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 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 3
1
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

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;

5
33
-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

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

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 1,1U
đm
;
+ 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% I

đm
trong 1 phút;
+ Điện áp cực đại chịu được 1,25 lần U
đm
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.

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 Q
i

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
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:

14
12

)

i
k
i
k
i
k
i
k
i
V
V
VVVV
(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 (
Δ
V
C
và
Δ
V
D
)
ở cả chế độ tải cực đại và chế độ tải cực tiểu phải thỏa mãn hệ bất

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

16
14
Gọi n là số máy xúc đấu vào khởi hành, thấy rằng hệ số suy giảm khi kể

1||:||
:
k
i
k
i
k
i
k
i
k
i
k
i
k
i
U
U
UU
δδδTính các giá trị:
* P
i
(k)
calc
và Q
i
(k)

MN
≤17
1515
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 l
xt
(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 SáuActive power metter real-tiem measument of PCC nodes in Coc Sau
-1.000.000,00
-500.000,00
0,00
500.000,00

- 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. 19
171717
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
⎟

h
ratedrmsratedrms
h
h
ratedrms
rms
V
V
V
V
V
VV
V
V
(4.6)
∑
∞
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−+=
2
2
2

h
ratedrms
rms
ratedrated
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−+=
∑
∞
=2
2
2
2
2
1
)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

Khi xảy ra cộng hưởng song song [55] x
L0
= x
C
, khi đó dung
lượng của các bộ tụ được liên hệ với công suất cắt của máy cắt đầu
nguồn S
sc
theo biểu thức:
sc
r
cap
S
f
f
Q .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

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

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,

25
23
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