LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Phí Văn Hùng, học viên cao học lớp 11BKTĐHTĐ ngành kỹ thuật
điện khóa 2011B. Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, tôi đã nghiên cứu và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu mô phỏng một số hiện
tượng chất lượng điện năng và các giải pháp”.
Tôi xin cam đoan bản luận văn này được thực hiện bởi chính bản thân dưới
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Bạch Quốc Khánh cùng với các tài liệu được trích
dẫn trong phần tài liệu tham khảo.
Học viên
Phí Văn Hùng
1
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ viết tắt
Chú thích
1
PCC
Điểm kết nối chung
2
HVS
9
HDSNDE
10
UIE
11
CLĐN
Chất lượng điện năng
12
NNĐA
Nhấp nháy điện áp (Voltage Flicker)
13
MBA
Máy biến áp
14
1.2.2. Chất lượng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng ............................................. 15
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lượng điện năng .................................................. 16
1.3.1. Quá độ (transient) ......................................................................................... 16
1.3.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài ......................................... 17
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage). ....................................................................... 17
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage). .................................................................... 18
1.3.2.3. Gián đoạn duy trì (Sustained interruptions). ............................................. 18
1.3.3. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian ngắn ...................................... 18
1.3.3.1. Mất điện áp (interruption). ........................................................................ 18
1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sags). .............................................................. 19
1.3.3.3. Tăng điện áp (Swells). ............................................................................... 20
1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance) ................................................. 21
1.3.5. Độ méo sóng (Waveform Distortion)........................................................... 21
1.3.5.1. Thành phần một chiều thêm vào (DC Offset) ........................................... 22
3
1.3.5.2. Sóng hài (Harmonics). ............................................................................... 22
1.3.5.3. Liên sóng hài (Interharmonics). ................................................................ 22
1.3.5.4. Đột điện áp (Notching). ............................................................................. 23
1.3.5.5. Nhiễu (Noise). ........................................................................................... 23
1.3.6. Dao động điện áp (Voltage Fluctuation) ...................................................... 23
1.3.7. Sự biến thiên tần số công nghiệp (Power Frequency Variations) ................ 24
1.4. Kết luận ............................................................................................................... 26
CHƯƠNG 2. DAO Đ NG ĐIỆN P V NHẤP NH Y ĐIỆN P .......................... 27
2.1. Định nghĩa........................................................................................................... 27
2.2. Nguyên nhân xuất hiện ....................................................................................... 30
2.2.1. L hồ quang .................................................................................................. 31
2.2.2. Máy hàn ........................................................................................................ 33
CHƯƠNG 4: M PH NG ẢNH HƯỞNG CỦA L HỒ QUANG ĐẾN CHẤT
LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN ............................................................................... 65
4.1. Khái quát ............................................................................................................. 65
4.2. Xây dựng mô hình tải l hồ quang ..................................................................... 65
4.3. Giới thiệu phần mềm Matlab/Simulink .............................................................. 68
4.3.1. Cấu trúc thư viện simulink. .......................................................................... 69
4.3.1. Cấu trúc thư viện Simpowersystems. ........................................................... 74
4.4. Mô phỏng hiện tượng chớp nháy điện áp do l hồ quang gây ra ....................... 77
CHƯƠNG 5: M T SỐ PHƯƠNG PH P KHẮC PHỤC NHẤP NH Y ĐIỆN P ... 82
5.1. Các phư ng pháp giảm dao động công suất phản kháng ................................... 82
.... 82
5.1.2. Phư ng pháp s dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static
Syncronnous Compensator) ................................................................................... 85
5.1.3. Phư ng pháp s dụng điện kháng ................................................................ 87
5.1.3.1. S dụng điện kháng mắc nối tiếp với tải ................................................... 87
5.1.3.2. S dụng điện kháng bão h a ..................................................................... 87
5.2. Phư ng pháp tăng công suất ngắn mạch nguồn ................................................. 87
5.3. Một số phư ng pháp khác .................................................................................. 89
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................... 90
