Nghiên cứu bù công suất phản khắng cho lưới cung cấp và phân phối điện

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung ñầy ñủ 1 f Tần số lưới ñiện 2 f t Hàm chu kỳ không sin 3 U1 Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hoà cơ bản

ðẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ðH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

***

ðộc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ðỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CHO LƯỚI CUNG CẤP

VÀ PHÂN PHỐI ðIỆN

Học Viên: Phạm Thi Thu Thuỷ

Lớp: TðH – K13 Ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy ñiện

Người HD Khoa học : PGS.TS Nguyễn Như Hiển

Ngày giao ñề tài:

Ngày hoàn thành ñề tài:

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan luận văn này là công trình là do tôi tự làm và nghiên cứu, trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo như ñã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả luận văn

Phạm Thị Thu Thuỷ

1.2.1 Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao và quy ñịnh giới

hạn thành phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện

19

1.2.2 Một số nguồn tạo sóng ñiều hòa bậc cao trong công

nghiệp

22

1.3.2 Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất (bù công

suất phản kháng)

27

1.3.3 Hiệu quả của việc nâng cao hệ số công suất 28

Chương 2 Lọc sóng ñiều hoà bậc cao và bù công suất lên lưới 30

2.1.2 Bộ lọc chủ ñộng (bộ lọc tích cực) [6, 7, 8, 9, 11] 34

2.2 Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực 36

2.2.3 Phân loại theo bộ biến ñổi công suất 41

2.4.3 Một số thiết bị bù trong FACTS [11] 44

2.5 Nguyên lý làm việc của thiết bị bù tích cực 49

3.2.1 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền tần số 52

3.2.2 Các phương pháp lọc tích cực dựa trên miền thời gian 54

3.4.2 Khâu tạo xung SVM (Space vector modulation method)

[1]

66

4.1 Xây dựng mô hình bộ lọc trên phần mềm Matlab/Simulink [4] 73

4.1.4 Khâu lấy tín hiệu ño dòng ñiện và ñiện áp ba pha 80

4.3.1 Kết quả mô phỏng trường hợp chưa có bộ lọc tích cực 84

4.3.2 Kết quả mô phỏng trường hợp có bộ lọc tích cực 85

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu:

STT Ký hiệu Diễn giải nội dung ñầy ñủ

1 f Tần số lưới ñiện

2 f (t) Hàm chu kỳ không sin

3 U1 Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hoà cơ bản

4 Un Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hoà bậc n

5 I1 Biên ñộ thành phần dòng ñiện ñiều hoà cơ bản

6 In Biên ñộ thành phần dòng ñiện ñiều hoà bậc n

7 PF Hệ số công suất

8 p Công suất tác dụng tức thời

9 q Công suất phản kháng tức thời

16 iL Dòng ñiện lưới phía tải (dòng tải)

17 iF Dòng ñiện chạy qua bộ lọc

19 Uh ðiện áp thành phần ñiều hoà bậc cao

20 UF ðiện áp thành phần cơ bản

21 u 0 , uα, uβ ðiện áp biểu diễn trên hệ trục αβ

22 u a , u b , u c ðiện áp biểu diễn trên hệ trục abc

23 i a , i b , i c Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục abc

24 i 0 , iα, iβ Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục αβ

25 u d , u q ðiện áp biểu diễn trên hệ trục dq

26 i d , i q Dòng ñiện biểu diễn trên hệ trục dq

27 ω Tần số góc nguồn ñiện

28 U dc ðiện áp 1 chiều

29 S Công suất biểu kiến

30 , Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành

phần dòng 1 chiều

31 Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với thành

phần dòng xoay chiều

39 AFn Bộ lọc tích cực song song

40 AFS Bộ lọc tích cực nối tiếp

41 FACTS Hệ thống truyền tải ñiện linh hoạt - Flexible AC

Transmission

42 SSSC Static Synchronous Series Controllers

43 TCSC Thyristor Controlled Series Compensation

44 TSC Thyristor Switched Capacitor):

45 TSR Thyristor Switched Reactor

46 TCR Thyristor controller Reactor

47 DFT Discrete Fourier Transform

48 FFT Fast Fourier Transform

49 PLL Phase locked loop

50 SVM Space vector modulation method

51 ðCVTKG ðiều chế véc tơ không gian

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

1.1 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp 20 1.2 Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu dòng ñiện 21

1.6 Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha 22 1.7 Chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha, dạng dòng ñiện và phổ 23

1.9 Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha 24 1.10 Chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha, dạng dòng ñiện và phổ 24

2.17 Cấu trúc bộ lọc hỗn hợp với bộ lọc tích cực có 2 loại: a)

song song và b) nối tiếp

2.26 Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù 51

3.3 Thuật toán lựa chọn sóng ñiều hòa cần bù trong hệ dq 56

3.6 Thông số của bộ chỉnh lưu 60

4.7 Khâu loại bỏ thành phần công suất p cơ bản 76

4.9 Khâu chuyển tọa ñộ αβ sang abc 77

4.15 Sơ ñồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới ñiện phân phối

cho tải phi tuyến khi chưa có bộ lọc tích cực

82

4.16 Sơ ñồ mô hình mô phỏng hệ thống lưới ñiện phân phối

cho tải phi tuyến khi có bộ lọc tích cực

83

4.18 Phân tích phổ và THD của dòng ñiện nguồn 84 4.19 Dạng dòng ñiện 3 pha trước khi bộ lọc tác ñộng 85 4.20 Dạng dòng ñiện 3 pha khi có bộ lọc tác ñộng 86 4.21 Dạng dòng ñiện pha A trước và sau khi có bộ lọc tác ñộng 86 4.22 Dạng dòng ñiện khi có bộ lọc tác ñộng xét tại thời ñiểm

từ 0,5 ñến 0,6s

86

4.23 Phân tích phổ của dòng ñiện pha A khi có bộ lọc tác ñộng 87

MỞ ðẦU

Với sự phát triển không ngừng của ñất nước ðiện năng cung cấp cho phụ tải không chỉ phải ñảm bảo yêu cầu về số lượng mà chất lượng ñiện năng cũng phải ñược ñảm bảo Trong ñiều kiện vận hành, truyền tải ñiện năng, do trên lưới có nhiều phần tử phi tuyến dẫn tới làm xuất hiện các thành phần sóng ñiều hòa bậc cao Các thành phần sóng ñiều hòa bậc cao này gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như làm tăng tổn hao, làm giảm hệ số công suất, ảnh hưởng tới các thiết bị tiêu dùng ñiện, làm giảm chất lượng ñiện năng Do

ñó, các thành phần dòng ñiều hòa bậc cao trên lưới phải ñảm bảo một số tiêu chuẩn giới hạn các thành phần ñiều hòa bậc cao

Giải pháp ñể hạn chế sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới có nhiều giải pháp khác nhau, một trong số ñó là sử dụng bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng Bộ lọc tích cực và bù công suất phản kháng dựa trên thiết bị ñiện tử

công suất và ñiều khiển ñể thực hiện nhiều chức năng khác nhau

Từ những ñánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu phương pháp sử dụng bộ lọc tích cực ñể cải thiện chất lượng lưới ñiện cung cấp cho các phụ tải

Trong thời gian qua ñã có một số công trình nghiên cứu về lĩnh vực này

và ñã có những kết quả nhất ñịnh Trong khuôn khổ ñề tài này, em ñưa ra thuật toán thiết kế dựa trên lý thuyết p-q ñể thiết kế tích hợp bộ lọc tích cực có

bù công suất phản kháng nhằm ñánh giá tính khả thi của việc áp dụng phương pháp này ñể cải thiện chất lượng của hệ thống lưới ñiện Sau ñó ñược kiểm tra tính ñúng ñắn của các thuật toán trên hệ thống mô phỏng Matlab/Simulink Nội dung của ñề tài ñược chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về sóng ñiều hòa và bù công suất lên lưới Chương 2: Lọc sóng ñiều hòa bậc cao và bù công suất lên lưới Chương 3: Thiết kế bộ lọc tích cực cho tải phi tuyến của lưới ñiện phân phối Chương 4: Mô hình hoá và mô phỏng hệ thống

Trong quá trình tiến hành làm luận văn, mặc dù ñược sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng ñẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển và bản thân tác giả cũng

cố gắng tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu và các công trình ñã nghiên cứu, công bố trên các tạp chí và ấn phẩm khoa học, xong luận văn không thể tránh khỏi ñược các thiếu sót Tác giả rất mong nhận ñược những ý kiến ñóng góp và nhận xét ñánh giá quí báu của các thầy cô giáo, những nhà nghiên cứu khoa học quan tâm và ñồng nghiệp ñể luận văn hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới sự sự hướng dẫn tận tình và chu ñáo của thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển cùng các thầy, cô giáo, bạn bè ñồng nghiệp v.v sự giúp ñỡ về chuyên môn và các tài liệu của các thầy, cô ñã làm cho em có ñược một luận văn hoàn chỉnh và sâu sắc

Em xin chân thành cảm ơn Khoa Sau ñại học, Ban giám hiệu trường ðại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên ñã tạo mọi ñiều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt ñể em hoàn thành khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 01 năm 2013

