1. Hiện trạng điện trong hệ thống tại cầu cảng và công trình cáp treo

Hiện nay, trong nhiều ngành công nghiệp yêu cầu chất lượng điện năng rất cao, ở đó, yêu cầu ổn định điện áp và đáp ứng nhanh của hệ thống cung cấp điện là bắt buôc như các nhà máy chế tạo và lắp ráp linh kiện điện tử, các khu cầu cảng và công trình cáp treo… Đặc biệt trong các ứng dụng sử dụng tải công nghiệp nặng như cầu cảng và cáp treo sẽ tiêu thụ nhiều năng lượng và gây ra rất nhiều vấn đề về chất lượng điện cho hê thống như mất cân bằng điện áp (voltage unbalance), sụt áp tức thời (voltage sag), nhấp nháy điện áp (flicker), sóng hài (harmonics) và hệ số công suất thấp (low power factor). Những vấn đề này có thể làm giảm hiệu quả, giảm công suất của nhà máy và thậm chí làm đình trệ sản xuất. Ngoài ra, chất lượng điện kém có thể chịu mức phạt đắt đỏ nếu không tuân thủ quy định của lưới điện.

Hình 1: Ứng dụng trong hệ thống cầu cảng

Hình 2: Các vấn đề về chất lượng điện năng

2. Tầm quan trọng của chất lượng điện áp tại khu vực làm việc khác nhau

2.1. Tại các khu cầu cảng

Tại các cảng biển, bến vận tải đường biển, nhu cầu tiêu thụ điện năng lớn với một số lượng lớn các thiết bị tiêu thụ điện như các cần cẩu công nghiệp (industrial cranes). Những cần cẩu này thường chạy bằng động cơ điện và hoạt động của chúng có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Một trong những tác động chính là hiện tượng sụt áp, xảy ra khi điện áp trong hệ thống điện giảm xuống dưới mức bình thường. Điều này có thể xảy ra khi cần cẩu khởi động, khi nó đang mang tải nặng hoặc khi nó dừng đột ngột. Sụt áp có thể gây ra sự cố cho các thiết bị khác trong hệ thống điện, ví dụ nó có thể khiến các máy tính tắt đột ngột hoặc thiết bị điện – điện tử gặp trục trặc.

Cần cẩu công nghiệp cũng có thể tạo ra sóng hài nếu chúng được cấp điện thông qua các bộ biến tần (VFD) hoặc bộ truyền động DC. Sóng hài có thể gây ra sự cố cho các thiết bị khác trong hệ thống điện vì chúng có thể gây ra quá nhiệt, hỏng cách điện và nhiều vấn đề khác. Chúng cũng có thể gây nhiễu cho các hệ thống liên lạc như radio và điện thoại.

Sự sụt giảm hoặc gián đoạn điện áp có thể làm gián đoạn việc xử lý hàng hóa, xếp dỡ container và các hoạt động liên quan. Những gián đoạn này có thể dẫn đến sự chậm trễ, tăng chi phí và có thể gây ra thiệt hạ cho các nhà khai thác cảng. Không những vậy, chất lượng điện không ổn định có thể làm giảm hiệu quả tại cầu cảng. Đối với các ứng dụng biến tần trên cần cẩu hoặc băng tải chất lượng điện kém làm cho thiết bị hoạt động không tối ưu, dẫn đến tăng mức tiêu thụ năng lượng và giảm năng suất. Ổn định chất lượng điện áp là yêu cầu then chốt đảm bảo vận hành trơn tru và ổn định hệ thống điện tại cảng biển.

2.2. Tại các công trình cáp treo

Các công trình cáp treo là một phần quan trọng của hạ tầng vận tải và du lịch, việc cung cấp nguồn điện chất lượng cao được yêu cầu nhằm đảm bảo an toàn và tiết kiệm năng lượng. Điện áp ổn định là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn vận hành và hiệu suất của cáp treo. Các công trình cáp treo thường xuyên phải xử lý tải thay đổi do sự thay đổi số lượng hành khách hoặc hàng hóa trong hệ thống cáp. Hệ thống điện phải có khả năng điều chỉnh để đảm bảo điện áp và dòng điện ổn định trong thời gian làm việc.

