Nghiên cứu thiết kế thiết bị bù hạ thế ổn định điện áp lưới điện

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN HUY KHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ THIẾT BỊ BÙ HẠ THẾ
ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN DUY CƯƠNG

Thái Nguyên - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, luận văn này là cơng trình nghiên cứu của riêng cá nhân
tơi, được thực hiện trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp từ nhiều nguồn tài
liệu tham khảo khác nhau. Qua số liệu thu thập thực tế, tổng hợp tại Công ty Điện
lực Bắc Kạn - nơi tôi làm việc, không sao chép bất kỳ luận văn nào trước đó và
dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Duy Cương - giảng viên trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên.
Các số liệu và những kết quả trong luận văn là trung thực, các đánh giá,

kiến nghị đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm làm việc trong Công ty
Điện lực Bắc Kạn; kết quả nghiên cứu này chưa từng được cơng bố dưới bất
cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và cơng nhận bởi “Hội Đồng đánh giá
luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật”.
Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên./.
Tác giả luận văn

Nguyễn Huy Khương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về
cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa
chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức
chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao
trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải
quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho
công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học
đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền
đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
PGS.TS. Nguyễn Duy Cương đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo,
nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;
Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc

sĩ;
Các đồng chí lãnh đạo và tập thể cán bộ cơng nhân viên của Công ty
Điện lực Bắc Kạn đã giúp đỡ tác giả thực hiện việc nghiên cứu, thu thập các số
liệu để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này; các đồng nghiệp là những người
đã hoàn thành chương trình cao học, đã dành thời gian đọc, đóng góp, chỉnh
sửa cho luận văn thạc sĩ này hồn thiện tốt hơn;
Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động
viên tác giả trong q trình thực hiện và hồn thành luận văn này;
Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện
của Hội đồng Chấm hần 3.2.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




Khi có cả tụ bù và và điện kháng bù với giá trị phù hợp, điện áp đầu
nguồn và cuối nguồn có giá trị gần như nhau, như chỉ ra trong hình 5.6.

Hình 3.20 Điện áp đầu nguồn và điện áp cuối nguồn có cả tụ bù và kháng bù.
Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển Thyristor xây dựng trên Simulink được
chỉ ra như trong hình 3.21, gồm có khối tạo điện áp săng cưa, so sánh và phân
chia xung.

Hình 3.21 Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển Thyristor xây dựng trên Simulink
Khối tạo điện áp răng cưa tạo ra điện áp răng cưa như trong hình 3.22.
Điện áp này được so sánh với điện áp điều khiển. Điện áp điều khiển là là điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

áp ra của khối điều khiển cos 𝜑. Khối điều khiển cos 𝜑 sẽ được trình bày ở mục
3.2.2. Ở khối so sánh, khi điện áp răng cưa lớn hơn điện áp điều khiển, ta sẽ
được điện áp sau khối so sánh ở mức 1 (𝑉𝐷𝐷 ). Ngược lại, khi điện áp răng cưa
nhỏ hơn điện áp điều khiển, ta sẽ được điện áp sau khối so sánh ở mức 0 (GND),
như trong hình 3.22.

Hình 3.22 Điện áp răng cưa, điện áp điều khiển, và điện áp sau khối so sánh
Điện áp sau khối so sánh tạo thành xung. Xung này có thể được sửa xung
để có độ rộng nhỏ hơn. Để đơn giản, trong mô phỏng, tác giả không dùng khối
sửa xung. Xung này sau đó sẽ được phân chia thành hai nửa theo chu kỳ của
điện áp đồng bộ (đồng bộ với điện áp lưới), qua mạch khuếch đại và gửi xung,
để gửi xung tới các Thyristor. Dạng điện áp của khối phân chia xung được chỉ
ra trong hình 3.23.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.23 Phân chia xung
Bộ điều khiển PID được xây dựng trên sơ đồ mô phỏng sử dụng
Matlab/Simulink được chỉ ra trong hình 3.24.

Hình 3.24 Xây dựng bộ điều khiển PID điều khiển hệ số Cos Phi trên
Matlab/Simulink
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Trong đó, khối “Discrete Active & Reactive Power” nhận tín hiệu điện
áp và dòng điện từ thiết bị đo lường, và đưa ra công suất tác dụng (P) và công
suất phản kháng (Q). Sơ đồ của khối này được chỉ ra như trong hình 3.25.

Hình 3.25 Đo cơng suất tác dụng và công suất phản kháng.
Sử dụng khối khải triển Fourier, ta được giá trị điện áp V và dòng điện I
cũng như góc pha của chúng, với góc lệch pha là 𝜑. Khi đó, P và Q được tính
theo công thức: 𝑃 = 𝑈. 𝐼. 𝑠𝑖𝑛𝜑 và 𝑄 = 𝑈. 𝐼. 𝑐𝑜𝑠𝜑
Hệ số 𝑐𝑜𝑠𝜑 được tính lại theo cơng thức (3.4), và qua khâu lọc bậc nhất,
đưa về bộ điều khiển làm tín hiệu phản hồi.
Sai lệch 𝑐𝑜𝑠𝜑 giữa lượng đặt và tín hiệu đo về sẽ được đưa tới bộ điều
khiển PID. Để cho thuận với luật điều, ta lấy giá trị điện áp VDD = 12V trừ đi
giá trị tính tốn được từ bộ điều khiển PID để đưa vào khối tạo xung điều khiển.
Nghĩa là, khi 𝑢𝑑𝑘 giảm thì góc mở 𝛼 tăng, để giảm dịng điện qua Thyristor, và
ngược lại.
Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển cos phi được chỉ ra trong hình
3.26, với Kp = 7; Ki = 150; Kd=0. Từ kết quả ta thấy, hệ số cos phi đạt được
giá trị cos phi đặt mong muốn là 0.9, với thời gian xác lập khoảng 0.2s, sai lệch
trạng thái ổn định rất nhỏ gần như bằng 0. Như vậy, bộ điều khiển PID đã thiết
kế đạt yêu cầu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 3.26 Hệ số cos phi.
Kết luận chương 3
Chương 3 xây dựng sơ đồ tổng quan hệ thống bù công suất phản kháng
FC-TCR và tính tốn các thơng số giá trị bù cố định FC (tụ điện cố định) tính

tốn giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR; đưa ra mối liên hệ giữa điện cảm (L)
ở nhánh TCR, góc kích mở Thyristor (α), hệ thống điều khiển, bộ tạo xung điều
khiển Thyristor bao gồm sơ đồ khối nguyên lý làm việc mạch tạo xung;
Trên cơ sở cấu trúc đề xuất này tác giả sẽ đi xây dựng cấu trúc điều khiển
hệ thống và đánh giá chất lượng bù công suất phản kháng (nâng cao hệ số công
suất cos) thông qua mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink, tính tốn các
tham số của hệ thống đối với một đối tượng cụ thể, kết quả mô phỏng và đánh
giá hệ thống điều khiển.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Mục tiêu chính của luận văn là thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng
nâng cao hệ số công suất mới cho lưới điện truyền tải cho một tuyến đường dây
trung thế tại tỉnh Bắc Kạn, sử dụng hệ thống bù CSPK sử cấu trúc FC-TCR.
Kết quả mô phỏng sử phần mềm Matlab/Simulink cho thấy hiệu quả của
phương pháp. Dung kháng bù được đưa vào hệ thống sẽ bù vượt quá lượng bù
cần thiết, sau đó ta có thể điều khiển điện cảm kháng bù sao cho đạt được hiệu
số cos phi mong muốn, sử dụng cầu Thyristor có điều khiển. Bộ điều khiển PID
được sử dụng đạt yêu cầu về chất lượng điều khiển.
Kiến nghị
Luận văn hiện tại mới đang đạt được các kết quả mô phỏng sử dụng phần
mềm Matlab/Simulink. Trong thời gian tới rất mong kết quả nghiên cứu được
sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên trong học tập, đồng thời xây dựng
hệ thống để ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu tiếng anh:
[1] Dixon, J., Moran, L.,RAdriguez, J., Domke R;, "Reactive Power
Compensation Technologies," in Proccedings of the IEEE Publication, 2005.
[2] Dr. Suhail.A. Qureshi, Kh. Nadeem Aslam, "Efficient Power Factor
Improvement Techniques and Energy conservation of Power System," in
International Conference on Energy Management & Power Delivery
EMPD- 95, Singapore, 21-23-Nov.1995.
[3] Dash, J. K, "Control Strategy for Reactive Power Using FC-TCR by
Matlab Simulink," IJEEE, vol. 2, no. 4, pp. 39-43, 2015.
[4] Vardar, T., Cam, E, Yalcin, E, "Energy Efficiency with Reactive
Power Compensation and Reactive Power Compensation in Public
Institutions," International Journal of Engineering Research and
Development, June, 2010.
[5] Shi, C., Chen., Liu, Z, "Study of Reactive Power in AC/DC Power
System," in 2nd IEEE Conference on Industrial Electronics and
Applications, Harbin, 2007.
[6] Gonzalez, D. A. and Mccall, J. C, "Design of filters to reduce harmonic
distortion in industrial power systems," IEEE Trans. on Industry
Applications, Vols. IA-23, pp. 504-511, 1987.
[7] Duffey, C. K. and Stratfort, R. P., "Update of harmonic standard IEEE519:IEEE recommended practices and requirements for harmonic control
in electric power systems," IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 25,
pp. 1025-1034, 1989.
[8] Y. and Ertem, S Baghzouz,, "Shunt capacitor sizing for radial distribution
feeders with distorted substation voltage," IEEE Trans. on Power
Delivery, vol. 5, pp. 650-657, 1990.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




[9] Vijayakumar,

T.,

Nirmalkumar,

A,

"Experimental

Results

of

Microcontroller Based FC-TSR-TCR Systems," International Joural of
Electrical and Electronic System Research, vol. 3, pp. 32-39, June, 2010.
[10] Hartana, R. K. and Richards, "Comparing capacitive and LC compensates
for power factor correction and voltage harmonic reduction," Electric
Power System, vol. 17, pp. 57-64, 1989.
[11] Dang Van Huyen, Phan Thanh Hien, Nguyen Duy Cuong, “Design of
Dynamic-Static Var Compensation based on Microcontroller for
Improving Power Factor”, IEEE International Conference on Systems
Science and Engineering 2017
[12] Phan Thanh Hien, Dang Van Huyen, Nguyen Duy Cuong, “Harmonic
Elimination based on Fuzzy Logic in combination with Hysteresis

Control Algorithm”, IEEE International Conference on Systems Science
and Engineering 2017
[13] Nguyen Thi Tuyet Hoa, Dang Van Huyen, Nguyen Duy Cuong, “Design
Control System For Static Reactive Power Compensators”, Journal of science
and technology - Thainguyen University - Vol 157, No.12/1, 2016
Tài liệu tiếng việt:
[14] Schneider Electric S.A (2004), Điện cơng nghiệp, NXB thành phố Hồ Chí
Minh, TP Hồ Chí Minh.
[15] Đặng Văn Huyên, Nguyễn Duy An, Nguyễn Duy Cương, “Thiết kế hệ
thống bù công suất phản kháng kết hợp lọc sóng hài cho các hệ thống điện
cơng nghiệp, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Đặc san ACMEC, 072017

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN