Nghiên cứu giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung nâng cao chất lượng điện áp trong nhà máy công nghiệp sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS Phạm Trung Dũng, TS Đinh Ngọc Quang cùng với
các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác.
Tác giả luận án

Nguyễn Tiến Dũng


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành nhất tới Ban Giám Đốc,
Viện Tên lửa và Kỹ thuật Điều khiển, Bộ môn Kỹ thuật Điện - Học viện Kỹ thuật
Quân sự, cùng với Ban Giám Hiệu, Khoa Điều Khiển và Tự động hóa Trường
Đại học Điện lực, đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành bản luận
án này. Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Phạm Trung Dũng, người hướng
dẫn khoa học thứ nhất và TS. Đinh Ngọc Quang, người hướng dẫn thứ hai, đã
tận tình chỉ bảo, đưa ra những nội dung chính cần phải giải quyết để tơi hồn
thành bản luận án này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, nhóm nghiên cứu, bạn bè
và các đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt thời
gian thực hiện luận án.
Tác giả luận án

Nguyễn Tiến Dũng

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ......................................................................... vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................. xiv
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ PHƯƠNG
PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ....................................................... 7
Tổng quan về chất lượng điện năng ........................................................ 7
1.1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 7
1.1.2. Các tham số ảnh hưởng của chất lượng điện áp................................ 9
Ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của động cơ ................. 12
1.2.1. Ảnh hưởng của độ lệch điện áp ....................................................... 12
1.2.2. Ảnh hưởng của điện áp bất đối xứng .............................................. 14
1.2.3. Ảnh hưởng của độ méo dạng sóng điện áp (sóng hài) đến hiệu quả sử
dụng năng lượng của động cơ ................................................................... 15
Các giải pháp điều chỉnh điện áp .......................................................... 18
1.3.1. Nguyên lý chung ............................................................................. 18
1.3.2. Điều chỉnh điện áp bằng cách điều chỉnh dịng điện kích từ máy phát
điện ............................................................................................................ 19
1.3.3. Điều chỉnh điện áp bằng cách đặt đầu phân áp cố định hoặc sử dụng
bộ điều áp dưới tải của máy biến áp .......................................................... 20
1.3.4. Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp điều chỉnh và biến áp bổ trợ
hoặc sử dụng bộ tụ có điều chỉnh .............................................................. 20

1.3.5. Sa thải phụ tải .................................................................................. 21
1.3.6. Điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi tiết diện đường dây ........... 21
1.3.7. Lọc sóng hài .................................................................................... 22
1.3.8. Điều chỉnh điện áp bằng cách bù công suất phản kháng ................ 24


iv

Các phương pháp bù công suất phản kháng .......................................... 25
1.4.1. Bù bằng máy bù đồng bộ................................................................. 25
1.4.2. Bù tĩnh đóng cắt theo bậc ................................................................ 25
1.4.3. Sử dụng các thiết bị bù công suất phản ứng nhanh ......................... 26
Các phương pháp bố trí thiết bị bù cơng suất phản kháng .................... 30
1.5.1. Phương pháp bù tập trung ............................................................... 30
1.5.2. Phương pháp bù nhiều vị trí ............................................................ 31
Kết luận ................................................................................................. 34
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP BÙ PHÂN TÁN ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG CHO
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ............................................................................... 36
Phương pháp tính tốn tối ưu hóa lượng bù CSPK cho tải có động cơ
khơng đồng bộ .............................................................................................. 37
2.1.1. Tính tốn tổn thất cơng suất tác dụng của lưới điện phân phối ...... 37
2.1.2. Tối ưu hóa bù CSPK cho lưới điện phân phối ................................ 43
Phương pháp điều chỉnh điện áp sử dụng thiết bị bù phân tán điều khiển
tập trung ........................................................................................................ 48
2.2.1. Mô tả hệ thống phân phối phụ tải trong nhà máy ........................... 49
2.2.2. Sơ đồ thay thế mạng điện khi có thiết bị bù .................................... 53
Kết luận ................................................................................................. 60
Chương 3 GIẢI PHÁP XÂY DỰNG CẤU HÌNH HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN
ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG .......................................................................... 62
Cấu trúc của hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung ....................... 63

