Khảo sát, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện phân phối tại Thành phố Hồ Chí Minh: Luận văn thạc sĩ - Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

MAI TÂM KHOA

KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

ĐIỆN NĂNG CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

TẠI THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Võ Ngọc Điều .................................................

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Người phản biện 1: PGS. TS. Trương Đình Nhơn .......................................................

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Người phản biện 2: TS. Nguyễn Nhật Nam..................................................................

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại

học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 11 tháng 10 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. TS. Trần Thanh Ngọc......................................- Chủ tịch Hội đồng

2. PGS. TS. Trương Đình Nhơn..........................- Phản biện 1

3. TS. Nguyễn Nhật Nam....................................- Phản biện 2

4. TS. Châu Minh Thuyên...................................- Ủy viên

5. TS. Dương Thanh Long ..................................- Thư ký

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Mai Tâm Khoa MSHV: 17113091

Ngày, tháng, năm sinh: 23/5/1983 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã chuyên ngành: 8520201

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Khảo sát, đánh giá và đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cho lưới điện

phân phối tại Thành phồ Hồ Chí Minh

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nhiệm vụ 1: Cơ sở lý thuyết về chất lượng điện năng

- Nhiệm vụ 2: Khảo sát chất lượng điện năng trên lưới điện phân phối Thành phố Hồ

Chí Minh

- Nhiệm vụ 3: Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng lưới điện phân phối Thành

phố Hồ Chí Minh

- Nhiệm vụ 4: Ứng dụng Etap trong khảo sát chất lượng điện năng

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/12/2019

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ...............................................................

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Võ Ngọc Điều

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm 2020

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

(Họ tên và chữ ký)

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em muốn được bày tỏ lòng kính trọng sâu sắc tới Thầy giáo – PGS. TS.

Võ Ngọc Điều là người trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá

trình hoàn thành luận văn này.

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong và ngoài Trường Đại

học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền đạt những kiến thức

và kinh nghiệm quý báu cho em trong toàn khoá học.

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến Khoa Đào tạo Sau Đại học và Khoa Công nghệ Điện

- Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã cho phép và tạo điều kiện

thuận lợi, giúp đỡ để em hoàn thành khóa học.

Em xin chân thành cảm ơn tập thể lãnh đạo Tổng Công ty Điện lực thành phố Hồ Chí

Minh, các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ cho em trong quá trình học tập,

nghiên cứu để hoàn thành luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, tháng …… năm 2020

Học viên

Mai Tâm Khoa

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hiện nay, các dây chuyền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại với trình độ tự

động hóa cao, những thiết bị và dây chuyền này thường nhạy cảm hơn với các thông

số của điện năng. Vấn đề chất lượng điện năng càng trở nên quan trọng đối với các

đơn vị cung ứng điện lẫn khách hàng tiêu thụ điện.

Luận văn trình bày các cơ sở lý thuyết về chất lượng điện năng, bao gồm: định nghĩa,

hiện tượng, nguyên nhân sự ảnh hưởng, các thông số và tiêu chuẩn, cũng như các giải

pháp lý thuyết để nâng cao chất lượng điện áp, tần số và sóng hài bậc cao trên lưới

điện. Kết hợp các số liệu đo đạc thực tế trên lưới điện phân phối với các tiêu chuẩn

hiện hành để đánh giá chất lượng điện năng khu vực thành phố Hồ Chí Minh và từ

đó đề xuất các giải pháp cụ thể cho Tổng công ty Điện lực thành phố Hồ Chí Minh

và các khách hàng sử dụng điện trên địa bàn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, chất lượng điện năng là những vấn đề liên quan đến sự

biến thiên của điện áp, dòng điện hoặc tần số dẫn đến việc hoạt động kém hiệu quả,

hư hỏng thiết bị của đơn vị cung ứng điện hoặc của khách hàng. Bên cạnh đó, luận

văn xây dựng mô hình các giải pháp về giảm sụt áp ngắn hạn, giảm dòng ngắn mạch,

giảm biến dạng sóng hài và tác động của nguồn phân tán trên lưới phân phối để giúp

nâng cao chất lượng điện năng.

Vì vậy, để giải quyết toàn diện vấn đề chất lượng điện năng cần có sự phối hợp và nỗ

lực của cả ba bên: các nhà sản xuất thiết bị điện, các đơn vị cung cấp điện và toàn bộ

khách hàng sử dụng điện.

iii

ABSTRACT

Today, industrial production lines are more and more modern with a high degree of

automation, which are often more sensitive to the parameters of electricity. The issue

of power quality becomes even more important to both power suppliers and

consumers.

