CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.96 MB, 119 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH HỒNG NAM

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN
LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐÀ NẴNG – 2018
i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH HỒNG NAM

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN
LÒ HỒ QUANG DIỆN XOAY CHIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. NGUYỄN KIM ÁNH
2. TS. NGÔ VĂN QUANG BÌNH

ĐÀ NẴNG – 2018

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu đã nêu trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết quả nghiên cứu là
trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ cơng trình nào khác.
TÁC GIẢ
Đinh Hồng Nam

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CHO NGUỒN LÒ HỒ QUANG
ĐIỆN XOAY CHIỀU
Học viên: Đinh Hồng Nam
Mã số: 8520216

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Khóa: 33

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt- Chất lượng điện năng của hệ thống cung cấp điện phụ thuộc vào các
thông số của lưới điện như: điện áp, tần số, hệ số cosφ, sóng hài. Lị hồ quang điện xoay
chiều (EAF) khơng những là một phụ tải có u cầu cơng suất lớn mà nó cịn là nguồn

phát sóng hài lớn, gây dao động điện áp (flicker) và giảm thấp cosφ... Do đó, đề tài nghiên
cứu về các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng điện năng: sóng hài, cơng suất phản
kháng và flicker. Mơ hình hóa EAF bằng Phần mềm Matlab/simulink và phân tích các
ảnh hưởng của EAF đến lưới điện. Kết quả cho thấy cả bốn tham số: sóng hài điện áp,
sóng hài dịng điện, hệ số công suất và hệ số dao động điện áp mang tính cho kỳ (flicker)
đều vượt so với tiêu chuẩn của IEEE std 519-2014 và Bộ công thương. Giải pháp bù tích
cực SVC FC-TCR được đề xuất là giải pháp tối ưu về mặt kinh tế nhưng vẫn đáp ứng tốt
các yêu cầu về kỹ thuật. Sau khi đưa SVC vào hệ thống điện - lò, tất cả các chỉ số về sóng
hài điện áp, sóng hài dịng điện, hệ số công suất đều được cải thiện rõ rệt và đáp ứng tốt
các tiêu chuẩn quy định.
Từ khóa - Lò hồ quang - EAF; chất lượng điện năng; dao động điện áp; bù tích
cực; cơng suất phản kháng; SVC FC-TCR; mơ hình hóa; matlab/simulink;
Abstract - The power quality of the power supply system depends on the
parameters of the grid such as voltage, frequency, cosφ, harmonics. Electric arc furnace
(EAF) is not only a load that requires large capacity but also a large source of harmonics,
causing flicker and low cosφ... Therefore, the thesis study on key factors affecting power
quality: harmonics, reactive power and flicker. Modeling EAF with Matlab / Simulink
Software and analyzing the effects of EAF on the grid. The results show that all four
parameters: voltage harmonics, current harmonics, power factor and flicker voltage
fluctuations are higher the IEEE standard std 519-2014 and Ministry of Industry and
Trade of Việt Nam. The SVC FC-TCR positive filter solution is proposed as the
economically optimal solution while still meets the technical requirements. After
introducing the SVC into the electrical system - the furnace, all indicators of voltage
harmonics, current harmonics, power factor are clearly improved and meet the standards
well.
Key words - Electric Arc Furnace - EAF; power quality; flicker; positive filter;
reactive power; SVC FC-TCR; modeling; matlab / simulink;

iv

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................... iv
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................. vii
MỞ ĐẦU........................................................................................................... x
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ xiii
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SĨNG HÀI, CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG
VÀ DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP ..................................................................................... 3
1.1. Sóng hài............................................................................................ 3
1.2. Công suất phản kháng ..................................................................... 28
1.3. Dao động điện áp ............................................................................ 33
1.4. Kết luận .......................................................................................... 37
Chương 2 - LÒ HỒ QUANG ĐIỆN .......................................................... 38
2.1. Giới thiệu chung ............................................................................. 38
2.2. Sơ đồ điện....................................................................................... 47
2.3. Các thành phần chính...................................................................... 48
2.4. Quy trình vận hành lò hồ quang ...................................................... 51
2.5. Kết luận .......................................................................................... 52
Chương 3 - MƠ HÌNH HĨA LỊ HỒ QUANG ĐIỆN ............................... 53
3.1. Phân tích đặc tính Volt – Ampe (VAC) của EAF xoay chiều .......... 53
3.2. Mơ phỏng lị hồ quang trên Matlab/Simulink .................................. 61
3.3. phân tích ảnh hưởng của lò hồ quang đến lưới điện ........................ 65
3.4. Kết luận .......................................................................................... 68
Chương 4 THỐNG BÙ

CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NGUỒN ĐIỆN SỬ DỤNG HỆ
69

4.1. Giới thiệu........................................................................................ 69
4.2. Cải thiện chất lượng điện năng........................................................ 69

4.3. Đề suất phương án cải thiện ............................................................ 78
4.4. Tính toán các tham số của bộ lọc và bù tĩnh .................................... 78
4.5. Nguyên lý điều khiển SVC ............................................................. 83
4.6. Mô phỏng hệ thống Điện - EAF - SVC ........................................... 91
4.7. Phân tích kết quả............................................................................. 92
4.8. Kết luận .......................................................................................... 95
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 96
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 97

................................................................................................................................ 100

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
-

U: Điện áp
I: Dịng điện
P: Cơng suất tác dụng

-

Q: Cơng suất phản kháng
S: Cơng suất biểu kiến

-

φ: Góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện

-

Cosφ: Hệ số cơng suất
f: Tần số

-

w: Tần số góc
ψh: Góc pha

-

T: Chu kỳ
Pvm: Hệ số mức nhấp nháy điện áp

-

Plt: Mức nhấp nháy điện áp dài hạn
Pst: Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn

-

ΔA: Tổn thất điện năng

-

ΔP: Tổn thất công suất
ΔU: Tổn thất điện áp

-

Ycs: Các tổn hao do hiệu ứng mặt ngoài của dây dẫn
Ycp: Các tổn hao do hiệu ứng lân cận của dây dẫn.
Rac: Điện trở xoay chiều của dây dẫn
Rdc: Điện trở một chiều của dây dẫn

-

h: Bậc của sóng hài
Ih: Biên độ của dòng điện hài bậc h

-

Vh: Biên độ của điện áp sóng hài bậc h

-

ISC: dịng ngắn mạch cực đại tại điểm đấu nối chung PCC
K: Hệ số chịu dòng điện hài của máy điện

-

Pr: Tổn hao của máy lúc tải định mức với điện áp sin cơ bản
Ph: Tổng tổn hao do sóng hài

-

Er: Hiệu suất khi tải định mức ở động cơ

-

Tr: Mô men quay khi tải định mức ở động cơ

-

Sr: Độ trượt khi tải định mức ở động cơ
Xst: Điện kháng siêu q độ

-

Φh: Góc pha dịng điện của sóng hài bậc h
θh: Góc pha điện áp của sóng hài bậc h

-

ω0 : Tần số góc cơ bản, ω0 = 2Пf0
f0: Tần số cơ bản, f0 = 50Hz hoặc 60Hz

Lh: Điện cảm rò hiệu dụng của stator và của roto dây quấn đối với stato
tương ứng với bậc hài n
-

MVAsc: Dịng ngắn mạch ba pha Mega-Voltage
hn: Cộng hưởng sóng hài

Mvarcap: Dung lượng định mức của bộ tụ

-

Rc: Điện trở của cáp kết nối giữa MBA lò với các điện cực của EAF
Xc: Điện kháng của cáp kết nối giữa MBA lò với các điện cực của EAF

-

Vig: điện áp mồi hồ quang (ignition)
Vex: điện áp dập tắt hồ quang (extinction)

-

Xc: Bộ tụ điện.
XL: Cuộn điện kháng.

CHỮ VIẾT TẮT:

-

AC: Alteration Current

-

AF: Shunt Active Filter

-

AFs: Series Active Filter

-

ASD: Adjustable Speed Drive

-

CSI: Current Source Inverter

-

CSPK: Công Suất Phản Kháng

-

CSTD: Công Suất Tác Dụng

-

CT: Current Transformer

-

DC: Direction Current

-

DFT: Discrete Fourier Transform

-

DSP: Digital Signal Process

-

EAF: Electric Arc Furnace

-

FACTS: Flexible AC Transmission System

-

FFT: Fast Fourier Transform

-

GTO: Gate Turn Off

-

HP: High Power

-

LPF: LowPass Filter

-

MBA: Máy biến áp

-

MBĐB: Máy bù đồng bộ

-

PAM: Pulse Amplitude Modulation

-

PCC: Point of Common Coupling

-

PC: Persional Computer

-

PF: Passive Filter

-

PT: Potential Transformer

-

PLL: Phase-locked-loop circuit

-

PWM: Pulse Width Modulation

-

RDFT: Recursive Discrete Fourier Transform

-

rms: root mean square

-

RP: Regular Power

-

SSSC: Static Synchronous Series Controller

-

STATCOM: Static Synchronous Compensator

-

SVC: Static Var Compensator

-

TCR: Thyristor Controlled Reactor

-

TCSC: Thyristor Controlled Series Compensation

-

TĐT: Tụ điện tĩnh

-

THD: Total Harmonic Distortion

-

UHP: Ultra-High Power

-

UPFC: Unified Power Flow Controller

-

UPQC: Unified Power Quality Conditioner

-

UPS: Uninterruptible Power Supply

-

VSC: Voltage Source Converter

-

VSI: Voltage Source Inverter

-

VT: Điện áp hệ thống

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
4.1
4.2

Tên bảng
Thành phần thứ tự pha của sóng hài trong hệ thống 3 pha cân
bằng
Các giới hạn méo điện áp của IEEE std 519-2014
Các giới hạn độ méo dòng điện theo IEEE std 519 - 2014
Thống kê hệ số bù đắp theo hệ số công suất
Thống kê phát triển cơng nghệ lị hồ quang
Đặc tính điện cực và khớp nối của Qingdao Tennry Carbon
Đặc tính điện cực của Sgl Group - Đức
Tổng trở từng thành phần trong mạch điện
Phân tích sóng hài tải lị hồ quang
Tổng hợp dịng hài cần lọc
Kết quả sóng hài khi có SVC

Trang
6
9
10
32
38
50
50
63
67
80
94

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TÊN HÌNH VẼ

SỐ HIỆU
HÌNH VẼ
1.1
Minh họa về phân tích sóng hài
1.2
Bộ chuyển mạch nguồn chế độ [7]
1.3
Dịng điện và phổ sóng hài của bộ nguồn có chế độ chuyển
mạch
1.4
Dạng sóng và phổ hài dịng điện của đèn huỳnh quang chấn
lưu sắt từ
1.5
Dạng sóng và phổ hài dòng điện của đèn huỳnh quang chấn
lưu điện tử
1.6
Dòng điện va phổ hai của bộ diều khiển CSI [7]
1.7
Dòng điện và phổ hài của bộ điều khiển PWM [7]
1.8
Bộ điều khiển 6 xung [7]
1.9
Các bộ điều khiển AC [7]
1.10
Đặc tuyến từ hóa của MBA [7]
1.11
Dịng điện từ hóa máy biến áp và phổ hài [7]
1.12
Độ suy giảm tuổi thọ theo tổng độ méo THD của tải

1.13
Độ suy giảm tuổi thọ do từ hóa q mức
1.14
Tam giác cơng suất
1.15
Sơ đồ bù kinh tế công suất phản kháng trong lưới điện
1.16
Đồ thị đường cong GE flicker
1.17
Hiện tượng dao động điện áp
2.1
Cấu hình lị hồ quang DC điển hình
2.2
Mơ hình thực của lò hồ quang điện xoay chiều 3 pha 3 cực
2.3
Trao đổi nhiệt lượng của hồ quang
2.4
Một chu trình nấu thép của EAF AC
2.5
Hình ảnh thực tế quá trình nạp bổ sung liệu vào lò
2.6
Sơ đồ cấp điện cho EAF 3 điện cực
2.7
Sơ đồ cung cấp điện của EAF 6 điện cực
2.8
Mơ hình lị hồ quang một chiều điện cực kép
2.9
Lị hồ quang điện plasma
2.10
Sơ đồ mạch điện kết nối EAF với hệ thống điện

2.11
Sơ đồ mạch điện thay thế
2.12
Mơ hình buồn lò hồ quang điện xoay chiều ba điện cực

TRANG
5
11
12
13
14
16
16
17
18
19
20
23
24
29
30
33
36
40
42
42
43
44
44
45

45
46
47
48
49

SỐ HIỆU
HÌNH VẼ
2.13
2.14
2.15
3.1

3.2

3.3

3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15

3.16
3.17
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5

TÊN HÌNH VẼ

TRANG

Cấu tạo điện cực
Cấu tạo máy biến áp lị 40MVA (SIEMENS)
Vận hành điều khiển cơng suất lị
Mơ tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dòng điện
hồ quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm phút thứ 9 sau khi đổ
nguyên liệu lần thứ nhất
Mô tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dịng điện
hồ quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm phút thứ 7 sau khi đổ
liệu lần thứ hai
Mơ tả dạng sóng giữa điện áp hồ quang ug1 và dòng điện hồ
quang i1 ug1=f(i1) tại thời điểm khoảng 40 phút kể từ khi
liệu đổ lần thứ hai
Q trình tiêu thụ cơng suất trung bình của lị hồ quang
Mức cơng suất tiêu thụ đo được trong suốt q trình nấu lị
Mơ hình đặc tính tiệm cận tuyến tính đối với mơ hình thực
của EAF
Đặc tính VAC của hồ quang theo mơ hình 1
Đặc tính VAC của hồ quang theo mơ hình 2

Đặc tính VAC của hồ quang theo mơ hình 3
Đặc tính VAC của hồ quang theo mơ hình 4
Sơ đồ cung cấp điện EAF (A) và mạch điện tương đương
(B) [26]
Sơ đồ mô phỏng lị hồ quang điện
Dạng sóng dịng điện, điện áp hồ quang và điện áp tại PCC
Phổ dòng điện hài tại PCC
Phổ điện áp hài tại PCC
Công suất ba pha đo được trên PCC
Điện áp ba pha tại điểm nối chung PCC
Sơ đồ của bộ SVC
Cấu tạo bộ TCR
cấu tạo bộ TSC
Cấu tạo bộ lọc sóng hài
Sơ đồ bộ SVC

49
51
52
54

55

55

55
56
57
58
59

60
61
62
64
65
66
66
67
68
71
72
73
73
74

SỐ HIỆU
HÌNH VẼ
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17

4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
4.25
4.26
4.27
4.28
4.29
4.30

TÊN HÌNH VẼ

TRANG

Sơ đồ bộ STATCOM
Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống điện
Cấu trúc cơ bản của bộ TCSC
Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ SVC FC-TCR cho EAF
Sơ đồ hệ thống điện
Sơ đồ hệ thống tương đương khi bỏ qua P va Rs
Sơ đồ hệ thống tương đương khi gộp Xs và Xt
Đặc tính điều chỉnh SVC
Sơ đồ điều khiển chung của hệ thống SVC
Sơ đồ Simulink cho bộ điều áp
Sơ đồ simulink cho khâu tính tốn góc α

Sơ đồ simulink cho khối tạo xung vuông
Sơ đồ simulink cho khối tính số lần lấy mẫu trong 1 chu kỳ
Sơ đồ thuật toán cho khối phát xung dương
Sơ đồ simulink cho khối phát xung dương
Sơ đồ thuật toán cho khối phát xung âm
Sơ đồ simulink cho khối phát xung âm
Sơ đồ mô phỏng EAF-SVC
Sơ đồ khối bộ điều khiển TCR
Điện áp tại PCC, Điện áp và dòng điện hồ quang sau khi có
SVC
Phổ dịng điện hài tại PCC
Phổ điện áp hài tại PCC
Công suất ba pha đo được tại PCC
Điện áp ba pha tại điểm nối chung PCC

75
76
77
77
78
84
78
85
87
87
87
88
88
89
89

90
91
91
92
92
93
93
94
95

x
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phát biểu của Phó Tổng Giám Đốc EVN Ngô Sơn Hải tại Hội nghị trực tuyến
về công tác quản lý vận hành lưới điện diễn ra ngày 20/4/2017cho biết: "đến năm
2020, mục tiêu của EVN là phải trở thành 1 trong 4 đơn vị điện lực đứng đầu Đông
Nam Á về mọi mặt, mức độ hiện đại hóa, độ tin cậy lưới điện, đội ngũ công nhân kỹ
thuật chuyên nghiệp”. EVN cũng đặt ra những mục tiêu hết sức cụ thể như: đến năm
2020, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm xuống còn 6,5% (mục tiêu năm 2017 là 7,47%).
Tuy nhiên một thực tế vẫn đang tồn tại là sự thiếu hụt điện năng vẫn đang diễn ra. Nhà
nước chưa có giải pháp tốt cho vấn đề tiết kiệm điện năng ở các nhà máy cơng nghiệp.
Đây mới chính là những hộ tiêu thụ với sản lượng điện gấp nhiều lần so với các hộ
sinh hoạt. Từ những giải pháp đơn giản như: truyền thông, vận động, đào tạo, hỗ trợ
cho doanh nghiệp cải tiến, nâng cấp dây chuyền - công nghệ, thay thế thiết bị điện tiêu
thụ với công suất phù hợp hơn để tránh lãng phí khi thiết bị làm việc ở chế độ non
tải.Giải pháp phức tạp hơn là loại bỏ sóng hài và đầu tư các thiết bị bù nhanh và bù
trơn công suất phản kháng (STATCOM) ngay tại điểm kết nối chung giữa lưới và phụ
tải. Điều này được thể hiện thông qua Thông tư 39/2015/TT-BCT và Thông tư
25/2016/TT-BCT được ban hành và áp dụng trên toàn hệ thống điện của EVN kể từ

năm 2016 [1], [2].
Chúng ta biết rằng, chỉ có thành phần cơ bản mới có tác dụng tích cực. Hầu hết
các thành phần sóng điều hịa cịn lại chỉ có tác dụng ngược lại. Ví dụ tín hiệu điện có
độ méo dạng THD = 30% thì đồng nghĩa với khoảng 30% công suất đã bị thất thoát.
Đây là một giá trị quá lớn so với giá trị tổng. Nó khơng những thất thốt mà cịn gây ra
những vấn đề như: nổ tụ bù, cháy van bán dẫn của các bộ biến đổi, tác động sai của
máy cắt gây thăng giáng điện áp lưới, gây quá tải cho hệ thống nguồn cung cấp, gây
tổn thất và làm giảm tuổi thọ cho hệ thống truyền dẫn, nhiễu thiết bị điều khiển, truyền
thông và cảnh báo nhầm của UPS. Một ảnh hưởng nghiêm trọng nữa mà ít khi người
ta nghĩ đến, đó là các hệ thống tụ bù kết hợp với cuộn dây của máy biến áp tạo ra mạch
L-C. Đơi khi nó sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng ở sóng hài có bậc nào đó và hậu quả
là gây dao động điện áp tại điểm kết nối chung của nguồn, hệ thống bù và phụ tải.
Những nguồn phát ra sóng điều hịa bậc cao đáng kể như: lò nấu thép, bể mạ,
máy biến áp, động cơ, đèn huỳnh quang, các thiết bị điện tử công suất…
Trong những thiết bị đó, tải lị nấu thép cảm ứng, tải lò hồ quang điện (Electric
Arc Furnace - EAF) là những đối tượng phi tuyến mạnh, có cơng suất rất lớn (cơng
suất từ 1 MW đến 140MW, dịng điện từ 5kA đến 150kA [3] [4]). Dựa vào dòng điện

xi
cung cấp cho các điện cực lò, EAF được phân thành 2 loại: EAF một chiều và EAF
xoay chiều. Trong khi EAF một chiều gây méo dạng dòng điện nguồn thì EAF xoay
chiều khơng những gây méo dịng điện, điện áp nguồn, ngồi ra nó là đối tượng có nhu
cầu công suất phản kháng biến động rất nhanh theo thời gian (theo đặc tính vận hành
của các điện cực lị và tình trạng nóng chảy của kim loại) và gây ra dao động điện áp
có tính chất tuần hồn (cịn gọi là Flicker). So với EAF một chiều, EAF xoay chiều có
cơng suất lớn hơn nhiều, và là đối tượng phức tạp hơn, gây ra nhiều vấn đề đối với
chất lượng điện năng hơn đến hệ thống điện.
Đây chính là bối cảnh và động lực để đề tài này đề xuất nghiên cứu mơ hình
hóa EAF xoay chiều, phân tích những ảnh hưởng của nó đến hệ thống điện; sau đó

nghiên cứu tìm ra giải pháp tốt nhất để giảm thiểu những ảnh hưởng của nó; qua đó
cũng nâng cao được tính ổn định của hệ thống điện lị và hiệu suất vận hành của lò.
2. Nội dung nghiên cứu
Luận văn này tập trung nghiên cứu nguyên lý làm việc và mơ hình tốn học của
lị hồ quang điện xoay chiều ba pha - ba điện cực; kế tiếp là phân tích ảnh hưởng lị
đến lưới điện và cuối cùng là tìm ra giải pháp phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng này.
Để thực hiện nội dung trên, luận văn cần phải giải quyết các vấn đề sau đây:

 Nghiên cứu bản chất và những ảnh hưởng của sóng hài, công suất phản
kháng và dao động điện áp.

 Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý làm việc của lò hồ quang điện xoay chiều ba
pha - ba điện cực để phục vụ cho việc mơ hình hóa và phân tích ảnh hưởng
của nó đến chất lượng điện năng.

 Nghiên cứu và lựa chọn giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu sự ảnh hưởng
của lò đến lưới điện.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Mục đích của đề tài “Cải thiện chất lượng điện năng cho nguồn lò hồ quang
điện xoay chiều” nhằm giải quyết các vấn đề sau: cải thiện chất lượng điện năng cho
hệ thống điện lò và hệ thống điện phân phối; tăng hiệu suất làm việc cho lò (giảm thời
gian của một mẻ thép), giảm ảnh hưởng xấu của hệ thống điện lò lên các thiết bị tiêu
thụ điện lân cận.
4. Tóm tắt nội dung chính của luận văn
Để giải quyết các nội dung như đã trình bày ở trên, luận văn này sẽ được trình
bày thành bốn chương như sau:

xii

Chương 1 – Tổng quan về sóng hài, cơng suất phản kháng và dao động
điện áp: Dựa vào các tài liệu đã xuất bản, chương này sẽ tập trung nghiên cứu các vấn
đề liên quan đến: công suất phản kháng (CSPK), sóng điều hịa bậc cao, vấn đề về dao
động điện áp và những ảnh hưởng của nó đến chất lượng điện năng.
Chương 2 – Lò hồ quang điện: Trong chương này nghiên cứu chung về các
loại lò nấu thép sử dụng hồ quang điện. Sau đó tập trung nghiên cứu về lò hồ quang
điện xoay chiều 3 pha - 3 điện cực, cụ thể: sơ đồ cung cấp điện, các thành phần cấu tạo
của lị và quy trình vận hành của nó.
Chương 3 –Mơ hình hóa lị hồ quang điện: Dựa vào cơ sở lý thuyết của
Chương 2, chương này tập trung phân tích đặc tính tải lị, mơ hình hóa và mơ phỏng lị
hồ quang bằng phần mềm Matlab/Simulink. Chương này kết thúc bằng việc phân tích
và đánh giá ảnh hưởng của nó đến nguồn điện cung cấp dựa vào tiêu chuẩn IEEE std
519-2014.
Chương 4 – Cải thiện chất lượng nguồn điện sử dụng hệ thống bù: Trước
tiên, chương này sẽ trình bày các phương án giảm hay loại bỏ những ảnh hưởng xấu
của EAF xoay chiều đến hệ thống điện. Giải pháp bù tĩnh SVC được lựa chọn trong
chương này. Cụ thể của phương như sau: lọc thụ động (Passive Filter - PF) để giảm
bớt một lượng đáng kể của sóng hài bậc thấpvà bù tồn bộ cơng suất phản kháng
(CSPK) cho tải lị EAF. CSPK thừa phát ra từ bộ PF sẽ được hấp thụ bằng cách sử
dụng bộ điều chỉnh dòng qua cuộn kháng sử dụng van thyristor (Thyristor Controlled
Reactor - TCR).
Dựa vào các kết quả phân tích được ở chương 3, các cơng việc cịn lại của
chương này là như sau:
 Tính tốn các tham số của các thành phần lọc thụ động PF và TCR;

 Nghiên cứu và áp dụng thuật toán điều khiển cho thành phần TCR;

 Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink 2016a để mô phỏng hệ thống gồm: lưới
điện - EAF - PF – TCR;

 Dựa trên những kết quả đạt được, đánh giá tính khả thi của phương án đã lựa
chọn.

xiii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, được sự định hướng, hướng
dẫn tận tình của TS. Nguyễn Kim Ánh và TS. Ngơ Văn Quang Bình cùng với sự cố
gắng của bản thân học viên để luận văn được hoàn thành đáp ứng được nội dung,mục
tiêu như đã đặt ra từ lúc bảo vệ Đề cương. Tuy nhiên, giải pháp để nâng cao chất
lượng điện năng là một lĩnh vực rộng và đặc biệt là việc ứng dụng nó đối với nguồn
cấp cho lị hồ quang khá phức tạp. Do đó trong bản luận văn này khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Học viên rất mong nhận được sự góp ý của các Q thầy cơ giáo và
đồng nghiệp để luận văn này được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến cha mẹ, người đã ni dạy để con có được
như ngày hơm nay. Cảm ơn vợ Nguyễn Thị Vân đã động viên tạo điều kiện thuận lợi
cho tơi trong suốt q trình học tập và công tác. Cảm ơn quý đồng nghiệp trường Cao
đẳng kỹ thuật Đắk Lắk đã tạo điều kiện thuận lợi trong thời gian học tập và nghiên cứu
Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô giáo đến từ Khoa Điện - trường Đại Học
Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng và trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã cung cấp cho
tôi những kiến thức, kỹ năng và phương pháp nghiên cứu khoa học trong suốt quá
trình học tập để cho phép tơi có hồn thành bản luận văn đúng hạn và phục vụ công
việc chuyên môn của tôi trong tương lai.
Một lần nữa xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của tôi tới TS. Nguyễn Kim Ánh
đã tận tình hướng dẫn tơi trong luận văn này.

Học viên
Đinh Hồng Nam

3
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ SĨNG HÀI, CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ
DAO ĐỘNG ĐIỆN ÁP
Chương này sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản về các vấn đề liên quan đến chất
lượng điện năng như: sóng hài, cơng suất phản kháng (CSPK), hiện tượng dao động điện
áp (flicker).
1.1.

Sóng hài

1.1.1. Giới thiệu về sóng hài
Việc phát, truyền dẫn và phân phối điện năng, các công ty Điện lực mong muốn
cung cấp đến khách hàng nguồn điện với dạng sin gần như tuyệt đối. Thực tế, việc này
không thể thực hiện được do bản thân nội tại của các thiết bị trong hệ thống điện và các
phụ tải phi tuyến của khách hàng. Những thiết bị này phát thải ra một lượng đáng kể
sóng dịng điện và điện áp có tần số khác với tần số cơ bản. Những thành phần này gọi là
sóng hài; hậu quả là làm méo dạng sóng điện áp và dịng điện của lưới điện.
Vấn đề này tồn tại khá lâu đối trong toàn bộ hệ thống điện trong hệ thống điện
Việt nam. Với sự phát triển chung của nền kinh tế trong tất cả các lĩnh vực, địi hỏi hệ
thống điện khơng những tăng về cơng suất mà cịn phải đặc biệt lưu ý đến chất lượng
điện năng.
Cũng như ô nhiễm nguồn nước, ô nhiễm khơng khí, sóng hài cũng mang đến khá
nhiều vấn đề mà khơng dễ gì cải thiện một cách nhanh chóng. Ảnh hưởng của sóng hài
được phát ra từ các tải phi tuyến lan truyền ngược lại lưới điện được ví như nước/rác/khí
bẩn và độc hại thải ra mơi trường. Nó không những ảnh hưởng đến các nhà máy khác lân
cận mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và tuổi thọ của các phụ tải/thiết bị khác
của chính nhà máy chúng ta. Những ảnh hưởng tiêu biểu như: làm máy biến áp nguồn bị
quá tải, rung và phát nhiệt do bảo hịa mạch từ mặc dù cơng suất chuyển tải thấp hơn
định mức; làm cho cáp điện bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện dẫn đến chạm/chập. Lực

điện từ theo nhiều phương khác nhau sinh ra momen xoắn trên rotor của động cơ làm
rung lắc trục, phát sinh tiếng ồn và cộng hưởng cơ khí, gây quá nhiệt và phá hỏng cách
điện, kết quả là giảm tuổi thọ của động cơ. Những nhà máy có nhiều động cơ điện thì
các tủ tụ bù để điều chỉnh hệ số cơng suất không thể thiếu được. Tuy nhiên, những tụ bù
này nhanh chóng bị phá hủy bởi sóng hài (do phát nhiệt và phá hủy lớp điện môi). Tụ bù
cộng với máy biến áp nguồn có thể tạo ra mạch dao động L-C, là nguyên nhân chính dẫn
đến cộng hưởng đện áp trên thanh cái của nhà máy. Ngồi ra, sóng hài còn gây tổn thất
điện năng, ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của các thiết bị quay, đến sự làm việc bình
thường và tuổi thọ của các thiết bị điện tử, truyền thơng, đo lường, bảo vệ của chính nhà
máy đó [5].

4
Nghiên cứu sóng hài bắt đầu từ việc kiểm tra sự ảnh hưởng của thiết bị phát thải
để dị tìm các cộng hưởng. Ngồi ra nghiên cứu sóng hài cịn để phân tích các trạng thái
của sóng hài cũng như tính tốn hệ số độ méo dạng. Các thơng tin chính cần thiết phải
được thu thập khi nghiên cứu và loại bỏ sóng hài gồm các tham số sau:
- Cơng suất ngắn mạch hệ thống,
- Tỷ số X/R tại thanh cái,
- Thông số định mức MBA phân phối,
- Tỷ số X/R và trở kháng tương đối,
- Điện áp và thông số định mức các bộ tụ điện hiệu chỉnh công suất hiện có,
- Đo dịng điện của các nguồn hài.
1.1.2. Mơ tả sóng hài
Khai triển Fourier thường được dùng trong nghiên cứu sóng hài. Như Hình 1.1 là
minh họa một tín hiệu điện được phân tích thành các thành phần hài khác nhau. Bất kỳ
một sóng tuần hồn nào cũng có thể được diễn giải dưới dạng chuỗi Fourier được phân
tích như sau [5], [6]:
f t   A 0   A h coshω 0 t   B h sin hω 0 t   A 0   C h sin hω 0 t  ψ h 




h 1

h 1

(1.1)

Trong đó:
- f(t) là hàm tuần hồn tần số f0, tần số góc ω0=2Пf0 và chu kỳ T=1/f0=2П/ω0.
- C1sin(ω0t+ψ1) là thành phần cơ bản.
- Chsin(hω0t+ψh) là sóng hài bậc h với biên độ Ch,tần số hf0,góc pha ψh
Các hệ số của chuỗi Fourier được tính như sau:

1
1
A0   f t dt   f t dx , trong đó x=ω0t
2π 0
T0
T

2π

T

2π

2
1

A h = ị f (t )cos (hω0 t )dt = ò f (t )cos (hx )dx
T 0
π 0
T

A 2h  B 2h

A 
ψh  tan1  h 
 Bh 

(1.3)

2π

2
1
B h = ò f (t )sin (hω 0 t )dt =
f (t )sin (hx )dx
T 0
2π ò0
Ch 

(1.2)

(1.4)
(1.5)
(1.6)

5

Hình 1.1 Minh họa về phân tích sóng hài
1.1.3. Các tính chất của sóng hài
a. Tính đối xứng

 Đối xứng lẻ f(-t) = -f(t) (khơng có số hạng cosin trong khai triển Fourier).
 Đối xứng chẵn f(-t) = f(t) (không có số hạng sin trong khai triển Fourier).

 Đối xứng nửa sóng f(t±T/2) = -f(t) có thành phần một chiều bậc khơng và khử
các sóng hài bậc chẵn (2, 4, 6, ...). Tính chất này cho phép bỏ qua các sóng hài
bậc chẵn trong hệ thống điện.
b. Các thành phần thứ tự của sóng hài
Trong một hệ thống ba pha cân bằng thì các thành phần sóng hài riêng lẻ gồm các
thành phần thứ tự thuận, thứ tự nghịch, và thứ tự không như khai triển Fourier của điện
áp pha dưới đây [7]:
Va t   V1cos ω 0 t   V2 cos 2ω 0 t   V3 cos 3ω 0 t   V4 cos 4ω 0 t 

 V5 cos 5ω 0 t   V6 cos 6ω 0 t   V7 cos 7ω 0 t   ...

Vb t   V1cos ω 0 t  120  V2 cos 2ω 0 t  240   V3cos 3ω 0 t  360 

(1.7)

 V4 cos 4ω 0 t  480  V5 cos 5ω 0 t  600   V6 cos 6ω 0 t  720
 V7 cos 7ω 0 t  840  ...

 V1cos ω 0 t  120   V2 cos 2ω 0 t  120  V3cos 3ω 0 t 

 V4 cos 4ω 0 t  480  V5 cos 5ω 0 t  120   V6 cos 6ω 0 t 

 V7 cos 7ω 0 t  120  ...

(1.8)

6
Vc t   V1cos ω 0 t  120   V2 cos 2ω 0 t  240   V3cos 3ω 0 t  360 

 V4 cos 4ω 0 t  480   V5cos 5ω 0 t  600   V6 cos 6ω 0 t  720  
 V7 cos 7ω 0 t  840   ...

 V1cos ω 0 t  120    V2 cos 2ω 0 t  120    V3cos 3ω 0 t 

 V4 cos 4ω 0 t  120   V5 cos 5ω 0 t  120   V6 cos 6ω 0 t 
 V7 cos 7ω 0 t  120   ...

(1.9)

Tổng điện áp hiệu dụng là:
1
Vh2 

2 h 1

Vphrms 

V
h 1

(1.10)

2
hrms

Khi nối Y thì điện áp dây là:

Vab (t)= Va (t)- Vb (t)= 3[Vcos
(ω0t + 30°)+ Vcos
(2ω0t - 30°)
1
2

(1.11)

+ Vcos
(4ω0t + 30°)+ Vcos
(5ω0t - 30°)+ V7 cos(7ω0t + 30°)+ ...]
4
5

Biểu thức trên cho thấy sóng hài bội 3 khơng xuất hiện trong điện áp dây, và điện
áp dây hiệu dụng là:
3
2
Vh2  3 Vhrms

2 h 1
h 1

VLLrms 

(1.12)

Các xem xét trên cho thấy rằng:
- Các sóng hài cơ bản như bậc 4, 7... là thành phần thứ tự thuận (+),
- Các sóng hài bậc 2, 5, 8 là các thành phần thứ tự nghịch (-),
- Các sóng hài bội 3 (3, 6, 9,...) là các thành phần thứ tự không (0),
- Cụ thể hơn, Bảng 1.1 liệt kê các các thành phần thứ tự pha của sóng hài trong hệ
thống 3 pha cân bằng.
Bảng 1.1 Thành phần thứ tự pha của sóng hài trong hệ thống 3 pha cân bằng
h
TT

1
+

2
-

3
0

4
+

5
-

6
0