Tài liệu Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị d facts

i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .......................................................................... vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ............................................................................................................ 1 2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án .......................................................................... 1 3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án ...................................................................... 2 4. Phương pháp thực hiện ............................................................................................. 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................. 3 6. Các đóng góp mới của Luận án ................................................................................ 4 7. Bố cục của Luận án .................................................................................................. 4 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ...................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối ............................................................................................... 6 1.1.1. Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối ............... 6 1.1.2. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49] ................................................ 7 1.1.3. Sóng hài [20, 30, 59, 79] .................................................................................. 13 1.2. Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện .................................................................................... 17 1.2.1. Quan điểm về thực hiện giải pháp.................................................................... 17 1.2.2. Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD . 18 1.2.3. Tổng quan phương pháp giải ........................................................................... 22 1.3. Những vấn đề còn tồn tại ..................................................................................... 26 1.3.1. Đối với các nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 26 1.3.2. Đối với các nghiên cứu trong nước .................................................................. 27 1.4. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 27 1.5. Kết luận Chương 1............................................................................................... 28 Chương 2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ....................................... 29 2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 29 2.2. Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR ............................ 30 2.2.1. Cấu trúc cơ bản của DVR ................................................................................ 30 2.2.2. Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR ................................................... 31 2.2.3. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR ................................................ 35 ii 2.3. Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng ..................................... 38 2.3.1. Nguyên lý vận hành của D-Statcom................................................................. 38 2.3.2. Ứng dụng.......................................................................................................... 39 2.3.3. Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) và hệ thống điều khiển ........................................................................................................................... 40 2.4. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................................................................... 40 2.4.1. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc D-Statcom .... 41 2.4.2. Mô phỏng và kết quả mô phỏng....................................................................... 44 2.5. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom hạn chế sóng hài ..................... 46 2.5.1. Đặt vấn đề bài toán........................................................................................... 46 2.5.2. Mô phỏng lò hồ quang ..................................................................................... 46 2.5.3. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang và các kịch bản đặt DVR hoặc D-Statcom .......................................................................................................... 47 2.5.4. Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................................. 48 2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 54 Chương 3. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ TỤ BÙ NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI.. ............................................................................................................................................. 56 3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 56 3.2. Tổng quan nghiên cứu về bài toán tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân phối sử dụng tụ bù công suất phản kháng ............................................................................... 56 3.3. Phân tích, lựa chọn phương pháp giải ................................................................. 57 3.4. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA)…………58 3.4.1. Mô tả hệ thống lưới phân phối ......................................................................... 