Chất lượng điện năng đã, đang và sẽ tiếp tục là một bài toán quan trọng trong hệ thống điện trên toàn thế giới. Nhất là khi các phụ tải thế hệ mới (các thiết bị điện tử, các thiết bị công nghệ cao) đòi hỏi ngày càng nghiêm ngặt hơn về chất lượng điện năng. Bài toán chất lượng điện năng bao gồm rất nhiều bài toán nhỏ, trong đó đặc biệt quan trọng là những yêu cầu về tần số và điện áp. Việc sử dụng các thiết bị phụ tải lớn và thay đổi liên tục như các động cơ cần trục, thang máy, các phụ tải lớn phi tuyến như các lò hồ quang trong các nhà máy thép dẫn tới hiện tượng phát sinh sóng hài, sụt giảm điện áp ngắn hạn làm giảm chất lượng điện năng cũng như làm tăng tổn thất điện năng đối với các phụ tải hạ áp lân cận đã được ghi nhận. Việc giải quyết bài toán này là rất phức tạp, khó khăn, đòi hỏi chi phí lớn và đôi khi phải áp dụng các biện pháp riêng lẻ.

Bài toán chất lượng điện năng cũng ngày càng được quan tâm hơn tại Việt Nam khi đòi hòi về chất lượng điện năng của các thiết bị trong hệ thống điện ngày một lớn. Ngành công nghiệp thép là một trong những ngành rất quan trọng đối với nền kinh tế và tiêu tốn rất nhiều năng lượng (ví dụ: nhà máy thép Thái Nguyên tiêu thụ khoảng 35 - 50 triệu kWh điện mỗi tháng). Việc giải quyết tốt những vấn đề về chất lượng điện năng trong các nhà máy có thể đem lại hiệu quả sử dụng thiết bị hết sức to lớn, tiết kiệm năng lượng (có thể lên tới một vài phần trăm tổng năng lượng sử dụng). Các thiết bị được sử dụng chính trong các nhà máy thép chủ yếu là các lò hồ quang và các động cơ không đồng bộ công suất lớn. Khi các thiết bị này làm việc có thể gây ra một số hiện tượng đối với các phụ tải hạ áp như sụt điện áp, gây ảnh hưởng đến hệ số công suất, độ không đối xứng của điện áp ba pha tới hiệu suất của động cơ, sóng hài tới động cơ dẫn tới tổn thất trên các đường dây và MBA do hiện tượng skin effect (điện trở tăng cao khi tần số cao). Tổn thất trong lõi thép MBA có thể tăng 20 lần khi sóng hài lớn.

Nhằm chế tạo một thiết bị hạn chế sóng hài kết hợp với bù công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp và hệ số công suất với ưu điểm vượt trội và có thể được ứng dụng rộng rãi với nhiều loại phụ tải khác nhau trong thực tế, từ đó nâng cao chất lượng điện năng của lưới hạ áp trong các nhà máy thép và tiết kiệm điện năng, nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Điện lực, do TS. Nguyễn Đăng Toản đứng đầu đã đề xuất và được thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị nâng cao chất lượng điện năng tích hợp cho các nhà máy thép”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài thu được các kết quả như sau:

1. Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về vấn đề chất lượng điện năng, những ảnh hưởng của chất lượng điện năng đến hiệu quả làm việc của các thiết bị điện, nói chung và động cơ điện nói riêng - một phụ tải quan trọng trong các phụ tải công nghiệp như các nhà máy thép.

2. Đề tài đã nghiên cứu về vấn đề sóng hài, bù công suất phản kháng cũng như bù cosj. Đề tài thực hiện phân tích những ưu nhược điểm của từng loại thiết bị để có một cái nhìn tổng quan và tầm quan trọng của bài toán bù CSPK trong HTĐ. Các kết quả đo lường và khảo sát một số nhà máy thép đã cho thấy vấn đề sóng hài, cosj thấp dẫn đến điện áp thấp đã và đang là các vấn đề của các nhà máy công nghiệp thép, và có ảnh hưởng xấu đến sự làm việc, tuổi thọ của các thiết bị.

