Tài liệu Nghiên cứu đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài gây ra trong hệ thống cung cấp điện các công trình dân dụng và các yếu tố ảnh hưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- HOÀNG TRẦN THÀNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG DO SÓNG HÀI GÂY RA TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chuyên ngành: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. BẠCH QUỐC KHÁNH Hà Nội – Năm 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Trần Thành Đề tài luận văn: Nghiên cứu đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài gây ra trong hệ thống cung cấp điện các công trình dân dụng và các yếu tố ảnh hưởng . Chuyên ngành: Hệ thống điện Mã số HV: CA160500 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 27/10/2017 với nội dung sau: 1. Chỉnh sửa mô hình tính toán sóng hài và tính toán lại dòng điện nhánh và tổn thất điện năng. 2. Bổ sung chỉ dẫn tài liệu tham khảo. 3. Chỉnh sửa các hình vẽ rõ ràng hơn. Ngày ……./……./ 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS. Bạch Quốc Khánh Hoàng Trần Thành CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. Đặng Quốc Thống Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 8 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ......................................... 8 1.1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng .......................................................... 8 1.1.2 Các tiêu chuẩn cho phép đối với chất lượng điện năng ............................. 8 1.2 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI, NGUỒN GỐC SINH SÓNG HÀI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ........................................................ 13 1.2.1 Giới thiệu chung.................................................................................... 13 1.2.2 Định nghĩa về sóng hài: ......................................................................... 16 1.2.3 Số lượng méo sóng hài. ......................................................................... 21 1.2.4 Giới hạn méo sóng hài............................................................................ 23 1.2.5 Ảnh hưởng của sóng hài bậc 3................................................................ 24 1.2.6. Hiện tượng cộng hưởng ......................................................................... 26 1.2.7. Các nguồn gây ra sóng hài..................................................................... 28 1.2.8. Các ảnh hưởng của sóng hài. ................................................................. 35 I.2.9. Khử sóng hài.......................................................................................... 41 1.3 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI HẠ THẾ TRONG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG ......................................................................................... 44 1.3.1 Các sơ đồ phân phối hạ thế trong công trình dân dụng............................ 44 1.3.2 Các quy chuẩn, tài liệu làm cơ sơ tính toán trong hệ thống điện toà nhà . 47 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG DO SÓNG HÀI GÂY RA TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN CÁC CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG ........................................................................ 51 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ: ............................................................................................ 51 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI ĐIỆN ....................................................................................................... 51 2.2.1 Các phương pháp tính toán tổn thất điện năng (TTĐN)[1]...................... 51 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 1 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN 2.2.2 Lựa chọn phương pháp tính toán TTĐN trong lưới điện công trình dân dụng................................................................................................................ 53 2.3 TÍNH TOÁN TTĐN DO SÓNG HÀI GÂY RA TRONG NHÀ CAO TẦNG ........................................................................................................................... 