58 3.4.2. Thành lập bài toán và phương pháp giải .......................................................... 59 3.4.3. Phương pháp giải tổng quát ............................................................................. 61 3.4.4. Áp dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK .... 61 3.4.5. Kết quả đạt được .............................................................................................. 63 3.5. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện năng và biến dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA) ................. 66 3.5.1. Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu ....................................................................... 66 3.5.2. Xây dựng mô hình bài toán và phương pháp giải ............................................ 67 3.6. Kết luận Chương 3............................................................................................... 75 Chương 4. TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) .............. 76 iii 4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 76 4.2. Tổng quan bài toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................................... 76 4.2.1. Vấn đề nghiên cứu và những tồn tại ................................................................ 76 4.2.2. Hướng giải quyết của luận án .......................................................................... 78 4.3. Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.......... 78 4.3.1. Mô hình toán của thiết bị DVR ........................................................................ 79 4.3.2. Mô hình toán của thiết bị D-Stacom ................................................................ 79 4.4. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị DVR nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ......................................................................... 81 4.4.1. Xây dựng mô hình bài toán .............................................................................. 81 4.4.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 89 4.5. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị D-Statcom nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn ............................................................... 93 4.5.1. Xây dựng bài toán ............................................................................................ 94 4.5.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 98 4.6. Kết luận ............................................................................................................. 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 104 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................................... 112 PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 113 PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 114 PHỤ LỤC 3 ....................................................................................................................... 115 PHỤ LỤC 4 ....................................................................................................................... 116 I. Khái niệm và thuật toán .................................................................................. 116 II. Các thành phần cơ bản của GA ....................................................................... 117 PHỤ LỤC 5 ....................................................................................................................... 123 PHỤ LỤC 6 ....................................................................................................................... 126 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AF Active power filter ANN Artificial Neural Network BĐN Biến thiên điện áp ngắn hạn CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association CPD Custom power devices CLĐN Chất lượng điện năng CSPK Công suất phản kháng CSI Current Source Inverter DVR Dynamic voltage restorer D-Statcom Distribution Static Compensator DP Dynamic Programming EN European Standard IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) IEC International Electrotechnical Commission ITIC Information Technology Industry Council IPFC interline power flow controller GA Genetic Algorithm GSA Gravitational Search Algorithm HTĐ Hệ thống điện HO Hybrid Optimization FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems MBA Máy biến áp NGA Niching type of GA NPV Net Present Value THD Total Harmonic Distortion SANH Sụt giảm điện áp ngắn hạn SA Simulated Annealing STATCOM Static synchronous compensator SSSC Static synchronous series compensator v SVC Static Var Compensator UPFC Unified power flow controller UPQC Unified power quality conditioner VSI Voltage Source Inverters UPS Uninterruptible Power Supply U1 Điện áp cơ bản Uk Điện áp sóng hài bậc k Uhd Điện áp hiệu dụng PCC Point of Common Connection PSO Particle swarm optimization QRA Quality, reliability, and availability pu Per unit system – Hệ đơn vị tương đối ĐTPT Đồ thị phụ tải TTĐN Tổn thất điện năng TTCS Tổn thất công suất vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995………………………………………… 6 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh tại điểm cấp điện………………… 15 Bảng 1.3 Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp………………………………….…… 15 Bảng 1.4 Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung…….. 