạch từ tới giá trị từ thông như mô tả trên Hình 1.7. Tiếp nối nghiên cứu này ở một công trình sau đó, tác giả Radoslaw Jez thực hiện hai mô hình thực nghiệm cuộn kháng trong các ứng dụng mắc nối tiếp trên đường dây, để xác định dòng điện bão hòa với các trường hợp để 1 khe hở hoặc chia thành 3 khe hở nhỏ trên trụ [20]. Hay

11

download by : skknchat@gmail.com

trong nghiên cứu [19]

trong các công trình [21]–[26] đều cho thấy khi thêm khe hở trên trụ sẽ giúp tăng từ trở, tránh bão hòa mạch từ, tăng năng lượng tích trữ khu vực khe hở, giảm kích thước mạch từ.

Công trình của nhóm tác giả M. Kuwata và cộng sự [25] đã đề xuất kiểu ghép xếp lớp các

(a) (b)

Hình 1.8 Mặt cắt ngang trụ: (a) kiểu đúc kết dính thành khối, (b) kiểu ghép dùng bu lông kẹp giữ [25]

thép trụ được đúc kết dính thành khối đa giác áp dụng cho CKBN có công suất nhỏ, kiểu ghép này được so sánh với kiểu truyền thống có bu lông xuyên qua các lá thép tạo thành khối thép (Hình 1.8), do không dùng bu lông xuyên trụ nên giảm được đường kính trụ. Kết quả thử nghiệm cho thấy giảm độ ồn so với kiểu truyền thống. So sánh với phương pháp ghép truyền thống thì phương pháp ghép này giảm được kích thước và khối lượng máy do giảm

đường kính trụ, từ cảm trên trụ, tuy nhiên chưa đưa ra và phân tích phân bố từ cảm trên trụ.

Công trình của nhóm tác giả S. Nogawa, M. Kuwata và cộng sự [27] đã đề xuất ra phương án tạo vết cắt trên trụ của mạch từ để giảm tổn hao do dòng xoáy. C ông trìn h của tác giả Mar tin Chr istt

Hình 1.10 Cấu trúc CKBN một pha: (a) một trụ, (b) hai trụ [28]

offel [28] đã trình bày tổng quan vai trò, ứng dụng và cấu tạo của CKBN trong lưới điện cao áp. Kiểu cấu trúc một pha một trụ với mạch từ kiểu bọc được mô tả trên Hình 1.10a cấu trúc một pha hai trụ như mô tả trên 1.10b. cấu trúc mạch từ này đều có thêm các khe hở (a) (b)

trên trụ. Tuy nhiên, tác giả không đưa ra

số lượng khe hở trên đó. Tiếp theo, tác giả đã khá i quá t các phé p thử ngh iệm trê n CKBN và so sánh những khó khăn so với thử nghiệm MBA. Các công trình trên đều đề cập đến cấu trúc mạch từ có khe hở trên trụ, tuy nhiên không chỉ ra phương

12

download by : skknchat@gmail.com

pháp xác định số lượng khe hở cần thêm trên trụ. Nhóm tác giả Jitendrakumar P. Vora và cộng sự với công trình [29] đề xuất ra cấu trúc CKBN được ghép từ các mô đul bao gồm

(a) (b)

Hình 1.11 (a) Modul lõi thép và dây quấn, (b) Sơ đồ đấu dây [29]

lõi thép mỏng và bánh dây như mô tả trên Hình 1.11

và thực hiện thử nghiệm đo phân bố điện áp trên các bánh dây, cho thấy phân bố điện áp đồng đều trên kiểu dây quấn thực nghiệm. Công trình của nhóm tác giả Yue Hao và cộng sự [30] thực hiện mô hình mô phỏng cuộn kháng một pha dùng trong lưới điện 1000 kV. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đưa ra sơ đồ mạch điện thay thế với phần tử điện cảm phi tuyến đặc trưng cho tính phi tuyến của vật liệu sắt từ

và kể đến thành phần tổn hao như mô tả trên

Hình 1.12a. Từ sơ đồ mạch điện thay thế bằng công cụ PSCAD/EMTDC nhóm tác giả đưa ra đặc tính Volt–Ampere trên cuộn kháng, thực hiện phân tích sóng hài tại các mức quá áp khác nhau. Kết quả cho thấy cuộn kháng có đặc tính tuyến tính trong dải điện áp định mức của lưới điện, vùng bão hòa trên đặc tính Volt–Ampere và biên độ các thành phần sóng hài tăng mạnh khi tăng điện áp trên giá trị định mức như mô tả trên Hình 1.12b. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Công trình của nhóm tác giả Abozar Alabakhshizadeh và cộng sự [31] đã thực hiện nghiên cứu bốn mô hình với sự thay đổi khe hở ở các vị trí giữa trụ, trên đỉnh trụ và trên gông từ khác nhau trên công cụ Ansys Maxwell, từ đó đưa ra phân bố từ trường tản, tuy n h i ê n

k h ô n g x é t đ ế n l ự c đ i ệ n t ừ ả n h h ư ở n g đ ế n k ế t c ấ u c ủ a m ạ c h t ừ . C ô n g t r ì n h c ủ a n h ó m t á c g

i ả Agasthya Ayachit downlo ad by : skknch at@gm ail.com

và cộng sự [32] đưa ra mô hình mạch từ xét đến từ trở ứng với từ trường tản và đánh giá ảnh hưởng của vật liệu làm mạch từ có từ thẩm khác nhau tới từ trường tản xung quanh khe hở cùng quan hệ giữa từ thẩm tương đối theo chiều dài của khe hở trên trụ.

Nhóm tác giả đưa ra mô hình mạch từ tương đương với các thành phần từ trở tương ứng với các thành

phần từ thông như mô tả trên Hình 1.14, tuy nhiên chưa xét đến từ thông rò trên mô hình nghiên cứu.

Công trình của nhóm tác giả Arun Balakrishnan và cộng sự

Hình 1.14 Mô hình mạch từ với sơ đồ mạch từ tương đương [32]

[23] đã đưa ra phương pháp xác định từ trở dựa trên sự tương quan giữa điện dung của tụ điện và từ trở của khe hở. Thực hiện phép biến hình bảo giác Schwarz Christoffel từ đa giác theo cấu trúc khe hở trên mạch từ thành dạng bản cực song song của tụ điện, đưa ra công thức xác định từ trở của khe hở trên trụ. Kết quả tính toán

được so sánh với kết quả mô phỏng theo phương pháp PTHH cho thấy tính chính xác của phương pháp nghiên cứu.

Công trình của nhóm tác giả L.M. Escribano và cộng sự [33] cũng dựa trên phép biến hình bảo giác Schwarz Christoffel để xác định năng lượng tích trữ trong không gian khe hở giữa các khối trụ của với cấu trúc mạch từ đối xứng. Cách tiếp cận của nhóm tác giả được đề xuất trong nghiên cứu này là thực hiện biến đổi tương đương trụ có tiết diện tròn sang trụ có tiết diện chữ nhật mô tả trên Hình 1.15.

Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [24], [34] đã đề xuất ra phương pháp tính từ dẫn tương ứng với từ trường tản xung quanh khe hở với các trường hợp khác nhau. Cách tiếp cận của nhóm tác giả là thực hiện tính toán từ dẫn tản xung quanh không gian khe hở trong cấu trúc 3D qua các vùng từ dẫn điển hình xét trên mặt cắt 2D như mô tả trên Hình 1.16. Đầu tiên, nhóm tác giả đưa ra công thức xác định hệ số từ dẫn tản khu vực khe hở với các dạng điển hình theo cách

14

bố trí dây quấn và mạch từ khác nhau, kết quả này tương ứng với từ dẫn tản trên từng mặt cắt 2D của đối tượng. Sau đó, nhóm tác giả thực hiện phân chia không gian 3D xung quanh khe hở thực thành các vùng khác nhau tương ứng với từng trường hợp đã xác định được ở mặt cắt 2D.

Công trình của nhóm tác giả Erika Stenglein và cộng sự [35] đã xác định từ trở khe hở với các kiểu và vị trí khe hở trên mạch từ, đưa ra công thức xác định tiết diện tác dụng của khe hở và thực hiện mô hình hóa và mô phỏng bằng công cụ Comsol Multiphysics.

Lực điện từ tác động lên mạch từ và dây quấn là nguyên nhân chính gây ra rung ồn trong cuộn kháng điện. Có một số tác giả nghiên cứu tính toán về lực điện từ. Công trình của nhóm tác giả Kamran Dawood

[36] và nhóm tác giả Ling Lu [37] sử dụng phương pháp PTHH xác định lực điện từ trên dây quấn của CKBN.

1.4.2.2 Nhóm nghiên cứu về tổn hao trong cuộn kháng

Các thành phần tổn hao trên dây quấn và tổn hao trên mạch từ như tổn hao từ trễ, tổn hao do dòng xoáy, tổn hao phụ hay tổn hao khe hở được đưa ra và xác định trong một số công trình nghiên cứu. Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [38] đã xác định tổn hao do dòng xoáy trên dây quấn khi có khe hở trên mạch từ. Công trình của nhóm tác giả Ivana Kovacevic-Badstubner và cộng sự [39] đề xuất phương pháp xác định tổn hao trên dây quấn dạng lá qua sơ đồ mạch tương đương từng phần PEEC, kết quả được so sánh với phương pháp PTHH qua công cụ Ansys Maxwell.

Công trình của nhóm tác giả Eddy So và cộng sự [40] đưa ra phương pháp đo tổn hao trong CKBN dùng trong lưới điện cao áp và siêu cao áp. Công trình của nhóm tác giả W.A. Rsshen và cộng sự [41] xác định tổn hao do dòng xoáy ở hai kiểu quấn dây có tiết diện chữ nhật, chỉ ra vị trí có tổn hao lớn nhất với từng kiểu dây quấn.

Công trình của nhóm tác giả Alex Van den Bossche và cộng sự [42] đã đề xuất ra công thức xác định tổn hao dây quấn kể đến hệ số gia tăng tổn hao do từ trường tản khu vực khe hở. Công trình của nhóm tác giả Satyaki Mukherjee và cộng sự [43] đã đề xuất kiểu khe hở trên mạch từ như mô tả trên Hình 1.17, qua đó giảm tổn hao dây quấn. Tuy nhiên trong nghiên cứu, nhóm tác giả chưa xét đến thành phần lực điện từ tác động đến các phần mạch từ như cấu trúc được đề xuất.

15

download by : skknchat@gmail.com (a)

(b)

Hình 1.16 Chia vùng tính từ dẫn tản: (a) trụ tiết diện chữ

Công trình của nhóm tác giả Anagha

E R và cộng sự [44] đã đưa ra phương pháp tính toán tổn hao và độ tăng nhiệt qua mô hình mạch từ

Hình 1.17 Cấu trúc khe hở trên mạch từ ở hình (c) kết hợp giữa kiểu khe hở trên hình (a) và (b) [43]

với các thành phần từ trở tương đương, có xét đến từ trở ứng với thành phần từ trường tản ở khu vực khe hở, kết quả tính toán được so sánh với gia trị nhận được từ phương pháp PTHH.

Nhóm tác giả Takashi Kohsaka và cộng sự với công trình [45] đưa ra phân bố tổn hao trên mạch từ của cuộn kháng ba pha, thực hiện trên cấu trúc mạch từ có phân chia khe hở trên trụ. Tuy nhiên cũng như các công trình nghiên cứu khác, nhóm tác giả không xét đến ảnh hưởng của số lượng khe hở trên trụ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Công trình của nhóm tác giả B. Mircea Alexandru và cộng sự [46] trình bày phương pháp thử nghiệm xác định tổn hao trong CKBN ba pha bằng nguồn một pha qua hệ số hiệu chỉnh, qua đó giảm được dung lượng và số bộ tụ cần dùng.

Công trình của nhóm tác giả A. Cancino và cộng sự [47] đưa ra các phương pháp thử nghiệm CKBN kiểu bọc, đặc biệt là phép đo tổn hao do cuộn kháng có hệ số công suất rất thấp. Nhóm tác giả đề xuất phương pháp hiệu chỉnh nâng cao độ chính xác của phép đo tổn hao.

1.4.2.3 Nhóm nghiên cứu về tính toán và mô phỏng CKBN

Các công trình nghiên cứu về tính toán, mô hình hóa và mô phỏng CKBN cũng được các tác giả thực hiện rất sớm trên thế giới. Các tác giả trong các công trình [48]–

[51] đưa ra phương pháp tính toán cuộn cảm có khe hở trên mạch từ, tuy nhiên trong nghiên cứu, các tác giả không xét đến sự phân chia khe hở và cũng bỏ qua thành phần từ trường rò khi tính toán.

Công trình của nhóm tác giả Ismail Topaloglu và cộng sự [52] thực hiện tính toán tối ưu kích thước

khe hở tối thiểu chi phí vật liệu tác dụng và chi phí hoạt động của cuộn kháng có công suất 480 kVAr, điện áp 2,2 kV ứng với hai cấu trúc có 4 và 16 khe hở trên trụ với bốn giá trị từ cảm cực đại là 0,85; 1,05; 1,25 và 1,35 T. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, nhóm tác giả không đưa ra cơ sở lựa chọn số khe hở cũng như không thể hiện kích thước đối tượng.

Công trình của nhóm tác giả Yanzhen Zhao và cộng sự [53] thực hiện tính toán tối ưu kích thước mạch từ và dây quấn của cuộn kháng khô, viết phần mềm thiết kế trên Visual Basic. Tuy nhiên công trình nghiên cứu của nhóm tác giả cũng chưa xét

16

download by : skknchat@gma

đến các kiểu ghép lá thép mà chỉ chọn cách ghép bậc các lá thép trụ tương tự cách ghép trụ của MBA, chưa xét đến số lượng khe hở cần thêm vào mạch từ.

Công trình của nhóm tác giả Hsu Mon Aung và cộng sự [54] thực hiện tính toán CKBN ba pha có công suất 25MVA dùng trong lưới truyền tải điện áp 230 kV. Trong công trình này, nhóm tác giả cũng chọn kiểu ghép xếp lớp lá thép trụ theo cách ghép trụ MBA, không xét tới ảnh hưởng của từ trường tản và không đề cập đến số lượng khe hở trên trụ.

Công trình của nhóm tác giả Soe Win Naing và cộng sự [55] phân tích và so sánh điện áp lưới điện tại trạm 230 kV Kyaukpyu khi không sử dụng và sử dụng CKBN tại các thời điểm khác nhau trong ngày cho thấy vai trò của CKBN. Nhóm tác giả tính toán CKBN ba pha có công suất 20MVA dùng trong lưới truyền tải điện áp 230 kV, cũng như ở các công trình [53], [54], nhóm tác giả cũng chưa xét đến số lượng khe hở cần thêm vào mạch từ.

Ứng dụng công cụ mô phỏng dựa trên phương pháp PTHH trong tính toán nghiên cứu cuộn kháng nói riêng hay các thiết bị điện từ nói chung ngày càng được sử dụng rộng rãi. Nhiều hãng phát triển các công cụ mô phỏng bằng phương pháp PTHH như Ansys Maxwell, Femm, Comsol Multiphysics … được sử dụng trong nhiều nghiên cứu [56]–[64].

Công trình của nhóm tác giả H. Tsai và cộng sự [63] đã sử dụng phương pháp PTHH để khảo sát ảnh hưởng của hình dáng khe hở đến thông số điện cảm của