55 2.3.1 Xây dựng mô hình tính toán lưới điện ở tần số sóng hài. ........................ 55 2.3.2 Lựa chọn mô hình lưới điện ở tần số sóng hài ........................................ 55 2.3.3. Xây dựng lưu đồ trình tự tính toán........................................................ 57 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG DO SÓNG HÀI CHO TÒA NHÀ N07-B3 DỊCH VỌNG CẤU GIÁY HÀ NỘI. ..................... 60 3.1. ĐỐI TƯỢNG TÍNH TOÁN THEO MÔ HÌNH CHƯƠNG 2 LÀ TÒA NHÀ CHUNG CƯ N07-B3 DỊCH VỌNG CẦU GIẤY............................................... 60 3.2 TÍNH TOÁN TTĐN VỚI SÓNG HÀI CƠ BẢN ( 50Hz) ............................. 65 3.3 TÍNH TOÁN TTĐN DO SÓNG HÀI CHUNG CƯ N07-B3 DỊCH VỌNG CẦU GIẤY ........................................................................................................ 75 3.3.1.Tính toán TTĐN do sóng hài thời gian từ 0h6h và 23h24h mùa hè . 75 3.3.2 Tính toán tổn thất điện năng ở sóng hài ở những khoảng thời gian khác nhau trong mùa hè........................................................................................... 81 3.4. ẢNH HƯỞNG CỦA TỤ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG. .................... 83 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ........................................................ 97 4.1 TỔNG HỢP KẾT QUẢ TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG VÀ CHI PHÍ HÀNG NĂM PHẢI TRẢ THÊM DO SÓNG HÀI ......................................................... 97 4.2 KẾT LUẬN: ............................................................................................. 99 4.3 KIẾN NGHỊ. ............................................................................................ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO: .................................................................................. 100 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 2 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện Ký hiệu CSPK TTĐN TTCS CLĐN ĐTPT HTCCĐ RMS THD TDD IDH IEEE PC SMPS ASD TOV CTC START STOP KQ BIBC BCBV GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Công suất phản kháng Tổn thất điện năng Tổn thất công suất Chất lượng điện năng Đồ thị phụ tải điện Hệ thống cung cấp điện Giá trị căn của các tổng bình phương( căn quân phương) Tổng méo sóng hài Tổng méo nhu cầu Méo sóng hài riêng lẻ Tiêu chuẩn do viện kỹ thuật điện điện tử ban hành Máy tính cá nhân Bộ chuyển đổi chế độ nguồn cấp Biến tần Qúa điện áp tạm thời Chương trình con Bắt đầu Kết thúc Kết quả Ma trân biến đổi từ dòng nút sang dòng nhánh Ma trận tính toán tổng độ lệch điện áp nút so với nút cơ sở từ dòng điện nhánh DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Tiêu chuẩn quy định Việt Nam (QCVN:2015)về giới hạn méo điện áp.. 12 Bảng 1. 2 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 quy định giới hạn méo điện áp................... 13 Bảng 1. 3 IEEE 519-1992 và tổng giới hạn dòng điện sóng hài bậc lẻ đưa ra trong phần trăm dòng điện phụ tải. Các sóng hài bậc chẵn được giới hạn đến 25% của giới hạn sóng hài bậc lẻ ................................................................................................ 23 Bảng 1. 4 Bảng dữ liệu phổ sóng hài các phụ tải điện có khả năng sinh ra sóng hài. .............................................................................................................................. 50 Bảng 3. 1 Thông số đường dây .............................................................................. 61 Bảng 3. 2 Thông số máy biến áp............................................................................ 61 Bảng 3. 3 Thông số thiết kế chiếu sáng theo các tiêu chuẩn Việt nam .................... 62 Bảng 3. 4 Thông số phụ tải căn hộ ......................................................................... 62 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 3 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Bảng 3. 5 Hệ số đồng thời trong căn hộ chung cư ( theo tiêu chuẩn IEC 2016). ..... 62 Bảng 3. 6 Hệ số đồng thời của các phụ tải điển hình ( theo tiêu chuẩn Việt nam). 63 Bảng 3. 7 Số liệu máy biến áp ( nút 1 đến nút 2)................................................... 65 Bảng 3. 8 Số liệu cáp điện tổng (nút 1 đến nút 2 )................................................. 65 Bảng 3. 9 Số liệu cáp điện tại các nhánh .............................................................. 65 Bảng 3. 10 Bảng tổng hợp thông số đường dây ở tần số 50Hz .............................. 66 Bảng 3. 11 Thông số tải ở khoảng thời gian 0 6h và 23h 24h ngày mùa hè ... 67 Bảng 3. 12 Cấu trúc kết nối dữ liệu nút lưới điện .................................................. 67 Bảng 3. 13 Bảng thông số tải: ............................................................................... 70 Bảng 3. 14 Dòng điện nhánh................................................................................ 71 Bảng 3. 15 Điện áp tại các nút .............................................................................. 71 Bảng 3. 16 Dòng điện qua các phụ tải sinh sóng hài ( tại tần số 50Hz) ................. 72 Bảng 3. 17 TTCS của HTCCĐ tòa nhà theo từng khoảng thời gian ...................... 74 Bảng 3. 18 Thông số đường dây ở tần số sóng hài bậc 3 ....................................... 77 Bảng 3. 19 Bảng thông số phụ tải ở tần số sóng hài bậc 3 tại các nút tải ............... 77 Bảng 3. 20 Dòng qua các thiết bị ở chế độ xác lập trong 0 6h và 23h 24h mùa hè .......................................................................................................................... 78 Bảng 3. 21 Dòng sóng hài bậc 3 bơm vào lưới tại các nút. ................................... 78 Bảng 3. 22 Dòng điện trên nhánh và dòng điện tải do sóng hài bậc 3 gây ra ....... 79 Bảng 3. 23 Điện áp tại các nút do sóng hài bậc 3 gây ra ...................................... 79 Bảng 3. 24 TTCS trên đường dây DPdd và gia tăng TTCS trên các phụ tải thụ động DPpt do sóng hài ở tất cả các bậc ........................................................................... 80 Bảng 3. 25 Bảng tổng hợp tổn thất công suất do sóng hài gây ra trong khoảng thời gian ....................................................................................................................... 83 Bảng 3. 26 Bảng thông số điện trở các nhánh ....................................................... 89 Bảng 3. 27 Bảng thông số tải các nhánh ................................................................ 89 Bảng 3. 28 Bảng tính dung lượng bù CSPK ........................................................... 89 Bảng 3. 29 Bảng so sánh dòng điện qua các nhánh khi có hoặc không có tụ bù công suất phản kháng trong thời gian từ 19-23h (xét sóng hài bậc 5) ........................... 90 Bảng 3. 30 Bảng so sánh dòng điện tại nút tải khi có hoặc không có tụ bù công suất phản trong thời gian từ 19-23h (xét sóng hài bậc 5) ..................................... 91 Bảng 3. 31 Bảng so sánh điện áp nút khi có hoặc không có tụ bù công suất phản kháng trong thời gian từ 19-23h ........................................................................... 91 Bảng 3. 32 Bảng so sánh tổn thất công suất trên đường dây khi có hoặc không có tụ bù công suất phản kháng trong thời gian từ 19-23h .............................................. 92 Bảng 3. 33 Bảng so sánh gia tăng tiêu thụ công suất ở phụ tải khi có hoặc không có tụ bù công suất phản kháng trong thời gian từ 19-23h ..................................... 92 Bảng 3. 34 Bảng so sánh tổn thất điện năng trong trường hợp có tụ bù ................. 94 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 4 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Bảng 3. 35 Bảng tính dung lượng công suất phản kháng sau khi lắp tụ bù tập trung .............................................................................................................................. 94 Bảng 3. 36 Bảng tính dung lượng công suất phản kháng sau khi bù phân nhóm tại nút số 3 .................................................................................................................. 