luan van nghien cuu song hai he thong ESP

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của sóng hài lên chất lượng điện năng hệ thống ESP nhà máy điện. Các giải pháp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài đó. mô phỏng bằng matlab simulink các kết quả. Sóng hài là trường hợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hoà có thể coi là tổng của các dạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản, nếu bội số là số nguyên thì gọi là hài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (interharmonic). Hay nói cách khác một sóng điều hòa bất kỳ là tổng của sóng thành phần cơ bản và các thành phần điều hòa bậc cao hơn.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SÓNG HÀI LÊN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN ESP (LỌC BỤI TĨNH ĐIỆN) TẠI NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN VŨNG

ÁNG 1

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI VÀ CÁC TÁC ĐỘNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆCCỦA CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

I – TỔNG QUAN VỀ SÓNG HÀI

1 - Khái niệm về sóng hài.

Chúng ta biết rằng, các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớnthì rất tốt Tuy nhiên, càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là các phụ tải phi tuyến thì cácdạng sóng càng bị méo dạng Khi đó dạng sóng không còn sin

Hình 1.1 – Các dạng sóng thường có trong hệ thống điệnSóng hài là trường hợp riêng của sóng điều hòa, sóng điều hoà có thể coi là tổng của cácdạng sóng sin mà tần số của nó là bội số của tần số cơ bản, nếu bội số là số nguyên thì gọi làhài (harmonic), bội số khác số nguyên gọi là hiện tượng âm hài (interharmonic) Hay nói cáchkhác một sóng điều hòa bất kỳ là tổng của sóng thành phần cơ bản và các thành phần điều hòabậc cao hơn

Hình 1.2 - Dạng sóng điều hòa bất kỳ

Hình 1.3 - Các thành phần của sóng điều hòa

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

• Thành phần thứ tự thuận: các sóng điều hòa bậc 4, 7, 11…

• Thành phần thứ tự nghịch: các sóng điều hòa bậc 2, 5, 8…

• Thành phần thứ tự không: các sóng điều hòa bậc 3, 6, 9…

Đối với điều kiện không cân bằng trong các pha chẳng hạn như điện áp hệ thống khôngcân bằng, tải các pha không đối xứng, mỗi sóng điều hòa có thể xảy ra một trong ba thànhphần thứ tự nói trên

Sóng điều hòa bậc cao ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện và phải chú ý khitổng sóng điều hòa dòng điện bậc cao cao hơn mức độ cho phép Sóng điều hòa dòng điện bậccao là dòng điện có tần số bằng bội số nguyên lần tần số cơ bản Ví dụ dòng 250(Hz) trên lưới50(Hz) là dòng điều hòa bậc 5, dòng 250(Hz) là dòng không sử dụng được với các thiết bị trênlưới Vì vậy nó sẽ chuyển sang dạng nhiệt năng và gây tổn hao

2 - Phân tích sóng hài.

Công cụ để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tịcFourier Phương pháo này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ (không sin) thìtương đương và có thể được thay thế bởi tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng baogồm:

- Một sóng hình sin với tần số cơ bản (50 Hz);

- Một số các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, đó là bội của tần số cơ bản.Dấu hiệu để xác định một dáng sóng méo có thành phần hài bậc chẵn hay bậc lẽ như sau [10]

- Hài bậc lẽ xuất hiện khi nữa chu kỳ âm của dạng sóng méo lập đi lập lại y hệt nữa chu kỳdương nhưng với chiều âm Nói cách khác, hài bậc lẻ xuất hiện khi phần tư chuy kỳ đầutiên và phần tư chu kỳ thé ba là giống nhau, phần tư chu kỳ thứ hai và thứ tư giống nhau

Hài bậc lẻ xuất hiện với chỉnh lưu cần vì nữa chu kỳ dương và nữa chu kỳ âm là đối xứngvới nhau (do đó các hài bậc chẵn bị triệt tiêu).

- Hài bậc chẵn xuất hiện khi nữa chu kỳ âm không lặp lại nửa chu kỳ dương Một đặc điểmkhác khi có hài bậc chẵn đó là phần tư thứ nhất và thứ tư là giống nhau, phần tư thứ hai vàthứ ba là giống nhau Thường ít khi thấy hài bậc chẵn trong các hệ thống điện [10]

Bất kể một dạng sóng nào cũng có thể biểu diễn dưới dạng tổng các hàm chức năng sin

và cosin Nó cũng được gọi là chuỗi Fourier: [8]

Trong biểu thức này a0 là giá trị trung bình của hàm số x(t), các hệ số của chuỗi an, và bn

là các thành phần vuôn góc của hài bậc n Vector hài bậc n tương ứng là:

Với biên độ

Và góc pha là

Hệ số a0 trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng cách lấy tích phân cả hai vế củaphương trình từ -T/2 tới T/2

Ta lấy tích phân từng số hạng vế phải

Số hạng đầu tiên ở vế phải có giá trị là Ta0 Các biểu thức tích phân còn lại đều có giátrị là không

Vậy a0trong biểu thức trên có thể được rút ra bằng công thức sau

với T là chu kỳ của x(t)

Tính hệ số a bằng cách nhân cả hai vế phương trình (1) với cos(2πmt/T), với m là một

số nguyên dương bất kỳ, sau đó lấy tích phân từ -T/2 đến T/2

Số hạng đầu tiên ở vế phải bằng không

Hệ số an được tính theo công thức

Hàm x(t) gọi là đối xứng nửa sóng khi x(t) = -x(t+T/2)

Dạng sóng của tín hiệu kiểu này có hình dạng tại thời gian từ t +T/2 với t+T là dạng ấmcủa dạng sóng từ t tới t+T/2 Sau một số biến đổi ta có:

Với n lẽ

Dạng đặc tính tam giác đối xứng của hàm bậc lẽ:

Với n chẵn

an = 0; bn = 0

Dạng đặc tính tam giác đối xứng của hàm bậc lẽ:

Như vậy dạng sóng đối xứng nữa sóng chỉ chứa các hài bậc lẽ

2.1- Các thông số đặc trưng của sóng hài

2.1.1- Chỉ số méo dạng sóng điện áp

Chỉ tiêu đánh giá phổ thông nhất dành cho méo dạng sóng điện áp là chỉ số méo dạngsóng tổng hợp -Tổng độ méo sóng hài (Total Harmonic Distortion)THD là đại lượng thể hiện

tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của các thành phần hài bậc cao so với thành phần sóng điện áp cơbản:

Ở đây U1 – Giá trị hiệu dụng của điện áp bậc cơ bản (50Hz hoặc 60Hz)

Un - Giá trị hiệu dụng thành phần của sóng hài bậc n và N là bậc cao nhất của sóng hài cầnđánh giá

Trong đa số các trường hợp,bậc sóng hài cao nhất thường không vượt quá bậc 25.Nhưng trong một số tiêu chuẩn,người ta có thể quan tâm đến các sóng hài bậc 50

Dạng phổ của sóng hài được thể hiện ở hình dưới

2.1.2 Chỉ số méo dòng điện

Méo dạng sóng dòng điện cũng có thể được đánh giá bằng công thức trên Nhưng trongtrường hợp dòng điện tải có thành phần hiệu dụng của bậc cơ bản có giá trị nhỏ, việc đánh giábằng chỉ số THD trên có thể dẫn đến những hiểu lầm.Lý do là vì một giá trị THD lớn đối vớidòng điện sẽ không có ý nghĩa nhiều khi dòng điện của tải nhỏ Vì khi đó, thành phần sóng hài

sẽ nhỏ theo mặc dù nó có giá trị đáng kể so với dòng điện thành phần cơ bản Để tránh vấn đềtrên, một chỉ số khác được sử dụng để đánh giá mức độ méo dạng sóng dòng điện đó là chỉ sốTDD:

Giá trị TDD đánh giá tỷ số của dòng điện sóng hài so với một giá trị cố định thay vìmột đại lượng biến đổi Bởi vì hệ thống cung cấp điện được thiết kế để phục vụ cho một phụtải loén nhất đó sẽ có ý nghĩa nhiều hơn so với một giá trị tức thời biến thiên theo thời gianphụ thuộc vào mức độ tiêu thụ công suất của tải đó.

3.Các nguồn tạo sóng hài

Cùng với sự xuất hiện của ngành điện tử bán dẫn, các ứng dụng dùng các bộ biến đổi điện

tử công suất lớn như hệ thống lò hồ quang, hệ thống biến tần công suất là nguyên nhân chínhgây ra các méo dạng sóng Các hệ thống dân dụng khác có công suất nhỏ hơn như đèn phóngđiện cũng là nguyên nhân gây ra các ảnh hưởng méo dạng sóng đến các thiết bị truyền thốngnhư động cơ điện và máy biến áp

Trong thời gian gần đây, sự gia tăng các ứng dụng điện tử công suất nhằm đạt được cácyêu cầu về tính năng của thiết bị điện là lý do chủ yếu để phải quan tâm đến méo dạng sóng.Một bộ biến đổi điện tử công suất có thể được xem như là một ma trận tập hợp các van bándẫn chuyển mạch Chúng cho phép hình thành nên những tổ hợp các phép liên kết nối mềmdẻo giữa đầu ra với đầu vào Băng cách sử dụng các tổ hợp này, công suất sẽ được truyền qua

bộ biến đổi theo những cách khác nhau và đạt được những yêu cầu khác nhau về tính năng(lưu trữ tức thời, truyền công suất…)

Bộ biến đổi điện tử công suất phổ thông nhất là bộ chỉnh lưu một pa Bộ biến đổi này làthiết bị đầu vào và cung cấp năng lượng cho hầu khắp các thiết bị dân dụng và văn phòng.Mặc dù công suất định mức của bộ chỉnh lưu một pha là nhỏ, nhưng nếu tập hợp chúng lại sẽgây nên sự méo dạng điện áp và dòng điện một cách đáng kể

Những hệ thống chỉnh lưu công suất lớn cũng là những đối tượng gây ra hiện tượng sónghài Cũng từ Chỉnh lưu và nghịch lưu được dùng để mô tả quá trình biến đổi năng lượng điệnxoay chiều (AC) thành năng lượng điện một chiều (DC) và ngược lại Cũng từ Bộ biến đổiđược dùng để mô tả các thiết bị điện tử công suất có khả năng truyền tải công suất theo cả haichiều

Tùy theo thời điểm mở của các van bán dẫn trong một chu kỳ ở trạng thái xác lập, có vàinguyên tắc khác nhau để điều khiển việc đóng mở các thiết bị bán dẫn:

a) Điều khiển góc pha mở cố định Thời điểm mở van bán dẫn sẽ cố định so với mốc điện

áp chuyển mạch cố định trong chu kỳ

b) Điều khiển khoảng cách dẫn cố định Xung mở bán dẫn sẽ được cung cấp với nhữngkhoảng thời gian cố định

c) Điều khiển độ rộng xung mở Xung mở van bán dẫn sẽ được phát cố định theo cáckhoảng cách thời gian nhưng thời gian dẫn thay đổi.

