1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ XUÂN THÀNH

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MẠNG 6KV

MỎ LỘ THIÊN VÙNG QUẢNG NINH

Ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: 62.52.02.02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội- Năm 2015

2

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Điện khí hóa, Khoa Cơ-Điện, trường Đại học Mỏ-Địa chất.

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa Phản biện 1: TSKH Trần Kỳ Phúc ……………………………………………………………. Phản biện 2: PGS.TS Trần Bách ………………………………………………………….. Phản biện 3: PGS. TS Lê Tòng ……………………………………………………………..

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường đại học Mỏ - Địa chất vào hồi…..giờ… ngày … tháng … năm 2015

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường đại học Mỏ - Địa chất

31

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Chất lượng điện năng đã được quan tâm và nghiên cứu từ đầu những năm 1980. Những vi phạm về chất lượng điện năng có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng đối với lưới điện các xí nghiệp công nghiệp và có thể gây thiệt hại nặng nề cho nền kinh tế Quốc dân. Các thiệt hại chủ yếu là do: hư hại thiết bị, gây gián đoạn cung cấp điện do sụt áp, dao động điện áp vượt quá giới hạn cho phép, gián đoạn cung cấp điện thời gian ngắn và thời gian dài, sóng hài, chớp điện. Ở Việt Nam trong những năm gần đây, chất lượng điện năng đã được quan tâm ở tầm Quốc gia (Nghị định 45, nghị định 137) [15], [16]. Với tầm quan trọng như thế việc nghiên cứu một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh mang tính cấp thiết và thời sự. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án có mục đích nghiên cứu cụ thể như sau: Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp 6kV theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng để từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh. 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án * Đối tượng nghiên cứu: Mạng 6kV các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh. * Phạm vi nghiên cứu: Chất lượng điện áp của lưới 6kV và ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới các thiết bị nhạy cảm với sóng hài. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về các nghiên cứu chất lượng điện năng ở Việt Nam và thế giới; - Nghiên cứu đánh giá hiện trạng lưới điện trung áp 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng. - Xây dựng công cụ giám sát độ lệch điện áp và đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh.

4

- Nghiên cứu một số giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của sóng hài tới các phần tử cơ bản của lưới điện. - Kết luận và kiến nghị 5. Phương pháp nghiên cứu - Dùng phương pháp phân tích, tổng hợp và công cụ tin học hiện đại để đánh giá lưới điện trung áp 6kV mỏ lộ thiên Quảng Ninh theo một số chỉ tiêu chính về chất lượng điện năng. - Áp dụng phương pháp cấu trúc hệ thống, mô hình toán học, sử dụng các công cụ tin học để mô phỏng hệ thống, nghiên cứu đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng.mạng 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài * Ý nghĩa khoa học:

- Xây dựng được công thức hiệu chỉnh khi xét đến ảnh hưởng của các máy xúc điện trên các khởi hành 6kV giúp quá trình đánh giá chất lượng điện áp lưới điện ở chế độ tĩnh phù hợp với đặc điểm công nghệ khai thác; - Xây dựng được thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực để hạn chế ảnh hưởng của sóng hài, giảm độ méo sóng hài xuống mức an toàn theo các tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới. * Ý nghĩa thực tiễn: - Luận án đã nghiên cứu, đánh giá những tác động của sóng hài dòng điện tới các bộ tụ bù công suất phản kháng trong các trường hợp có kể tới trạm biến áp chính và không kể tới trạm biến áp chính, là cơ sở để xây dựng được giới hạn vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù giúp tránh được hiện tượng phá hủy do cộng hưởng song song; - Nghiên cứu thuật toán lựa chọn tự động đầu phân áp đảm bảo độ lệch điện áp ở chế độ cực đại, tránh quá áp ở chế độ cực tiểu phục vụ công tác vận hành hiệu quả trong các trạm biến áp chính 35/6kV của các mỏ lộ thiên;

533

-Họ đường cong tránh cộng hưởng song song cũng sẽ giúp các nhà quản lý lưới lựa chọn chế độ vận hành phù hợp nhất nhằm hạn chế tối đa tác động tiêu cực của sóng hài dòng điện tới các bộ tụ bù công suất phản kháng. 7. Những kết quả mới - Thành lập được công cụ hiện đại phản ánh đặc thù lưới dùng để tính toán và giám sát độ lệch điện áp ở chế độ tĩnh, đề xuất giải pháp cải thiện độ lệch điện áp không cần can thiệp vào cấu trúc lưới; - Thành lập được công thức thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng của các máy xúc điện tới các chỉ tiêu chất lượng điện áp trên lưới 6kV; - Xây dựng được giới hạn vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù công suất phản kháng trên thanh cái 6kV tránh hiện tượng phá hủy do cộng hưởng song song khi không kể và có kể đến ảnh hưởng của các máy biến áp; - Xây dựng thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực giảm độ méo của sóng hài tới mức an toàn theo tiêu chuẩn của Việt Nam và thế giới. 8. Những luận điểm bảo vệ - Vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù được xây dựng căn cứ vào giới hạn điện áp, dòng điện, dung lượng công suất khả phát của các bộ tụ, đảm bảo các bộ tụ không bị phá hủy khi trên lưới xuất hiện sóng hài dòng điện do tránh được hiện tượng cộng hưởng song song khi kể tới tổng trở của trạm biến áp chính 35/6kV; -Sử dụng công thức hiệu chỉnh 00321,0)033,00301,0( ±+= nlxt để kể tới đặc điểm khi xúc và xả tải máy xúc điện 6kV khi tính toán đánh giá chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh sẽ cho ra kết quả phù hợp với công nghệ khai thác mỏ lộ thiên; - Thuật toán lựa chọn đầu phân áp tối ưu cho cả chế độ tải cực đại và tải cực tiểu phù hợp với đặc điểm của lưới, và cải thiện hiệu quả độ lệch điện áp ở chế độ tĩnh mà không cần can thiệp vào cấu trúc lưới;

6 4

- Thuật toán điều khiển fuzzy áp dụng cho bộ lọc tích cực có nhiều thuộc tính ưu việt, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra, kết quả đạt được đảm bảo tiêu chuẩn Quốc gia và Quốc tế. 9. Kết cấu luận án Luận án được trình bày trong 141 trang thuyết minh trong đó có 126 hình vẽ, 36 bảng biểu. Bao gồm: 04 chương, kết luận, kiến nghị và phụ lục. Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng. Chương 2: Khảo sát chất lượng điện năng lưới 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh Chương 3: Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp và đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh. Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm hạn chế ảnh hưởng của sóng hài.

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1 Khái quát chung về chất lượng điện năng 1.1.1Những tiêu chuẩn và yêu cầu về chất lượng điện năng

• Những chỉ tiêu chất lượng điện năng được phân thành hai nhóm chính: Những chỉ tiêu thuộc về tần số và những chỉ tiêu thuộc về điện áp. Với lưới trung áp của Việt Nam, Điều 15 Nghị định 137/2013/NĐ-CP [16] của Chính phủ quy định Trong điều kiện bình thường, độ lệch điện áp cho phép trong khoảng ± 5% so với điện áp danh định của lưới điện và được xác định tại vị trí đặt thiết bị đo đếm điện hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận. Đối với lưới điện chưa ổn định sau sự cố, độ lệch điện áp cho phép từ +5% đến -10%;”. Về sóng hài Theo IEC 61000 [72], với lưới trung áp biến dạng riêng rẽ của từng thành phần hài không được vượt quá 3% và tổng méo sóng hài không được vượt quá 5%.

7445

1.1.2. Những giải pháp cơ bản để đánh giá và cải thiện chất lượng điện năng 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về chất lượng điện năng. 1.2.1 Những nghiên cứu về độ lệch điện áp và độ dao động điện áp. Độ lệch điện áp, độ dao động điện áp là những tham số phụ thuộc cơ bản vào: cấu trúc lưới, thông số các phần tử chính trong khâu truyền tải (đường dây, máy biến áp), phụ thuộc điện áp nguồn, đặc điểm của phụ tải [63], [105], [115]. Những thiết bị được xem là quan trọng và cần ổn định điện áp đầu vào, có điện áp được cải thiện bằng cách bù song song hoặc nối tiếp. 1.2.2 Những nghiên cứu về sóng hài Những nghiên cứu về sóng hài dòng điện tập trung chủ yếu ở cấp điện áp trung và hạ áp và tập trung vào: + Nguồn phát sinh sóng hài trên lưới điện; + Ảnh hưởng của sóng hài tới sự vận hành bình thường của lưới điện cũng như các phần tử trên lưới; + Biện pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống điện. Những tác động tới hệ thống bảo vệ rơle

Đối với hệ thống rơle kỹ thuật số, những tổng hợp của nhóm chuyên gia Steven A.Kunsman [47] đã chỉ ra rằng: Sự biến dạng của dạng sóng điện áp và dòng điện trên lưới điện trung áp sẽ có ảnh hưởng khác nhau tới hệ thống bảo vệ rơle. Với các rơle kỹ thuật số áp dụng các giải pháp kỹ thuật trong lọc sóng hài, chúng có thể làm việc tin cậy ngay cả khi trong lưới điện có sóng hài. Các rơle kỹ thuật số sử dụng phương pháp lọc số sẽ miễn nhiễm với các thành phần sóng hài bậc cao. Những ảnh hưởng tới máy biến áp Tác động chủ yếu của các sóng hài bậc cao tới các máy biến áp là hiệu ứng phát nóng phụ trên cách điện và trong lõi thép của máy biến áp và sinh ra nhiệt lượng làm giảm tuổi thọ của máy biến áp.

8

66

Hình 1.20: Hệ số suy giảm tương ứng với độ méo của sóng hài [56]

a) Theo O.E. Gouda [64] b) Theo Mohammad Yazdani-Asrami [94]

Hình 1.18: Sơ đồ mô phỏng tính toán độ tăng nhiệt độ của lớp dầu trên bề mặt máy biến áp khi mang tải là không sin

Những ảnh hưởng của sóng hài tới các bộ tụ bù tĩnh IEEE standard 18-1992 [71] đã quy định nghiêm ngặt khi vận

hành các tụ bù tĩnh trên các trạm biến áp trung gian, cụ thể: - Đối với các đại lượng định mức của các bộ tụ bù:

+ Chỉ cho phép vận hành với điện áp cực đại 1,1Uđm; + Chỉ cho phép vận hành với điện áp cực đại 1,2 U đỉnh + Chỉ cho phép vận hành với dòng điện cực đại 180% Iđm; + Công suất phản kháng tối đa được phát là 135% Qđm;

- Đối với các giới hạn thời gian: + Điện áp cực đại chịu được 2,2 lần Uđm trong 0,1s; + Điện áp cực đại chịu được 2,0 lần Uđm trong 0,25s; + Điện áp cực đại chịu được 1,7 lần Uđm trong 1s;

97

+ Điện áp cực đại chịu được 1,4 lần Uđm trong 15s; + Điện áp cực đại chịu được 1,3 lần Uđm trong 1 phút; + Điện áp cực đại chịu được 1,25 lần Uđm trong 30 phút;

1.3 Tình nghiên cứu trong nước về chất lượng điện năng 1.4 Tổng kết chương 1 Từ chương 1 có một số nhận xét sau: - Các công trình nghiên cứu về chất lượng điện năng chủ yếu tập trung nghiên cứu các chỉ tiêu thuộc độ lệch điện áp, độ dao động điện áp và dạng không sin của đường cong điện áp. - Một số công trình đã nghiên cứu và thành lập các hệ số tải để đưa vào các tính toán độ lệch điện áp. - Những ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống điện được nghiên cứu khá đầy đủ và phong phú. Sóng hài dòng điện sẽ gây phát nóng và giảm tuổi thọ vận hành của các máy biến áp. Những ảnh hưởng này mang tính dài hạn Thứ ba, hiện tượng cộng hưởng khi có mặt các bộ tụ bù công suất phản kháng trên lưới có thể phá hủy tức khắc các thiết bị này trong thời gian rất ngắn. Do vậy cần có giải pháp để hạn chế và triệt tiêu những ảnh hưởng này.

Chương 2 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI 6KV CÁC MỎ

LỘ THIÊN QUẢNG NINH 2.1 Tổng quan về lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên Quảng Ninh - Điện năng tiêu thụ ở các mỏ lộ thiên chiếm tỷ trọng ở mức cao. - Suất tiêu hao điện năng ở các mỏ trong những năm gần đây có sự thay đổi không lớn, một phần do sản lượng của các mỏ khá ổn định. - Phụ tải tiêu thụ đáng kể điện năng ở các mỏ là hệ thống bơm thoát nước, các máy xúc điện, máy khoan. - Ở các mỏ sử dụng phổ biến các thiết bị biến đổi điện tử công suất làm ảnh hưởng tới chất lượng điện năng trong toàn bộ lưới điện.

108

2.2 Mô hình hóa các phần tử của lưới để phục vụ công tác khảo sát đánh giá chất lượng điện năng 2.2.1 Mô hình hóa đường dây truyền tải điện năng

Qua so sánh đáp ứng điện áp bằng sơ đồ mô phỏng trên hình 2.5 và kết quả thu được trên hình 2.6, 2.7 lựa chọn sơ đồ thay thế hình π do có đáp ứng tổng trở ổn định nhanh hơn.

a) Khi không tải b) Khi có tải

Hình 2.6: Đáp ứng điện áp pha của hai loại sơ đồ thay thế ĐDK 2.2.2 Các máy biến áp ba pha 2.2.3 Mô hình hóa các động cơ không đồng bộ 6kV 2.2.4 Mô hình hóa động cơ đồng bộ 6kV: Sơ đồ mô phỏng động cơ cho ở hình 2.18 và 2.20

Hình 2.18:

Sơ đồ mô

phỏng khối

rotor và

stator trong

hệ trục dq0 2.2.5 Mô phỏng biến tần và khởi động mềm 2.2.5.1 Mô phỏng biến tần

11

a) Dòng điện stator b) Từ thông tổng c)Điện áp

9

Hình 2.20: Các kết quả mô phỏng

Hình 2.23: Các trạng thái đầu ra Qi của bộ phát PWM dùng cho biến tần

Hình 2.24: Sơ đồ mô phỏng hệ biến tần-động cơ

2.2.5.2 Mô phỏng các bộ khởi động mềm Trong quá trình khởi động, dòng điện ba pha phía stator của động

cơ được đưa vào mạch phản hồi dòng điện, dòng điện này sẽ được sử dụng để điều khiển góc mở của bộ SCR [104], [115], [135]. Nguyên lý này giúp làm giảm ảnh hưởng của dòng điện khởi động tới động cơ.

10

Hình 2.25: Mô phỏng khởi

động mềm

1210

2.3.1 Khảo sát độ lệch điện áp Qua các kết quả tính toán nhận thấy rằng: - Ở một số khởi hành có chiều dài lớn, phụ tải phân nhánh độ lệch điện áp vượt quá giới hạn 5% cho phép. - Giờ trung điểm và thấp điểm, về cơ bản chất lượng điện áp của lưới 6kV là đảm bảo. 2.3.2 Khảo sát sóng hài trên lưới 6kV các mỏ lộ thiên

Một số kết quả đo thực nghiệm về dạng sóng hài dòng điện do biến tần trực tiếp và gián tiếp trên lưới 6kV được cho ở hình 2.36

a)Điện áp ba pha b) Dạng sóng dòng điện

Hình 2.36: Dạng sóng dòng áp ba pha đo sau biến tần hạ áp Cọc Sáu 2.4 Kết luận chương 2 * Về sử dụng mô hình mô phỏng trong khảo sát đánh giá chất lượng điện năng lưới 6kV - Việc tiến hành mô phỏng trên môi trường Matlab cho phép khảo sát, đánh giá được đầy đủ và toàn bộ các chỉ tiêu chất lượng điện áp của lưới 6kV. Những mô phỏng, đánh giá đã được so sánh với các kết quả đo thực nghiệm một lần nữa minh chứng tính đúng đắn của phương pháp lựa chọn trình bày trong chương này. * Về chất lượng điện áp ở chế độ tĩnh: Một số khởi hành trên lưới 6kV hiện đang có sự vi phạm về độ lệch điện áp cũng như tổn hao điện áp. * Về sóng hài dòng điện: - Hầu hết các kết quả mô phỏng đều cho thấy THD trên các điểm nút PCC của lưới đều vượt quá giới hạn tổng méo sóng hài cho phép 5%.

1311

Các biến tần hạ áp, mặc dù đã được bố trí các bộ lọc và được lấy điện gián tiếp qua máy biến áp có cuộn hạ áp đấu tam giác nhưng vẫn sinh ra sóng hài có phổ hài bậc 5, 7, 9, 11

a) Phổ dòng điện hài b) Phổ điện áp hài

Hình 2.39: Phổ sóng hài của máy biến áp biến tần hạ áp mỏ Cao Sơn -Các kết quả đo thực nghiệm trên các hình 2.36 tới 2.39 vào

các thời điểm khác nhau trên lưới (từ 9h03 tới 9h35-hình 2.39) cho thấy có vi phạm về sóng hài, đòi hỏi cần đánh giá đầy đủ về nguy hại và ảnh hưởng của chúng đối với sự vận hành bình thường của các trang bị điện quan trọng

Chương 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG CỤ TÍNH TOÁN ĐỘ

LỆCH ĐIỆN ÁP VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP Ở CHẾ ĐỘ TĨNH

3.1 Khái quát chung 3.2 Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp 3.2.1 Ứng dụng ma trận Jacobian xây dựng công cụ tính toán độ lệch điện áp lưới trung áp 6kV các mỏ lộ thiên Phương trình dạng ma trận để tính điện áp tại một nút bất kỳ trong hệ thống điện 6kV gồm 4 nút như phương trình (3.12). Nghiệm của phương trình dạng ma trận (3.12) sẽ được giải nhờ quá trình lặp như vòng lặp trong lưu đồ thuật toán hình 3.4.

Ở dạng tổng quát, công thức tổng quát ở bước thứ k+1 dùng tính biên độ điện áp và góc pha của một nút bất kỳ trong lưới 6kV là:

1412

) (3.15) ()()1( ki

ki

ki δδδ Δ+=+

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+=Δ+=+

)(

)()()()()1(

||||1|||||||| k

i

kik

ik

ik

ik

i VVVVVV (3.16)

(3.12)

3.2.2 Ứng dụng thuật toán biến đổi ma trận Jacobian để tính toán lựa chọn đầu phân áp trong các trạm biến áp chính 35/6kV của mỏ nhằm cải thiện độ lệch điện áp

Sơ đồ tổng quát của lưới điện 6kV từ nguồn cho tới các phụ tải ở xa nhất được cho trên hình 3.3.

Hình 3.3: Sơ đồ tổng quát tính toán lựa chọn đầu phân áp lưới 6kV

Để đảm bảo chất lượng điện áp, độ lệch điện áp tại C và D (ΔVC và ΔVD) ở cả chế độ tải cực đại và chế độ tải cực tiểu phải thỏa mãn hệ bất phương trình (3.33):

⎪⎩

⎪⎨⎧

≤Δ≤

≤Δ≤+−

+−

stdDstd

stdCstd

VVV

VVV

δδ

δδ (3.33)

Thay ΔVC và ΔVD ở (3.33) bằng các giá trị ở (3.32) và thực hiện biến đổi toán học tương đương, điều kiện để lựa chọn đầu phân áp tại

1513

các trạm biến áp 35/6kV của mỏ nhằm đáp ứng chất lượng điện áp ở cả hai chế độ cực đại, và cực tiểu là:

ITTkVstdSMITTkVkVstd VVVVVVVV δδδδδ −Δ+≤≤−Δ+Δ+ +−35.635

Kết hợp phương trình trên và các phương trình (3.23) đến (3.26) thu được lưu đồ thuật toán tính toán lựa chọn đầu phân áp tại các trạm biến áp 35/6kV như trên hình 3.4 Minh họa chi tiết thư viện công cụ, tính độ lệch điện áp, cũng như kết quả lựa chọn đầu phân áp được thể hiện trên các hình 3.6, 3.7.

Hình 3.6: Thư viện đường dây, và kết quả tính toán tổn ΔU khởi hành 9 mỏ Cọc Sáu

Hình 3.7: Kết quả tính toán lựa chọn đầu phân áp dựa vào độ lệch điện áp đã tính

3.3 Một số kết quả tính toán 3.4 Nghiên cứu ảnh hưởng một số phụ tải đặc thù tới độ lệch điện áp lưới 6kV

Dưới đây sẽ tiến hành mô phỏng và so sánh kết quả mô phỏng với các kết quả đo thực nghiệm để có thể phản ánh ảnh hưởng của chế độ làm việc ở các máy xúc điện tới quá trình tính toán độ lệch điện áp trên các khởi hành 6kV. 3.4.1 Đặt vấn đề 3.4.2 Nghiên cứu xác định hệ số thực nghiệm phản ánh quan hệ phụ thuộc giữa số lượng máy xúc và độ lệch điện áp trên lưới 6kV

1614

Gọi n là số máy xúc đấu vào khởi hành, thấy rằng hệ số suy giảm khi kể tới ảnh hưởng của các máy xúc có thể được tuyến tính hóa dưới dạng hàm theo phương pháp bình phương cực tiểu được cho như biểu thức 3.35.

00321,0)033,00301,0( ±+×= nlxt (3.35)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ+=

Δ+=

+

+

)(

)()()1(

)()()1(

||1||:||

:

ki

kik

ik

i

ki

ki

ki

UU

UU

δδδ

Tính các giá trị: * Pi

(k)calcvà Qi

(k)calc theo (3.2) và (3.3)

* Các hiệu chỉnh ∆Pi(k) và ∆Qi

(k) theo các biểu thức (3.10), (3.11) và (3.4), (3.5)

Giải các phương trình (3.13) và (3.14) để tính các hiệu chỉnh ∆δi

(k) và ∆|Ui|(k)/|Ui|(k)

Tính δM.S = k×a%

MN ≤

171515

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toán tính toán lựa chọn đầu phân áp tối ưu cho lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên, nhằm cải thiện chất lượng điện áp

Các đại lượng kiểm chứng tính phù hợp và chính xác toán học của phương trình 3.35 được cho ở phụ lục 12. Hệ số hiệu chỉnh được tính toán ở trên được đưa vào công cụ phần mềm đã xây dựng ở trên, kết quả chi tiết được thể hiện trên hình 3.17 và 3.18

Hình 3.18: Kết quả tính toán độ lệch điện áp khi chưa kể (a) và có kể tới

hệ số lxt(b)

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng P một pha máy xúc mỏ Cao Sơn

Hình 3.11: Kết quả mô phỏng P ba pha máy xúc mỏ Cọc Sáu

Active power metter real-tiem measument of PCC nodes in Coc Sau

-1.000.000,00

-500.000,00

0,00

500.000,00

1.000.000,00

1.500.000,00

Time(s)

time(s)

P(kW

) PaPbPc

Hình 3.13: Kết quả đo công suất tác dụng ba pha mỏ Cọc Sáu

1816

3.5 Kết luận chương 3 - Xây dựng hoàn chỉnh mô hình tổng dẫn Ybus có tính tới các

đặc điểm của lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên như: bỏ qua các dung dẫn ngang trục, trong mạng chỉ gồm các nút phụ tải, không có nút slack, các nút có các máy phát điện đồng bộ làm việc quá kích thích được coi là các nguồn cục bộ. Dựa trên mô hình tổng dẫn này có thể xác định được độ lệch điện áp và tổn hao điện áp thuận lợi.

- Từ lưu đồ thuật toán trình bày trên hình 3.3 có thể xây dựng được công cụ tính toán tổn hao điện áp, độ lệch điện áp một cách nhanh chóng. Công cụ được xây dựng đảm bảo tính tổng quát, tính toán thuận tiện nhờ các thư viện máy biến áp và đường dây sẵn có. Khi cấu trúc lưới thay đổi có thể dễ dàng thành lập được sơ đồ tính toán của lưới, khắc phục được hạn chế phải khai báo quá nhiều tham số khi sử dụng Matlab-Simulink

- Khắc phục vi phạm độ lệch điện áp và tổn hao điện áp ở chế độ tĩnh không cần can thiệp sâu vào cấu trúc lưới nhờ thuật toán lựa chọn đầu phân áp (hình 3.6) ở cả chế độ cực đại và chế độ cực tiểu của phụ tải, đưa độ lệch điện áp ở cuối các khởi hành trong giới hạn cho phép là ±5%.