The thesis presents theoretical foundations of power quality, including: definitions,

phenomena, causes of effects, parameters and standards, as well as theoretical

solutions to improve power quality. voltage, frequency and high-order harmonics on

the grid. Combining actual measurement data on the distribution grid with current

standards to evaluate the power quality in Ho Chi Minh City area and then propose

specific solutions to Ho Chi Minh City Power and electricity consumers in the area.

Research results show that power quality is problems related to voltage, current or

frequency variations that lead to ineffective operation, damage to equipment of power

supply units or of cutomer. In addition, the thesis modeled solutions for SAG, short￾circuit current reduction, harmonic distortion and the impact of distributed source on

distribution grid to help improve the quality of power.

Therefore, to comprehensively solve the power quality issue requires the coordination

and efforts of all three parties: electrical equipment manufacturers, power suppliers

and all electricity consumers.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn

của Thầy giáo – PGS. TS. Võ Ngọc Điều. Tôi cũng xin cam đoan rằng mọi sự giúp

đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong

luận văn này đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên

Mai Tâm Khoa

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC…...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................xi

MỞ ĐẦU….....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề ......................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................3

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...........................................................................4

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG.....................5

1.1 Chất lượng điện áp của hệ thống điện............................................................5

1.1.1 Biến thiên điện áp dài hạn ..........................................................................5

1.1.2 Biến thiên điện áp ngắn hạn .....................................................................11

1.1.3 Dao động điện áp ......................................................................................19

1.1.4 Quá điện áp ...............................................................................................22

1.2 Sóng hài trong hệ thống điện .......................................................................27

1.2.1 Mô tả hiện tượng.......................................................................................28

1.2.2 Các thông số đặc trưng .............................................................................28

1.2.3 Các nguyên nhân tạo ra sóng hài..............................................................29

1.2.4 Tác động của sóng hài ..............................................................................38

1.2.5 Tiêu chuẩn sóng hài trên lưới điện quốc gia ............................................43

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN

PHỐI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH....................................................45

2.1 Tổng quan về lưới điện thành phố Hồ Chí Minh.........................................45

2.1.1 Lược sử hình thành và phát triển..............................................................45

2.1.2 Tình hình quản lý kỹ thuật 05 tháng năm 2020 .......................................45

2.2 Chất lượng điện năng tại thành phố Hồ Chí Minh.......................................47

vi

2.2.1 Cơ sở đo đạc và thu thập số liệu...............................................................47

2.2.2 Phân tích, đánh giá chất lượng điện năng tại thành phố Hồ Chí Minh ...61

CHƯƠNG 3 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH..................67

3.1 Giải pháp đối với đơn vị cung ứng điện - EVNHCMC...............................67

3.1.1 Giải pháp giám sát và đánh giá.................................................................67

3.1.2 Giải pháp kỹ thuật.....................................................................................67

3.2 Giải pháp đối với khách hàng sử dụng điện.................................................69

3.2.1 Đặt vấn đề..................................................................................................69

3.2.2 Lựa chọn giải pháp....................................................................................70

3.2.3 Đánh giá chi phí ........................................................................................76

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG ETAP TRONG KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG ĐIỆN

NĂNG.....................................................................................................79

4.1 Giới thiệu giao diện phần mềm Etap ...........................................................79

4.2 Các phần tử chính trong phần mềm Etap.....................................................82

4.2.1 Nguồn ........................................................................................................82

4.2.2 Bus.............................................................................................................83

4.2.3 Đường dây.................................................................................................83

4.2.4 Máy biến thế..............................................................................................83

4.3 Đánh giá một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng Etap ........84

4.3.1 Đánh giá giải pháp giảm sụt áp ngắn hạn khi khởi động động cơ bằng

cuộn kháng nối tiếp stator.........................................................................90

4.3.2 Đánh giá giải pháp giảm dòng ngắn mạch sử dụng bộ hạn dòng FCL...95

4.3.3 Đánh giá giải pháp giảm sóng hài sử dụng bộ lọc thụ động....................96

4.3.4 Đánh giá tác động của nguồn phân tán trên lưới phân phối (điện mặt trời)

...................................................................................................................99

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................102

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................105

PHỤ LỤC…. ...............................................................................................................106

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN..........................................................116

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tổn thất điện áp .........................................................................................6

Hình 1.2 Đóng tụ bù CSPK ......................................................................................8

Hình 1.3 Dao động công suất ...................................................................................9

Hình 1.4 BTĐA ngắn hạn.......................................................................................11

Hình 1.5 Giản đồ phân loại chất lượng điện áp ......................................................11

Hình 1.6 SAG không chữ nhật ...............................................................................12

Hình 1.7 SAG do sự cố ngắn mạch trên HTĐ........................................................13

Hình 1.8 Hình dạng SAG do các nguyên nhân khác nhau .....................................14

Hình 1.9 Dao động điện áp .....................................................................................14

