ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA MAI VĂN DƯƠNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG BỘ SVC CẢI TIẾN ĐỂ GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG ĐẾN LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số : 8520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Kim Ánh Phản biện 1: TS Phan Văn Hiền Phản biện 2: TS Nguyễn Bê Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa họp Trường Đại học Phạm Văn Đồng vào ngày 29 tháng 12 năm 2108 * - Trung tâm Học liệu Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đất nước ta đà phát triển mạnh gắn liền với trình cơng nghiệp hóa, đại hóa, nhu cầu điện ngày tăng cao lượng chất So với hộ sinh hoạt Nhà máy Xí nghiệp Công nghiệp hộ tiêu thụ điện với sản lượng lớn gấp nhiều lần phát thải nhiều sóng điều hòa bậc cao, ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện lưới điện Nên cải thiện chất lượng điện cho lưới điều quan trọng Tải lò nấu thép cảm ứng, tải lò EAF đối tượng phi tuyến mạnh, có cơng suất lớn (cơng suất từ 1MW đến 140 MW, dòng điện từ kA đến 150 kA [3], [5, có nhu cầu CSPK biến động nhanh theo thời gianvà đối tượng phức tạp, gây nhiều vấn đề chất lượng điện đến hệ thống điện Đây bối cảnh động lực để đề tài đề xuất nghiên EAF xoay chiều Nội dung nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu nguyên lý làm việc mơ hình tốn học lò hồ quang điện xoay chiều ba pha - ba điện cực; phân tích ảnh hưởng lò đến lưới điện cuối tìm giải pháp phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Mục đích đề tài “Nghiên cứu ứng dụng SVC cải tiến để giảm ảnh hưởng lò hồ quang điện xoay chiều đến lưới điện” nhằm giải vấn đề sau: cải thiện chất lượng điện cho hệ thống điện lò hệ thống điện phân phối; tăng hiệu suất cho lò, giảm ảnh hưởng xấu lên thiết bị tiêu thụ điện lân cận Tóm t t nội dung ch nh luận văn Chương – Tổng quan chất lượng điện năng: Nghiên cứu vấn đề liên quan đến: CSPK, sóng điều hòa bậc cao, dao động điện áp ảnh hưởng đến chất lượng điện Chương – Các phương pháp lọc sóng hài bù công suất phản kháng: Tổng quan thiết bị lọc sóng điều hòa bậc cao bù CSPK Chương – Tổng quan lò hồ quang điện: Nghiên cứu chung loại lò nấu thép s dụng hồ quang điện, lò hồ quang điện xoay chiều pha - điện cực Chương – Mô h nh hóa phân t ch ảnh hưởng lò quang điện xoay chiều pha đến chất lượng điện năng: Chương phân tích đ c tính tải lò, mơ hình hóa mơ ph ng EAF phần mềm Matlab Simulink Phân tích đánh giá ảnh hưởng đến nguồn điện cung cấp dựa vào tiêu chuẩn IEEE std 519-2014 Chương – Xây dựng SVC cải tiến để giảm ảnh hưởng lò hồ quang điện xoay chiều pha đến lưới điện: Đây chương trọng tâm Luận văn, từ sở lý thuyết kết mô ph ng nghiên cứu chương trước, ta tiến hành lựa chọn cấu tr c, tính tốn tham số cho phần lực, xây dựng cấu tr c thuật toán điều khiển để đảm bảo cho SVC cải tiến thực hai chức lọc sóng điều hòa bậc cao bù CSPK Hệ thống kiểm chứng phần mềm matlab simulink ựa kết mô ph ng ta s đánh giá lợi ích mà lọc mang lại cho nguồn cung cấp cho tải lò nấu thép kiểm chứng lại cấu tr c phương pháp điều khiển lựa chọn Chương - TỔNG QUAN VỀ CH T LƯ NG ĐIỆN NĂNG Chương s trình bày lý thuyết chất lượng điện như: sóng hài, CSPK, dao động điện áp (flicker) 1.1 Sóng hài 1.1.1 Giới thiệu sóng hài 1.1.2 Mơ tả sóng hài 1.1.3 Các tính chất sóng hài - Tí đố xứ g - Tí độc p 1.1.4 Các thơng số sóng hài - Dò g đ ệ đ ệ áp - Hệ số éo dò g đ ệ ệ dụ g đ ệ áp - ô g s ấ ác dụ g cô g s ấ p ả k g 1.1.5 Các quy định vè giới hạn sóng hài 1.1.6 M t số ngu n hát sinh sóng hài - Ng p ụ ả - ác g ươ g s p ụ ả g g ệp 1.1.7 Ảnh hưởng sóng hài - ác c - ác c ba p a -P ộ p a g cáp, dây dẫ – g ả - ác độ g áy p - ác ụ đ ệ ổ ọ o - Re ay bảo ệ - ác ả ưở g k ác s g 1.2 Công suất phản kháng 1.2.1 Giới thiệu chung 1.2.2 Khái niệm công suất hản kháng 1.2.3 Ảnh hưởng bù công suất hản kháng lên lưới điện - Bù cô g s ấ p ả k g ro g ướ đ ệ -Đề c ỉ -K ả 1.2.4 đ ệ áp bằ g bù ga g cô g s ấ p ả k g g r yề ả đườ g dây MBA uy định m c tiêu th công suất hản kháng 1.3 Dao động điện áp-flicker 1.3.1 Tổng quan 1.3.2 Nguyên nhân dao đ ng điện 1.4 Kết luận Trong chương này, luận văn tập trung nghiên cứu ba vấn đề sau: - Thứ nghiên cứu đ c tính, nguồn phát thải ảnh hưởng xấu sóng hài đến hệ thống điện Tìm hiểu tiêu chuẩn quy định sóng hài - Thứ hai tổng quan CSPK, ảnh hưởng việc bù CSPK Cuối tìm hiểu nguyên nhân ảnh hưởng tượng flicker Chương - CÁC HƯƠNG HÁ CẢI THIỆN CH T LƯ NG ĐIỆN NĂNG 2.1 Các phương pháp lọc sóng điều hòa Sóng điều hòa bậc cao lọc cách s dụng lọc cho số tần số qua đồng thời loại b tần số khác Bộ lọc sóng điều hòa là: - Bộ lọc tích cực (Active Filter) - Bộ lọc thụ động (Passive Filter) - Bộ lọc hỗn hợp tích cực thụ động 2.1.1 B lọc th đ ng - Bộ ọc R - Bộ lọc LC 2.1.2 B lọc tích cực -P â o ọc íc cực - Ng yê ý ọc íc cực so g so g AF - Ng yê ý ọc íc cực ố ếp AFs 2.2 Các phương pháp bù công suất phản kháng 2.2.1 Các thiết bị bù công suất hản kháng - Tụ đ ệ ĩ - Máy bù đồng 2.2.2 M t số thiết bị bù FACTS Bộ bù đồng tĩnh mắc nối tiếp (SSSC) Bộ bù tĩnh SVC Bộ bù đồng tĩnh Statcom 2.2.3 Nguyên lý làm việc thiết bị bù tích cực 2.3 Một số phương án giảm ficker 2.4 Kết luận Trong chương tìm hiểu ba vấn đề là: Thứ tìm hiểu phương pháp lọc sóng điều hòa lọc tĩnh lọc tích cực, phân tích ưu nhược điểm hai loại Thứ hai tìm hiểu phương pháp bù CSPK, phân