Lựa chọn tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng cho bộ lọc sóng hài thụ động

Sóng hài được sinh ra và lan truyền trong hệ thống do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất như: máy biến áp, máy điện quay; các thiết bị hồ quang và phóng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Nguyễn Xuân Tùng

Hà Nội - 2014

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

TÓM TẮT NỘI DUNG 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 10

1.1 Phân loại chất lượng điện năng 10

1.2 Khái niệm về sóng hài 12

1.3 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện 13

1.4 Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện 14

1.5 Ảnh hưởng của sóng hài tới các thiết bị trong hệ thống điện 19

CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 22

2.1 Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện 22

2.2 Các bộ lọc sóng hài thụ động 23

2.2.1 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp 23

2.2.2 Bộ lọc thụ động kiểu song song 23

2.3 Các bộ lọc sóng hài tích cực 24

2.3.1 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song 24

2.3.2 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu nối tiếp 25

2.4 Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép) 26

2.5 So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động 26

2.6 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến 27

2.7 Hướng nghiên cứu của luận văn 32

CHƯƠNG 3 LỰA CHỌN HỆ SỐ CHẤT LƯỢNG VÀ TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG CHO BỘ LỌC CỘNG HƯỞNG ĐƠN 33

3.1 Qui trình tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn 33

3.2 Phân tích về hệ số chất lượng Q cho bộ lọc cộng hưởng đơn 37

3.3 Phân tích về tần số cộng hưởng cho bộ lọc cộng hưởng đơn 39

3.3.1 Lý do không nên chọn tần số cộng hưởng bằng tần số sóng hài 39

3.3.2 Các yếu tố gây ra hiện tượng dịch chuyển tần số cộng hưởng 41

3.4 Phân tích, tính toán lựa chọn hệ số chất lượng Q và tần số cộng hưởng cho bộ lọc cộng hưởng đơn 42

3.4.1 Giới thiệu chung 42

3.4.2 Xác định hệ số hiệu chỉnh tần số cộng hưởng 43

3.4.3 Xác định hệ số chất lượng Q 47

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC VÀ KIỂM CHỨNG 50

4.1 Các thông số đầu vào 50

4.1.1 Đặt vấn đề 50

4.1.2 Giới thiệu sơ lược về phần mềm PSCAD 50

4.1.3 Sơ đồ lưới điện cần lắp đặt thiết bị lọc sóng hài 52

4.2 Chi tiết tính toán thiết kế bộ lọc thụ động kiểu cộng hưởng đơn 53

4.3 Kết quả chạy mô phỏng với các tham số của bộ lọc đã tính 55

4.3.1 Đánh giá khả năng lọc của bộ lọc 56

4.3.2 Đánh giá khả năng nâng cao hệ số công suất của bộ lọc 58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 59 5.1 Kết luận 59

5.2 Hướng nghiên cứu trong tương lai 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của

ai Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin đƣợc đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tác giả

Trần Quang Hải

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Xuân Tùng, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Viện Điện, Trường đại học Bách khoa Hà Nội - Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Từ đáy lòng mình, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia giảng dạy trong khóa học, các thầy cô tại Viện Điện, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa học này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của Viện Điện và Viện Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường

Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè, những người đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng đường học tập đã qua

Trần Quang Hải

TÓM TẮT NỘI DUNG

Một trong những vấn đề về chất lượng điện năng phổ biến trong hệ thống điện là sóng hài và sụt áp ngắn hạn Sóng hài được sinh ra và lan truyền trong hệ thống do việc sử dụng các tải phi tuyến, các thiết bị điện tử công suất như: máy biến áp, máy điện quay; các thiết bị hồ quang và phóng điện (lò hồ quang điện, đèn phóng điện); các thiết bị điện tử công suất (các bộ nghịch lưu, biến tần)…

Sóng hài trong hệ thống điện có thể gây nhiều vấn đề đối với các thiết bị có lõi

từ như gây phát nóng quá mức, gây rung động đối với các thiết bị quay, làm quá tải dây trung tính và nhiều vấn đề khác cho các thiết bị điều khiển Giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện có thể chia ra ba nhánh chính: sử dụng bộ lọc thụ động; sử dung bộ lọc tích cực và bộ lọc lai ghép giữa hai dạng này Bộ lọc tích cực

và bộ lọc lai ghép có khả năng loại trừ hầu hết các sóng hài phát sinh, tuy nhiên giá thành các thiết bị này có rất đắt và chi phí bảo dưỡng, tuổi thọ thiết bị vẫn còn là vấn đề cần xem xét