T I LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 91
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Quá độ xung do sét đánh ...........................................................................16
Hình 1.2. Xung d ng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ điện ...17
Hình 1.3 Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha ..........................................19
Hình 1.4 Sụt giảm điện áp do khởi động một động c lớn. .....................................20
Hình 1.5 Tăng áp ở pha không bị sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha. ...........20
Hình 3.7: S đồ mạch điện thay thể ở tần số c bản .................................................59
Hình 3.8: S đồ mạch thay thế nguồn sóng hài điện áp ............................................59
Hình 3.9. S đồ hệ thống cấp điện cho l hồ quang .................................................60
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng 6 model đề xuất ........................................................62
Hình 4.1: Thư viện khối nguồn ................................................................................70
Hình 4.2. Thư viện khối Sink ....................................................................................71
Hình 4.3. Thư viện khối Signal Routing ...................................................................72
Hình 4.4. Thư viện khối các phép toán .....................................................................73
Hình 4.5. Thư viện khối nguồn điện .........................................................................75
Hình 4.6. S đồ mạch điện tư ng đư ng l hồ quang ba pha ...................................77
Hình 4.7. Mô hình điện dẫn pha A của l hồ quang ba pha ......................................78
Hình 4.8. S đồ nguyên l hệ thống ..........................................................................79
Hình 4.9. S đồ mô phỏng hệ thống .........................................................................79
Hình 4.10. a) Điện áp hồ quang; b)D ng điện hồ quang ..........................................80
Hình 4.11. Dạng sóng điện áp tại PCC. ....................................................................80
Hình 4.12. Điện áp hiệu dụng tại PCC ......................................................................80
Hình 4.13. D ng điện tại PCC ..................................................................................81
Hình 5.1. Cấu tạo của SVC .......................................................................................83
Hình 5.2. Nguyên l điều khiển của TCR .................................................................84
Hình 5.3. S đồ nguyên l STATCOM ....................................................................86
Hình 5.4. Dạng sóng điện áp tại PCC với công suất ngắn mạch Ssc = 10000MVA .88
Hình 5.5. Điện áp hiệu dụng tại PCC với công suất ngắn mạch Ssc = 10000MVA ..89
7
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân nhóm và các đ c tính các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện ...25
Bảng 2.1. Giới hạn Pst; Plt mong muốn mạng trung thế, cao thế và siêu cao thế ......36
Bảng 2.2. Pst và Plt cho mạng trung hạ thế ...............................................................36
Luận văn này đưa ra một phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang ba pha và các
ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng, đ c biệt là hiện tượng dao động, nhấp
nháy điện áp.
2. Tên đề tài
“Nghiên cứu mô phỏng một số hiện tượng chất lượng điện năng và các giải
pháp”.
9
3. Tóm tắt nội dung luận văn
Chất lượng điện năng đang là một mối quan tâm rất lớn đối với không chỉ
ngành điện nói riêng mà c n cả các ban ngành khác, trong đó đ c biệt là hiện tượng
dao động ho c nhấp nháy điện áp. Nhấp nháy điện áp không chỉ ảnh hưởng đến các
thiết bị dùng điện mà c n ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên đang được
quan tâm nghiên cứu.
Luận văn đề cập đến một số hiện tượng chất lượng điện năng trong lưới điện
công nghiệp. Phân tích một số phư ng pháp mô phỏng l hồ quang và đưa ra một
phư ng pháp mới để mô phỏng l hồ quang ba pha với
nghĩa thực tiễn cao. Từ đó
luận văn phân tích một số biện pháp để khắc phục ảnh hưởng của l hồ quang đến
lưới điện. Nội dung chính của luận văn bao gồm các phần sau:
Chư ng 1. Nghiên cứu tổng quan về chất lượng điện năng, nêu ra sự cần thiết
của việc nghiên cứu chất lượng điện năng và các vấn đề về chất lượng điện năng
đang được quan tâm giai đoạn hiện nay.
Chư ng 2. Trình bày về hiện tượng dao động điện áp, nhấp nháy điện áp. Nêu
ra các nguyên nhân, các phụ tải thường gây ra hiện tượng dao động, nhấp nháy điện
áp và các chỉ tiêu đánh giá.
lượng điện năng do nó gây ra sẽ giúp cho việc tính toán, dự báo ở giai đoạn thiết kế
các thiết bị để khắc phục ảnh hưởng của l hồ quang đến lưới điện đ c biệt là hiện
tượng dao động, nhấp nháy điện áp.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Các chỉ tiêu để đánh giá hiện tượng nhấp nháy điện áp được trình bày trong
luận văn sẽ là c sở để đánh giá ảnh hưởng của các phụ tải điện công nghiệp nói
chung đến chất lượng điện năng của hệ thống điện. Với việc ảnh hưởng ngày càng
nhiều đến chất lượng điện năng trên HTĐ từ các l hồ quang, ngành điện lực đang
cố gắng tìm các biện pháp khắc phục. Kết quả nghiên cứu của luận văn có thể xem
như tài liệu tham khảo để công nghiệp điện lực có công cụ nhận dạng các nguyên
nhân sinh ra các vấn đề về chất lượng điện năng do s dụng l hồ quang và cân
nhắc các biện pháp khắc phục.
11
Luận văn đã mô phỏng thành công l hồ quang ba pha và đánh giá ảnh
hưởng của một l hồ quang ba pha đến chất lượng của hệ thống cung cấp điện dựa
trên mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink. Đây là một đề tài mới dựa trên
phư ng pháp mô phỏng để đánh giá. Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin bày tỏ
l ng biết n sâu sắc đến thầy giáo TS. Bạch Quốc Khánh cùng các thầy cô giáo
trong bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm n gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi và có nh ng đóng góp qu báu cho bản luận văn.
Để bản luận văn trở nên hoàn chỉnh và hướng nghiên cứu trong bản luận văn
được phát triển tiếp, tác giả mong nhận thêm được sự góp
bạn bè và các bạn đọc.
Xin trân trọng cảm n!
quan tâm đến các tác động của chúng trong tư ng lai đối với khả năng hoạt động
của hệ thống.
13
c. Khách hàng s dụng điện ngày càng nhận thức được về nh ng vấn đề về
chất lượng điện năng. Họ ngày càng hiểu biết nhiều h n về nh ng hiện tượng như là
mất điện, sụt giảm điện áp, các dao động do việc đóng cắt điện. Và điều đó đã kích
thích họ cải thiện chất lượng của việc phân phối điện.
d. Có rất nhiều yếu tố liên hệ với nhau trong một hệ thống. Quá trình tích hợp
đó có nghĩa rằng bất cứ một sự cố xảy ra ở một phần t nào trong hệ thống cũng
đều gây ra hậu quả lớn đối với hệ thống.
Sự thúc đẩy chính của sự cần thiết phải quan tâm đến chất lượng điện năng sau
nh ng l do trên là sự gia tăng khả năng sản xuất cho khách hàng s dụng điện. Các
ngành công nghiệp sản xuất theo dây chuyền muốn tốc độ sản xuất nhanh h n, sản
xuất ra nhiều sản phẩm h n, hiệu suất s dụng của các máy móc cao h n, tuổi thọ
thiết bị sản xuất kéo dài ra h n. Các công ty điện lực cũng đang khuyến khích
nh ng mong muốn đó bởi nó giúp cho khách hàng tiêu thụ điện trở nên có nhiều lợi
nhuận h n đồng thời giúp cho ngành điện trì hoãn được lượng vốn đầu tư rất lớn đối
với trạm biến áp, các nhà máy điện bằng cách s dụng các thiết bị điện có hiệu suất
cao. Vấn đề đáng quan tâm là các thiết bị được s dụng để tăng khả năng sản xuất
thường phải chịu phần lớn nh ng hư hại và đôi khi chúng là nguyên nhân gây ra
nh ng vấn đề về chất lượng điện năng.
1.2. Định nghĩa về chất lượng điện năng
1.2.1. Định nghĩa về chất lượng điện năng
Các đối tượng khác nhau xem xét chất lượng điện năng trên các hệ qui chiếu
khác nhau, điều này làm cho cách hiểu về chất lượng điện năng có khác nhau về
hình thức:
Ngành điện mong muốn cung cấp điện năng liên tục, ổn định cho khách hàng,
lượng và chất lượng trong nh ng cách hiểu đầy đủ về chất lượng điện năng. Điều
khiển công suất của hệ thống điện có thể điều khiển chất lượng điện áp, không thể
điều khiển chi tiết đến chất lượng d ng điện vì sẽ kéo theo tác động vào hoạt động
của các phụ tải, bởi vì d ng điện sinh ra trong các thiết bị điện sẽ thay đổi tu theo
mức độ mang tải của thiết bị điện đó. Do đó tiêu chuẩn chất lượng điện năng thường
được dành hết cho việc duy trì chất lượng điện áp cung cấp trong một giới hạn nhất
định.
Tuy nhiên trong khi nghiên cứu đến chất lượng điện áp, đồng thời cũng phải
chú
đến các hiện tượng về d ng điện như: D ng điện ngắn mạch lớn gây ra sụt áp,
d ng điện sét trên lưới gây ra điện áp xung rất lớn, d ng điện là các sóng hài bậc
15
cao sinh ra từ các phụ tải. Qua đó có thể hiểu c bản, toàn diện h n các vấn đề về
chất lượng điện năng.
