Tải bản đầy đủ

So sánh bộ lọc sóng hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn và kiểu c ứng dụng trong lưới phân phối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HỒ MINH VIỆT

Hồ Minh Việt

KỸ THUẬT ĐIỆN

SO SÁNH BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG KIỂU CỘNG HƯỞNG
ĐƠN VÀ KIỂU C ỨNG DỤNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH : HỆ THỐNG ĐIỆN

KHOÁ 2015A
Hà Nội – Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------HỒ MINH VIỆT


SO SÁNH BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG KIỂU CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ
KIỂU C ỨNG DỤNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

Chuyên ngành : Hệ Thống Điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội – Năm 2017


SĐH.QT9.BM11

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : …Hồ Minh Việt……........……………..
Đề tài luận văn: So sánh bộ lọc hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn và kiểu
C ứng dụng trong lưới phân phối.
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện – Hệ Thống Điện..........
Mã số SV:
CA150094……………….............................…...
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã
sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….26/4/2017 với các
nội dung sau:
1 – Kiểm tra và sửa lại các lỗi chính tả
2 – Tách phần Kết Luận thành chương 5
3 – Bổ xung thêm trong quy trình thiết kế bộ lọc, mục a (trang 38) : Kiểm tra
xác định các thông số hệ thống trước khi thiết kế bộ lọc hài.
4 – Thay đổi, thống nhất việc sử dụng ký hiệu q (hệ số chất lượng) và Q
( công suất phản kháng ) trong toàn bộ luận văn
5 – Chỉnh sửa các công thức ( trang 10, 16, 46, 47 ) về h- hmax, định dạng và cỡ
chữ
6 – Giải thích khái niệm độ sắc của đồ thị trở kháng ( trang 36 )
7 – Đổi các dấu tách phần thập phân từ (.) thành (,)
8 – Ghi rõ danh mục các tài liệu tham khảo theo quy định và các tham chiếu đến tài


liệu tham khảo trong phần danh mục tài liệu tham khảo ( trang 75 )
Ngày 28 tháng 4 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv
TÓM TẮT NỘI DUNG ........................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................vii
Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG HÀI ............................................. 10

1.1.

Khái niệm về sóng hài trong hệ thống điện ............................................... 10

1.2.

Nguyên nhân gây ra các sóng hài trên lưới phân phối ............................... 12

1.2.1. Quan hệ dòng điện và điện áp trên phụ tải tuyến tính và phi tuyến ..... 12
1.2.2. Một số nguồn phát sinh sóng hài trong lưới phân phối: ...................... 13
1.2.3. Ảnh hưởng của sóng hài lên các phần tử trên lưới phân phối ............ 17
Chương 2
PHỐI

KIỂM SOÁT VÀ LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN
22

2.1.

Tiêu chuẩn và quy định về mức sóng hài trong hệ thống điện ................... 22

2.2.

Các phương pháp giảm thiểu sóng hài trên lưới phân phối ........................ 24

2.1.1. Thay đổi kết cấu của lưới cung cấp điện ............................................ 24
2.1.2. Tăng công suất phía nguồn cung cấp.................................................. 24
2.1.3. Sử dụng các cuộn kháng lọc nối tiếp .................................................. 24
2.1.4. Dùng biến áp cách li .......................................................................... 25
2.1.5. Bộ lọc hài thông thấp ......................................................................... 26
2.1.6. Bộ lọc thụ động kiểu C ...................................................................... 27
2.1.7. Các bộ chỉnh lưu 12 xung và 18 xung ................................................ 27
2.1.8. Hệ thống lọc tích cực ......................................................................... 30
Chương 3 PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CÁC BỘ LỌC THỤ
ĐỘNG CỘNG HƯỞNG ĐƠN VÀ BỘ LỌC KIỂU C ........................................... 32
3.1.

Giới thiệu chung ....................................................................................... 32

3.2.

Bộ lọc thụ động loại cộng hưởng đơn ...................................................... 32

3.2.1. Giới thiệu chung về bộ lọc cộng hưởng đơn ....................................... 32
3.2.2. Một số yếu tố ảnh hưởng cần xem xét trong thiết kế STF................... 35
i


3.2.3. Các bước thiết kế của STF ................................................................ 37
3.3.

Bộ lọc hài thụ động kiểu C ....................................................................... 42

3.3.1. Cấu trúc và các biểu thức tính toán cơ bản ......................................... 42
3.3.2. Tối ưu hóa thiết kế bộ lọc kiểu C ....................................................... 47
3.3.3. Thiết kế CTF dựa trên các thông số của STF tương đương................. 50
Chương 4 THIẾT KẾ LỌC HÀI CHO NHÀ MÁY KHÍ PHÚ MỸ 1 VÀ KIỂM
CHỨNG HIỆU QUẢ ............................................................................................ 53
4.1.

Sử dụng máy tính trong thiết kế và mô phỏng các bộ lọc hài thụ động...... 53

4.1.1. Giới thiệu về ETAP ........................................................................... 54
4.1.2. Giới thiệu về hệ thống phân phối điện được phân tích và phương án lọc
hài
55
4.2.

Tính toán các thông số của bộ lọc: ............................................................ 56

4.3.1. Tính toán thông số bộ lọc loại cộng hưởng đơn (STF) ....................... 57
4.3.2. Tính toán thông số bộ lọc loại C (CTF) tương đương ......................... 57
4.3.

Kiểm chứng hiệu quả của hai loại bộ lọc .................................................. 58

4.3.3. Nguồn hài và tình trạng hài trước khi lọc ........................................... 58
4.3.4. Khảo sát hiệu quả của bộ lọc hài kiểu cộng hưởng đơn (STF) ............ 61
4.3.5. Khảo sát hiệu quả của bộ lọc hài kiểu C ............................................. 63
4.3.6. So sánh hiệu quả lọc sóng hài của hai kiểu bộ lọc .............................. 66
4.4. So sánh STF với CTF và kết luận về hiệu quả chung của việc sử dụng các
bộ lọc hài thụ động: ............................................................................................ 67
4.4.1. Chi phí chế tạo và tổn hao .................................................................. 67
4.4.2. Hiệu quả của bộ lọc hài STF và CTF tương đương ............................ 68
4.4.3. Đặc điểm sử dụng của bộ lọc thụ động loại cộng hưởng đơn.............. 69
4.4.4. Đặc điểm sử dụng của bộ lọc thụ động kiểu C ................................... 70
Chương 5

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................... 73

5.1.

Kết luận chung ......................................................................................... 73

5.2.

Hướng phát triển của đề tài....................................................................... 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 75

ii


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Tôi 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 đã được chỉ rõ nguồn
gốc.

Tác giả

Hồ Minh Việt

iii


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Xuân
Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường đại học Bách khoa Hà
Nội - Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Từ đáy lòng mình, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia
giảng dạy trong khóa học, các thầy cô tại Viện Điện, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
giúp tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và
Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường.
Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè,
những người đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng đường học tập đã
qua.

Hồ Minh Việt

iv


TÓM TẮT NỘI DUNG
Vấn đề chất lượng điện năng ngày càng thu hút được sự quan tâm của cả khách
hàng và công ty điện lực. Có nhiều lý do về kinh tế, kỹ thuật dẫn đến phải nghiên
cứu và phân tích, đưa ra giải pháp đối với vấn đề này. Các bộ lọc sóng hài thụ động
có chi phí đầu tư và vận hành thấp, do vậy phù hợp với hầu hết các khách hàng
công nghiệp. Tuy nhiên do có nhiều cấu hình bộ lọc khác nhau nên cần phải có các
đánh giá, kiểm chứng về ưu và nhược điểm của các cấu hình này. Xuất phát từ
những cơ sở trên, luận văn sẽ đề xuất quy trình tính toán thiết kế cho 2 loại bộ lọc
thụ động thông dụng nhất hiện nay là bộ lọc loại cộng hưởng đơn và bộ lọc kiểu C
cũng như các yếu tố ảnh hưởng cần lưu ý trong quá trình thiết kế, lựa chọn các
thông số cho bộ lọc .
Quy trình thiết kế và kiểm tra đặc tính làm việc của hai loại bộ lọc sẽ được kiểm
chứng thông qua mô phỏng với phần mềm ETAP. Sơ đồ lưới điện được mô phỏng
được lấy số liệu từ thực tế để tăng tính ứng dụng của luận văn.
Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương
• Chương 1: Giới thiệu chung về chất lượng điện năng, tập trung vào phần
sóng hài. Các nguyên nhân gây ra sóng hài, ảnh hưởng của sóng hài tới hệ
thống và các thiết bị cũng được trình bày trong chương này.
• Chương 2: Giới thiệu các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện.
Chương này sẽ đi sâu phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp sử dụng
thiết bị lọc thụ động và chủ động.
• Chương 3: Tìm hiểu qui trình tính toán thiết kế một bộ lọc thụ động kiểu
cộng hưởng đơn và kiểu C. Chương này cũng đề xuất cách thức lựa chọn tối
ưu các tham số của bộ lọc sóng hài.
• Chương 4: Áp dụng tính toán với mô hình lưới điện phân phối trong nhà
máy, kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai.
• Chương 5 : Kết luận và hường phát triển của đề tài.

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tổng méo dòng do hài cho phép, tính theo % của dòng tải với cấp điện áp
từ 120V-69 kV ...................................................................................................... 22
Bảng 2.2 Tổng méo dòng do hài cho phép, tính theo % của dòng tải với cấp điện áp
từ 161kV ............................................................................................................... 22
Bảng 2.3 Độ méo điện áp cho phép ....................................................................... 23
Bảng 2.4 Tổng độ méo áp cho phép ....................................................................... 23
Bảng 3.1 Giá trị vận hành tối đa cho phép của tụ điện ........................................... 37
Bảng 4.1 Tổng hợp kết quả các thông số trên Bus3................................................ 66

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sóng hài trong hệ thống điện ................................................................... 10
Hình 1.2 Ví dụ về phổ tần sóng hài ........................................................................ 11
Hình 1.3 Quan hệ dòng và áp trên tải tuyến tính .................................................... 12
Hình 1.4 Điện áp phi tuyến gây ra bởi dòng phi tuyến ........................................... 13
Hình 1.5 Quan hệ dòng và áo trên tải phi tuyến ..................................................... 13
Hình 1.6 Sóng hài và các méo dạng gây ra do các thành phần hài bậc 2, 3, 4 ......... 14
Hình 1.7 Méo dạng do bão hòa từ .......................................................................... 14
Hình 1.8 Dạng dòng điện của một động cơ có THD=10.5% .................................. 15
Hình 1.9 Đóng ngắt trong thiết bị điện tử công suất ............................................... 16
Hình 1.10 Ví dụ về phổ hài trên một thiết bị điện tử công suất ............................... 16
Hình 1.11 Dạng sóng và phổ hài trong hệ IGBT .................................................... 16
Hình 1.12 Chỉnh lưu điều khiển 3 pha – phần mạch lực ......................................... 17
Hình 1.13 Tổng trở của mạch LC tại tần số cộng hưởng ........................................ 21
Hình 2.1 Ngưỡng cho phép của các thành phần hài ................................................ 22
Hình 2.2 Méo dạng áp cho phép với các lưới có cấp điện áp khác nhau ................ 23
Hình 2.3 Dùng cuộn kháng lọc nối tiếp .................................................................. 24
Hình 2.4 Cuộn kháng hạ thế................................................................................... 25
Hình 2.5 Máy biến áp cách li ................................................................................. 26
Hình 2.6 Bộ lọc thông thấp .................................................................................... 26
Hình 2.7 Bộ lọc thụ động kiểu chữ C ..................................................................... 27
Hình 2.8 Một hệ thống lọc hài thụ động trên lưới phân phối 110kV (Ba Lan) ........ 27
Hình 2.9 Chỉnh lưu điều khiển 12 xung ................................................................. 28
Hình 2.10 Chỉnh lưu điều khiển 18 xung ............................................................... 28
Hình 2.11 Minh họa đơn giản về tác dụng khử hài bậc 5 và 7 trong hệ 12 xung ..... 29
Hình 2.12 Máy biến áp dịch pha 35kV ................................................................... 29
Hình 2.13 Sơ đồ bộ lọc tích cực ............................................................................. 30
Hình 2.14 Bộ lọc tích cực của hãng Schneider Electric .......................................... 30
Hình 3.1 Mạch lọc hài thụ động kiểu cộng hưởng đơn ........................................... 32
vii


Hình 3.2 Hiện tượng cộng hưởng song song trên lưới có bộ lọc STF ..................... 35
Hình 3.3 Minh họa về hệ số chất lượng của bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn.
.............................................................................................................................. 36
Hình 3.4 Qui trình thiết kế bộ lọc STF ................................................................... 38
Hình 3.5 Mạch tương đương dùng để tính toán hiệu quả lọc hài của STF .............. 40
Hình 3.6 Sơ đồ bộ lọc kiểu C ................................................................................. 43
Hình 3.7 Sự tương đương trong thiết kế STF và CTF............................................. 50
Hình 3.8 Quy trình thiết kế bộ lọc thụ động kiểu C ................................................ 51
Hình 4.1 Các mô hình bộ lọc thụ động có trong Simulink và ETAP....................... 53
Hình 4.2 Giao diện chính của ETAP ...................................................................... 54
Hình 4.3 Sơ đồ phân phối điện của xưởng ............................................................. 56
Hình 4.4 Cấu hình bộ lọc kiểu C ............................................................................ 57
Hình 4.5 Thông số của mô hình bộ chỉnh lưu 6 xung ............................................. 59
Hình 4.6 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi chưa có bộ lọc ....................... 59
Hình 4.7 Tổng độ méo sóng hài khi chưa có bộ lọc................................................ 60
Hình 4.8 Độ lớn thành phần hài bậc 5 khi chưa có bộ lọc ...................................... 60
Hình 4.9 Mức độ méo điện áp trên Bus3 ................................................................ 61
Hình 4.10: Thông số của STF được mô phỏng ....................................................... 61
Hình 4.11 Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc STF ...................... 62
Hình 4.12: Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc STF ............................................. 62
Hình 4.13. Phổ hài và dạng sóng trên Bus 3 khi có sử dụng STF ........................... 63
Hình 4.14. Đặc tính trở kháng theo tần số của Bus3 khi sử dụng STF .................... 63
Hình 4.15. Thông số của CTF được mô phỏng....................................................... 64
Hình 4.16. Dòng điện, điện áp và hệ số công suất khi có bộ lọc CTF ..................... 64
Hình 4.17. Tổng độ méo sóng hài khi có bộ lọc CTF ............................................. 65
Hình 4.18. Phổ hài và dạng sóng trên Bus 3 khi có sử dụng CTF ........................... 65
Hình 4.19. Đặc tính trở kháng theo tần số của Bus 3 khi CTF được sử dụng .......... 66
Hình 4.20 : Sơ đồ bộ lọc kiểu C ............................................................................. 67
Hình 4.21: Đặc tính tần số của STF ....................................................................... 69
Hình 4.22 Bộ lọc hài cộng hưởng đơn thực tế của ABB ......................................... 70
viii


Hình 4.23 Thông số bộ lọc STF của ABB .............................................................. 70
Hình 4.24: Đặc tính tổng trở - tần số tiêu biểu của CTF ......................................... 71
Hình 4.25: Bộ lọc hài thụ động kiểu C (CTF) của ABB ......................................... 72
Hình 4.26 Thông số kỹ thuật của bộ lọc kiểu C của ABB ...................................... 72

ix


Chương 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG HÀI

1.1. Khái niệm về sóng hài trong hệ thống điện
Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dưới dạng các dòng điện
hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường được
gọi là tần số sóng cơ bản). Các dòng điện, điện áp bị méo có thể được phân tích
thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài. Các thành phần
sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra.
Theo định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 519-1992 thì hài là các thành phần sóng sin
tuần hoàn (có thể là dòng điện hoặc điện áp) có tần số là bội số của tần số cơ bản, vì
được tổng hợp vào với tần số, góc pha khác với sóng cơ bản nên đặc trưng của hài
là gây ra độ méo dạng của biên độ dòng và áp cho dạng sóng tổng cộng.
Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là
phân tích Fourier. Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có
chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa
hình sin như Hình 1.1:

Hình 1.1 Sóng hài trong hệ thống điện

Một khái niệm thường được sử dụng để đánh giá độ méo dạng đó là tổng độ méo
sóng hài THD (Total Harmonic Distortion), khái niệm này dùng để diễn tả độ biến
dạng của dòng điện hoặc điện áp, với tổng độ méo sóng được tính theo công thức
sau [1]:
% =

+

+ ⋯+

Trong đó IDh là biên độ của hài bậc h tính theo % của tần số cơ bản. Ví dụ, nếu
thành phần bậc 3 và bậc 5 tương ứng là 23% và 11% thì có thể tính THD:
% = 100.

= 100
10

23
100

+

11
100

= 25.5%


Như vậy, chỉ tiêu cơ bản nhất để đánh giá độ méo dạng dòng và áp, theo tiêu chuẩn
của IEEE là tỷ lệ % của các thành phần hài so với thành phần cơ bản:

!"
!"

% = 100

#∑%

1% = 100

#∑%

Điểm đo hiệu quả nhất để đánh giá độ méo là tại điểm thanh cái chung PCC (Point
of Common Coupling). Theo tiêu chuẩn IEEE519 thì để đo sóng hài phải theo dõi
cần 15-30 phút. Với những nguồn cung cấp nhỏ nhưng lại có dòng lớn hơn so với
dòng danh định, các công thức trên sẽ cho một độ méo đo được có vẻ lớn hơn,
ngược lại, nhưng nguồn lớn nhưng có dòng nhỏ sẽ cho độ méo nhỏ. Để khắc phục,
người ta dùng cách tính tổng độ méo dựa trên dòng tải IL, còn gọi là tổng độ méo
nhu cầu (Total Demand Distortion – TDD)
% = 100.



&'(

)

Độ méo lúc này được tính bằng % biên độ của dòng định mức hay dòng tải lớn
nhất, chứ không phải theo % của dòng điện cơ bản. Trong đó IL là giá trị trung bình
của dòng tải nhu cầu đỉnh của 12 tháng trước đây, với các thiết bị mới lắp đặt IL có
thể được ước lượng dựa trên các tài liệu của thiết bị
Trong hệ thống điện, sóng hài thường bị lẫn trong tần số cơ bản theo một tỷ lệ nào
đó, tỷ lệ này phụ thuộc vào vị trí và đặc tính của các phụ tải trên lưới phân phối.
Hình 1.2 dưới đây là ví dụ về phổ hài đo được tại một vị trí nhất định của lưới phân
phối.

Hình 1.2 Ví dụ về phổ tần sóng hài

Từ sự biến dạng theo chu kỳ của giá trị đo, ta có thể nhận biết được sự xuất hiện của
các hài bậc lẻ và bậc chẵn như sau:
11


Hài bậc lẻ xuất hiện khi dạng sóng có chu kỳ âm giống như chu kỳ dương,
nhưng với chiều ngược lại. Loại hài này thường xuất hiện trên các tải là
chỉnh lưu cầu do nửa chu kỳ âm và dương trên chỉnh lưu này đối xứng nhau

Hài bậc chẵn xuất hiện dạng sóng có hai nửa chu kỳ âm và dương không
giống nhau. Dạng này hay gặp ở các hệ thống phân phối điện công nghiệp

1.2. Nguyên nhân gây ra các sóng hài trên lưới phân phối
Như đã phân tích, dấu hiệu của các thành phần hài là sự xuất hiện của độ méo dạng
sóng áp và dòng trên hệ thống. Nói chung các phần tử tuyến tính thường không gây
ra méo dạng, sự méo dạng sóng sinh ra chủ yếu từ các thành phần phi tuyến của hệ
thống, chủ yếu là ở phía tải [2].
1.2.1. Quan hệ dòng điện và điện áp trên phụ tải tuyến tính và phi tuyến
Trong hệ thống điện, các loại tải có dòng điện chạy qua tỷ lệ bậc 1 với điện áp đặt
lên tải được gọi là tải tuyến tính, ví dụ về loại tải này là tải thuần trở với hệ số nhiệt
điện trở bằng 1, động cơ một chiều (không sử dụng các bộ biến đổi điện tử công
suất) có phụ tải cơ bậc 1 như quạt gió, bơm