Luận văn đi sâu phân tích về việc sử dụng thiết bị lọc sóng hài thụ động (gồm các thành phần R, L, C) để loại trừ các sóng hài cơ bản trong hệ thống điện Trong quá trình tính toán thiết kế bộ lọc loại này cần quan tâm đến các yếu tố kỹ thuật đó

là hệ số cộng hưởng của bộ lọc và hệ số chất lượng của bộ lọc Nếu các hệ số này được lựa chọn không hợp lý có thể làm giảm hiệu quả của bộ lọc và có thể gây cộng hưởng trong lưới điện Thông thường các hệ số này được chọn theo kinh nghiệm, tuy nhiên luận văn sẽ đề xuất phương pháp lựa chọn dựa trên các phân tích kỹ thuật chi tiết

Về mặt cấu trúc luận văn được chia ra thành 5 chương

 Chương 1:Giới thiệu chung về chất lượng điện năng, tập trung vào phần

sóng hài Các nguyên nhân gây ra sóng hài, ảnh hưởng của sóng hài tới hệ thống và các thiết bị cũng được trình bày trong chương này

 Chương 2: Giới thiệu các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện

Chương này sẽ đi sâu phân tích ưu nhược điểm của các giải pháp sử dụng thiết bị lọc thụ động và chủ động Với các thiết bị lọc thụ động, luận văn sẽ giới thiệu cấu trúc và các loại bộ lọc thụ động phổ biến, đặc tính làm việc của các bộ lọc này Qui trình tính toán thiết kế bộ lọc thụ động cũng được giới thiệu trong chương này, để từ đó làm rõ nhu cầu cần lựa chọn đúng các hệ số cộng hưởng và hệ số chất lượng cho bộ lọc

 Chương 3:Phân tích chi tiết cách thức lựa chọn, tính toán các tham số của bộ

 Chương 5:Kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng biểuTrang

Bảng 1.1.1 Phân loại các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp theo tiêu

chuẩn IEEE 1159 - 1995 10

Bảng 1.3.1 Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32 14

Bảng 1.4.1 Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác 18

Bảng 2.1.1 Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lưu 6 và 12 xung 22

Bảng 3.4.1 Sai số cho phép của các phần tử hợp thànhchế tạo bộ lọc 46

Bảng 3.4.2 Hệ số hiệu chỉnh ứng với các dung sai của các phần tử 46

Bảng 3.4.3 Tần số cộng hưởng của bộ lọc ứng với các sóng hài khác nhau 46

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình vẽ Trang

Hình 1.2.1 Phân tích Fourer của một sóng bị méo dạng 12

Hình 1.2.2 Sóng méo dạng và phân tích Furier tương ứng 13

Hình 1.4.1 Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin 15

Hình 1.4.2 Sóng hài sinh ra do hiện tượng bão hòa mạch từ máy biến áp 16

Hình 1.4.3 Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá áp 10% điện áp định mức 16

Hình 1.4.4 Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3% 17

Hình 1.4.5 Dòng điện của điều hòa với THD=10,5% 17

Hình 1.4.6 Dạng sóng điện áp & dòng pha A của bộ chỉnh lưu 18

Hình 2.1.1 Mạch chỉnh lưu có sử dụng cuộn kháng điều hòa 22

Hình 2.2.1 Bộ lọc thụ động nối tiếp 23

Hình 2.2.2 Bộ lọc thụ động song song 24

Hình 2.3.1 Bộ lọc tích cực bù ngang 25

Hình 2.3.2 Bộ lọc tích cực bù dọc 25

Hình 2.4.1 Bộ lọc hỗn hợp thông dụng 26

Hình 2.6.1 Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến 28

Hình 2.6.2 Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn 29

Hình 2.6.3 Đặc tính tổng trở của các loại bộ lọc thụ động phổ biến 31

Hình 3.1.1 Sơ đồ khối quá trình tính toán bộ lọc cộng hưởng đơn 37

Hình 3.2.1 Bộ lọc cộng hưởng đơn và đặc tính tổng trở theo tần số 38

Hình 3.2.2 Đặc tính tổng trở của bộ lọc với các hệ số chất lượng khác nhau 39

Hình 3.3.1 Sơ đồ nối bộ lọc trong hệ thống điện có tải phi tuyến 40

Hình 3.3.2 Các tần số cộng hưởng có thể xuất hiện khi có bộ lọc trong hệ thống 41

Hình 3.4.1 Sơ đồ thay thế của bộ lọc, tải phi tuyến trong hệ thống 48

Hình 4.1.1 Sơ đồ lưới điện cần tính toán lắp đặt bộ lọc sóng hài 52

Hình 4.1.2 Phổ tần của dòng điện trước khi lắp bộ lọc 52 Hình 4.3.1 Đặc tính tổng trở của bộ lọc theo tần số 56 Hình 4.3.2 Phổ tần dòng điện trước khi có bộ lọc 57 Hình 4.3.3 Phổ tần dòng điện sau khi có bộ lọc bậc 5 được lắp đặt 57 Hình 4.3.4 Hệ số công suất trước và sau khi lắp đặt bộ lọc sóng hài bậc 58

CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ

SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

1.1 Phân loại chất lượng điện năng

Từ thế kỷ XX người ta đã nghiên cứu và đưa ra các khái niệm về "chất lượng điện năng ", nó đã trở thành một khái niệm gây tranh cãi và cho đến ngày nay thì còn nhiều bất đồng về việc sử dụng khái niệm này, về cách định nghĩa và áp dụng

nó thế nào cho chính xác Trong nhiều tài liệu của châu Âu và Mỹ, "chất lượng điện năng" được hiểu là chất lượng của sản phẩm điện được nhà cung cấp phân phối cho các hộ sử dụng

Có thể phân loại các vấn đề của chất lượng điện năng một cách sơ bộ bao gồm:

 Mất cân bằng dòng điện &điện áp

 Sụt giảm điện áp, mất điện áp

1.2 Quá độ dao động

1.2.1 Tần số thấp < 5 kHz 0,3 – 50 ms 0 – 4 pu 1.2.2 Tần số trung bình 5 – 500 kHz 20 micro giây 0 – 8 pu 1.2.3 Tần số cao 0,5 – 6 MHz 5 micro giây 0 – 4 pu

2 Biến đổi ngắn hạn

2.1 Biến đổi tức thời

pu

pu 2.2 Biến đổi chốc lát

2.2.1 Gián đoạn 30 chu kỳ - 3 s < 0,1 pu

pu

pu 2.3 Biến đổi tạm thời

pu

pu

3 Biến đổi dài hạn

5.2 Hài bậc cao (Harmonics) Trạng thái ổn

0 – 2%

5.4 Các xung nhọn xuất hiện

chu kỳ (Notching) Trạng thái ổn định

5.5 Do các thành phần khác

(Noise)

Trạng thái ổn định

0 – 1%

6 Dao động điện áp < 25 Hz Không liên tục 0,1 – 7%

7 Biến đổi tần số < 10 sec

1.2 Khái niệm về sóng hài

Sóng hài là các dạng nhiễu không mong muốn, xuất hiện dưới dạng các dòng điện hay điện áp có tần số bằng số nguyên lần tần số của nguồn cung cấp (thường được gọi là tần số sóng cơ bản) Các dòng điện, điện áp bị méo có thể được phân tích thành tổng của sóng có tần số cơ bản và các thành phần sóng hài Các thành phần sóng hài này do các tải phi tuyến sinh ra

Công cụ toán học để phân tích mức độ méo của dạng sóng dòng điện có chu kỳ là phân tích Fourier Phương pháp này dựa trên nguyên lý là một dạng sóng méo, có chu kỳ (không sin) thì có thể phân tích được thành tổng của các dạng sóng điều hòa hình sin, chúng bao gồm:

 Sóng hình sin với tần số cơ bản

 Các sóng hình sin khác với tần số hài cao hơn, là bội của tần số cơ bản

Trong trường hợp lý tưởng, tất cả những sóng điện áp và dòng điện trong hệ thống điện có dạng hình sin với tần số là tần số cơ bản.Tuy nhiên, điện áp và dòng điện thực tế trong hệ thống điện không thuần túy hình sin.Khi đó, sóng điện áp và dòng điện là tổng của sóng điều hòa cơ bản và các sóng điều hòa có bậc là bội số của sóng cơ bản

Dạng sóng méo ở hình dưới đây được phân tích thành một thành phần sóng cơ bản

và thành phần sóng hài bậc 3, bậc 5 (Hình 1.2.2)

1.3 Các chỉ số đánh giá sóng hài trong hệ thống điện

Thường dùng khái niệm tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (dòng điện) (THDV, THDi) là tỷ lệ của giá trị điện áp (dòng điện) hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp (dòng điện) cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%) để đánh giá mức độ biến dạng sóng hài:

Tổng biến dạng sóng hài theo điện áp:

√∑

Tổng biến dạng sóng hài theo dòng điện:

Hình 1.2.2Sóng méo dạng và phân tích Furier tương ứng

√∑

Trong đó:

 THDv, THDi: là tổng biến dạng sóng hài điện áp, dòng điện;

 Vi, Ii: là giá trị hiệu dụng thành phần điện áp, dòng điện tại sóng hài bậc i, i

Bảng 1.3.1Tiêu chuẩn điện áp theo Thông tư 12 và 32

Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ

1.4 Nguồn phát sinh sóng hài trong hệ thống điện

Sóng hài đƣợc phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, phần lớn đƣợc sinh ra do các tải phi tuyến hoặc do các thiết bị điện tử công suất khi hoạt động gây ra

Khi đặt một điện áp hình sin chuẩn vào tải phi tuyến thì dòng điện sinh ra sẽ có dạng sóng bị méo (Hình 1.4.1)

Thành phần dòng không cơ bản gây nên các thành phần sụt áp U không cơ bản làm cho sụt áp tổng U bị méo Do đó, mặc dù điện áp nguồn là sin nhưng điện áp tại điểm đấu nối chung của các thiết bị sẽ bị méo

U nguồn (sin)-ΔU(không sin) = U thanh cái (không sin)

Nếu như có các thiệt bị khác đấu nối cùng thanh cái thì sẽ phải chịu điện áp không sin đặt vào Vì vậy cần loại bỏ thành phần hài không cơ bản do thiết bị phi tuyến sinh ra

Một số nguồn phát sinh sóng hài thường gặp trong hệ thống điện:

 Các máy biến áp: hiện tượng bão hòa mạch từ là một nguyên nhân gây ra sóng hài Khi biên độ điện áp từ thông đủ lớn (hiện tượng quá từ thông) để rơi vào vùng không tuyến tính trên đường cong B-H của mạch từ sẽ dẫn đến dòng điện

bị méo dạng và chứa thành phần sóng hài mặc dù sóng điện áp đặt vào vẫn là hình sin Hình 1.4.2mô tả hiện tượng này

Hình 1.4.1Điện áp sin qua tải phi tuyến tạo ra dòng điện không sin

Hình 1.4.3mô tả dạng sóng dòng điện pha A của máy biến áp khi lõi từ bị quá kích thích

Hình 1.4.3Dạng sóng và phổ dòng pha A khi máy biến áp hoạt động trong điều kiện quá áp

Thành phần cơ bản Thành phần hài bậc ba

 Thiết bị điện tử công suất:thiết bị điện tử công suất có sử dụng bộ chỉnh lưu đầu vào, thiết bị chỉnh lưu này chính là nguồn gây phát sóng hài Mặt khác các van công suất khi đóng/cắt cũng có thể gây ra nhiễu, hài với tần số cao Thiết bị điện

tử công suất sử dụng phổ biến trong các thiết bị công nghiệp, gia dụng như: máy tính, bộ điều tốc động cơ, đèn huỳnh quang, bộ lưu điện UPS Các thiết bị này tạo ra dòng điện méo dạng rất lớn tùy thuộc vào công suất định mức Hình 1.4.6

mô tả sóng điện áp và dòng điện của một số chỉnh lưu cơ bản Bảng 1.4.1 mô tả phổ tần và tổng độ méo sóng hài của một số tải phi tuyến khác

Hình 1.4.4Dòng điện của máy lạnh với THD=6,3%

A

Hình 1.4.5Dòng điện của điều hòa với THD=10,5%

A

Hình 1.4.6Dạng sóng điện áp & dòng pha A của bộ chỉnh lưu

(a)

(b)

(c)

(d)

Bảng 1.4.1Dạng sóng dòng điện, phổ tầnvà tổng độ méo sóng hài của một

số tải phi tuyến khác

1.5 Ảnh hưởng của sóng hài tới các thiết bị trong hệ thống điện

Ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện thể hiện trên nhiều thiết bị, tuy nhiên việc xác định chính xác mức độ ảnh hưởng vẫn còn là vấn đề cần có các nghiên cứu chuyên sâu Những tác hại của sóng hài gây ra có thể gây ảnh hưởng trực tiếp, tuy nhiên cũng có thể gây ảnh hưởng gián tiếp qua một thời gian dài

