Nonlinear coupling Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N Q Minh, N Q Thắng, Đ V Minh, “Nghiên cứu giải pháp Samsung Display Việt Nam ” 50 Nghiên cứu giải pháp giảm sóng hài cho phụ tải Công ty Samsung Displ[.]
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Nghiên cứu giải pháp giảm sóng hài cho phụ tải Cơng ty Samsung Display Việt Nam Nguyễn Quốc Minh*1, Nguyễn Quang Thắng2, Đoàn Văn Minh3 Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội; Samsung Display Việt Nam; Viện Nghiên cứu khí, Bộ Cơng Thương * Email: minh.nguyenquoc@hust.edu.vn Nhận bài: 03/6/2022; Hoàn thiện: 01/8/2022; Chấp nhận đăng: 02/8/2022; Xuất bản: 28/10/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.82.2022.50-59 TÓM TẮT Samsung Display Việt Nam (SDV) cơng ty FDI thuộc tập đồn Samsung đặt khu công nghiệp Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh chuyên sản xuất linh kiện điện tử hình Đây nhà máy có dây chuyền sản xuất với mức độ tự động hóa cao, sử dụng nhiều phụ tải phi tuyến thiết bị điện tử có khả gây sóng hài lớn biến tần pha, điều khiển động cơ, điều khiển robot, cấp nguồn điện liên tục (UPS) Thực tế vận hành ghi nhận mức độ sóng hài số 0.4 kV nhà máy đạt 30%, vi phạm quy định tiêu chuẩn sóng hài lưới điện phân phối EVN, ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện Nghiên cứu tập trung đánh giá mức độ sóng hài khu công nghiệp Samsung Display Việt Nam, sở đề xuất giải pháp giảm thiểu mức độ sóng hài xuống mức tiêu chuẩn Kết tính tốn mơ thực phần mềm Electrical Transient Analyzer Program (ETAP) Từ khố: Sóng hài; Phụ tải phi tuyến; Lưới điện phân phối; ETAP MỞ ĐẦU Hệ thống điện Việt Nam hoạt động tần số quy định 50 Hz suất điện động máy phát gần có dạng hình sin Tuy nhiên, đặc tính loại tải khác đặc biệt tải phi tuyến mà xuất dịng điện khơng có dạng hình sin cho dù điện áp đặt vào có hình sin Do hệ thống có trở kháng, dịng điện khơng sin tạo sụt áp không sin trở kháng hệ thống, dẫn đến điện áp phía tải khơng cịn hình sin điện áp máy phát mang tính chu kỳ Khi phân tích dạng sóng khơng sin có chu kỳ này, ngồi thành phần sóng dao động với tần số cịn có thành phần sóng có tần số khác bội số tần số bản, gọi sóng hài bậc cao Như vậy, thành phần sóng hài bậc cao làm méo dạng hình sin sóng dịng điện điện áp Do đó, dịng điện điện áp thực tế có dạng sóng méo Các dạng sóng méo phân tích thành tổng sóng có tần số 50 Hz thành phần sóng hài Hình mơ tả dạng sóng dịng điện tổng bị méo bao gồm thành phần dịng điện sóng hài bậc [1-6] Cơng cụ để phân tích sóng dịng điện điện áp dạng méo có chu kỳ thành dạng sóng hình sin có tần số bội số tần số chuỗi phân tích Fourier Hình Sóng dịng điện với thành phần bậc 50 N Q Minh, N Q Thắng, Đ V Minh, “Nghiên cứu giải pháp … Samsung Display Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Chuỗi phân tích Fourier cho dịng điện (điện áp tương tự) bị méo chu kỳ i(t) biểu diễn công thức sau [3]: 2 ht 2 ht i(t ) i0 ah cos bh sin T T h 1 Trong đó: i0 giá trị trung bình i(t); ah