3.1.1. Sơ đồ hệ thống BPT-ĐKTT ............................................................ 63
3.1.2. Các thành phần của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT ............................. 65
3.1.3. Hoạt động của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT...................................... 65
Bộ điều khiển của hệ thống ................................................................... 68
3.2.1. Khối đo lường và các tín hiệu đầu vào ............................................ 70
3.2.2. Thiết bị bù trung tâm và thiết bị phân tán của hệ thống điều chỉnh
điện áp kiểu phân tán, điều khiển tập trung. ............................................. 72
3.2.3. Khối điều khiển công suất các phần tử trong hệ thống ................... 79
Thuật toán điều khiển ............................................................................ 82


v

3.3.1. Chương trình chính.......................................................................... 82
3.3.2. Khối điều chỉnh độ khơng đối xứng điện áp (ĐC-KĐXDA) .......... 83
3.3.3. Khối lọc sóng hài ............................................................................. 85
3.3.4. Khối điều chỉnh bù CSPK- ĐCĐA ................................................. 87
Kết luận ................................................................................................. 89
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BÙ PHÂN TÁN
ĐIỀU KHIỂN TẬP TRUNG .......................................................................... 91
Mô phỏng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung .......................... 91
4.1.1. Các tham số của hệ thống ................................................................ 91
4.1.2. Xấp xỉ hóa đường cong NEMA ...................................................... 92
4.1.3. Các kịch bản mô phỏng ................................................................... 93
4.1.4. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 95
Chế tạo và thực nghiệm hệ thống BPT-ĐKTT ..................................... 99
4.2.1. Thiết kế hệ thống ............................................................................. 99
4.2.2. Hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung sau khi được chế tạo . 101
4.2.3. Lắp đặt thử nghiệm thiết bị ........................................................... 103
4.2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện của nhà máy thông tin M1........... 104

4.2.5. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 104
Kết luận ............................................................................................... 112
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN ....................................................... 113
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................................. 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 116
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 126
Sử dụng zero crossing để giúp giảm dao động điện áp khi đóng cắt các
nhánh của hệ thống điều chỉnh điện áp phân tán. ...................................... 126
Thiết kế chế tạo hệ thống .................................................................... 128


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

{Qtt -Qb} (%)

Ý nghĩa
Hiệu suất của động cơ giảm khi có sự thay đổi
điện áp đặt trên động cơ

pbu

(kW/kVAr) Tổn thất công suất tác dụng đơn vị của thiết bị bù

Pbu

(kW)

Tổn thất công suất tác dụng thiết bị bù

PDC_KDB

(kW)

Tổn thất của động cơ điện khơng đồng bộ có tính
tới ảnh hưởng của chất lượng điện áp tới hiệu suất

Pdd

(kW)

Tổn thất trên đường dây

PMBA

(kW)

Tổn thất trên các máy biến áp

PN

(kW)

Tổn hao công suất ngắn mạch của máy biến áp

P

(kW)

Tổng tổn thất công suất tác dụng

l

(km)

Chiều dài cáp

Ptt

(kW)

Cơng suất tác dụng tính tốn

Qb

(kVAr)

Cơng suất của thiết bị bù

Qtt

(kVAr)

Cơng suất phản kháng tính tốn

r0

(Ω/km)

Điện trở của cáp trên một đơn vị dài

Rht

(Ω)

Điện trở của hệ thống điện

RT1

(Ω)

Điện trở của MBA-T1

RT2

(Ω)

Điện trở của MBA-T2

Sdm1

(MVA)

Công suất định mức của MBA-T1

Sdm2

(MVA)

Cơng suất định mức của MBA-T2

U1

(kV)

Điện áp định mức phía cao áp của MBA-T1

U2

(kV)

Điện áp định mức phía hạ áp của MBA-T2

Udc

(V)

Điện áp đặt trên động cơ

Udm

(V)

Điện áp định mức của động cơ

vii

Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa

Uht

(kV)

Điện áp của hệ thống điện

UN

(%)

Điện áp ngắn mạch của MBA

x0

(Ω/km)

Điện kháng của cáp trên một đơn vị dài

Xht

(Ω)

Điện kháng của hệ thống điện

XT1

(Ω)

Điện kháng của MBA-T1

XT2

(Ω)

Điện kháng của MBA-T2

INM(3)

(kA)

Dòng điện ngắn mạch 3 pha
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

AC/DC

Alternating Current

Direct Current

/

SCADA

Supervisory Control And
Data Acquisition

Hệ thống điều khiển giám sát
thu thập dữ liệu

CPU

Central Processing Unit

Bộ điều khiển trung tâm

DG

Distributed Generation

Nguồn phân tán

FACTS

Flexible
Current
System

GTO

Gate turn-off thyristor

Thyristor khóa bằng cực
điều khiển

HPF

High pass filter

Bộ lọc thơng cao

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor có cực điều khiển
Transistor
cách ly