- Xác định được công thức thực nghiệm (công thức 3.35) thể hiện quan hệ phụ thuộc giữa hệ số suy giảm với số lượng máy xúc đấu vào khởi hành. Công thức thực nghiệm “nhúng” vào công cụ tính toán đã xây dựng, cho phép tính được chính xác giá trị tổn hao điện áp trong mạng khi có sự tham gia của những phụ tải đặc thù là các máy xúc EKG. Đây là điểm khác biệt của công cụ được xây dựng so với các công cụ tính toán độ thông số chế độ khác.

19171717

Chương 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NHẰM HẠN CHẾ

ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI 4.1 Đặt vấn đề 4.2 Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của sóng hài tới sự làm việc bình thường của các bộ tụ bù công suất phản kháng trong lưới 6kV 4.2.1 Xây dựng vùng vận hành an toàn của bộ tụ bù công suất phản kháng trên thanh cái 6kV trạm biến áp 35/6kV

Giới hạn điện áp, dòng điện, dung lượng khả phát của các bộ tụ trung áp 6kV được cho bởi

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+=+

=∑∑∞

=

∞

=22

2

12

221

1ratedrms

hh

ratedrmsratedrms

hh

ratedrms

rms

V

V

VV

V

VV

VV (4.6)

∑∞

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+=

2

221 )1(1..

h rms

h

ratedrms

rms

ratedratedrms

rms

VVh

VV

ff

II (4.7)

VVh

VV

ff

QQ

h rms

h

ratedrms

rms

ratedrated⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+= ∑

∞

=22

2

2

21 )1(1. (4.8)

Sử dụng các phương trình toán học nói trên kết hợp với lập trình trên Matlab, thu được kết quả như hình 4.7. Giới hạn này được ứng dụng để đưa vào lập trình trong Matlab kết quả thu được họ đặc tính biểu diễn vùng vận hành an toàn của các bộ tụ bù công suất phản kháng như hình 4.8.

Vùng vận hành an toàn này được xây dựng dựa trên nguyên lý đảm bảo khi có sóng hài, điện áp ngược đặt vào điện môi, cũng như nhiệt độ cực đại (thể hiện thông qua dung lượng khả phát của tụ) và dòng điện rò ngược không vượt quá các giới hạn chịu được của các bộ tụ. Trong trường hợp có sóng hài, tương ứng với bậc của sóng hài những đặc tính này sẽ giúp đảm bảo an toàn vận hành nhờ xác định điện áp, dòng điện, dung lượng khả phát so với các đại lượng định mức của tụ.

20

Hình 4.7b: Các kết qutính toán thời gian vận hànhcủa tụ khi có các sóng h

ả

ài trong lưới trung áp 6kV

Hình 4.8: Vùnvận hành an toàcủa tụ điện khi csóng hài tronglưới trung áp 6kcác

1618

g n ó

V

mỏ lộ thiên Việt Nam

4.2.2 Xây dựng đặc tính tránh cộng hưởng song song khi có các sóng hài trong lưới trung áp 6kV

Khi xảy ra cộng hưởng song song [55] xL0 = xC, khi đó dung lượng của các bộ tụ được liên hệ với công suất cắt của máy cắt đầu nguồn Ssc theo biểu thức:

scr

cap SffQ .1000

2

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (4.21)

- Các đường đặc tính xây dựng trên các hình 4.15, 4.16, 4.17 căn cứ trên những đặc điểm đặc thù của phụ tải mỏ có xét tới tất cả các khả năng vận hành của trạm biến áp nguồn: đó là vận hành một máy biến áp, vận hành hai máy biến áp độc lập hay vận hành hai máy biến áp song song theo sơ đồ cầu trong kín. Công dụng của họ đường đặc tính được nghiệm lại nhờ mô phỏng lưới 6kV một mỏ điển hình (mỏ Đèo Nai), các kết quả được thể hiện trên hình 4.18 và 4.19

21

Hình 4. 12 Đặc tính tránh cộng hưởng song song của tụ bù công suất phản kháng tương ứng với các giá trị cắt ngắn mạch khác nhau của máy cắt đầu nguồn

Hình 4.16c: Giới hạn dung lượng khả phát của tụ bù công suất phản kháng tương ứng với các chế độ vận hành của các máy biến áp mỏ Đèo Nai

Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng lưới 6kV mỏ Đèo Nai khi có sóng hài

a)

19

22

b)

20

Hình 4.19: Điện áp cộng hưởng đặt vào bộ tụ khi đóng máy cắt (a), mở máy cắt phân đoạn (b) 4.3 Ứng dụng bộ lọc tích cực loại trừ sóng hài trong lưới 6kV Sơ đồ mô phỏng bộ lọc tích cực dựa trên nguyên lý lý thuyết công suất tức thời được cho trên hình 4.24. Các kết quả mô phỏng về dòng điện của bộ lọc, dạng sóng sau khi lọc được cho trên hình 4.29, 4.30, 4.31

Hình 4.24: Sơ đồ mô phỏng bộ lọc tích cực áp dụng điều khiển mờ

Hình 4.29: Dòng bù mong muốn cần tạo ra để dòng điện tải là sin.

23

2121

Hình 4.30: Dòng bù hài do bộ điều khiển fuzzy tạo ra (đường xanh)

Hình 4.31: Dòng điện trước khi lọc (đường xanh) và sau khi lọc

(đường đỏ) 4.4 Kết luận chương 4 Những kết quả chính đã thực hiện được trong chương gồm có: - Căn cứ vào những kết quả đo thực nghiệm và các thông số của các bộ tụ bù công suất phản kháng, đã tiến hành mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của sóng hài tới các bộ tụ bù công suất phản kháng lắp đặt trên thanh cái 6kV của các trạm biến áp chính các mỏ. Họ đường cong thực nghiệm xây dựng từ mô phỏng trên hình 4.8 là vùng vận hành an toàn giúp xác định giới hạn cho phép của các tụ bù công suất phản kháng cả về dòng điện, điện áp và dung lượng khả phát. - Nghiên cứu và tính toán hậu quả của cộng hưởng song song khi có kể tới các máy biến áp 35/6kV của trạm biến áp chính. Những tính toán và mô phỏng đã xây dựng được các đường đặc tính xét tới tất cả các trạng thái vận hành của trạm cũng như trạng thái vận hành của các phần tử trong trạm. Các quan hệ Sđm BA = f(h) (hình 4.15a, 4.15b, 4.15c); Qcap = f(h) (hình 4.16a, 4.16b, 4.16c) và Qcap = f(Stt) được thành lập từ các dữ liệu thực tế về sóng hài và trạng thái vận hành của lưới điện 6kV, sẽ là

2422

những căn cứ hữu ích giúp người vận hành có thể quyết định được trạng thái vận hành phù hợp nhất của các máy biến áp và của bộ tụ bù công suất phản kháng trong trạm, nhằm tránh được những phá hủy hay hư hại do hiện tưởng cộng hưởng song song gây ra. Một minh chứng cho công dụng của họ đường cong này được kiểm nghiệm qua mô phỏng bằng AMTP trên các hình 4.18 và 4.19. - Để giảm thiểu sự tồn tại của sóng hài, thuật toán điều khiển mờ đã được đề xuất có cấu trúc phù hợp với đặc điểm của lưới trung áp. Bộ điều khiển được thiết kế đã tạo ra dòng hài cần bù bám rất sát với dòng bù hài mong muốn. Từ đó đã đưa được dòng điện của tải từ rất không sin (THD vượt rất xa giá trị 5% cho phép) về dạng sin chuẩn có độ méo sóng hài THD = 1,86%, đảm bảo các giới hạn về chất lượng điện năng theo các tiêu chuẩn IEC và IEEE6100 series.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Trong lĩnh vực khai thác và chế biến khoáng sản, luận án là công trình nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam thực hiện đánh giá và nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới trung áp. Những kết quả đã thực hiện trong luận án bao gồm: - Đánh giá tổng quan về hiện trạng lưới điện 6kV các mỏ lộ thiên điển hình khu vực Đông Bắc Quảng Ninh; - Khảo sát và đánh giá tổng quan chất lượng điện năng hiện tại của lưới điện 6kV các khai trường mỏ lộ thiên. Qua những khảo sát đánh giá có thể thấy hiện tại lưới điện 6kV đang gặp phải một số vi phạm về chất lượng điện áp gồm hai chỉ tiêu chất lượng điện áp chính trên lưới 6kV là: độ lệch điện áp và độ dao động điện áp khi mạng làm việc ở chế độ xác lập và sóng hài dòng điện gây ra bởi các thiết bị điện tử công suất hiện đang vận hành trong lưới như biến tần, các bộ khởi động mềm; - Xây dựng được phần mềm giám sát giúp tính toán nhanh độ lệch điện áp và tổn hao điện áp trên lưới điện 6kV. Công cụ được thành lập phù hợp với những điểm đặc thù của lưới điện, đảm bảo tính tổng quát,

2523

thuận tiện cập nhật dữ liệu máy biến áp và đường dây sẵn có trong thư viện. Phần mềm đã tích hợp những biến đổi ma trận Jacobian giúp lựa chọn chính xác đầu phân áp các máy biến áp chính trong trạm biến áp 35/6kV để cái thiện chất lượng điện áp bằng thuật toán như trên hình 3.4, khắc phục vi phạm độ lệch điện áp và tổn hao điện áp ở chế độ tĩnh mà không cần can thiệp sâu vào cấu trúc lưới, đảm bảo độ lệch điện áp tại các nút PCC cuối các khởi hành nằm trong giới hạn cho phép là ±5%, không gây quá áp cục bộ ở chế độ phụ tải cực tiểu; - Xây dựng và thành lập được công thức thực nghiệm, phản ánh ảnh hưởng của số lượng máy xúc tới quá trình tính toán chất lượng điện áp của lưới điện 6kV, giúp tính chính xác tổn hao điện áp và độ lệch điện áp ở các khởi hành 6kV có trang bị các máy xúc điện. Công thức thực nghiệm được sử dụng tích hợp với công cụ phần mềm đã xây dựng để xác định độ lệch điện áp và tổn hao điện áp khi vận hành mạng điện thực tế ở mỏ; - Xác định được vùng vận hành an toàn là giới hạn cho phép của các tụ bù công suất phản kháng về dòng điện, điện áp và dung lượng khả phát khi có sự tồn tại sóng hài trong lưới điện. - Nghiên cứu và tính toán ảnh hưởng của sóng hài dòng điện đến điều kiện cộng hưởng song song khi có kể tới các máy biến áp 35/6kV của trạm biến áp chính. Thành lập được các quan hệ Sđm BA = f(h) (hình 4.16a, 4.16b, 4.16c); Qcap = f(h) (hình 4.17a, 4.17b, 4.17c) và Qcap = f(Stt) (hình 4.18) căn cứ vào các dữ liệu thực tế về sóng hài và trạng thái vận hành của lưới điện 6kV, đây sẽ là những căn cứ hữu ích giúp người vận hành có thể quyết định được trạng thái vận hành phù hợp nhất của các máy biến áp và của bộ tụ bù công suất phản kháng trong trạm, nhằm tránh được hư hại do hiện tưởng cộng hưởng song song gây ra. - Nghiên cứu đề xuất thuật toán điều khiển mờ có cấu trúc phù hợp với đặc điểm của lưới trung áp, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của sóng hài đảm bảo theo tiêu chuẩn Việt Nam và Quốc tế. Căn cứ vào dòng điện

2624

hài thực tế của các tải phi tuyến trong lưới, bộ điều khiển được thiết kế đã tạo ra dòng hài cần bù bám rất sát với dòng bù hài mong muốn, từ đó đã lọc được dòng điện của tải từ rất không sin (THD vượt rất xa giá trị 5% cho phép) về dạng sin chuẩn có độ méo sóng hài THD = 1,86%, đạt yêu cầu theo các tiêu chuẩn IEC và IEEE6100 series. Kiến nghị - Cần xây dựng hệ thống giám sát thường xuyên đối với một số chỉ tiêu chính của chất lượng điện áp, những dữ liệu thu được từ hệ thống giám sát cần kết hợp với các họ đường cong thực nghiệm xây dựng được ở chương 4 để đưa ra chế độ vận hành hiệu quả và an toàn nhất đối với lưới điện 6kV. - Cần có những đánh giá toàn diện và đầy đủ về hiệu quả kinh tế của các biến tần, khởi động mềm hiện đang áp dụng trong lưới 6kV để có thể đề xuất các giải pháp phù hợp và đưa ra những lời khuyên hữu ích trong việc ứng dụng kỹ thuật điện tử công suất cũng như giải pháp làm giảm độ méo sóng hài khi cần thiết. - Chất lượng điện năng là vấn đề không mới, nhưng tính thời sự của chất lượng điện năng lúc nào cũng mang tính thời đại. Vì thế cần đề xuất xây dựng bộ tiêu chuẩn chất lượng điện năng làm căn cứ để giám sát việc kinh doanh và mua bán điện năng của các phụ tải công nghiệp.

27

DANH MỤC CÁC CÔNG BỐ KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN

1. Le Xuan Thanh, Utilizing Jacobian Transformation in calculating static loadflow of 6kV grid in openpitch-mine for analyzing voltage quality, International conferrence of Advanced in Mining and Tunelling, sponsored by DAAD Germany 2011. 2. Le Xuan Thanh, Nguyen Anh Nghia, Utilize Jacobian transformation to build up an Auto-voltage tap changer selection system for transformer substations in Vietnamese coal mines, MPES2013, Springer, Freiberg, Germany 2013.

3. Lê Xuân Thành, Nguyễn Anh Nghĩa, Nghiên cứu phân tích chất lượng điện áp trong lưới 6kV mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh ứng dụng ma trận điện cảm mô phỏng động cơ cao áp, Tạp chí khoa học công nghệ Mỏ, số 2 năm 2014.

4. Lê Xuân Thành, Ảnh hưởng của biến tần trực tiếp tới chất lượng điện năng của lưới trung áp 6kV các mỏ lộ thiên, Tạp chí khoa học công nghệ Mỏ, số 5 năm 2014

5. Lê Xuân Thành, Nguyễn Anh Nghĩa, Mô phỏng và đánh giá một số chỉ tiêu chất lượng điện áp trong lưới 6kV các mỏ lộ thiên, Tạp chí khoa học kỹ thuật Mỏ-Địa chất, số 4 năm 2014.

6. Le Xuan Thanh, Building up the power factor correction capacitors’ safety operation region to advoid the bad effect of power harmonics on QuangNinh’s 6kV open pit mines, International conferrence of Advanced in Mining and Tunelling, 2014.

7. Le Xuan Thanh, Forming up the operation curves for power factor correction capacitor banks that help to advoid the the parallel resonance with power harmonics on QuangNinh’s 6kV open pit mines, International conferrence of Advanced in Mining and Tunelling, 2014.

8. Nguyen Anh Nghia, Le Xuan Thanh, Calculating experiencied modyfiyng factor utilized to analyze the effect of 6kV excavators on power quality in QuangNinh’s open pit coal mines, International conferrence of Advanced in Mining and Tunelling, 2014.