Nhìn từ phía nguồn, các hệ thống truyền động dùng biến tần được cung cấp điện từ lướithông qua bộ chỉnh lưu tựa lưới nên các đóng góp về méo dạng điện áp gây ra bởi các bộ bỉnhlưu sẽ được quan tâm nhiều hơn Các tải phía sau biến tần (động cơ) sẽ nhận được điện áp điềubiến độ rộng xung (PWM) Dạng điện áp này cũng chứa thành phần sóng hài nên cũng cầnđược quan tâm

Các đối tượng là nguyên nhân gây méo dạng sóng:

3.1 Tải không tuyến tính

a Dòng từ hóa của máy biến áp

Ở trạng thái xác lập và không tải, dây quấn sơ cấp của máy biến áp đóng góp khôngđáng kể vào sự méo dạng sóng Tại bất kỳ thời điểm nào, ta cũng sẽ có quan hệ sau:

Từ phương trình trên, biểu thức biểu diễn từ thông có dạng như sau:

Điều này có nghĩa rằng điện áp sơ cấp thuần sin sẽ sinh ra một từ thông không thuần sinkhi máy biến áp ở chế độ không tải Dòng điện sơ cấp thì lại không có dạng thuần sin vì từthông tỷ lệ với dòng điện từ hóa

Trong một lõi thép lý tưởng (không có tổn hao từ trễ), từ thông φ và dòng điện từ hóa

có quan hệ với nhau như ở hình …

Để duy trì điện áp sin, từ thông sin phải được tạo ra từ dòng từ-magnetizing current.Khi biên độ của điện áp ( và từ thông ) đủ lớn để rơi vào trường hợp không tuyến tính trongđường cong B-H, sẽdẫn đến dòng điện từ lớn bị méo dạng và chứa sóng hài

Hình….- Hiện tượng bảo hòa máy biến thế

Mặc dù vậy, khi máy biến áp làm việc bình thường (mang tải hoặc tải định mức), dòngđiện từ hóa thường chiếm một tỷ lệ nhỏ hơn nhiều lần (khoảng 1 – 2%) so với dòng điện tảinên hiện tượng trên không làm cho dòng điện bị méo dạng sóng nhiều lắm

Các quan hệ dòng điện từ hóa và từ thông trên hình … Có nguồn gốc chủ yếu từ cácdòng điện thứ tự nghịch và đặc biệt là dòng điện thành phần sóng hài bậc 3 Do đó, để đạtđược một dạng điện áp gần sin chấp nhận được, cần phải tạo ra một đường dẫn cho các dòngđiện thứ tự không này Điều này được thực hiện bằng cách nối tam giác (delta – Δ) các cuộndây máy biến áp

Đối với máy biến áp ba pha ba trụ, thành phần sức từ động bội 3 trong từng trụ sẽ đồngpha với nhau Do đó, đường dẫn các từ thông bội ba này sẽ khép vòng qua không khí Khi đó,nếu từ trở của đường dẫn này lớn sẽ làm giảm giá trị của thành phần từ thông bội 3 này (từthông bội 3 tổng hợp sẽ chỉ đạt khoảng 10% giá trị từ thông bội 3 thành phần ở máy biến ápmột pha) Do vậy, từ thông và sức điện động trên cuộn dây sẽ được giữ ở dạng thuần sin trongmọi điều kiện

Mặc dù vậy, phương pháp nối tam giác cuộn dây là cách hiệu quả nhất để loại trừ từthông bội ba khi máy biến áp được cấp nguồn điện áp thuần sin Đồng thời, méo dạng dòngđiện từ hóa sẽ tăng cao ở những giờ thấp điểm khi mà hệ thống mang tải nhẹ và điện áp nguồncấp có giá trị lớn

Dạng sóng và phổ của dòng pha A khi máy biến thế hoạt động với điều kiện quá điện áp 110%

Hình - Dòng pha A và phổ của nó khi hoạt động ở quá điện áp 110%

b) Máy biến áp quá kích thích

Các máy biến áp được thiết kế để tận dụng tối đa công suất của lõi thép Vì vậy trong thực tế,mật độ từ cảm trong lõi thép có thể đạt tới 1,7 testla ở chế độ xác lập Nếu máy biến áp nàyđang vận hành ở đỉnh của mật độ từ cảm bảo hòa và điện áp đặt vào vượt quá 30% giá trị danhđịnh, mật độ từ cảm bảo hòa trong lõi thép có thể dâng cao tới 2 testla Điều này tương ứng vớiviệc lõi thép của máy biến áp bị bảo hòa nặng nề

Trường hợp máy biến áp bị bảo hòa do quá kích thích này thường xuất hiện khi máy biến ápcấp điện cho hệ thống chỉnh lưu công suất lớn (máy biến áp chỉnh lưu) và thường xuyên cóphụ tải dao động tăng thêm Trong những trường hợp tới hạn, có thể quan sát thấy điện áp phíachỉnh lưu có thể tăng đột ngột lên tới 43% so với giá trị định mức Điều này làm cho lõi thépcủa máy biến áp bị bảo hòa rất sâu Đối với các máy biến áp chỉnh lưu, dòng điện từ hóa trongtrường hợp máy biến áp bị bảo hòa chứa các thành phần sóng hài bậc lẻ 6k+1.

Thành phần các dòng điện sóng hài bậc cao trong dòng điện từ hóa tỷ lệ theo điện áp kíchthích được thể hiện trên hình 4-7

Hình … dòng từ hóa và các thành phần hài bậc cao theo điện áp

Đường A – dòng điện từ hóa theo tỷ lệ dòng danh định; B – Dòng từ hóa tần số cơ bản (theo tỷ

lệ với dòng từ hóa tổng); C, D, E, dòng bậc 3, 5, 7 tương ứng theo tỷ lệ với dòng từ hóa cơ bảnb) Đóng xung kích máy biến áp

Trước khi máy biến áp được đưa vào lưới hoạt động trong lõi thép của nó có thể cong tồn tạimột thành phần từ dư Br nhất định nào đó

Khi đóng xung kích máy biến áp không tải vào lưới, mật độ từ thông trong lõi có thể đạt tới trị

số bằng Br ÷2Bmax Tùy thuộc thời điểm đóng máy biến áp giá trị xung của mật độ tự cảm này

có thể đạt tới mức 4,7 Testla (hình 4-8)