Hình 1.3 Quan hệ dòng và áp trên tải tuyến tính

Ngược lại, các phụ tải phi tuyến có dòng điện chạy qua không đồng dạng với dạng
của điện áp đặt lên tải, nghĩa là trở kháng của nó thay đổi theo điện áp, thời gian,
phụ tải cơ học...hoặc các đại lượng khác. Điều này làm cho dòng điện không còn
phụ thuộc tuyến tính vào điện áp và không còn dạng hình sin, điện áp đặt trên tải
này cũng bị biến dạng theo và bị méo, xuất hiện thành phần không sin.
12


Hình 1.4 Điện áp phi tuyến gây ra bởi dòng phi tuyến

Điển hình của loại phụ tải này là các phụ tải sử dụng biến đổi điện tử công suất như
biến tần, chỉnh lưu có điền khiển, các thiết bị hàn hồ quang, các thiết bị có mạch từ
hoạt động ở chế độ bão hòa từ theo thiết kế hoặc các dạng bão hòa từ không mong
muốn. Đồ thị Hình 1.5 dưới đây mô tả dạng dòng điện của một chỉnh lưu có điều
khiển, dòng điện chỉ xuất hiện khi các khóa điện tử ở trạng thái dẫn và kết quả là
gây ra một sự méo dạng trên hệ thống.

Hình 1.5 Quan hệ dòng và áo trên tải phi tuyến

Như vậy, sự phi tuyến của các phần từ tham giá vào lưới điện chính là nguyên nhân
gây ra hài, theo định nghĩa trong IEEE 519-1992 thì hài là các thành phần sóng sin
tuần hoàn (có thể là dòng điện hoặc điện áp) có tần số là bội số của tần số cơ bản,
đặc trưng của hài là gây ra độ méo dạng dòng và áp.
1.2.2. Một số nguồn phát sinh sóng hài trong lưới phân phối:
Các loại tải phi tuyến khác nhau sinh ra các loại hài khác nhau về bậc và phổ của
hài, việc nắm được các thành phần hài đặc trưng được sinh ra trên từng loại thiết bị
sẽ giúp việc thiết kế các bộ lọc hài một cách hiệu quả và kinh tế hơn, dưới đây ta
phân tích nguyên nhân gây ra hài trên các phần tử phi tuyến chính trong hệ thống
điện.

13


Hình 1.6 Sóng hài và các méo dạng gây ra do các thành phần hài bậc 2, 3, 4

a. Máy biến áp
Các máy biến áp điện lực thông thường được thiết kế để hoạt động trong vùng tuyến
tính của mạch từ, tuy nhiên, một số trường hợp vận hành sẽ dẫn đến việc mạch từ
của máy bị bão hòa như máy hoạt động quá công suất thiết kế, vận hành ở điện áp
cao hơn điện áp thiết kế.

Hình 1.7 Méo dạng do bão hòa từ

Khi độ lớn của từ thông trong máy bị đẩy lên đến vùng phi tuyến (C-B, E-F) sẽ tạo
ra hài và gây méo dạng sóng. Khi hoạt động ở chế độ bão hòa từ, máy biến áp gây
ra khá nhiều hài bậc lẻ,trong đó thành phần bậc 3 là lớn nhất.
Trong các máy biến áp 3 trụ, từ thông sinh ra do hài bậc 3 ở các pha tác động lên
các trụ cùng một phương, từ thông này mở rộng ra bên ngoài lõi từ, sự tương tác
này làm giảm dòng hài bậc 3 xuống một giá trị nhỏ, tuy nhiên, phần bậc 5 và 7 vẫn
khá lớn (5 đến 10%) và gây méo đáng kể.
Hài bậc chẵn thường chỉ xuất hiện khi hai nửa chu kỳ không đối xứng, ở trạng thái
xác lập, hầu như không có hài bậc chẵn. Tuy nhiên trong chế độ quá độ, như khi
14


đóng điện MBA thì các loại hài bậc thấp đều có thể xuất hiện, trong đó thành phần
hài bậc chẵn thường được dùng để hãm tác động của rơle so lệch dọc khi đóng điện
cho MBA.
Việc sử dụng các bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ (có hoặc không có điều khiển) sẽ gây ra
thành phần dòng một chiều lẫn trong dòng tải, dưới tác dụng của thành phần DC
này, sự bão hòa từ cũng sẽ xảy ra sớm hơn và nặng nề hơn.
b. Động cơ điện
Ngoài vấn đề về bão hòa từ, trong các động cơ điện thường có một độ bất đối xứng
nhất định của các khe từ trên stator và rotor, hoặc sự không đồng đều của hình dạng
các bối dây 3 pha trên stator, kết quả là dòng điện qua động cơ bị biến thiên không
đồng đều theo góc quay của stator và gây ra các thành phần hài. Các thành phần này
gây ra sức điện động trên dây quấn stator với tần số bằng tỉ số tốc độ/bước sóng, kết
quả của sự phân bố các lực từ động này sinh ra các thành phần hài là một hàm số
của tốc độ, các thành phần hài khác cũng có thể phát sinh do sự bão hòa của mạch
từ (mạch từ stator, rotor, tương tác stator, rotor...)
Khi không có biến áp đấu tam giác, một động cơ đồng bộ 3 pha có thể sinh ra một
dòng hài bậc 3 có giá trị lên tới 30% nếu hoạt động ở vùng bão hòa từ.
Đồ thị dưới đây minh họa dạng dòng điện trên một động cơ có THD = 10.5%

Hình 1.8 Dạng dòng điện của một động cơ có THD=10.5%

c. Các thiết bị điện tử công suất
Ngày nay, các thiết bị biến đổi điện tử công suất đang ngày càng được sử dụng
nhiều hơn trong các phụ tải điện với mục đích điều tiết linh hoạt truyền động điện,
các quá trình nhiệt, từ hoặc hệ thống truyền tải điện một chiều. Các bộ biến đổi này
rất đa dạng, loại nhỏ được áp dụng trong hầu hết các bộ nguồn của thiết bị điện tử
dân dụng. Những loại công suất lớn được dùng trong điều khiển truyền động các
động cơ của phương tiện vận tải như tàu điện, thang máy, máy nâng, trong điện lực
như các thiết bị HVDC, trong công nghiệp thép, điện phân…
Việc đóng ngắt đột ngột, theo chu kỳ của các thiết bị biến đổi công suất gây ra độ
phi tuyến lớn ở dạng dòng và áp

15


Hình 1.9 Đóng ngắt trong thiết bị điện tử công suất

Một ví dụ với loại điều khiển nửa chu kỳ dùng GTO (Gate Turn Off Thyristor) như
hình trên, trong đó dòng điện chỉ xuất hiện ở 1 đoạn của bán kỳ dương, gây ra thành
phần một chiều, thành phần thứ tự không và cả các hài bậc chẵn; đây là đặc trưng
riêng của hệ ĐTCS 3 pha không cân bằng, phổ hài xuất hiện theo dạng như hình
dưới.

Hình 1.10 Ví dụ về phổ hài trên một thiết bị điện tử công suất

Một loại đóng ngắt điện tử khác là hệ thống dùng IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor). Với loại này, dòng điện sẽ được cắt ở cả 2 nửa bán kỳ nên không gây ra
hài bậc chẵn, chỉ phát sinh các thành phần bậc lẻ và bậc không.

Hình 1.11 Dạng sóng và phổ hài trong hệ IGBT

Một ví dụ của hệ này là bộ điều khiển truyền động VFD 6 xung như trên Hình 1.12

16


Hình 1.12 Chỉnh lưu điều khiển 3 pha – phần mạch lực

Dòng hài sinh ra từ động cơ sẽ bị chặn lại ở phía tải, sau hệ thống DC; nhưng do
quá trình chuyển pha của thyristor, hài sẽ xuất hiện ở phía lưới, thực tế cho thấy với
loại cầu điều khiển 6 xung, các bậc của hài xuất hiện: h = (p*k±1)
Với k là một số nguyên lớn hơn 1, trong hệ 6 xung thì p=6, hài xuất hiện là bậc lẻ
5,7,9,11,13..; ở hệ 12 xung thì hài xuất hiện sẽ có bậc 11,13,23,25,35,37…
Đóng góp vào việc phát sinh hài do các thiết bị điện tử công suất còn có các phần tử
khác như STATCOM, SVC, HVDC, biến tần công nghiệp.v.v. khi hoạt động với
góc α >0.
1.2.3. Ảnh hưởng của sóng hài lên các phần tử trên lưới phân phối
Các thành phần hài gây tác động xấu lên các phần tử trong lưới phân phối, chủ yếu
nhất là gây quá tải trung tính và làm tăng tác động nhiệt gây tổn hao trên thiết bị…
a. Ảnh hưởng trên máy phát
Tác động chủ yếu của dòng và áp hài là gây tăng tổn thất nhiệt do tăng tổn hao sắt
và đồng.
Tổn hao sắt gồm 2 thành phần: tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng xoáy (Foucault).
Tổn hao từ trễ gây ra do sự phi tuyến của mật độ từ thông máy phát khi từ thông bị
đảo ngược mỗi lần dòng điện thay đổi cực tính (100 lần đối với hệ thống dùng tần
số 50Hz). Các dòng hài có tần số lớn hơn và gây ra tổn hao lớn hơn, nói chung tổn
hao từ trễ tỷ lệ thuận với tần số và với bình phương của từ thông. Dòng xoáy chạy
quẩn trong lõi từ, dây quấn và các phần khác của máy do từ thông tản của dây quấn,
tổn hao do dòng xoáy gây ra bởi tần số cơ bản và hài được tính theo công thức:
*+, = *+-

-



PEF: Tổn hao đầy tải ở tần số cơ bản
Ih: Trị hiệu dụng của dòng hài bậc h

Tổn hao đồng gây ra do dòng điện chạy trong dây quấn, tổn hao này tăng lên với sự
tham gia của các dòng hài.

17


*,/ =

0

Tổn hao này bị ảnh hưởng bởi “hiệu ứng mặt ngoài”, là hiệu ứng có tác động càng
lớn với tần số càng cao, làm tăng R biểu kiến và do vậy tăng PCU
Ngoài ra, tương tự như ở động cơ điện, hài ở các bậc khác nhau cũng gây ra tác
động đến từ trường quay, làm phát nóng và tăng độ rung của máy phát.
Dòng hài gây ra bới các phần tử phi tuyến cũng gây tác động lên tổng trở máy phát,
gây méo dạng điện áp trên đầu cực
Và cuối cùng là các xung nhỏ (notching) của áp hài có thể gây nhiễu, làm sai lệch
hoạt động của bộ điều khiển kích từ, thường cần đến các bộ lọc thông thấp để ổn
định.
b. Ảnh hưởng trên các máy biến áp
Về tổn thất nhiệt: Các tổn hao ở MBA là tổn hao không tải, phụ thuộc vào dòng
điện cần thiết để từ hóa lõi từ của máy, phần này nhỏ và có thể bỏ qua khi xét ảnh
hưởng của hài, và phần tổn hao có tải, là tổn hao chịu ảnh hưởng lớn bởi các thành
phần hài
Dòng hài làm tăng tổn hao sắt từ (gây ra bởi từ trễ khi dòng điện đổi chiều, làm cho
từ trường đổi chiều và tổn hao do dòng xoáy). Tổn hao đồng và tổn hao do từ thông
tản cũng tăng lên dưới tác dụng của các thành phần hài do sự gia tăng phát nhiệt.
Xung áp tăng do du/dt tăng làm ảnh hưởng đến cách điện của cuộn dây, sự cộng
hưởng không mong muốn của trở kháng dây quấn với điện dung của mạch ngoài
cũng làm tăng tổn thất và gây ra các dao động, tiếng ồn.
Phần tổn hao đồng được tính:

*,/ =

1. 0

Với Ihd là tổng giá trị hiệu dụng của dòng điện, hiệu ứng mặt ngoài, xảy ra mạnh ở
tần số cao cũng góp phần làm tăng R biểu kiến và do vậy tăng Pcu
Tổn thất trên trung tính: với các MBA phân phối có trung tính nối đất, thường là tổ
nối dây ∆/Y, các dòng hài bội 3 như bậc 3, 9, 15…không thể đi qua nhưng lại chạy
quẩn trong cuộn sơ cấp và làm tăng tổn hao do phát nhiệt.
Với tải tuyến tính và các pha cân nhau thì không xuất hiện dòng trung tính, nhưng
với các hài bội 3, dòng trung tính tổng cộng gây ra (chủ yếu bởi hài bậc 3) có thể
lên tới 173% dòng điện pha. Một số trường hợp thậm chí có thể làm cháy dây trung
tính của biến áp.
Do tác động có hại của hài, ở những phụ tải phi tuyến, nhà sản xuất MBA thường
phải dùng “hệ số K”, có nghĩa là chế tạo một MBA với công suất lớn hơn để dùng
cho tải phi tuyến đó.
c. Ảnh hưởng trên các động cơ cảm ứng
18


Ảnh hưởng nhiệt: Tương tự như đối với máy biến áp, các thành phần hài làm tăng
tổn hao sắt và tổn hao đồng do sự phát nhiệt, các tổn hao do hiệu ứng mặt ngoài gây
ra cũng phức tạp hơn, đặc biệt là với các tần số lớn hơn 300Hz. Các công thức tính
tổn hao đồng và tổn hao do dòng xoáy cùng tương tự như đối với MBA.
Động cơ với rotor rãnh sâu lồng sóc kép càng nhạy cảm hơn với các tổn hao do hài,
đặc biệt với bậc hài cao, một số trường hợp gây đốt nóng rotor và làm hỏng các ổ
đỡ, để hạn chế ảnh hưởng của dòng phát sinh trong rotor, người ta thường sử dụng
các ổ đỡ, ổ bi cách điện.
Ảnh hưởng của các thành phần hài thuận, nghịch, không:
-

Các thành phần hài thứ tự thuận (bậc 7, 13, 19..) sẽ cản lại sự tạo mô-men
Các thành phần thứ tự nghịch (bậc 5, 13, 17..) gây ra các xung cản lại mô
men quay.
- Các thành phần bội ba không gây ra mô men quay, thành phần này sẽ bị biến
thành nhiệt năng gây tổn hao nhiệt
d. Ảnh hưởng trên cáp điện
Tác động nhiệt: cáp điện khi dẫn một dòng điện có thành phần hài sẽ gây tăng tổn
hao do phát nhiệt I2R.
Dòng hiệu dụng khi có sự đóng góp của các thành phần hài :

1

=

1

2
5

3 . 43 =

%

=

+

+

6

+ ⋯+

7

Do vậy
1

=

,8

1+

9 1

100

Ví dụ: Tính dòng hiệu dụng chạy qua cáp với tổng méo dòng do hài là 42%, dòng
cơ bản là 800A
1

= 800#1 + 0.42

= 868 =

Bỏ qua hiệu ứng bề mặt, riêng tổn hao I2R sẽ tăng thêm là:
>?55A B100% =17.7%
?@?

Như vậy, dòng điện này có thể gây quá tải cho cáp nếu thiết kế theo các chỉ số
thông thường.

19


Tác động của hiệu ứng bề mặt: điện trở của cáp phụ thuộc vào tần số của dòng điện
chạy qua nó do tác dụng của hiệu ứng bề mặt. Ngoài ra trong cáp nhiều ruột còn xảy
ra hiệu ứng tiệm cận, là hiệu ứng thay đổi điện kháng biểu kiến của lõi dẫn khi
nhiều lõi được đặt song song cạnh nhau. Hai hiệu ứng này phụ thuộc tần số, kích cỡ
và điện trở suất của cáp. Ở tần số cơ bản, hai hiệu ứng này tác động không đáng kể
và có thể bỏ qua, nhưng ở tần số cao hơn thì tổn thất I2R sẽ tăng rất rõ rệt do R biểu
kiến tăng.
e. Ảnh hưởng trên các tụ bù
Như đã biết, điện kháng của tụ thay đổi tỷ lệ nghịch với tần số:
CD =

1
1
=
E. F 2G. H. F

Dòng điện dây tương ứng với hài bậc h, trong các bộ tụ nối tam giác có thể tính
được bằng công thức:
= √3. ℎ. E. F.

7

Với h là bậc của hài, ω là vận tốc góc cơ bản, Uh là điện áp dây tương ứng
của hài bậc h.
Điện dung sẽ thu hút và hấp thụ các thành phần hài, do vậy các tụ điện (cùng với
cuộn kháng đệm) dễ dàng bị phá hỏng, cầu chì hoặc MCB sẽ bị cháy.
Sự xuất hiện của điện áp hài cũng gây tăng tổn hao điện môi, làm tăng nhiệt độ và
giảm độ tin cậy của tụ điện.
Ở tần số hài, tụ điện cũng có thể gây ra sự cộng hưởng, gây tăng dòng và áp cục bộ
và có thể phá hỏng các thiết bị điện
Sự cộng hưởng xảy ra khi phần điện cảm và điện dung tương đương nhau trong một
mạch điện, tùy theo cách nối của điện cảm và điện dung mà ta có cộng hưởng nối
tiếp hoặc song song, tần số cộng hưởng khi XL=XC:
JK =

1

2L√M. F

Với cộng hưởng nối tiếp, về lý thuyết thì tổng trở kháng sẽ triệt tiêu:
NO = P C) − C, = 0

Do vậy với cộng hưởng song song, tổng trở kháng về lý thuyết = ∞
N=

C) . C,
→∞
P C) − C,
20


Như vậy, nếu một nguồn xoay chiều có tần số xấp xỉ tần số cộng hưởng của mạch
cộng hưởng nối tiếp thì dòng điện trong mạch sẽ tăng mạnh và có thể gây hư hỏng
các thiết bị (bình thường không xảy ra ở tần số cơ bản). Trường hợp cộng hưởng
song song có sự tham gia của dòng hài đi qua có thể gây quá điện áp .
Tần số cộng hưởng fr có thể được xác định bằng biểu thức:

HK = H

TU

TV

Trong đó f1 là tần số cơ bản, XC là điện kháng của tụ và XL là cảm kháng ở tần số
cơ bản của phía nguồn, tính từ điểm tụ được nối vào.

Hình 1.13 Tổng trở của mạch LC tại tần số cộng hưởng

Như vậy khi tính toán thiết kế cần xét đến cả các tần số của hài để tránh hiện tượng
cộng hưởng, phương pháp thường dùng là thay đổi (mắc thêm) một điện cảm phía
trước tụ điện.
Trên đây, ảnh hưởng của hài lên một số phần tử của lưới phân phối đã được xem
xét, ngoài ra, hài còn có các ảnh hưởng xấu khác như làm sai lệch điểm tác động
của rơ le, cầu chì, MCB, gây nhiễu và cản trở hoạt động của các hệ thống thông tin,
truyền thông...
Với sự gia tăng của thành phần hài trên lưới, việc tính toán và áp dụng các biện
pháp triệt hài đang ngày càng trở nên cần thiết hơn.

21


Chương 2

KIỂM SOÁT VÀ LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRÊN LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI

2.1. Tiêu chuẩn và quy định về mức sóng hài trong hệ thống điện
Hiện nay, tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến nhất trên thế giới trong việc quy định
mức độ của các thành phần hài là IEEE 519-1992. Phần quan trọng nhất trong tiêu
chuẩn là quy định về thành phần và độ lớn cho phép của các thành phần hài mà các
hộ dùng điện có tải phi tuyến phải kiểm soát tại điểm đấu nối chung PCC, theo các
bảng dưới đây [1].
Bảng 2.1 Tổng méo dòng do hài cho phép, tính theo % của dòng tải với cấp điện áp từ
120V-69 kV
ISC//IL
<20
20-50
50-100
100-1000
>1000

h<11
4,0
7,0
10
12
15

112,0
3,5
4,5
5,5
7,0

171,5
2,5
4
5
6,0

230,6
1,0
1,5
2
2,5

35≤h
0,3
0,5
0,7
1
1,4

TDD
5,0
8,0
12
15
20

Bảng 2.2 Tổng méo dòng do hài cho phép, tính theo % của dòng tải với cấp điện áp từ
161kV

ISC/IL
<50
≤50

h<11
2,0
3,0

11≤h≤17
1,0
1,5

17≤h≤23
0,75
1,15

23≤h≤35
0,3
0,45

35≤h
0,15
0,22

TDD
2,5
3,75

Trong đó:
ISC: Dòng ngắn mạch lớn nhất tối đa tại điểm điểm nối chung PCC
IL: Thành phần cơ bản của dòng tải nhu cầu lớn nhất tại điểm nối PCC

Hình 2.1 Ngưỡng cho phép của các thành phần hài
22


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×