16 Bảng 2.1 Thông số chính cấu hình DVR và D-Statcom…………………………… 42 Bảng 2.2 Thông số lò hồ quang điện (Nguồn [14])………………………………… 48 Bảng 2.3 Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR, kịch bản thứ nhất…… 50 Bảng 2.4 Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom, kịch bản thứ nhất 51 Bảng 2.5 Điện áp nút trước và sau khi có DVR hoặc D-Statcom, kịch bản thứ hai……………………………………………………………………………. 53 Bảng 3.1 Công suất phụ tải sử dụng trong tính toán……………………………… 72 Bảng 4.1 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8……………. 89 Bảng 4.2 Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10 91 Bảng 4.3 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13…………. 92 Bảng 4.4 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8…….. 98 Bảng 4.5 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10…….. 100 Bảng 4.6 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13…….. 101 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0.1 Cấu trúc của luận án………………………………………………………………….. 5 Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)………………. 7 Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch……………………... 8 Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật…………………………………………. 8 Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ………………………………… 9 Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC………………………………………... 10 Hình 1.6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200……………. 10 Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm………………………………………. 11 Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ…………………………… 11 Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom………………………………….. 12 Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp tại đầu cực của lò hồ quang điện……………………………………………………………………………… 13 Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD……… 23 Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR…………………………………………………………… 30 Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm…………………………………………….. 32 Hình 2.3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng CLĐN…………………. 32 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR……………………….. 33 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR………………………… 33 Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha……………………………………………. 34 Hình 2.7 Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked LoopPLL)…………………………………………………………………………………….. 38 Hình 2.8 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom……………………………………………... 39 Hình 2.9 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom……………………………… 41 Hình 2.10 Mô phỏng Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR và DStatcom…………………………………………………………………………………. 42 Hình 2.11 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối DVR…………………………….. 43 Hình 2.12 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối D-Statcom……………………… 43 Hình 2.13 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633………………………………………………………………… 44 Hình 2.14 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633………………………………………………………. 45 Hình 2.15 Mô phỏng Matlab/Simulink pha A của lò hồ quang điện [14] ………………….. 47 Hình 2.16 Mô phỏng lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện…………………………….. 48 Hình 2.17 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa có thiết bị DVR…… 49 viii Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp tại nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 49 Hình 2.19 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645632………………………………………………………………………………………. 49 Hình 2.20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645-632…………………………………………………………………………. 50 Hình 2.21 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645 50 Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645………………………………………………………………………….. 51 Hình 2.23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 52 Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 52 671-692 Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 692…………………………………………………………………………. 52 Hình 2.26 Phân tích FFT biến dạng điện áp trong 3 chu kỳ đầu tiên tại nút 633 khi lò hồ quang nối vào nút 633 trong chu kỳ đầu nối LHQ………………………………... 54 Hình 3.1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)………………… ……………… 58 Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình………………………………………………………………. 60 Hình 3.3 Các bước nguyên tắc thực hiện thuật toán GA……………………………………. 62 Hình 3.4 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử dụng thuật toán GA…………………………………………………………………… 63 Hình 3.5 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 2 vị trí…… 64 Hình 3.6 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 4 vị trí…… 65 Hình 3.7 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 50kVar, 2 vị trí…… 65 Hình 3.8 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu có sóng hài…………………... 67 Hình 3.9 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất và THD sử dụng thuật toán GA………………………………………………………………… 71 Hình 3.10 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ 25kVar………………………………………………………………………………….. 73 Hình 3.11 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 4 bộ tụ 25kVar………………………………………………………………………………….. 74 Hình 3.12 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ 50kVar………………………………………………………………………………….. 74 Hình 4.1 Sơ đồ thay thế lưới điện có DVR để bù điện áp…………………………………… 79 Hình 4.2 Sơ đồ thay thế lưới điện có D-Statcom để bù điện áp…………………………….. 80 Hình 4.3 Các sơ đồ xếp chồng để tính dòng D-Statcom bù SANH…………………………. 80 ix Hình 4.4 Điện áp các nút lưới điện mẫu khi ngắn mạch tại nút 8………………………….. 83 Hình 4.5 Mô hình DVR dạng nguồn dòng Norton tương đương…………………………… 84 Hình 4.6 Mô hình DVR trong tính toán chế độ xác lập……………………………………… 84 Hình 4.7 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một DVR nối vào nhánh j-k………….. 86 Hình 4.8 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt DVR để cải thiện SANH do ngắn mạch trên lưới phân phối……………………………………………………… 88 Hình 4.9 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt DVR tương ứng…… 89 Hình 4.10 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8……………….. 90 Hình 4.11 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt DVR tương ứng…. 90 Hình 4.12 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10……………… 91 Hình 4.13 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt DVR tương ứng….. 92 Hình 4.14 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13……………… 93 Hình 4.15 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một D-Statcom nối vào nút k……….. 94 Hình 4.16 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt D-Statcom để cải thiện SANH do ngắn mạch trên lưới phân phối…………………………………………. 97 Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt D-Statcom tương ứng………………………………………………………………………………………. 98 Hình 4.18 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8………… 99 Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt D-Statcom tương ứng………………………………………………………………………………………. 99 Hình 4.20 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10……….. 100 Hình 4.21 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt D-Statcom tương ứng………………………………………………………………………………………. 101 Hình 4.22 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13……….. 102 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) là những thay đổi về điện áp, dòng điện, tần số dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị tiêu thụ điện. Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử khiến cho các thiết bị tiêu thụ điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN. Việc hình thành thị trường điện, đặc biệt là thị trường có sự tham gia của các công ty quản lý lưới phân phối điện cũng như áp lực phải tạo ra môi trường cơ sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn tại Việt Nam trong những năm gần đây khiến sự quan tâm của cả khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý lưới điện và bên sản xuất thiết bị điện đối với CLĐN trở nên đặc biệt. Có thể nói, tại Việt Nam, trong các khu vực lưới điện thì lưới phân phối điện, đặc biệt là lưới phân phối điện công nghiệp, than phiền của khách hàng cũng như những tranh chấp về pháp lý liên quan đến các vấn đề chuyên môn về CLĐN xảy ra nhiều nhất. Trong các hiện tượng CLĐN thì biến dạng gây sóng hài và biến thiên điện áp ngắn hạn như sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) là những hiện tượng gây nhiều vấn đề nhất đối với phụ tải nhạy cảm được ghi nhận tại Việt Nam. Đã có một số nghiên cứu trong nước về đánh giá CLĐN và các giải pháp. Tuy vậy, vấn đề là có nhiều hiện tượng CLĐN và tác dụng đối với phụ tải cũng rất đa dạng. Nghiên cứu khắc phục tác động của sóng hài và đặc biệt là nghiên cứu khắc phục SANH tại Việt Nam mới có một số ít và chủ yếu là bảo vệ cho phía các phụ tải, do các khách hàng thực hiện. Với việc phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, các thiết bị điện tử công suất với công suất lớn đã và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống điện. Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được sử dụng trong khu vực lưới truyền tải với nhiều mục đích như nâng cao khả năng tải của đường dây, cải thiện giới hạn ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới truyền tải. Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới phân phối, còn gọi là D-FACTS trong đó gồm lớp các thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device – CPD) như các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) đang dần được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Các thiết bị CPD, ngoài việc đảm bảo chất lượng vận hành dài hạn, còn khắc phục tốt nhiều hiện tượng CLĐN nhờ khả năng đáp ứng nhanh của các thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33]. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về ứng dụng của thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối. Sở dĩ có vấn đề này là vì bên quản lý lưới phân phối điện là các công ty điện lực chưa quan tâm đến việc ứng dụng của thiết bị CDP. Với những lý do trên, luận án với tên đề tài: “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị D-FACTS” được tác giả đặt ra nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới cung cấp điện, hay còn có thể gọi là lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng tại Việt Nam. 2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp nâng cao CLĐN sử dụng thiết bị CPD và tụ bù công suất phản kháng. Hiện tượng CLĐN được xem xét là SANH do ngắn mạch và biến dạng gây sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối, có xét một 2 số đặc thù của lưới phân phối điện của Việt Nam. Bên cạnh đó các chỉ tiêu chất lượng vận hành như độ lệch điện áp lưới điện trong vận hành, tổn thất điện năng trong vận hành cũng được xem xét khi xây dựng mô hình bài toán tối ưu ứng dụng các giải pháp. Trong các nghiên cứu của luận án, lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE, lưới phân phối mẫu 16 nút được xây dựng từ lưới mẫu 13 nút trên đây có xét những đặc điểm riêng của lưới phân phối điện Việt Nam được sử dụng làm đối tượng minh họa cho hiệu quả của các giải pháp nâng cao CLĐN được nghiên cứu của luận án. Công cụ giải các bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) nói riêng cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Các từ khóa chính của luận án bao gồm: CLĐN, SANH, sóng hài, độ lệch điện áp, tổn thất điện năng, lưới phân phối điện, thiết bị CPD, thiết bị DVR, thiết bị D-Statcom. 3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án Luận án nghiên cứu đánh giá một số vấn đề về CLĐN và xem xét các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới phân phối với các mục tiêu cụ thể sau: a) Nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom nhằm khắc phục hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trên lưới phân phối. b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng và nâng cao CLĐN trong lưới phân phối gồm cải thiện độ lệch điện áp và cải thiện tổng mức biến dạng sóng hài, có xét một số đặc trưng lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam. c) Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng so sánh tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom đối với SANH do ngắn mạch và sóng hài gây ra bởi các phụ tải phi tuyến điển hình trong lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam như lò hồ quang điện. Trong ba mục tiêu trên đây, mục tiêu (a) là mục tiêu chính của luận án. Để có cơ sở phân tích và đề xuất mô hình và giải bài toán (a): mục tiêu (b) và mục tiêu (c) được thực hiện, trong đó mục tiêu (c) cho cơ sở minh họa tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom giúp đề xuất phương án ứng dụng của các thiết bị này. Mục tiêu (b) vừa có tính minh họa việc xây dựng mô hình bài toán tối ưu và công cụ giải cho mục tiêu (a), vừa xem như một nghiên cứu ứng dụng khi xây dựng mô hình định lượng đánh giá tác dụng của sóng hài trong lưới điện công nghiệp có lò hồ quang điện tại Việt Nam. Các giải pháp trên đây được phân tích và đề xuất dựa trên quan điểm nâng cao CLĐN của hệ thống, chứ không chỉ CLĐN cho riêng một nút phụ tải riêng biệt và được thực hiện bởi bên quản lý lưới phân phối điện, mà ở Việt Nam là các công ty điện lực. Việc phân tích và đánh giá CLĐN được lồng trong mô hình bài toán tối ưu như là bước đầu tiên của quá trình tối ưu hóa việc thực hiện giải pháp. Việc khắc phục SANH được thực hiện dựa trên tính toán đánh giá SANH trong lưới phân phối do ngắn mạch. Việc khắc phục sóng hài dựa trên việc mô phỏng, tính toán và đánh giá tình hình sóng hài trên lưới phân phối điện. 4. Phương pháp thực hiện Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về việc xây dựng mô hình và giải các bài toán liên quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối điện, hướng nghiên cứu của luận án sẽ được đề xuất. Bài toán tối ưu hóa đối với các giải pháp nâng cao CLĐN 3 nhìn chung có dạng tối ưu hóa phi tuyến và có một số hướng giải quyết bài toán. Luận án ứng dụng thuật toán di truyền để giải các bài toán này. Đây là thuật toán có tính ứng dụng đa năng [21, 38, 47, 64, 73], có thể giải được nhiều dạng bài toán tối ưu và có công cụ ứng dụng thuận lợi cho việc lập trình trên Matlab. Bên cạnh đó, việc giải bài toán tính toán chế độ xác lập và ngắn mạch của lưới phân phối và xác định các chỉ tiêu CLĐN cũng được thực hiện trên Matlab. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án Với những vấn đề đặt ra và mục tiêu đề xuất thực hiện trên đây của luận án, những điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính: - Về ý nghĩa khoa học: Do chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam về ứng dụng thiết bị CPD để cải thiện CLĐN đối với toàn hệ thống nên nghiên cứu này có thể xem như một trong những nghiên cứu tiên phong về lĩnh vực này tại Việt Nam. Cái khó khiến ít nghiên cứu tiến sâu trong lĩnh vực này do thiết bị CPD là đáp ứng động, nên thường chỉ xem xét mô hình dưới dạng các mô phỏng động. Đối với bài toán trong đó CPD là giải pháp CLĐN thì nghiên cứu thường chỉ xét cho việc bảo vệ một phụ tải nhất định. Do đó, một hạn chế lớn của những nghiên cứu trước đây là không xem xét những tác động mang tính hệ thống của các thiết bị CPD. Nghiên cứu này sẽ cố gắng xây dựng mô hình toán mô tả tác dụng của thiết bị CPD trong mô hình chung của lưới điện theo hiện tượng CLĐN tương ứng (chẳng hạn như SANH do ngắn mạch) để từ đó xây dựng mô hình bài toán tối ưu tính toán lựa chọn vị trí và công suất của thiết bị CPD. Bên cạnh ý nghĩa chính trên đây đối với tác dụng của thiết bị CPD, việc nghiên cứu hạn chế sóng hài trên lưới phân phối dưới dạng mô hình bài toán tối ưu cũng chưa được xem xét tại Việt Nam và nghiên cứu này cũng được xem như một trong những nghiên cứu ban đầu về hạn chế tác dụng sóng hài mang tính hệ thống. Việc lựa chọn công cụ tìm kiếm thông minh là thuật toán di truyền để giải bài toán này cũng có giá trị tham khảo nhất định cho việc ứng dụng của công cụ này đối với các bài toán tối ưu phi tuyến khó giải bằng các phương pháp giải tích (analytic) thông thường như các mô hình bài toán ứng dụng giải pháp cải thiện CLĐN mang tính hệ thống. - Về ý nghĩa thực tiễn: Vấn đề CLĐN hiện nay đang rất được quan tâm và giải pháp từ phía hệ thống đối với các khu vực lưới phân phối tại Việt Nam hầu như chưa có. Hiện tại các đơn vị quản lý lưới phân phối mới chủ yếu cố gắng ứng dụng tụ bù đến giảm tổn thất trên lưới điện ở tần số 50Hz, và việc ứng dụng này thuần túy mang tính kinh nghiệm hoặc ứng dụng cho các lưới điện đơn giản. Ba mục tiêu được đề xuất của luận án có thể xem là tài liệu tham khảo rất tốt cho việc triển khai các giải pháp nâng cao CLĐN và giảm tổn thất mang tính hệ thống đối với các đơn vị quản lý lưới phân phối điện, trong đó trực tiếp nhất là những đề xuất sử dụng tụ bù công suất phản kháng để giảm tổn thất và cải thiện chất lượng độ lệch điện áp, tổng mức biến dạng sóng hài của lưới phân phối. Còn nhìn vào tương lai xa hơn, việc ứng dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng vận hành của lưới phân phối nói chung, nâng cao CLĐN nói riêng sẽ được thúc đẩy. Ngoài ra, tuy mục tiêu (c) chỉ mang tính hỗ trợ cho mục tiêu nghiên cứu (a), nhưng về ý nghĩa thực tiễn thì rất cao do luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng động lưới phân phối có lò hồ quang điện, mô tả tốt cho thực trạng CLĐN của lưới phân phối điện tại một số khu công nghiệp có lò hồ quang và đề xuất các giải pháp khắc phục như sử dụng các thiết bị CPD. 4 6. Các đóng góp mới của Luận án - Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và đánh giá tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom với các vấn đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong lưới phân phối có xét những đặc điểm đặc thù của Việt Nam như lưới điện 3 pha, phụ tải 3 pha đối xứng, đặc điểm phụ tải công nghiệp sản xuất thép (phụ tải lò hồ quang điện). - Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng tụ bù trong lưới phân phối nhằm giảm tổn thất và cải thiện CLĐN, có xét lưới điện có sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra. Mô hình bài toán tính toán chế độ xác lập ở tần số sóng hài được xây dựng để tính toán tổn thất công suất do sóng hài và tổng mức biến dạng sóng hài nhằm phục vụ cho việc tính toán hàm mục tiêu và kiểm tra các ràng buộc của bài toán tối ưu vị trí tụ bù trong lưới phân phối. Toàn bộ các tính toán trên cũng như sử dụng công cụ giải là thuật toán di truyền được thực hiện trên Matlab. - Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu chọn vị trí và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom để khắc phục hiện tượng SANH do ngắn mạch, trong đó việc tính toán và đánh giá các đặc trưng của SANH (như biên độ điện áp) sử dụng mô hình toán mô tả tác dụng của các thiết bị này đề xuất. Đây được xem là đóng góp chính của nghiên cứu trong luận án. 7. Bố cục của Luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 5 chương và phụ lục, cụ thể như sau: - Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án: Tính cấp thiết của đề tài; mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; các đóng góp của luận án. - Chương 1: Tổng quan các bài toán về nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện. Nghiên cứu tổng quan về CLĐN của lưới phân phối: Các hiện tượng, nguyên nhân, hậu quả và các chỉ tiêu đánh giá cũng như các giải pháp khắc phục. Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của lưới phân phối. Nghiên cứu tổng quan các mô hình và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa khi ứng dụng các giải pháp sử dụng tụ bù và thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN với quan điểm lợi ích từ phía bên cấp điện. Từ đó định hướng nghiên cứu của luận án. - Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của lưới phân phối. Xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị DVR, D-Statacom trong Matlab/Simulink nhằm so sánh và đánh giá hiệu quả khắc phục SANH trên lưới phân phối với nguyên nhân do ngắn mạch gây ra cũng như sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối sử dụng lưới phân phối mẫu 13 nút. - Chương 3: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí đặt của tụ bù nhằm giải tổn thất và khắc phục sóng hài trong lưới phân phối có xét điều kiện Việt Nam. Chương này xây dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù có xét các trường hợp ứng dụng bao gồm thứ nhất là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện; thứ hai là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện và tổng mức biến dạng sóng hài trong lưới phân phối có sóng hài. Mô hình bài toán và phương pháp giải của bài toán trong Chương 3 được dùng làm một trong những cơ sở để xây dựng và giải bài toán tối ưu ở Chương 4. 5 - Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị DVR và D-STATCOM nhằm khắc phục SANH của lưới phân phối. Trong Chương này, luận án đề xuất ứng dụng các mô hình mô tả DVR và D-Statcom khi tính toán ngắn mạch để tính toán hàm mục tiêu và các ràng buộc của bài toán tối ưu. Các tham số ảnh hưởng đến kết quả tính toán cũng được phân tích. - Kết luận và kiến nghị - Tài liệu tham khảo và phụ lục. Trình tự bố cục của luận án có thể được minh họa qua Hình 0.1 sau: Chương 1 Tổng quan các bài toán nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện Chương 2 Hiệu quả sử dụng thiết bị CPD (phần tử tích cực) nâng cao CLĐN Chương 3 Hiệu quả sử dụng tụ bù (phần tử thụ động) nâng cao CLĐN Hình 0 1. Cấu trúc của luận án Chương 4 Sử dụng thiết bị CPD khắc phục SANH trong lưới phân phối điện 6 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN Chất lượng điện năng trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối điện nói riêng là chủ đề nghiên cứu rộng bao gồm nhiều hiện tượng CLĐN, nguyên nhân sinh ra, các tác động, các giải pháp và các đối tượng áp dụng. Để giúp làm rõ nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án, trong chương này, tác giả sẽ tóm tắt các vấn đề cơ bản về CLĐN, tổng hợp một cách tương đối ngắn gọn nội dung các bài toán điển hình về nghiên cứu nâng cao CLĐN trong lưới phân phối, phân tích những tồn tại và xây dựng hướng nghiên cứu của luận án. 1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối 1.1.1. Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối Chất lượng điện năng là chỉ các hiện tượng biến thiên về điện áp, dòng điện và tần số dẫn đến làm các thiết bị điện trong hệ thống điện ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng theo chức năng được thiết kế. Có rất nhiều hiện tượng CLĐN xuất hiện trong hệ thống điện gây hậu quả trên và theo IEEE1159-1995, CLĐN được phân loại theo các đặc trưng về biên độ, thời gian tồn tại và phổ tần đặc trưng như được cho trong Bảng 1.1 dưới đây [4, 7, 29]. Bảng 1.1. Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995 Nhóm 1. Quá độ 1.1 Quá độ xung kích 1.1.1 Nano giây 1.1.2 Micro giây 1.1.3 Mili giây 1.2 Quá độ dao động 1.2.1 Tần số thấp 1.2.2 Tần số trung bình 1.2.3 Tần số cao 2. Biến thiên điện áp ngắn hạn 2.1 Tức thời 2.1.1 Mất điện áp 2.1.2 Sụt áp (Sag) 2.1.3 Tăng áp (Swell) 2.2 Thoáng qua 2.2.1 Mất điện áp 2.2.2 Sụt áp 2.2.3 Tăng áp 2.3 Tạm thời 2.3.1 Mất điện áp Độ lớn điện áp điển hình Phạm vi phổ tần điển hình Khoảng thời gian điển hình 5 ns 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 kỳ 0,5 – 30 chu kỳ 0,5 – 30 chu kỳ < 0,1 pu 0,1 – 0,9 pu 1,1 – 1,8 pu 30 chu kỳ - 3 s 30 chu kỳ - 3 s 30 chu kỳ - 3 s <0,1 pu 0,1 – 0,9 pu 1,1 – 1,4 pu 3 s – 1 phút < 0,1 pu 7 2.3.2 Sụt áp 2.3.3 Tăng áp 3. Biến thiên điện áp dài hạn 3.1 Mất điện áp duy trì 3.2 Thấp điện áp 3.3 Quá điện áp 4. Mất đối xứng điện áp 5. Biến dạng sóng 5.1 Một chiều 5.2 Sóng hài 5.3 Liên sóng hài 5.4 Vết cắt trên dạng sóng 5.5 Nhiễu ồn 6. Dao động điện áp 0 – 6 kHz Phổ tần rộng < 25 Hz 3 s – 1 phút 3 s – 1 phút 0,1 – 0,9 pu 1,1 – 1,2 pu > 1 phút > 1 phút > 1 phút Xác lập 0,0 pu 0,8 – 0,9 pu 1,1 – 1,2 pu 0,5 – 2 % Xác lập Xác lập Xác lập Xác lập Xác lập 0 – 1% 0,1 – 7% * pu: Per unit – Đơn vị tương đối. ( ) Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng gây sóng hài là những hiện tượng gây tác động xấu chủ yếu đến các thiết bị điện trong lưới phân phối điện Việt Nam hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Để chuẩn bị cho các phân tích trong nội dung nghiên cứu ở các phần sau của luận án, một số kiến thức chính về hai hiện tượng CLĐN trên được trình bày tóm tắt như các mục sau. 1.1.2. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49] a. Tóm tắt hiện tượng: Hình 1.1. Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995) Theo tiêu chuẩn IEEE1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn (BĐN) là sự thay đổi trị số điện áp hiệu dụng ở tần số HTĐ (50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút. Tùy theo biên độ (magnitude) và thời gian tồn tại (duration) của sự kiện, BĐN còn có thể được phân loại cụ thể hơn thành các dạng như Hình 1.1. 8 Trong các hiện tượng BĐN, sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) thường hay xảy ra hơn và cũng là đối tượng được nghiên cứu nhiều hơn. b. Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện - Ngắn mạch trong hệ thống điện Nguyên nhân chủ yếu gây ra trên 90% SANH là do các sự cố (ngắn mạch) trong hệ thống điện. Hình 1.2 minh họa SANH do sự cố ngắn mạch trên một nhánh của xuất tuyến 22kV (sự cố 1). Khi đó, điện áp lưới sẽ giảm dần từ nguồn về đến điểm ngắn mạch và tại thanh cái 22kV của trạm biến áp trung gian 110/22kV, điện áp sẽ giảm sâu. Sau một thời gian nhất định, bảo vệ ở đầu rẽ nhánh bị sự cố là cầu chì 22kV sẽ tác động loại để trừ nhánh này. Nhờ đó, điện áp tại thanh cái 22kV sẽ được phục hồi. Các phụ tải nối vào các xuất tuyến 22kV khác sẽ trải qua sự kiện SANH. Sự cố cũng có thể xảy ra trên các xuất tuyến khác, hoặc tại máy biến áp, hoặc sự cố ở trên lưới truyền tải như điểm sự cố 2, Hình 1.2. Trong thời gian bảo vệ A và B làm việc, các phụ tải trên lưới cũng sẽ chịu SANH. Hình 1.2. Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch Biên độ SANH chính là điện áp nút của lưới điện khi có ngắn mạch. Hình dạng chủ yếu của SANH do sự cố ngắn mạch có dạng hình chữ nhật với hai đặc trưng chính là biên độ và thời gian tồn tại (Hình 1.3). Hình 1.3. Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật Biên độ này phụ thuộc vào tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch như tổng trở ngắn mạch, sơ đồ lưới điện, công suất ngắn mạch... Thời gian tồn tại của SANH chính là thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ lưới điện. Đối với lưới phân phối, bảo vệ chính được sử dụng về cơ bản là bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc thường lâu hơn 9 0,5 giây. Đối với lưới truyền tải bảo vệ thường là loại cắt nhanh nên thời gian thường chỉ cỡ 0,1-0,2 giây. - Khởi động động cơ Động cơ điện là phụ tải rất phổ biến trong hệ thống điện, đặc biệt trong các lưới điện công nghiệp. Các động cơ điện, đặc biệt là động cơ không đồng bộ, do dòng điện mở máy lớn khi mở máy trực tiếp cũng gây sụt giảm điện áp lớn trên mạch nối với động cơ trong thời gian mở máy. Do đó, các phụ tải nối chung mạch cấp điện với động cơ được mở máy sẽ trải qua SANH với đặc tính có dạng hình tam giác như Hình 1.4. Dạng đặc tính SANH của động cơ như vậy là do việc giảm dần dòng điện mở máy khi tốc độ động cơ tăng dần ở thời điểm cuối của SANH. Hình 1.4. Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ Ngoài ra, SANH còn do các nguyên nhân như đóng các phụ tải lớn vào lưới điện, mở máy không tải máy biến áp công suất lớn. Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, SANH thường có biên độ giảm nhỏ và ít gây nguy hiểm cho lưới điện. c. Hậu quả và đánh giá tác động của sụt giảm điện áp ngắn hạn Về mặt năng lượng, SANH làm giảm lượng năng lượng cần thiết cung cấp cho các thiết bị dùng điện và do đó sẽ làm cho các thiết bị nhạy cảm ngừng làm việc hay làm việc không đúng theo yêu cầu thiết kế. Các thiết bị sau chịu nhiều ảnh hưởng bởi SANH nhất: - Các bộ cấp nguồn cho máy tính và các thiết bị điện tử, các bộ điều tốc có thể sẽ ngừng làm việc dưới tác động của SANH. Đó là do trong cấu trúc chung của bộ cấp nguồn cho các thiết bị này, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều và nạp cho tụ. Năng lượng của tụ trên mạch một chiều là hữu hạn. SANH sẽ gây thiếu năng lượng nạp vào tụ và có thể dẫn đến giảm điện áp một chiều đầu ra. - Contactor và rơ le điện cơ sẽ không tin cậy dưới tác động của một sự kiện SANH. Theo tiêu chuẩn IEC 60947-4-1, contactor chỉ làm việc đúng khi điện áp trong những dải cho phép (đóng: 85-110%Uđm, cắt: 20-75%Uđm). - Đối với động cơ không đồng bộ, thường chỉ có SANH thấp hơn 30%Uđm mới có tác động. Khi lõm điện áp bắt đầu xảy ra, mô men điện từ của động cơ giảm dẫn đến giảm tốc độ động cơ. Khi điện áp được phục hồi sau sự kiện SANH, quá trình mở máy trở lại của động cơ sẽ làm sự phục hồi điện áp chậm lại. - Đối với đèn dựa trên nguyên lý phóng điện trong chất khí (đèn cao áp), đèn sẽ tắt nếu mất điện áp quá 2 chu kỳ hoặc khi có SANH với biên độ dưới 45%Uđm. Cần vài phút để làm nguội và khởi động lại. Đèn bị lão hoá có thể tắt thậm chí với SANH có biên độ 85%Uđm. 10 Tác động của SANH và BĐN đến sự làm việc của các thiết bị dùng điện được đánh giá dựa trên đặc tính chịu điện áp của thiết bị. Việc ứng dụng ngày càng phổ biến các thiết bị và linh kiện điện tử công suất như trên khiến cho các thiết bị điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN nói chung và SANH nói riêng. Do đó, đặc tính chịu điện áp của các thiết bị điện sử dụng các linh kiện điện tử thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của SANH. Năm 1977, Hiệp hội các nhà sản xuất và kinh doanh máy tính (Computer Business Equipment Manufacturers Association - CBEMA) đã giới thiệu đặc tính chịu điện áp cho các máy tính lớn có dạng Hình 1.5.a. Hình 1.5. Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC Năm 1996, Hội đồng công nghiệp công nghệ thông tin (Information Technology Industry Council - ITIC) thiết kế lại đặc tính chịu điện áp CBEMA. Đặc tính ITIC (Hình 1.5.b) có dạng tuyến tính hoá với vùng an toàn được mở rộng hơn, ITIC được sử dụng cho phụ tải một pha 120 V - 60 Hz. Năm 1999, đặc tính SEMI F47-0200 (Hình 1.6) ứng dụng cho các thiết bị và quá trình bán dẫn công nghiệp được đề xuất bởi các nhà sản xuất thiết bị bán dẫn, trong đó vùng khả năng chịu điện áp được mở rộng trong khoảng thời gian từ 1 chu kỳ (0,02 giây) đến 10 chu kỳ (0,2 giây). Hình 1.6. So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200 d. Các biện pháp khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 11 Các giải pháp khắc phục tác động của SANH được chia thành ba nhóm ứng với ba giai đoạn: Hình thành, lan truyền trên lưới điện và tác động đến phụ tải nhạy cảm. Cụ thể, - Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH: Giảm suất sự cố ngắn mạch trên lưới điện bằng các giải pháp bao gồm: Thay đường dây trên không bằng cáp ngầm, sử dụng dây dẫn bọc thay dây dẫn trần, giải phóng hành lang tuyến dây dẫn, lắp đặt lưới bảo vệ, tăng cấp cách điện, tăng tần suất bảo dưỡng. Sử dụng các phương pháp mở máy mềm đối với động cơ, mở máy dùng động cơ rotor dây quấn để hạn chế SANH do mở máy động cơ. - Các giải pháp cho lưới điện: Giảm thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch. Các giải pháp bao gồm: Sử dụng cầu chì hạn chế dòng ngắn mạch (Thời gian cắt thường nhỏ hơn nửa chu kỳ), dùng thiết bị tự đóng lại, sử dụng máy cắt có thời gian tác động nhanh hơn, sử dụng bảo vệ quá dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc và giảm cấp thời gian bảo vệ nếu có thể trên một xuất tuyến của lưới phân phối điện. Thay đổi sơ đồ lưới điện: Các giải pháp chính có thể xem xét như: Đặt máy phát dự phòng tại gần các phụ tải nhạy cảm, phân đoạn lưới điện để thay đổi vùng ảnh hưởng của SANH, đặt kháng điện hạn chế dòng điện ngắn mạch tại những nơi thích hợp trên lưới điện để tăng khoảng cách về điện từ điểm ngắn mạch đến PCC. - Các giải pháp đối với phụ tải nhạy cảm: Đối với các phụ tải nhạy cảm, mục tiêu là phải ổn định được điện áp trên đầu cực của phụ tải. Các giải pháp thuộc nhóm này thường là đặt thiết bị ổn định điện áp đầu cực phụ tải. Các giải pháp bao gồm: Dùng máy biến áp cộng hưởng sắt từ, sử dụng các nguồn dự phòng UPS (Uninterruptible Power Supply) nối song song với nguồn lưới cấp cho các phụ tải nhạy cảm. Dùng tổ máy phát - động cơ đồng trục có ghép nối qua bánh đà. Hình 1.7. Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm Hình 1.8. Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ Sử dụng thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device) [11]: Thiết bị nghịch lưu nguồn áp (VSI) hoặc nghịch lưu nguồn dòng (ISC), nối giữa nguồn và phụ tải nhạy cảm, để đảm bảo CLĐN cấp cho phụ tải. Các dạng thiết bị điều hòa công suất có thể là thiết bị bù ngang: Thiết bị bù CSPK tĩnh (Static Var Compensator – SVC), thiết bị bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator – Statcom, D-Statcom), thiết bị bù dọc: Thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) hoặc hợp bộ kết hợp cả chức năng của thiết bị bù ngang và bù dọc (Unified Power Quality Conditioner – UPQC). Cấu trúc cơ bản bao gồm MBA kết nối, bộ nghịch lưu (VSI hoặc CSI) và bộ cấp năng lượng phía một chiều (ắc quy, tụ điện hoặc nguồn một chiều chỉnh lưu…).