Hình 4.8 – Mật độ từ cảm trong lõi thép khi có và không có từ dư Br

Khi đó, máy biến áp sẽ nhận được một sức từ động lớn hơn nhiều lần so với giá trị thôngthường của mật độ từ cảm làm việc Điều nàu sẽ sinh ra một dòng điện từ hóa lớn gấp 5 đến 10lần so với dòng từ hóa thông thường (hình 4-6)

Hình 4.9 – Dòng điện xung không tải của máy biến áp 5MVA, Br = 1,3T, α = 0

Sự suy giảm của dòng từ hóa xung này phụ thuộc nhiều vào giá trị điện trở của dây quấn sơcấp Đối với máy biến áp công suất lớn, thời gian tồn tại của dòng xung này có thể kéo dàinhiều chu kỳ với lý do điện trở dây quấn sơ cấp có giá trị nhỏ

d)Sự phân bố dây quấn rải theo pha và theo cực của stator sẽ làm phát sinh các dòng hài khônggian trong sức từ động của dây quấn stator Bên cạnh đó, sự sai khác nhau về bước cực đối vớitừng dây quấn cũng sẽ sinh ra sóng hài không gian trong sức từ động của dây quấn

Trên một cực từ của máy điện quay có nhiều rãnh chứa dây quấn của các pha Sự tồn tại củacác rãnh dây quấn này cũng làm cho sức từ động tổng hợp không còn là thuần sin nữa Điềunày làm cho dòng từ hóa trong lõi thép của máy điện quay không cong dạng thuần sin và phátsinh ra sóng hài (hình 4-10)

Phân bố không gian của từ thông của máy phát điện đồng bộ trong khe hở không khí cũng làmột nguyên nhân gây ra sóng hài điện áp Đối với máy phát điện cực lồi, điều này càng rõ néthơn vì đặc trưng cấu trúc của cực từ của loại máy phát này.

3.2 – Thiết bị hồ quang

Đặc tính Vôn-Ampe của loại thiết bị này rất không tuyến tính Khi mồi hồ quang điện áp trênthiết bị sẽ giảm tương ứng với trạng thái ngắn mạch Giá trị sụt giảm này sẽ phụ thuộc nhiềuvào tổng trở ngắn mạch của nguồn cấp đến Các loại thiết bị hồ quang phổ biến là lò hồ quang,thiết bị hàn hoặc thậm chí là các loại đèn phóng điện

Đặc tính Vôn-Ampe của hồ quang được biểu diễn trên hình 4-11 (b) Chúng có dạng gần nhưthang bằng đầu và giá trị biên độ phụ thuộc nhiều vào chiều dài của thân hồ quang Tùy thuộcvào loại công nghệ hồ quang, giá trị của dòng hồ quang có thể đạt tới 60kA Giá trị này bị giớihạn bởi tổng trở đường dây cáp cung cấp tới thiết bị hồ quang Hình 4-12 biểu diễn các thànhphần sóng hài trong dòng điện chảy vào lò hồ quang Có thể nhận thấy tỷ lệ các thành phầndòng điện sóng hài bậc cao rất lớn đối với loại phụ tải này Phụ tải hồ quang là một trongnhững nguyên nhân gây sóng hài và biến dạng điện áp nhiều nhất vì công suất của loại phụ tảinày tương đối lớn

3.3 – Các loại đèn phóng điện

Đèn phóng điện được sử dụng rất rộng rãi trong dân dụng cũng như trong chiếu sáng côngnghiệp Hầu khắp các hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng các hệ đèn phóng điện công suấtlớn như đèn phóng điện hơi thủy ngân, đèn Natri cao áp, đèn phóng điện Metal Halide, đènhuỳnh quang, đèn huỳnh quang compact…

Hình … Dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang và phổ tần số của nó

Hình 4-13 thể hiện dạng sóng dòng điện của đèn huỳnh quang dân dụng Có thể thấy dạngsóng này khác rất nhiều so với dạng thuần sin Điều này đồng nghĩa với việc trong phổ dòngđiện chứa đựng rất nhiều thành phần sóng hài cao tần

3.4- Thiết bị điện tửcông suất, bộ biến đổi công suất

Các thiết bị điện tử thường được cung cấp nguồn DC qua bộchỉnh lưu cầu 1 pha, 3 pha,điện áp DC ngõ ra bộ chỉnh lưu được san bằng với tụ điện C, các bộ biến tần chuyển đổi AC-DC-AC, các bộ lưu điện, các bộ điều khiển SVC, STACOM được sử dụng rộng rãi và trởthành tầm quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện

tùy theo mục đích sử dụng, các van bán dẫn có thể là linh kiện được điều khiển (GTO,MOSFET, THYRISTOR, ) hay các linh kiện không điều khiển được (diode)

Ta xét dạng sóng điều hòa gây ra bởi một số bộ biến đổi công suất:

- a) Xét chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển có mô hình:

Dòng điện trên đường dây cấp nguồn cho bộ chỉnh lưu

Dạng phổ dòng điện:

b) Xét chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Sơ đồ bộ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển:

Dạng sóng dòng điện trên pha A của nguồn cấp cho chỉnh lưu:

Dạng phổ dòng điện:

Ta thấy dòng điện đầu vào bộ chỉnh lưu cầu ba pha có độ méo rất lớn THD=28,52 % Cácthành phần sóng điều hòa này là do tính phi tuyến của bộ chỉnh lưu cầu gây ra Trong đó cácthành phần sóng điều hòa bậc 5, 7, 11 là chủ yếu.

c) Xét trường hợp bộ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển:

Mô hình bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển:

Trong trường hợp góc điều khiển là 300 ta có dòng điện trên pha A:

Dạng phổ dòng điện chỉnh lưu:

Từ phân tích ở trên với chỉnh lưu cầu ba pha ta thấy khi thay đổi góc điều khiển thì độméo dòng điện cũng tăng lên rất lớn THD=149,44% trong trường hợp góc điều khiển là 900 sovới khi góc điều khiển 300 có THD=33,26% và chỉnh lưu không điều khiển là THD=28,52%

Như vậy khi càng tăng góc điều khiển thì các thành phần sóng điều hòa bậc cao sinh racàng lớn làm cho độ méo dòng điện càng tăng

4 Kết luận

Trên đây là mộ danh sách chưa đầy đủ về các nguồn phát sóng hài trong thực tế dân dụng cũngnhư công nghiệp Đối với máy biến áp, trong các chế độ làm việc bình thường, thành phầndòng điện méo bậc cao không đáng kể Chỉ trong những thời điểm đóng xung kích máy biến

áp vào lưới hoặc máy biến áp bị vận hành ở điện áp lưới vượt quá giá trị điện áp định mức,máy biến áp mới phát sinh sóng hài dòng điện

Đối với các máy điện quay, cấu trúc chế tạo không đối xứng trong không gian của các máyđiện này cũng là một phần gây nguyên nhân méo dạng sóng Mặc dù vậy, đóng góp của cácloại máy điện này vào làm việc làm biến dạng sóng của lưới chỉ chiếm một phần rất nhỏ.Thiết bị điện biến đổi điện tử công suất chiếm phần lớn trong việc làm gia tăng ô nhiễmsòng hài trên lưới điện

II – CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CÁC THIẾT BỊTRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Một khi nguồn ô nhiểm sóng hài đã được chỉ rõ, cần phải làm sáng tỏ các ảnh hưởng củachúng lên hệ thống còn lại cũng như ảnh hưởng đên con người và hệ thống thiết bị liênquan

Một phần tử trong hệ thống điện phải được xem xét một cách cẩn thận tính nhạy cảm củachúng đối với sóng hài Từ đó, có thể đưa ra được những gợi ý hoặc tiêu chuẩn tham chiếu

về mức độ ô nhiễm sóng hài cho phép

Các ảnh hưởng của sóng hài điện áp và sòng điện lên hệ thống có thể là:

- Gây ra hoặc tăng nguy cơ cộng hưởng cục bộ do việc sóng hài tăng cao,

- Giảm hiệu suất hệ thống nguồn phát, truyền tải và sử dụng điện năng,

- Gây già hóa tăng cường cách điện, gây giảm tuổi thọ thiết bị,

- Gây tác động nhầm cho các hệ thống bảo vệ và các phần tử khác

Sau đây sẽ xét cụ thể các ảnh hưởng đó

4.3.4.1 Gây cộng hưởng

Các nguồn gây sóng hài có thể được coi như các nguồn dòng sóng bậc cao Việc cộng hưởng

có thể xảy ra khi một tụ điện được đấu song song với một nguồn sòng sóng hài bậc cao Khi

đó, điện áp sóng hài cộng hưởng sẽ tăng cao và dòng điện sóng hài sẽ tăng theo Tần số cộnghưởng song song có thể được xác định bằng biểu thức sau:

Trong đó: f – Tần số cơ bản của lưới điện (Hz)

fp – Tần số cộng hưởng song song (Hz)

Skt – Công suất ngắn mạch của nguồn (kVA);

Sc – Công suất định mức của tụ (kVAr);

Hình ….Cộng hưởng song song tại điểm đấu nối chung

Khi cần xác địng nguyên nhân gây ra cộng hưởng song song xuất phát từ phía lưới hay từ phíatải, cần đo dòng điện sóng hài ở từng phụ tải, từ nguồn và điện áp hài tại điểm đấu nối (hình 4-25) Trong trường hợp dòng điện hài chải từ nguồn đến có giá trị bé nhưng điện áp hài vẫn lớnthì việc cộng hưởng xuất phát từ phía phụ tải Ngược lại nếu dòng sóng hài chảy vào phụ tải Alớn gây nên điện áp hài lớn, sự cộng hưởng này xảy ra giữa điện kháng hệ thống với tụ phụ tải

Sóng hài lan truyền trên hệ thống cũng có thể gây cộng hưởng nối tiếp với các phần tử của

hệ thống điện (hình 4-26) Tần số cộng hưởng nối tiếp được xác địng như sau:

Trong đó:

fs - Tần số cộng hưởng nối tiếp;

Str – Công suất định mức của máy biến áp nguồn;

Ztr – Tổng trở tương đương của máy biến áp nguồn;

Sc – Dung lượng của tụ;

Stal – Công suất địng mức của phụ tải

Khi xảy ra cộng hưởng nối tiếp, mặc dù điện áp hài có thể nhỏ nhưng vẫn dẫn đến dòngđiện chảy vào tụ rất lớn Đây là trường hợp phổ biến thường gặp trong thực tế.

Việc cộng hưởng gây khó khăn cho việc thiết kế các hệ thống bù hệ số công suất cũng nhưlàm cho hệ thống bù này thường xuyên bị quá tải Hiện tượng này trong thực tế diễn ra rấtnhiều và làm cho tụ điện phòng rộp trước khi đến tuổi thọ định mức

Việc cộng hưởng cục bộ còn gây cho hệ thống truyền thông tin trên đường dây bị hỏng Hệthống truyền thông tin trên đường dây điện thường dùng một cấu trúc LC cộng hưởng ởmột số nào đó cao hơn so với tần số lưới điện để lọc thông tin Sự tồn tại của sóng hài trênđường dây sẽ làm cho hệ thống truyền thông tin cộng hưởng với tần số của sóng hài Điềunày làm phá hủy hệ thống thông tin cộng hưởng với tần số của sóng hài Điều này làm pháhủy hệ thống thông tin hoặc làm giảm hiệu quả truyền tin