Các vấn đề về chất lượng điện áp như sụt áp, quá áp thoáng qua của cáp treo có thể dẫn đến chậm trễ và bất tiện cho hành khách trong cabin. Điều này ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống và gây khó khăn cho người vận hành trong việc duy trì lịch trình. Những gián đoạn do các nhiễu loạn điện áp có thể làm hỏng các bộ phận điện và điện tử nhạy cảm trong hệ thống cáp treo như hệ thống điều khiển, động cơ,… Việc bảo trì, sửa chữa và thay thế các thiết bị hư hỏng khó khăn và có chi phí cao.

3. Giải pháp ổn định chất lượng điện áp bằng hệ thống STATCOM

Để giải quyết bài toán về chất lượng điện năng thì cần có bài toán bù phù hợp, bên cạnh phương pháp bù truyền thống thì sử dụng Bộ bù đồng bộ tĩnh – STATCOM (Static Synchronous Compensator) là giải pháp tiên tiến, cho phép đáp ứng nhanh chóng, đáng tin cậy để giải quyết các thách thức về chất lượng điện năng. STATCOM có khả năng bù công suất phản kháng động và lọc sóng hài chủ động (Active harmonic filter) nhằm ổn định điện áp của hệ thống với thời gian đáp ứng rất nhanh dưới 1 ms.

Hình 3: Hình ảnh minh họa

STATCOM là giải pháp bù dựa trên bộ biến đổi nguồn áp (VSC). Nó có thể hoạt động như một nguồn cung cấp hoặc nguồn tiêu thụ công suất phản kháng, cho phép điều khiển liên tục lưới điện của hệ thống. Nếu có nhu cầu bù công suất phản kháng, STATCOM có thể cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng tức thời để ổn định lưới điện cung cấp. Trong các tình huống khác, nó hấp thụ công suất phản kháng dư thừa để đảm bảo sự ổn định của lưới điện.

Cụ thể, khi điện áp trong lưới điện tăng cao, STATCOM sẽ hoạt động ở chế độ Inductive Mode, giúp ổn định điện áp lưới bằng cách hấp thụ công suất phản kháng để giảm điện áp xuống ngưỡng mong muốn.

Hình 4: Hoạt động của STATCOM khi điện áp trong lưới điện tăng cao

Ngược lại, khi điện áp trên lưới giảm, STATCOM chuyển sang chế độ Capacitive Mode để bơm công suất phản kháng, giúp đảm bảo điện áp lưới điện luôn ổn định ở giá trị danh định.

Hình 5: Hoạt động của STATCOM khi điện áp trong lưới điện giảm

Ngoài ra, STATCOM cũng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như:

– Ngành thép: Lò hồ quang, máy cán,…

– Khai thác mỏ: máy xúc, băng tải,…

– Các nhà máy công nghiệp như: sản xuất giấy, dệt, sản xuất và lắp ráp ô tô, sản xuất và lắp ráp linh kiện điện tử…

– Hệ thống nâng hạ.

– Trạm sạc xe điện.

– Nhà máy xi măng.

– Các nhà máy phân phối và truyền tải điện.

So với các phương pháp bù truyền thống hay SVC thì phương pháp bù sử dụng hệ thống STATCOM cho thời gian bù nhanh hơn nhờ sử dụng van IGBT điều khiển cho tần số chuyển mạch cao. Nhờ đó, không gian lắp đặt cũng nhỏ gọn hơn các phương pháp cũ, đi kèm với đó là khả năng nâng cấp mở rộng dễ dàng. Hiệu quả bù cũng vô cùng hiệu quả với khả năng điều chỉnh điện áp liên tục, không phát sinh sóng hài hay các hiện tượng thoáng qua. Sử dụng STATCOM sẽ giúp nâng cao chất lượng điện áp với những ưu điểm nổi bật như sau:

– Không có nguy cơ ngắt điện đột ngột, loại bỏ tình trạng nhấp nháy điện áp (flicker).

– Vận hành êm ái và tổn thất năng lượng thấp.

– Tăng tính dự phòng và giảm chi phí bảo trì.

– Giảm tiêu thụ năng lượng và chi phí vận hành thấp.

– Nâng cao tuổi thọ của thiết bị điện.

– Tuân thủ tiêu chuẩn IEEE 519, G5/4, EN 50160 cũng như các tiêu chuẩn và quy định về chất lượng điện khác.