 Làm méo hệ thống điện áp: điện áp nguồn phát ra là dạng sóng sin (mức độ méo sóng rất nhỏ, hoàn toàn có thể bỏ qua), tuy nhiên khi xuất hiện phụ tải phi tuyến kèm theo dòng điện không sin sẽ gây ra sụt áp không sin trên đường dây Sụt áp không sin gây ra điện áp tại thanh cái tổng chung bị méo sóng và sẽ ảnh hưởng đến các thiết bị khác đang nhận điện từ thanh cái chung này

 Làm xấu hệ số công suất: càng nhiều thành phần sóng điều hòa thêm vào cùng với thành phần cơ bản, thì giá trị dòng điện hiệu dụng tổng sẽ tăng lên, vì vậy sẽ ảnh hưởng tới hệ số công suất của mạch Hệ số công suất cos, được tính như sau (cho thành phần cơ bản của dòng và áp):

Sự dịch pha giữa điện áp và dòng điện gây ra sự khác nhau về giá trị hệ số công suất Vì dòng điện chỉ có thể sớm hoặc trễ pha so với điện áp từ 0 tới 90 độ, hệ số công suất sẽ luôn dương và nhỏ hơn hoặc bằng 1 Trong trường hợp sóng dòng điện không phải hình sin và điện áp là sóng sin Công suất được tính bằng cách lấy tích phân của tích dòng điện và điện áp theo thời gian.Vì điện áp chỉ gồm thành phần tần

số bậc một, nên công suất sẽ bao gồm một dãy các số hạng là tích của điện áp với từng thành phần dòng hài.Số hạng đầu tiên của dãy là tích của điện áp và thành phần cơ bản của dòng điện Hiển nhiên số hạng này luôn dương nó là công suất thực được đưa tới tải Những số hạng còn lại bao gồm tích của điện áp tần số cơ bản

và một thành phần dòng hài bậc cao hơn Tích của sóng sin với tần số khác nhau tạo

ra một sóng hình sin mà có giá trị trung bình trong chu kỳ bằng không Vì thế

không một dòng hài bậc cao hơn nào tạo ra công suất thực nếu điện áp chỉ bao gồm thành phần cơ bản Hệ số công suất tổng hay hệ số công suất thực:

√ ( ) √ ( )

Thành phần thứ hai trong tích trên là hệ số công suất méo gây bởi thành phần sóng hài Nhận thấy thành phần này luôn nhỏ hơn 1 nên hệ số công suất khi có sóng hài bị giảm đi

 Gây thêm phát nóng: Do ảnh hưởng của hiệu ứng mặt ngoài, làm cho vật dẫn bị làm nóng nhanh chóng khi tần số dòng điện tăng Nếu trong điều kiện tồn tại sóng hài với trị số lớn, thiết bị vẫn có thể bị quá nhiệt ngay cả khi mang dòng định mức và làm cho tổn hao công suất cũng tăng lên

 Tổn hao từ trễ tỉ lệ với tần số và dòng fu-cô tỉ lệ với bình phương tần số nên dòng điều hòa cũng gây tăng tổn thất trong cuộn dây và mạch từ của máy biến

áp Cũng giống như máy biến áp sóng hài gây ra thêm tổn hao từ trường trong lõi thép của động cơ Dòng hài cũng gây nên tổn hao trong cuộn dây động cơ Một ảnh hưởng khác nghiêm trọng hơn là sự dao động mômen vì sóng hài Hai trong số những sóng hài thường gặp trên lưới điện là hài bậc năm và bậc bảy Sóng hài bậc năm là sóng hài thứ tự nghịch, dẫn tới từ trường quay ngược chiều với từ trường cơ bản với tốc độ bằng năm lần tốc độ cơ bản Hài bậc bẩy là hài thứ tự thuận, từ trường quay cùng hướng từ trường cơ bản với tốc độ bằng bẩy lần cơ bản Từ đó dẫn tới sự tương tác từ trường và dòng điện cảm ứng trên rotor tạo ra sự dao động của trục động cơ

 Ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ rơle và đo đếm: sự xuất hiện thành phần sóng hài làm cho thiết bị bảo vệ tác động sai hoặc không tác động khi có sự cố Tùy từng điều kiện rơle có thể tác động trước hoặc chậm hơn so với yêu cầu hoặc định vị sai vị trí điểm sự cố (ảnh hưởng nhiều nhất đến các rơle tĩnh và rơle cơ, rơle số

thường được trang bị các bộ lọc rất tốt nên ít bị ảnh hưởng), điều này có thể gây

ra những tác động xấu đến cả hệ thống

 Các thiết bị đo đếm cũng bị ảnh hưởng, tuy nhiên rất khó để xác định sai số gây

ra là âm hay dương Sai số này phụ thuộc không những vào tần số sóng hài có trong đại lượng cần đo mà còn cả vào góc pha của sóng hài, do đó rất khó tổ hợp hết các trường hợp có thể xảy ra để tiến hành thí nghiệm kiểm chứng

 Gây nhiễu: Đối với các thiết bị đo, hệ thống máy tính, các thiết truyền thông, kĩ thuật số, y tế đòi hỏi chất lượng điện áp cao, sự xuất hiện của sóng hài có thể làm chúng hoạt động không chính xác Với đường dây tải điện có tồn tại sóng điều hòa sẽ phát ra những sóng điện từ ra môi trường xung quanh Những thiết

bị đặt gần sẽ bị những sóng điện từ gây nhiễu Các thiết bị điều khiển hoạt động dựa trên việc xác định thời điểm dòng áp qua điểm không có thể làm việc sai do trong một chu kỳ có thể xuất hiện nhiều thời điểm tín hiệu qua điểm không này

 Quá tải các bộ tụ bù: tổng trở của các bộ tụ phụ thuộc vào tần số vận hành, tần

số càng cao thì tổng trở càng giảm thấp Do vậy, với các sóng hài thì bộ tụ có thể trở thành nơi hút sóng hài và có thể bị quá tải, quá nhiệt (nhất là với các bộ tụ khô)

Bên cạnh đó, tại các tần số của sóng hài, có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng giữa bộ tụ và trở kháng của hệ thống, có thể gây nên các dao động mạnh của điện áp và dòng điện

CHƯƠNG 2CÁC GIẢI PHÁP LOẠI TRỪ SÓNG HÀI TRONG HỆ THỐNG

ĐIỆN

2.1 Tổng quan về các giải pháp loại trừ sóng hài trong hệ thống điện

Có nhiều biện pháp đã được đề xuất và thực hiện để loại bỏ ảnh hưởng của sóng hài trong hệ thống điện, các biện pháp đó có thể liệt kê sơ bộ như sau:

 Sử dụng các bộ chỉnh lưu loại nhiều xung (12 xung, 24 xung, 48 xung)

Bảng 2.1.1 thể hiện phổ tần của dòng điện của chỉnh lưu 6 và 12 xung, có thể thấy rằng thành phần hài giảm đáng kể khi sử dụng cầu chỉnh lưu 12 xung hoặc cao hơn

 Sử dụng các cuộn kháng nối tiếp với mạch chỉnh lưu, nghịch lưu để điều hòa dòng điện

Hình 2.1.1 cho thấy khi thay đổi giá trị của cuộn kháng điều hòa có thể giảm được độ méo dạng sóng dòng điện một cách đáng kể

Bảng 2.1.1Phổ tần của dòng điện khi sử dụng chỉnh lưu 6 và 12 xung

Hình 2.1.1 Mạch chỉnh lưu có sử dụng cuộn kháng điều hòa

 Sử dụng các máy biến áp với tổ đấu dây tam giác để loại bỏ các thành phần hài tương tự với thành phần thứ tự không trong hệ thống điện (các thành phần hài bậc 3n như 3, bậc 6, bậc 9 )

 Sử dụng các bộ lọc sóng hài: đây là giải pháp thường được sử dụng phổ biến nhất tại các phụ tải

Các bộ lọc sóng hài có thể chia ra là bộ lọc sóng hài thụ động và lọc sóng hài chủ động, bộ lọc sóng hài kiểu lai ghép

2.2 Các bộ lọc sóng hài thụ động

Các bộ lọc sóng hài thụ động được cấu thành từ các bộ tụ và kháng với trị số thích hợp để tạo ra mạch cộng hưởng tại tần số hài mong muốn Có thể phân loại bộ lọc thụ động theo phương thức kết nối vào lưới như bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp và song song

2.2.1 Bộ lọc thụ động kiểu nối tiếp

Cấu hình đơn giản của bộ lọc thụ động bù dọc như Hình 2.2.1

Bộ lọc thụ động LC được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng dao động điện từ

Bộ lọc được thiết kế chỉ cho thành phần sóng cơ bản đi qua còn các thành phần sóng hài khác sẽ bị chặn lại