1.3. Tổng quan các vấn đề về chất lượng điện năng
1.3.1. Quá độ (transient)
Thuật ng quá độ được s dụng từ lâu trong việc phân tích sự biến đổi của hệ
thống điện để thể hiện một sự kiện không mong muốn nhưng chỉ thoáng qua trong
tự nhiên. Một định nghĩa được s dụng phổ biến: “ Quá độ trong hệ thống điện là sự
chuyển tiếp hệ thống từ trạng thái xác lập này sang trạng thái xác lập khác”. Tùy
vào hình dạng của d ng điện và điện áp mà quá độ được phân thành hai loại là quá
độ xung và quá độ dao động.
1.3.1.1. Quá độ xung (Impulsive transient).
Quá độ xung là sự thay đổi đột ngột của điện áp, d ng điện ho c cả hai theo
một cực dư ng ho c âm, không làm thay đổi tần số công nghiệp trong một trạng
Thời gian (ms)
Hình 1.2. Xung dòng điện dao động quá độ gây ra bởi việc đóng cắt các tụ điện
1.3.2. Sự biến thiên điện áp trong khoảng thời gian dài
Một sự biến đổi điện áp được coi là trong khoảng thời gian dài khi ANSI giới
hạn là vượt quá một phút. Sự biến đổi điện áp trong khoảng thời gian dài bao gồm
quá điện áp và thấp điện áp. Quá áp và thấp áp thường không phải là kết quả của sự
cố trong hệ thống mà là kết quả của sự biến đổi của phụ tải trong hệ thống (hoạt
động đóng cắt tải) và hoạt động đóng cắt hệ thống.
1.3.2.1. Quá điện áp (Overvoltage).
Quá điện áp là sự tăng điện áp lên trên 110
giá trị định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian lớn h n một phút.
Quá điện áp thường là kết quả của việc đóng cắt tải (ví dụ như đóng cắt một tải
lớn ho c đóng một bộ tụ). Kết quả của quá điện áp là do hệ thống quá yếu cho sự
mong muốn điều chỉnh điện áp ho c là việc điều khiển điện áp là không tư ng
17
xứng. Điều chỉnh đầu phân áp của máy biến áp không đúng cũng có thể gây ra hiện
tượng quá điện áp trong hệ thống điện.
1.3.2.2. Thấp điện áp (Undervoltage).
Thấp điện áp là sự giảm điện áp xuống dưới 90
giá trị định mức ở tần số
1.3.3.2. Sụt giảm điện áp (Voltage Sags).
Sụt giảm điện áp (sụt áp) là hiện tượng điện áp ho c d ng điện giảm xuống
trong khoảng từ 10
đến 90
giá trị điện áp hay d ng điện định mức ở tần số công
nghiệp trong khoảng thời gian từ 0,5 chu k đến 1 phút.
Nguyên nhân gây sụt áp thường là sự cố trong hệ thống điện, khởi động một số
phụ tải lớn. Hình 1.3 và 1.4 minh họa sụt áp do sự cố ngắn mạch một pha và do
khởi động một động c lớn.
Điện áp (V)
pu)
Thời gian (s)
Hình 1.3 Sụt giảm điện áp do sự cố ngắn mạch một pha
Thời gian sụt điện áp ngắn hạn cũng được chia ra làm 3 loại: Tức thời
(Instantaneous), thoáng qua (Momentary), Tạm thời (Temporary). Các khoảng thời
gian chia nhỏ này tư ng ứng với mức thời gian hoạt động của các thiết bị bảo vệ nói
chung, cũng như sự phân nhỏ thời gian theo các khuyến cáo của các tổ chức kỹ
thuật quốc tế.
19
Điện áp ( )
Hình 1.5 Tăng áp ở pha không bị (s)
sự cố gây ra bởi sự cố chạm đất một pha.
20
1.3.4. Mất cân bằng điện áp (Voltage Imbalance)
Mất cân bằng điện áp là độ lệch cực đại của điện áp 3 pha so với giá trị trung
bình của điện áp, độ lệch đó chia cho giá trị trung bình của điện áp và biểu diễn theo
phần trăm.
Mất cân bằng điện áp cũng có thể xác định theo các thành phần đối xứng. Tỉ lệ
gi a thành phần thứ tự nghịch ho c thành phần thứ tự không với thành phần thứ tự
Độ mất cân bằng điện áp ( )
thuận có thể xác định rõ phần trăm mất cân bằng điện áp.