IGCT

Integrated
Gate Cổng chuyển mạch tích hợp
Commutated Thyristor
thyristor

Xoay chiều/ một chiều

Alternating
Hệ thống truyền tải điện

Transmission
xoay chiều linh hoạt


viii

Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt

MCU

Microcontroller Unit

Bộ vi điều khiển

OLTC

On-load tap changer

Điều chỉnh áp dưới tải

PLL

Phase-locked loop

Vịng Khóa pha

PWM

Pulse Width Modulation

Bộ điều chế độ rộng xung

RTU

Remote Terminal Unit

Thiết bị đầu cuối

STATCOM

Static
Synchronous
Bộ bù đồng bộ tĩnh
Conpensator

SVC

Static Var Compensator

TCR

Thyristor
Reactor

Controlled Cuộn kháng điều khiển bằng
Thyristor

THD

Total
Distortion

Harmonic

TSC

Thyristor
Capacitor

Switched Tụ điện đóng mở trực tiếp
bằng Thyristor

VSC

Voltage Source Converter Bộ nghịch biến đổi nguồn áp

VUF

Voltage
Factor

Unbalance

Thiết bị bù tĩnh

Tổng biến dạng sóng hài

Hệ số mất cân bằng điện áp

BI

Biến dòng

BPT-ĐKPT

Bù phân tán điều khiển phân
tán

BPT-ĐKTT

Bù phân tán điều khiển tập
trung

BU

Biến áp

CLĐA

Chất lượng điện áp

CLĐN

Chất lượng điện năng

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng

ĐC ĐAKĐX

Điều chỉnh điện áp không


ix

Chữ viết tắt

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa tiếng Việt
đối xứng

ĐCĐA

Điều chỉnh điện áp

ĐCĐAPT-ĐKTT

Điều chỉnh điện áp phân tán
điều khiển tập trung

ĐC-KĐB

Động cơ khơng đồng bộ

KDX

Độ khơng đối xứng

KT

Kích từ

PT

Phân tán

TĐK

Thiết bị tự động điều chỉnh
kích từ

THDI

Tổng sóng hài dịng điện

THDU

Tổng sóng hài điện áp

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Ảnh hưởng của giá trị điện áp đến hiệu suất của động cơ ứng với các
mức độ tải khác nhau ...................................................................................... 12
Hình 1.2. Sự phụ thuộc của công suất đầu vào động cơ theo điện áp .......... 13
Hình 1.3. Tổn thất cơng suất sắt từ theo điện áp bất đối xứng ....................... 14
Hình 1.4. Hệ số giảm tải của động cơ công suất trung bình theo độ khơng đối
xứng điện áp .................................................................................................... 14
Hình 1.5. Sự thay đổi điện trở, hệ số tự cảm và điện kháng trên mạch rotor theo
sóng hài ........................................................................................................... 15
Hình 1.6. Sự thay đổi nhiệt độ của các bộ phận trong động cơ không đồng bộ
4kW, 4 cực khi đầy tải bởi sóng hài điện áp ................................................... 16
Hình 1.7. Sự thay đổi tổn thất cơng suất ở sóng hài điện áp bậc 5 trong động cơ
không đồng bộ 4 cực công suất 4kW và 55kW, ở các chế độ tải khác nhau ...... 17
Hình 1.8. Sự thay đổi hiệu suất của động cơ ở sóng hài điện áp bậc 5 .......... 17
Hình 1.9. Sơ đồ thay thế và đồ thị véctơ điện áp của máy phát..................... 19
Hình 1.10. Cấu trúc một số loại bộ lọc hài thụ động ...................................... 22
Hình 1.11. Bộ lọc hài tích cực lai song song .................................................. 23
Hình 1.12. Bộ lọc hài tích cực lai nối tiếp ...................................................... 23
Hình 1.13. Phương pháp bù tĩnh đóng cắt theo bậc ........................................ 25
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị SVC ................................................. 27
Hình 1.15. Sơ đồ khối của phương pháp điều chỉnh theo điện áp SVC ......... 27
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị bù lai................................................ 29
Hình 1.17. Sự thay đổi độ lệch điện áp theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công
suất phản kháng ............................................................................................... 32
Hình 1.18. Độ thay đổi hệ số cơng suất theo tỷ lệ điểm nút đặt thiết bị bù công
suất phản kháng ............................................................................................... 32
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của lưới điện phân phối ....................................... 38
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế của lưới điện............................................................ 39