Ứng dụng lớn nhất của bộ lọc này làm bộ lọc sóng cao tần trong kênh thông tin tải

ba, sử dụng dây điện truyền tin

2.2.2 Bộ lọc thụ động kiểu song song

Cấu hình bộ lọc thụ động bù ngang như Hình 2.2.2

Hình 2.2.1Bộ lọc thụ động nối tiếp

Nguồn HT

Tải phi tuyến C

L

Bộ lọc

Hình 2.2.2Bộ lọc thụ động song song

Bộ lọc thụ động LC bù ngang được thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hưởng Bộ lọc được điều chỉnh cộng hưởng với một tần số nào đó khi đó bộ lọc sẽ trở thành đường dẫn trở kháng thấp cho những sóng hài nhất định.Thông thường trong hệ thống hay

sử dụng các loại bộ lọc sóng hài bậc 5 và bậc 7 Các bộ lọc sóng hài bậc 3 là không cần thiết vì thành phần này có tính chất tương tự thành phần thứ tự không do đó sẽ

bị chặn lại bởi các cuộn đấu tam giác trong máy biến áp, các hài bậc cao hơn bậc 7 thường có biên độ nhỏ, do đó nếu không cần thiết thì có thể không cần đặt bộ lọc

2.3 Các bộ lọc sóng hài tích cực

Sử dụng các thiết bị điện tử công suất có điều khiển để bù các điều hòa dòng điện, điện áp nhằm đạt được dạng sóng dòng điện và điện áp tải theo yêu cầu

2.3.1 Các bộ lọc sóng hài tích cực kiểu song song

Cấu hình đơn giản của bộ lọc tích cực bù ngang như Hình 2.3.1

Nguồn HT

Thanh cái tổng

Tải phi tuyến Tải

Bộ lọc

Ih L

C

Bộ lọc hoạt động theo nguyên lý bơm sóng hài ngƣợc pha và có độ lớn bằng độ lớn sóng hài do tải phi tuyến sinh ra Vì thế dòng điện sau bộ lọc (về phía nguồn) sẽ chỉ

Hình 2.3.1Bộ lọc tích cực bù ngang

Nguồn HT

Thanh cái tổng

Tải

Tải phi tuyến

Nguồn năng lƣợng

Tải

Tải phi tuyến

năng lƣợng

trị rất lớn đối với các thành phần sóng hài bậc cao, do đó dòng điện cơ bản vẫn đi qua bộ lọc, dòng điện hài sẽ bị chặn lại bởi tổng trở cao

2.4 Các bộ lọc hỗn hợp (kiểu lai ghép)

Bộ lọc hỗn hợp kết hợp giữa bộ lọc thụ động (để giảm giá thành) và bộ lọc tích cực (nâng cao hiệu quả lọc sóng hài) Cấu hình thông dụng của bộ lọc lai ghép thể hiện trên Hình 2.4.1

Hình 2.4.1Bộ lọc hỗn hợp thông dụng

Thông thường bộ lọc thụ động được thiết kế để lọc các thành phần hài phổ biến, có biên độ lớn trong hệ thống điện như hài bậc 5 và bậc 7 Bộ lọc tích cực có nhiệm vụ lọc các hài bậc cao hoặc các hài còn lại không được lọc bởi bộ lọc thụ động, do đó

có thể giảm công suất của các bộ lọc tích cực mà vẫn mang lại hiệu quả lọc cao

Bộ lọc hỗn hợp như vậy sẽ đạt được cả kết quả tốt về mặt kỹ thuật và hiệu quả về kinh tế, do đó bộ lọc hỗn hợp có thể ứng dụng phổ biến trong công nghiệp

2.5 So sánh giữa bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động

Nguồn HT

Nguồn năng lượng

Tải phi tuyến

Bộ lọc tích cực

Bộ lọc thụ động

Ih

Các bộ lọc thụ động có thiết kế và cấu trúc đơn giản hơn so với bộ lọc chủ động hoặc các máy bù đồng bộ Các ưu điểm có thể liệt kê như sau

 Bền bỉ, vốn đầu tư thấp, dễ lắp đặt và vận hành và có thể kết hợp để cải thiện hệ

số công suất của các phụ tải, hỗ trợ điều chỉnh điện áp, làm dễ dàng quá trình khởi động của động cơ(1)