95 Bảng 3. 37 Bảng tổng hợp kết quả CSPK khi lắp tụ phân nhóm........................... 95 Bảng 3. 38 Bảng đánh giá dòng điện qua tụ sau khí bù bị ảnh hưởng tần số sóng hài .............................................................................................................................. 96 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ Hình 1. 1 Ảnh hưởng của sóng hài trên dạng sóng dòng điện và điện áp chế độ bình thường ................................................................................................................... 14 Hình 1. 2 Dạng sóng khác nhau giữa phụ tải phi tuyến và tuyến tính ..................... 15 Hình 1. 3 Suy giảm dạng sóng điện áp với ảnh hưởng sóng hài ............................. 18 Hình 1. 4 Minh họa các hình dạng sóng hài bậc 3 ở dây cáp trung tính .................. 26 Hình 1. 5 Đặc tính từ tính của máy biến áp ............................................................ 31 Hình 1. 6 Sơ đồ thay thế điển hình mạng lưới phân tán hình tia ............................ 45 Hình 1. 7 Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang và phố tần THD = 45,57% 48 Hình 1. 8 Dạng phố tần dòng điện của điều hòa THD = 88,5% ............................. 48 Hình 1. 9 Dạng phố tần dòng điện của tivi THD = 72,5% ................................... 49 Hình 1. 10 Dạng phố tần dòng điện của tủ lạnh THD = 68,1%............................ 49 Hình 1. 11 Dạng phố tần dòng điện của PC THD = 60,1% ................................... 49 Hình 2. 1 Lưu đồ thuật toán tính toán TTCS ở tần số cơ bản 50Hz ..................... 55 Hình 2. 2 Lưu đồ thuật toán tính toán TTĐN do sóng hài gây ra trong HTCCĐ... 59 Hình 3. 1 Sơ đồ một sợi HTCCĐ tòa nhà NO7-B3 – Dịch vọng – Cầu Giấy........ 60 Hình 3. 2 Sơ đồ thay thế HTCCĐ tòa nhà NO7-B3 – Dịch vọng – Cầu giấy. ........ 61 Hình 3. 3 Đồ thị phụ tải của từng thiết bị trong 1 căn hộ mùa hè.......................... 63 Hình 3. 4 ĐTPT của từng thiết bị trong 1 căn hộ................................................. 64 Hình 3. 5 Tổng hợp ĐTPT điển hình ngày mùa hè và mùa đông cho 1 căn hộ .... 64 Hình 3. 6 Sơ đồ thay thế HTCCĐ tòa nhà NO7-B3 – Dịch vọng ( tại 50Hz) ...... 66 Hình 3. 7 . TTCS của HTCCĐ tòa nhà trong ngày mùa hè và ngày mùa đông. ..... 75 Hình 3. 8 Sơ đồ đánh số HTCCĐ khi phân tích tổn hao do sóng hài .................... 76 Hình 3. 9 TTCS trên đường dây và gia tăng TTCS ở phụ tải thụ động trong thời gian từ 19h 24h ngày mùa hè ............................................................................. 81 Hình 3. 10 Biểu đồ gia tăng TTĐN ở phụ tải khi lắp tụ. ....................................... 93 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 5 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN MỞ ĐẦU a. Lý do chọn đề tài: Vì tác giả rất quan tâm đến chất lượng điện năng, mà sóng hài làm ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng điện năng. Sau khi nghiên cứu môn chất lượng điện năng, tác giả quyết định chọn đề tài về sóng hài để nghiên cứu. Do đó tác giả đến gặp Thầy hướng dẫn, được Thầy nhiệt tình giúp đỡ định hướng nghiên cứu và thống nhất tên đề tài:” Nghiên cứu đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài gây ra trong hệ thống cung cấp điện các công trình dân dụng và các yếu tố ảnh hưởng”. Tác giả nhận thấy đây là đề tài mang tính thực tế, đồng thời đây là đề tài mới tại Việt nam, có tính khoa học rất cao. Do đó tác giả muốn đi sâu tìm hiểu nghiên cứu để có thể đóng góp thêm cho công việc thực tế trong cuộc sống. b. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. -Mục đích nghiên cứu: Đi sâu tìm hiểu về sóng hài, đồng thời nghiên cứu các mô hính tính toán và mô phỏng để đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài gây ra và các yếu tố ảnh hưởng khác. -Đối tượng nghiên cứu: Các phụ tải tiêu thụ phát sinh sóng hài như đền chiếu sáng, điều hòa không khí, tivi, tủ lạnh, máy tính PC trong gia đình. Máy biến áp là nơi cấp điện, tụ điện bù công suất phản kháng để năng hệ số công suất. Các dây dẫn điện để đưa điện từ máy biến áp đến phụ tải điện -Phạm vi nghiên cứu: “Nghiên cứu đánh giá tổn thất điện năng do sóng hài gây ra trong hệ thống cung cấp điện trong phạm vi các công trình dân dụng và các yếu tố ảnh hưởng” c. Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 6 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Tác giả xây dựng mô hình tính toán sóng hài, mô phỏng tính toán bằng chương trình Matlab về tổn thất điện năng do sóng hài gây ra theo phương pháp ma trận tổng dẫn nút và phướng pháp khử gauss. Tác giả tính toán mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của sóng hài khi lắp tụ bù công suất phản kháng Đóng góp mới: Tác giả đã đóng góp bằng việc mô phỏng tính toán TTĐN theo phương pháp ma trận tổng dẫn nút và dùng phương pháp khử gauss để tính toán tổn thất điện năng do sóng hài gây ra trong hệ thống điện các công trình dân dụng và phân tích sóng hài ảnh hưởng đến tụ bù công suất phản kháng. Mô phỏng trên phần mềm matlab. Đề tải này có thể mở rộng để tính toán quy mô lưới phân phối hạ thế với số lượng nút lớn d. Phương pháp nghiên cứu: Tác giả xây dụng mô hình tính toán sóng hài, xây dựng lưu đồ thuật toán để tính toán tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối các tòa nhà do sóng hài gây ra. Để hoàn thành luận văn này, tác giả xin trân thành biết ơn đến sự tận tình hướng dẫn của TS. Bạch Quốc Khánh và các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Do thời gian có hạn, vấn đề nghiên cứu trong lĩnh vực mới, chắc chắn luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự góp ý của các Quý thầy cô và đồng nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn./. Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 7 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 1.1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng Khái niệm về chất lượng điện năng, có nhiều cách hiểu cũng như cách định nghĩa về chất lượng điện năng đó là tùy thuộc vào người đánh giá. Có ba đối tác chính là đơn vị cung cấp điện, nhà sản xuất thiết bị điện và khách hàng tiêu thụ điện. Họ rất quan tâm đến chất lượng điện năng. Các nhà sản xuất thiết bị mong muốn nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị, đơn vị cung cấp điện luôn phấn đấu giảm tổn thất công suất và điện năng trên lưới, tăng cường độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu sự phàn nàn của khách hàng về chất lượng dịch vụ trong đó chủ yếu là chất lượng điện năng được cung cấp, còn về phía khách hàng là các hộ tiêu thụ điện thì chất lượng điện năng có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng điện, tiện nghi an toàn và tuổi thọ của thiết bị. Nên khái niệm chất điện năng được định nghĩa như sau a. Quan điểm nhìn nhận từ phía nhà cung cấp điện: Định nghĩa chất lượng điện năng là chất lượng điện áp, tần số và độ tin cậy cung cấp điện đảm bảo theo tiêu chuẩn quy đinh. b. Quan điểm nhìn nhận từ nhà chế tạo sản xuất thiết bị thì có định nghĩa chất lượng điện năng là tập hợp các thông số của điện năng được cung cấp đảm bảo cho thiết bị hoạt động tốt. Tập hợp các thông số này có thể rất khác nhau đối với từng chủng loại thiết bị và từng nhà sản xuất, khách hàng sử dụng điện. c. Quan điểm nhìn nhận từ các hộ tiêu thụ điện( khách hàng sử dụng điện) định nghĩa chất lượng điện năng như sau: Chất lượng điện năng là bất cứ vấn đề nào liên quan đến sai lệch điện áp, dòng điện hoặc tần số mà có thể gây ra sự cố hoặc tác động nhầm của thiết bị tại hộ tiêu thụ. 1.1.2 Các tiêu chuẩn cho phép đối với chất lượng điện năng a) Chất lượng điện năng theo độ tin cậy cung cấp điện Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 8 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Độ tin cậy:” Độ tin cậy là khả năng làm việc của thiết bị thực hiện đầy đủ chức năng của nó, đảm bảo các chỉ tiêu vận hành trong giới hạn cho trước tương ứng với điều kiện và chế độ sử dụng, chế độ bảo hành kỹ thuật, sửa chữa, tàng chữ và chuyên chở đã được quy định” và đó cũng là sắc xuất làm việc tốt của một thiết bị trong một chu kỳ dưới các điều kiện vận hành được thử nghiệm. Sắc xuất làm việc tin cậy là sắc xuất không sảy ra hỏng hóc trong giới hạn thời gian làm việc đã cho. Các chỉ tiêu đánh giá độ tin cậy của hệ thống bao gồm: + Số lần ngừng điện trung bình cho 1 phụ tải trong 1 năm. + Thời gian ngừng điện trung bình cho một phụ tải trong 1 năm. + Điện năng mất do ngừng điện. + Tổn thất kinh tế do mất điện. b) Chất lượng điện áp Chất lượng điện áp bao gồm các chỉ tiêu sau *Độ lệch điện áp phần trăm là sự sai khác giữa điện áp vận hành và điện áp định mức của lưới điện δU= U-Udđ *100[%] Udđ Trong đó: U- Điện áp vận hành (V) Udđ- Điện áp danh định (V). Sai lệch điện áp sẽ ảnh hưởng đến chế độ làm việc và tuổi thọ của thiết bị, thể hiện như tăng quá điện áp hoặc giảm điện áp. Sự tăng giảm phải nằm trong phạm vi cho phép. Tiêu chuẩn cho phép sai lệch theo liện hệ sau: Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 9 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN δU- ≤ δU ≤ δU+ Trong đó U- và U+: là giới hạn dưới và giới hạn trên của độ lệch điện áp. Hệ thống điện Việt Nam, 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%. Trong lưới điện phân phối, ở chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định( độ lệch điện áp cho phép) như sau: + Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là 5%. + Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%. *. Biến thiên điện áp ngắn hạn: Theo tiêu chuẩn IEC 1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn là sự thay đổi trị số điện áp hiệu dụng ở tần số hệ thống điện ( 50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút. Theo biên độ thì biến thiên điện áp được phân loại như sau: + Mất điện áp ngắn hạn là biến thiên điện áp ngắn hạn trong đó trị số điện áp hiệu dụng giảm xuống dưới 10% điện áp danh định. + Sự giảm điện áp ngắn hạn hoặc lõm điện áp là biến thiên điện áp ngắn hạn trong đó trị số điện áp hiệu dụng giảm xuống dưới 90% và trên 10% điện áp danh định + Tăng điện áp ngắn hạn hoặc lồi điện áp là biến thiên điện áp ngắn hạn trong đó trị số điện áp hiệu dụng tăng từ 110% đến 180% giá trị điện áp danh định. Lõm điện áp là hiện tượng có tần suất lớn nhất Theo thời gian tồn tại còn có thể phân loại các biến thiên điện áp ngắn hạn thành các loại sau: + Tức thời nếu thời gian tồn tại từ 0.5 đến 30 chu kỳ. + Thoáng qua nếu thời gian tồn tại từ 30 chu kỳ đến 3 giây Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 10 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN + Tạm thời nếu thời gian tồn tại từ 3 giây đến 1 phút. Đưa ra chỉ tiêu về biến thiên điện áp ngắn hạn Bảng tần suất lõm điện áp theo khoảng chia đặc trưng được giám sát tại một vị trí. Biên độ[%Udd] 80-90 70-80 60-70 50-60 40-50 30-40 20-30 10-20 0-10 0-0,2 giây 0,2-0,4 giây 0,4-0,6 giây 0,6-0,8 giây >0,8 giây 18 2,8 1,2 0,5 2,1 7,7 0,7 0,4 0,2 0,5 3,9 0,6 0,2 0,1 0,2 2,3 0,4 0,1 0,1 0,1 1,4 0,3 0,1 0,1 0 1 0,2 0,1 0 0,1 0,4 0,1 0,1 0 0 1 0,1 0,1 0 0,1 0,1 0,1 0 2,1 Bảng giới hạn độ nhấp nháy điện áp Điện áp 110kV,220kV,500kV Trên 1kV đến 35kV Đến 1kV Mức nhấp nháy cho phép Pst95%=0,80 Plt95%=0,60 Pst95%=1,00 Plt95%=0,80 Pst95%=1,00 Plt95%=0,80 Tại điểm đấu nối của lưới điện đến 1kV với lưới điện đến 35kV, độ nhấp nháy điện áp thời gian ngắn (P st) không được vượt quá 0.9 và độ nhấp nháy điện áp thời gian dài (Plt ) không được vượt quá 0.7 căn cứ tiêu chuẩn IEC 1000-3-7. c) Chất lượng tần số - sóng hài bậc cao: + Chất lượng tần số là một trong chỉ tiêu quan trọng nhất của hệ thống điện. Điều khiển tần số là bài toán có quy mô hệ thống. Việc duy trì tần số nằm trong vùng giới hạn cho phép là cân bằng tức thời giữa công suất tác dụng của nguồn phát và công suất tác dụng phụ tải tại tần số danh định của hệ thống điện. + Hài bậc cao trong hệ thống cung cấp điện. Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 11 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Trong trạng thái cơ bản tại tần số 50Hz, ngoài tần số cơ bản 50Hz ra thì hệ thống có tần số khác 50Hz được gọi chung là sóng hài. Dạng sóng điện áp do nguồn phát sẽ có dạng hình sin, nhưng khi điện áp hình sin này được cấp đến phụ tải phi tuyến, dòng điện mà phụ tải phi tuyến này có dạng sóng không sin. Trong trường hợp tổng trở nguồn không phải là giá trị vô cùng bé mà đạt một giá trị xác định nào đó, dòng điện không sin sẽ gây một điện áp giáng trên tổng trở nguồn này. Điều này dẫn đến hiện tượng méo dạng sóng tín hiệu điện áp tại cực phụ tải, hay nói cách khác là phát sinh sóng hài. Méo dạng sóng điện áp nếu đặt lên phụ tải tuyến tính khác sẽ lại sinh ra méo dòng điện tương ứng trên phụ tải đó. Sóng hài trong hệ thống điện được định nghĩa là dạng điện áp và dòng điện hình sin nhưng lại có tần số bằng bội của một số nguyên lần tần số cơ sở( 50Hz), sóng hài này sẽ làm méo dạng sóng điện áp nguồn và dòng điện tải. Chỉ tiêu đánh giá méo dạng sóng điện áp là chỉ số méo dạng sóng tổng hợp THD, chỉ tiêu này được biểu thị tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần hài bậc cao so với thành phần sóng điện áp cơ bản ∑ = (1.1) Trong đó: Un: Giá trị hiệu dụng của sóng hài bậc n và N là bậc cao nhất của sóng hài. U1: Giá trị hiệu dụng của điện áp bậc cơ bản ( 50Hz). Bảng 1. 1 Tiêu chuẩn quy định Việt Nam (QCVN:2015)về giới hạn méo điện áp Cấp điện áp Cao áp(110kV;220kV,500kV) Trung và hạ áp ( dưới 35kV) Tổng độ méo sóng hài (%) 3,0 6,5 Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Độ méo riêng lẻ (%) 1,5 3,0 Trang 12 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Bảng 1. 2 Tiêu chuẩn IEEE 519-1992 quy định giới hạn méo điện áp Cấp điện áp ≤69kV 69kV đến 161kV ≥161kV Tổng độ méo sóng hài (%) 5,0 2,5 1,5 Độ méo riêng lẻ (%) 3,0 1,5 1,0 1.2 TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI, NGUỒN GỐC SINH SÓNG HÀI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI Phần này định nghĩa về sóng hài là gì, sóng hài sinh ra từ đâu và các yếu tổ ảnh hưởng của nó. 1.2.1 Giới thiệu chung Hệ thống điện ngày hôm nay được kết nối đến nhiều phụ tải phi tuyến. Đó là gồm bộ biến đổi công suất, thiết bị phóng hồ quang điện, và thiết bị điều khiển điện tử bởi thiết bị bán dẫn, thiết bị có từ tính bị bão hòa, và máy điện quay. Các đặc tính của các phụ tải phi tuyến này thay đổi đặc tính tự nhiên hình sin dòng điện công suất xoay chiều, kết quả dẫn đến dòng sóng hài trong hệ thống điện xoay chiều. Nếu nghiên cứu các sóng hài được bỏ qua, nó có thể cộng hưởng trong một vài sóng hài phát ra giữa các tụ điện cải thiện hệ số công suất và độ tự cảm nguồn có thể đưa đến các dòng điện dao động lớn hơn và điện áp các bậc sóng hài cao. Các dòng điện và điện áp sóng hài bậc cao này có thể gây ra tổn thất hệ thống điện tăng, hư hỏng cách điện, nổ cầu chì tụ điện, lỗi trong đồng hồ đo đếm và rơ le bảo vệ và làm nhiễu đến các khách hàng khác. Sóng hài là thành phần của sóng chu kỳ có tần số là cấp số nhân theo số nguyên của tần số cơ bản 50Hz. Các dạng sóng được thể hiện hình 1.1, Tổng méo sóng hài là sự tập hợp của tất cả các dòng điện tần số sóng hài và tần số cơ bản. Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 13 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN Hình 1. 1 Ảnh hưởng của sóng hài trên dạng sóng dòng điện và điện áp chế độ bình thường Dòng điện từ các phần tử sinh ra sóng hài giả định được biết. Do đó phần tử phi tuyến có thể được biểu diễn như là nguồn dòng điện sóng hài mà biên độ và góc pha của nó tại mỗi tần số là cố định theo tính chất của thiết bị. Với thông tin dòng điện đã biết, thì ma trận bơm dòng điện cho mỗi tần số sóng hài( ma trận In) dễ dàng được xây dựng. Phần tử mạch tuyến tính được biểu diễn như là tổng dẫn tuyến tính Yn phụ thuộc tần số và do đó ma trận tổng dẫn có thể được thiết lập cho mỗi tần số sóng hài. Phương trình của ma trận tổng dẫn là: [In] = [Yn]´[Vn] (1.2) Ẩn số [Vn] được giải theo phương pháp kỹ thuật khử Gauss hoặc ma trận nghịch đảo, nhưng theo phương pháp nghịch đảo ma trận sẽ dẫn đến sai số tích lũy. Do đó trong luận văn này được dùng phương pháp khử Gauss để tính toán và được lập trình trên phần mềm Matlab. Sóng hài được sinh ra bởi các thiết bị điện tử hiện đại. Chúng xuất hiện thường xuyên khi có số lượng lớn của máy tính cá nhân( phụ tải điện 1 pha),bộ lưu điện (UPS), biến tần (xoay chiều AC và một chiều DC) hoặc bất kể thiết bị điện tử nào Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 14 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN mà sử dụng các bộ chuyển nguồn bán dẫn để chuyển đổi từ dòng điện xoay chiều AC đến dòng điện một chiều DC. Các phụ tải phi tuyến tạo ra các sóng hài bởi sự đưa ra dòng điện với các sung ngắn gián đoạn hơn so với đường hình sin tuyến tính phẳng ( Xem hình vẽ 1.2) Hình 1. 2 Dạng sóng khác nhau giữa phụ tải phi tuyến và tuyến tính Các giới hạn của đường tuyến tính và phi tuyến xác định mối liên hệ của dòng điện với điện áp. Mối liên hệ tuyến tính tồn tại giữa dòng điện và điên áp, loại điển hình của phụ tải qua đường tuyến tính. Phụ tải phi tuyến có mối liên hệ dòng điện không liên tục đó là không tương ứng với dạng sóng của điện áp. Đặc tính của toàn bộ phụ tải điện phục vụ các tiện ích đã phát triển mạnh mẽ qua nhiều thập kỷ gần đây và đang thay đổi một cách nhanh chóng với việc áp dụng công nghệ mới. Với sự tăng sử dụng các thiết bị điều chỉnh tần số, ba lát điện tử, chế độ chuyển đổi các nguồn điện và các thiết bị điện tử khác, phụ tải tiện ích đang trở thành phụ tải phi tuyến và hoạt động nhiều hơn. Theo kết quả thì mức độ méo do sóng hài trong hệ thống điện đang tăng lên. Các sóng hài bậc 7 và 5 là đặc trưng của phụ tải điện tử và các phương pháp hiệu quả được phát triển để giảm các bậc sóng hài ví dụ như các bộ biến đổi công suất nhiều sung, nguyên lý dịch chuyển pha của máy biến áp, bộ lọc tích cực và thụ động.... Với nhiều phụ tải điện tử được kết nối pha – trung tính, các tiện ích phân phối được tìm ra rằng trong nhiều trường hợp sóng hài có ảnh hưởng lớn là sóng hài bậc 3, loại này gây ra các dòng điện trung tính cao và ngoài ra các điện áp trung tính-đất tăng đáng kể trong méo điện áp. Méo Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 15 of 100 Luận văn Thạc sỹ chuyên nghành Hệ thống điện GVHD: TS. Bạch Quốc Khánh -ĐHBKHN sóng hài dòng điện có thể ảnh hưởng nghiêm trọng trên các hệ thống phân phối điện vì máy biến áp cần cung cấp các dòng điện cơ bản đến các phụ tải phi tuyến sẽ không thể cung cấp dòng điện cở bản định mức( các máy biến áp bị giới hạn bởi dòng điện RMS) kết quả dẫn đến là khả năng cấp điện hệ thống bị giảm đi. Méo sóng hài điện áp, loại có thể được tạo ra bởi méo sóng hài dòng điện có thể ảnh hưởng xấu trên phụ tải trong nhà máy. Ví dụ, trong hệ thống điện 3 pha, sóng hài bậc 5 có thể gây ra mô men âm tác động đến động cơ điện cảm ứng, loại mô men âm này cố gắng điều khiển động cơ có hướng ngược với hướng hoạt động bình thường của động cơ. Điều này gây cho động cơ tiêu tốn dòng điện nhiều hơn, dẫn đến tác động thiết bị bảo vệ cắt điện hoặc lỗi động cơ do quá nhiệt. Công cụ phổ biến được sử dụng để phân tích phổ trong miền tần số là phép phân tích chuỗi Fourier và phép biến đổi ngược chuỗi Fourier 1.2.2 Định nghĩa về sóng hài: Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin với tần số là cấp số nhân của tần số cơ bản( 50 Hz tại Việt Nam). Giá trị của phép nhân tương ứng với thứ tự sóng hài. Trong hệ thống 3 pha, sóng hài có thể là thứ tự thuận, nghịch hoặc thứ tự không, phụ thuộc vào dịch chuyến pha giữa 3 pha. Sóng hài của thứ tự 4,7,10,13… luôn là thứ tự thuận vì chúng theo thứ tự của bậc cơ bản, đó là hê thống cân bằng dòng điện pha B trễ pha với dòng điện pha A bới 120 độ điện và dòng điện pha C sớm pha hơn pha A là 120 độ điện. Dòng sóng hài của thứ tự 2,5,8,11 … thì luôn luôn theo thứ tự nghịch vì bậc thứ tự là đối ngược của thứ tự sóng hài cơ bản, đó là hệ thống cân bằng dòng điện pha B sớm pha hơn với dòng điện pha A và dòng điện pha C trậm pha hơn dòng điện pha A là 120 độ điện. Sóng hài bậc 3,6,9,12… luôn là thứ tự không, đó là dịch chuyến pha giữa pha A, pha B, pha C là zero. Chú ý rằng trong hệ thống không cân bằng mỗi sóng hài có thành phần thứ tự thuận, nghịch và thứ tự không. Méo sóng hài trong hệ thống cung cấp điện chủ yếu bắt nguồn từ phụ tải, trong đó dòng điện không liên quan một cách tuyến tính với điện áp. Sóng hài với bội Học viên: Hoàng Trần Thành – lớp 16AKTĐ: 2016-2018 Trang 16 of 100