tích ưu nhược điểm phương pháp hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Thứ ba tìm hiểu số phương án giảm flicker Như phần ta tìm hiểu chung thiết bị lọc sóng điều hòa bù CSPK Theo có nhiều phương pháp lọc sóng điều hòa bậc cao bù CSPK, với phát triển điện t cơng suất ngày người ta chế tạo van bán dẫn chịu dòng áp cao hạn chế dải công suất lọc bù s dụng thiết bị điện t công suất cải thiện đáng kể ch ng ngày s dụng rộng rãi để cải thiện chất lượng điện Chương - TỔNG QUAN VỀ LỊ HỒ QUANG ĐIỆN 3.1 Giới thiệu chung Chi phí đầu tư xây dựng nhà máy thép với công nghệ lò EAF xoay chiều thấp nhiều so với kiểu lò khác chi phí cho việc vận hành lại lớn Vì thế, cải thiện tiêu chí chất lượng điện nâng cao hiệu suất lò phương án mang tính cấp thiết giai đoạn [14] 3.2 Lò hồ quang điện chiều 3.3 Lò hồ quang điện xoay chiều EAF AC loại tải có tính phi tuyến mạnh, giai đoạn nấu chảy kim loại tạo nên hỗn loạn dòng điện điện áp hồ quang Điện kháng hồ quang biến động làm cho đ c tính động EAF thay đổi nhanh, liên tục 3.3.1 Phân loại EAF Lò q a g đ ệ xoay c ề p a đ ệ cực Sơ đồ lò thể Hình 3.2 Hình 3.2 Sơ đồ EAF xoay c ề p a đ ệ cực Lò q a g đ ệ xoay c ề p a đ ệ cực 3.3.2 Sơ đ kết nối EAF xoay chiều điện cực Sơ đồ c g cấp đ ệ Sơ đồ c đệ ay ế 3.3.3 Cấu tạo l h quang điện EAF ba ba điện cực B g ò Đ ệ cực áp ề Máy b ế áp ò 3.3.4 uy trình nấu chảy thé Q trình nấu chảy mơ tả Hình 3.8 Hình 3.8 r ấ ép 3.4 Kết luận Trong chương này, tóm lược q trình phát triển phân loại số dạng lò EAF phổ biến Đồng thời tìm hiểu quy trình nấu thép, tìm hiểu sơ đồ cung cấp điện thành phần lò Đó sở để xây dựng mơ hình lò hồ quang điện theo đ ng thực tế Trong chương tiếp theo, thực mơ hình hóa lò hồ quang, nghiên cứu ảnh hưởng lò hồ quang tới lưới điện 10 xác định phương trình sau: Đ c tính VAC tiệm cận hồ quang thể sau: Hình 4.7 Đặc í VA ệ c EAF 4.2 Mơ lò hồ quang Matlab/Simulink 4.2.1 Sơ đ mô hỏng 4.2.2 Thông số mạch điện mô hỏng Điện áp pha hiệu dụng: U= 566 Tổng trở mạch sơ cấp : ZS=RS+jXS=(0,0568+ j0.468) m Tổng trở mạch thứ cấp tương đương: Rt+Xt=(0,3366+j3,22) mΩ 11 4.2.3 Sơ đ mô hỏng l h quang Matlab simulink b hân t ch ảnh hưởng lò hồ quang đến lưới điện 4.3 4.3.1 Sóng hài điện sóng hài d ng điện H 4.13 D g s g đ ệ áp, dò g đ ệ òng điện điện áp hài lớn TH I P = 5,94 % > 5%, THDU = vượt giá quy định tiêu chuẩn IEEE std 519- 8,03%.