Hình 1.10 Các ảnh hưởng đến BTĐA ngắn hạn do ngắn mạch ...............................15

Hình 1.11 Ảnh hưởng của các tổ đấu dây đến BTĐA ngắn hạn của phụ tải............15

Hình 1.12 Dịch góc pha ............................................................................................17

Hình 1.13 Cấu hình đặc trưng của bộ cấp nguồn máy tính và các thiết bị điện tử...18

Hình 1.14 Một số dạng dao động điện áp.................................................................19

Hình 1.15 Dao động điện áp tại đầu thanh góp phát của một trang trại gió.............22

Hình 1.16 Quá điện áp ngắn hạn ..............................................................................23

Hình 1.17 Dạng sóng quá điện áp xung kích............................................................23

Hình 1.18 Quá độ dao động điện áp do đóng tụ điện ...............................................24

Hình 1.19 Quá điện áp tĩnh điện trên đường dây. ....................................................25

Hình 1.20 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa lõi thép ...............................................30

Hình 1.21 Quan hệ từ thông và dòng từ hóa khi có kể đến từ trễ.............................30

Hình 1.22 Dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp........................31

Hình 1.23 Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br......................32

Hình 1.24 Thành phần sóng hài trong dòng điện hồ quang......................................33

Hình 1.25 Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang và phổ tần số của nó ..........34

Hình 1.26 Chỉnh lưu một pha ...................................................................................34

Hình 1.27 Bộ chỉnh lưu 12 tia ghép bằng hai bộ chỉnh lưu 6 tia..............................35

viii

Hình 1.28 Cấu trúc điển hình của SVC bao gồm một TCR mắc song song với một

dàn tụ bù và lọc........................................................................................36

Hình 1.29 Cấu trúc điển hình của một TCSC...........................................................37

Hình 2.1 Minh họa hệ thống thu thập dữ liệu chất lượng điện năng......................48

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp, dòng điện thu nhận từ hệ thống giám sát chất lượng

điện năng..................................................................................................48

Hình 2.3 Máy đo công suất và chất lượng điện năng C.A 8336.............................49

Hình 2.4 Sơ đồ lưới trung thế nối đất trực tiếp.......................................................50

Hình 2.5 Sơ đồ lưới trung thế nối đất qua điện trở nhỏ..........................................50

Hình 2.6 Điểm đo 1 – trạm Phát triển CNC ...........................................................52

Hình 2.7 Điểm đo 2 – trạm Mỹ Kim ......................................................................53

Hình 2.8 Kết quả đo sóng điện áp – trạm Phát triển CNC .....................................54

Hình 2.9 Kết quả đo sóng dòng điện – trạm Phát triển CNC .................................54

Hình 2.10 Kết quả đo sóng pha L1 – trạm Phát triển CNC......................................55

Hình 2.11 Kết quả đo sóng hài bậc 1-25 – trạm Phát triển CNC .............................55

Hình 2.12 Kết quả đo sóng hài bậc cao – trạm Phát triển CNC...............................56

Hình 2.13 Kết quả đo sóng điện áp – trạm Mỹ Kim ................................................56

Hình 2.14 Kết quả đo sóng dòng điện – trạm Mỹ Kim ............................................57

Hình 2.15 Kết quả đo sóng pha L1 – trạm Mỹ Kim.................................................57

Hình 2.16 Kết quả đo sóng hài bậc 1-25 – trạm Mỹ Kim ........................................58

Hình 2.17 Kết quả đo sóng hài bậc cao – trạm Mỹ Kim..........................................58

Hình 3.1 Bộ lọc sóng hài thụ động và chủ động.....................................................71

Hình 3.2 Bộ lọc tích cực .........................................................................................71

Hình 3.3 Coil hold in device...................................................................................72

Hình 3.4 Hoạt động máy biến áp « ferroresonant transformer »............................73

Hình 3.5 Hệ thống UPS ..........................................................................................73

Hình 3.6 Hệ thống bánh đà và môtơ – máy phát....................................................73

Hình 3.7 Hệ thống Dynamic Sag Corrector ...........................................................74

Hình 3.8 Hệ thống DVR.........................................................................................75

Hình 3.9 Hệ thống AVC kết nối UPS.....................................................................75

ix

Hình 3.10 Nguyên lý hệ thống SVC.........................................................................75

Hình 4.1 Giao diện cơ bản phần mềm ETAP .........................................................80

Hình 4.2 Các chức năng tính toán ..........................................................................80

Hình 4.3 Các phần tử AC .......................................................................................81

Hình 4.4 Các phần tử đo lường bảo vệ ...................................................................81

Hình 4.5 Trang info của nguồn...............................................................................82

Hình 4.6 Trang rating của nguồn............................................................................82

Hình 4.7 Trang info của đường dây........................................................................83

Hình 4.8 Trang info của bus...................................................................................83

Hình 4.9 Trang rating của máy biến thế .................................................................84

Hình 4.10 Trang info của máy biến thế ....................................................................84

Hình 4.11 Sơ đồ một sợi tuyến Kênh B trạm Lê Minh Xuân...................................88

Hình 4.12 Sơ đồ một sợi tuyến Kênh B trạm Lê Minh Xuân trên ETAP ................89

Hình 4.13 Sơ đồ đơn tuyến Kênh B khi có động cơ 150 HP kết nối với Bus 4 .......90

Hình 4.14 Trước khi động cơ khởi động ..................................................................91

Hình 4.15 Động cơ khởi động ở thời điểm 1 giây....................................................92

Hình 4.16 Dạng SAG điện áp khi khởi động động cơ tại thanh cái Bus 11.............92

Hình 4.17 Giá trị dòng khởi động khi khởi động động cơ .......................................93

Hình 4.18 So sánh điện áp tại các bus khi có/không có cuộn kháng........................93

Hình 4.19 Dạng SAG điện áp khi khởi động động cơ có cuộn kháng stator ...........94

Hình 4.20 Giá trị dòng khởi động khi khởi động động cơ có cuộn kháng stator.....94

Hình 4.21 Lưới mô phỏng có đặt bộ hạn dòng FCL ................................................95

Hình 4.22 Ảnh hưởng FCL đến dòng ngắn mạch ....................................................95

Hình 4.23 Tạo sóng hài khi phụ tải Trần Tố Nữ phát hài lên lưới ...........................96

Hình 4.24 Lưới mô phỏng tác động bộ lọc sóng hài thụ động .................................97

Hình 4.25 Phổ dạng sóng điện áp .............................................................................98

Hình 4.26 Phổ điện áp sau khi gắn bộ lọc ................................................................98

Hình 4.27 So sánh THDV giữa không có bộ lọc và có bộ lọc...................................99

Hình 4.28 Lưới điện có nguồn mặt trời bus 4 ........................................................100

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số loại phụ tải mô phỏng dưới dạng đa thức theo điện áp .................7

Bảng 1.2 Loại SAG.................................................................................................16

Bảng 1.3 Quy định mức nhấp nháy điện áp ............................................................22

Bảng 1.4 Phân loại quá độ dao động điện áp theo IEEE 1159-1995 ......................24

Bảng 1.5 Nguồn gốc và đặc điểm của các nguyên nhân quá điện áp nội bộ ..........25

Bảng 1.6 Mức cách điện tiêu chuẩn cho dải U 245kV .........................................27

Bảng 1.7 Mức cách điện tiêu chuẩn cho dải U> 245kV .........................................27

Bảng 2.1 Chỉ số độ tin cậy cung cấp điện 05 tháng đầu năm 2020 (theo [5])........47

Bảng 2.2 Mức độ ảnh hưởng chất lượng điện năng đối với từng loại lưới điện.....50

Bảng 2.3 Tổng hợp kết quả đo chất lượng điện năng .............................................59

Bảng 2.4 Đánh giá chất lượng điện áp ....................................................................63

Bảng 2.5 Đánh giá chất lượng tần số ......................................................................65

Bảng 2.6 Đánh giá tổng độ biến dạng sóng hài điện áp..........................................66

Bảng 3.1 Các bước giải quyết vấn đề chất lượng điện năng...................................69

Bảng 3.2 Tổng hợp các giải pháp công nghệ nâng cao chất lượng điện năng........70

Bảng 3.3 Chi phí đầu tư bảo trì các giải pháp.........................................................76

Bảng 3.4 Thời gian hoàn vốn..................................................................................77

Bảng 3.5 Chi phí đầu tư công nghệ tích trữ năng lượng.........................................77

Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật đường dây giữa các nút (đường trục) tuyến Kênh B.84

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật đường dây giữa các nút (nhánh rẽ) tuyến Kênh B.....86

Bảng 4.3 Kết quả điện áp tại các nút trước và sau khi khởi động động cơ.............91

Bảng 4.4 Kết quả điện áp tại các nút khi khởi động thông qua cuộn kháng nối

stator ........................................................................................................93

Bảng 4.5 Kết quả chạy mô phỏng trước và sau khi có FCL ...................................95

Bảng 4.6 Kết quả mô phỏng sóng hài chưa lắp bộ lọc............................................97

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng với bộ lọc thụ động ...................................................98

Bảng 4.8 Kết quả mô phỏng tác động của nguồn DG...........................................100

Bảng 4.9 Kết quả mô phỏng tổn thất khi có nguồn DG........................................101

Bảng 4.10 Kết quả mô phỏng sóng hài khi có nguồn DG ......................................101