4.3.4.2 Tăng tổn thất trên động cơ

Điện áp không thuần sin được đặt trên động cơ sẽ làm gia tăng phát nóng phụ trên động cơ.Trong đa số các trường hợp nếu mức độ méo nằm trong mức dưới 5% mức độ phát nóngphụ trên động cơ sẽ nằm ở mức chấp nhận được vượt qua giới hạn trên, nhiệt độ trên động

cơ sẽ gia tăng đáng kể so với chế độ nhiệt định mức

Méo điện áp và méo dòng điện dẫn đến gia tăng tổn thất trên dây quấn Stator, dây quấnrotor và trên mạch từ của cả hai bộ phận này Nguyên nhân là vì thành phần dòng điệnFoucault và hiệu ứng bề mặt sẽ đóng góp nhiều vào các thành phần tổn hao khi dòng điệnhoặc điện áp chứa thành phần sóng hài bậc cao

Từ thông rò gây ra bởi dòng điện sóng hài cũng khiến cho tổn hao tăng lên

Đối với các loại máy điện quay, rotor kiểu lồng sóc sẽ cho phép chịu quá nhiệt do sóng hàitốt hơn so với rotor dây quấn Lý do là vì cấu trúc của rotor lồng sóc cho phép phân bốkhông gian sóng hài cũng như phân bố nhiệt tốt hơn so với rotor dây quấn cùng công suất.4.3.4.3 Tăng mô men bậc cao gây rung trên máy điện quay

Tương ứng với mỗi tần số bậc cao, có một sơ đồ thay thế tương đương của máy điện quay

Hình ….Sơ đồ thay thế của máy điện quay tương ướng với mỗi tần số bậc cao

Dòng điện bậc cao xuất hiện trong stator máy điện quay sẽ sinh ra một từ trường quaytương ứng với nó Từ trường bậc cao này sinh ra mô men bậc cao quay cùng chiều hoặcngược chiều với chiều quay của rotor theo chiều quay của từ trường quay ở sóng cơ bản.Mỗi dòng điện hài bậc cao Is sẽ sinh ta một mô men bậc cao Is2(r2s/sth) tương ứng với vậntốc quay bậc n so với tần số cơ bản nếu quy đổi đại lượng công suất này về hệ đơn vịtương đối, mô men này sẽ được tính bằng công thức sau:

Tn – (Is2/n)/(r2s/sth)

Giá trị mô men bậc cao này so với mô men định mức của động cơ là không đáng kể Tuynhiên, tùy thuộc vào thứ tự của sóng bậc cao (thứ tự thuận hoặc nghịch) mà môn men bậccao này lại gây ra mô men rung bậc cao

4.3.4.4 Tăng tổn thất và giảm tuổi thọ máy biến áp

Sự tồn tại của điện áp bậc cao làm gia tăng tổn hao dòng điện xoáy và tổn hao từ trễ tronglõi thép và gây hỏng cách điện, sự gia tăng tổn thất này phụ thuộc vào tỷ lệ của thành phầnsóng hài trong điện áp và cấu trúc của máy biến áp

Hiệu ứng chính của dòng điện bậc cao đối với máy biến áp là gia tăng nhiệt lượng sinh ra

do tổn thất phụ có nguồn gốc sóng hài Hiệu ứng khác cũng có thể kể đến là sòng điện sónghài có thể gây cộng hưởng giữa điện cảm của máy biến áp với điện dung của hệ thống gâyrung động cơ khí trên cuộn dây và lõi théo… Đối với máy biến áp chỉnh lưu, gia tăng tổnhao này nghiêm trọng hơn bởi vì dòng điện sóng hài không bị hạn chế bởi các hệ thốngkháng điện lọc Chính vì vậy, bên trong các máy biến áp chỉnh lưu sẽ xuất hiện các điểmnóng cục bộ rất lớn

Các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác mặc dù hạn chế được sự lan truyền của dòng sónghài bộ ba thứ tự không trên đường dây nhưng chính những máy biến áp này lại là đối tượngchịu ảnh hưởng nhiều bởi những dòng điện bộ ba đó Trong các cuộn dây nối tam giác,phát nhiệt tăng cường sẽ lớn hơn rất nhiều nếu nhe thiết kế của các máy điện này khộngđược điều chỉnh cho phù hợp với trạng thái làm việc thực tế chứa nhiều sóng hài

Trong thực tế, đã có nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng máy biến áp cấp điện cho các phụ tảiphát sinh nhiều sóng hài cần phải được xem xét điều chỉnh công suất cho phù hợp với điềukiện phát nhiệt Tiêu chuẩn ANSI/IEEE C57.110 có đưa ra một số hệ số điều chỉnh nhưsau:

Trong đó: Ik – Dòng điện hiệu dụng của sóng hài bậc k

4.3.4.6 Sóng hài gây sai lệch hệ thống đo đếm điện năng

Hệ thống đo đếm điện năng được chế tạo và hiệu chỉnh dựa trên cơ sở của sóng cơ bảnthuần sin Do vậy khi làm việc với các dạng sóng bậc cao, chúng ta có thể bị ảnh hưởng về

độ chính xác Giá trị biên độ và trào lưu của dòng công suất bậc cao có ảnh hưởng nhiềuđến việc tính toán điện năng tiêu thụ bì các hệ thống đo đếm bị ảnh hưởng của chiều dòngchảy công suất này

Tùy thuộc theo nguyên lý làm việc của hệ thống đo đếm, sai số gây ra do sóng hài lớn cóthể làm cho sai số dương hoặc âm

Biểu thức tính cho công suất tổng hợp mà hệ thống đo đếm dùng là:

Pt = Udc.Idc+U1I1.cos(φ1) + UkIk cos(φk)

Trong đó

Pt – Công thức tức thời tổng của phụ tải tiêu thụ

UdcIdc – Công suất một chiều (ký hiệu là Pdc)

Ut.It.cos(φ1) – công suất ở thành phần cơ bản (kí hiệu là PF).

Uh.Ih.cos(φh)- Tổng công suất quy đổi của các thành phầ sóng hài bậc cao (ký hiệu là PH).Thiết bị đo đếm sẽ không đo thành phần một chiều, nhưng sự tồn tại của các thành phầnmột chiều ảnh hưởng đáng kể tới độ chính xác của thiết bị đo, sai số của thiết bị đo sẽ tỷ lệthuận với tỷ số Pdc/PT

Tương tự như vậy, bất kỳ sai khác nào về đo đếm sóng hài bậc cao sẽ gây ra sai số tỷ lệthận với đại lượng ± K PN/PT, trong đó hệ số K phụ thuộc vào đáp ứng tần số của thiết bị

đo Dấu của chỉ số này phụ thuộc vào chiều của luồng công suất Trong số trường hợp tớihạn, sai số của thiết bị đo khi có sự xuất hiện của thành phần sóng hài bậc cao có thể đạt tớitrên 6%

Sự ra đời của các thiết bị đo công nghệ số đã giúp cho đếm điện năng trở nên chính xáchơn đối với các thành phần sóng hài bậc cao Các thiết bị đo này sử dụng nguyên lý chuyểnđổi khác (ví dụ đổi từ quang) so với nguyên lý cảm ứng điện từ nên không phải vấn đề sai

số đối với sóng hài bậc cao Mặc dù vậy chi phí cho những hệ thống đo đếm này còn tươngđối đắt do tính chất phức tạp của thiết bị công nghệ

4.3.4.8 Sóng hài gây nhiễu hệ thống bảo vệ, thông tin và truyền thông

Sóng hài có thể gây biến dạng hoặc sai lệch đặc tính bảo vệ của các thiết bị bảo vệ thậm chísai lệch nguyên lý bảo vệ Các hệ thống relay điện cơ và điện tử là những hệ thống chịuảnh hưởng nhiều nhất do sự xuất hiện của sóng hài

Thiết bị đóng cắt có thể bị tác động sớm hơn so với ngưỡng chỉnh định được cài đặt trước

Lý do có thể là biến thiên di/dt sẽ lớn hơn, nhiệt độ trên cuộn cắt lớn hơn nếu có sóng hàibậc cao….Khi đó, năng lực của thiết bị bảo vệ cũng bị suy giảm

4.3.4.8 Tăng tổn thất trên đường dây truyền tải điện

Dòng điện bậc cao chảy trên đường dây sẽ gây nên 2 hiệu ứng bất lợi cho hệ thống truyềntải điện năng Thứ nhất là dòng điện bậc cao sẽ gây phát nóng tăng cường theo tỷ lệ cácthành phần sóng hài chứa trong dòng điện đó:

Trong đó:

Ik – Dòng điện sóng hài bậc cao

Rk – Điện trở của hệ thống tương ứng với tần số bậc k đó Hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần

sẽ làm tăng tăng đáng kể giá trị của điện trở hệ thống tương ứng

Quan hệ giữa điện trở xoay chiều phụ thuộc vào tần số so với điện trở một chiều được quyđịnh trong tiêu chuẩn IEC 60287-1-1

Hình 4-30 – Tổng trở của dây dẫn phụ thuộc theo tần số

Hiệu ứng thứ hai là dòng điện bậc cao sẽ gây ra điện áp rơi bậc cao trên các tổng trở củacác phần tử tổng trở mạch mang dòng điện đó Điều đó tương đương với việc các hệ thốngyếu (có tổng trở lớn và có công suất ngắn mạch nhỏ) sẽ phát sinh các điện áp rơi bậc cao cógiá trị lớn

Trong các hệ thống cáp, điện áp bậc cao này sẽ sinh ra các rung động điện áp tương ứngvới giá trị đỉnh của chúng và các điện áp đỉnh này sẽ giáng lên cách điện của cáp Hiệntượng này sẽ làm cho tuổi thọ của cáp giảm đi đáng kể và làm tăng chi phí thay thế cũngnhư bảo dưỡng

Chương 2 – CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG HÀI VÀ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN

I – ĐÁNH GIÁ MÉO SÓNG ĐIỀU HÒA

1.1 – Điểm nối chung

Việc đánh giá độ méo sóng điều hòa thường được thực hiện tại điểm giữa các phụ tải điện (hộtiêu thụ) và hệ thống phân phối, tại điểm này có các phụ tải khác nhau nối tới Điểm này gọi làđiểm nối chung (point of common couple).l

Điểm PCC có thể ở phía sơ cấp hoặc thứ cấp của máy biến áp phụ thuộc vào máy biến áp đó

có cung cấp tải cho nhiều phụ tải hay không Điều này có nghĩa là nếu có nhiều hộ sử dụng

cùng lấy nguồn từ phía sơ cấp của máy biến áp thì PCC ở phía sơ cấp, còn ngược lại, nếu cónhiều phụ tải cùng lấy nguồn từ phía thứ cấp thì PCC ở phía thứ cấp

Khi điểm PCC ở phía sơ cấp thì việc đo đạc dòng điện vẫn thực hiện ở phía thứ cấp Sau đókết quả này được quy đổi về phía sơ cấp, có tính đến cả ảnh hưởng của sơ đồ nối dây máy biến

áp với các hài thứ tự không

1.2 – Đánh giá méo điều hòa ở hệ thống điện phân phối

Đánh giá méo điều hòa ở phía hệ thống phân phối là việc xác định mức độ méo điều hòa cóthể chấp nhận được đối với các phụ tải Tiêu chuẩn IEEE S.td 519-1992 đưa ra các số liệu giớihạn cụ thể Trong bảng dưới đây giá trị TDH được tính theo phần trăm của điện áp hiệu dụngđịnh mức chứ không phải theo phần trăm của giá trị điện áp tần số cơ bản