 Có thể thiết kế với công suất lớn tới MVAr với yêu cầu chi phí bảo dưỡng thấp

 Không đóng góp thêm dòng ngắn mạch so với trường hợp sử dụng máy bù đồng

bộ

Tuy nhiên bộ lọc thụ động cũng có các nhược điểm như:

 Kích thước lớn, chỉ lọc hiệu quả với các dòng điện với tần số tại lân cận tần số cộng hưởng

 Thông thường, các bộ tụ và kháng sẽ già hóa theo thời gian, hoặc các yếu tố khác như nhiệt độ có thể dẫn đến trôi tham số do đó đặc tính bộ lọc cũng biến đổi theo thời gian

 Có thể tạo ra hiện tượng tự cộng hưởng với hệ thống nếu khi lắp đặt không được khảo sát kỹ

2.6 Các loại bộ lọc thụ động phổ biến

Các bộ lọc thụ động được sử dụng phổ biến trong công nghiệp, tùy theo tính năng lọc có thể phân loại thêm bộ lọc thụ động theo các kiểu sau (Hình 2.6.1)

Hình 2.6.1Cấu hình của các loại bộ lọc thụ động phổ biến

Trong đó

a Bộ lọc cộng hưởng đơn b Bộ lọc thông cao bậc 1

c Bộ lọc thông cao bậc 2 d Bộ lọc thông cao bậc 3

e Bộ lọc thông cao kiểu C

 Bộ lọc cộng hưởng đơn

Bộ lọc cộng hưởng đơn gồm có một tụ điện và kháng điện đấu nối tiếp Thông số của tụ và kháng được lựa chọn để bộ lọc sẽ có tổng trở thấp (tổng trở lý tưởng bằng 0) tại tần số mong muốn (chính là tần số của sóng hài cần loại trừ).(2)

Giá trị của bộ tụ C được lựa chọn để phần nào bù một phần công suất phản kháng của phụ tải để nâng cao hệ số công suất Công suất phản kháng mà bộ tụ có thể phát

ra được tính theo: tu2

boloc

C

V Q

Hình 2.6.2 Đặc tính tổng trở theo tần số của bộ lọc cộng hưởng đơn

Tổng trở của bộ lọc sẽ có giá trị thấp nhất khi tổng trở của thành phần điện cảm

bằng với tổng trở của thành phần điện dung (nhƣng ngƣợc dấu)X L =X C

Từ quan hệ đó tính ra điện kháng cần thiết của bộ lọc: 1 2

Giá trị điện trở của bộ lọc đƣợc lựa chọn tùy theo hệ số chất lƣợng Q của bộ lọc Hệ

số chất lƣợng Q quyết định mức độ hẹp hay mở rộng của đặc tính tổng trở-tần số

của bộ lọc và băng thông của bộ lọc Về mặt toán học Q đƣợc tính theo:

L C Q

R Q L C



 Bộ lọc thông cao bậc 1

0 5 10 15 20

Các bộ lọc thông cao bậc 1 có khả năng tạo ra tổng trở thấp đối với

các sóng hài bậc cao do đặc tính của bộ tụ (tổng trở của bộ tụ tỷ lệ

nghịch với bậc của sóng hài) Bộ lọc loại này không có điện kháng

(2) do đó cần có một điện trở mắc nối tiếp để hạn chế dòng chạy qua

bộ tụ Để có tổng trở bé tại tần số cao cần bộ tụ dung lượng lớn, điều

này có thể dẫn tới hiện tượng quá bù công suất phản kháng kèm theo chi phí của bộ

tụ cũng cao hơn Bộ lọc loại này thường không làm việc tốt tại các tần số thấp

 Bộ lọc thông cao bậc 2

Bộ lọc thông cao bậc 2về mặt cấu hình gồm một bộ tụ nối tiếp với

kháng và điện trở song song Bộ lọc này hoạt động tương tự như bộ

lọc cộng hưởng đơn với các sóng hài có tần số thấp vì tại tần số thấp

thì trị số bộ kháng rất nhỏ, gần như nối tắt thành phần điện trở, bộ

lọc trở thành tương tự như bộ lọc cộng hưởng đơn

Tại tần số cao, giá trị điện kháng trở tăng lên đáng kể, coi như hở mạch và như vậy

bộ lọc trở lại tương tự như bộ lọc thông bậc 1

 Bộ lọc thông cao bậc 3

Bộ lọc thông cao bậc 3 thể hiện tính dung tại dải tần thấp và tại tần

số cơ bản Tại tần số cao bộ lọc thể hiện tính kháng Về mặt đáp ứng