Người thực hiện

Phạm Thị Thu Thuỷ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ðIỀU HÒA VÀ BÙ CÔNG SUẤT LÊN LƯỚI

Sự tồn tại của các sóng ñiều hòa bậc cao trong hệ thống ñiện gây ảnh hưởng không tốt tới các thiết bị ñiện và ñường dây truyền tải Chúng gây ra hiện tượng: quá áp, méo ñiện áp lưới và dòng ñiện, tổn thất ñiện năng, quá nhiệt cho các phụ tải, giảm chất lượng ñiện năng và gián ñoạn cung cấp ñiện Vấn ñề ñặt ra là phải tìm cách loại bỏ các sóng ñiều hòa bậc cao ra khỏi

hệ thống ñiện Các thiết bị ñược sử dụng ñể loại bỏ sóng ñiều hòa bậc cao gọi

là các bộ lọc

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các bộ lọc phục vụ trong sản xuất công nghiệp ðề tài này tập trung nghiên cứu và thiết kế bộ lọc tích cực, ñảm bảo các yêu cầu ñặt ra về chất lượng ñiện năng cho lưới cung cấp và phân phối ñiện ñến phụ tải

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -100

-50 0 50 100

-100 -50 0 50 100

1.2 Tổng quan về sóng ñiều hòa

Chúng ta biết rằng, các dạng sóng ñiện áp hình sin ñược tạo ra tại các nhà máy ñiện, trạm ñiện lớn có chất lượng tốt Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, ñặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì các dạng sóng càng bị méo dạng Khi ñó dạng sóng không còn dạng sin [9, 10]

Hình 1.1: a) Dạng sóng sin, b) Dạng sóng sin bị méo (sóng chu kỳ không sin)

Sóng chu kỳ không sin có thể coi như là tổng của các dạng sóng ñiều hoà mà tần số của nó là bội số nguyên của tần số cơ bản

Với ñiều kiện vận hành cân bằng các sóng ñiều hòa bậc cao có thể chia thành các thành phần thứ tự thuận, nghịch và không:

- Thành phần thứ tự thuận: các sóng ñiều hòa bậc 4, 7, 11…

- Thành phần thứ tự nghịch: các sóng ñiều hòa bậc 2, 5, 8…

- Thành phần thứ tự không: các sóng ñiều hòa 3, 6, 9…

Khi xảy ra trường hợp không cân bằng trong các pha thì mỗi sóng ñiều

a)

b)

hòa có thể bao gồm một trong ba thành phần trên

Sóng ñiều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới ñiện nên cần phải chú ý khi tổng sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao lớn hơn mức ñộ cho phép Sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao là dòng ñiện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản

Thí dụ: Ta có dòng ñiện với tần số 150(Hz) tồn tại trên lưới làm việc với tần số 50(Hz), suy ra ñây là dòng ñiều hòa bậc 3 và dòng 150(Hz) này là dòng không sử dụng ñược với các thiết bị làm việc trên lưới 50(Hz) Vì vậy

nó sẽ chuyển thành dạng nhiệt năng và gây tổn hao

: Giá trị trung bình

F n: Biên ñộ của sóng ñiều hòa bậc n trong chuỗi Fourier

Thành phần sóng cơ bản Thành phần sóng cơ bản

f(t) Thành phần cơ bản Thành phần bậc 5

1.5

1 0.5

0 -0.5 -1 -1.5

Thành phần bậc 7

0 5 10 15 20 0

2 4 6 8

: Góc pha của sóng ñiều hòa bậc n

Ta có thể viết như sau:

Hình 1.4: Phổ của các thành phần ñiều hòa

Hệ số méo dạng (THD - Total Harmonic Distortion): là tham số quan

trọng nhất dùng ñể ñánh giá sóng ñiều hòa bậc cao

Im

Re

Hình1.3: Phân tích Fnthành an và bn

2 2 1

n n

X THD

X n: Biên ñộ thành phần ñiều hòa bậc n

Từ công thức trên ta có thể ñánh giá ñộ méo dạng dòng ñiện và ñiện áp qua hệ số méo dạng như sau:

Hệ số méo dạng dòng ñiện:

2 2 1

n n

I THD

I n: Biên ñộ thành phần dòng ñiều hòa bậc n

Hệ số méo dạng ñiện áp:

2 2 1

n n

U THD

U n: Biên ñộ thành phần ñiện áp ñiều hòa bậc n

1.2.1 Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao và quy ñịnh giới hạn thành phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện

* Ảnh hưởng quan trọng nhất của sóng ñiều hòa bậc cao ñó là việc làm tăng giá trị hiệu dụng cũng như giá trị ñỉnh của dòng ñiện và ñiện áp, có thể thấy rõ qua công thức sau:

= (1.7)

= (1.8)

Khi giá trị hiệu dụng và giá trị biên ñộ của tín hiệu ñiện áp hay dòng ñiện tăng do sóng ñiều hòa bậc cao, sẽ dẫn ñến tăng tổn hao nhiệt, làm hỏng cách ñiện của các thiết bị, gây ra các hỏng hóc không mong muốn Ảnh hưởng của sóng ñiều hòa bậc cao lênn một số thiết bị như sau:

 Các máy ñiện quay: Tổn hao trên cuộn dây và lõi thép của ñộng cơ tăng; Làm méo mômen, giảm hiệu suất máy, gây tiếng ồn; Có thể gây ra dao ñộng cộng hưởng cơ khí làm hỏng các bộ phận cơ khí…

 Các thiết bị ñóng cắt: Làm tăng nhiệt ñộ và tổn hao trên thiết bị; Có thể gây hiện tượng khó ñóng cắt, kéo dài quá trình dập hồ quang dẫn ñến tuổi thọ của thiết bị giảm…

 Các rơ le bảo vệ: Có thể gây tác ñộng sai, tác ñộng ngược, …

 Các tụ ñiện: Làm gia tăng tổn hao nhiệt, tăng ứng suất ñiện môi (làm giảm dung lượng tụ), gây hiện tượng cộng hưởng trên tụ…

 Các dụng cụ ño: Ảnh hưởng ñến sai số của các thiết bị sử dụng ñĩa cảm ứng, như: ñiện kế, rơ le quá dòng…

 Thiết bị ñiều khiển ñiện tử công suất: Việc ñiện áp bị méo có thể gây ra trường hợp xác ñịnh ñiểm không ñể tính góc mở cho các khóa ñiện tử công suất bị sai, làm cho mạch hoạt ñộng không chính xác…

* Giới hạn về thành phần sóng ñiều hòa bậc cao trên lưới ñiện

Trên thế giới ñưa ra một số tiêu chuẩn:

- IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp:

Bảng 1.1: Tiêu chuẩn IEEE std 519 về giới hạn nhiễu ñiện áp

ðiện áp tại ñiểm nối

chung

Nhiễu ñiện áp từng loại sóng ñiều hòa(%)=

Nhiễu ñiện áp tổng cộng các loại sóng ñiều hòa THD (%)

∗ Hài bậc chẵn ñược giới hạn tới 25% của giới hạn bậc lẻ ở bảng trên

∗ h: Bậc của sóng ñiều hòa

- IEC 1000-3-4 cho thiết bị có dòng ñầu vào mỗi pha trên 75A

Bảng 1.3: IEC 1000-3-4

Bậc sóng ñiều

hòa (n)

Giá trị (%) chấp nhận

Bậc sóng ñiều hòa (n)

Giá trị (%) chấp nhận

Phan tich pho tan Continuous

Tong tro nguon

Do dong

A

B +

-Chinh lu cau Diot 1 pha

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Dac tinh dong dien nguon cung cap cho chinh luu cau Diot 1 pha

1.2.2 Một số nguồn tạo sóng ñiều hòa bậc cao trong công nghiệp

Nguồn tạo sóng ñiều hòa bậc cao trong công nghiệp ñược tạo ra bởi các tải phi tuyến:

- Các thiết bị ñiện tử công suất

Các thiết bị ñiện tử công suất bản thân ñược cấu thành từ các thiết bị bán dẫn như ði ốtt, Thyristor, mosfet, IGBT, GTO…là các phần tử phi tuyến gây nên các sóng ñiều hòa bậc cao Tùy theo cấu trúc của các bộ biến ñổi mà

có thể sinh ra các dạng sóng ñiều hòa khác nhau Thông thường, ñể hạn chế sóng ñiều hòa bậc cao, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu cầu ba ghép lại với nhau thành bộ chỉnh lưu 12 xung hoặc bộ chỉnh lưu 24 xung; tức là tăng

số van trong mạch chỉnh lưu lên Tuy nhiên khi chọn giải pháp như vậy sẽ dẫn tới thiết bị cồng kềnh, tổn thất ñiện áp lớn…

+ Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha có mô hình:

Hình 1.5: Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha

Hình 1.6: Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha

0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 -50

0 50

Time (s) FFT window: 2 of 5 cycles of selected signal

0 20 40 60 80 100

-Chinh lu cau Diot 3 pha

+ Ví dụ bộ chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha có mô hình:

Hình 1.7: Chỉnh lưu cầu ði ốt 1 pha, dạng dòng ñiện và phổ

Hình 1.8: Mô hình chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -50

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 Dac tinh dong dien nguon pha A cung cap cho chinh luu cau Diot 3 pha

Time (s) FFT window: 1 of 5 cycles of selected signal

0 20 40 60 80 100

Hình 1.9: Dòng ñiện nguồn sinh ra bởi chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha

Hình 1.10: Chỉnh lưu cầu ði ốt 3 pha, dạng dòng ñiện và phổ

- ðộng cơ

Hình 1.12: Dạng dòng ñiện iA và phổ Hình 1.11: Chỉnh lưu Thyristor cầu 3 pha

Khi ựộng cơ làm việc, biến thiên từ trở gây ra bởi khe hở giữa Stato và Roto có thể gây nên sóng ựiều hòa bậc cao Các máy ựiện ựồng bộ có thể sản sinh ra sóng ựiều hòa bậc cao bởi vì dạng từ trường, sự bão hòa trong các mạch chắnh và các ựường dò và do các dây quấn dùng ựể giảm dao ựộng ựặt không ựối xứng

- đèn huỳnh quang

đèn huỳnh quang ựược sử dụng rộng rãi trong ựời sống, tuy nhiên với loại ựèn có dùng chấn lưu ựiện tử sẽ gây nhiễu ngược trở lại hệ thống ựiện, gây ảnh hưởng tới các thiết bị ựiện khác trong sinh hoạt

- Các thiết bị hồ quang

Các thiết bị hồ quang thường xét là các lò hồ quang công nghiệp, máy hànẦKhi lò hồ quang làm việc thì biến thiên sóng ựiều hòa bậc cao ựầu ra rất lớn

Ầ

Hiện nay, các phương pháp loại bỏ sóng ựiều hòa bậc cao ra khỏi hệ thống ựiện ựang ựược nghiên cứu sâu, rộng đã có nhiều giải pháp mới ựể cải tiến các thiết bị lọc sóng hài bậc cao và ựã thu ựược những kết quả nhất ựịnh đây cũng chắnh là nội dung nghiên cứu của ựề tài

1.3 Tổng quan về công suất phản kháng

1.3.1 Giới thiệu chung

Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng ựể tiết kiệm ựiện năng Do vậy, trong thực tế người ta thường sử dụng hệ số công suất (PF- power factor) ựể ựánh giá việc sử dụng ựiện năng có tiết kiệm

- Công suất tác dụng P là công suất ñược biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng ñiện (công suất hữu công)

- Công suất phản kháng không sinh công, nhưng bắt buộc phải có thì một số thiết bị mới làm việc ñược, chẳng hạn công suất từ hóa lõi thép máy biến áp, ñộng cơ…

Do vậy, trong sản xuất và ñời sống người ta mong muốn sử dụng công suất phản kháng càng ít càng tốt

Một vấn ñề khác là trong quá trình truyền tải ñiện năng từ nguồn tới nơi tiêu thụ luôn xảy ra hiện tượng tổn hao trên ñường dây truyền tải, làm cho ñiện áp bị suy giảm ở các ñiểm tiêu thụ xa nguồn ðể ñảm bảo ñiện áp không suy giảm lớn, ta tiến hành bù công suất phản kháng nhằm ñể nâng cao hệ số công suất

Công suất phản kháng cung cấp cho các phụ tải không nhất thiết phải lấy từ nguồn, mà ta có thể sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng tại ñiểm tiêu thụ sẽ tránh phải truyền tải một lượng công suất phản kháng lớn trên ñường dây Việc thực hiện như vậy gọi là bù công suất phản kháng

1.3.2 Một số biện pháp nâng cao hệ số công suất (bù công suất phản kháng)

Có nhiều biện pháp ñể nâng cao hệ số công suất, tùy theo các thiết bị ñiện sử dụng mà ta lựa chọn phương án sao cho phù hợp

* Phương án nâng cao hệ số PF tự nhiên

- ðối với ñộng cơ, ñể giảm sự tiêu thụ công suất phản kháng Q, ta cần chú ý:

+ Giảm thời gian chạy không tải, vì: Q0 = (60% ÷ 70%)QñmQ0: Công suất phản kháng chạy lúc không tải

Qñm: Công suất phản kháng của ñộng cơ lúc làm việc ở chế ñộ ñịnh mức

+ Thay thế các ñộng cơ thường xuyên làm việc ở chế ñộ non tải bằng các ñộng cơ có công suất phù hợp

- ðối với máy biến áp, ta cần chú ý:

+ Thay thế các máy biến áp thường xuyên làm việc ở chế ñộ non tải bằng máy biến áp có công suất phù hợp

+ Có sử dụng 02 máy biến áp chạy song song, khi non tải thì ta chỉ cần chạy 01 máy

…

* Phương án nâng cao hệ số PF nhân tạo

- Sử dụng ñộng cơ bù công xuất phản kháng thực chất là ñộng cơ ñồng

bộ làm việc ở chế ñộ quá kích từ Nhược ñiểm của phương pháp này là chi phí lắp ñặt, vận hành cũng như sửa chữa, bảo dưỡng lớn

- Sử dụng tụ ñiện trong trường hợp thiếu công suất phản kháng thì ñóng thêm tụ ñiện, có ưu ñiểm là gọn nhẹ, không gây ồn… Tuy nhiên có nhược ñiểm là chỉ bù theo từng nấc tụ, chỉ dùng về phía chế ñộ vận hành cực ñại, mặt khác khi lượng sóng ñiều hòa bậc cao tồn tại nhiều trên lưới thì lúc ñóng

tụ vào có thể gây nổ tụ

Với các phương pháp ở trên ñều tồn tại những mặt nhược ñiểm có nó

Do vậy, hiện nay ñể nâng cao hệ số công suất người ta thường kết hợp bộ lọc với bù công xuất phản kháng và tích hợp trên một thiết bị sẽ khắc phục ñược những nhược ñiểm trên Chính vì vậy ñề tài lựa chọn phương án kết hợp lọc tích cực với bù công suất phản kháng ñể nâng cao hệ số công suất

1.3.3 Hiệu quả của việc nâng cao hệ số công suất

- Giảm tổn thất công suất trên lưới ñiện

- Tăng khả năng truyền tải của ñường dây và máy biến áp Do khả năng truyền tải của ñường dây và máy biến áp phụ thuộc vào ñiều kiện phát nóng, tức là phụ thuộc vào dòng ñiện chạy trên chúng Dòng ñiện này ñược tính toán theo công thức:

I P2 Q2

3U+

= (1.10)

Từ công thức trên ta thấy, ựể tăng khả năng truyền công suất P (trong khi I = const) thì phải giảm công suất Q trong quá trình truyền tải

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 ựã giải quyết ựược những vấn ựề sau:

- Nghiên cứu tìm hiểu ựược nguyên nhân gây ra sóng ựiều hoà bậc cao trên lưới ựiện

- đánh giá ựược tác ựộng của sóng ựiều hoà bậc cao ựến chất lượng của

Chương 2 LỌC SÓNG ðIỀU HOÀ BẬC CAO VÀ BÙ CÔNG SUẤT LÊN LƯỚI

2.1 Bộ lọc sóng ñiều hòa bậc cao

Bộ lọc là thiết bị tạo ra ñặc tính tần số ñịnh trước mà chức năng của nó là cho phép một số tần số ñi qua và ñồng thời loại bỏ các tần số khác Bộ lọc sóng ñiều hòa bậc cao có thể chia thành các dạng:

- Bộ tụ ñiện mắc hình sao: Dung lượng tụ tăng lên 3 lần, loại bỏ ñược sóng ñiều hòa bậc cao ñiện áp dây và pha, ñặc biệt khi tụ ñấu sao có trung tính thì có thể loại bỏ ñược ñiện áp thứ tự không sinh ra khi chuyển mạch van bán dẫn

- Bộ tụ ñiện mắc hình tam giác: Tiết kiệm dung lượng tụ nhưng không loại trừ ñược hết sóng ñiều hòa bậc cao ñiện áp dây

Ta xét một số loại bộ lọc:

* Bộ lọc RC

- Ưu ñiểm: ñơn giản, giá thành rẻ, làm việc ổn ñịnh

- Nhược ñiểm: Tổn hao trên ñiện trở lớn khi công suất lớn, khả năng chọn lọc tần số kém

Ưu ñiểm: Có khả năng lọc ñược nhiều tần số theo ý muốn

Nhược ñiểm: Giá thành cao, vận hành không ổn ñịnh như mạch RC, gây nhiễu cho các thiết bị thông tin, có thể gây hiện tượng cộng hưởng làm tăng dòng, áp…

* Ví dụ:

ðể thấy ñược khả năng lọc sóng ñiều hoà bậc cao của bộ lọc thụ ñộng ta thực hiện mô phỏng việc ứng dụng bộ lọc thụ ñộng trong hệ thống ñiện có tải phi tuyến:

- Khi chưa có bộ lọc:

Ta lấy kết quả dòng ñiện, ñiện áp tại 2 vị trí B1 và B2 trên sơ ñồ mô phỏng (hình 2.3):

Hình 2.3: Sơ ựồ mô phỏng hệ thống khi chưa có bộ lọc thụ ựộng

Hình 2.4: đáp ứng dòng, áp tại vị trắ B1 và B2 khi chưa có bộ lọc thụ ựộng

Hình 2.6: Sơ ñồ mô phỏng hệ thống khi có bộ lọc thụ ñộng

Kết quả phân tích Fourier ñiện áp tại vị trí B1 và B2:

- Khi có bộ lọc thụ ñộng:

Hình 2.5: Phổ ñiện áp tại B1 và B2

Kết quả phân tích Fourier ñiện áp trên B1:

Từ kết quả phân tích phổ tần của ñiện áp tại vị trí B1 trước và sau khi có

bộ lọc chất lượng ñiện áp ñã ñược cải thiện (do THD giảm từ 15,97% xuống chỉ còn 0,66%)

2.1.2 Bộ lọc chủ ñộng (bộ lọc tích cực) [6, 7, 8, 9, 11]

Dựa trên cấu trúc của các bộ biến ñổi công suất, bộ lọc chủ ñộng có nguyên lý làm việc khác với bộ lọc thụ ñộng cũng như có nhiều ưu ñiểm và tính năng vượt trội hơn

2.1.2.1 Nhiệm vụ của bộ lọc tích cực

a Bù công suất:

Việc thực hiện bù công suất ñồng thời với chức năng lọc thì các cấu hình thiết kế có thể chỉ giới hạn ở mức ñộ công suất nhỏ Trường hợp làm việc ở dải công suất lớn thường dùng bù bằng SVC - ñóng ngắt bằng thyristor (loại này có ñáp ứng chậm nhưng giá thành rẻ)

b Bù sóng ñiều hòa bậc cao ñiện áp:

Bù ñiện áp không ñược chú ý nhiều trong hệ thống ñiện vì nguồn thường

có trở kháng thấp và ñiện áp tiêu thụ tại ñiểm ñấu dây chung thường duy trì trong phạm vi giới hạn cơ bản ñối với các sự cố tăng hoặc giảm áp Vấn ñề bù

Hình 2.7: Phổ ñiện áp tại B1

ñiện áp chỉ ñược xem xét ñến khi tải nhạy cảm với sự xuất hiện sóng ñiều hòa bậc cao ñiện áp trong lưới nguồn như các thiết bị bảo vệ hệ thống ñiện

c Bù sóng ñiều hòa bậc cao dòng ñiện:

Bù các thành phần sóng ñiều hòa bậc cao dòng ñiện có ý nghĩa quan trọng ñối với các tải công suất vừa và nhỏ Việc giảm thành phần sóng ñiều hòa bậc cao dòng ñiện trong lưới còn có tác dụng giảm ñộ méo dạng ñiện áp lưới tại ñiểm ñấu dây chung

2.1.2.2 Giới hạn công suất của bộ lọc tích cực

a Các ứng dụng phạm vi công suất thấp:

Các ứng dụng bộ lọc tích cực có công suất nhỏ hơn 100kVA, chủ yếu phục vụ các khu dân cư, các tòa nhà kinh doanh, bệnh viện, các hệ truyền ñộng công suất vừa và nhỏ

Tính chất của các hệ thống tải này ñòi hỏi hệ thống mạch lọc tích cực tương ñối phức tạp có ñáp ứng ñộng học cao, thời gian ñáp ứng nhanh hơn nhiều mạch lọc tích cực ở dãy công suất lớn Thực tế ñáp ứng có thể thay ñổi trong khoảng chục µs ñến vài ms

b Các ứng dụng phạm vi công suất trung bình:

Các ứng dụng bộ lọc tích cực cho các thiết bị có công suất hoạt ñộng nằm trong khoảng từ 100kVA ñến 10MVA Ví dụ các mạng cung cấp ñiện trung và cao áp và các hệ thống truyền ñộng ñiện công suất lớn mắc vào nguồn áp lớn

Mục ñích chính của các bộ lọc tích cực là khử bỏ hoặc hạn chế các sóng ñiều hòa bậc cao dòng ñiện Tốc ñộ ñáp ứng bù lọc trong hệ thống ở khoảng hàng chục ms

c Các ứng dụng phạm vi công suất lớn và rất lớn:

Dãy công suất rất lớn thường gặp trong hệ thống truyền tải hoặc truyền ñộng ñộng cơ DC công suất rất lớn hoặc hệ thống truyền tải ñiện

Bộ lọc tích cực ứng dụng cho phạm vi công suất lớn và rất lớn thì rất tốn kém về mặt kinh tế vì ñòi hỏi phải sử dụng các thiết bị ñiện tử công suất có khả năng ñóng ngắt dòng ñiện ở công suất lớn và rất lớn

2.2 Phân loại và nguyên lý làm việc của bộ lọc tích cực

2.2.1 Phân loại theo sơ ñồ

2.2.1.1 Bộ lọc tích cực song song

ðặc ñiểm của bộ lọc tích cực (Active Filter) song song (AFn):

+ Bù sóng ñiều hòa bậc cao dòng ñiện;

+ Bù công suất phản kháng;

+ Bù thành phần dòng ñiện không cân bằng

Chức năng của bộ lọc tích cực là triệt tiêu các sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao sinh ra bởi tải phi tuyến trên ñường dây, trả lại trên ñường dây dòng ñiện hình sin chuẩn Ngoài ra bộ lọc tích cực còn có thể bù công suất phản kháng tại ñiểm nối giữa bộ lọc tích cực và lưới ñiện Việc xác ñịnh vị trí ñặt

bộ lọc cần phải ñược tính toán theo một số nguyên tắc sau:

- Giảm thiểu tối ña thời gian truyền, khoảng cách lan truyền của sóng ñiều hòa trên ñường dây ðiều này thực hiện bằng việc ñặt thiết bị lọc gần nguồn sinh sóng ñiều hòa bậc cao

Hình 2.8: Bộ lọc tích cực song song

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Nguồn cấp

IF

- ðặt thiết bị lọc giữa nguồn với các thiết bị nhạy cảm với sóng ñiều hòa

ñể hạn chế ảnh hưởng của sóng ñiều hòa tới thiết bị

- ðể thực hiện chức năng này bộ lọc tích cực hoạt ñộng như một bộ nguồn ba pha tạo dòng ñiện thích hợp bơm lên ñường dây Dòng này sẽ bao gồm hai thành phần:

+ Thành phần triệt tiêu các sóng ñiều hòa bậc cao sinh bởi tải phi tuyến: Thành phần ngược pha với tổng sóng ñiều hòa dòng ñiện bậc cao + Thành phần bù công suất phản kháng (CSPK)

Ta có thể phân tích thành phần dòng tải thành hai thành phần:

Thành phần cơ bản iF và thành phần sóng ñiều hòa ih:

Do dòng AFn bơm lên dây:

Khi ñó dòng trên ñường dây sẽ là:

Như vậy, dòng ñiện trên ñường dây chỉ chứa thành phần cơ bản, các thành phần ñiều hòa bậc cao ñã ñược bộ lọc loại bỏ

Sơ ñồ nguyên lý ñược thể hiện như sau:

Hình 2.9: Cấu trúc bộ lọc song song

2.2.1.2 Bộ lọc tích cực nối tiếp

ðặc ñiểm của mạch lọc tích cực nối tiếp (AFS):

+ Bù sóng ñiều hòa bậc cao ñiện áp;

+ ðiều chỉnh và cân bằng ñiện áp tại ñiểm kết nối

Chức năng của AFS là triệt tiêu thành phần sóng ñiều hòa bậc cao sinh bởi tải phi tuyến ñể ñiện áp có dạng sin chuẩn Ngoài ra, nó còn có chức năng ñiều chỉnh và cân bằng ñiện áp

Hình 2.10: Bộ lọc tích cực nối tiếp

ðể thực hiện chức năng này AFS tạo ra sự cách ly về sóng ñiều hòa bậc cao giữa tải và lưới thông qua việc tạo một ñiện áp tương ứng dọc ñường dây phía thứ cấp máy biến áp

Ta có thể phân tích ñiện áp nguồn thành hai thành phần: Thành phần cơ bản UF và thành phần sóng ñiều hòa Uh

US = UF + Uh (2.4) ðiện áp dọc ñường dây do AFS tạo ra ngược pha với tổng sóng ñiều hòa ñiện áp bậc cao và triệt tiêu thành phần này, ñảm bảo ñiện áp có dạng sin

Sơ ñồ nguyên lý ñược thể hiện như sau:

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực Nguồn cấp

2.2.2 Phân loại theo nguồn cấp

Căn cứ vào nguồn cung cấp cho tải, người ta chia mạch lọc tích cực thành các loại:

- Bộ lọc tích cực 2 dây: Dùng cho tải phi tuyến 01 pha

- Bộ lọc tích cực 3 dây: Dùng cho tải phi tuyến 3 pha không có dây trung tính

- Bộ lọc tích cực 4 dây: Có thể dùng cho tải phi tuyến 1 pha cấp nguồn

từ hệ thống nguồn 4 dây hoặc cho tải phi tuyến ba pha Trong hệ thống này,

bộ lọc sẽ loại bỏ sự quá dòng ở dây trung tính