> 2014 Thơng tư 39-2015 Bộ cơng Thương òng, áp hài chủ yếu gây sóng hài bậc l : bậc 5, bậc Kết phân tích sóng hài liệt kê theo Bảng 4.2 Bảng 4.2 P â Tham số THD Bậc ((Đ NH) íc s g ả ò ồq a g Bậc Bậc Bậc ậc Bậc Bậc 11 13 ( ( ( ( %) %) %) %) %) %) %) ( ( Upcc ,03 490,8(V) ,18 ,06 ,18 ,23 ,15 ,73 Ipcc(kA) ,94 69,35(kA) ,86 ,99 ,19 ,15 ,94 ,69 12 4.3.2 Cơng suất tiêu th l Hình 4.16 ô g s ấ ba p a đo đư c rê P Hình 4.17 Hệ số g s ấ cosφ Hình 4.16 4.1 cho thấy tải lò hồ quang có cơng suất lớn đòi h i đáp ứng nhanh Hệ số công suất thấp, dao động liên tục từ 0, đến ảnh hưởng đến công suất truyền tải hệ thống điện 4.3.3 Hiện tượng Flicker 13 ạng sóng mơ ph ng khoảng thời gian 1000 (ms) cho thấy tượng flicker lớn Chu kỳ fliker 10 H gây cảm giác khó chịu cho người s dụng thiết bị chiếu sáng lân cận Ta có hệ số nhấp nháy điện áp: vượt mức cho phép theo tiêu chuẩn Bộ cơng thương Hình 4.18 H ệ g f cker 4.3.4 Mô hỏng tượng licker cho h quang điện R2 điều chế thay đổi với biên độ dao động m tần số dao động chọn phạm vi 5H -12H R2 t R2 (1 m.sin( f t )) có dạng sau [19], [27]: (4.6) 4.4 Kết luận Qua kết khảo sát công suất tải lò hồ quang Hình 4.5 hay kết mơ ph ng Hình 4.16 cho thấy, quanh điểm làm việc EAF, thay đổi trở kháng hồ quang gây nên thay đổi công suất hồ quang Sự thay đổi đột biến công suất phản kháng tác động trực tiếp đến biên độ dao động điện áp hệ thống truyền tải, gây tượng chập chờn điệp áp Hiện tượng “flicker” sóng dao động với tần số 10 H , gây nhấp nháy thiết bị chiếu sáng gây cảm giác khó chịu có hại đến thị giác Vì việc cải thiện chất lượng nguồn điện cung cấp cho lò hồ quang điện xoay chiều ba pha cần thiết 14 Chương - X D NG BỘ SVC CẢI TIẾN ĐỂ GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA LÒ HỒ QUANG ĐIỆN XOAY CHIỀU PHA ĐẾN LƯỚI ĐIỆN Trong chương ta s đề xuất phương án, tính tốn lọc sóng hài bù công suất phản kháng cho lưới điện Đánh giá tượng flicker sau thực bù 5.1 Lựa chọn phương án S dụng bù SVC cải tiến( gồm bù tĩnh PF kết hợp với bù tích cực VSC) phương án hợp lý m t kỹ thuật kinh tế Hình 5.1 Hệ 5.2 ố g EAF c bù bằ g SV ế Bộ lọc t ch cực bù động công suất phản kháng VSC 5.2.1 Nguyên lý làm việc 5.2.2 Cấu trúc điều khiển P ươ g p áp ò g P ươ g p áp ò g kí 5.2.3 Ứng d ng chỉnh lưu PWM để làm b lọc tích cực sở p ươ g p áp đ ều n 15 P ươ g p áp dựa miền tần số P ươ g p áp dựa miền thời gian Phương pháp có ưu điểm khối lượng tính tốn so với miền tần số Theo lớp phương pháp có số phương pháp phương pháp khung tọa độ quay dq , phương pháp dựa thuyết p q 5.2.4 Ứng d ng thuyết -q điều khiển chỉnh lưu PWM thực ch c lọc sóng điều h a bù CSPK Sự đời thuyết công suất tức thời p-q ác bước đ xác định dòng bù cần thiế ày đư c tiế eo p ươ g p áp sa H 5.11 Sơ đồ í ố dò g bù 5.2.5 Sơ đ điều khiển chỉnh lưu PWM làm ch c b lọc sóng điều h a bù CSPK 16 Ng yê ýđề k H 5.12 Ng yê Ng yê ýđề k H ýđề k dò g 5.13 g yê ọc íc cực eo p ươ g p áp ba g-bang ýđề k Ba g-bang 17 5.3 T nh toán tham số lọc bù tĩnh FC H 5.16 Sơ đồ g yê ý o độ g SV F -VSC cho EAF 5.3.1 Xác định công suất hản kháng cần bù 5.3.2 Xác định bậc hài cần lọc 5.3.3 Tính chọn thơng số b lọc FC Bộ ọc b c Bộ ọc b c 5.4 T nh chọn lọc chủ động AF( VSC ) 5.4.1 Sơ đ nguyên lý hệ thống cung cấ điện cho l EAF có sử d ng b lọc tích cực song song 5.4.2 Tính tốn tham số b lọc chủ đ ng AF Xác định giá trị đ ện áp chiều cấp cho nghịc Xác định giá trị tụ đ ện Cdc Xác định giá trị đ ện cảm Lf VS 18 5.4.3 Xác định lựa chọn thông số van điều khiển 5.5 Mô lọc SVC cải tiến ph n mềm matlab/simulink 5.5.1 Cấu trúc chung hệ thống 5.5.2 Khối mô hỏng EAF 5.5.3 Khối b lọc th đ ng 5.5.4 Khối b lọc chủ đ ng 5.6 hân t ch kết 5.6.1 iện d ng điện điểm kết nối chung Hình 5.3 Đ ệ áp q a g, đ ệ áp dò g đ ệ k P c ưa c SV Hình 5.31 Điện áp hồ quang, điện áp dòng điện PCC 19 sau có SVC òng điện hài TH =0, lớn TH = 5,94 giảm xuống có SVC theo Hình 5.32 Hình 5.32 P ổ dò g đ ệ P sa k c SV ác độ g Điện áp hài gây lưới lớn TH = ,03 cải thiện r rệt theo Hình 5.33 ch TH =2,19 Sóng hài dòng điện điện áp giảm tiêu chuẩn sóng hài IEEE 519-2014 Như SCV hiệu cho mục đích lọc sóng hài Hình 5.33 P ổ đ ệ áp P sa k c SV ác độ g 20 5.6.2 Cơng suất đo PCC Hình 5.34 ô g s ấ ba p a P rước sa k Hình 5.35 Hệ số g s ấ rước sa k bù bù Kết thu Hình 5.34 cho thấy hệ thống SVC thực chức bù CSPK nhanh theo thời gian Theo Hình 5.35, sau SVC cải tiến tác động hệ số cơng suất ổn định , ch dao động từ 0,952 đến 0.955 (trước chưa có SVC hệ số công suất 0, đến ) Giá trị th a mãn với Quy định 39-2015/TT-BCT Bộ Công Thương 5.6.3 Hiện tượng Flicker ạng sóng quan sát khoảng thời gian 1000 ms (50 chu kỳ điện áp lưới) có SVC tác động Hình 5.3 21 Hình dao động điện áp ba pha điểm nối chung PCC sau có SVC Sau SVC cải tiến tác động dạng sóng điện áp có ổn định r rệt Tuy tượng dao động điện áp có tính chu kỳ (flicker) hệ số nhấp nháy điện áp 0,95 2,8% SV ế SVC cải tiến 0,87% 2,19% 0,952=>0,9 55 0,96% 5.7 Kết luận Trong chương này, luận văn tiến hành nghiên cứu tổng quan giải pháp thường s dụng để cải thiện chất lượng điện 22 lựa chọn giải pháp s dụng SVC cải tiến để ứng dụng cho trường hợp tải EAF xoay chiều Sau s dụng SVC, tất ch số sóng hài điện áp, sóng hài dòng điện, hệ số cơng suất cải thiện r rệt đáp ứng tốt tiêu chuẩn IEEE Bộ công thương Đ c biệt hệ số dao động điện áp Pvm cải thiện nhiều( 0,96% < 1%) đạt tiêu chuẩn IEEE Quy định Thông tư 39 Trong SVC cổ điển không làm điều này( 2, ) Bên cạnh hệ số cơng suất cao ổn định SVC cổ điển( ch dao động 0,952 đến 0,955 so với 0,9 đến 0,95) 23 KẾT LUẬN Trong luận văn kết nghiên cứu dựa cấu tr c nguyên lý vận hành lò hồ quang điện xoay chiều loại ba pha - ba điện cực công suất lớn (hiện s dụng phổ biến giới) để mơ hình hóa hệ thống điện - lò phân tích ảnh hưởng đến hệ thống điện Kết so sánh với tiêu chuẩn hành Việt Nam Quốc tế Từ đó, tiến hành nghiên cứu để tìm giải pháp phù hợp (về ch tiêu kỹ thuật kinh tế) nhằm cải thiện chất lượng điện tăng suất vận hành cho hệ thống điện - lò Để giải vấn đề này, luận văn chia thành chương với nội dung sau: Chương vấn đề chất lượng điện như: nguồn gốc, chất sóng hài, cơng suất phản kháng dao động điện áp; ảnh hưởng thông số đến thiết bị truyền dẫn thiết bị tiêu thụ điện; tiêu chuẩn Quốc tế Việt Nam chất lượng điện Đây chương sở để nghiên cứu cho chương Chương trình bày tổng quan cơng nghệ nấu thép s dụng lò hồ quang điện Tiếp theo, luận văn tập trung nghiên cứu sơ đồ cung cấp điện, thành phần cấu tạo lò quy trình vận hành, lò hồ quang điện xoay chiều pha - điện cực Chương trình bày tổng quan loại hồ quang điện gồm sơ đồ, thành phần quy trình vận hành lò hồ quang Đây sở để thực mô hình hóa phân tích ảnh hưởng lò hồ quang chương sau Chương phân tích đ c tính tải lò, mơ hình hóa mơ ph ng lò hồ quang phần mềm Matlab Simulink Kết cho thấy bốn 24 tham số: sóng hài điện áp, sóng hài dòng điện, hệ số cơng suất hệ số dao động điện áp (flicker) vượt so với tiêu chuẩn IEEE std 519-2014 Thông tư 39-2015/TT-BCT Bộ Công Thương Chương luận văn tiến hành nghiên cứu tổng quan giải pháp thường s dụng để cải thiện chất lượng điện lựa chọn giải pháp s dụng SVC cải tiến Cụ thể việc s dụng mắt lọc thụ động (Passive Filter - PF) để giảm bớt lượng đáng kể sóng hài bậc thấpvà bù cố định phần CSPK cho tải lò EAF Lượng CSPK lại bù mềm cách s dụng điều ch nh VSC s dụng van bán dẫn IGBT Kết cho thấy rằng: sau đưa SVC cải tiến vào hệ thống điện - lò, tất ch số sóng hài điện áp sóng hài dòng điện đáp ứng tốt tiêu chuẩn IEEE Bộ công thương Điều ch ý hệ số công suất ổn định, ch giao động từ 0,952 đến 0,955( giá trị yêu cầu 0,95) hệ số dao động điện áp Pvm đạt tiêu chuẩn (nh ) Đây ưu điểm lớn việc s dụng SVC cải tiến so với SVC (s dụng TCR) cổ điển cho tải EAF xoay chiều ... để giảm thiểu ảnh hưởng nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Mục đích đề tài Nghiên cứu ứng dụng SVC cải tiến để giảm ảnh hưởng lò hồ quang điện xoay chiều đến lưới điện nhằm giải vấn đề sau: cải. .. quan lò hồ quang điện: Nghiên cứu chung loại lò nấu thép s dụng hồ quang điện, lò hồ quang điện xoay chiều pha - điện cực Chương – Mô h nh hóa phân t ch ảnh hưởng lò quang điện xoay chiều pha đến. .. hình hóa lò hồ quang, nghiên cứu ảnh hưởng lò hồ quang tới lưới điện 9 Chương - M H NH HĨA VÀ H N T CH ẢNH HƯỞNG LỊ HỒ QUANG ĐIỆN XOA CHIỀU Trong chương này, luận văn tập trung nghiên cứu đ c