bh thành phần vng góc hài bậc h sau: I h h ah jbh (1) (2) Biên độ góc pha dòng điện hài bậc h là: I h ah2 bh2 ,h arctan bh ah (3) Khi đánh giá mức độ sóng hài hệ thống thường sử dụng độ méo điều hòa tổng (THD) độ méo yêu cầu tổng Tổng độ biến dạng sóng hài THD (Total Harmonic Distortion) điện áp (dòng điện) tỷ lệ giá trị hiệu dụng sóng hài điện áp (dòng điện) với giá trị hiệu dụng điện áp (dịng điện) bậc theo cơng thức [3]: n THDV V h h2 100% V1 (4) n THDI I h2 h I1 100% Trong đó: THDV, THDI : Tổng biến dạng sóng hài theo điện áp dòng điện; Vh : Điện áp hiệu dụng thành phần sóng hài bậc h; V1 : Điện áp hiệu dụng tần số 50 Hz; Ih : Dòng điện hiệu dụng thành phần sóng hài bậc h; I1 : Dịng điện hiệu dụng tần số 50 Hz THDV đặc trưng cho tổng độ méo điện áp theo thông tư 39/2015/TT-BTC ban hành ngày 18 tháng 11 năm 2015 Bộ Công thương Quy định hệ thống phân phối điện, thông tư 30/2019/TT-BCT sửa đổi, bổ sung số điều Thơng tư số 39/2015/TT-BCT THDV điểm đấu nối không vượt quy định sau [1, 2]: Bảng Quy định độ biến dạng sóng hài điện áp TT39/2015/TT-BTC Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ 110kV 3,0 % 1,5 % Trung áp 5,0 % 3,0 % Hạ áp 8,0% 5,0% Theo tiêu chuẩn IEEE 519-2014 giới hạn tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THD V quy định sau: Bảng Quy định độ biến dạng sóng hài điện áp IEEE 519-2014 Cấp điện áp V ≤ kV Tổng biến dạng sóng hài 8,0 % Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 Biến dạng riêng lẻ 5,0 % 51 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử kV < V ≤ 69 kV 69 kV < V ≤ 161 kV 161 kV < V 5,0 % 2,5 % 1,5 % 3,0 % 1,5 % 1,0 % Hình Phổ sóng hài Phổ sóng hài dạng biểu diễn đồ thị để dễ dàng phân tích độ biến dạng sóng hài hệ thống điện (hình 2) Các thiết bị đo chất lượng điện có chức thể dạng đồ thị loại Trục hồnh thể bậc sóng hài, trục tung thể độ biến dạng sóng hài so với dịng điện hiệu dụng theo tỷ lệ phần trăm (%) Ảnh hưởng sóng hài phụ thuộc vào mức độ sóng hài hệ thống điện độ nhạy cảm thiết bị sóng hài Trong năm gần đây, thiết bị điện tử công suất phát triển sử dụng rộng rãi dẫn đến mức độ sóng hài hệ thống điện phức tạp Các ảnh hưởng sóng hài kể đến tăng tổn thất hệ thống điện, gây tình trạng cộng hưởng không mong muốn, gây rối loạn thiết bị điện tử, nhầm lẫn mạch kỹ thuật số, tải cho máy biến áp, dây dẫn, trục trặc động máy phát, tác động nhầm máy cắt cầu chì PHƯƠNG PHÁP GIẢM THIỂU SĨNG HÀI DỰA TRÊN BỘ LỌC THỤ ĐỘNG Đối với hệ thống điện có nhiều thiết bị phi tuyến, để hạn chế sóng hài phải thiết kế thiết bị phi tuyến có độ biến dạng sóng hài thấp lắp đặt thiết bị lọc sóng hài vị trí thích hợp [7-9] Trường hợp sử dụng phương pháp dịch pha máy biến áp sử dụng thiết bị điện tử cơng suất có khả đóng cắt Ngồi ra, để hạn chế triệt để sóng hài phải sử dụng lọc sóng hài Các lọc sóng hài chia thành loại: lọc thụ động (passive hamornics filter), lọc tích cực (active harmonics filter) lọc lai (hybrid hamornics filter) 2.1 Bộ lọc thụ động Bộ lọc thụ động gồm phần tử