Giới hạn về méo áp hài theo phần trăm của điện áp định mức cơ bản

Áp tại thanh cái tại điểm

1.3 – Đánh giá điều hòa ở phía phụ tải tiêu thụ

Các sự cố do méo điều hòa hay xảy ra ở phía phụ tải hơn là ở hệ thống cung cấp Lý do là vìphần lớn các tải phi tuyến đều nằm phía phụ tải, mà mức độ méo hài là lớn nhất tại vị trí gầnnguồn phát điều hòa Sự cố nghiêm trọng nhất là khi xảy ra cộng hưởng tại vị trí có tải phituyến và tụ bù hệ số công suất cao

Tiêu chuẩn IEEE S.td 519 -1992 đã đưa ra mức độ sóng hài giới hạn tại điểm PCC như bảngdưới

<50 2.0 1.0 0.75 0.3 0.15 2.5

Bảng – Giới hạn dòng điều hòa tính theo phần trăm của IL [16]

Ih là giá trị hiệu dụng của các thành phần điều hòa

Các xử lý thường gặp nhất là sử dụng các máy biến áp có tổ đấu dây tam giác hoặc sử dụngcác thiết bị biến đổi điện tử công suất nhưng có khả năng tự cắt Nếu sóng hài xuất hiện từ bênngoài đến, khi đó phải sử dụng các bộ lọc

Để hạn chế một phần hoặc triệt tiêu sự tồn tại của sóng hài, các bộ lọc sóng hài thường được

sử dụng Chúng được chia thành 2 nhóm là các bộ lọc thụ động và các bộ lọc chủ động (tíchcực)

II – TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP HẠN CHẾ SÓNG HÀI

Ở chương trước ta đã nói về các tính toán độ méo sóng hài áp và méo hài dòng chonhiều loại thiết bị, các ảnh hưởng nguy hại của sóng hài lên sự làm việc của các thiết bị điệntrong hệ thống Để hạn chế các sóng hài không mong muốn ở chương này sẽ nêu lên các giảipháp cần sử dụng để hạn chế các sóng hài đó

2.1 – Hạn chế công suất các tải phi tuyến

Với mỗi một tải phi tuyến luôn có một mức công suất lớn nhất mà tại đó mức độ méocủa dòng và áp sinh ra vẫn nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn IEEE 519 -1992.Lượng công suất này là bao nhiêu còn phụ thuộc vào tải phi tuyến và vào nguồn điện

2.2 – Tăng điện kháng phía nguồn xoay chiều đầu vào tải phi tuyến

Với bộ biến đổi 3 pha 6 xung thì biện pháp đầu tiên để cải thiện và thêm vào phía đầuvào xoay chiều một điện kháng Tác dụng của việc thêm điện kháng này có thể được đính giámột cách định lượng theo hình -và hình -dưới đây Ta có thể giải thích một cáchđịnh tính như sau, cuộn kháng có tác dụng làm chậm tốc độ tăng của dòng điện và chuyển từvan này sang van khác (chuyển mạch) Với phương pháp này thì việc cải thiện được độ méosóng hài bao nhiêu lại phụ thuộc vào lượng sụt áp cho phép với tải là bao nhiêu [9]

Hình -Dòng điều hòa sinh ra từ cầu chỉnh lưu ba pha có tụ lọc phía một chiều và nguồn cấp

Hình - Độ giảm méo điều hòa của một ASD loại PWM theo kháng lọc đầu vào [14].

2.3 Phương pháp đa xung.

Nội dung của phương pháp đa xung là sử dụng nhiều bộ biến đổi theo một cách thích hợp saocho sóng hài sinh ra bởi bộ biến đổi này sẽ bị triệt tiêu bở bộ biến đổi khác Bằng cách nàynhững sóng hài nhất định, phụ thuộc số bộ biến đổi được lắp, được loại bỏ khỏi hệ thống.Phương pháp này rất đơn giản và hiệu quả trong việc hạn chế sóng hài của các bộ biến đổiđiện tử công suất Phương pháp đa xung được dùng rộng rãi trong các ứng dụng có công suấtlớn trong công nghiệp cơ điện tử Việc các bộ biến đổi ngày càng được sử dụng rộng rãi đãđẩy mạnh việc ứng dụng phương pháp đa xung trong các ứng dụng công suất nhỏ hơn 75 kWhoặc hơn [9]

Phương pháp đa xung cơ hai ưu điểm quan trọng và hai ưu điểm này đạt được đồng thời, đó là:

- Giảm dòng hài ở phía đầu vào xoay chiều của bộ biến đổi

- Giảm được độ nhấp nhô của áp phía một chiều của bộ biến đổi [9]

Phương pháp đa xung được đặc trưng bởi việc sử dụng nhiều bộ biến đổi (hoặc là nhiều vanbán dẫn) và một tải chung phía một chiều Máy biến áp dịch chuyển pha cũng là một thànhphần quan trọng để tạo ta cơ chế triệt tiêu các bậc sóng hài theo cặp, ví dụ sóng hài bậc 5 vàbậc 7, bậc 11 và bậc 13…

Sự dịch pha sinh ra bởi máy biến áp dẫn đến các dòng hài sinh ra bởi bộ biến đổi này ngượcpha với các dòng hài sinh ra từ bộ biến đổi khác Nếu tải của các bộ biến đổi là giống nhau thì

sẽ có các bậc hài nhất định bị triệt tiêu hoàn toàn

Mặc dù tải trong thực tế không thể giống nhau hoàn toàn, đây vẫn là một phương pháp giúpgiảm thiểu sóng hài tới một mức độ khi trong hệ thống có nhiều bộ biến đổi điện tử công suất

Để các bộ biến đổi điện tử công suất có thể hoạt động một cách độc lập và duy trì được trạngthái dẫn của các van tại góc 1200 trong sơ đồ nối sẽ sử dụng các máy biến áp liên pha Một ví

dụ được đưa ra trong hình 25 dưới đây: