Nghiên cứu thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động dựa theo số liệu đo lường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội - Năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC TRUNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ LỌC SÓNG HÀI THỤ ĐỘNG DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN XUÂN TÙNG Hà Nội, năm 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu riêng tôi, không chép Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Nội dung luận văn có tham khảo sử dụng tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải tác phẩm, tạp chí, báo trang web theo danh mục tài liệu tham khảo luận văn Tác giả Nguyễn Đức Trung LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Xuân Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn suốt trình thực đề tài Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Điện, thƣ viện Tạ Quang Bửu giảng viên Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội hƣớng dẫn tơi tận tình suốt q trình học tập trƣờng Để có đƣợc ngày hôm không nhắc đến ngƣời thân gia đình tạo hậu phƣơng vững giúp tơi n tâm hồn thành cơng việc nghiên cứu Cuối tơi xin gửi tới toàn thể bạn bè đồng nghiệp lời biết ơn chân thành tình cảm tốt đẹp giúp đỡ quý báu mà ngƣời dành cho suốt thời gian làm việc, học tập, nghiên cứu thực đề tài Tác giả Nguyễn Đức Trung MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI CẢM ƠN .2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .12 1.1 Phân loại chất lƣợng điện .12 1.2 Khái niệm sóng hài 14 1.3 Các số đánh giá sóng hài hệ thống điện 15 1.4 Các tiêu chuẩn khuyến cáo mức độ sóng hài hệ thống điện 16 1.5 Các nguồn phát sinh sóng hài hệ thống điện 18 1.5.1 Các máy biến áp .19 1.5.2 Các động 19 1.5.3 Các thiết bị điện tử công suất 20 1.5.4 Các thiết bị hồ quang 20 1.6 Ảnh hƣởng sóng hài tới hệ thống thiết bị .21 1.6.1 Hiện tƣởng cộng hƣởng tần số sóng hài 21 1.6.2 Ảnh hƣởng tới động máy biến áp 24 1.6.3 Ảnh hƣởng tới hệ số công suất 24 1.6.4 Ảnh hƣởng tới tụ bù 25 1.6.5 Ảnh hƣởng tới thiết bị bảo vệ 25 1.6.6 Ảnh hƣởng tới thiết bị đo đếm 25 CHƢƠNG CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 27 2.1 Tổng quan giải pháp loại trừ sóng hài hệ thống điện 27 2.2 Các lọc sóng hài thụ động 28 70 đại điện áp tải giảm thấp chế độ 80% tải, lƣợng công suất phản kháng mà lọc phát giảm Từ kết thấy, lọc bậc tính tốn thiết kế đạt yêu cầu lọc hài bậc bậc theo quy định, nhiên lƣợng công suất phản kháng lọc phát không đủ để nâng hệ số công suất đạt giá trị 0.85 theo nhƣ u cầu nên ta phải tính tốn bổ sung lắp đặt thêm tụ để bù CSPK 4.3.4 Tính toán lắp đặt bổ sung tụ bù: Sau nhiều lần chạy thử nghiệm phần mơ ta xác định đƣợc thông số tụ cần lắp đặt là: C boTu= 47(µF) Thơng số lọc sóng hài bậc bậc tụ nhƣ sau: C (µF) L (H) R (Ω) Bộ lọc bậc 77.166 0.00583 0.111 Bộ lọc bậc 38.583 0.00582 0.155 Loại lọc Bộ tụ 47.0 Kết kiểm tra lọc tụ tính tốn qua phần mềm mơ PSCAD nhƣ sau: Hình 4.17: Sơ đồ mô với lọc hài bậc 5, bậc tụ (chế độ 100% tải) 71 Main : Controls P1 1.4933 Q1 0.925045 Main : Controls Cosphi 0.850107 May cat H5 May cat H7 BAT BAT TAT TAT Main : Controls May cat tu BAT TAT Main : Controls