TỔNG QUAN về SÓNG điều hòa và CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

1 LỜI NÓI ĐẦU Việt nam đang trong thời kỳ thực hiện cách mạng về hiện đại hóa và công nghiệp hóa theo xu hướng hội nhập quốc tế, quy mô các ngành công nghiệp ngày càng được mở rộng và đa dạng hóa về máy móc, thiết bị sản xuất. Các nhà máy, xí nghiệp, liên doanh công nghiệp đã trở thành những khách hàng chính (gọi là phụ tải công nghiệp) tiêu thụ phần lớn lượng điện năng trong hệ thống điện . Mục tiêu đề ra nhằm đạt được hiệu quả cao nhất là lọc bỏ sóng hài ngay tại nơi phát sinh, để thực hiện điều này lại có nhiều giải pháp và phương thức thực hiện khác nhau [2-12]: Dùng các bộ lọc thụ động kiểu LC có ưu điểm là đơn giản rễ lắp đạt và vận hành nhưng kết quả không hoàn hảo: tần số lọc được là cố định phụ thuộc vào thông số thiết bị đã thiết kế lắp đặt, tổn hao mất mát năng lượng nội bộ lớn. Thông thường các bộ lọc LC được thiết kế cho lọc các hài bậc thấp 3, 5, 7 để lại trên lưới các các hài bậc cao mà trong nhiều trường hợp các hài bậc cao trên 7 lại chiếm tỷ lệ đáng kể và tác hại của hài bậc cao đó cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của hệ thống điện gây ra nhiều tác hại nghiêm trọng như gây sai số cho các thiết bị đo đếm trong các hệ thống bảo vệ, đo lường tự động hóa Theo nguyên tắc này AF có thể được thiết kế lọc cho một số hài cố định hoặc có thể lọc cho cả phổ sóng hài rất rộng và từ đây hình thành rất nhiều ý tưởng khoa học cho mỗi hướng nghiên cứu về AF. Một cách hiểu thứ hai về chức năng bù của AF là bù thiếu, bù thiếu được áp dụng cho việc bù công suất phản kháng thành phần sóng hài cơ bản Trong khuôn khổ luận văn sẽ nghiên cứu bộ lọc tích cực với hai chức năng đó là lọc sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng. Nội dung được trình bày trong bốn chương: Với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh cùng với sự cố gắng của bản thân em đã hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên, không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1. Tổng quan về sóng hài 1.1.1. Giới thiệu chung Hoạt động của hệ thống điện đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần số cơ bản 50Hz (hoặc (60) Hz đối với một số nước như Mỹ, Nhật ). 1.1.2. Các nguồn phát sinh sóng hài trong mạng điện Các sóng hài trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra bởi tất cả các tải phi tuyến. 1. Máy biến áp. 2. Động cơ. 3. Thiết bị điện tử công suất. 1.1.3. Ảnh hưởng của sóng hài bậc cao Sự tồn tại sóng hài bậc cao gây ảnh hưởng tới tất cả các thiết bị và đường dây truyền tải điện. Chúng gây ra quá áp, méo điện áp lưới làm giảm chất lượng điện năng. Nói chung chúng gây ra tăng nhiệt độ trong các thiết bị và ảnh hưởng tới cách điện, làm tăng tổn hao điện năng, làm giảm tuổi thọ của thiết bị, trong nhiều trường hợp thậm chí còn gây hỏng thiết bị. Bảng 1.1. Giới hạn nhiễu điện áp (Voltage Distortion Limit) (IEEE std 519, Recommend Practices for Utilities) Điện áp tại điểm nối chung (Point Common Couping PCC) Nhiễu điện áp từng loại sóng hài (%)= h 1 U U Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng hài THD (%) 69 KV và thấp hơn 3,0 5,0 Trên 69 KV tới 161 KV 1,5 2,5 Trên 161 KV 1,0 1,5 1.2. Tổng quan về công suất phản kháng 3 1.2.1. Giới thiệu chung Công suất biểu kiến S trong mạng điện xoay chiều gồm hai thành phần có liên hệ với nhau qua biểu thức (1.2) và đồ thị vectơ biểu diễn trên hình 1.16: S = P + jQ hay Q P S 2 2 += Hình 1.16. Quan hệ giưa các thành phần công suất trên đồ thị vectơ 1.2.2. Hiệu quả của việc bù công suất phản kháng. • Giảm tổn thất công suất ∆P trong mạng điện: • Giảm được tổn thất điện áp ∆U trong mạng: • Tăng được khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp 1.3. Kết luận chương 1 Như vậy để cải thiện chất lượng điện năng, đề tài chọn hướng nghiên cứu nhằm loại trừ các sóng hài và bù công suất phản kháng trong mạng điện phân phối, ngay tại các xí nghiệp công nghiệp là nơi xa nguồn cung cấp đồng thời cũng là nơi có nhiều nguồn phát sinh sóng hài sẽ mang lại hiệu quả cao nhất cho giải pháp. Trong phần tiếp theo sẽ nghiên cứu xây dựng một cấu trúc thực hiện được cả hai chức năng: lọc sóng hài và bù công suất phản kháng tại điểm kết nối. Chương 2 S • Q • P • ϕ 4 CÁC PHƯƠNG PHÁP LỌC SÓNG HÀI 2.1. Khái niệm lọc sóng hài 2.2. Các phương pháp lọc sóng hài Theo nguyên lý làm việc, có hai loại bộ lọc cơ bản là: 1- Bộ lọc chủ động (ative filters) 2- Bộ lọc thụ động (passive filters) 3- Kết hợp ưu điểm của hai loại trên ta có bộ lọc hỗn hợp 2.2.1. Bộ lọc thụ động Các phần tử chính tham gia cấu tạo nên bộ lọc thụ động bao gồm các phần tử tĩnh R, L, C. Tùy theo số phần tử và cách đấu nối sẽ có được các cấu trúc bộ lọc khác nhau, dải thông theo yêu cầu. 1. Bộ lọc RC Cấu trúc của bộ lọc RC như hình 2.1 Hình 2.1. Bộ lọc RC  Ưu điểm:  Nhược điểm: 2. Bộ lọc LC Cấu trúc của bộ lọc LC như hình 2.2 5 Hình 2.2. Bộ lọc LC  Ưu điểm:  Nhược điểm 2.2.2. Bộ lọc chủ động 2.2.2.1. Phân loại lọc tích cực theo cách kết nối lưới  AF song song: AF song song có sơ đồ kết nối như hình 2.2. Về cấu trúc cơ bản như một bộ biến đổi nguồn áp (VSC) gồm những phần tử chính: Tụ điện C dc đại diện cho khối một; một bộ biến đổi công suất 3 pha có điện cảm lọc L f . Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý AF kết nối lưới kiểu song song  AF nối tiếp (AFs) AFs có cấu hình cũng giống như AF. Sự khác nhau ở cách đấu nối với đường dây. AFs đấu nối tiếp vào đường dây qua máy biến áp như sơ đồ hình 2.4. Trong đó, cuộn dây thứ cấp máy biến đóng vai trò cuộn cảm của bộ biến đổi 3 pha. Đó là lưu ý rất quan trọng cho việc tính toán thiết kế máy biến áp trong trường hợp này. 6 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý AFs kết nối lưới kiểu nối tiếp  bộ lọc kiểu lai (Hybrid Filter)  Bộ lọc hỗn hợp (UPQC) 2.3. Kết luận. Phần trên đã phân tích về nguyên nhân phát sinh và tác hại của sóng hài trong hoạt động của quá trình sản xuất và tiêu thụ điện; Mô tả khái quát các mô hình lọc sóng hài. Đặc biệt chỉ ra các ưu điểm của bộ lọc tích cực và tiềm năng của nó. Trong tương lai, lọc tích cực sẽ được phát triển và ứng dụng rộng rãi bởi một số lý do chính sau đây: - Các mô hình lọc tích cực được áp dụng nhanh những tiến bộ về kỹ thuật và linh kiện điện tử công suất. - Cùng một mục tiêu làm sạch lưới điện không bị ô nhiễm sóng hài thì việc đầu tư cho lọc có hiệu quả cao hơn là thay thế hoặc áp dụng các bộ biến đổi công suất chất lượng cao (thế hệ mới). Nhiệm vụ tiếp theo nghiên cứu xây dựng một mô hình lọc tích cực áp dụng cho một đối tượng cụ thể trong mạng điện phân phối mà nguồn phát sinh sóng hài là các tải phi tuyến công suất lớn trong xí nghiệp công nghiệp. Chương 3 LỌC TÍCH CỰC VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG MẠNG ĐIỆN XÍ NGHIỆP CÔNG NGHIỆP 7 3.1. Mô hình hệ thống Trong hoạt động sản xuất của xí nghiệp công nghiệp có thể chia thành hai loại phụ tải tiêu thụ điện là tải tuyến tính và tải phi tuyến. Mô hình có thể được biểu diễn thông qua sơ đồ thay thế đơn giản hình 3.1 Hình 3.1. Sơ đồ thay thế mạng điện xí nghiệp có tải phi tuyến 3.2. Tải phi tuyến Điển hình cho tải phi tuyến ta nghiên cứu một bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển. Trong hình 3.1, tải phi tuyến được xem như một cầu chỉnh lưu có điều khiển, sơ đồ như hình 3.2 8 Hình 3.3 Cấu trúc mô phỏng tải chỉnh lưu cầu 3 pha Qua phân tích và các kết quả mô phỏng cho thấy, các tải chỉnh lưu có thê gây mức độ ô nhiễm sóng hài rất lớn, hơn nữa phổ sóng hài không cố định do tính của chất tải có điều khiển. Như vậy, lọc thụ động sẽ tỏ ra bất lực mà chỉ có lọc động mới có thể khắc phục được giải quyết được việc loại khử được hoàn toàn sóng hài. 3.3. Lọc tích cực AF Cấu trúc của một bộ lọc tích cực gồm hai khối chính là khối mạch lực và khối điều khiển được mô tả trên hình 3.8 [tl]: Hình 3.8 Cấu trúc các khối chính của lọc tích cực 3.4. Các phương pháp điều khiển lọc AF 3.4.1. Cấu trúc hệ điều khiển 9 Có hai cấu trúc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào cách mà dòng điện được đo. a) Phương pháp vòng hở b) Phương pháp vòng kín 3.4.2. Các phương pháp điều khiển bộ lọc tích cực 3.4.2.1. Cơ sở của phương pháp điều khiển 1. Phương pháp dựa trên miền tần số: 2. Phương pháp dựa trên miền thời gian • Phương pháp trên khung tọa độ dq • Phương pháp lý thuyết pq tức thời: Đây là công thức tính dòng bù cần thiết trong hệ αβ khi kết hợp cả chức năng lọc sóng hài và bù CSPK. • Hơn nữa giải pháp này chỉ đáp ứng tốt khi không có thành phần thứ tự nghịch. Đây là hạn chế của giải pháp này. • Một cách thứ hai người ta thường sử dụng đó là dùng mạch PLL (Phase-locked-loop) để xác định thành phần cơ bản của điện áp tại điểm kết nối. 3.4.2.2. Điều khiển chỉnh lưu PWM làm chức năng mạch lọc sóng hài và bù công suất phản kháng 1) Nguyên lý điều khiển 10 Hình 3.18. Cấu trúc điều khiển chỉnh lưu PWM làm bộ lọc tích cực Để đảm bảo khối một chiều của nghịch lưu có giá trị điện áp ổn định, thường người ta sử dụng tụ điện có điện dung thích hợp, điện áp trên tụ có được giữ ổn định nhờ thiết lập một kối DC/DC (ổn định điện áp một chiều). Nguyên lý điều khiển dòng theo phương pháp bang-bang. Cơ sở của phương pháp điều khiển thích nghi hay điều khiển bang-bang (hysteresis current control) là phương pháp điều khiển dựa trên việc điều khiển dòng điện thực bám theo dòng điện chuẩn. [...]... pháp điều khiển kiểu bang-bang Theo đó một băng sai lệch sẽ được thiết lập với việc đặt sai lệch giới hạn trên và sai lệch giới hạn dưới Mục đích của phương pháp điều khiển này là làm sao cho dòng thực bám theo dòng chuẩn và nằm trong vùng dung sai này 3.5 Kết luận Kết thúc chương 3, ta đã tìm hiểu chung về nguyên lý hoạt động của lọc tích cực với chức năng lọc sóng hài và bù CSPK Đưa ra cấu trúc điều. .. phần sóng hài gây ra do tải phi tuyến từ đó cải thiện được chất lượng điện năng Mô hình tải phi tuyến: - Khối mạch lực: 15 Hình 4.7 Mô hình mạch lực của tải phi tuyến Hình 4.8 Mô hình khâu điều áp xoay chiều 3 pha 3) Khối điều khiển: Cấu trúc khối điều khiển được thiết lập như hình 4.11 Hình 4.11 Sơ đồ khâu điều khiển dòng điện tải 4) Khối đo lường 16 Gồm các khối đo dòng và áp trên đường dây và trên... xuống và ngược lại khi dòng giảm xuống dưới ngưỡng đặt thì bộ điều chỉnh phát xung để tăng dòng 4.3 Khảo sát hoạt động của mạch lọc với nguồn bể mạ Các thông số mô phỏng: - Nguồn cấp 380(V), tần số 50(Hz) và đối xứng hoàn toàn - Thông số bộ điều chỉnh dòng Kp=0,011 ; Ki=110 - Cuộn kháng L= 5.10-5 (H) - Tụ điện C= 3000 ( μF ) - Thông số bộ điều chỉnh điện áp trên tụ Kp=2,64 Ki=114,8 - Sai số của khâu điều. .. lọc sóng hài bậc cao và bù CSPK ứng dụng cho nguồn mạ nhôm 10.000(A) cho kết quả khá tốt: các thành phần sóng hài bậc cao được giảm bớt, chất lượng dòng điện phía nguồn được cải thiện, hệ số công suất được nâng cao 21 KẾT LUẬN Nhiệm vụ chính của luận văn là thiết kế mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây ứng dụng đối với nguồn bể mạ nhôm 10.000(A) Các kết quả đã đạt được : ∗ Ứng dụng thuyết công suất. .. bù Bộ điều áp xoay chiều là nguyên nhân phát sinh sóng hài, nên chọn điểm kết AF với hệ thống tại điểm PCC ngay đầu vào của bộ ĐAXC theo nguyên tác bù tại chỗ là giải pháp tốt nhất cho lọc và hạn chế tối đa ảnh hưởng của sóng hài đến các thiết bị trên lưới 4.2.1 Xác định giá trị điện áp một chiều của nghịch lưu 4.2.2 Xác định giá trị tụ điện C 4.2.3 Xác định giá trị điện cảm L 4.2.4 Xác định và lựa... pháp có thể áp dụng: - Giải pháp thứ nhất là bù theo phương pháp điều khiển tập trung 13 Hình 4.2 Giải pháp lọc sử dụng bộ bù tổng Theo phương án này thì đối với bể mạ sẽ sử dụng một AF hoạt động riêng rẽ, không liên quan tới nhau Phương án này có ưu điểm là có thể mở rộng ra cho nhiều bể mạ, điều khiển đơn giản hơn so với giải pháp bù tổng tuy nhiên chi phí sẽ tăng 4.1.2 Phân tích ảnh hưởng đến lưới... lựa chọn thông số van điều khiển 4.2.5 Khâu tạo xung cho bộ nghịch lưu 19 Hình 4.35 Khối phát xung cho bộ nghịch lưu Dòng bù chuẩn đã được tính toán ở trên được so sánh với tín hiệu thực được đo từ đầu ra bộ lọc Sai lệch của hai tín hiệu này được đưa vào bộ điều chỉnh dòng Trong sơ đồ này sử dụng bộ điều chỉnh theo sai lệch dòng nghĩa là khi dòng tăng vượt quá ngưỡng trên của bộ điều chỉnh thì nó phát... trên tải Tín hiệu từ khối này được sử dụng để làm tín hiệu cho các khối điều khiển, cho mục đích hiển thị và xử lý dữ liệu - Khâu đo dòng: Hình 4.13 Mô hình khâu đo dòng điện xoay chiều 3 pha - Khâu đo áp: Hình 4.14 Mô hình khâu đo điện áp xoay chiều 3 pha 5) Khối hiển thị: Để hiển thị thông tin về quá trình để thuận tiện cho khảo sát và phân tích 17 Hình 4.15 Mô hình khối hiển thi tham số 4.1.3 Kết quả... dựng thuật toán điều khiển cho mạch lọc tích cực song song 3 pha 3 dây ∗ Trên cơ sở xác định được cấu trúc điều khiển, đã tiến hành mô phỏng trong môi trường phần mềm Matlab/Simulink Phân tích được tác dụng của mạch lọc đối với nguồn mạ nhôm trong trường hợp có sự biến thiên của các thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện nguồn ∗ Đưa ra giải pháp khắc phục hạn chế của thuật toán điều khiển mạch... thuật toán điều khiển mạch lọc tích cực dùng thuyết công suất tức thời đó là sử dụng mạch PLL để khắc phục trong trường hợp điện áp nguồn không sin hoặc không cân bằng Mặc dù kết quả đạt được khá tốt nhưng vẫn còn một số vấn đề tồn tại của cấu trúc điều khiển đã đưa ra đó là tần số chuyển mạch của van bán dẫn là không xác định do sử dụng phương pháp điều khiển dòng theo kiểu bangbang Hai là tần số chuyển . em kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỀU HÒA VÀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1. Tổng quan về sóng hài 1.1.1. Giới thiệu chung Hoạt. đó là một quá trình cân bằng giữa tổng công suất phát và công suất thu. Trong đó, phát công suất thuộc về phía nguồn mà chủ đạo là các nhà máy điện phát ra công suất 3 pha xoay chiều hình sin tần. từng loại sóng hài (%)= h 1 U U Nhiễu điện áp tổng cộng các loại sóng hài THD (%) 69 KV và thấp hơn 3,0 5,0 Trên 69 KV tới 161 KV 1,5 2,5 Trên 161 KV 1,0 1,5 1.2. Tổng quan về công suất phản kháng 3 1.2.1.