3. Dựa trên kết quả đã nghiệm thu về Thiết bị bù lai hệ số cosj và điều khiển điện áp, và điều khiển tần số lọc sóng hài, nhóm nghiên cứu đã đề xuất tích hợp thêm hai bộ mạch lọc đơn với tần số thay đổi với thiết bị bù công suất phản kháng kiểu SVC để làm nhiệm vụ vừa lọc sóng hài và bù công suất phản kháng (nâng cao hệ số cosj), kết hợp điều khiển điện áp. Thiết bị mới đòi hỏi phải có một bộ điều khiển phức tạp hơn và không có trên thị trường. Chính vì vậy nhóm thực hiện đề án đã nghiên cứu, tìm ra sơ đồ nguyên lý và thuật toán của thiết bị điều khiển này. Từ sơ đồ nguyên lý và thuật toán, nhóm đã tiến hành lựa chọn thiết bị và lắp ráp thành một bộ điều khiển hoàn chỉnh.

4. Đề tài đã trình bày nguyên tắc để lựa chọn những thiết bị chủ yếu của thiết bị hạn chế chóng hài, kết hợp bù cosj và điều khiển điện áp dựa trên nguyên tắc bù thụ động kết hợp bù lai công suất phản kháng bởi hệ thống điều khiển đóng cắt thyristor. Những thông số chính thiết bị hợp bộ đã được tính toán và lựa chọn chi tiết tùy thuộc vào phụ tải cụ thể và những yêu cầu về CLĐN của các phụ tải này dựa trên những nguyên lý.

5. Sau khi tiến hành thử nghiệm, nhóm thực hiện đã tiến hành cải tiến lại mạch điều khiển. Cải tiến quan trọng nhất là tách phần điều khiển thyristor của tụ điện và kháng điện thành 2 phần riêng biệt. Cải tiến này giúp cho hệ thống điều khiển hoạt động đơn giản hơn rất nhiều, góp phần làm cho bộ điều khiển có thể xử lý với tốc độ cao và hoạt động chuẩn xác hơn. Nó cũng góp phần làm giảm giá thành sản phẩm cũng như nâng cao khả năng mở rộng công suất của thiết bị hạn chế sóng hài kết hợp bù lai cosj và điều chỉnh điện áp.

6. Các kết quả thử nghiệm cho thấy sản phẩm hạn chế sóng hài kết hợp bù hệ số công suất đồng thời điều chỉnh điện áp và đã hoạt động ổn định. Mặc dù được đem ra thử nghiệm tại phía hạ áp của một nhà máy đúc gang (với công suất bất kỳ) trong thực tế (thậm chí đã có hệ thống tụ bù cosj sẵn) nhưng đã cho thấy hiệu quả rõ ràng trong việc hạn chế sóng hài, nâng cao hệ số công suất cosj và nâng cao modul điện áp, và được đơn vị thử nghiệm ghi nhận và đánh giá cao. Giá thành của thiết bị cũng ở mức độ không quá cao so với khả năng của các doanh nghiệp nên có thể tiến hành sản xuất ở quy mô lớn.

Đề triển khai sản phẩm trong thực tế một cách hiệu quả hơn nữa, hướng tiếp theo là sẽ thiết kế sản phẩm đề tài cho từng gam máy biến áp cụ thể, để phù hợp hơn nữa về mặt công suất, cũng như định rõ hơn nữa về mặt giá thành sản phẩm theo mức công suất thiết kế, và phù hợp với chế tạo hàng loạt. Đồng thời sản phẩm cũng có thể được nghiên cứu và phát triển để mở rộng dải lọc sóng hài cho các loại phụ tải khác như các phụ tải có hệ thống biến tần lớn, tải cầu trục...

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 17035/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.