Vcao ap THD Vcao ap ItaiRMS THD Itai VtaiRMS THD Vtai 209.754 2.0248 10.6438 2.90606 106.569 3.97715 Phan tich hai dong dien tai 15.0 0.0 [5] 0.209688 Phổ tần dòng điện sau lắp đặt lọc bậc 5, bậc tụ (chế độ 100% tải) Bảng tổng hợp đánh giá kết quả: Bảng 4.5: Bảng tổng hợp kết sau lắp đặt lọc bậc bậc (Chế độ 100% tải) Trƣớc Sau Thông lắp đặt lọc bậc lắp đặt lọc bậc 5, số bậc bậc tụ Yêu cầu (%) Theo tiêu Đánh chuẩn giá A % A % I5 1.434 12.27 0.210 1.97 ≤4 IEEE Đạt I7 0.777 6.65 0.114 1.07 ≤4 IEEE Đạt I 11 0.115 0.98 0.119 1.12 ≤2 IEEE Đạt I 13 0.115 0.98 0.128 1.20 ≤2 IEEE Đạt I hiệu dụng 11.689 10.644 72 Trƣớc Sau Thông lắp đặt lọc bậc lắp đặt lọc bậc 5, số bậc bậc tụ A % A % Yêu cầu (%) THD i 14.3 2.9 ≤ 5.0 THDV 17.2 3.9 ≤ 6.5 Theo tiêu Đánh chuẩn giá IEEE Đạt Thông tƣ 32 Đạt Nhận xét: - Sau lắp đặt thêm tụ C=47 (µF), hệ số công suất đo điểm đấu nối đạt theo yêu cầu 0.85; - Bộ lọc thiết kế đảm bảo yêu cầu loại bỏ thành phần sóng hài bậc bậc 7; - Độ méo sóng hài dòng điện điện áp điểm đấu nối đạt theo quy định TỔNG KẾT: Qui trình tính tốn lọc sóng hài dựa theo thơng số đo lƣờng thực tế đƣợc trình bày theo bƣớc sau: - Đo đạc số liệu tải sóng hài điểm đấu nối - Xác định chế độ cần tính tốn lọc sóng hài (chế độ đầy tải hay chế độ tải trung bình…): Trong luận văn lựa chọn tính tốn trƣớc với chế độ 80% tải - Tính tốn lọc sóng hài có biên độ lớn đồng thời bù lƣợng công suất phản kháng cần thiết để nâng cao hệ số công suất - Kiểm tra thơng số lọc tính tốn: sử dụng phần mềm mơ để mơ lại chế độ vận hành lƣới điện Sóng hài đƣợc mơ nguồn dịng với tần số biên độ tƣơng ứng với phổ tần đo đƣợc thực tế - Nếu cần thiết tính tốn loại trừ thêm sóng hài bậc cao - Kiểm tra làm việc lọc tính chế độ 100% tải Nếu đảm bảo mặt loại trừ sóng hài kiểm tra khả bù công suất phản kháng Nếu cần thiết tính tốn lắp đặt thêm lọc khác tụ bù 73 - Với sơ đồ lƣới điện tải cụ thể nhƣ tính tốn để giảm độ méo sóng hài dịng điện điện áp đến mức yêu cầu theo quy định (IEEE Std 519-1992 Thông tƣ 32), cần phải sử dụng lọc bậc bậc Tuy nhiên để nâng hệ số công suất tải đến mức yêu cầu (CosFi = 0.85) trƣờng hợp vận hành 100% tải phải sử dụng thêm tụ bù có đóng cắt 74 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Luận văn nghiên cứu tƣợng chất lƣợng điện năng, tập trung chủ yếu sóng hài hệ thống điện Các nguyên nhân, nguồn phát sóng hài, ảnh hƣởng sóng hài đến thiết bị hệ thống điện đƣợc phân tích chi tiết Các giải pháp loại trừ sóng hài đƣợc trình bày cách tổng hợp bao gồm nhiều phƣơng thức nhƣ dùng lọc thụ động, lọc tích cực lọc lại ghép nhiều giải pháp khác liên quan đến hệ thống Giải pháp loại trừ sóng hài lọc thụ động đƣợc đề xuất nội dung luận văn Đây giải pháp có chi phí thấp, lọc dễ dàng bảo trì lắp đặt đƣợc sử dụng phổ biến Tuy nhiên lọc loại có số nhƣợc điểm nhƣ gây nên tƣợng cộng hƣởng song song với hệ thống, đặc tính lọc lọc thay đổi tùy theo hệ thống (tổng trở hệ thống), thiết bị bị già hóa theo thời gian làm đặc tính lọc bị biến đổi Trong cơng nghiệp lọc cơng hƣởng đơn (single tuned filter) đƣợc sử dụng phổ biến nhất, luận văn tập trung nghiên cứu lọc Luận văn trình bày qui trình cần thiết để tính toán lựa chọn lọc cộng hƣởng đơn Đây sở cho việc tính tốn lọc thực tế Căn theo tính tốn kết mơ đƣa kết luận nhƣ sau: - Việc lắp đặt lọc kiểu cộng hƣởng đơn có khả loại trừ tốt song hài đơn lẻ nhƣ thiết kế - Việc tính tốn để lọc bù cơng suất phản kháng cho tải hoàn toàn khả thi - Việc tính tốn lắp đặt lọc q trình gồm nhiều bƣớc phải tính tốn lại nhiều lần Do cần phải thực mơ để đảm bảo thơng số lọc tính đạt u cầu Nếu khơng có phần mơ phải lắp đặt 75 lọc hiệu chỉnh thông số lọc thực tế nhiều lần, điều không khả thi tốn mặt kinh tế - Trong nghiên cứu sử dụng tiêu chuẩn IEEE Std 519-1992 Thông tƣ 32 Bộ Cơng thƣơng để đánh giá sóng hài Tiêu chuẩn IEEE Std 5191992 khuyến cáo chi tiết độ méo tổng (THD) độ méo thành phần, tiêu chuẩn theo Thơng tƣ 32 khái quát độ méo tổng, nhiên lại đƣa thêm ràng buộc độ méo điện áp Việc sử dụng kết hợp hai tiêu chuẩn làm việc tính tốn phức tạp hơn, nhiên đảm bảo độ méo sóng hài theo yêu cầu - Các thông số đo lƣờng thực tế giúp cho việc tính tốn lọc đƣợc xác sở để mô chế độ làm việc tải lƣới điện Đồng thời cho phép kiểm nghiệm với thông số khác lọc, tìm đƣợc lọc phù hợp trƣớc đặt hàng sản xuất lọc - Việc đo lƣờng thơng số sóng hài cần tn thủ hƣớng dẫn, ví dụ để xác định độ méo sóng hài cần thực việc đo lƣờng khoảng tuần, sau thơng kê đánh giá số liệu, Việt Nam qui định cách thức đo lƣờng đại lƣợng chất lƣợng điện chƣa rõ ràng 5.2 Hƣớng nghiên cứu tƣơng lai Luận văn nghiên cứu phƣơng thức tính tốn lọc sóng hài kiểu cộng hƣởng đơn dựa số liệu đo lƣờng thực tế Việc sử dụng số liệu đo lƣờng thực tế đảm bảo tính ứng dụng nghiên cứu đƣợc thực Trong tƣơng lai xem xét áp dụng với cấu hình lọc khác để so sánh hiệu mặt kinh tế - kỹ thuật lọc Đồng thời nghiên cứu để hồn thiện qui trình thiết kế mức độ mang tải thay đổi nhiều thời điểm ngày (trong luận văn sử dụng hai mức tải gần 80% tải 100% tải) 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO La, Rosa Francisco C De.Harmonics and Power Systems s.l : CRC Press, 2008 Roger C Dugan, Mark F McGranaghan, Surya Santoso, H Wayne Beaty.Electrical Power Systems Quality s.l : McGraw-Hill Education, 2012 Thông tư qui định hệ thống phân phối điện Hà Nội : Bộ Công thƣơng, 2010 IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems s.l : IEEE, 1993 Das, J C.Power System Harmonics and Passive Filter Designs s.l : WileyIEEE Press, 2015 Passive filters - Potentialities and limitations Das, J.C s.l : Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2003 Nghiên cứu lựa chọn thiết bị lọc sóng hài thụ động dành cho tải chỉnh lưu ba pha, Luận văn cao học, Trần Đức Thắng, Thƣ viện Tạ Quang Bửu, ĐHBK HN, 2015 77 ... TỐN THIẾT KẾ BỘ LỌC CỘNG HƢỞNG ĐƠN DỰA THEO SỐ LIỆU ĐO LƢỜNG THỰC TẾ 37 3.1 Qui trình chung để thiết kế lọc sóng hài thụ động [7] 37 3.2 Các tham số cần lựa chọn trƣớc lọc cộng hƣởng... thiết bị lọc sóng hài thụ động 37 Hình 3.2: Lƣợc đồ thiết kế lọc sóng hài thụ động 39 Hình 3.3: Bộ lọc cộng hƣởng đơn đặc tính tổng trở theo tần số 40 Hình 3.5: Sơ đồ nối lọc hệ thống... tính tốn thiết kế lọc dựa số liệu đo lƣờng thực tế Lịch sử nghiên cứu Các lọc song hài thụ động đƣợc nghiên cứu từ lâu giới, nhiên Việt Nam, cơng trình cơng bố chƣa cho thấy có nghiên cứu thể