Mô phỏng sóng hài và biện pháp giảm trừ sóng hài trong các tòa nhà cao tầng thương mại hỗn hợp

Untitled TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN 1859 4557) Số 23 1 MÔ PHỎNG SÓNG HÀI VÀ BIỆN PHÁP GIẢM TRỪ SÓNG HÀI TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG THƯƠNG MẠI HỖN HỢP MODELL[.]

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MÔ PHỎNG SÓNG HÀI VÀ BIỆN PHÁP GIẢM TRỪ SÓNG HÀI TRONG CÁC TÒA NHÀ CAO TẦNG THƯƠNG MẠI HỖN HỢP MODELLING OF HARMONIC AND HARMONIC MITIGATION METHOD IN COMMERCIAL COMPLEX HIGH BUILDING Nguyễn Phúc Huy, Đặng Việt Hùng Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 05/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 10/06/2020, Phản biện: TS Phạm Tuấn Thành Tóm tắt: Bài báo xây dựng mơ hình hệ thống điện tòa nhà thương mại hỗn hợp Các phụ tải sinh hoạt sử dụng điện áp pha có đặc tính ngẫu nhiên tiêu thụ cơng suất phát sinh sóng hài Sự khơng cân pha làm xuất dịng điện với nhiều thành phần sóng hài khác chạy dây trung tính, lớn dòng điện hài bậc Bộ chặn sóng hài bậc sử dụng dây trung tính cho thấy hiệu rõ rệt Trong phụ tải phi tuyến pha lớn thang máy, hệ thống thơng gió làm mát (HVAC) thường cấp điện tập trung mô nguồn điện áp hài, phát sinh sóng hài bậc lớn Giải pháp đơn giản hiệu sử dụng lọc đơn bậc lựa chọn đặt tổng hạ áp vừa giúp giảm độ méo lại nâng cao hệ số cơng suất Kết báo có tính định hướng giải pháp cho vấn đề sóng hài tịa nhà cao tầng Từ khóa: Sóng hài, khơng cân bằng, lọc sóng hài, sóng hài tịa nhà Abstract: The paper has modeled electric power system of a complex commercial building The residential loads use phase voltage with random characteristics of power consumption and harmonic generation The imbalance between phases creates the current with many different harmonic components flowing in the neutral wire with dominant third harmonic current The third harmonic trap has been used on the neutral wire showed an effective effect Meanwhile, large non-linear 3phase loads such as elevators, Heating-ventinating and air-conditioning (HVAC), which are usually centrally supplied, are simulated as sources of harmonic voltage, generating large fifth-harmonic generation A simple and effective solution using a single tune fifth filter located at the low-voltage total busbar has helped reduce distortion and can improve the power factor The results of this paper are directional in addressing the problems of harmonics in high buildings Keywords: Harmonic, Unbalance, Harmonic Filter, Harmonic in buildings Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MỞ ĐẦU Hiện nay, với nhu cầu phát triển xã hội, việc sử dụng thiết bị điện tử công suất sản xuất ngày nhiều Đặc biệt tòa nhà thương mại hỗn hợp, thiết bị điện sử dụng chỉnh lưu nghịch lưu ngày tăng lên yêu cầu cao vận hành, khai thác thiết bị với hiệu suất cao Điều dẫn tới mức độ phát sinh sóng hài cao [1-6] Thậm chí thiết bị đèn compact, đèn huỳnh quang, máy vi tính, lị nướng… gây sóng hài làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện toàn tịa nhà, khơng hạn chế tốt ảnh hưởng lên phía lưới hệ thống [7] Nhiều giải pháp lọc thụ động tích cực,… điều hòa điện áp dòng điện để cập Tuy nhiên, việc xác định loại nguồn phát sinh sóng hài vị trí hệ thống điện định chủng loại thiết bị lọc, ngăn chặn sóng hài phù hợp [8-10] Hiện tại, nước vấn đề sóng hài tịa nhà cao tầng quan tâm nhiều Tuy nhiên cơng trình nghiên cứu cơng bố cịn hạn chế, thường tập trung đánh giá ảnh hưởng, giảm tổn thất [11] với kết hợp tụ bù cosφ Để hiểu rõ đặc điểm sóng hài nhóm phụ tải trước thực nội dung đo đạc đánh giá, bước mô đối tượng quan trọng cần thiết để giảm thiểu chi phí đánh giá đề xuất phương án Trong phần tiếp theo, nguồn gây sóng hài mơ sử dụng công cụ Matlab/Simulink, mô giải pháp để giảm trừ ảnh hưởng chúng lưới điện SĨNG HÀI KHƠNG CÂN BẰNG Một đặc điểm hệ thống điện tòa nhà thương mại hỗn hợp cân pha lượng phụ tải pha lớn Sử dụng lý thuyết thành phần đối xứng để phân tích hệ pha không đối xứng (abc) thành hệ đối xứng (012):  Thứ tự không (0): gồm vectơ biên độ trùng pha nhau;  Thứ tự thuận (1): gồm vectơ có biên độ nhau, lệch 120o điện, thứ tự pha trùng với thứ tự pha abc  Thứ tự nghịch (2): gồm vectơ có biên độ nhau, lệch pha 120o điện, thứ tự pha ngược với thứ tự pha abc Với sóng hài dịng điện pha: iah  t   I ah cos  0t  ah  ibh  t   I bh cos  h 0t  1200   bh  (1) ich  t   I ch cos  h 0t  1200   ch  Mô tả theo dạng ma trận có dạng:  I h  1  I1h   1 a  I h  1 a  I ah ah    a   I bh   h120  bh    a   I   h1200     ch  ch  (2) a  1120 a  1  120 o o Từ (2), giả sử pha đối xứng I ah  Ibh  I ch  I h , sóng hài h  3n  có I1h  I h h , với sóng hài h  3n  có I 2h  I h h với h  3n có I 0h  I h h ; n = 0, 1, 2,… Trường hợp pha Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) khơng đối xứng, dịng hài thứ tự thuận nghịch - khơng có sóng hài khác xuất dây trung tính [10] ngồi sóng bội 3 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SĨNG HÀI TRONG TỊA NHÀ Các phụ tải tịa nhà thương mại hỗn hợp phân loại bao gồm phụ tải chiếu sáng, văn phòng, sinh hoạt, thang máy hệ thống thơng gió, làm mát (HVAC) Với tịa nhà xây dựng mới, đèn chiếu sáng sử dụng đèn huỳnh quang có chấn lưu điện tử, đèn compact, đèn led có dạng sóng dịng điện có độ nhiễu sóng hài cao, hình Hình Sóng dịng điện số loại đèn [2] Mạch chiếu sáng thường mạch pha trung tính, với thiết bị phi tuyến khác nhóm phụ tải sinh hoạt Ngồi phụ tải đèn cịn có phụ tải phi tuyến khác tủ lạnh, lị vi sóng, bếp từ, điều hịa, tivi, sạc pin, máy vi tính [2] Việc chung dây trung tính thiết bị dẫn tới dịng hài dây trung tính tăng cao gây phát nóng Các thiết bị điện dân dụng phi tuyến chứa phần tử điện từ động cơ, máy biến áp (như tủ lạnh, điều hòa) Nhiễu dòng điện phụ thuộc vào thiết kế động thay đổi theo cấp điện áp Các tải phi tuyến mô nguồn bơm dịng điện hài Trong phụ tải pha lớn thang máy, HVAC thường cấp điện tập trung từ tủ điện có cơng suất lớn Chúng có đặc điểm phát sinh sóng hài khác với phụ tải pha nên ảnh hưởng chúng khác [4] Cùng với thiết bị phi tuyến khác, chúng mô nguồn điện áp hài Trong có chỉnh lưu điơt với lọc tụ điện phía đầu DC, kết nối phụ tải điện tử với lưới AC (bộ nguồn chuyển mạch SMPS) Với loại mạch xuất chủ yếu tất phụ tải phi tuyến dân dụng thương mại máy vi tính, hình, ti vi, chấn lưu điện tử đèn huỳnh quan, sạc pin GIẢI PHÁP GIẢM TRỪ SĨNG HÀI 4.1 Chặn sóng hài bậc dây trung tính Hình Phổ sóng hài đèn compact [4] Số 23 Trong mạng điện tòa nhà, mạch cấp đến tủ điện tầng thường mạch pha với TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) công suất vài chục đến trăm kW Trong phạm vi tầng, có phụ tải pha chính, chúng có phát sinh sóng hài phân tích, khả cân pha khó thực hiện, xuất dịng điện dây trung tính Bộ lọc thụ động Lọc thụ động bao gồm phần tử R, L, C ghép nối với lựa chọn cho tần số lọc xác định Nguyên lý làm việc lọc loại tạo mạch có tổng trở vơ nhỏ tần số cần lọc để sóng điều hịa tần số "chảy" khỏi hệ thống Hình Cấu hình lọc đơn đơi Hình Sơ đồ đấu nối NCF vào dây trung tính Bên cạnh đó, thành phần sóng bậc 3, tất sóng hài khác bội số 3, dòng điện dây pha với nhau, tổng chúng giá trị lớn Một giải pháp đề để hạn chế ảnh hưởng lọc khóa thành phần bậc dây trung tính (NCF - Neutral Current Filter) [9] NCF đặt nối tiếp với dây trung tính từ máy biến áp đến tủ điện tầng trung tâm tải Nó đặt tủ điện tầng để chặn dòng điện hài bậc chạy dây trung tính NCF tạo mạch LC cộng hưởng song song với tổng trở vô lớn tần số 3f1 Thơng số mạch LC NCF tính tốn sau: Cr  Q .U (3) Trong cấu hình lọc, lọc đơn lọc đơi thường lựa chọn có ưu điểm kết cấu đơn giản, vận hành ổn định Đối với lọc thụ động đơn, lọc bậc sóng hài h thiết kế để có tần số cộng hưởng : f  f1 X C1  X L1 2 L.C (4) Hệ số chất lượng lọc: q h1L 1 L   R h RC R C (5) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Mơ hình mơ hệ thống thể hình Hệ thống điện cấp 22 kV, công suất ngắn mạch điểm đấu 30 MVA cấp điện tới máy biến áp (MBA) 2000 kVA, 22/0,4 kV tịa nhà Phía sau MBA có phụ tải: pha tuyến tính, phi tuyến pha phi tuyến pha Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Phụ tải sinh hoạt pha hộ gia đình mơ theo sơ đồ kết dây hệ thống điện hộ Các phụ tải nguồn phát sinh sóng hài mơ tả xếp chồng sóng hài hình Trong đặc tính sóng hài mơ mơ tả mục theo [4] Để đảm bảo tính tổng quát, xuất bậc sóng hài độ lớn chúng mô tả với giá trị ngẫu nhiên Kết mô cho thấy phổ hài sát với kết thực nghiệm [4] hình Hình Sơ đồ mơ hệ thống điện Hình Mơ hình phụ tải đèn compact Các phụ tải phi tuyến khác nhóm động cơ, phụ tải trung tâm thương Số 23 mại… mô tả qua chỉnh lưu điôt pha pha TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Đối với phụ tải phi tuyến khác cấp điện từ chỉnh lưu cầu điơt, dạng sóng điển hình với nhiều bậc sóng hài chủ yếu bậc lớn Từ hình 11 thấy dạng sóng dịng điện có độ méo lớn xuất cân pha Chính khơng cân làm cho dịng điện dây trung tính xuất sóng hài bậc 5, 7, bên cạnh thành phần hài bội Amplitude (A) Dạng sóng ngẫu nhiên phụ tải sinh hoạt pha thấy hình với đủ thành phần sóng hài bậc 3, 5, 7,… 500 -500 0.5 Amplitude (%) 0.55 0.6 Time (s) I o : THD= 192.2677 %, I1=100%, I3=174.0841% Hình Phổ hài dịng điện đèn compact mơ 100 0 10 15 Harmonic order 20 25 Hình 10 Sóng phổ hài dịng điện dây trung tính Từ phân tích trên, ta lựa chọn giải pháp đặt lọc chặn sóng hài bậc dây trung tính lọc đơn bậc tổng Hình Phổ hài dịng điện pha phụ tải sinh hoạt Vì khơng có u cầu công suất phản kháng, ta chọn loại tụ pha kVAR, 230 V để từ tính tốn lọc chặn bậc với kháng điện 3,54 mH, hệ số chất lượng q = 40 Bộ lọc đơn bậc tính tốn dựa mức cơng suất phản kháng bù Mạch lọc đơn LC cộng hưởng có dịng điện tăng lên lớn gây q tải Vì thực tế người ta chọn kháng để tần số cộng hưởng gần sát với tần số sóng hài cần lọc, tức là: Hình Phổ hài dịng điện pha phụ tải phi tuyến f0  f1 X C1 h X L1 X C1 X L1 (6) Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Với lọc bậc 5, h = 5, ta có X L1  4% X C1 Như để giảm thiểu ảnh hưởng (lọc) sóng hài bậc mà khơng gây q tải cho mạch lọc chọn kháng 6% Hình 10 Sóng dịng điện phổ hài dòng điện tổng Amplitude (A) 1000 -1000 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.58 0.59 0.6 I c : THD= 2.6454 % 0.57 I b : THD= 3.9495 % I a : THD= 4.7626 % Amplitude (%) 0.55 0.56 Time (s) 2 0 10 20 Harmonic order 0 10 20 Harmonic order 0 10 20 Harmonic order Amplitude (A) Hình 11 Sóng dịng điện phổ hài dịng điện tổng sau bù 50 -50 0.5 0.52 0.54 0.56 Time (s) 0.58 0.6 Amplitude (%) I o : THD= 49.5223 %, I1=100%, I3=11.6181% 100 Kết sau đặt lọc ta có dạng sóng phổ hài dịng điện tổng dây trung tính hình 12 hình 13 Có thể thấy phía sau lọc chặn sóng bậc thành phần hài bội giảm nhỏ Tổng độ méo dòng điện pha nằm qui định cho phép [12] 50 KẾT LUẬN 0 10 15 Harmonic order 20 25 Hình 12 Sóng dịng điện phổ hài dịng điện dây trung tính sau bù Số 23 Sóng hài phát sinh tịa nhà thương mại hỗn hợp phụ tải phi tuyến sử dụng nhiều thiết bị điện tử công TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) suất Do đặc điểm với nhiều phụ tải pha, khả cân khó đảm bảo, điều dẫn tới xuất nhiều thành phần sóng hài khác bên cạnh sóng hài bội dây trung tính Bài báo xây dựng mơ hình tòa nhà với loại phụ tải khác nhau, đảm bảo tính ngẫu nhiên tiêu thụ cơng suất phát sinh sóng hài Giải pháp giảm trừ ảnh hưởng sóng hài lựa chọn quan điểm đơn giản, hiệu đề xuất nhằm giảm thiểu ảnh hưởng chúng dây trung tính; loại trừ thành phần sóng hài có biên độ lớn với lọc đơn Kết cho thấy hiệu giảm sóng hài rõ rệt làm sở cho việc nghiên cứu vị trí đặt khác để đạt yêu cầu đơn vị vận hành hệ thống điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Arrillaga, N.R Watson, Power System Harmonics, pp:(61-67), John Wiley & Son, England, Second Edition, 2003 [2] V Ćuk, J.F.G Cobben, W.L Kling and R.B Timens, An analysis of diversity factors applied to harmonic emission limits for energy saving lamps, Proceedings of 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power - ICHQP 2010, Bergamo, 2010, pp 1-6 [3] Z Shan, Y Huang and J Jatskevich, "Using LED lighting drivers for harmonic current cancellation in intelligent distribution power systems," 2016 IEEE 17th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), Trondheim, 2016, pp 1-5 [4] Angela Iagar, and others, The influence of home nonlinear electric equipment operating modes on power quality, WSEAS Transactions on Systems, Vol.13, pp: (357-367), 2014 [5] P Chiradeja, A Ngaopitakkul, C Jettanasen, Energy savings analysis and harmonics reduction for the electronic ballast of T5 fluorescent lamp in a building's lighting system, Energy and Buildings, Volume 97, 2015, Pages 107-117 [6] Chang-Song Li, and others, Research of Harmonic Distortion Power for Harmonic Source Detection, 17th International Conference on Harmonics and Quality of Power (ICHQP), pp 214218, 2016 [7] Torquato, Wilsun Xu, W Freitas, J Lepka and R Pascal, Propagation characteristics of highfrequency harmonics in distribution systems, 2016 IEEE Power and Energy Society General Meeting (PESGM), Boston, MA, 2016, pp 1-5 [8] A Kalair, N Abas, A.R Kalair, Z Saleem, N Khan, Review of harmonic analysis, modeling and mitigation techniques, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 78, 2017, Pages 1152-1187, [9] Jih-Sheng Lai, Thomas S Key, Effectiveness of Harmonic Mitigation Equipment for Commercial Office Buildings, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 33, No 4, pp: (1104-1110), 1997 [10] S Kim, Active zero-sequence cancellation technique in unbalanced commercial building power system, Nineteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2004 APEC '04., Anaheim, CA, USA, 2004, pp 185-190 Vol.1 Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [11] Hoàng Trân Thành, Bạch Quốc Khánh, Về hiệu giảm tổn thất điện sóng hài HTCCĐ tịa nhà tụ bù cosφ, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số (124), pp 69-73, 2018 [12] Thông tư 30/2019/TT-BCT, ngày 18/11/2019 Bộ trưởng Bộ Công Thương Sửa đổi, bổ sung số điều TT số 25/2016/TT-BCT TT số 39/2015/TT-BCT Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ ngành hệ thống điện tự động hóa Trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Lĩnh vực nghiên cứu: chất lượng điện năng, ứng dụng điện tử công suất, độ tin cậy hệ thống điện Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 10 Số 23 ... xứng, dịng hài thứ tự thuận nghịch - khơng có sóng hài khác xuất dây trung tính [10] ngồi sóng bội 3 CÁC NGUỒN PHÁT SINH SĨNG HÀI TRONG TỊA NHÀ Các phụ tải tòa nhà thương mại hỗn hợp phân loại... án Trong phần tiếp theo, nguồn gây sóng hài mô sử dụng công cụ Matlab/Simulink, mô giải pháp để giảm trừ ảnh hưởng chúng lưới điện SĨNG HÀI KHƠNG CÂN BẰNG Một đặc điểm hệ thống điện tòa nhà thương. .. dụng thương mại máy vi tính, hình, ti vi, chấn lưu điện tử đèn huỳnh quan, sạc pin GIẢI PHÁP GIẢM TRỪ SĨNG HÀI 4.1 Chặn sóng hài bậc dây trung tính Hình Phổ sóng hài đèn compact [4] Số 23 Trong