xi

Hình 2.3. Quan hệ giữa điện áp và hiệu năng động cơ theo NEMA .............. 44
Hình 2.4. Sơ đồ nối điện chung trong nhà máy khi chưa có thiết bị bù ......... 51
Hình 2.5. Sơ đồ nối điện chung trong nhà máy khi có thiết bị bù .................. 52
Hình 2.6. Sơ đồ thay thế lưới điện của nhà máy khi có thiết bị bù ................. 53
Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT .................................. 64
Hình 3.2. Sơ đồ quá trình đo lường và điều khiển khi sử dụng các bộ đo lường
và điều khiển tại từng phần tử phân tán. ......................................................... 66
Hình 3.3. Sơ đồ khối của bộ điều khiển hệ thống ........................................... 68
Hình 3.4. Sơ đồ khối bộ điều khiển của hệ thống ĐCĐAPT-ĐKTT. ............. 69
Hình 3.5. Sơ đồ khối của mạch đo lường........................................................ 71
Hình 3.6. Thiết bị bù cơng suất phản kháng trung tâm ................................... 73
Hình 3.7. Thiết bị cuộn kháng trung tâm ........................................................ 73
Hình 3.8. Thiết bị cuộn kháng trung tâm ........................................................ 74
Hình 3.9. Thiết bị phân tán cho tải phi tuyến .................................................. 76
Hình 3.10. Thiết bị phân tán cho tải tuyến tính .............................................. 76
Hình 3.11. Thiết bị phân tán cho tải hỗn hợp ................................................. 77
Hình 3.12. Sơ đồ khối điều khiển công suất tụ điện một pha ......................... 79
Hình 3.13. Sơ đồ khối điều khiển cơng suất tụ điện ba pha ........................... 80
Hình 3.14. Sơ đồ khối điều khiển các bộ lọc .................................................. 81
Hình 3.15. Sơ đồ khối điều khiển cuộn kháng trung tâm ............................... 82
Hình 3.16. Lưu đồ thuật tốn chính ................................................................ 83
Hình 3.17. Lưu đồ thuật tốn điều chỉnh độ khơng đối xứng điện áp ............ 85
Hình 3.18. Lưu đồ thuật tốn điều khiển lọc sóng hài .................................... 86
Hình 3.19. Lưu đồ thuật tốn bù CSPK .......................................................... 88
Hình 4.1. Đường cong NEMA cho động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng cho
mô phỏng ......................................................................................................... 93

Hình 4.2. Mơ hình lưới điện bù phân tán điều khiển phân tán với tải đặc trưng
là ba ĐC-KĐB ................................................................................................. 94


xii

Hình 4.3. Mơ hình lưới điện bù phân tán điều khiển tập trung với tải đặc trưng
là ba ĐC-KĐB ................................................................................................. 95
Hình 4.4. Cơng suất bù phân tán cho từng tải động cơ. .................................. 97
Hình 4.5. Tổn thất của từng động cơ và tổng tổn thất P khi áp dụng phương
pháp BPT-ĐKPT ............................................................................................. 97
Hình 4.6. Cơng suất bù trên các tải khi áp dụng hệ phân tán điều khiển tập trung
......................................................................................................................... 98
Hình 4.7. Tổn thất của từng động cơ và tổng tổn thất P khi thực hiện BPTĐKTT .............................................................................................................. 98
Hình 4.8. Tổng tổn thất CSTD khi điện áp thay đổi từ 0,9Udm đến 1,1Udm trong
các trường hợp. ................................................................................................ 98
Hình 4.9. Tổng tổn thất CSTD khi điện áp thay đổi ngẫu nhiên trong các trường
hợp. .................................................................................................................. 98
Hình 4.10. Sơ đồ khối của bộ điều khiển hệ thống ....................................... 100
Hình 4.11. Mơ đun điều khiển trung tâm của bộ điều khiển ........................ 101
Hình 4.12. Mô đun điều chỉnh công suất thiết bị .......................................... 101
Hình 4.13. Mặt trước và bên trong của thiết bị bù trung tâm ....................... 102
Hình 4.14. Mặt trước và bên trong của tủ bù phân tán ................................. 102
Hình 4.15. Bộ điều khiển bị trung tâm được gắn trên mặt trong cánh tủ ..... 103
Hình 4.16. Sơ đồ bố trí hệ thống BPT-ĐKTT tại nhà máy M1 .................... 104
Hình 4.17. Thơng số phân xưởng sơn mạ trước khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT
....................................................................................................................... 105
Hình 4.18. Thơng số chính tịa nhà 5 tầng trước khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT
....................................................................................................................... 106
Hình 4.19. Thơng số chính phân xưởng cơ khí trước khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT

....................................................................................................................... 107
Hình 4.20. Thơng số phân xưởng sơn mạ sau khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT 108
Hình 4.21. Thơng số tịa nhà 5 tầng sau khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT ........ 109


xiii

Hình 4.22. Thơng số phân xưởng cơ khí sau khi lắp hệ thống BPT-ĐKTT . 110
Hình 5.2. Sơ đồ thiết bị bù đóng cắt sử dụng thyristor ................................. 126
Hình 5.3. Đóng cắt tại thời điểm, UC = 0; E =Umax .................................... 127
Hình 5.4. Đóng tụ khi UC = 0,866Umax , E=Umax ..................................... 127
Hình 5.5. Đóng tụ tại thời điểm UC = Umax, E = Umax .............................. 128
Hình 5.6. Sơ đồ các chân điều khiển của ADE 7880 .................................... 129
Hình 5.7. Mạch đầu vào dịng điện của ADE 7880 ...................................... 130
Hình 5.8. Sơ đồ mạch điện áp ....................................................................... 131
Hình 5.9. Khối cách ly ADE7880 và bộ xử lý. ............................................. 131
Hình 5.10. Mạch nguồn của mơ đun đo lường ............................................. 132
Hình 5.11. Mạch in của mơ đun đo lường .................................................... 132
Hình 5.12. Mơ đun đo lường của bộ điều khiển ........................................... 132
Hình 5.13. Hệ thống cách ly quang đóng cắt tụ điện .................................... 133
Hình 5.14. Sơ đồ kết nối của khối hiển thị.................................................... 133
Hình 5.15. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bàn phím ................................... 134
Hình 5.16. Khối ghi tín hiệu hoạt động của thiết bị ...................................... 134
Hình 5.17. Mạch in mơ đun điều khiển trung tâm ........................................ 135
Hình 5.18. Mạch in mô đun điều khiển công suất của thiết bị ..................... 135


xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng tới CLĐN ..................................................... 8
Bảng 1.2. Các hệ thống bù công suất phản kháng trên thế giới. ..................... 34
Bảng 4.1. Thông số của ĐC-KĐB và cáp nối từ thanh cái đến động cơ. ....... 91
Bảng 4.2. Thông số hệ thống, hai máy biến áp và cáp nối hai MBA. ............ 92
Bảng 4.3. Kết quả giữa BPT-ĐKPT với BPT-ĐKTT cùng một loại thiết bị và
có điện áp thay đổi .......................................................................................... 96
Bảng 4.4. So sánh chênh lệch giữa không bù, BPT-ĐKPT và BPT-ĐKTT ... 97
Bảng 4.5. Bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của các vị trí khi có BPT-ĐKTT
....................................................................................................................... 111


1
MỞ ĐẦU
Bài toán về chất lượng điện năng ngày càng trở nên quan trọng với mọi
quốc gia trên thế giới khi mà nền kinh tế và trình độ khoa học kỹ thuật công
nghệ đang ngày càng phát triển. Sự thay đổi về mặt công nghệ làm cho việc sử
dụng năng lượng một cách hiệu quả, tiết kiệm sẽ mang lại những lợi ích to lớn
cho các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng. Tuy nhiên, bên cạnh những
bước tiến bộ về cơng nghệ đó, các thiết bị và dây chuyền công nghệ mới cũng
gây ra các ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng. Do đó việc giải quyết bài
toán về nâng cao chất lượng điện năng, dựa trên việc điều chỉnh điện áp tại các
phụ tải điện sẽ giúp người sử dụng tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, giảm chi phí,
nâng cao được năng suất và làm tăng độ bền của thiết bị.
1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Trong các nhà máy, khu công nghiệp các phụ tải được sử dụng có nhiều
loại khác nhau và tiêu thụ một lượng cơng suất nhất định. Trong đó phần lớn
các phụ tải là động cơ không đồng bộ (ĐC-KĐB) tiêu thụ lượng công suất lớn
của các nhà máy, khu cơng nghiệp. Vì vậy việc nâng cao hiệu suất của ĐCKĐB, giảm tổn thất điện năng sẽ góp phần nâng cao hiệu quả, làm tăng tuổi
thọ, khả năng làm việc của động cơ là một bài toán cấp bách và đang được
nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới.