thụ động cuộn cảm tụ điện thiết kế để hạn chế tần số hài cách tạo tổng trở nhỏ tần số hài Bộ lọc sóng hài thụ động L-C đơn lọc sóng hài tần số định tần số đó, cảm kháng dung kháng lọc có độ lớn Do đó, dịng điện sóng hài chuyển hướng từ đường dẫn bình thường đường dây qua lọc Nguyên lý hoạt động lọc thụ động dựa tượng cộng hưởng [10] Điện kháng cuộn cảm tụ điện tần số f là: X L 2 fL XC 2 fC (5) Trong đó: 52 N Q Minh, N Q Thắng, Đ V Minh, “Nghiên cứu giải pháp … Samsung Display Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ XL, XC điện kháng cuộn cảm tụ điện (Ω); f tần số (Hz); L điện cảm cuộn dây (H); C điện dụng tụ điện (F) Tại tần số cộng hưởng, XL = XC đó, trở kháng lọc cịn điện trở có giá trị thấp Hệ số chất lượng (Q) lọc thường có giá trị từ 20 đến 100 xác định tỷ lệ điện kháng điện trở lọc sau: X Q (6) R Trong X0: Điện kháng tần số cộng hưởng; R: Điện trở lọc; Q: Hệ số chất lượng Tần số cộng hưởng xác định sau: 2 f L 1 f0 2 f 0C 2 LC (7) 2.2 Bộ lọc tích cực Bộ lọc tích cực thường sử dụng loại phụ tải phi tuyến có tính chất biến động lớn Bộ lọc tích cực có cấu trúc: cấu trúc nối tiếp, cấu trúc song song cấu trúc hỗn hợp Trong đó, cấu trúc song song loại sử dụng phổ biến Đối với cấu trúc này, lọc đóng vai trị nguồn dịng điện bơm vào lưới điện nhằm loại trừ thành phần hài dòng điện phụ tải phi tuyến gây ra, hình 3a [11] Bộ lọc sóng hài tích cực có ưu điểm lọc tất bậc hài đáp ứng tức thời với thay đổi phụ tải, nhiên, giá thành lọc tích cực đắt tiền nên thường sử dụng trường hợp phụ tải quan trọng, có yêu cầu cao chất lượng điện (a) (b) Hình (a) Bộ lọc sóng hài tích cực, (b) Bộ lọc sóng hài kiểu lai 2.3 Bộ lọc kiểu lai Bộ lọc kiểu lai có cấu trúc bao gồm lọc tích cực lọc thụ động nối với theo cấu trúc nối tiếp song song Hình 3b thể cấu trúc lọc lai kiểu cấu trúc song song [12] Bộ lọc lai có ưu điểm lọc tích cực, đồng thời giảm dung lượng lọc tích cực phần sóng hài lọc qua lọc thụ động, dẫn đến giảm chi phí so với lọc tích cực Tuy nhiên, nhược điểm lọc lai có cấu tạo phức tạp, chi phí cao lọc thụ động Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 53 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trong loại lọc sóng hài giới thiệu trên, lọc thụ động có hạn chế lọc vài bậc hài định, có ưu điểm cấu tạo đơn giản chi phí thấp, đặc biệt phụ tải có biến động lọc thụ động giải pháp có hiệu cao nên ngày sử dụng rộng rãi Do đó, nội dung nghiên cứu này, lọc thụ động lựa chọn để nghiên cứu khả giảm thiểu hàm lượng sóng hài khu cơng nghiệp Samsung Display MƠ PHỎNG HIỆU QUẢ CỦA BỘ LỌC SĨNG HÀI THỤ ĐỘNG CHO KHU CÔNG NGHIỆP SAMSUNG DISPLAY VIỆT NAM Do yêu cầu độ tin cậy cao nên hệ thống điện SDV cấp nguồn từ hai trạm biến áp độc lập trạm 110 kV Yên Phong 110 kV Yên Phong Hai trạm biến áp 110 kV cung cấp 18 xuất tuyến 22 kV phân bố theo cặp, cặp gồm hai xuất tuyến từ hai trạm biến áp cung cấp cho phân xưởng riêng Trạm biến áp nhà máy gồm 18 máy biến áp phân phối pha 20 MVA, 22/6 kV, máy biến áp pha 2,5 MVA 6/0,4 kV cấp điện cho động máy biến áp pha 1,5 MVA 6/0.22 kV cấp điện cho thiết bị sản xuất phụ tải pha khác Bên cạnh thiết bị điện máy biến áp, máy điện quay nguyên nhân phát sinh sóng hài chủ yếu đến từ thiết bị phụ tải sau Biến tần: Biến tần ngun nhân phát sinh sóng hài hệ thống điện Nhà máy sử dụng biến tần Mitsubishi loại FR-A700 có điện áp 380 V, cơng suất từ 18 kW đến 300 kW để thay đổi tốc độ động Mạch điện chỉnh lưu biến tần chỉnh lưu tồn phần pha có tụ điện phần chiều Do tụ điện nạp khoảng thời gian ngắn khơng liên tục nên dịng điện đầu vào biến tần có độ biến dạng sóng hài cao Hình Dạng sóng dịng điện đầu vào đầu biến tần FR-A700 Hình mơ tả dạng sóng dịng điện đầu vào đầu biến tần, sóng đầu vào dạng xung nhọn có độ biến dạng sóng hài cao, bậc sóng hài bậc 5, 7, 11, 13, 19 Bộ nguồn cung cấp điện liên tục (UPS): Nhà máy sử dụng hệ thống UPS loại W200 TMEIC – tập đoàn liên doanh Toshiba Mitsubishi Bộ UPS có cơng suất 2,5 MVA, điện áp 380V Một UPS bao gồm biến đổi AC-DC DC-AC sử dụng transitor có cực điều khiển cách ly (IGBT) điều khiển kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) Các biến đổi nguyên nhân gây sóng hài Dây chuyền sản xuất: Các thiết bị dây chuyền sản xuất có mức độ tự động hóa cao sử dụng nhiều thiết bị biến đổi điện gây sóng hài: - Biến tần pha điều chỉnh tốc độ động pha dây chuyền - Bộ điều khiển động servo pha - Bộ điều khiển robot Hình mơ tả sơ đồ cấp điện cho biến tần điển hình bao gồm máy biến áp đầu trạm 20 MVA 22/6 kV Thanh Bus-10 trung áp kV cấp điện cho động cảm ứng ba pha có cơng suất lớn máy biến áp phân phối 6/0,38 kV Thanh Bus-11 Bus-12 có điện áp 380 V cấp 54 N Q Minh, N Q Thắng, Đ V Minh, “Nghiên cứu giải pháp … Samsung Display Việt Nam.” Nghiên cứu khoa học công nghệ điện cho động cảm ứng ba pha, số động điều chỉnh tốc độ thông qua biến tần Mitsubishi Trong điều kiện bình thường, cơng suất tải máy biến áp bảng Đồ thị phụ tải cơng nghiệp Samsung SDV thể hình Do tính chất phụ tải khu cơng nghiệp nên đồ thị phụ tải phẳng khơng biến động, với hệ số Pmin/Pmax=0,95 Do đó, phần tính tốn thơng số lọc, nhóm tác giả tính tốn với phụ tải Pmax nhà máy Cơng suất tác dụng (MW) Hình Sơ đồ sợi trạm biến áp thuộc Công ty Samsung Display phần mềm ETAP 100 80 60 40 20 0 12 15 18 21 24 Thời gian (h) Hình Đồ thị phụ tải khu công nghiệp Samsung SDV Bảng Công suất mang tải máy biến áp Máy biến áp Công suất định mức (MVA) Công suất tải (MVA) MTR-10 20 11,6 TR-11 2,5 1,29 TR-12 2,5 1,32 Hình 7, mơ tả dạng sóng điện áp dịng điện Bus-11, phổ hài dòng điện, đó, THDV = 9,9% THDI = 37% Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 82, 10 - 2022 55 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Hình Dạng sóng điện áp Bus-11 Hình Dạng sóng dịng điện Bus-11 Hình Phổ sóng hài dịng điện bậc Bus-11 Bảng so sánh độ biến dạng sóng hài Bus-11 Bus-12 so với tiêu chuẩn thông tư 30/2019 Bộ Công thương Bảng Độ biến dạng sóng hài điện áp Bus-11 Bus-12 (%) Bậc Thanh Bus-11 Thanh Bus-12 Thông tư 30/2019 THDV 10,1 10