Thứ 2
Thứ 3
Thứ 4
Thứ 5
Thứ 6
Thứ 7 Chủ nhật
các thiết bị và phụ tải trong hệ thống điện. Mức độ méo của sóng hài được mô tả
bởi quang phổ các sóng hài với độ lớn biên độ và góc pha của mỗi thành phần sóng
hài. Tổng độ méo sóng hài THD (Total Harmonics Distortion) thường được dùng để
xác định độ lớn biên độ méo sóng hài.
1.3.5.3. Liên sóng hài (Interharmonics).
Liên sóng hài là các sóng điện áp hay d ng điện có tần số không phải là bội số
của tần số c bản của hệ thống điện. Chúng có thể xuất hiện với các tần số riêng
biệt ho c cũng có thể là một dải tần số rộng.
Liên sóng hài có thể tìm thấy trên tất cả các lưới điện với các cấp điện áp khác
nhau. Nguồn gốc chủ yếu sinh ra méo liên sóng hài là các bộ biến đổi tần số tĩnh,
thiết bị chuyển đổi chu trình, động c cảm kháng, thiết bị phát hồ quang. Tín hiệu
sóng mang trên đường dây truyền tải cũng được xem là liên sóng hài.
22
1.3.5.4. Đột điện áp (Notching).
Đột điện áp là sự nhiễu loạn điện áp có chu k gây ra bởi hoạt động bình thường
của thiết bị điện t công suất khi d ng điện được chuyển mạch từ pha này sang pha
khác. Các đột điện áp xuất hiện khi đảo mạch d ng từ pha này sang pha khác. Trong
thời gian chuyển mạch, có hiện tượng ngắn mạch tạm thời xảy ra gi a hai pha. Hình
vẽ 1.7 chỉ ra ví dụ cho vết khắc điện áp hình V từ một bộ chỉnh lưu 3 pha sinh ra
d ng điện một chiều liên tục.
Hình 1.7 Hiện tượng đột điện áp.
1.3.5.5. Nhiễu (Noise).
Nhiễu là tín hiệu điện không mong muốn với các dải tần thấp h n 200 khz đối với
d ng điện và điện áp trong dây pha, dây trung tính hay dây tín hiệu.
Nhiễu trong hệ thống điện có thể gây ra bởi các thiết bị điện t công suất, các
mạch điều khiển, các thiết bị hồ quang, các tải với các bộ chỉnh lưu, đóng cắt các
c bản của hệ thống khỏi giá trị định mức (VD: 50 Hz ho c 60Hz).
Tần số của hệ thống liên quan trực tiếp tới tốc độ quay của hệ thống máy phát
điện. Tần số sẽ biến thiên nhỏ khi có cân bằng động gi a sự thay đổi của tải và sự
thay đổi của nguồn phát. Mức độ thay đổi của tần số và khoảng thời gian của sự
thay đổi phụ thuộc vào đ c tính của tải và áp ứng của hệ thống điều khiển máy phát
tới sự thay đổi của phụ tải.
Tổng hợp các Các khái niệm được xét theo biên độ theo tiêu chuẩn IEEE 1159 biểu diễn trên Bảng 1.1 và Hình 1.9
24
Bảng 1.1 Phân nhóm và các đặc tính
của các hiện tượng điện từ trong hệ thống điện
Nhóm
1. Quá độ
1.1 Xung
1.1.1 Nano giây
1.1.2 Micro giây
1.1.3 Mili giây
1.2 Dao động
1.2.1 Tần số thấp
1.2.2 Tần số trung bình
1.2.3 Tần số cao
2. Biến thiên ngắn hạn
2.1 Tức thời
2.1.1 Ngắt điện
2.1.2 Sụt áp(Sag)
2.1.3 Tăng áp (Swell)
2.2 Thoáng qua
2.2.1 Ngắt điện
1 s
0,1 ms
< 50 ns
50 ns – 1 ms
> 1 ms
< 5 kHz
5 – 500 kHz
0,5 – 5 MHz
0,3 – 50 ms
20 s
5 s
0 – 4 pu
0 – 8 pu
0 – 4 pu
0.5 – 30 chu k
0.5 – 30 chu k
0,5 – 30 chu k
< 0,1 pu
0,1 – 0,9 pu
1,1 – 1,8 pu
30 chu k - 3 s
30 chu k - 3 s
30 chu k - 3 s
< 10 s
0 – 6 kHz
Băng thông
< 25 Hz
25
Copyright: Tài liệu đại học ©