2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Việc nghiên cứu xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên giải
pháp bù công suất phản kháng (CSPK) cho các phụ tải khác nhau, đặc biệt là
ĐC-KĐB, được nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm. Trên thực
tế các chế độ làm việc của ĐC-KĐB luôn thay đổi theo thời gian, điều này làm
cho bản thân hiệu suất của động cơ thay đổi ở những thời điểm nhất định, ngồi
ra cịn làm xấu đi chất lượng điện áp tại chính các động cơ. Do đó, việc điều
chỉnh điện áp (ĐCĐA), bù CSPK cần phải diễn ra nhanh khi các điều kiện làm
việc của động cơ thay đổi.
Để giải quyết bài toán trên, luận án tập trung vào việc nghiên cứu xây
dựng một phương pháp điều khiển tập trung cho các thiết bị phân tán nhằm


2
kết hợp ĐCĐA, bù CSPK và nâng cao CLĐA thông qua việc giảm thiểu hóa
những tổn thất cơng suất tác dụng trong các nhà máy. Phương pháp được xây
dựng bằng cách thiết lập phương trình tổn thất cho tất cả các phần tử có xét
đến ảnh hưởng tương hỗ của việc bù CSPK, lọc sóng hài, tại từng phần tử.
Phương pháp điều khiển này phải đảm bảo có tốc độ phản ứng nhanh, chính
xác để đáp ứng những thay đổi liên tục trên lưới điện và trong các nhà máy.
Luận án mang lại những ý nghĩa về khoa học và thực tiễn sau:
1. Đề xuất phương trình tính tổn thất cơng suất tác dụng trên lưới điện có
xét tới ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất làm việc của ĐC -KĐB.
2. Đề xuất phương pháp điều khiển tập trung cho các thiết bị phân tán để
bù CSPK, nâng cao CLĐN, và điều chỉnh điện áp nguồn cấp cho các ĐC-KĐB
nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng trong tất cả các q trình làm việc của
một nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp.
Luận án xây dựng phương trình tính tốn tổng tổn thất của lưới phân phối,
từ đó tối thiểu tổn thất cơng suất tác dụng của hệ thống, có tính đến những ảnh
hưởng tương hỗ của các thiết bị phân tán trong cùng hệ thống và ảnh hưởng

của CLĐA tới hiệu suất của ĐC-KĐB. Để thực hiện được điều này, luận án đề
xuất giải pháp xây dựng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung nhằm nâng
cao CLĐA, tối ưu hóa trong tồn bộ nhà máy. Giải pháp này chỉ có thể thực
hiện được khi sử dụng thiết bị điều khiển trung tâm có chức năng: thu thập số
liệu, cài đặt chế độ làm việc tức thời của từng thiết bị trong nhà máy, xử lý tính
tốn tối ưu hóa, từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển đến từng thiết bị trong hệ
thống. Phương pháp điều khiển tập trung này có thể thực hiện nhanh, chính xác
và mang lại hiệu quả cao cho từng xí nghiệp, nhà máy. Phương pháp này khắc
phục được những hạn chế mà hệ thống bù phân tán điều khiển phân tán không
thực hiện được vì khơng thể tính tốn được ảnh hưởng tương hỗ giữa các phần
tử của hệ thống.
3. Xây dựng phương trình xấp xỉ đường cong NEMA khi xét ảnh hưởng
của CLĐA đến hiệu suất làm việc của ĐC-KĐB.


3
4. Luận án thực nghiệm hóa các kết quả nghiên cứu bằng việc đề xuất thiết
kế, chế tạo một hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung sử dụng các thiết bị thụ
động như tụ điện, kháng điện, bộ lọc nhưng vẫn có thể điều chỉnh trơn CSPK và
điện áp tại thanh cái của nhà máy, xí nghiệp. Hệ thống đề xuất thu thập trực tiếp
các tín hiệu đo, từ đó xử lý và đưa ra lệnh điều khiển trực tiếp tới từng thiết bị bù
CSPK, lọc sóng hài tại từng phụ tải đảm bảo kịp thời đối với những thay đổi của
hệ thống nhằm đảm bảo yêu cầu ngày càng khắt khe của CLĐA. Hệ thống đề xuất
sử dụng các thiết bị thụ động, nên tiêu thụ lượng điện năng rất nhỏ và chi phí thấp
giúp cho khả năng thương mại hóa cao hơn.
Mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Mục tiêu:
- Nghiên cứu mối quan hệ giữa chất lượng điện năng tới khả năng làm việc
và hiệu suất của các ĐC-KĐB công suất lớn trong các nhà máy, khu công nghiệp.
- Xấp xỉ hóa đường cong NEMA, từ đó đề xuất phương trình tối ưu hóa tổn

thất cơng suất tác dụng của hệ thống.
- Đề xuất giải pháp bù phân tán điều khiển tập trung cho hệ thống nhằm
nâng cao CLĐA, giảm tổn thất điện năng tại các chế độ làm việc của hệ thống
điện trong các nhà máy, xí nghiệp. Trong đó có xét đến ảnh hưởng tương hỗ
giữa các phụ tải và thiết bị bù CSPK đặt tại các vị trí khác nhau.
- Đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống bù CSPK phân tán điều khiển tập
trung sử dụng các thiết bị thụ động.
Nhiệm vụ:
- Xây dựng thuật toán và xác định dung lượng bù tối ưu cho từng phụ tải
cũng như lượng bù trung tâm trong mạng điện phân phối.
- Xây dựng phương trình xấp xỉ đường cong NEMA cho ĐC-KĐB, tối ưu
hiệu suất của động cơ khi xét đến ảnh hưởng CLĐA của nguồn cung cấp.
- Xây dựng chương trình mơ phỏng trên phần mềm Matlab và chế tạo thiết
bị thực nghiệm để kiểm chứng hệ thống đề xuất.


4
Đối tượng nghiên cứu:
Các phụ tải là động cơ không đồng bộ công suất lớn, gây ra ảnh hưởng
nhất định đến chất lượng điện áp trong các nhà máy, khu công nghiệp tại
Việt Nam.
Phạm vi nghiên cứu:
Trên cơ sở đối tượng nghiên cứu đã được xác định, phạm vi nghiên cứu
của luận án là xây dựng thuật tốn, phương trình tính tốn và xác định vị trí bù,
dung lượng bù hợp lý nhất trong mạng điện hạ áp nhằm nâng cao chất lượng
điện áp, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của các ĐC-KĐB công suất lớn.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu khảo sát các cơng trình đã có và đã công bố liên quan đến
nâng cao chất lượng điện năng dựa trên nâng cao chất lượng điện áp và bù CSPK.
- Xây dựng thuật toán điều khiển và tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống, đáp

ứng kịp thời trong mọi chế độ làm việc của các nhà máy xí nghiệp. Đưa bài tốn
tối ưu hóa đơn lẻ thành bài tốn có ràng buộc và có xét tới những ảnh hưởng
tương hỗ khi thay đổi công suất của từng phụ tải lên CLĐA của lưới.
- Tìm hiểu, nghiên cứu xây dựng thuật toán, xác định dung lượng bù hợp
lý tại từng vị trí trong mạng điện hạ áp của nhà máy, khu công nghiệp.
- Áp dụng các phương pháp điều khiển trơn công suất của thiết bị bù
CSPK, lọc sóng hài, dựa trên điều khiển góc mở thyristor cho TCR, TSC hay
STATCOM.
- Phương pháp mơ phỏng trên máy tính sử dụng phần mềm Matlab và
thực nghiệm trên hệ thống thực để kiểm chứng, đánh giá thuật toán điều khiển
đã đề xuất.
4. Nội dung và bố cục của luận án
Luận án bao gồm: phần mở đầu và bốn chương chính, mỗi chương giải
quyết một nội dung khoa học cụ thể; kết luận chung; phụ lục và tài liệu tham
khảo. Ngoài phần mở đầu, nội dung chính của các chương như sau:


5
Chương I – Tổng quan về chất lượng điện năng và phương pháp bù
cơng suất phản kháng
Chương 1 trình bày tổng quan về chất lượng điện năng, chất lượng điện
áp và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của thiết bị động cơ không
đồng bộ.
Trên cơ sở đó đề cập đến các giải pháp điều chỉnh điện áp, đặc biệt quan
tâm tới phương pháp bù công suất phản kháng. Từ đó đề xuất nhiệm vụ, nội
dung nghiên cứu nhằm cải thiện CLĐA để nâng cao hiệu suất làm việc của
động cơ không đồng bộ trong nhà máy, xí nghiệp ở Việt Nam.
Kết quả nghiên cứu của chương này được tác giả cơng bố trên các tạp chí
các cơng trình số 3, 5.
Chương II – Phương pháp bù phân tán, điều khiển tập trung cho lưới

điện phân phối.
Chương 2 thực hiện tính tốn tổn thất cơng suất tác dụng của lưới điện
phân phối, tối ưu tổn thất công suất tác dụng của hệ thống, xác định dung
lượng bù cho từng phụ tải. Trong đó có xét tới ảnh hưởng của CLĐA lên hiệu
suất của ĐC-KĐB thông qua phương trình đường cong NEMA được luận án
đề xuất. Xây dựng hệ phương trình để giải bài tốn tối ưu hóa tổn thất công
suất tác dụng khi các phụ tải đặt phân tán trong nhà máy, khu công nghiệp.
Kết quả nghiên cứu được tác giả cơng bố trên các cơng trình số 1, 2, 4.
Chương III – Giải pháp xây dựng cấu hình hệ thống bù phân tán điều
khiển tập trung
Chương III luận án tiến hành xây dựng cấu trúc hệ thống bù phân tán điều
khiển tập trung, đề xuất sơ đồ khối của hệ thống và các thành phần của hệ thống.
Trong chương này luận án trình bày chi tiết các thành phần, chức năng và hoạt
động của các phần tử trong hệ thống. Trình bày các khối chính của hệ thống
bao gồm: khối điều khiển trung tâm, khối đo lường, khối nhập thông tin hệ
thống và khối đầu ra điều khiển. Luận án xây dựng thuật toán điều khiển cho
hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung; bao gồm các thuật tốn bù cơng suất


6
phản kháng, thuật tốn lọc sóng hài, thuật tốn cân bằng pha và thuật tốn của
chương trình chính của bộ xử lý trung tâm.
Kết quả nghiên cứu của chương III được tác giả cơng bố trên các cơng
trình số 2, 4.
Chương IV – Mô phỏng và thực nghiệm hệ thống bù phân tán điều
khiển tập trung
Luận án tiến hành mô phỏng hệ thống bù phân tán điều khiển tập trung đề
xuất, so sánh đánh giá kết quả thu được với hệ thống không bù và bù phân tán
điều khiển phân tán cũ. Luận án triển khai thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống
bù phân tán điều khiển tập trung vào trong một nhà máy cụ thể, từ đó đánh giá

những kết quả đạt được của hệ thống đề xuất; phân tích ưu điểm, nhược điểm
của phương pháp điều khiển và rút ra những kết luận định hướng ứng dụng.
Kết quả nghiên cứu của chương IV được tác giả cơng bố trên cơng trình
sau: 2, 4, 5.
5. Những đóng góp về khoa học và thực tiễn của đề tài
1. Đề xuất phương trình tính tốn tổn thất tổng của lưới điện có tính tới
ảnh hưởng của CLĐA đến hiệu suất của ĐC- KĐB, dựa trên đề xuất phương
trình xấp xỉ đường cong NEMA khi tính đến ảnh hưởng của chất lượng điện áp
tới hiệu suất làm việc của động cơ không đồng bộ.
2. Đề xuất phương án điều chỉnh điện áp phân tán điều khiển tập trung
và xây dựng hệ phương trình tối ưu hóa chế độ làm việc của tồn bộ nhà
máy, xí nghiệp cơng nghiệp có tính tới ảnh hưởng tương hỗ của việc thay
đổi chế độ làm việc của từng phần tử tới các thiết bị khác trong cùng hệ
thống. Phương pháp điều khiển tập trung đem lại hiệu quả cao hơn so với
phương pháp điều khiển phân tán hiện đang sử dụng rộng rãi trên thế giới.
3. Đề xuất hệ thống điều chỉnh điện áp, bù CSPK, lọc sóng hài dựa trên
nguyên lý thụ động. Hệ thống phản ứng nhanh, chính xác đồng thời tiêu thụ ít cơng
suất tác dụng, giá thành hạ, có thể đưa vào chế tạo hàng loạt, thương mại hóa.